林立金，寧博，廖明安，藍煥杰，梁歡

1. 四川農(nóng)業(yè)大學園藝學院，四川 雅安 625014；2. 雅安水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分站，四川 雅安 625000；3. 四川農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，四川 成都 611130

重金屬植物修復技術(shù)主要是將篩選出的超富集植物種植在重金屬污染的土壤上，通過這些植物的根系吸收，將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)，再將植物收割處理，從而達到將土壤中的重金屬徹底清除的目的。該技術(shù)具有費用低廉、不破壞場地結(jié)構(gòu)、不造成二次污染等特點，已成為修復土壤重金屬污染研究領(lǐng)域的熱點（Marques等，2009）。目前為止，雖然已發(fā)現(xiàn)的重金屬超富集植物有幾百種（McGrath等，2002），但是這些重金屬超富集植物大多存在地上部生物量偏小、生長速度較慢（Maestri等，2010）、分布范圍狹窄的缺點（Wu等，2004），限制了植物修復技術(shù)的推廣應(yīng)用。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)田雜草具有抗逆性強、生物量大、生長迅速的特點（郭水良和李揚漢，1996；魏樹和等，2004），若能從農(nóng)田雜草中篩選出重金屬超富集植物，不僅可以彌補現(xiàn)有超富集植物的不足之處，而且可以就地取材和使用，避免了引種過程中潛在的問題。然而，目前僅有少量的超富集植物（特別是鎘超富集植物）是從農(nóng)田雜草中篩選出來的（Zhang 等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008）。為此，利用有效的方法從當?shù)赝辽灵L的雜草中篩選更多的超富集植物是重金屬植物修復的一項非常重要內(nèi)容。

目前，超富集植物的篩選方法主要有五種：野外調(diào)查法（Zhang等，2013）、微量分析法（Brooks等，1977）、野外試紙初步診斷法（Baker等，1996）、人工培養(yǎng)法（Zhang等，2010）和土壤種子庫-重金屬濃度梯度法（Zhang等，2011）。在這些篩選方法中，土壤種子庫-重金屬濃度梯度法是目前最有效的方法。

在已知的鎘超富集植物中，屬于農(nóng)田雜草的較少（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聶發(fā)輝，2006），且大部分為夏季生長的植物，冬季生長的則較少。因而，從冬季生長的農(nóng)田雜草中篩選鎘超富集植物需要深入研究。前人對各種超富集植物的重金屬濃度梯地試驗結(jié)果表明，很多鎘超富集植物在達到超富集植物標準時，其土壤中添加的鎘含量約為 20～60 mg·kg-1（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聶發(fā)輝，2006）。為此，本研究采用土壤種子庫-重金屬濃度梯度法（Zhang等，2011），在收集的農(nóng)田表層土壤中添加 60 mg·kg-1鎘，讓土壤中的冬季農(nóng)田雜草種子自然生長，測定其鎘含量，再通過濃度梯度進行進一步的鎘積累特性研究，以期從冬季農(nóng)田雜草中篩選出鎘超富集植物，為鎘污染農(nóng)田土壤的冬季植物修復提供材料。

1 材料與方法

1.1 材料篩選

于2012年9～12月在四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場（29°59′N，102°59′E）進行土壤種子庫-金屬法篩選試驗。供試土壤為紫色土，取自四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田，其基本理化性質(zhì)：pH值 7.02，有機質(zhì) 41.38 g·kg-1，全氮 3.05 g·kg-1，全磷 0.31 g·kg-1，全鉀 15.22 g·kg-1，堿解氮 165.30 mg·kg-1，速效磷 5.87 mg·kg-1，速效鉀 187.03 mg·kg-1，鎘全量 0.101 mg·kg-1，有效態(tài)鎘含量 0.021 mg·kg-1。土壤理化性質(zhì)及重金屬含量均按照參考《土壤農(nóng)化分析》（鮑士旦，2000）的方法測定。

2012年9月10日，將土壤風干、壓碎、過5 mm篩后，分別稱取3.0kg裝于15 cm×18 cm（高×直徑）的塑料盆內(nèi)，以 CdCl2·2.5H2O 的形式加入 60 mg·kg-1的鎘，與土壤充分混勻，保持土壤田間持水量為 80%，使土壤中的冬季農(nóng)田雜草種子自然生長。2012年12月10日收獲生長的冬季農(nóng)田雜草（表1），用自來水將附著在根系和地上部分的土沖洗至凈，再用去離子水沖洗3次。將根系和地上部分置于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至衡重，稱重，粉碎，過100目篩。稱取0.500 g樣品，加入硝酸-高氯酸（體積比為4:1）放置12 h后消化至溶液透明，過濾，定容至50 mL，用iCAP 6300型ICP光譜儀測定(Thermo Scientific，USA)鎘含量，并計算地上部分富集系數(shù)（BCF）=地上部分鎘含量/土壤鎘含量（Zhang等， 2011），轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量（Rastmanesh等，2010）。

從表1可知，在收獲的6種雜草中，除繁縷地上部分鎘含量為93.70 mg·kg-1（地上部分BCF>1）外，其余的地上部分鎘含量都較低（地上部分BCF<1）。繁縷的地上部分鎘含量接近鎘超富集植物的臨界值（100 mg·kg-1），在更高的土壤鎘含量條件下可能達到鎘超富集植物的臨界值。此外，繁縷地上部分BCF為1.56>1，但TF為0.12<1。因此，繁縷可能是一種鎘富集植物，附地菜、棒頭草、婆婆納、勝紅薊和雀舌草是鎘耐性植物。

1.2 濃度梯度試驗

濃度梯度試驗于2013年9月-12月在四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場進行。使用的土壤與篩選試驗相同。將土壤風干、壓碎、過5 mm篩后，分別稱取3.0kg裝于15 cm×18 cm（高×直徑）的塑料盆內(nèi)，土壤中以 CdCl2·2.5H2O 溶液形式加入的鎘質(zhì)量分數(shù)分別為 0、25、50、75、100、125 mg·kg-1，每個處理重復3次，使鎘與土壤充分混勻，保持土壤田間持水量為80%。

繁縷種子于2013年2月采至四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田。2013年9月，將繁縷種子直接撒播于盆中，每盆20粒。待繁縷幼苗長出2對真葉時進行勻苗，每盆選擇長勢相對一致且均勻分布的5株幼苗保留，每天澆水以保持盆中土壤的田間持水量約為80%。70 d后繁縷處于盛花期時進行收獲，處理方式與篩選試驗相同，測量繁縷的主枝長度和平均根系長度，測定繁縷的根、莖、葉鎘含量及生物量，計算根系 BCF、地上部分 BCF、TF、根冠比、耐性系數(shù)、抗性系數(shù)、金屬提取率和植物有效提取金屬株數(shù)。耐性系數(shù)=各處理平均根系長度/對照平均根系長度（Rout等，1999）；抗性系數(shù)=各處理總生物學產(chǎn)量/對照總生物學產(chǎn)量（趙楊迪等，2012）；金屬提取率（MER）=單種植物重金屬提取總量×100/土壤鎘總量（Mertens等，2005；植物有效提取金屬株數(shù)（PEN）為從土壤中提取1.0 g金屬到植物地上部分所需的植物株數(shù)（García等，2004）。

表1 土壤種子庫-金屬法篩選的植物Table 1 The Plant Species Grown in Soil Seed Bank-Metal Accumulator Screening Experiment

表2 繁縷的生物量Table 2 The Biomass of Stellaria media

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采用DPS系統(tǒng)進行方差分析（Duncan新復極差法進行多重比較）。

2 結(jié)果與分析

2.1 繁縷的生物量

隨土壤鎘含量的增加，繁縷根系及地上部分干重呈減少的趨勢（表2），但沒有表現(xiàn)出明顯的毒害癥狀。與對照相比，從低到高各梯度濃度處理總生物量分別下降了17.31%、34.87%、44.79%、52.12%和 59.32%，差異均達顯著水平（p<0.05）?？梢?，土壤高含量的鎘對繁縷生長有明顯的的抑制作用。隨土壤鎘含量的增加，繁縷的根冠比呈先增后降的趨勢（最小值為0.097），而抗性系數(shù)呈降低的趨勢（最小值為0.407，表2）。由此也可見，在土壤高含量的鎘條件下，繁縷的抗性受到抑制。

2.2 繁縷的主枝長、平均根長及耐性系數(shù)

圖1 繁縷的主枝長、平均根長及耐性系數(shù)Fig. 1 The Main Branch Length, Root Length and Tolerance Index of Stellaria media

隨土壤鎘含量的增加，繁縷的主枝長、平均根長及耐性系數(shù)均呈下降的趨勢，但土壤鎘含量達到75 mg·kg-1后趨于平緩（圖1）。與對照相比，從低到高各梯度濃度處理繁縷的主枝長分別下降了10.66%、26.47%、38.97%、46.69%和 49.26%，差異均達顯著水平（p<0.05）；平均根長分別下降了8.23%、30.65%、43.68%、49.04%和49.81%，差異均達顯著水平（p<0.05）。在土壤鎘含量為75、100、125 mg·kg-1時，繁縷的耐性系數(shù)分別為 56.32%、50.96%和50.19%，下降幅度逐漸縮小。

2.3 繁縷對鎘的積累特性

從表3可知，隨土壤鎘含量的增加，繁縷根系和地上部分鎘含量均呈上升的趨勢，其最大值均出現(xiàn)在土壤鎘含量為125 mg·kg-1時，分別為1353.09 mg·kg-1和 136.79 mg·kg-1。從低到高各梯度濃度處理繁縷根系鎘含量分別是對照的17.0倍、51.5倍、87.2倍、116.0倍和 132.3倍，差異均達顯著水平（p<0.05）；地上部分鎘含量是對照的26.9倍、42.3倍、53.3倍、61.2倍和66.7倍，差異均達顯著水平（p<0.05）。這說明繁縷在土壤鎘含量較高的情況下能夠大量富集鎘，使體內(nèi)鎘含量大幅度增加，具有鎘超富集植物的基本能力。從BCF來看，繁縷根系BCF隨土壤鎘含量的增加呈先增后降的趨勢，其值為7.31～11.94；地上部分BCF隨土壤鎘含量的增加呈降低的趨勢，其值為1.09～2.25，說明繁縷對鎘的富集能力隨土壤鎘含量的增加在逐漸減弱。除對照外，隨土壤鎘含量的增加，繁縷 TF值逐漸降低，這也說明，繁縷從根系到地上部分的轉(zhuǎn)運能力逐漸在減弱，不利于繁縷在土壤高含量鎘條件下富集鎘。

2.4 繁縷對鎘的提取特性

隨土壤鎘含量的增加，繁縷根系、地上部分及整株的鎘提取量均呈先增后降的趨勢（表4）。在土壤鎘含量為75 mg·kg-1時，繁縷根系鎘提取率達最大值，為85.06 μg·plant-1，是對照的41.3倍（p<0.05）。在土壤鎘含量為100 mg·kg-1時，繁縷地上部分鎘提取率達最大值，為85.48 μg·plant-1，是對照的30.2倍（p<0.05）。繁縷整株鎘提取量的最大值出現(xiàn)在土壤鎘含量為 75 mg·kg-1時，為 170.54 μg·plant-1，是對照的34.5倍（p<0.05）。在土壤鎘含量分別為25、50、75、100和125 mg·kg-1時，繁縷MER分別為0.129、0.096、0.076、0.054和 0.042，鎘提取率逐漸降低。在土壤鎘含量分別為0、25、50、75、100和 125 mg·kg-1時，相應(yīng)的 PEN 分別為 357143、15775、12591、11699、11439和12453。可見，繁縷的單株提取率較低。

表3 繁縷對鎘的積累特性Table 3 Cadmium Accumulation Characteristics of Stellaria media

表4 繁縷對鎘的提取特性Table 4 Cadmium Extraction Characteristics of Stellaria media

3 討論

重金屬超富集植物通常具有獨特的生理使其積累某種或某些重金屬元素（Chehregani et al.,2009）。本研究表明，繁縷根系和地上部分鎘含量隨土壤鎘含量的增加而顯著增加，說明繁縷對鎘元素有特殊的生理機制使其能在體內(nèi)大量積累鎘，也說明繁縷對鎘的積累受土壤鎘含量的影響較大。在土壤鎘含量為75 mg·kg-1時，繁縷地上部分鎘含量為109.73 mg·kg-1，達到鎘超富集植物的臨界值（100 mg·kg-1）。同時，在不同土壤鎘含量條件下，繁縷沒有表現(xiàn)出明顯的毒害癥狀，其根系及地上部分BCF均大于1，但TF均小于1。按照鎘超富集植物的定義，鎘超富集植物體內(nèi)鎘含量的臨界值是 100 mg·kg-1，且富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）均應(yīng)大于1（Books等，1977；Books，1998）。因此，繁縷沒有達到鎘超富集植物的標準，不是鎘超富集植物，而是鎘富集植物。與其它鎘超富集植物（Zhang等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008；Zhang等，2013；Wei等，2013）相比，繁縷地上部分鎘含量相對較低，鎘提取量大于根系鎘提取量，鎘積累量最大值達到87.42 μg·plant-1（土壤鎘含量為100 mg·kg-1），具有較強的修復潛力，能夠用于鎘污染土壤的修復。

在鎘脅迫條件下，植物的抗氧化酶活性被抑制，導致其產(chǎn)生一系列的生理毒害作用（Yang等，2004）。對鎘具有較強的耐性是鎘超富集植物的基本特性之一（Ghnaya等，2005），而抗氧化酶系統(tǒng)在鎘超富集植物抵御鎘脅迫中起到了重要作用（Liu等，2009）。前人研究表明，在鎘脅迫下，鎘超富集植物的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性均呈升高的趨勢（Zhang等，2013），從而使鎘的生物毒性作用大大降低。本研究表明，在鎘處理條件下，繁縷的根系生物量、地上部分生物量、主枝長度、根系長度、抗性系數(shù)及耐性系數(shù)均隨土壤鎘含量的增加而下降，但在土壤鎘含量不高于75 mg·kg-1時，其下降幅度相對較小，且能夠正常生長，由此說明繁縷對鎘也具有較強的耐性，使其能夠在較高土壤鎘含量條件下正常生長。繁縷為一年生或二年生草本，株高10～30 cm，為常見的田間雜草，在中國廣泛分布（僅新疆、黑龍江未見記錄），也是世界廣泛分布的植物（唐昌林等，1996）。與其它鎘超富集植物（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聶發(fā)輝，2006）相比，繁縷的單株生物量較少，單株鎘提取率也較低，但本課題組通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，繁縷具有分蘗力強、繁殖力強、生長密度大、耐蔭性強等特點，主要生長在冬春季節(jié)。這些特點是其它鎘超富集植物或鎘富集植物（Zhang等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008；Zhang等，2013；聶發(fā)輝，2006）無法比擬的，并且彌補了繁縷生物量小的缺點（單位面積的生物量與其它鎘超富集植物相當）。在眾多已篩選出的鎘超富集植物中，大多數(shù)為夏季生長的植物，冬季生長的較少，而作為冬季農(nóng)田雜草的繁縷能夠彌補冬季鎘污染修復材料的不足。

4 結(jié)論

繁縷是一種生長迅速、分布廣泛、適應(yīng)能力強的冬季農(nóng)田雜草。繁縷對鎘的耐性強，地上部分鎘含量大于鎘超富集植物的臨界值100 mg·kg-1，根系富集系數(shù)（BCF）和地上部分富集系數(shù)（BCF）均大于 1，但轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）小于 1，是一種鎘富集植物。繁縷對鎘的提取總量可達87.42μg·plant-1，可用于冬季農(nóng)田鎘污染的修復。

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