陳雷，楊亞洲，鄭青松，張春銀，王爽，許彩云，葛瀅*

(1.南京農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院 江蘇省海洋生物學重點實驗室，江蘇 南京 210095；2.江蘇省鹽城綠苑海蓬子有限公司，江蘇 鹽城224002)

Cd 是一種植物非必需的有害重金屬，在環(huán)境中具有化學活性強、移動性大、生物毒性強且持久等特點，對植物和動物均有很高的毒性[1]，通過食物鏈的富集危及人類健康[2-3]。目前，土壤Cd污染主要來自人類的采礦、冶煉、電鍍、污水灌溉、過量使用化肥和農藥等活動[4-6]。20世紀90年代以來，隨著沿海省份社會經濟的高速發(fā)展和城市化的加快，近海灘涂的開發(fā)利用和陸源污染物排放強度不斷增加，導致灘涂土壤污染越來越嚴重，一些地區(qū)灘涂土壤中的Cd等重金屬含量已明顯超標[7-9]。因此，灘涂Cd污染土壤治理就顯得尤為迫切和重要。

植物修復技術與其他從土壤中去除污染物的物化技術相比，是一種新興的環(huán)境友好、成本較低的生物技術。然而，大多適用于去除重金屬污染的植物是甜土植物[10]，如：遏藍菜(Thlaspicaerulescens)和印度芥菜(Brassicajuncea)，并不適合于重金屬污染灘涂鹽土的植物修復。和甜土植物不同的是，鹽生植物不僅在鹽分引起滲透壓和離子脅迫的氧化應激方面顯示出特有的適應性，在金屬離子毒性上也擁有相對的各種生理解毒機制[11]。因此，鹽生植物可以栽培于重金屬污染鹽土上。有研究表明[11-15]，鹽分可以減輕鹽生植物海馬齒(Sesuviumportulacastrum)和海濱錦葵(Kosteletzkyavirginica)的Cd脅迫，而在小麥(Triticumaestivum)和油菜(Brassicanapus)等非鹽生植物中，鹽分則增強了Cd的毒性效應。此外，鹽分被認為是鹽生植物吸收和轉運Cd的關鍵因素。例如，Smolders等[16]的研究表明耐鹽植物甜菜(Betavulgaris)在加NaCl處理后不同組織中的Cd含量增加了2倍，而Lefèvre等[17]的報道稱NaCl減少了Cd在旱生鹽土植物濱藜(Atriplexhalimus)中的累積。鹽分對植物體內Cd含量的影響一定程度上與鹽分增加導致的土壤Cl-配體含量增大、Cd的溶解性和生物有效性改變有關。但到目前為止，NaCl對鹽生植物重金屬累積方面的確切作用仍不是十分清楚。

堿蓬(Suaedasalsa)是一年生葉肉質化鹽生草本植物，為藜科堿蓬屬，主要生長于海濱、湖邊、荒漠等處的鹽堿荒地，屬高耐鹽稀鹽生植物，是一種典型的鹽堿地指示植物，可在海水中生長[18]。有研究表明，堿蓬對Cd有一定的耐受性和富集能力[19-20]。不過，上述報道只探討了水培條件下堿蓬對Cd的吸收量，尚未闡明不同土壤鹽度下這種植物不同部位Cd的富集和轉運特點。因此，本研究采用溫室盆栽試驗，研究了不同水平Cd和NaCl處理下堿蓬對Cd和Na吸收和分配，以明確堿蓬修復Cd污染鹽土的潛力。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植物：堿蓬，種子由江蘇鹽城綠苑海蓬子公司提供。

1.2 試驗處理設計

試驗于2012年4月至9月在南京農業(yè)大學牌樓試驗基地溫室中進行。采用盆栽土培，供試土壤為南京市郊區(qū)的黃棕壤，土壤的基本理化性質見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Selected physical and chemical properties of the soil

將供試土壤經風干、過2 mm篩后，與一定量的CdCl2·2.5H2O、NaCl和NPK肥料充分混合后裝入塑料桶(直徑20 cm、高20 cm)中，每桶裝土4.0 kg。NPK肥料的用量為每桶1.8 g尿素、1.4 g磷酸氫二銨和1.2 g氯化鉀。試驗采用Cd與NaCl的復合處理：采用NaCl和CdCl2·2.5H2O溶液加入土壤，使土壤NaCl和Cd濃度分別為0.1%, 0.5%, 1.0%和0, 1.0, 2.5, 5.0 mg/kg，然后加水使土壤含水量飽和并充分混勻，平衡1個月后播入堿蓬種子，生長10 d后間苗，每桶留生長基本一致的5株堿蓬幼苗。堿蓬生長期間每天加入適量水分，保持含水量在土壤最大田間持水量的70%左右。間苗136 d后收獲樣品測定。實驗共設12個處理，以不加Cd的鹽處理為對照，每個處理3次重復。

1.3 生物量的測定

每個重復試驗的5株植物全部取樣，沿土面剪取植株地上部，再取出根部，用自來水充分沖洗以去除粘著于植株上的泥土和污物，再用去離子水沖洗，瀝去水分，測定植株的鮮重后，105℃殺青 30 min，70℃烘干至恒重，分為根、莖、葉3部分，分別稱干重、磨碎備用，通過計算獲得每桶植株總重。

1.4 植物樣品中Cd和Na含量測定

準確稱取0.100 g粉碎的堿蓬干樣與2 mL濃HNO3混合，用Milestone Ethos T微波消解系統(tǒng)消解，消解完全后，定容，用Perkin Elmer Optima 2100DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定Cd和Na含量。采用參考標準物質GBW 07603(GSV-2)對實驗方法進行檢驗。測定結果與標準值基本吻合，回收率為94.9%～105.3%，RSD在1.2%～4.1%之間，數(shù)據(jù)精密度較好，說明分析方法不存在明顯的系統(tǒng)誤差。

1.5 數(shù)據(jù)處理

圖1 不同濃度Cd和NaCl處理下堿蓬的生物量Fig.1 Biomass of S. salsa under different Cd and NaCl treatments 不同小寫字母表示相同Cd處理濃度下不同NaCl處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters indicate statistically significant difference (P<0.05) at various NaCl treatments within a given Cd level. The same below.

采用Microsoft Excel 2013 和 SAS 20.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，用Two-way ANOVA檢驗差異的顯著性。

2 結果與分析

2.1 Cd和NaCl處理對堿蓬生長的影響

Cd和NaCl處理對堿蓬生長影響的結果見圖1。結合表2 的雙因素分析結果，可以看出鹽分和Cd濃度均顯著影響堿蓬的鮮重(FN=40.17，P<0.001；FC=47.66，P<0.001)。在對照(無Cd)和1.0 mg/kg Cd處理下，0.5%鹽處理的堿蓬生物量顯著高于0.1%的鹽處理。在2.5和5.0 mg/kg的Cd處理下，隨著土壤中鹽分的增加，堿蓬生長受到顯著抑制。在0.5%和1.0% NaCl的處理下，隨著Cd處理濃度的增加，堿蓬的生長受到抑制，生物量下降；而0.1% NaCl處理則相反，Cd處理促進了堿蓬的生長，生物量均高于對照。鹽和Cd對堿蓬的鮮重存在極顯著的交互作用(FC×N=40.17，P<0.001)。

表2 不同NaCl和Cd處理水平對堿蓬鮮重、葉莖根Cd、Na含量的雙因素方差分析(F值)Table 2 Two-way ANOVA of the effects of NaCl and Cd on S. salsa (F values)

注：*表示差異達0.05顯著水平，**表示差異達0.01顯著水平，*** 表示差異達0.001顯著水平，NS表示差異不顯著。

Note：*denotes significant difference at 0.05 level, ** denotes significant difference at 0.01 level, *** denotes significant difference at 0.001 level, NS denotes no significant difference.

2.2 Cd和NaCl處理對堿蓬Cd吸收和轉運的影響

圖2 不同處理下堿蓬葉(a)、莖(b)、根(c)中的Cd含量Fig.2 Cd concentrations in leaves(a), stems(b) and roots(c) of S. salsa under various treatments

由圖2可以看出，在添加同一Cd濃度處理組中，堿蓬對Cd的吸收積累隨NaCl處理濃度的增加而增加。雙因素分析結果(表2)表明鹽分和Cd污染濃度均顯著、極顯著的影響堿蓬葉、莖、根的Cd含量，對葉、莖部位的Cd含量交互作用不顯著(FC×N=40.17，P>0.05)，而對堿蓬根部的Cd含量有極顯著的交互作用(FC×N=34.20，P<0.001)。Cd處理后，堿蓬各部位的Cd含量顯著增加，不同部位對Cd累積大體上表現(xiàn)為：根>葉>莖。在0.1% NaCl處理的土壤中，較低Cd濃度處理促進了堿蓬對Cd的吸收，隨著污染濃度增加，對Cd積累濃度有所減小，在投加2.5 mg/kg Cd的土壤中，堿蓬各部位的濃度均顯著地小于其他處理，葉為3.5 mg/kg，莖為1.5 mg/kg，根為3.9 mg/kg(圖2)。相對于0.1% NaCl處理，0.5%和1.0% NaCl處理下生長的堿蓬對Cd的吸收得到促進，在1.0% NaCl和2.5 mg/kg Cd處理下，堿蓬各部位的Cd含量達到最大值，葉為30.9 mg/kg，莖為30.1 mg/kg，根為35.3 mg/kg(圖2)。

富集系數(shù)一般用植物中某種元素含量與土壤中該種元素含量的比值來表示，是衡量植物對重金屬累積能力大小的一個重要指標，其值越大，表明植物對重金屬的吸收累積能力越強[21]。轉移系數(shù)是指植物地上部某種元素含量與地下部該種元素含量的比值，反映植物將重金屬從地下部轉移到地上部的能力，轉移系數(shù)越大，植物向地上部轉移重金屬的能力就越強[22]。由表3中可以看出，在投加1.0，2.5 mg/kg Cd的土壤中，堿蓬的地上部、根部富集系數(shù)和轉移系數(shù)均隨著土壤中的NaCl處理濃度的增加而增加，表明土壤鹽度的提高有利于堿蓬對Cd的富集和Cd從根部向地上部的轉移。在5.0 mg/kg Cd的土壤中，隨著NaCl處理濃度的增加，堿蓬地上部富集系數(shù)逐漸增大，但1.0% NaCl處理降低了根部Cd富集系數(shù)，且0.5%和1.0% NaCl處理下的Cd轉移系數(shù)均小于0.1% NaCl處理。

2.3 Cd和NaCl處理對堿蓬Na累積的影響

由圖3中可以看出，在加Cd處理的堿蓬葉和莖部位的Na 濃度隨NaCl處理濃度的增加而增大，與對照相比沒有顯著性地差異，表2的分析結果也表明堿蓬葉、莖、根部位的Na含量顯著或極顯著的受到土壤中鹽分的影響(FN=40.92，P<0.001；FN=87.25，P<0.001；FN=4.41，P<0.05)，而土壤中的Cd污染濃度對葉莖部位Na含量沒有顯著性的影響。在1.0% NaCl和2.5 mg/kg Cd處理下，堿蓬葉、莖部位的Na離子濃度分別為63.24，77.26 g/kg，均大于其他處理。在加入0.1% NaCl的土壤中，1.0，2.5 mg/kg Cd的堿蓬根部Na含量與對照相比無顯著性差異，在5.0 mg/kg Cd時的Na含量達到17.88 g/kg，為對照的157%。在0.5% NaCl的土壤中，根部的Na含量隨著Cd處理濃度增大先減小后增大再減小，分別為對照的77%，161%和130%。而在1.0% NaCl處理后，1.0和2.5 mg/kg Cd的土壤中生長的堿蓬根部Na含量相互之間無顯著性差異，在5.0 mg/kg Cd時根部Na含量為26.94 g/kg，比對照增加51%。Cd和鹽分對根部的Na含量有顯著的交互作用(FC×N=5.14，P<0.01)，對葉和莖的Na含量交互作用不顯著。

表3 不同Cd和NaCl濃度處理下堿蓬對Cd的富集、轉移系數(shù)Table 3 The Cd concentration factor and translocation factor of S. salsa under different Cd and NaCl treatments

注：不同小寫字母表示相同Cd處理濃度下不同NaCl處理之間差異顯著(P<0.05)。

Note： Different letters indicate statistically significant difference (P<0.05) at various NaCl treatments within a given Cd level.

圖3 不同處理下堿蓬葉(a)、莖(b)、根(c)中的Na含量Fig.3 Na concentrations in leaves(a), stems(b) and roots(c) of S. salsa under various treatments

2.4 堿蓬體內Cd和Na的累積量

堿蓬體內Cd和Na的累積量是堿蓬生物量(干重)和植株Cd、Na含量的乘積。由表 4 可以看出，加Cd處理后，在同一NaCl濃度下，堿蓬積累Cd的量隨Cd處理濃度的增大而減小；在相同Cd濃度處理下，0.5% NaCl的土壤中生長的堿蓬，每桶種植的堿蓬帶走的Cd總量高于0.1%，1.0% NaCl土壤。在1.0 mg/kg Cd和0.5% NaCl處理中堿蓬帶走的Cd為165.17 μg/盆，是所有處理的最大值。而堿蓬從土壤累積的Na的最高值也是在0.5% NaCl和1.0 mg/kg Cd的土壤中，為523.70 mg/盆。盡管加Cd處理后，堿蓬根部的Cd含量均大于葉莖部的含量，轉移系數(shù)小于1(表3)，但仍有大部分Cd被轉運到了地上部，在葉莖中的Cd約占整個植株積累總量的89.0%～98.7%左右。

表4 堿蓬從土壤中去除的Cd和Na的數(shù)量Table 4 The amount of Cd and Na removed from the soils by S. salsa

3 討論

3.1 不同處理對堿蓬生長(生物量)的影響

Cd是植物的非必需元素，在植物體內累積到一定程度，就會影響植物的正常生長和發(fā)育，最終表現(xiàn)為生物量下降，甚至死亡。植物能富集或超富集重金屬來修復被重金屬污染的土壤是基于其對重金屬的抗性[23-24]。超富集植物對重金屬有很強的耐性，表現(xiàn)在植物能夠在較高的重金屬濃度土壤上正常生長，不出現(xiàn)明顯的受毒害癥狀。植物對 Cd 的耐性因Cd污染濃度和植物種類不同而有所差異，有研究表明，低濃度的 Cd 對某些植物的生長有一定的促進作用[25]，較高濃度的 Cd 會降低植物的光合生產力，干擾體內營養(yǎng)物質的遷移和再分配，影響植物生長。

本試驗中，鹽分和Cd濃度均顯著影響堿蓬的鮮重，且存在極顯著的交互作用。在0.1%NaCl處理下，加Cd處理的堿蓬鮮重分別為對照的1.29，1.55和1.22倍，即使在1.0% NaCl處理下鮮重質量也分別達到對照的56%，47%和23%。可見，在低NaCl環(huán)境中Cd能夠刺激堿蓬生長，而隨著土壤鹽度的增加Cd會抑制其生長。高濃度NaCl、Cd共同作用下，雖然堿蓬沒有死亡，但葉片上表現(xiàn)出壞死斑點、卷曲等中毒癥狀。

3.2 不同處理下堿蓬對Cd和Na的吸收和分配特點

不論污染重金屬濃度的高低，對植物都是有害的，只不過植物對重金屬污染的反應是兩種作用的復合效應[26]。一方面植物產生應激反應，通過生理活動產生大量的代謝產物與體內重金屬結合降低活性以解毒，這是植物的適應性反應； 另一方面，激活的代謝系統(tǒng)會加速污染重金屬進入體內，反過來抑制代謝活動，對植物產生毒害作用。在低污染濃度下，植物的適應性大于金屬的毒害作用，表現(xiàn)出積極的刺激效果，隨著重金屬濃度的增大，毒害性隨之增大，表現(xiàn)出抑制和毒害作用。由圖2可知，加Cd處理后堿蓬葉莖根部對Cd的累積性表現(xiàn)為：根>葉>莖。在0.1% NaCl處理的土壤中，堿蓬各部位的Cd含量先增大后減小再增大，說明堿蓬對Cd的積累受到土壤中Cd濃度增加的影響較大。在0.5%，1.0%NaCl的土壤中，堿蓬葉莖根的Cd含量隨土壤中Cd污染濃度的增大而先增大后減小，且堿蓬的生物量隨Cd污染濃度的逐漸減小，說明堿蓬對Cd累積受到自身生長的影響。

由于堿蓬為稀鹽鹽生植物，對Na非常敏感。為了保持胞質內Na的正常水平，在生長過程中，葉或莖肉質化，即薄壁細胞大量增加，通過吸收大量的水分將體內的鹽分稀釋，同時將細胞質中的 Na區(qū)隔化入液泡。Na區(qū)隔化至液泡中后，一方面降低了胞質中的Na濃度，避免胞質中過高Na對生理生化代謝的干擾；另一方面還可降低植物細胞水勢，促進植物從外界吸水，從而有利于植物在鹽漬化土壤上的生存，且生長具有低鹽促進、高鹽抑制的特點[27-28]。在對照處理中0.5%，1.0%NaCl的堿蓬生物量顯著高于0.1%NaCl處理，說明0.5%，1.0%NaCl促進了堿蓬的生長。由圖3可看出，所有處理中，堿蓬葉莖部的Na含量隨NaCl處理濃度增加而增大，加Cd處理與對照(無Cd)相比Na含量沒有顯著性差異；而根部的Na含量變化與葉莖部相比沒有明顯的規(guī)律。

本試驗主要是探究鹽生植物堿蓬對Cd污染鹽土的修復能力，因此討論堿蓬對Cd和Na的吸收和分配特點,要從Cd和NaCl聯(lián)合脅迫方面考慮。在0.1%NaCl和2.5 mg/kg Cd，堿蓬生物量高于對照55%，但葉莖根的Cd含量顯著地小于其他加Cd處理，Na含量與對照相比沒有顯著性差異。這可能是由于土壤中的NaCl處理濃度較低，在生長前期進入體內的Na含量已與外界達成某種平衡不需要攝入過多的Na，而此時堿蓬根部的Cd已經表現(xiàn)出抑制和毒害作用， 隨著堿蓬的生長進入葉莖部的Cd刺激生物量的迅速增加，但沉淀在根部細胞壁上的Cd的毒害作用進一步的阻止Cd進入體內，致使體內的Cd含量較低[29]。在1.0% NaCl和2.5 mg/kg Cd，堿蓬生物量低于對照53%，葉莖根的Cd含量達到最大值，顯著地大于其他加Cd處理，且此時堿蓬葉莖部的Na含量高于其他處理。這可能是因為土壤中含鹽量較高，隨著堿蓬的持續(xù)生長進入堿蓬體內的Na含量過多，為使體內鹽度不至于過高，堿蓬在從外界吸水的同時將土壤中的Cd吸入體內， 隨之體內的Cd含量逐漸升高表現(xiàn)毒害作用抑制堿蓬的進一步生長。

綜合堿蓬的生物量，葉莖根部的Cd、Na含量以及堿蓬積累的Cd、Na總量和雙因素方差分析等數(shù)據(jù)來看，鹽分對堿蓬葉莖根部的Cd含量有顯著性的影響，在同一Cd污染濃度土壤的鹽分提高有利于堿蓬對Cd的積累和Cd向地上部的轉移。而Cd對葉莖部的Na無顯著性的影響，堿蓬積累的Na主要受NaCl處理濃度的影響。Cd和NaCl對葉莖部吸收的Cd和Na含量沒有顯著的交互作用，對根部有顯著地交互作用。在低NaCl處理濃度的土壤中，Cd處理后的堿蓬生物量顯著高于對照，但體內的Cd含量在低Cd濃度時有所增加而積累的Na則減小，隨著Cd污染濃度的增加堿蓬體內的Cd濃度有所降低。土壤中的NaCl處理濃度增大后，堿蓬生物量逐漸降低，體內的Cd含量相比低NaCl處理均不同程度的增大，且體內積累的Na總量隨Cd污染程度加深逐漸減小。

3.3 堿蓬的Cd富集特征

目前，有關植物修復重金屬污染土壤的研究較多，國內外已發(fā)現(xiàn) 400 多種重金屬超富集植物，但對Cd超積累的植物較少，其中，遏藍菜、商陸(Phytolaccaacinosa)、龍葵(Solanumnigrum)、東南景天(Sedumalfredii)、油菜、寶山堇菜 (Violabaoshanensis)和葉用紅蒜菜(Betavulgarisvar.cicla)等7種Cd 超積累植物均符合體內富集 Cd的質量分數(shù)≥100 mg/kg、富集系數(shù)和轉運系數(shù)均≥1，以及生物量未受到明顯抑制的 Cd 超積累植物基本特征，但同時它們具有矮小、生物量低、生長緩慢、富集總量相對較低、修復效果不大的缺點，大大限制了超富集植物在重金屬污染生物凈化中的應用范圍[30]。雖然研究修復Cd污染土壤的植物較多，但有關既能在鹽土上生長又能修復Cd污染的植物研究較少。已有研究表明，花卉植物紫茉莉(Mirabilisjalapa)在NaCl和Cd聯(lián)合脅迫下轉移系數(shù)在0.23～2.79之間，在適宜Cd和鹽處理濃度下，NaCl促進了紫茉莉對Cd的積累[31]。擬南芥(Arabidopsisthaliana)在Cd和NaCl復合處理下的結果也表明鹽促進了根部對Cd的吸收，加強了Cd向地上部轉移的能力[32]。潮灘鹽生植物赤堿蓬(Suaedaheteroptera)對重金屬Cd有一定的耐受性和富集能力[33-34]。鹽生植物海馬齒在NaCl和Cd復合處理下Cd的轉移系數(shù)在0.3～0.6之間，NaCl促進了海馬齒地上部對Cd的累積[35]。

但是，在我國分布廣泛[36]的藜科草本植物堿蓬是否具有重金屬Cd富集能力卻鮮見報道。堿蓬屬一年生草本植物，株高30～80 cm，耐水淹和干旱，生命力強，少有病蟲害，廣泛生長于濱海和內陸鹽堿地，資源非常豐富。本試驗中，加Cd處理后，除了在0.1% NaCl和2.0 mg/kg Cd處理下堿蓬地上部的富集系數(shù)為0.86，其他處理下的地上部和根部富集系數(shù)均在1.59～19.95和1.37～18.97之間，轉移系數(shù)在0.56～0.86之間，且堿蓬體內Cd的質量分數(shù)<100 mg/kg，不完全符合Cd 超積累植物的特征，但堿蓬在含鹽荒地上的產量較大，在土壤含鹽量約1.0%地段野生鹽地堿蓬產量為1000 kg/hm2左右，而土壤含鹽量降為0.5%左右時其產量約達2000 kg/hm2[37]，且整個堿蓬植株累積的Cd總量有89% 以上被轉移到地上部，有利于污染土壤中Cd的去除，且在去除Cd的同時還可以減輕土壤的鹽堿化，因此堿蓬有潛力應用于修復Cd污染的濱海和內陸等地區(qū)的鹽土。

4 結論

盆栽實驗結果表明，NaCl和Cd處理對堿蓬鮮重和根部的Cd和Na含量有顯著的交互作用，對葉莖部Cd、Na含量的交互作用不顯著。堿蓬能在所設置Cd和NaCl處理濃度土壤環(huán)境中正常生長，且將大部分吸收的Cd從根部轉運到地上部，地上部Cd的累積量是根部的8.1～73.6倍。不同的Cd處理濃度的土壤中，堿蓬地上部所富集的Na含量沒有顯著性差異。而且堿蓬用途廣泛，在Cd污染的鹽堿土壤地區(qū)種植鹽生植物堿蓬，不僅能利用堿蓬有效的脫除鹽分的作用，也能減輕重金屬Cd的污染，能產生較好的經濟和環(huán)境效應，在修復 Cd 污染的鹽堿土壤方面堿蓬有較好的應用前景，今后應進一步研究堿蓬對Cd的吸收、轉運和解毒機制。