石軍，胡容平，林立金，黃廷友，褚旭東，李春財

(1.綿陽市農業(yè)科學研究院，四川 綿陽　621023；2.四川省農業(yè)科學院植物保護研究所，農業(yè)部

西南作物有害生物綜合治理重點實驗室，四川 成都　610066；3.四川農業(yè)大學

果蔬研究所，四川 成都　611130)

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多莖鼠麴草對土壤中鎘的富集特性研究

石軍1，胡容平2，林立金3，黃廷友1，褚旭東1，李春財1

(1.綿陽市農業(yè)科學研究院，四川 綿陽621023；2.四川省農業(yè)科學院植物保護研究所，農業(yè)部

西南作物有害生物綜合治理重點實驗室，四川 成都610066；3.四川農業(yè)大學

果蔬研究所，四川 成都611130)

摘要：【目的】為篩選出新的用于農田鎘污染修復的鎘富集植物.【方法】通過盆栽試驗，研究不同鎘濃度處理下多莖鼠麴草對鎘的富集特性.【結果】 隨土壤鎘濃度的增加，多莖鼠麴草生物量、葉綠素含量及抗性系數(shù)都呈下降趨勢，但根系和地上部分鎘含量呈增加趨勢.在土壤鎘濃度為75 mg/kg時，多莖鼠麴草地上部分鎘含量達到121.86 mg/kg，超過鎘超富集植物臨界值(100 mg/kg).在不同土壤鎘濃度處理下，多莖鼠麴草根系和地上部分鎘富集系數(shù)大于1，但轉運系數(shù)小于1.在土壤鎘濃度為50 mg/kg時，多莖鼠麴草地上部分和整株鎘積累量均最大，分別為183.93 μg/盆和266.79 μg/盆.小區(qū)試驗研究表明，在土壤鎘濃度為2.04～2.89 mg/kg時，多莖鼠麴草地上部分鎘積累量達到1.74～1.80 mg/m2.【結論】多莖鼠麴草是一種鎘富集植物，可用于農田鎘污染土壤的修復.

關鍵詞：多莖鼠麴草；鎘；積累特性；農田雜草

鎘是環(huán)境土壤污染所涉及的重金屬中具有顯著毒性的一種，對植物生長及人和動物的健康都存在潛在危險[1].采用傳統(tǒng)的物理或化學方法治理鎘污染成本高、周期長、而且容易造成二次污染[2].植物修復是近年來國際上興起的一種治理重金屬污染土壤的新技術，該技術旨在將自然生長或遺傳培養(yǎng)的超富集植物種植于重金屬污染的土壤上，通過根部吸收重金屬，并轉移到植物體內，從而達到降低土壤重金屬含量的目的[3].已發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物絕大多數(shù)存在著生長慢、生物量小、很難機械操作、地域分布強等缺點，導致植物修復技術推廣困難[4].農田雜草具有抗逆境能力強、生長迅速、繁殖能力強、就地取材以及在環(huán)境條件適宜情況下生物量能夠急劇提高等特點[5-6]，如果從農田雜草中篩選出重金屬超富集植物，則可以彌補現(xiàn)在超積累植物的某些缺點和不足.目前已經篩選出較多的鎘超富集植物或鎘富集植物，其中屬于農田雜草的較少，如龍葵、蒲公英、小白酒花等[7-8].因此，繼續(xù)從農田雜草中篩選鎘超富集植物或鎘富集植物還有很大潛力，其篩選成果對于修復鎘污染土壤和建立植物修復種質資源庫具有重要意義.

多莖鼠麴草(GnaphaliumpolycaulonPers.)為菊科鼠麴草屬一年生草本植物，是一種廣泛分布于耕地、草地或濕潤山地的農田雜草[9].在前期初步研究中發(fā)現(xiàn)，多莖鼠麴草能夠在濃度約為60 mg/kg的鎘污染土壤上正常生長，且地上部分鎘含量達到109.22 mg/kg，達到鎘超富集植物的臨界值(100 mg/kg)，表現(xiàn)出對鎘較強的富集能力，可能是一種鎘超富集植物.為此，本文擬采用濃度梯度法對多莖鼠麴草是否為鎘超富集植物進行驗證，研究其鎘超富集特性，以期為鎘污染土壤提供新的植物修復材料，擴大植物修復種質資源庫.

1材料與方法

1.1盆栽試驗

試驗時間為2014年2～4月，地點為在四川農業(yè)大學雅安校區(qū)農場(N 29°59′，E 102°59′).供試土壤為紫色土，取自四川農業(yè)大學雅安校區(qū)農場農田，其基本理化性質詳見參考文獻[10].

2014年2月，稱取3.0 kg經風干、壓碎、過5 mm篩后的土壤分別裝于15 cm×18 cm(高×直徑)的塑料盆內，加入分析純CdCl2·2.5H2O溶液，使土壤中的鎘質量濃度分別為0、25、50、75、100、125 mg/kg.土壤與鎘溶液需充分混勻，并保持淹水狀態(tài)，自然放置平衡4周后再次混合備用.多莖鼠麴草幼苗取自四川農業(yè)大學農場農田(未被污染區(qū)).2014年3月，選擇長勢一致，4片真葉展開的多莖鼠麴草幼苗移栽至裝有鎘污染土壤的盆中，每盆種植4株，每個處理重復3次，每天澆水以保持盆中土壤的田間持水量約為80%.待多莖鼠麴草生長60 d(盛花期)后，測定葉片的光合色素含量.光合色素含量(葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素)采用丙酮-乙醇混合(1∶1)浸提法[11]測定.之后，整株收獲，將根系和地上部分分別用自來水洗凈，再用去離子水沖洗3次.然后將根系和地上部分于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至衡質量，稱質量，粉碎，過100目篩，測定鎘質量濃度(稱取0.500 g樣品，加入體積比為4∶1的硝酸-高氯酸，放置12 h后消化至溶液透明，過濾，定容至50 mL，用iCAP 6300型ICP光譜儀測定鎘含量[12]).

1.2小區(qū)試驗

小區(qū)試驗在四川農業(yè)大學雅安校區(qū)農場進行，土壤為的鎘污染紫色土(前期試驗的污染土)，其基本理化性質詳見參考文獻[13].田塊按距離灌溉渠的近(Ⅰ)，中(Ⅱ)，遠(Ⅲ)分為3個處理，其鎘含量分別為2.89、2.55、2.04 mg/kg，每個處理重復3次(3個小區(qū))，每個小區(qū)面積1.0 m2(1.0 m×1.0 m).2014年3月，從四川農業(yè)大學農場未污染區(qū)選擇長勢一致、4片真葉的多莖鼠麴草幼苗移栽至小區(qū)中，密度400株/m2(行株距均為5 cm).每天澆水以保持土壤的田間持水量約為80%，及時清除其它雜草.2014年4月(生長60 d)收獲多莖鼠麴草地上部分測定生物量及鎘含量，測定方法與盆栽試驗相同.

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).抗性系數(shù)=處理組總生物量/對照組總生物量[14]，富集系數(shù)=根系鎘質量濃度(地上部分鎘質量濃度)/土壤鎘質量濃度[15]，轉運系數(shù)=植物地上部分鎘質量濃度/根系鎘質量濃度[16]，轉運量系數(shù)=(地上部鎘質量濃度×地上部分生物量)/(根系鎘質量濃度×根系生物量)[17].

2結果與分析

2.1不同鎘質量濃度對多莖鼠麴草生物量的影響

由表1可知，隨土壤鎘質量濃度的增加，多莖鼠麴草根系、莖、葉、地上部分以及總生物量都呈下降的趨勢，但沒有表現(xiàn)出明顯的毒害特征.與對照相比，土壤鎘質量濃度為25、50、75、100、125 mg/kg的多莖鼠麴草根系生物量分別降低了17.20%(P<0.05)、54.39%(P<0.05)、66.24%(P<0.05)、69.43%(P<0.05)和70.19%(P<0.05)，地上部分生物量分別降低了8.40%(P<0.05)、44.30%(P<0.05)、61.72%(P<0.05)、69.40%(P<0.05)和72.59%(P<0.05)，總生物量分別降低了9.98%(P<0.05)、46.10%(P<0.05)、62.53%(P<0.05)、69.41%(P<0.05)和72.16%(P<0.05).就根冠比而言(表1)，在土壤鎘質量濃度為25～100 mg/kg范圍內時，多莖鼠麴草根冠比均低于或等于對照.土壤鎘質量濃度為125 mg/kg時，多莖鼠麴草根冠比達到最高0.237，高于對照，這說明多莖鼠麴草在受到鎘污染時，能夠通過調節(jié)自身的根冠比來提高抗性.隨土壤鎘質量濃度的增加，多莖鼠麴草抗性系數(shù)呈下降的趨勢，但土壤鎘濃度在50 mg/kg以內時，多莖鼠麴草抗性系數(shù)下降幅度較低.

表1　多莖鼠麴草的生物量

同列數(shù)據(jù)肩標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

2.2不同鎘質量濃度對多莖鼠麴草光合色素含量的影響

從表2可以看出，隨土壤鎘質量濃度的增加，多莖鼠麴草葉片葉綠素a及葉綠素總量呈降低的趨勢，但葉綠素b和類胡蘿卜素呈先降后升再降的趨勢.土壤鎘濃度在0～75 mg/kg范圍內，多莖鼠麴草葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及葉綠素總量各處理間差異均不顯著(P>0.05)，當土壤鎘濃度超過75 mg/kg時，綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及葉綠素總量與對照的差異達顯著水平(P<0.05).與對照相比，土壤鎘濃度為25、50、75、100、125 mg/kg的多莖鼠麴草葉綠素總量分別降低了3.14%、3.71%、4.36%、9.43%和14.50%.對于葉綠素a/b而言，隨土壤鎘濃度的增加，葉綠素a/b呈波狀起伏.

表2　不同鎘濃度對多莖鼠麴草光合色素含量的影響

同列數(shù)據(jù)肩標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

2.3不同鎘質量濃度對多莖鼠麴草鎘含量的影響

從表3可以看出，隨著土壤鎘質量濃度的增加，多莖鼠麴草根系、莖、葉及地上部分的鎘含量呈增加的趨勢，且各處理間差異達顯著水平(P<0.05).當土壤鎘濃度達到75 mg/kg時，多莖鼠麴草根系和地上部分鎘質量濃度分別為326.39 mg/kg和121.86 mg/kg，達到了鎘超富集植物的臨界值(100 mg/kg).與對照相比，土壤鎘濃度為25、50、75、100和125 mg/kg時，多莖鼠麴草根系鎘質量濃度分別為對照的12.64倍、39.30倍、55.41倍、67.67倍和77.36倍，地上部分鎘質量濃度分別為對照的14.69倍、30.6倍、40.76倍、46.89倍和52.04倍.就富集系數(shù)(BCF)而言，隨著土壤鎘質量濃度的增加，多莖鼠麴草根系和地上部分BCF均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，且在土壤鎘濃度為50 mg/kg時最大，分別為4.63和1.83.對于轉運系數(shù)(TF)而言，不同土壤鎘濃度的多莖鼠麴草TF均小于1，沒有達到鎘超富集植物的標準(TF>1).

表3　多莖鼠麴草鎘含量

同列數(shù)據(jù)肩標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

2.4不同鎘質量濃度對多莖鼠麴草鎘積累量的影響

隨著土壤鎘質量濃度的增加，多莖鼠麴草根系鎘積累量呈增加的趨勢，而莖、葉、地上部分及整株鎘積累量呈先增后降的趨勢(表4).當土壤鎘質量濃度為50 mg/kg時，多莖鼠麴草莖、葉、地上部分及整株鎘積累量均達到最大，分別為60.10、123.83、183.93、266.79 μg/盆，分別是各自對照的13.54倍、19.50倍、17.05倍和17.62倍，差異均達顯著水平(P<0.05).就轉運量系數(shù)(TAF)而言，隨著土壤鎘質量濃度的增加，多莖鼠麴草TAF則呈先增后降的趨勢，變化范圍在1.44～3.00，均大于1.這些結果說明多莖鼠麴草具有較強的對鎘的轉運能力.

表4　多莖鼠麴草鎘積累量

同列數(shù)據(jù)肩標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

2.5小區(qū)試驗的多莖鼠麴草鎘積累特性

小區(qū)試驗表明(表5)，當土壤鎘質量濃度2.04～2.89 mg/kg時，多莖鼠麴草地上部分生物量為187.24～190.78 g/m2，其鎘質量濃度為9.12～9.55 mg/kg，相應的鎘積累量為1.74～1.80 mg/m2.可見，在低濃度的鎘污染土壤的田間條件下，多莖鼠麴草對鎘的富集作用較強，能夠應用于生產.

表5　小區(qū)試驗的多莖鼠麴草鎘積累特性

同列數(shù)據(jù)肩標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

3討論

當植物受到重金屬毒害時，通常表現(xiàn)為細胞和整個植株的生長受到強烈抑制，從而導致植物體內一系列生理紊亂[18-19]，最終使其生物量下降[20].據(jù)Mohamed等人研究表明，隨著重金屬濃度的增加，植物葉綠素含量和類胡蘿卜素含量均降低，光合性能也相應減小[21].當重金屬在植物體內積累達到一定程度時，植物就會表現(xiàn)出葉片發(fā)黃、卷曲以及出現(xiàn)斑點等現(xiàn)象，嚴重時導致整株死亡.與普通植物不同，重金屬超富集植物能夠通過調節(jié)自身的生理機制，減少這種毒害作用[22-23].本試驗研究表明，隨著土壤鎘質量濃度的增加，多莖鼠麴草生物量下降，葉綠素含量下降，但沒有表現(xiàn)出明顯的毒害特征，仍然能夠正常生長.這可能與植物體內的滲透調節(jié)，積累小分子有機化合物以提高抗性有關[24-25].

重金屬超富集植物在生理機制上不同于普通植物，超富集植物具有根部能夠延遲對金屬離子的吸收、對金屬離子較強的吸收和運輸能力、葉表皮細胞的液泡化以及對金屬離子的區(qū)隔化等特點[22-23]，超富集植物通過稠密的根系和特別的根系分泌物從土壤中吸收重金屬，然后將吸收的重金屬離子富集在液泡、細胞壁以及葉片表皮細胞的表皮毛等位置，以減小對自身的毒害作用[23].通過在本研究中，多莖鼠麴草根系和地上部分鎘含量隨土壤鎘質量濃度的增加而增加，說明多莖鼠麴草具有超富集植物這種特殊的生理機制，使得鎘在體內大量積累.在土壤鎘濃度為75 mg/kg時，多莖鼠麴草根很和地上部鎘質量濃度分別達到326.39、121.86 mg/kg，達到鎘超富集植物的臨界值(100 mg/kg).同時，在不同土壤鎘濃度下，多莖鼠麴草根系和地上部分富集系數(shù)均大于1，但轉運系數(shù)小于1，轉運量系數(shù)大于1.按照Brooks[26-27]對超富集植物的定義和近年來對超富集植物定義的延伸[17]，多莖鼠麴草是一種鎘富集植物，不是鎘超富集植物.與其它鎘超富集植物相比，在土壤鎘濃度大致相當?shù)臈l件下，多莖鼠麴草地上部分鎘含量低于龍葵[5]、少花龍葵[15]、印度芥菜[21]等鎘超富集植物，但略高于鎘富集植物旱蓮草[13].

多莖鼠麴草是一種廣泛分布的冬季生長的農田雜草[9]，在盆栽條件下，多莖鼠麴草地上部分及整株鎘積累量最大值分別183.93、266.79 μg/盆(土壤鎘濃度為50 mg/kg)；在田間條件下，土壤鎘濃度為2.4～2.89 mg/kg時，多莖鼠麴草地上部鎘積累量為1.74～1.80 mg/m2.因此，多莖鼠麴草對鎘的修復潛力較大，適合冬季土壤鎘濃度在50 mg/kg以內鎘污染修復，并且是一種可以廣泛應用的農田鎘污染修復材料.

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(責任編輯李辛)

Cadmium accumulation characteristics ofGnaphaliumpolycaulonPers.

SHI Jun1,HU Rong-ping2,LIN Li-jin3,HUANG Ting-you1,CHU Xu-dong1,LI Chun-cai1

(1.Mianyang Academy of Agricultural Sciences,Mianyang 621023,China;2.Institute of Plant Protection,Sichuan Academy of Agricultural Sciences，MOA Key Laboratory of Integrated Management of Pests on Crops in Southwest China,Chengdu 610066,China;3.Institute of Pomology and Olericulture,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China)

Abstract：【Objective】 To screen new cadmium accumulator for phytoremediation of cadmium contaminated farmland soil.【Method】 Pot experiment was conducted to study the cadmium accumulation characteristics of Gnaphalium polycaulon in soil containing various concentrations of cadmium.【Result】 The biomass,chlorophyll and the resistance coefficient decreased with the increase of cadmium concentration in soil,while the cadmium contents in root and shoot of G.polycaulon increased.The cadmium contents in shoot and root exceeded 100 mg/kg when the dose of cadmium was 75 mg/kg in soil,and the BCFs of root and shoot were greater than 1 and the TF was less than 1.The maximum of cadmium accumulation in shoot and whole plant was 183.93 and 266.79 μg/pot respectively (the dose of cadmium was 50 mg/kg in soil).In the plot experiment,when cadmium concentrations of soil were 2.04～2.89 mg/kg,the cadmium accumulations in shoot o were 1.74～1.80 mg/m2.【Conclusion】 G.polycaulon is a Cd-accumulator plant,and can be used to remediate Cd-contaminated farmland.

Key words：Gnaphalium polycaulon Pers.;cadmium;characteristics of accumulation;farmland weeds

通信作者：林立金，男，副研究員，博士，主要從事果樹生理生態(tài)及栽培研究.E-mail：llj800924@163.com

基金項目：四川省科學技術廳應用基礎項目(2014JY0046)；四川省農業(yè)科學院青年基金項目(2014CXSF-018).

收稿日期：2015-03-03；修回日期：2015-06-04

中圖分類號：X 53

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)01-0120-06

第一作者：石軍(1980-)，男，博士，主要從事植物病理研究.E-mail：tibm@163.com