周振　張彪　楊海濤　師振亞　包環(huán)宇　苗利娟　楊素勤

摘要：為了探究鎘污染土壤上曼陀羅生長及鎘吸收和累積特征，設(shè)置對照和污染土壤組，采用盆栽方式對曼陀羅的生長狀況、鎘含量、生物累積量等指標進行分析。結(jié)果表明，相比于對照組，污染土壤組曼陀羅的株高和根長受到一定的抑制，但根部和莖部生物量并無明顯減少，其生長未出現(xiàn)受害癥狀。移栽污染土壤60 d內(nèi)，曼陀羅葉綠素a和葉綠素b并無顯著降低，類胡蘿卜素也出現(xiàn)相同規(guī)律。本研究中曼陀羅根、莖和葉鎘含量最高可達38、43、47 mg/kg，曼陀羅的根部富集系數(shù)最高達2.69，地上部轉(zhuǎn)移系數(shù)最高達1.40，曼陀羅地上部的鎘累積量占總量的70%以上。因此，曼陀羅雖未滿足鎘超富集植物的標準，但可以作為修復(fù)植物用于鎘污染土壤的治理。

關(guān)鍵詞：植物修復(fù);鎘;曼陀羅;富集系數(shù);葉綠素含量

中圖分類號： X53;X173文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0269-04

近年來，土壤重金屬污染問題引起人們廣泛的關(guān)注。據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國土壤點位超標率為16.1%，污染類型以無機污染為主，其中，鎘（Cd）的點位超標率達7.0%[1]。目前，對重金屬污染土壤治理方法的研究已得到各界重視[2-3]。就耕地而言，重金屬污染土壤的生物修復(fù)成為具有巨大發(fā)展前途的治理技術(shù)之一。植物修復(fù)技術(shù)是一種利用植物從環(huán)境中吸收重金屬、放射性核素等有害物質(zhì)，并轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好的代謝產(chǎn)物的治理方式[4]。隨研究深入，科研工作者已發(fā)現(xiàn)多種重金屬超富集植物，如李氏禾[5]、龍葵[6]和蜈蚣草[7]等。但是，這些植物因受地域和氣候等因素限制，暫時無法廣泛種植，難以大面積修復(fù)重金屬污染土壤。因此，尋找符合當?shù)厣鷳B(tài)條件、生物量足夠大、重金屬累積量可觀的植物成為土壤修復(fù)成功的關(guān)鍵因素之一。

曼陀羅（Datura stramonium L.）別稱醉心花，生長迅速、生物量大、適應(yīng)性強，有一定的經(jīng)濟效益，可作為錳、鉻、銅和砷污染土壤的修復(fù)植物[8-9]。但是，目前還未見曼陀羅用于鎘污染土壤修復(fù)的報道。有研究表明，曼陀羅葉片鎘含量[LL]為其他野生植物鎘含量的數(shù)十倍[10]。董林林等研究表明，曼陀羅有較強的鎘富集能力，其地上部鎘含量最高可達 115 mg/kg[11]。但是關(guān)于曼陀羅對鎘富集累積的研究還主要集中在某一時期，難以找出最佳的時間點，進行收割或者調(diào)控，用于土壤修復(fù)。因此，本試驗側(cè)重研究土壤鎘污染對曼陀羅的生長和鎘吸收的影響，重點探討不同時間曼陀羅的生物量累積和富鎘特性，以期為曼陀羅修復(fù)重金屬鎘污染土壤提供參考和依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試植物及土壤

供試野生曼陀羅種子采自豫西某鉛鋅冶煉廠周邊。供試清潔土壤和鎘污染土壤分別采自豫西某鉛鋅冶煉廠西南 25 km 和西北1 km處，分別用CK和TR表示，均采集0～20 cm 表層土壤，風干、碾碎、過4 mm尼龍篩。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗設(shè)計

試驗于2015年5—8月在河南農(nóng)業(yè)大學科教園區(qū)進行。選擇飽滿均一的種子，用5% NaClO溶液消毒30 min，再用10% NaOH浸泡90 min破除休眠[12]，經(jīng)去離子水沖洗、25 ℃遮光催芽后，移至基質(zhì)育苗盤中，置于河南農(nóng)業(yè)大學培養(yǎng)室。待幼苗長出7～8片真葉（約40 d）后，選擇健壯、長勢一致的幼苗移栽到花盆中，每盆1株，盆內(nèi)裝土10 kg。每天澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的80%左右。試驗期間，每 10 d 調(diào)整花盆位置。試驗共2個處理（CK和TR），每個處理設(shè)置12盆，共24盆。采集樣品時，先用自來水沖洗去除泥土，再用去離子水沖洗后，85 ℃殺青30 min，于70 ℃烘干備用。

1.3測定指標及方法

1.3.1生長指標測定

分別于移栽后20、40、60、80 d時采集植株樣品，測量株高和根長，分根、莖和葉3個部分，稱干質(zhì)量。葉綠素和類胡蘿卜素采用95%乙醇浸提-比色法[13]測定。

1.3.2鎘的測定

土壤總鎘采用HF-HClO4-HNO3法消解，原子吸收分光光度法測定;土壤有效鎘采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提劑提取，原子吸收分光光度法測定;植株鎘采用HNO3-HClO4（體積比為3 ∶1）消化，原子吸收分光光度法[14]測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

富集系數(shù)=根部鎘含量/土壤中鎘含量;轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部鎘含量/根部鎘含量;鎘累積量=器官鎘含量×器官質(zhì)量。采用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析;采用Excel 2007軟件繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1鎘對曼陀羅生長狀況的影響

2.1.1株高和根長

隨移栽時間的增加，污染土壤組和對照（清潔土壤）組曼陀羅的株高和根長均有所增加，其中污染土壤組株高和根長最高可達61.9 cm和19.3 cm，相比對照減少22.6%和17.2%（圖1）。曼陀羅移栽至污染土壤后，其株高明顯低于對照組。就根長而言，移栽60 d之后，污染土壤組較對照組才開始受到抑制。

2.1.2生長指數(shù)

葉質(zhì)量比和莖質(zhì)量比分別是指葉和莖質(zhì)量占植株總質(zhì)量的比值，能夠反映植株生物量的分配情況[15]。植株地上部生物量越大，其提取的重金屬越多。由圖2-a 可知，隨時間增加，污染土壤組葉質(zhì)量比呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，在移栽60 d后，污染土壤組與對照組無明顯差異。由圖2-b可知，移栽20～60 d時污染土壤組曼陀羅的莖質(zhì)量比高于對照組，隨后趨于穩(wěn)定。

2.1.3各器官干質(zhì)量

隨移栽時間的增加，污染土壤組與對照組的曼陀羅根、莖和葉干質(zhì)量均增大（圖3），但三者又有所不同。與對照相比，各采樣時間點污染土壤組的根部干質(zhì)量無明顯減少（圖3-a）。就地上部而言，整個生長期內(nèi)，污染土壤組曼陀羅莖部干質(zhì)量與對照無明顯差異（圖3-b）;當移栽40 d以后，污染土壤組曼陀羅葉片干質(zhì)量較對照顯著減少（圖3-c）。

2.2葉綠素和類胡蘿卜素

由圖4可知，當移栽60 d內(nèi)，與對照組相比，污染土壤組的曼陀羅葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量無明顯降低。只有當移栽時間增至80 d時，污染土壤組曼陀羅葉綠素a、b和類胡蘿卜素較對照組顯著降低，分別為1.10、0.38、0.21 mg/g。

2.3鎘含量及富集、轉(zhuǎn)移系數(shù)

由圖5可知，隨移栽時間增加，污染土壤組的曼陀羅根、莖、葉中鎘含量均呈現(xiàn)減少的趨勢。根、莖和葉鎘含量分別達到26.09～37.96、26.67～42.93、24.54～47.02 mg/kg。在移栽后20 d時，曼陀羅根、莖和葉的鎘含量最大，并且隨時間增加，曼陀羅根部、葉片鎘含量趨于穩(wěn)定。相比于移栽20 d時，曼陀羅根部、莖部和葉片中鎘含量最大降幅分別為31.3%、37.9%、47.8%。

富集系數(shù)反映植物吸收重金屬能力[16]，轉(zhuǎn)移系數(shù)反映植物將重金屬從地下部轉(zhuǎn)移到地上部能力[17]。由表2可知，曼陀羅的根部富集系數(shù)均大于1，當移栽后20 d時，曼陀羅根部富[CM（25]集系數(shù)顯著高于其他時間。隨移栽時間增加，曼陀羅葉片轉(zhuǎn)移系數(shù)變化不大，莖部轉(zhuǎn)移系數(shù)先升高后降低，在移栽時間為40 d時，達到最大值1.54，顯著高于其他時間。隨移栽時間增加，地上部轉(zhuǎn)移系數(shù)先升高后降低，最小值為0.94。

2.4各器官對鎘的累積量

曼陀羅對鎘的累積量反映其從土壤中吸取的鎘總量。由圖6可知，隨時間增加，污染土壤組曼陀羅根部的鎘累積量逐漸增加。曼陀羅根、莖和葉的鎘累積量在移栽后最大可達 0.12、0.18、0.15 mg/株。在整個生長周期內(nèi)，曼陀羅的地上部鎘累積量所占百分比均在70%以上。

3討論

目前已發(fā)現(xiàn)的許多超富集植物生長緩慢且適應(yīng)能力差，這成為植物修復(fù)技術(shù)走向應(yīng)用的障礙因素之一。曼陀羅作為一種野生植物，具有生長快、抗逆性強、分布廣且生長周期短等特點[18]，這些都有助于污染土壤的修復(fù)。本試驗中，即使在重度污染土壤中，曼陀羅亦未發(fā)現(xiàn)明顯的受害癥狀，表明曼陀羅對污染土壤的適應(yīng)性強。雖然曼陀羅株高和根長受到一定抑制（圖1），但就生物量而言，污染土壤組曼陀羅根部和莖部的干質(zhì)量與對照組差異并不明顯（圖3），且地上部生物量（莖和葉的生物量之和）占總生物量比例也無明顯差異，表明利用曼陀羅修復(fù)重度污染土壤具有一定的可行性。在移至污染土壤40 d時，莖質(zhì)量比明顯高于對照，進一步的生長調(diào)節(jié)和鎘吸收調(diào)控若能針對這一時刻進行，則會提升修復(fù)效果。曼陀羅增加分配至莖部生物量的原因和機制目前尚不清楚，可能和污染條件下曼陀羅葉片的物質(zhì)合成（葉綠素、類胡蘿卜素等）及運輸有關(guān)。為此，本研究分析了葉綠素、類胡蘿卜素以初步判斷曼陀羅葉片的生理狀況。

隨時間增加，污染土壤組與對照組的曼陀羅葉綠素a、b和類胡蘿卜素均逐漸增多，表明這些物質(zhì)在生物體內(nèi)的合成并未受到阻止。葉綠素影響植物光合作用的強度及物質(zhì)合成速率[19]，一定程度反映了植物的適應(yīng)能力;而類胡蘿卜素影響植物細胞內(nèi)活性氧的清除，與光合作用關(guān)系密切[20]。在移栽后的60 d內(nèi)，污染土壤組與對照組曼陀羅的葉綠素a、b和類胡蘿卜素無明顯差異，由此分析，鎘對曼陀羅生長并未產(chǎn)生顯著影響。只有當脅迫時間增至80 d后，污染土壤組曼陀羅葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量才開始低于對照，這也側(cè)面驗證了曼陀羅對鎘具有較強的耐受能力。

本試驗中，曼陀羅地上部鎘含量達到24.54～47.02 mg/kg，且在前3次采樣時間點，地上部轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1（表2），這表明曼陀羅具備相當?shù)逆k富集能力。就鎘含量而言，曼陀羅相比于超富集植物有一定差距，但由于其具有較大的生物量，曼陀羅鎘累積量與鎘超富集植物東南景天相差不大。姚桂華等研究表明，鎘濃度為13.15 mg/kg的酸性土壤中，東南景天單株鎘累積量為0.53 mg[21]。魏樹和等研究表明，當土壤中鎘濃度為10 mg/kg時，鎘超富集植物龍葵幼苗根、莖和葉鎘含量分別達到29、62、76 mg/kg;高積累鎘植物水蒿、蒲公英和刺兒菜地上部鎘含量分別達到21、33、16 mg/kg。相比于龍葵，曼陀羅根部鎘含量與之相差不大，但莖部和葉片的鎘含量較低，并未達到鎘超富集植物的標準[22-23]。李念等采用大田栽培模式，發(fā)現(xiàn)曼陀羅單株鎘提取量遠小于本試驗結(jié)果[24]。這可能是由于本試驗采用的土壤鎘濃度較大，以及栽培管理模式不同造成的。但是，鑒于曼陀羅具有較高的鎘含量、較強的根部富集及地上部轉(zhuǎn)移等優(yōu)點，初步認為曼陀羅具有鎘高累積的特性。

本研究設(shè)置了移栽后20、40、60、80 d 4個采樣時間，以全面了解曼陀羅對鎘的吸收、轉(zhuǎn)移和累積特征。曼陀羅的鎘累積量在整個生長周期中并不是持續(xù)增加，表現(xiàn)出獨特的鎘累積特性，這一特性主要受地上部鎘濃度、生物量累積、轉(zhuǎn)移系數(shù)等影響。累積量在移栽后60 d后達到最大，此時地上部鎘累積量占植株累積量的70%以上，當脅迫時間繼續(xù)增加至 80 d 后，累積量不再增加。

4結(jié)論

在選取的重度污染土壤上，曼陀羅對鎘具有較強的富集性，鎘含量最高可達47 mg/kg。從修復(fù)角度而言，地上部具有較高的鎘累積能力，其累積量占植株累積量的比例超過70%。鎘累積量隨時間有所增加，達到峰值（本試驗為移栽60 d）后趨于穩(wěn)定，曼陀羅植物提取修復(fù)應(yīng)選擇最佳的時間點收割地上部，尤其是莖部。

參考文獻：

[1]環(huán)境保護部，國土資源部. 全國土壤污染狀況調(diào)查公報[R/OL]. （2014-04-17）[2018-11-11]. http：//www.gov.cn/foot/site1/20140417/782bcb88840814ba158d01.pdf.

[2]Hua M，Zhang S J，Pan B C，et al. Heavy metal removal from water/wastewater by nanosized metal oxides：a review[J]. Journal of Hazardous Materials，2012，211/212：317-331.

[3]van der Ent A，Baker A J M，Reeves R D，et al. Hyperaccumulators of metal and metalloid trace elements：facts and fiction[J]. Plant and Soil，2013，362（1/2）：319-334.

[4]Mahar A，Wang P，Ali A，et al. Challenges and opportunities in the phytoremediation of heavy metals contaminated soils：a review[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，2016，126：111-121.[HJ1.72mm]

[5]Zhang X H，Liu J，Huang H T，et al. Chromium accumulation by the hyperaccumulator plant Leersia hexandra Swartz[J]. Chemosphere，2007，67（6）：1138-1143.

[6]魏樹和，周啟星，王新，等. 一種新發(fā)現(xiàn)的鎘超積累植物龍葵（Solanum nigrum L.）[J]. 科學通報，2004，49（24）：2568-2573.

[7]Ma L Q，Komar K M，Tu C，et al. A fern that hyperaccumulates arsenic[J]. Nature，2001，409（6820）：579.

[8]中國科學院中國植物志編輯委員會. 中國植物志：第67卷[M]. 北京：科學出版社，1978.

[9]Varun M，DSouza R，Pratas J，et al. Metal contamination of soils and plants associated with the glass industry in North Central India：prospects of phytoremediation[J]. Environmental Science and Pollution Research，2012，19（1）：269-281.

[10]楊海濤，盧炳坤，苗利娟，等. 野生曼陀羅生態(tài)學特性及鎘鉛攜帶量的研究[J]. 西南農(nóng)業(yè)學報，2016，29（2）：413-419.

[11]董林林，趙先貴，韋良煥. 曼陀羅和蒼耳對污染土壤中鎘的吸收與富集[J]. 生物技術(shù)，2009，19（2）：29-32.

[12]史雷，慕小倩. 曼陀羅種子破眠方法研究[J]. 種子，2010，29（9）：40-43.

[13]李合生. 植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[14]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 3版. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2008.

[15]林波，劉慶. 四種亞高山針葉林樹種的表型可塑性對不同光照度的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學報，2007，28（10）：4665-4675.

[16]張紅振，駱永明，章海波，等. 水稻、小麥籽粒砷、鎘、鉛富集系數(shù)分布特征及規(guī)律[J]. 環(huán)境科學，2010，31（2）：488-495.

[17]李霞，張銀龍，魏猷剛，等. 蘆蒿對Cd積累與轉(zhuǎn)運的基因型差異研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32（11）：2132-2139.

[18]楊珍平，郝教敏，卜玉山，等. Cd脅迫對5種植物體內(nèi)Cd積累及根際土壤特性的影響[J]. 水土保持學報，2011，25（6）：188-190.

[19]宇克莉，孟慶敏，鄒金華. 鎘對玉米幼苗生長、葉綠素含量及細胞超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 華北農(nóng)學報，2010，25（3）：118-123.

[20]陳良，隆小華，鄭曉濤，等. 鎘脅迫下2種菊芋幼苗的光合作用特征及鎘吸收轉(zhuǎn)運差異的研究[J]. 草業(yè)學報，2011，20（6）：60-67.

[21]姚桂華，徐海舟，朱林剛，等. 不同有機物料對東南景天修復(fù)重金屬污染土壤效率的影響[J]. 環(huán)境科學，2015，36（11）：4268-4276.

[22]魏樹和，周啟星，王新. 超積累植物龍葵及其對鎘的富集特征[J]. 環(huán)境科學，2005，26（3）：167-171.

[23]魏樹和，周啟星，王新，等. 雜草中具重金屬超積累特征植物的篩選[J]. 自然科學進展，2003，13（12）：1259-1263.

[24]李念，李榮華，馮靜，等. 粉煤灰改良重金屬污染農(nóng)田的修復(fù)效果植物甄別[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（16）：213-219.