劉 婭 陳金全 楊子月 金世博 伏東堂 申時(shí)立#

(1.云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650091；2.云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650091； 3.云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650091)

2014 年4月17日原環(huán)境保護(hù)部和原國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤污染嚴(yán)重，以無(wú)機(jī)污染物中的Cd點(diǎn)位超標(biāo)率最高，達(dá)到7%。土壤Cd污染會(huì)通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移和富集到人體中，從而可能導(dǎo)致人體出現(xiàn)骨痛病、癌癥等，因此對(duì)已受到Cd污染的土壤進(jìn)行修復(fù)十分必要[1]。

在土壤Cd污染的修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)是一種環(huán)境友好、成本低廉的技術(shù)[2]。植物修復(fù)常使用超富集植物，因?yàn)樗鼈儗?duì)重金屬有良好的富集能力。然而，目前已發(fā)現(xiàn)的超富集植物多源于一些環(huán)境苛刻地區(qū)[3]，從而限制了它們的推廣應(yīng)用。事實(shí)上，對(duì)于Cd中低污染土壤不一定要用超富集植物，選用環(huán)境適應(yīng)性好、生物量大的Cd富集植物即可[4-5]。目前，篩選適合修復(fù)Cd中低污染土壤的富集植物仍是這一領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

天綠香(Sauropusandrogynus)是一種珍貴野生食用蔬菜，具有生物量大、生長(zhǎng)速度快等特點(diǎn)[6-7]。天綠香應(yīng)用于植物修復(fù)重金屬污染的研究還比較少。據(jù)申時(shí)立等[8]研究報(bào)道，天綠香可積累Cd等重金屬。但針對(duì)天綠香富集Cd的具體特性及機(jī)理的研究還比較缺乏。因此，開(kāi)展天綠香富集Cd特性研究，闡明天綠香的Cd富集機(jī)理，有利于更好地指導(dǎo)天綠香修復(fù)Cd中低污染土壤實(shí)踐。本研究首先通過(guò)野外調(diào)查，分析自然環(huán)境下天綠香富集Cd的特征；然后開(kāi)展室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)，研究不同Cd濃度水平下天綠香富集Cd的機(jī)理，為天綠香修復(fù)Cd中低污染土壤提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 野外植物和土壤樣品采集

在荒地、樹(shù)木園和生活區(qū)3種Cd中低污染土壤的野外環(huán)境下采集天綠香樣品，同時(shí)采集土壤樣品。其中，荒地、樹(shù)木園和生活區(qū)土壤中的Cd質(zhì)量濃度分別為(0.39±0.03)、(0.30±0.02)、(0.46±0.03) mg/kg。

1.2 室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置了4個(gè)Cd中低污染處理質(zhì)量濃度(用CdCl2配制)，分別為0、1、6、50 mg/kg，每個(gè)處理設(shè)置6個(gè)重復(fù)，穩(wěn)定28 d后裝盆，每盆裝土3 kg。盆栽實(shí)驗(yàn)用土為未受Cd污染的紅壤土，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用土的基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the experimental soil

選擇生長(zhǎng)情況盡可能相似的采自野外的天綠香種莖，均剪成20 cm的小段，保證每段上都有兩個(gè)以上的芽。用水沖洗干凈后將種莖下部浸泡在350 mg/L的生根粉溶液中催根24 h，然后將催根完畢的天綠香以與地面60°的夾角扦插入盆栽土壤[9]，每盆種植4株。扦插好的天綠香放置于溫室中培養(yǎng)，晝間溫度控制為(28±3) ℃，夜間溫度控制為(18±3) ℃，相對(duì)濕度控制為75%±5%。分別在天綠香生長(zhǎng)的30、60、90、120、150 d時(shí)對(duì)每個(gè)處理的其中一個(gè)重復(fù)測(cè)定生物量和器官中Cd含量，并在150 d時(shí)同時(shí)測(cè)定土壤樣品的Cd含量。

1.3 測(cè)定方法

植物樣品分根、莖、葉裝袋放在105 ℃條件下殺青30 min后，調(diào)節(jié)溫度至70 ℃烘干，記錄干質(zhì)量作為生物量。植物和土壤樣品均采用濕法消解后使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定Cd含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 野外環(huán)境中天綠香的Cd富集特征

不同野外環(huán)境下天綠香各器官中的Cd質(zhì)量濃度見(jiàn)表2。葉中Cd質(zhì)量濃度為0.60～4.52 mg/kg，莖中為0.40～1.43 mg/kg，根中為0.62～1.83 mg/kg。地上部分的莖和葉中Cd質(zhì)量濃度均超過(guò)了《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中葉菜蔬菜的Cd限量指標(biāo)(0.2 mg/kg)，楊暹等[10]也曾調(diào)查發(fā)現(xiàn)天綠香食用部分Cd含量超標(biāo)。由此表明，天綠香在野外環(huán)境中能對(duì)Cd進(jìn)行富集。

表2 野外環(huán)境中天綠香各器官中的Cd質(zhì)量濃度Table 2 Mass concentrations of Cd in organs of Sauropus androgynus in wild environments mg/kg

一般認(rèn)為，植物體內(nèi)的Cd質(zhì)量濃度超過(guò)100 mg/kg，且有較強(qiáng)的富集能力(即富集系數(shù)(BF)>1)和轉(zhuǎn)移能力(轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)>1)，才能算得上Cd富集植物[11-15]。由表2可知，在野外環(huán)境中天綠香各器官中的Cd質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)低于100 mg/kg，這與野外環(huán)境中土壤本身的Cd含量較低有關(guān)系；但由表3可見(jiàn)，天綠香對(duì)Cd具有較高的BF和TF，除荒地中的TF小于1外，其他BF和TF均大于1。由此可見(jiàn)，天綠香在野外環(huán)境中雖沒(méi)有達(dá)到Cd富集植物水平，但已表現(xiàn)出較強(qiáng)的Cd富集能力。

表3 野外環(huán)境中天綠香的BF和TFTable 3 The BF and TF of Sauropus androgynus in wild environments

2.2 Cd中低污染土壤對(duì)天綠香生物量和Cd富集的影響

2.2.1 對(duì)生物量的影響

由于30 d以前，天綠香的生物量都較小，差異不大，因此對(duì)生物量的影響從60 d時(shí)開(kāi)始分析。由圖1可見(jiàn)，60～150 d，4個(gè)處理下的天綠香生物量均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，但隨著Cd處理濃度的升高，差異顯著性有逐漸變小的趨勢(shì)，到150 d時(shí)，4個(gè)處理下的天綠香生物量無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，Cd中低污染土壤中天綠香生長(zhǎng)雖會(huì)受到一定的抑制，但由于天綠香對(duì)Cd具有耐受性，適應(yīng)之后天綠香在Cd中低污染土壤中可以正常生長(zhǎng)，150 d后其生物量與未受污染土壤中無(wú)顯著差異。

注：不同大寫(xiě)字母表示同一處理在不同時(shí)間差異顯著，不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)間時(shí)不同處理差異顯著，均以顯著性水平為0.05判斷。圖1 Cd中低污染土壤對(duì)天綠香生物量的影響Fig.1 Effect of soil contaminated by low-medium Cd on biomass of Sauropus androgynus

已發(fā)現(xiàn)印度芥菜[16]、碎米薺[17]、莎草[18]、滇苦菜[19]等雖是Cd超富集植物，但均存在生物量小的問(wèn)題。而本研究發(fā)現(xiàn)的天綠香雖然Cd富集能力沒(méi)有Cd超富集植物強(qiáng)，但也表現(xiàn)出較強(qiáng)的Cd富集能力，生物量大而且可以適應(yīng)Cd中低污染土壤，這是它的優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 對(duì)Cd富集的影響

由表4可見(jiàn)，天綠香各器官中的Cd質(zhì)量濃度隨處理中土壤Cd質(zhì)量濃度增大而增大，處理中土壤Cd質(zhì)量濃度為50 mg/kg時(shí)，天綠香各器官中的Cd質(zhì)量濃度均超過(guò)100 mg/kg，說(shuō)明天綠香具有Cd富集植物的潛力，可以在Cd中低污染土壤(Cd質(zhì)量濃度為0～50 mg/kg)中對(duì)Cd進(jìn)行富集。

表4 Cd中低污染土壤對(duì)天綠香Cd富集的影響Table 4 Effect of soil contaminated by low-medium Cd on Cd accumulation of Sauropus androgynus mg/kg

由圖2可見(jiàn)，30～150 d，天綠香葉、莖中的Cd濃度表現(xiàn)出隨處理中Cd濃度的增大而增加的趨勢(shì)；在同一處理中，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，天綠香葉、莖中Cd濃度表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

圖2 天綠香地上部對(duì)Cd的富集過(guò)程Fig.2 Cd accumulation process in up-ground part of Sauropus androgynus

3 結(jié) 論

(1) 野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在荒地、樹(shù)木園和生活區(qū)等野外環(huán)境下天綠香葉中Cd質(zhì)量濃度為0.60～4.52 mg/kg，莖中為0.40～1.43 mg/kg，根中為0.62～1.83 mg/kg。地上部分的莖和葉中Cd質(zhì)量濃度均超過(guò)了GB 2762—2017中葉菜蔬菜的Cd限量指標(biāo)(0.2 mg/kg)，且BF和TF基本都大于1?？梢?jiàn)，天綠香在野外環(huán)境下表現(xiàn)出較強(qiáng)的Cd富集能力。

(2) 進(jìn)一步進(jìn)行室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天綠香對(duì)Cd具有耐受性，當(dāng)土壤中Cd質(zhì)量濃度小于50 mg/kg時(shí)，天綠香幾乎可以正常生長(zhǎng)，而且生物量比已發(fā)現(xiàn)的印度芥菜、碎米薺、莎草、滇苦菜等Cd超富集植物大，土壤Cd質(zhì)量濃度達(dá)到50 mg/kg時(shí)，天綠香體內(nèi)的Cd質(zhì)量濃度超過(guò)100 mg/kg，能夠達(dá)到Cd富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，故天綠香可判定為一種具有大生物量的Cd富集植物，可以在Cd中低污染土壤(Cd質(zhì)量濃度為0～50 mg/kg)中對(duì)Cd進(jìn)行富集。