不同区域曼陀罗对镉吸收转运特征研究

冯雪薇，包 立，张乃明

(云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201)

随着全球经济的迅速发展，土壤重金属污染问题已经成为重要的环境问题。传统土壤污染治理的方法耗资大，容易破坏土壤微生物和土壤结构，不能有效地解决重金属污染[1-2]。植物修复技术作为一种环境友好型防治措施越来越受到关注[3]。植物修复的关键是选取合适的修复物种，至2011年已发现的镉超富集植物仅5种[4]。然而，这类植物虽然显示出超强的吸收能力和提取效果，但是多数植物具有生长缓慢、生物量较小、不易成活的缺点，难以在实际生产中得到广泛的应用。因此，选用生长较为迅速、生物量较大且富集重金属能力相对较强植物来提取重金属成为一种新途径[5]。

曼陀罗(DaturastramoniumL.)，别名洋金花、狗核桃、山茄子等，是茄科曼陀罗属一年生直立植物，也是一种常见的农田杂草[6]，其具有较强的抗逆竞争能力、营养生长迅速、繁殖能力强和生物量大的特点[7]。张彪等[8]对某矿区附近34种野生植物进行调查研究，发现曼陀罗地上部的镉含量达到26.17 mg/kg，富集系数为0.81。董林林等[9]研究苍耳和曼陀罗发现，曼陀罗地上部分和地下部分的生物量均较对照有明显增加，且曼陀罗体内的镉基本上随土壤中镉浓度增加而增加，当土壤中镉浓度为100 mg/kg时，曼陀罗地上部分富集系数为1.15，大于1.00。杨海涛等[10]在不同镉胁迫下对苗期曼陀罗进行研究发现，0.5 mg/L 镉处理下，株高、叶绿素SPAD值相比对照分别增加了7.47% 、7.55%，生长没有受到抑制。在镉胁迫下，曼陀罗根、茎、叶对镉的富集系数均大于1.00。前人的研究表明，曼陀罗对镉污染有较强的耐性，且对镉有较强的富集能力。 但是就曼陀罗在人为污染土壤和矿区土壤中对镉吸收累积能力的差异研究鲜见报道。笔者通过筛选不同地区曼陀罗，研究其在不同水平镉胁迫下和矿区土壤中的生长情况及其对镉的富集转运特征，并探索其提高吸收累积镉能力的措施，以期为曼陀罗修复镉污染土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

1.1.1供试植物。在会泽矿区、沘江流域取6个点的野生曼陀罗样品，并收集大小均匀、饱满的种子，筛选出1个优势曼陀罗样品备用。

1.1.2供试土壤。镉胁迫试验的土壤取自云南农业大学后山农场，自然土壤取自兰坪铅锌矿附近，均取0～20 cm表层土壤，自然风干，并混合均匀。供试土壤的基本性质如表1所示。

表1 供试土壤的基本性质

1.2试验方法

1.2.1镉胁迫盆栽试验。共设0、25、50 mg/kg 3个浓度等级，另外加矿区土壤(兰坪铅锌矿附近土壤，镉含量3.14 mg/kg)的一个处理，每个处理做3个重复。每盆加入5 kg土，按所设浓度，分别加入0.222 4 mol/L的硝酸镉溶液0、5、10 mL，曼陀罗生长80 d后收割。

1.2.2不同营养调控措施对曼陀罗吸收镉的影响试验。采用土培盆栽试验，分别采用添加复合肥、尿素+有机肥、植物生长调节剂以及空白对照4个处理，每个处理做3次重复。每盆加入8 kg矿区土壤，每盆种3穴，每穴播3颗种子，在幼苗出土后，3～4叶可间苗1次，5～6叶可定苗，每穴保留1健壮植株。定期观察植株生长状况，根据盆中缺水情况，不定期地给植物补充水分，曼陀罗开花后收割。

1.2.3样品处理。采集的曼陀罗植物样品先经自来水冲洗干净后，再用蒸馏水冲洗 4 次，用试纸吸干植株表面水分，分离曼陀罗的根、茎、叶，然后于105 ℃的烘箱内杀青 30 min，70 ℃下烘干至恒重并分别称重，经植物粉碎机磨碎，备用；土壤样品经过自然风干处理后粉碎，过100目筛，备用。

1.2.4样品测定。曼陀罗中镉含量测定参照CB 5009.15—2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》，将烘干粉碎后的曼陀罗根、茎、叶样品采用湿式消解法消解后，通过石墨炉法进行测定。土壤样品参照GB/T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》测定土壤镉含量。

1.3数据分析试验数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件进行分析，并利用公式计算富集系数(BCF)和转运系数(TF)。

BCF= 根(茎、叶)中镉含量/土壤中镉含量

TF= 茎(叶)中镉含量/根中镉含量

2 结果与分析

2.1不同区域曼陀罗镉的含量差异以及转运富集特征由表2可知，曼陀罗体内镉含量的多少与土壤中的镉含量有关，总体上曼陀罗中镉含量随土壤中镉含量增加而增加。不同采样点曼陀罗对镉的吸收转运能力不同，其中云龙农区采样点3的曼陀罗对镉的富集能力最强，地上部的转运能力强于其他5个采样点的曼陀罗，且云龙农区的曼陀罗富集转运能力强于会泽矿区，转运系数越高，重金属从根向地上转运能力越强，根滞留重金属的能力越弱。

表2 不同区域曼陀罗镉含量及转运富集系数

2.2镉在曼陀罗不同器官的分布以及对其生物量的影响从表3可以看出，曼陀罗根、茎、叶中镉的含量分别为1.24～67.44、0.96～72.03、0.85～39.28 mg/kg。随着镉胁迫强度的增加，曼陀罗根、茎、叶中镉含量均呈增加趋势，且在相同的镉处理下，曼陀罗各器官中镉含量大致趋势为茎>根>叶。

生物量可以直观地反映植物对重金属胁迫耐性的高低，由表4可知，在矿区土壤中种植的曼陀罗总生物量最大，随着镉胁迫的增强，曼陀罗的根、茎、叶的生物量均呈递减趋势。在50 mg/kg镉胁迫下，曼陀罗各部位的生物量较空白对照(0 mg/kg镉)明显减小，生长受到抑制。

表3镉胁迫下曼陀罗不同器官中的镉含量

Table3CadmiumcontentindifferentorgansofDaturastramoniumL.undercadmiumstress

镉浓度Cadmium concentration∥mg/kg根Root茎Stem叶Leaf01.24 cC0.96 dD0.85 dC2545.90 bB49.97 bB36.30 bA5067.44 aA72.03 aA39.28 aA矿区土壤Mining area soil4.72 cC7.37 cC6.80 cB

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)

Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)，different capital letters indicated extremely significant differences(P<0.01)

表4曼陀罗不同器官生物量比较

Table 4 Comparison of biomass of different organs of Datura stramonium L. g

2.3不同胁迫水平曼陀罗对镉的富集转运特征富集系数能反映植物对重金属的积累能力。由表5可知，曼陀罗根、茎、叶的富集系数随土壤中镉浓度的增加呈递减趋势，且在各处理下，曼陀罗的富集系数基本上都是大于1，说明曼陀罗对镉有较强的富集能力。

表5镉胁迫下曼陀罗对镉的转运富集系数

Table5CadmiumtransportenrichmentcoefficientofDaturastramoniumL.undercadmiumstress

镉浓度Cadmium concentra-tion∥mg/kg镉富集系数Cadmium accumulation coefficient茎Stem叶Leaf根Root镉转运系数Cadmium transport coefficient茎Stem叶Leaf01.941.722.510.770.69251.701.231.561.090.79501.240.681.161.070.58矿区土壤Mining area soil2.572.371.651.561.44

转运系数反映植物对体内重金属的转运能力，转运系数越高，重金属从植物根部向地上部的转运能力越强，根滞留重金属的能力越弱。在不同处理下，曼陀罗的叶片中镉的转运系数均小于1，茎中的转运系数在镉浓度为25和50 mg/kg、矿区土壤处理下均大于1，随着镉胁迫强度的增加，曼陀罗茎、叶中镉的转运系数均为先增加后降低。

2.4不同营养调控措施对曼陀罗生长的影响由不同营养调控措施下曼陀罗生长状况(表6)可知，添加复合肥、尿素+有机肥和植物生长调节剂3种措施均对曼陀罗的生长具有明显的促进作用，促进效果从大到小依次为尿素+有机肥、复合肥、植物生长调节剂；产生该结果的原因可能是有机肥中含有大量有机质，有明显的改土培肥作用，并且有机肥中养分种类多、营养全面，此外还有很多有益微生物，可以促进土壤中的生物转化过程，有利于肥力不断提高，并且配合化学肥料尿素使用，效果更佳。

2.5不同营养调控措施对曼陀罗吸收累积镉能力的影响由图1可知，曼陀罗根部对镉的富集系数添加复合肥和尿素+有机肥显著高于对照，且3种措施根部对镉的富集能力从强到弱依次为尿素+有机肥、复合肥、植物生长调节剂；曼陀罗地上部对镉的富集系数3种措施均显著高于对照，且3种措施对地上部镉的富集能力从强到弱依次为尿素+有机肥、植物生长调节剂、复合肥；曼陀罗对镉的转运系数3种措施显著高于对照，曼陀罗对镉的转运能力从强到弱依次为尿素+有机肥、植物生长调节剂、复合肥。

表6 不同营养调控措施处理下曼陀罗生长的状况

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)

3 讨论

重金属镉是毒性最强、容易被植物吸收的非必需元素，当镉积累到一定程度，可以破坏叶绿体的结构、降解叶绿素、抑制光合速率细胞分裂等[11-14]。该试验结果，在50 mg/kg镉胁迫下，曼陀罗各部位的干质量较空白对照(0 mg/kg镉)明显减小，生长受到抑制。这可能是曼陀罗在高浓度镉胁迫下，曼陀罗体内的镉含量剧增，对体内的生理反应产生了毒害作用，导致叶片中的叶绿素合成受阻，光合作用变弱，生长受到抑制，同时植物为了躲避重金属镉的毒害，需要消耗一定的能量来维持细胞功能，从而使得曼陀罗生长速度减慢，出现植株矮小的情况[15]。

叶是植物进行光合作用的重要器官，外界的重金属镉通过根部进行吸收，然后经植物茎运送到叶片，从而产生毒害作用，进而影响植物的生长。该试验中曼陀罗茎部的镉含量最高可达到72.03 mg/kg，对重金属镉有较强的富集能力，经过田间试验验证后可作为修复镉污染的潜在植物。曼陀罗生物量较大，对重金属镉有较强的富集、转运能力，且是一种野生植物，如果能够经农田验证运用到实际中去，将对镉污染土壤的植物修复产生重要的现实意义。

此外，该试验曼陀罗的采样点不多，且盆栽试验与自然生长的植物有所差异，导致试验结果与现实情况可能有所差异，因此还需进行进一步验证。

4 结论

(1)曼陀罗中镉含量与土壤中镉含量有关，不同采样区域曼陀罗对镉的富集转运能力不同，云龙农区采样点3的曼陀罗对镉富集能力最强，且镉从根向地上转运能力最强。

(2)在同一镉处理下，曼陀罗各器官中镉含量大致趋势为茎>根>叶，随镉胁迫强度增加，曼陀罗各器官中镉含量均呈增加趋势，而曼陀罗各器官的生物量呈减少趋势。

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)图1 不同营养调控措施对曼陀罗吸收累积镉能力的影响Fig.1 Effect of different nutritional control measures on the ability of Datura stramonium L. to absorb accumulated cadmium

(3)曼陀罗各器官的富集系数基本大于1，随着镉胁迫的增强，曼陀罗各器官的富集系数总体呈减小趋势，而转运系数呈先增加后减小的趋势，其中叶的转运系数均小于1，茎只有在对照处理下小于1；曼陀罗在镉污染的土壤中生长，虽然受到一定的抑制作用，但没有明显的毒害症状，表明曼陀罗对镉具有较强的耐性。

(4)对比不同营养调控措施下曼陀罗生长状况，添加复合肥、尿素+有机肥和植物生长调节剂3种措施均对曼陀罗生长具有明显的促进作用，促进效果从大到小依次为尿素+有机肥、复合肥、植物生长调节剂。复合肥、尿素+有机肥、植物生长调节剂3种营养调控措施对曼陀罗根部富集镉的能力从强到弱依次为尿素+有机肥、复合肥、植物生长调节剂，地上部富集镉的能力从强到弱依次为尿素+有机肥、植物生长调节剂、复合肥，曼陀罗对镉的转运能力从强到弱依次为尿素+有机肥、植物生长调节剂、复合肥。因此，添加尿素+有机肥的措施效果最佳。