曾鵬，曹霞，郭朝暉，肖細元，劉亞男，梁芳

（中南大學冶金與環(huán)境學院環(huán)境工程研究所，長沙　410083）

Cd污染土壤景觀修復植物篩選研究

曾鵬，曹霞，郭朝暉*，肖細元，劉亞男，梁芳

（中南大學冶金與環(huán)境學院環(huán)境工程研究所，長沙410083）

在溫室入件下，研究了香樟、圓柏、側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊、金葉女貞和海梔子10種常見景觀植物對污染土壤中Cd的耐受能力和富集特征。試驗設置的三個處理分別為不添加外源Cd的CK處理（土壤中Cd本底值為3.6 mg·kg-1）和添加外源Cd的T1、T2處理（土壤中Cd含量分別為9.6、24.6 mg·kg-1）。結果表明，在T1和T2處理下，圓柏、側柏和四季桂的根、莖、葉和整株生物量與CK處理無顯著差異（P＞0.05）。當土壤中Cd含量范圍為3.6～24.6 mg·kg-1時，側柏、珊瑚樹、四季桂和金邊黃楊光合作用正常；T1和T2處理下香樟、側柏、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞葉片中丙二醛含量與CK處理無顯著差異（P＞0.05）。珊瑚樹對土壤中Cd有一定的富集能力，而香樟對Cd具有較強的轉運能力。供試植物Cd富集系數(shù)的聚類分析表明，圓柏、夾竹桃和珊瑚樹可用于Cd污染土壤修復與景觀美化，紅花檵木、金邊黃楊、香樟、四季桂、側柏和金葉女貞可用于Cd重污染土壤中Cd的穩(wěn)定。

Cd；污染土壤；景觀植物；植物修復

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隨著現(xiàn)代社會經濟的快速發(fā)展，礦山開采［1］、金屬冶煉［2］、化工生產［3］和農藥、化肥［4］等生產活動加劇了工礦區(qū)土壤重金屬污染，Cd等重金屬能夠通過食物鏈對生產者和消費者產生毒害作用［5］，解決土壤中Cd等重金屬污染問題迫在眉睫。植物修復具有環(huán)境友好、成本低、美化環(huán)境、不易引起二次污染等±點，因而倍受關注［6］。很多超富集植物［7-9］和耐性草本植物［10-12］被用于植物修復研究和應用中，一些生物量大、耐受性強、具有較好景觀特征的先鋒植物也正逐漸步入植物修復目標植物行列。景觀植物種類豐富，可在美化環(huán)境的同時修復重金屬污染土壤［13］。有研究表明，海桐（Pittosporum tobira）可作為Cd污染土壤修復的備選植物［14］，樟樹（Cinnamomum camphora）對Cd有較強的富集能力［15］，珊瑚樹（Viburnum odoratissimum）和地中海莢蒾（Viburnum tinus）對土壤中Cd具有一定的富集能力［16］。然而，景觀植物對污染土壤中Cd等重金屬的耐受能力和富集特征還缺乏系統(tǒng)的研究報道。本文通過溫室盆栽試驗，研究香樟、圓柏、側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊、金葉女貞和海梔子等10種常見景觀植物對污染土壤中Cd的耐受能力和富集特征，為選用適宜的Cd污染土壤生態(tài)修復用景觀植物提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試土壤和植物

供試土壤取自湖南省衡陽市某典型礦冶區(qū)周邊的表層（0～20 cm）土壤，土壤的基本理化性質見表1。

選取城市綠化常用的香樟、圓柏、側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊、金葉女貞和海梔子等10種景觀植物為供試植物。其中，香樟、圓柏、側柏為常綠喬木，夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊為常綠小喬木或灌木，金葉女貞和海梔子為常綠灌木。供試幼苗從長沙市某苗木基地選購，基本情況見表2。

表1　供試土壤的基本理化性質Table 1　Basic physiochemical properties of tested soil

表2　供試幼苗的基本情況Table 2　General characteristics of tested plant seedlings

1.2實驗設計

土壤經自然風干、磨細后過5 mm篩，裝入塑料盆（上口直徑18 cm，下口直徑13 cm，高17 cm）中，每盆裝入3.5 kg風干土。根據(jù)我國《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995）和《展覽會用地土壤環(huán)境質量評價標準（暫行）》（HJ 350—2007），以Cd（NO3）2·4H2O作為外源鎘向土壤中分別添加0、6、21 mg·kg-1形成Cd污染土壤的三個處理：CK處理（土壤中Cd本底值為3.6 mg·kg-1）、T1處理（土壤中Cd含量為9.6 mg·kg-1）和T2處理（土壤中Cd含量為24.6 mg·kg-1），每個處理重復4次。在室內平衡2周后統(tǒng)一移栽大小基本一致的幼苗，每盆4株，于2014用6月至2015用1月在溫室內進行培養(yǎng)。培養(yǎng)期間，根據(jù)土壤水分蒸發(fā)情況，不定期澆灌去離子水，以保持土壤田間持水量為70%。光照10 h·d-1，溫室內晝夜溫度為30益/20益。培栽203 d后收獲上述植物，不同處理下取植物相同部位葉片用于葉綠素和丙二醛（MDA）含量分析，剩余植株按根、莖、葉分開，依次用自來水、去離子水清洗后，在105益下殺青30 min，然后60益烘干至恒重。稱量干重、粉碎后備用。

1.3測試與分析

土壤基本理化性質的測定參照魯如坤［17］的方法，植物葉片葉綠素［18］和MDA［19］含量采用分光光度計測定。土壤樣品采用HNO3-HCl-H2O2（MDS-8G型多通量密閉微波消解儀）消解；植物樣品采用HNO3-HClO4法消解（體積比為3頤1）［20］。所有消解液中Cd含量采用原子吸收分光光度計（TAS-990，北京普析通用）測定。植株中Cd的富集系數(shù)（BC）［21］和轉運系數(shù)（TF）［22］按照下列公式計算：

BC=植物地上部Cd含量/土壤中Cd含量

TF=植物地上部Cd含量/根部Cd含量

所有試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進行分析處理。采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行顯著性檢驗，利用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較各處理間的差異，顯著性水平為P＜0.05。

表3　不同Cd來理下景觀植物的生物量Table 3　Biomass of ornament plants in different Cd treatments

2　結果與討論

2.1供試景觀植物的生物量

從表3可看出，經過203 d的培養(yǎng)，Cd脅迫對景觀植物生物量影響明顯。T1處理下，土壤中Cd對香樟、金葉女貞和海梔子的生長有明顯促進作用，尤其對香樟根和莖、珊瑚樹葉片和金葉女貞莖的生長發(fā)育促進作用明顯，與CK處理相比分別提高44.8%和69.8%、11.6%、80.3%；T2處理下，香樟、夾竹桃、紅花檵木、珊瑚樹和金葉女貞的生長明顯受到抑制，尤其對香樟、夾竹桃和紅花檵木根部、珊瑚樹葉片和金葉女貞莖的生長抑制作用明顯，而且海梔子幾乎沒有存活。當土壤中Cd含量范圍為3.6～24.6 mg·kg-1時，圓柏、側柏和四季桂的根、莖、葉和整株生物量差異不明顯。因此，從植物生物量考慮，夾竹桃、紅花檵木和海梔子對土壤中Cd含量比較敏感；當土壤Cd含量達到9.6～24.6 mg·kg-1時，香樟、圓柏、側柏、珊瑚樹、四季桂、金邊黃楊和金葉女貞可作為適宜Cd污染土壤的修復植物。

表4　不同Cd來理下景觀植物葉片光合色素含量Table 4　Content of photosynthetic pigments in ornament plants in different Cd treatments

2.2Cd污染土壤上景觀植物的生理特征

2.2.1光合色素含量

光合色素含量高低是判定植物光合作用強弱和衡量葉片衰老程度的重要生理指標［23］。從表4可看出，T1和T2處理下，香樟、側柏、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木和金邊黃楊的葉綠素a、葉綠素b以及類胡蘿卜素含量與CK處理相比均無顯著差異（P＞0.05），而夾竹桃葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量顯著高于CK處理（P＜0.05），表明土壤中Cd可促進夾竹桃光合色素的合成。T1處理下，圓柏的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量高于CK處理，尤其是類胡蘿卜素含量較CK處理明顯提高37.5%；而T2處理下，其光合色素含量與CK處理相比均有顯著下降，尤其是葉綠素a和葉綠素b含量較CK處理分別下降75.4%和50.0%。其原因可能是低Cd含量處理下，刺激了葉綠素含量增加，彌補光合作用中主要電子傳遞的成分，但Cd含量繼續(xù)增加會破壞葉綠體的結構和功能，使葉綠素含量逐漸下降［24］。金葉女貞在T2處理下，其葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量較CK處理分別下降25.0%、34.7%和21.4%。在3.6～24.6 mg· kg-1Cd污染土壤上，側柏、珊瑚樹、四季桂和金邊黃楊光合作用正常，進一步表明其整株生物量在各處理下無明顯差異（表3），對土壤中Cd具有較強的耐受能力。葉綠素a/b值可反映植物對光能的利用效率［25］。T1和T2處理下，側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、金邊黃楊和金葉女貞的葉綠素a/b值與CK處理無顯著差異（P＞0.05）。T2處理下，圓柏葉綠素a/b的值顯著高于CK處理，而紅花檵木葉綠素a/b值顯著低于CK處理。T1處理下香樟葉綠素a/b值高于CK處理，而T2處理下其比值顯著低于CK處理，原因可能是適當含量Cd可提高植物對光能的利用效率，從而提高光合作用的效果［26］。研究結果表明，土壤中Cd會對香樟、圓柏、紅花檵木和金葉女貞葉片中光合色素含量產生影響，而對側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂和金邊黃楊影響不明顯，故對Cd污染土壤有較強的耐受能力。

2.2.2MDA含量

葉片中MDA是植物在逆境入件下膜質過氧化的主要產物之一，其含量體現(xiàn)了膜質過氧化、植物衰老或植物的傷害程度［27］。從圖1可看出，T1和T2處理下，香樟、側柏、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞MDA含量與CK處理無顯著差異（P＞0.05），表明上述植物對土壤中Cd具有較好的耐受能力。T2處理下，圓柏葉片中MDA含量顯著高于CK處理，是CK處理的1.17倍，表明土壤中Cd含量為24.6 mg· kg-1時會對圓柏產生明顯的毒害作用；夾竹桃葉片中MDA含量較CK處理明顯降低了62.2%，表明土壤中Cd含量為24.6 mg·kg-1時夾竹桃仍具有較好的耐受能力。有研究表明，植物體內的保護酶系統(tǒng)對過氧化物有一定的清除作用，從而保護重金屬脅迫下植物的膜系統(tǒng)［28］。這可能是香樟、側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞對Cd有一定耐受能力的原因。

2.3景觀植物體內Cd的富集特征

從表5可看出，除海梔子外，其他供試景觀植物根、莖、葉中Cd含量隨著土壤Cd含量的增加呈增加趨勢。T1處理下，四季桂莖，圓柏和金邊黃楊根部，側柏莖和葉，珊瑚樹根、莖、葉中Cd含量顯著高于CK處理（P＜0.05）。T2處理下，香樟莖和葉，圓柏的根部，夾竹桃、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞根和莖，側柏、珊瑚樹和四季桂根、莖、葉中Cd含量顯著高于CK處理（P＜0.05），其中香樟莖和葉片中Cd含量分別為CK處理的4.77倍和4.54倍，表明隨著土壤中Cd含量的增加，香樟體內Cd含量逐漸向莖和葉轉移；圓柏、側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞根部Cd含量分別為CK處理的8.43、7.53、4.54、6.46、2.89、1.46、3.77、2.34倍；側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞莖部Cd含量較CK處理分別提高138.3%、94.7%、278.8%、158.1%、44.8%、37.5%和226.4%；側柏、珊瑚樹和四季桂葉片Cd含量較CK處理分別提高136.5%、266.0%和30.4%。

圖1　不同Cd來理下各景觀植物葉片MDA含量Figure 1　Malondialdehyde content in leaves of ornament plants under different Cd treatments

富集系數(shù)和轉運系數(shù)可反映植物對重金屬的富集能力［25，29］。從表5可進一步看出，所有供試景觀植物的富集系數(shù)隨著土壤Cd濃度的升高而降低，表明其對土壤中Cd的吸收能力有限。CK處理下，香樟、珊瑚樹、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞的富集系數(shù)均在1左右，而在T1和T2處理下，僅珊瑚樹的富集系數(shù)大于1，表明其對Cd具有一定的富集能力。供試植物對Cd富集能力的高低順序為珊瑚樹＞紅花檵木抑金邊黃楊抑金葉女貞＞香樟抑側柏＞四季桂抑圓柏＞海梔子＞夾竹桃。除香樟、海梔子和珊瑚樹外，其余供試景觀植物的轉運系數(shù)均小于1，表明其對Cd的運輸能力較弱。香樟在土壤中Cd含量逐漸增加的情況下表現(xiàn)出較強的轉運能力。珊瑚樹在CK、T1和T2處理下，轉運系數(shù)均大于1，但轉運系數(shù)隨著土壤中Cd含量的增加呈現(xiàn)降低趨勢。盡管海梔子在T2處理下不能存活，但CK和T1處理下，其體內Cd轉運系數(shù)均大于1，可能在低濃度Cd作用下海梔子迫使根部的Cd向地上部分轉移來改善Cd對其根部的毒害作用。

表5　不同Cd來理下Cd在景觀植物體內的含量和分布Table 5　Content and distribution of Cd in ornamental plants under different Cd treatments

根據(jù)景觀植物對土壤中Cd富集系數(shù)進行聚類分析（圖2），結合植株中Cd含量可將供試景觀植物分為富集型、規(guī)避型和根部囤積型3種類型［30］：珊瑚樹的Cd富集系數(shù)大于1，屬于Cd富集型植物，與譚立敏等［31］在礦區(qū)調查的珊瑚樹屬于富集型植物結果一致；圓柏、夾竹桃和海梔子的Cd富集系數(shù)在0.17～0.66之間，可作為Cd規(guī)避型植物［32］；側柏、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞吸收的Cd大部分囤積于根部，其轉運系數(shù)為0.1～0.66，只有少量轉移到地上部分，盡管香樟轉運系數(shù)大于0.6，但CK和T1處理下根部Cd含量明顯高于莖部和葉片部，故均可作為Cd根部囤積型植物，與蘇煥珍等［33］報道魁蒿和柳葉菜對Cd的轉運系數(shù)在0.34～1.35之間、歸屬于根部囤積型植物的報道結果一致。因此，珊瑚樹可用于修復Cd污染程度較輕的土壤，圓柏和夾竹桃可用于中輕度Cd污染土壤的景觀美化，紅花檵木、金邊黃楊、香樟、四季桂、側柏和金葉女貞可用于Cd污染嚴重土壤中Cd的穩(wěn)定，海梔子可作為土壤中Cd污染程度的指示植物。

圖2　基于景觀植物Cd富集系數(shù)層級聚類分析結果Figure 2　Hierarchical cluster analysis based on Cd bioaccumulation coefficients of ornamental plants

3　結論

（1）在供試土壤中Cd含量范圍為3.6～24.6 mg· kg-1時，香樟、圓柏、側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞等景觀植物能夠正常生長。側柏、夾竹桃、珊瑚樹、四季桂和金邊黃楊葉片中光合色素含量，香樟、側柏、珊瑚樹、四季桂、紅花檵木、金邊黃楊和金葉女貞葉片中丙二醛含量受到土壤中Cd含量影響不明顯。

（2）珊瑚樹屬于Cd富集型植物，適于修復Cd輕度污染土壤；圓柏和夾竹桃屬于Cd規(guī)避型植物，可用于修復中輕度Cd污染土壤；紅花檵木、金邊黃楊、香樟、四季桂、側柏和金葉女貞屬于Cd根囤積型植物，可用于Cd重度污染土壤中Cd的穩(wěn)定。

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Potential of ornamental plants for remediating soil polluted with cadmium

ZENG Peng，CAO Xia，GUO Zhao-hui*，XIAO Xi-yuan，LIU Ya-nan，LIANG Fang
（Institute of Environmental Engineering，School of Metallurgy and Environment，Central South University，Changsha 410083，China）

Under greenhouse condition，the tolerance and accumulation characteristics for ornamental plants of 10 species grown on Cd contaminated soil，including Cinnamomum camphora，Sabina chinensis，Platycladus orientalis，Nerium indicum，Viburnum odoratissimum，Osmanthus fragrans，Loropetalum chinense，Euonymus japonicus，Ligustrum vicaryi and Gardenia Ellis，were studied.Three levels of Cd in polluted soil were designed，which is the background level of 3.6 mg·kg-1（CK），the content of 9.6 mg·kg-1（T1）and 24.6 mg·kg-1（T2）with addition of external cadmium，respectively.The results showed that the biomass of roots，stems，leaves and total plant among Sabina chinensis，Platycladus orientalis and Osmanthus fragrans was slightly significant difference（P＞0.05）compared with CK treatment under T1and T2treatment.When the content of Cd in soils were from 3.6 to 24.6 mg·kg-1，Platycladus orientalis，Viburnum odoratissimum，Osmanthus fragrans and Euonymus japonicus could photosynthesize regularly，and the content of malondialdehyde in leaves of Cinnamomum camphora，Platycladus orientalis，Viburnum odoratissimum，Osmanthus fragrans，Loropetalum chinense，Euonymus japonicus and Ligustrum vicaryi were slightly changed.The accumulation capacity of Cd in Viburnum odoratissimum and the transferring coefficient of Cd to aboveground of Cinnamomum camphora was relatively higher compared with the other tested plants.According to the hierarchical cluster analysis based on Cd bioaccumulation factors of tested plants，Sabina chinensis，Nerium indicum and Viburnum odoratissimum can serve for phytoremediation and ameliorate the landscape of Cd contaminated soil.Loropetalum chinense，Euonymus japonicas，Cinnamomum camphora，Osmanthus fragrans，Platycladus orientalis and Ligustrum vicaryi is helpful for stabilization of Cd in contaminated soil.

Cd；polluted soil；ornamental plant；phytoremediation

X53

A

1672-2043（2016）04-0691-08

10.11654/jaes.2016.04.012

2015-11-15

國家自然科學基金面上項目（41271330）

曾鵬（1992—），男，碩士研究生，主要從事重金屬污染土壤修復研究。E-mail：547032220@qq.com

郭朝暉E-mail：zhguo@csu.edu.cn