陳麗麗，魯偉丹，李俊華，羅彤，孫奔奔

(石河子大學農(nóng)學院資環(huán)系/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室 新疆 石河子 832003)

鎘作為動植物體生長發(fā)育進程中的非必需元素，因成土母質(zhì)發(fā)育而存于土壤中，通常不會對土壤生態(tài)環(huán)境造成危害[1]。然而，近年來由于化石燃料燃燒、礦石開采、不合理的施肥、污水灌溉和城市垃圾不恰當處理等人為活動導致的土壤重金屬污染日益加劇[2]，重金屬污染或超標耕地面積在我國有759.1萬hm2，占調(diào)查面積的8.22%[3]。因此，對污染土壤的治理刻不容緩，也是環(huán)境科學領域當前的研究熱點。

植物修復技術是鎘污染土壤治理經(jīng)濟有效且生態(tài)友好的技術之一[4]，其中，植物提取被認為是最重要的植物修復方法，是一種利用植物從土壤中提取污染物并濃縮到植物體內(nèi)的技術[5]，探究不同濃度鎘污染土壤對植物生長與富集特性的影響，是篩選出不同濃度鎘脅迫下適宜的植物修復材料的關鍵，對此研究也尤為重要。

關于污染物對植物生長、鎘吸收和積累能力的影響，研究人員已做了許多研究[6]，其中，林立金等[7]研究發(fā)現(xiàn)鎘處理對硫化菊的生長表現(xiàn)出低促高抑的作用，且不同濃度鎘處理下地上部生物富集系數(shù)均大于1；賈永霞等[8]研究也發(fā)現(xiàn)隨處理濃度升高細葉百日草地上部鎘積累量增加，富集系數(shù)都大于1，兩者均具備鎘富集的特征與能力，另外，在鎘污染土壤上種植棉花，其主要產(chǎn)物纖維和棉籽中鎘的吸附和累積量很低，且不進入食物鏈，環(huán)境風險較小，可以達到在不降低土壤利用價值情況下達到逐步消除土壤鎘污染的目的[8]。

新疆是我國重要的經(jīng)濟作物棉花的主產(chǎn)區(qū)，占全國產(chǎn)量的三分之一[9]，但有關當?shù)孛藁ㄉL和鎘富集特性對鎘濃度響應的研究很少。小白菜在我國種植較廣，也是研究較多的植物，對鎘具有一定的耐性和較強的富集作用[10]。龍葵廣布世界各地，為棉田常見雜草、也是鎘的超富集植物之一[11]，在鎘含量嚴重超標的根際土壤中，仍能正常生長，鎘在龍葵中的分布地上部顯著高于地下部，對鎘有較強耐性和顯著的富集效果[12]。

上述研究多集中在農(nóng)藝措施、化學處理劑和特定微生物添加小白菜和龍葵生長及鎘吸收的影響，對3種植物在不同濃度鎘處理下生長和鎘吸收系統(tǒng)性的比較研究很少，因此，本文試驗以棉花、小白菜和龍葵三種植物作為研究對象，人工模擬土壤鎘污染環(huán)境，進行盆栽試驗，探究不同濃度鎘脅迫下植物的生長、根形態(tài)、鎘吸收與轉(zhuǎn)運和積累的情況，為認識不同濃度鎘污染對植物的毒害作用和植物對鎘的吸收，以及這三種植物應用于石灰性土壤鎘污染土壤的修復和治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在石河子大學農(nóng)學院試驗站(86°01′E，44°26.5′N)進行，供試土壤采自試驗地耕層(0～20 cm)的石灰性土壤，質(zhì)地為壤土。該地區(qū)無霜期在170 d左右，年日照時數(shù)2 721～2 818 h，年降水量125.0～207.7 mm，年平均蒸發(fā)量1 600 mm。供試前土壤基礎理化性質(zhì)為pH 8.38、堿解氮 16.2 mg/kg、有效磷11.2 mg/kg、有效鉀130.1 mg/kg、有機質(zhì)14.2 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試材料：選取棉花、小白菜和龍葵作為供試植物，品種分別為新陸早42號、德高和野生龍葵；配施的肥料：尿素(含N 46%)、磷酸二銨(含N 18.0%，P2O546.0%)硫酸鉀(含K2O 51.0%)；供試試劑：鎘為CdCl2·2.5 H2O(含Cd99%的分析純試劑)。

1.3 試驗設計

試驗于2019年5月11日開始實施，為盆栽模擬試驗。試驗設4個處理，分別為不加鎘(Cd0)、添加1 mg/kg的鎘(Cd1)、添加5 mg/kg的鎘(Cd5)、添加10 mg/kg的鎘(Cd10)，每個處理重復3次。

試驗土壤做以下處理：以不添加鎘的自然土壤為對照，外源鎘采用CdCl2·2.5 H2O溶液的形式添加到土壤中，使土壤鎘添加量為1、5、10 mg/kg，分別記作Cd0(即CK空白對照)、Cd1、Cd5、Cd10，不同鎘添加量下的土壤陳化時間為30 d。用根際袋法將盆栽土壤分為根際土與非根際土，小白菜每盆裝入4 kg土，其中1 kg裝在300目的尼龍網(wǎng)袋中為根際土，棉花和龍葵每盆裝入7.5 kg土，其中1.5 kg裝在300目得尼龍網(wǎng)袋中為根際土，尼龍網(wǎng)袋放在盆中間，其余土裝入盆內(nèi)，四周及底部為相同處理的非根際土，并確保袋內(nèi)外土壤高度相同。尼龍網(wǎng)袋上部開口用來種植棉花、小白菜和龍葵，棉花、小白菜和龍葵根系全部限制在尼龍網(wǎng)袋中。試驗中所有土壤過2 mm篩并施相同量的底肥，小白菜(尿素、磷酸二銨和硫酸鉀各1.2 g)，棉花和龍葵(尿素、磷酸二銨和硫酸鉀各2.25 g)，共36盆。每盆澆水500 mL，待水土穩(wěn)定后，分別播15粒種子，待3種植物長出真葉后，選擇長勢一致的植物，將每盆定苗至3株，50 d后分植株與土壤進行樣品采集。

1.4 樣品采集與分析

每盆將根袋取出，用抖土法收集根際土壤，沖去附著在植株根上的土壤獲取完整的根系，地上部分莖、葉、蕾3器官，分別裝在信封袋中，在105 ℃下用烘箱殺青0.5 h后，75 ℃烘干至恒重，百分之一天平稱重，植株樣品用不銹鋼粉碎機粉碎待測鎘含量。鎘含量用HNO3-HCL-HF法消化(體積比為3∶1∶1)，原子吸收分光光度計(日立Z-2000)測定[1,3]。

根系測定。將根系樣品洗凈放入根盤中，并加人少量蒸餾水，用鑷子或手輕輕將植物根系剝開，認真梳理根系使其分布均勻，然后用根系掃描儀(Epson Expression/STD 1600 Scanner，印度尼西亞)生成300 dpi的圖像，應用Win RHIZO軟件進行數(shù)字化處理，分析根總長度、根表面積、根平均直徑和根體積等。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

生物富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)和鎘積累量參照文獻[13]中方法計算。試驗數(shù)據(jù)為3次重復的平均值，選用SPSS 21和Microsoft Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行分析和處理，單因素方差分析Duncun法多重比較各處理間的差異顯著性(P<0.05)，Microsoft Excel 2016完成制圖。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對植物生長的影響

2.1.1 鎘脅迫對植物株高和生物量的影響

鎘脅迫對龍葵株高具有一定的抑制作用，但對棉花和小白菜的抑制作用不顯著。龍葵株高在Cd1、Cd5、Cd10處理下分別較Cd0顯著減少17.1%、36.5%和39.6%(圖1)。50天盆栽試驗后，Cd1、Cd5、Cd10處理下棉花地上部生物量與Cd0處理相比，分別減少21.0%、22.0%、23.0%，地下部生物量分別減少32.2%、35.6%、41.1%；龍葵地上部生長受到顯著抑制，生物量分別降低60.9%、67.9%、71.9%，地下部生物量分別降低63.7%、72.9%、83.7%。Cd10處理下小白菜地上部生物量較Cd0顯著減少了31.8%；與Cd0處理相比，Cd1、Cd5、Cd10處理地下部生物量分別減少26.4%、32.25%和36.4%(表1)。

不同小寫字母表示同一植物在不同鎘濃度處理下差異顯著(P<0.05,n=3)。圖1 鎘處理下3種植物的株高

表1 3種植物的地上和地下部生物量

2.1.2 鎘脅迫對植物根系形態(tài)參數(shù)的影響

由表2可知：不同濃度鎘處理下，棉花的總根長、總根表面積和總根體積無顯著差異。與Cd0相比，Cd5和Cd10處理根系平均直徑差異顯著，分別增加11.8%和19.8%。不同濃度的鎘脅迫對小白菜總根長影響差異不顯著，與CK相比，Cd10處理總根表面積、根系平均直徑和總根體積顯著減少58.2%、55.8%和58.2%。與CK處理相比，Cd1、Cd5和Cd10處理總根長分別顯著降低37.7%、54.1%、55.2%，總根表面積分別顯著降低42.4%、34.5%和24.9%，總根體積分別顯著降低45.7%、67.3%、75.8%，Cd10處理下，根系平均直徑顯著降低了66.7%。

表2 鎘脅迫下3種植物根系形態(tài)參數(shù)的變化

2.2 鎘的吸收與轉(zhuǎn)運

2.2.1 植株鎘含量

結果見圖2。

圖2 3種植物的鎘含量

(1)棉花和小白菜地上部鎘含量隨鎘脅迫濃度的增加逐漸升高，與Cd0相比，棉花Cd1、Cd5、Cd10處理分別顯著增加183.7%、522.9%和823.4%；小白菜Cd1、Cd5、Cd10處理分別顯著增加347.3%、994.4%和1 317.6%。龍葵鎘含量隨鎘濃度增加先升高后降低，與Cd0相比，龍葵Cd1、Cd5、Cd10處理分別顯著增加757.6%、4 741.0%和3 068.2%。

(2)棉花地下部鎘含量隨處理濃度增加而增大，與Cd0相比，棉花Cd1、Cd5、Cd10處理分別顯著增加229.1%、726.4%和749.4%；Cd5和Cd10處理下，小白菜分別顯著增加40.3%和15.65%；龍葵Cd1、Cd5、Cd10處理分別顯著增加37.1%、66.8%和106.1%。

2.2.2 生物富集系數(shù)

結果(表3)顯示：

表3 Cd脅迫下3種植物的生物富集系數(shù)

棉花、小白菜和龍葵地上部生物富集系數(shù)隨鎘處理濃度的增加先升高后降低，棉花和小白菜在Cd1處理，龍葵在Cd5處理下生物富集系數(shù)顯著高于其它處理，其中小白菜(6.07)>龍葵(4.19)>棉花(2.64)；小白菜和龍葵地下部生物富集系數(shù)隨鎘處理濃度的增加而降低，與Cd0相比，小白菜Cd1、Cd5和Cd10處理地下部生物富集系數(shù)顯著降低58.2%、78.4%和90.6%，龍葵Cd1、Cd5和Cd10處理地下部生物富集系數(shù)顯著降低35.8%、74.3%和83.1%。棉花地下部生物富集系數(shù)則隨鎘處理濃度的增加先升高后降低，Cd1處理時可達8.21，顯著高于其它處理。

2.2.3 轉(zhuǎn)移系數(shù)

由結果(表4)可知：棉花的轉(zhuǎn)移系數(shù)均在1左右波動，隨鎘脅迫濃度增大，轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸減小，與Cd0相比，棉花Cd1、Cd5和Cd10處理轉(zhuǎn)移系數(shù)減小5.1%、24.8%和30.8%；小白菜的轉(zhuǎn)移系數(shù)則隨著鎘處理濃度的升高逐漸增大，與Cd0相比，小白菜Cd1、Cd5和Cd10處理轉(zhuǎn)移系數(shù)增大453.3%、780.0和1 313.1%；龍葵的轉(zhuǎn)移系數(shù)先增大后減小，Cd5處理下最大值可達8.18。3種植物中龍葵在5 mg/kg的鎘處理下轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，為8.32，鎘轉(zhuǎn)移能力最強。

表4 Cd脅迫下3種植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.3 鎘積累量

結果(圖3)顯示：3種植物地上部鎘積累量隨鎘處理濃度的升高而增加，棉花和小白菜地上部鎘積累量隨鎘處理濃度的增加顯著升高，均在Cd10處理下達到最大，分別為393.3、630.3 μg/盆，與Cd0處理相比顯著增加1 062.0%、1 680.0%；龍葵地上部鎘積累量隨鎘脅迫濃度的增加先升高后降低，Cd5處理下達最大為202.1 μg/盆，與Cd0處理相比顯著增加1 790.0%。棉花地下部鎘積累也隨鎘處理濃度的增加顯著增大，但小白菜在Cd5處理下達到最大為36.7 μg/盆，龍葵主要將鎘轉(zhuǎn)運到地上積累，地下部鎘積累量隨處理濃度的增加而減小。

圖3 鎘處理下3種植物的鎘積累量

2.4 鎘積累量與生物量、生物富集系數(shù)和植株鎘含量的相關性

通過對3種植物鎘積累量與生物量、地上及地下部生物富集系數(shù)和鎘含量的相關性分析(表5)發(fā)現(xiàn)：棉花和小白菜鎘積累量與總生物量、地下部和地上部鎘含量均呈現(xiàn)極顯注正相關(r=0.789**、0.867**、0.748**、和0.749**、0.986**、0.725**，P<0.01)。龍葵鎘積累量與其總生物量和地上部生物富集系數(shù)呈負相關，地下部鎘含量與之極顯著正相關(r=0.964**)。

表5 3種植物對鎘的積累量與生物量、生物富集系數(shù)和鎘含量的相關性分析

3 討論

(1)生物量表征植物生長且反映植物對鎘脅迫等逆境的響應情況[14-15]；本研究結果表明，隨鎘脅迫濃度的增加，龍葵的株高和生物量(地上部和地下部)顯著下降,小白菜地下部生物量也顯著降低。龍葵作為鎘的超富集植物[16]，在鎘脅迫下會產(chǎn)生一系列應激代謝活動，從而促使更多Cd進入體內(nèi)[17]；本研究結果表明，隨鎘濃度升高更多Cd進入龍葵體內(nèi)，其生長產(chǎn)生抑制，生物量降低。鎘對小白菜生長具有濃度效應，濃度升高對小白菜根系產(chǎn)生抑制作用[18]，而地上部在低濃度(Cd1)鎘脅迫下，生物量增加，當鎘處理濃度大于1 mg/kg時生物量積累受到抑制，任安芝等[19]研究也表明低濃度的鎘對青菜影響較小，濃度超過一定限度時生物量會顯著降低，本研究結果與之一致。植物間因存在顯著的基因型差異，鎘耐性則不同[20]，本研究發(fā)現(xiàn)不同鎘脅迫濃度對棉花的生物量沒有顯著影響，因棉花對鎘脅迫有較強的適應性[21]，因此，對于更高濃度鎘脅迫對棉花影響的研究有待進一步深入。

(2)根系作為吸收水分和礦物元素的關鍵部位，也是植物生長過程中感受最敏感和調(diào)節(jié)最強的生長發(fā)育中心[22]，特別是在逆境下對植物的適應性生存尤為重要[23]，根系形態(tài)的改變會影響根對鎘的吸收[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨鎘脅迫濃度的增加，棉花根系直徑顯著增大，棉花鎘含量隨鎘處理濃度升高而升高，與劉連濤等[25]研究結果相似，鎘脅迫下棉花根系加粗，降低了對水分與養(yǎng)分吸收和運輸?shù)哪芰?，同時根系吸收了大量的鎘，對棉花產(chǎn)生毒害。根際環(huán)境中植物對鎘的吸收存在差異[26]，鎘因易被植物吸收，因此在植物體內(nèi)易產(chǎn)生毒害作用[27]。本研究表明小白菜和龍葵根系各項指標受到鎘脅迫的顯著影響，張利紅[28]和秦天才[29]等研究也發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下與土壤直接接觸的根系最先受到損害，造成植物根系不發(fā)達，當環(huán)境中鎘濃度越高，根系生長受抑越明顯，陶亮[30]、唐星林[11]和從建明[31]的研究也證明了這一結論，根際環(huán)境變化也進一步解釋了三種植物生長方面的差異[32]。

(3)本研究表明作物的富集系數(shù)反映其對鎘的吸收能力，在鎘濃度較低時(Cd0)，小白菜和龍葵的地下部富集系數(shù)較高，分別為16.73和6.23，這是因為兩種作物為鎘的積累型作物，在較低的鎘濃度條件下，對鎘仍然有很強的吸收能力，而棉花不同，只有在濃度較高時才會表現(xiàn)出富集效應，所以在低濃度鎘污染中，小白菜和龍葵對鎘的富集效應更好。

(3)轉(zhuǎn)移系數(shù)反映作物對鎘的轉(zhuǎn)移能力。本研究表明小白菜和龍葵在鎘濃度為10 mg/kg時，轉(zhuǎn)移系數(shù)值仍較高，分別為2.12和4.51，表現(xiàn)出很強的鎘轉(zhuǎn)移能力，而棉花的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著鎘濃度的增加而減低，這是因為棉花根系對鎘有一定的耐性，吸收了大量的鎘，高濃度鎘(Cd5和Cd10)處理下棉花根系鎘含量高于地上，鎘通過減弱養(yǎng)分和水分及鎘向地上部的運移，富集與轉(zhuǎn)移能力也隨脅迫程度的增加而降低，對地上部生長與鎘的積累量造成影響。BAKER A J M[33]根據(jù)植物吸取、轉(zhuǎn)移和積累重金屬的機制，把植物劃分為積累型、指示型(敏感性)和排斥型，當植物對重金屬有很強耐性時，也并不一定是超富集植物。江行玉[34]發(fā)現(xiàn)蘆葦吸收的鎘主要通過根部截留，減少了向地上部的轉(zhuǎn)移，從而降低Cd毒害，是鎘的排斥型植物，因棉花與蘆葦有相似的抗鎘機理，則也為鎘的排斥型作物。小白菜和龍葵的轉(zhuǎn)移系數(shù)平均為1.13和3.89，吸收的Cd絕大部分分布在植株地上部，是容易收割移走的部位，適合作為修復植物；朱雅蘭[10]、李志賢[13]和李希銘[35]也認為地上部能積累大量的重金屬，且富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1.0，對鎘表現(xiàn)出很好的吸收和轉(zhuǎn)運能力的積累型作物適合用于土壤鎘污染的修復。

(4)植物只對重金屬有較強耐性，在重金屬含量較高的情況下才能保持良好的生長狀態(tài)，地上部分才能更多地吸收富集土壤中的重金屬，更有效地應用于植物修復工程中[35]。本研究表明棉花對鎘有較強的耐性，且其吸收與積累的鎘多在根部；龍葵雖然為鎘的超富集植物，但在高濃度鎘脅迫下其生物量顯著降低，鎘總積累量低于小白菜；而小白菜具有較大的鎘富集與轉(zhuǎn)移能力，在3種植物中最適宜用于植物修復鎘污染土壤。本文對鎘的積累量與各指標的相關分析結果也證實了以上結果，其中，棉花鎘積累量與總生物量之間為極顯著正相關關系(r=0.789)，龍葵為負相關關系(r=-0.410)，小白菜鎘積累量與鎘含量(地上與地下)間呈正相關(r=0.725和0.986)，小白菜和龍葵的轉(zhuǎn)移系數(shù)與鎘的積累量為正相關關系(r=0.950和0.971)。

4 結論

(1)隨鎘脅迫濃度的增加，3種植物中，龍葵生長顯著受到抑制，小白菜根系生長也受到脅迫，棉花生長則無顯著變化，但與對照相比，鎘處理下棉花生物量積累受到抑制。

(2)3種植物相比，低濃度鎘處理下(Cd1)地上部鎘含量與積累量表現(xiàn)為小白菜>棉花>龍葵，高濃度鎘處理下(Cd5和Cd10)地上部鎘含量與積累量為小白菜>龍葵>棉花，表明地下部鎘含量與積累量棉花高于小白菜和龍葵。

(3)鎘處理下3種植物生物富集系數(shù)均大于1，都具備吸收鎘的能力；隨鎘濃度的增加，小白菜和龍葵轉(zhuǎn)移系數(shù)增大，表現(xiàn)出較強的鎘轉(zhuǎn)移能力。

(4)棉花、小白菜生物量和小白菜轉(zhuǎn)移系數(shù)與鎘積累量為正相關關系。因此，為提高植物對鎘污染土壤的凈化能力，可通過緩解鎘對生物量積累的抑制以及增加鎘的吸收和轉(zhuǎn)移能力等來提高植物提取修復的效率。