龙葵修复不同浓度土壤镉污染研究*

韩飞, 邹光得, 晋方学， 陆旭东, 岳志强, 熊明月, 杨云，5, 毕佳慧, 徐锐, 黄晶心

(1.云南师范大学 能源与环境科学学院，云南 昆明 650500；2.镇雄县农业农村局，云南 镇雄 657200；3.镇雄县农村能源建设与农业环境工作站，云南 镇雄 657200；4.玉溪市农业环境保护和农村能源工作站，云南 玉溪 653100；5.文山州农业科学院，云南 文山 663099)

随着经济的快速发展，土壤重金属污染已成为重要的环境问题之一[1].据我国自然资源部报告，2020年我国重金属污染耕地面积约为2 000万hm2，占总量的10%以上[2]，其中镉(Cd)污染耕地占较大比例.据调查，我国土壤 Cd超标率位居所有重金属之首，土壤 Cd位点超标率达到7%，呈现出从西北向东南、从东北向西南逐渐递增的态势[3].土壤Cd污染会破坏植物组织细胞，影响植物正常的生理代谢活动[4].土壤中的Cd具有较强的活性与移动性，易通过食物链向人体迁移和积累，对食品安全与人体健康具有严重危害[5].

在土壤Cd污染的修复方法中，植物修复是用重金属超富集植物来吸收和富集Cd的一种方法，具有成本低且绿色环保等优点[6].目前已筛选出的Cd超富集植物累计有80种[7].龙葵(SolanumnigrumL.)为一年生草本植物[8]，生于农田和荒地，在全国各地均有分布，同时它也是一种常见的农田杂草，具有抗逆境能力强、营养生长迅速、繁殖能力强以及在环境条件适宜情况下生物量能够急剧提高等优点.魏树和等[9]通过盆栽模拟和小区试验表明龙葵具有Cd超富集植物的基本特征，通过Cd污染区采样分析试验，表明在Cd污染水平为25 mg/kg条件下，龙葵茎及叶的Cd含量均超过了100 mg/kg这一公认Cd超积累植物应达到的临界含量标准，且其Cd富集系数大于1，证实了龙葵为镉的超富集植物[10].因此，龙葵已成为土壤Cd污染修复的优势植物[11].

但关于龙葵修复土壤Cd污染的研究主要集中在对其超富集特性评价方面，例如王涛等人[12]研究表明龙葵幼苗体内Cd的积累量与土壤中的Cd浓度呈现显著的正相关关系，且各部分富集Cd的能力大小依次为叶>茎>根.李志贤等人[13]研究表明龙葵对Cd的富集和转运系数随Cd浓度的增加呈现低促高抑的现象，在Cd为20 mg/kg时富集和转运能力显著下降.杜照奎等人[14]通过研究不同光强条件下龙葵对Cd积累的影响表明遮光环境促进了龙葵对Cd的富集，同时减轻了Cd对龙葵的氧化胁迫.孙正国[15]关于龙葵修复矿区土壤的研究表明土壤Cd浓度越高，龙葵吸收的Cd越多，对龙葵的生长和光合作用产生的负面影响越大.目前在对比龙葵修复不同浓度Cd污染土壤性能方面的研究还比较少.

本试验研究了不同浓度土壤Cd污染下龙葵的生长情况及Cd富集特征，对比了不同浓度土壤Cd处理下龙葵的Cd富集量和Cd去除率大小，旨在评价龙葵对不同浓度土壤Cd污染的修复效果，为龙葵修复土壤Cd污染提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用龙葵种子采自云南省昆明市云南师范大学校园内，挑选当年自然结实且颗粒饱满、大小一致的种子备用.于某撂荒10余年的地块采集0～20 cm耕作层土作为试验土壤.采集的土壤自然风干至含水量约为20%，除去土壤中的石砾及动植物残体，捻碎过孔径为5 mm的筛子备用.土壤的基本理化性质如下：全氮为1.16 g/kg，速效磷为25.73 mg/kg，速效钾为68.65 mg/kg，有机质含量为25.43 g/kg，pH为7.8，土壤中镉的背景值为2.38 mg/kg.

1.2 试验设计

试验在云南师范大学温室中进行.称量过筛后的供试土壤装入规格(长×宽×高)为49 cm×18 cm×14 cm的花盆中，每盆装土6 kg.共设置5个土壤处理和1个不添加Cd处理(CK)，土壤总Cd含量分别为20 mg/kg(T1)、40 mg/kg(T2)、80 mg/kg(T3)和160 mg/kg(T4)处理，每个处理5个重复.上述不同处理的Cd供源为CdCl2·2.5H2O(分析纯)，处理后土壤放置稳定2 w备用.稳定后的土壤撒入龙葵种子培育成苗，待幼苗成活后每盆选留大小一致的5棵苗，定期除草和浇水，试验进行150 d后收获植株进行指标测定.

1.3 指标测定方法

将收获的龙葵植株用自来水洗净后，再用蒸馏水超声清洗5 min，滤纸吸干表面水分，而后将植株分为根、茎和叶三部分.用游标卡尺和皮尺测量龙葵株高和茎基直径.洗净材料置于115 ℃恒温烘箱中杀青30 min，后在70 ℃恒温下烘干至恒重，测定生物量干重.将烘干的材料研磨后过孔径为0.25 mm的筛网，过筛后的植物粉末采用体积比为3∶1的盐酸-硝酸混合液进行消解，用原子吸收光谱仪(AA-7000,Shimadzu,Japan)测定龙葵Cd含量[16].参照龙玉梅等[17]的研究方法计算以下指标:

转运系数(TF)=植物地上部分 Cd 含量/植物根部 Cd 含量;

富集系数(BCF)=植物地上部分 Cd 含量/土壤中 Cd 含量;

Cd去除率=(植物地上部分Cd含量×地上部分生物量) /(土壤中Cd含量×供试土壤质量) × 100% .

1.4 数据分析方法

使用Microsoft Excel 2019进行数据整理和图表绘制，用IBM SPSS Statistics(版本号：26.0)分析不同处理下龙葵生长、生物量、Cd富集量及Cd去除能力等指标的差异.

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对龙葵株高和茎基直径的影响

不同处理龙葵的株高存在显著差异(P<0.05)，其中T2处理下龙葵的株高最高，T4处理最低(图1A).不同处理龙葵的茎基直径存在显著差异，T1处理龙葵的茎基直径最大，T4处理最小(图1B).

不同小写字母表示处理间存在显著差异(P<0.05),下同.

2.2 镉胁迫对龙葵生物量的影响

不同处理龙葵的地下生物量干重随Cd浓度增大呈先增加后减少的趋势，T2处理时最大(4.42 g)，T4处理最小(3.64 g)(图2A).龙葵地上部生物量干重的变化与地下部一致，T4处理时最小为16.64 g，比CK处理降低了20.42%(P<0.05)，与T2和T3处理差异极显著(P<0.01)(图2B).

图2 不同处理龙葵地下部生物量(A)和地上部生物量(B)

2.3 不同处理下龙葵体内富集的Cd含量分布

各处理龙葵地上部Cd含量显著比地下部高出了2～5倍，说明龙葵从土壤中吸收的Cd主要储存于地上部.随Cd浓度升高，龙葵地下部和地上部Cd含量均呈现上升的趋势；除T1外各处理组地下部Cd含量均与CK存在极显著差异(P<0.01)，T3处理的地下部Cd含量最大，为77.22 mg/kg(图3A)；各处理地上部Cd含量均与CK存在极显著差异(P<0.01)，T4处理地上部Cd含量最大，为229.57 mg/kg(图3B).

图3 不同处理龙葵地下部Cd含量(A)和地上部Cd含量(B)

2.4 Cd胁迫对龙葵的富集系数、转运系数和Cd去除率的影响

从表1可以看出，不同处理组龙葵的富集系数和转运系数均大于1，说明龙葵对Cd有较强的吸收、富集和向上转运的能力.随着Cd胁迫浓度升高，富集系数、转运系数和Cd去除率均呈先升高后降低的趋势，且T1处理下三个指标数值均为最大.

表1 不同处理下龙葵的富集系数、转运系数和Cd去除率

3 讨论

从Cd胁迫对龙葵生长的影响来看，龙葵株高、地下部和地上部生物量均随Cd浓度增加呈现先升高后降低的趋势，与多数研究结果类似.如杨容孑[18]和李志贤[19]研究表明Cd胁迫对龙葵的生长起低浓度促进、高浓度抑制的作用.添加不同浓度的Cd对花生的生长也存在类似影响[20].其原因可能是低浓度的Cd促进了龙葵根尖细胞分裂，从而促进植物生长，Cd浓度过高则抑制细胞分裂，抑制蛋白质合成酶的活性阻碍了植物生长[21].

从龙葵对Cd的富集特征来看，龙葵地上部的Cd含量显著高于地下部，这说明龙葵从土壤中吸收的Cd主要储存于地上部分；此外，龙葵对Cd的富集系数和转运系数均随土壤Cd浓度的增加呈先升高后降低的趋势，均大于1，说明龙葵有较强的Cd吸收和转运能力.究其机制，有研究证实超富集植物能够改变其根际环境，提高土壤中重金属的溶解性，使重金属容易被吸收和利用[22].孙月美[23]研究表明龙葵根系分泌物活化了土壤中的Cd，在生长过程中随着生物量不断增加，龙葵根系对Cd的吸收也不断增加.Cd进入龙葵根细胞后通过某种特殊的Cd专一通道[24]或者载体蛋白随蒸腾作用到达植株地上部，李志贤等[19]研究表明，土壤Cd含量为10 mg/kg时龙葵的地上部蒸腾速率和气孔导度最强，显著高于其他处理.这说明一定浓度的Cd胁迫可以强化龙葵的蒸腾作用，加快Cd由根系向地上部的快速转运.

从龙葵对不同浓度Cd污染土壤的修复性能来看，在Cd浓度为20 mg/kg时龙葵的富集系数、转运系数和Cd去除率均达到最大.姚诗音[25]对超富集植物青葙的研究表明轻度Cd胁迫(1～15 mg/kg)可以提高青葙种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数，增加生物量以及总蒸腾量，从而促进青葙对Cd向地上部分的运输作用.龙玉梅等[17]的研究表明低浓度Cd污染土壤下龙葵的富集系数和Cd去除率高于高浓度Cd污染处理，说明龙葵适用于低浓度污染土壤的修复.

本研究可为低浓度Cd污染土壤修复的植物选择提供参考依据，但对于重度污染的土壤，直接种植超富集植物来进行修复需要的时间很长，修复效率较低，在实际应用中可采取农学、植物营养学、化学和生物学等手段提高土壤重金属有效性和增加植物生物量，通过强化措施提高植物修复的性能.

4 结语

龙葵是一种优良的Cd超富集植物，在土壤总Cd浓度为160 mg/kg时仍能生长， Cd浓度为20 mg/kg时富集系数、转运系数和Cd去除率均达到最大，说明龙葵对于低浓度的Cd污染土壤具有较好的修复性能.