尹春芹,王永奎,孫清斌,2,劉先利,羅漢富

(1.湖北理工學(xué)院 a.礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, b.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 黃石 435003;2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008)

0 引言

土壤重金屬Cd的主要來(lái)源包括礦產(chǎn)資源的開采、冶煉、尾礦、固體廢物及含Cd肥施用等工農(nóng)業(yè)活動(dòng)。積累在土壤中的Cd會(huì)造成土壤不同程度的污染，也會(huì)隨著地表和地下徑流進(jìn)入地表水及地下水資源，引起水體污染，危害水生生物的生長(zhǎng)和繁殖，甚至造成死亡。土壤中的Cd也會(huì)被植物吸收，使植物受到迫害，并可隨著食物鏈進(jìn)入人體[1-2]。Cd是劇毒重金屬元素，生物毒性強(qiáng)，常富集在肝和腎等器官中，會(huì)給人體健康帶來(lái)?yè)p害[3-4]。

湖北省大冶市有著悠久的礦冶文化，礦業(yè)的發(fā)展雖然帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)的繁榮，但也給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境帶來(lái)了污染。前期對(duì)大冶礦區(qū)周邊水稻田土壤重金屬污染情況作了較為全面的調(diào)查，結(jié)果表明，大冶礦區(qū)水稻田土壤受到Cd不同程度的污染，近23%的土壤樣本達(dá)到Cd重度污染級(jí)別[5]。研究表明，大冶礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤Cd污染問(wèn)題較為嚴(yán)重，油菜地上部分Cd含量超過(guò)了食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)最高限值[6]，小麥穗中Cd含量均存在不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象[7]，蔬菜Cd含量超標(biāo)率達(dá)到了100%[8]，重金屬污染區(qū)人民面臨著更高的健康風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。可見，大冶礦區(qū)土壤Cd污染現(xiàn)象不容樂(lè)觀，已成為湖北省乃至全國(guó)環(huán)境治理的熱點(diǎn)地區(qū)。

至今，針對(duì)大冶礦區(qū)土壤重金屬污染問(wèn)題已開展了大量的修復(fù)和治理工作，也取得了一定的成績(jī)。在生態(tài)環(huán)境治理過(guò)程中，栽種美觀并具有耐性的草坪植物對(duì)于受損或者退化的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。許多研究者通過(guò)野外調(diào)查或盆栽試驗(yàn)[10]，發(fā)現(xiàn)了一些對(duì)Cd污染土壤具有一定修復(fù)潛力的植物，如三葉草[1]、孔雀草[11]、多年生黑麥草[12]、蜈蚣草[13]、萱草[14]等。這些研究成果為礦區(qū)Cd污染土壤生態(tài)系統(tǒng)的重建提供了一定的理論和數(shù)據(jù)支撐，但尚不能滿足不同地區(qū)、不同場(chǎng)地的修復(fù)需要。礦區(qū)土壤生態(tài)修復(fù)工作需要從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)污染類型和程度、土地利用方式、政府規(guī)劃等具體情況，采取不同的修復(fù)和治理辦法，達(dá)到資源與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展之目的。草坪植物是恢復(fù)和構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中不可或缺的植物載體。有鑒于此，本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)，選取當(dāng)?shù)仄毡榉N植的5種草坪植物(白三葉、紫花苜蓿、狗牙根、高羊茅及匍匐剪股穎)，探討它們對(duì)Cd的耐受程度及修復(fù)潛力，為礦區(qū)Cd污染土壤修復(fù)及生態(tài)系統(tǒng)重建提供優(yōu)勢(shì)備選植物，同時(shí)也可為分析草坪植物在Cd污染土壤生態(tài)修復(fù)中的潛力提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取5種當(dāng)?shù)仄毡榉N植的綠化用草坪植物為試驗(yàn)材料，分別為：白三葉(Trifoliumrepens)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、狗牙根(Cynodondactylon)、高羊茅(Festucaarundinacea)和匍匐剪股穎(Agrostisstolonifera)。

土壤選用當(dāng)?shù)厥姓@林用土。土壤風(fēng)干，剔除植物根系和石礫，采用四分法，充分混勻，逐級(jí)過(guò)篩。將過(guò)5目篩土壤放置在陰涼處熟化30 d，供盆栽培養(yǎng)試驗(yàn)使用。所用盆缽為13 cm(直徑)×15 cm(高)塑料盆，每盆裝上述供試土壤2.0 kg。測(cè)定土壤理化性質(zhì)和Cd全量。供試土壤的理化性質(zhì)測(cè)定方法參見文獻(xiàn)[15]，土壤全Cd的測(cè)定采用王水消解法，參見NY-T 1613-2008。供試土壤pH值為6.05，全氮為1.5 g/kg，全磷為2.1 g/kg，全鉀為19.2 g/kg，有機(jī)質(zhì)為34.4 g/kg，速效氮為35.4 mg/kg，速效磷為12.9 mg/kg，速效鉀為81.5 mg/kg，全Cd為0.18 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Cd處理濃度梯度為0，1.0，2.5，5.0，10.0 mg/kg，代號(hào)分別為T0(對(duì)照)，T1，T2.5，T5和T10。根據(jù)Cd處理濃度，計(jì)算每盆添加粉狀氯化鎘的質(zhì)量，并混勻。每個(gè)盆栽施加基肥(以每千克土添加400 mg N(CO(NH2)2)，80 mg P(K2HPO4·3H2O)，200 mg K(KCl)計(jì)算)、混勻、備用。

選取較為飽滿的5種草種以相同的數(shù)量分別播種。每種植物設(shè)置5個(gè)Cd處理濃度(如上)，每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)共計(jì)75盆。播種后加入等量蒸餾水，植物露天栽培，培養(yǎng)期定苗20株。生長(zhǎng)期植物所需水均使用蒸餾水，每次等量供給。培養(yǎng)60 d后收獲，測(cè)定植物株高、生物量(以單株干重表示)、根長(zhǎng)、植株各部位及土壤中Cd全量。

1.3 樣品處理和測(cè)定

植物收獲后，先用自來(lái)水清洗樣品上污物，再用去離子水清洗，瀝干水分。將植株分成地上和地下2個(gè)部分，稱鮮重后，置于105 ℃下殺青30 min，在70 ℃下烘至恒重，稱量干重，計(jì)算單株干重。將烘干后植物樣品粉碎，過(guò)0.149 mm孔徑篩后保存?zhèn)溆?。收集附帶在植物根系上大量的根際土，風(fēng)干，剔除植物根系，過(guò)0.149 mm孔徑篩。植物和土壤樣品中全Cd的測(cè)定采用王水消解法(NY-T 1613-2008)，植物和土壤樣品分別用原子吸收分光光度儀石墨爐法和火焰法(Varian AA240FS，美國(guó))檢測(cè)。

1.4 植物耐受、富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力評(píng)價(jià)

1)根系耐性指數(shù)(RTIs)能夠很好地反應(yīng)植物對(duì)重金屬的耐性，是評(píng)價(jià)植物耐受能力的一個(gè)十分重要的指標(biāo)[16]。

根系耐性指數(shù)(RTIs)=各處理根系長(zhǎng)度/對(duì)照根系長(zhǎng)度。

2)采用Chamberlain等人[17]提出的“富集系數(shù)”來(lái)反映本研究典型草坪植物對(duì)Cd的生物富集能力。

生物富集系數(shù)(BCFs)=植物中的重金屬含量/基質(zhì)中的重金屬含量。

3)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TFs)用來(lái)評(píng)價(jià)植物將重金屬?gòu)牡叵虏肯虻厣喜康倪\(yùn)輸和富集能力[18]。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TFs)=植物地上部重金屬含量/地下部重金屬含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用SPSS 17.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05表示在95%的置信區(qū)間內(nèi)存在顯著性差異。凡有一個(gè)標(biāo)記相同字母的(如a和ab)即為差異不顯著；凡有不同標(biāo)記字母的(如a和b)即為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd對(duì)不同草坪植物株高的影響

Cd對(duì)5種草坪植物株高的影響如圖1所示。由圖1可知，豆科植物白三葉和紫花苜蓿的株高變化趨勢(shì)較為相似。當(dāng)Cd處理濃度為1.0 mg/kg時(shí)，白三葉和紫花苜蓿的株高明顯高于對(duì)照(P<0.05)，表明較低Cd污染情況下，Cd的添加對(duì)它們的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。當(dāng)Cd處理濃度≥2.5 mg/kg時(shí)，白三葉和紫花苜蓿的株高均受到顯著的影響(P<0.05)，表明較高Cd污染情況下，這2種草坪植物的生長(zhǎng)均受到明顯抑制，且隨著Cd污染的加劇，抑制作用越顯著。

禾本科植物狗牙根在整個(gè)生長(zhǎng)周期中長(zhǎng)勢(shì)好，且不同Cd處理濃度下株高均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，表明本試驗(yàn)中Cd的添加劑量對(duì)它的生長(zhǎng)未起到抑制作用，反而促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)。高羊茅在Cd污染情況下長(zhǎng)勢(shì)也較好，當(dāng)Cd處理濃度≤5.0 mg/kg時(shí)，株高均顯著高于對(duì)照(P<0.05)。匍匐剪股穎在Cd污染情況下長(zhǎng)勢(shì)也較好，Cd處理濃度≤2.5 mg/kg時(shí)株高均顯著高于對(duì)照(P<0.05)。

2.2 Cd對(duì)不同草坪植物生物量的影響

Cd對(duì)5種草坪植物生物量的影響如圖2所示。由圖2可知，豆科植物白三葉和紫花苜蓿的生物量(以單株干重計(jì))變化趨勢(shì)較為相似。當(dāng)Cd處理濃度為1.0 mg/kg時(shí)，白三葉、紫花苜蓿的根和莖葉的生物量均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，表明較低Cd污染情況下，Cd的添加對(duì)它們的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。當(dāng)Cd處理濃度≥2.5 mg/kg時(shí)，這2種草坪的整株生物量要顯著低于對(duì)照(P<0.05)，表明較高Cd污染情況下，它們的生長(zhǎng)均受到明顯抑制，且隨著Cd污染的加劇，抑制作用越顯著。

禾本科植物狗牙根在不同Cd處理濃度下整株植物的生物量均明顯高于對(duì)照(P<0.05)，表明本試驗(yàn)中Cd的添加劑量對(duì)它的生長(zhǎng)未起到抑制作用，反而促進(jìn)了它的生長(zhǎng)；Cd處理濃度為5.0 mg/kg時(shí)生物量達(dá)到最大，為0.15 g/株。高羊茅在Cd處理濃度≤2.5 mg/kg時(shí)，莖葉生物量均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，整株植物的生物量在Cd處理濃度為2.5 mg/kg時(shí)達(dá)到最大，為0.60 g/株。匍匐剪股穎整株植物的生物量在Cd處理濃度為2.5 mg/kg時(shí)達(dá)到最大，為0.44 g/株。

圖2 Cd對(duì)5種草坪植物生物量的影響

2.3 不同草坪植物對(duì)Cd的耐受能力評(píng)價(jià)

植物的根系耐性指數(shù)(RTIs)能較好地反應(yīng)植物對(duì)重金屬的耐性。RTIs值大于1時(shí)，說(shuō)明該種植物對(duì)這種重金屬有較強(qiáng)的耐受能力，可以在此重金屬濃度下生長(zhǎng)得比較好；而植物RTIs值小于1時(shí)，表明植物耐性指數(shù)較小，很難在此濃度的重金屬環(huán)境條件下生長(zhǎng)。5種草坪植物根系對(duì)Cd的耐性指數(shù)如圖3所示。豆科植物白三葉在Cd處理濃度為1.0 mg/kg時(shí)，RTIs值大于1，說(shuō)明較低Cd污染對(duì)植物根系的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，但隨著Cd污染程度加大，根系生長(zhǎng)受到抑制，根長(zhǎng)小于對(duì)照，生長(zhǎng)受阻。紫花苜蓿在Cd處理濃度為1.0和2.5 mg/kg時(shí)，RTIs值均大于1，但隨著Cd處理濃度的增大，植物根系表現(xiàn)出受害癥狀。禾本科植物狗牙根、高羊茅和匍匐剪股穎在不同Cd處理濃度下，RTIs值均大于1，植物長(zhǎng)勢(shì)好，未出現(xiàn)受害癥狀，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐Cd性。

圖3 5種草坪植物根系對(duì)Cd的耐性指數(shù)

2.4 不同草坪植物對(duì)Cd的富集能力評(píng)價(jià)

植物的富集系數(shù)(BCFs)是評(píng)價(jià)是否為超積累植物的重要依據(jù)。通常把BCFs值大于1的植物認(rèn)定為超積累植物。5種草坪植物莖葉和根的富集系數(shù)見表1。由表1可知，草坪植物莖葉和根的BCFs值均大于1，表明這幾種草坪植物對(duì)Cd有很好的積累能力。其中，豆科植物白三葉和紫花苜蓿莖葉的BCFs值的變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為隨著Cd添加濃度的增大先增大后降低的趨勢(shì)，在Cd添加為2.5 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，BCFs值分別為30.2和10.5；另外，2種植物相比較，白三葉莖葉的BCFs值顯著大于紫花苜蓿(P<0.05)。禾本科植物狗牙根、高羊茅和匍匐剪股穎的BCFs值變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為隨著Cd添加濃度的增大而降低的趨勢(shì)，在Cd添加濃度為1.0 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，BCFs值分別為19.2，18.5和12.6。

5種草坪植物根的BCFs值表現(xiàn)為隨著Cd添加濃度的增大而降低的趨勢(shì)。在Cd添加濃度為1.0 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，白三葉根的BCFs值為26.8，紫花苜蓿為82.9，狗牙根為95.1，高羊茅為81.3，匍匐剪股穎為24.7。另外，除白三葉外，其他4種草坪植物莖葉的BCFs值均顯著小于根(P<0.05)。

表1 5種草坪植物莖葉和根的富集系數(shù)(BCFs)

2.5 不同草坪植物對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力評(píng)價(jià)

5種草坪植物對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)見表2。由表2可知，白三葉的TFs值有隨著Cd添加濃度的增大先增大后降低的趨勢(shì)。在Cd添加濃度為2.5 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，為1.3。隨后，TFs值降低，在Cd添加濃度為10 mg/kg時(shí)TFs值小于1。其他4種草坪植物的TFs值均小于1，表明Cd從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉部分的能力差。

表2 5種草坪植物對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TFs)

3 討論

3.1 Cd脅迫下不同草坪植物的耐受性

植物對(duì)重金屬有良好的耐受性才能夠在重金屬污染土壤上保持良好的生長(zhǎng)狀態(tài)[19]。不同植物對(duì)Cd的耐受性都有一定的耐受閾值，超過(guò)了耐受閾值，就會(huì)影響植物細(xì)胞的代謝，使植物生長(zhǎng)受到抑制、形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變等[20]。

劉勇等[1]通過(guò)室內(nèi)沙壤土培試驗(yàn)，研究了土壤Cd污染下(Cd處理濃度分別為0，3，5，7，10 mg/kg)三葉草對(duì)Cd的污染修復(fù)潛力，結(jié)果表明，生長(zhǎng)期間白三葉整株生物量均顯著低于對(duì)照，表明Cd污染下三葉草的生長(zhǎng)均受到一定抑制。也有研究表明，白三葉中葉綠素a的含量隨著Cd污染濃度的增大呈現(xiàn)出稍微上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)Cd污染濃度高于30 mg/kg時(shí)，葉綠素a的含量下降，顯著影響了白三葉的光合作用[21]。本研究中，Cd處理濃度(1.0 mg/kg以下)較低時(shí)，白三葉長(zhǎng)勢(shì)好，RTIs值大于1，Cd的添加對(duì)白三葉的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用；超過(guò)2.5 mg/kg后，植物的生物量降低，根系生長(zhǎng)受到抑制。這種差異可能與品種、種植的土壤條件及Cd處理濃度不同有關(guān)。

孫寧驍?shù)萚22]研究表明，紫花苜蓿(新疆大葉苜蓿)在Cd添加濃度小于25 mg/kg時(shí)對(duì)植物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，高于50 mg/kg表現(xiàn)為抑制生長(zhǎng)。楊姝等[23]分析了7個(gè)品種的紫花苜蓿對(duì)Cd和Pb的富集特征，結(jié)果表明Cd污染濃度在4.25 mg/kg下，株高因品種不同存在顯著差異。本試驗(yàn)中，Cd處理濃度大于2.5 mg/kg時(shí)，紫花苜蓿的RTIs值小于1，植物根系表現(xiàn)出受害癥狀。由于不同的紫花苜蓿品種對(duì)Cd脅迫的響應(yīng)存在顯著差異[23-25]，故在礦區(qū)Cd污染土壤生態(tài)修復(fù)中要根據(jù)污染的程度選用適合于當(dāng)?shù)卦耘嗟钠贩N。

另外，本試驗(yàn)中禾本科植物狗牙根、高羊茅和匍匐剪股穎在不同Cd污染程度下(0～10 mg/kg)，植物長(zhǎng)勢(shì)好，RTIs值均大于1，未出現(xiàn)受害癥狀，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐Cd性。這一結(jié)果與張遠(yuǎn)兵等[26]、徐佩賢等[27]的研究結(jié)果一致。

3.2 Cd脅迫下不同草坪植物的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)能力

植物根尖部位的根毛區(qū)對(duì)Cd2+的吸收最為活躍[28]。土壤中的Cd能否被植物所富集，主要取決于Cd有效態(tài)含量，但有效態(tài)含量的高低受多種因素的影響[28-29]。例如土壤粒徑組成、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量、pH值、氧化還原電位、植物種類等[29]。本試驗(yàn)條件下的研究結(jié)果表明，除白三葉外，其他4種草坪植物莖葉對(duì)Cd的富集量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根部，TFs值均小于1，這一結(jié)果與很多學(xué)者[22-23,25,27]研究結(jié)果相一致。但徐佩賢等[27]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cd的處理濃度高于200 mg/kg后，高羊茅和匍匐剪股穎的TFs值大于1，且隨著處理濃度的增大，Cd從根部轉(zhuǎn)移到莖葉部分的能力也增大。

本研究結(jié)果，在Cd添加濃度≤5mg/kg時(shí)，白三葉的TFs值大于1，表現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，但Cd添加濃度為10 mg/kg時(shí)TFs值小于1，植物的生長(zhǎng)受到明顯抑制。劉勇等[1]研究發(fā)現(xiàn)，Cd 添加濃度在5～10 mg/kg時(shí)，三葉草的TFs值大于1。但也有研究發(fā)現(xiàn)，白三葉在Cd濃度為10 mg/kg脅迫下，TFs值小于1[30]。這些研究結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，白三葉對(duì)Cd的耐受值和轉(zhuǎn)運(yùn)能力不僅與土壤中Cd含量有關(guān)，還可能與其他因素相關(guān)，例如植物品種和土壤的理化性質(zhì)差異等。對(duì)于這些因素的具體影響機(jī)制尚有待開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1)本試驗(yàn)選取的5種綠化草坪植物對(duì)Cd均具有較好的富集能力。

2)狗牙根、高羊茅和匍匐剪股穎對(duì)Cd的轉(zhuǎn)移能力較弱，TFs值均小于1，但其生長(zhǎng)并未受到抑制，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐Cd性，可作為礦區(qū)Cd污染土壤生態(tài)修復(fù)的備選植物。

3)白三葉和紫花苜蓿在Cd污染程度較低的情況下，RTIs值均大于1，但隨著Cd濃度的增大，根系生長(zhǎng)受到抑制。在Cd添加濃度為10 mg/kg時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低，TFs值為0.9。在礦區(qū)Cd污染土壤生態(tài)修復(fù)中應(yīng)根據(jù)污染的程度選用適合于具體污染場(chǎng)地的品種。