阿哈水库底泥基质中3种绿化植物的生长及Cd的富集特征

严莲英,范成五,刘桂华,高翔,秦松*

(1.贵阳市乌当区农业农村局，贵州 贵阳 550018；2.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006)

阿哈水库是贵阳市的三大水缸之一，坐落于黔中典型的喀斯特山区，属地球化学敏感和生态环境脆弱的喀斯特碳酸盐岩区域，由于特殊的地质环境及长期受人类活动的影响，库底沉积物淤积。近几年，经贵阳市政府的整治，水库水质有所改善，但产生了大量的疏浚底泥，其安全处置成为一个难题。阿哈水库底泥养分丰富，但重金属Cd污染较为严重，不适于耕地利用，可考虑用于园林绿地[1]。此外，底泥中含有丰富的腐殖质胶体，施用于土壤中不仅能改善土壤物理性质，还能有效提高土壤的保水保肥能力[2-3]。另有研究表明，向底泥中添加一些改良剂制成种植基质，更有利于植物的生长，如张鸿龄等[4]利用底泥、粉煤灰和锯木屑混合后种植紫花苜蓿(Medicagosativa)，紫花苜蓿长势良好，且能带走一些基质中的重金属，胡雨彤等[5]向底泥堆肥中添加珍珠岩，能促进孔雀草(Tagetespatula)的生长。

珍珠岩能增大混合基质的孔隙度，增强其通气、保水、保肥的性能，蘑菇渣不仅含有丰富的养分，而且含有大量的微生物，与锯木屑一样具有质轻、透气保水、保肥的特点，是代替盆土的好材料，此外，贵州是种茶大省，茶园土呈酸性，可利用其降低底泥基质的pH。三叶草(Oxalistriangularis)具有较强的氮磷去除能力，能有效减少由于地表径流的冲刷、氮磷流失而造成的面源污染，同时，三叶草对含有重金属Cd污染的土壤有一定的耐受性[6]；黑麦草(Loliumperenne)和孔雀草是目前花坛应用的主要花草，且对Cd具有很强的富集能力，具备植物修复潜力[7-8]，又有研究指出草本植物对重金属Cd转移能力、吸收能力均高于灌木和乔木[9]，所以选择三叶草、黑麦草和孔雀草来进行此次试验。因喀斯特底泥的特殊性，目前对喀斯特地区水库底泥的资源化利用较少，但已有研究指出草本植物在喀斯特地区红枫湖底泥基质中能正常生长，且对重金属具有较强的吸附作用[10]。本研究通过向阿哈水库污染底泥中添加一定比例的茶园土、木屑、蘑菇渣和珍珠岩，制成底泥基质，研究其对3种草本绿化植物生长的影响及3种植物对Cd的富集特征，为阿哈水库及类似的喀斯特山区湖泊污染底泥整治工程提供参考资料。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用底泥为贵阳市阿哈水库疏浚底泥。底泥于疏浚场地堆积自然脱水至含水量达60%左右，装入塑料桶中运回大棚自然风干，经筛网过滤，剔除硕石、木屑、动植物残体和生活垃圾等异物后研磨过2 mm筛备用；珍珠岩、木屑、蘑菇渣均取自贵州省农业科学院园艺科学研究所；茶园土取自贵州省农业科学院茶叶研究所基地。所有配比材料采集后均放置于实验室自然风干，过筛后测定样品的基本理化性质如表1所示。试验所用孔雀草、黑麦草和三叶草均购于当地花鸟市场。

表1 其他物料的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of other materials

-:未检测Non detection.

1.2 研究方法

1.2.1配比实验 综合考虑资源化利用成本、供试园艺植物的生长习性、底泥的特性与底泥处理量，根据所用材料的理化特性，本试验将底泥、珍珠岩、木屑、蘑菇渣、茶园土按照表2充分混匀装入塑料花盆(高21 cm，直径20 cm)中，于室温下平衡30 d，期间每3 d翻动1次(保证其充分混匀)，以自来水浇灌，使其保持60%的田间持水量。每盆取100 g进行各项指标的测定。

1.2.2盆栽试验 试验在贵州省农业科学院土壤肥料研究所大棚进行。综合考虑供试园艺植物的生长习性、底泥的特性与底泥处理量，试验设置6个处理(表2)，每个处理设置3次重复。 基质配制完成后，混

表2 底泥基质的配比 Table 2 Ratio of sediment substrate (%)

注：表中数据为体积比。

Note：The data in the Table are volume ratio.

合均匀后倒入塑料盆，每盆基质量控制在2 kg左右，每盆分别移栽一棵相应的植物(对每种植物进行育苗，然后挑选大小和长势一致的苗)，种植盆在盆栽场大棚中随机排列，用自来水浇灌，保证水分，生长90 d后收获。植株地上部分于收获前测定株高，收获时采集植株整株，用自来水洗净后再用去离子水冲洗，测定鲜重和干重，然后分成地上部和地下部，制成样品进行相关的分析，同时采集对应的底泥生长基质样品，于室内风干后，制成样品进行分析。

1.3 样品分析

采样当天将植物样品用去离子水洗净，先在 105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干，用不锈钢植物粉碎机磨碎，装入自封袋编号备用。土壤样先置于室内自然风干，根据需要研磨、过筛，装入自封袋编号备用。于2016年11月进行室内分析，pH 值、有机质、速效氮、速效磷、速效钾、电导率测定采用鲍士旦[11]的方法测定；采用ICP-MS(BOEN 36158)测定土壤Cd。

1.4 植物对重金属的富集能力

植物对重金属的富集能力可以用生物富集系数(bioconcentration factors，BCF)和生物转移系数(translocation factor，TF)[12]表示。植物对重金属的富集系数(BCF)=植物重金属Cd含量/底泥基质中重金属Cd含量；植物对重金属的转移系数(TF)=地上部分的重金属Cd含量/地下部分的重金属Cd含量。富集系数可表征底泥-植物体系中元素迁移的难易程度，是反映植物将重金属吸收转移到体内能力大小的评价指标[13]。

1.5 统计分析

采用 Excel、DPS 7.05和SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 底泥基质的理化性质

表3表明，供试验植物种植前基质除对照外，有机质的含量范围为78.30～95.31 g·kg-1，速效氮为109.33～124.45 mg·kg-1，速效磷为17.20～24.70 mg·kg-1，速效钾为178.12～206.46 mg·kg-1，均显著(P<0.05)低于对照，说明添加了养分含量低的珍珠岩、木屑、蘑菇渣和茶园土等调节质地的物料降低了底泥基质的养分含量，但所有处理养分含量都远高于CJ/T 340-2011[14]的要求，其中处理T1～T5有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量为CJ/T 340-2011限值的6.53～7.94倍、2.73～3.11倍、2.15～3.09倍和2.97～3.44 倍；基质的pH为7.62～7.71，呈中性至弱碱性，满足CJ/T 340-2011的要求(pH 5.50～8.30)，总孔隙度为42%～75%，满足一般植物的生长需求(孔隙度为40%～50%)，基质的EC为1.47～1.62 ms·cm-1，Cd含量为0.88～1.12 mg·kg-1，EC和Cd含量分别为CJ/T 340-2011的1.23～1.35倍和0.88～1.12倍。同时，由于木屑、蘑菇渣的养分含量高于珍珠岩和茶园土，所以木屑、蘑菇渣所占比重较大的T5、T3和T4养分含量大于T2和T1，此外，调节孔隙度能力为珍珠岩>木屑>蘑菇渣>茶园土，所以，经调节后，孔隙度较大的为T2、T5、T3和T4，综上，T5为理化性质最优基质。

表3 底泥基质的理化性质Table 3 Physical and chemical properties of sediment substrate

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

Note: Different lowercase letters within the same column indicate significant differences (P<0.05), the same below.

2.2 底泥基质对3种植物生物量的影响

生物量是表征植物生长情况的重要指标之一。以3种植物和6种基质进行二因素方差分析(表4)，结果表明，三叶草、黑麦草和孔雀草的地上部分鲜重均值为36.56～93.98 g·盆-1，地下部分为0.95～33.65 g·盆-1，地上部分干重均值为4.16～11.43 g·盆-1，地下部分为0.46～3.94 g·盆-1，其中，三叶草表现得最好，地上、地下部分鲜重、地上和地下部分干重分别为93.98、33.65、11.43和3.94 g·盆-1；其次是孔雀草，地上、地下部分鲜重、地上和地下部分干重分别为52.38、8.64、8.26和1.65 g·盆-1；再次是黑麦草，地上、地下部分鲜重、地上和地下部分干重分别为36.56、0.95、4.16和0.46 g·盆-1。CK、T1、T2、T3、T4和T5的地上部分鲜重均值为42.00～73.92 g·盆-1，地下部分鲜重均值为11.14～15.83 g·盆-1，地上部分干重均值为5.91～9.73 g·盆-1，地下部分干重均值为1.51～2.48 g·盆-1。其中，T5表现得最好，地上、地下部分鲜重、地上部分干重和地下部分干重，均值分别为73.92、15.66、9.73和2.48 g·盆-1；其次是T3，地上部分鲜重、地下部分鲜重、地上和地下部分干重，均值分别为69.07、15.83、9.04和2.32 g·盆-1；最后是CK，均值分别为42.00、11.14、5.91和1.51 g·盆-1。综上，T5处理的植物生长情况最好，底泥基质中植物的长势为三叶草>孔雀草>黑麦草。

表4 不同处理对植物生物量的影响Table 4 Effects of different treatments on plant biomass (g·pot-1)

2.3 植物重金属Cd的富集特征

不同底泥基质处理和植物种类对植物重金属的吸收和转运影响不同(表5)。三叶草、黑麦草和孔雀草地上部分Cd的含量范围分别为0.10～0.14 mg·kg-1、0.21～0.31 mg·kg-1和0.93～1.22 mg·kg-1，地下部分分别为0.04～0.15 mg·kg-1、4.32～4.98 mg·kg-1和0.40～0.93 mg·kg-1，其中，三叶草CK、T1和T4处理地上部Cd含量大于地下部分，其他处理的地上部分小于或等于地下，黑麦草地下部分大于地上，孔雀草的地上部分大于地下；三叶草、黑麦草和孔雀草的Cd累积量为1.03～2.24 μg·盆-1、2.73～3.72 μg·盆-1和7.46～12.60 μg·盆-1；可见，对重金属的累积能力为孔雀草>黑麦草>三叶草。

一般植物正常的Cd含量为0.2～3.0 mg·kg-1[15]，通过比较得出，除黑麦草地下部分Cd含量超过正常值外，其余植物Cd含量均在植物正常含量范围内。由此可见，不仅可以在底泥基质中种植这3种植物，且可以借助这3种植物将底泥中重金属去除。

不同植物对重金属的吸收和转运能力不同(表6)，有研究指出当一种植物对重金属的BCF>1和TF>1的，表明植物对重金属的富集能力较强，并可同时在地上部分和地下部分累积大量重金属，符合这种特征的植物为富集型植物[16]。3种植物对重金属Cd的富集能力存在较大差异。三叶草地上部分的富集系数为0.09～0.13，地下部分为0.04～0.17，黑麦草地上部分为0.20～0.31，地下部分为3.96～5.01，孔雀草地上部分为0.93～1.11，地下部分为0.37～1.06。只有黑麦草的地下部分和孔雀草CK处理的地上部分、T2的地上部分、地下部分及T5的地上部的BCF>1，由此可见，黑麦草的地下部分对Cd具有很强的富集能力，孔雀草的地上部分对Cd具有较强的富集作用。综合3种植物对重金属Cd的富集系数，富集能力为黑麦草地下部分>孔雀草地上部分>孔雀草地下部分>黑麦草地上部分>三叶草地上部分>三叶草地下部分，总体富集能力为孔雀草>黑麦草>三叶草。

表5 不同处理对植物体内重金属Cd含量与累积量的影响Table 5 Effects of different treatments on Cd content and accumulation in plants

表6 不同处理下3种植物对重金属Cd的富集能力Table 6 Enrichment ability of three plants to heavy metal Cd under different treatments

植物转移系数反映植物向茎、叶转移重金属的能力，转移系数越大表明植物对重金属的转移能力越强。如TF>1，说明植物将地下部分的重金属元素转移至地上部分能力强；如果TF<1，说明植物将重金属转移至地上部的能力较弱[16]。三叶草的转移系数为0.67～3.23(表6)，黑麦草为0.05～0.07，孔雀草为1.00～2.52，可见，黑麦草是根富集植物，植株对重金属具有较强的根系过滤作用，可以防止有毒污染物在植物中的过度积累导致植物的衰亡[17]，三叶草和孔雀草是地上部富集植物。综合3种植物对重金属Cd的转移系数，转移能力强弱为孔雀草>三叶草>黑麦草。

2.4 植物重金属累积量与底泥基质中重金属含量的关系

将3种植物重金属含量与底泥基质中的重金属含量进行相关性分析(表7)，3种植物的不同部位与底泥基质中的Cd含量无明显的相关性。3种植物的地上部分与地下部分的相关系数为-0.38～-0.48，为负相关，但不显著。原因可能是为了资源化利用底泥，所配制的底泥基质中的Cd含量不成梯度，基质的理化性质也不同造成的。

表7 植物Cd含量与底泥基质Cd含量的相关分析Table 7 Correlation analysis of Cd content between plant and sediment substrate

3 讨论

生长基质的酸碱度、盐分、孔隙度和养分含量对植物的生长具有重要作用。底泥的养分含量较丰富，施入土壤能有效增加土壤的有机质、氮、磷等含量[2]，用底泥来配制基质可以提高基质养分含量，同时往底泥基质中添加珍珠岩、锯木屑和蘑菇渣不仅可以增加底泥的孔隙度，同时，锯木屑和蘑菇渣在缓慢腐熟过程中还可以增加底泥养分的缓慢供应，有利于重复利用[5,18-19]，还可以改善基质的pH、EC等性状。此外，由于其他物料的添加，稀释了底泥中的Cd，使其他处理的Cd含量都低于对照[4]。

底泥基质的平均Cd含量已超过CJ/T 340-2011中的Ⅲ级标准，目前对于这3种植物的Cd毒害临界值尚未见报道，3种植物在底泥基质中都能生长，可能是基质中Cd的含量未达到3种植物耐性的临界点，也可能与底泥中含量较高的有机质和pH有关，金属离子的溶解度会随 pH 值升高而降低，金属有机络合物的稳定性则随环境 pH 值升高而增强[20]，重金属还能与有机质形成具有一定稳定程度的金属有机络合物，降低重金属的生物可利用性以及植物的吸收[21]，此外，阿哈水库底泥的硫及钙含量非常高[22-23]，S可在细胞内形成巯基物质和促进液泡移动，以隔离和螯合Cd离子，减小Cd的生物有效性[24]，Ca与Cd具有相似的化学性质，是吸附位点的主要竞争者，当两者在溶液中同时存在时，可显著地降低植物对Cd的吸收和积累，从而减轻Cd的毒害[25]。

3种植物在底泥基质中的生长情况不同，生物量为三叶草>孔雀草>黑麦草，除了与植物特性有关外，可能的原因是CJ/T 340-2011指出，一般植物对基质EC的适应性为 0.15～1.20 ms·cm-1，耐盐植物对基质EC的适应性为≤1.8 ms·cm-1，而此次配比的基质EC为1.47～1.62 ms·cm-1，需要耐性植物才能正常生长，虽孔雀草和黑麦草适应性强，更有研究指出三叶草可适应寒冷及炎热，酸和碱性土[26]，此外还有研究指出，孔雀草和黑麦草是Cd累积植物，液胞区隔化和细胞壁固持是孔雀草应对 Cd 胁迫的重要耐性机制[27-28]，但三叶草对重金属耐性表现为少吸收，在同等重金属胁迫条件下，重金属含量较低，长势较其他植物好[29-30]，同时本研究结果也显示在同等条件下孔雀草对Cd的累积量远大于黑麦草，黑麦草远大于三叶草。还有研究指出当Cd在植物体内含量达到1 mg·kg-1时，就会抑制植物生物量的累积[31]，本研究表明，除三叶草Cd含量约为0.10 mg·kg-1外，孔雀草地上部分Cd含量超过1 mg·kg-1，黑麦草地下部分的Cd含量甚至超过了4 mg·kg-1，基质中的Cd可能是影响到孔雀草和黑麦草的生长，导致它们的生物量没有三叶草高的主要原因之一。此外，三叶草属于豆科车轴草属，具有固氮作用，在提升植株氮素养分的同时，氮素在白三叶草的重金属镉解毒机制中具有重要作用，能够缓解镉对植株的毒害[32]。

4 结论

1)配制的底泥基质有机质的含量范围为78.3～95.31 g·kg-1，速效氮为109.33～124.45 mg·kg-1，速效磷为17.2～24.7 mg·kg-1，速效钾为178.12～206.46 mg·kg-1，pH为7.62～7.71，总孔隙度为42%～75%，EC为1.47～1.62 ms·cm-1，Cd为0.88～1.12 mg·kg-1，满足CJ/T 340-2011的要求。

2)底泥基质种植的三叶草、黑麦草和孔雀草的鲜重及干重分别为127.63、15.37，37.51、4.62和61.02、9.91 g·盆-1，生物量的大小顺序为：三叶草>孔雀草>黑麦草。

3)种植的三叶草、黑麦草和孔雀草地上部分Cd含量范围分别为0.10～0.14 mg·kg-1、0.21～0.31 mg·kg-1和0.93～1.22 mg·kg-1，地下部分为0.04～0.15 mg·kg-1、4.32～4.98 mg·kg-1和0.40～0.93 mg·kg-1，除黑麦草地下部分Cd含量超过正常值外，其余值均在正常范围内。Cd累积量分别为1.03～2.24 μg·盆-1、2.73～3.72 μg·盆-1和7.46～12.60 μg·盆-1，孔雀草对Cd有较强的富集能力。

4)三叶草、黑麦草和孔雀草地上部分和地下部分富集系数分别为0.09～0.13、0.04～0.17，0.20～0.31、3.96～5.01，0.93～1.11、0.37～1.06，富集能力为黑麦草地下部分>孔雀草地上部分>孔雀草地下部分>黑麦草地上部分>三叶草地上部分>三叶草地下部分。