不同浓度镉处理对金盏菊生长及镉积累特性的影响

胡云龙，张卫雄，翟向华，张 琼，鲁 晋，刘金荣

（1. 草地农业生态系统国家重点实验室 / 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；2. 甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730000）

土壤重金属污染是世界上最严重的环境问题之一，我国约有20%的耕地存在不同程度的重金属污染[1-2]。大量重金属进入土壤圈会导致土壤生产力降低；同时，通过食物链在生物器官内富集的重金属会不可避免的威胁人类健康[3]。镉(Cd)是广泛存在于各地土壤上的一种有毒重金属，美国国家环境保护局 (United States Environmental Protection Agency)将其分类为B类污染物(可能的人类致癌物)，可以通过自然途径和人为途径(采矿、冶炼、污水灌溉等)进入土壤[4-6]。Cd在环境中移动速率快，容易被吸收，在生命器官中积累超过一定量就会危及动植物和人类安全，由于长期食用Cd污染的农产品导致安全问题的事件在日本和我国都曾有发生[5, 7-9]。随着土壤重金属污染问题日益严重，各种土壤修复技术也随之产生，其中植物修复由于成本低、高效率、不破坏环境而具有巨大优势[2, 10-11]。

金盏菊(Calendula officinalis)是隶属于菊科(Asteraceae)金盏菊属的一年生草本植物，原产于南欧、地中海沿岸一带，中国各地多有栽培，作为一种重要的园艺植物广泛分布于欧洲、北美洲和亚洲[12-13]。金盏菊通常多茎，具有强壮的主根。栽培金盏菊可以收获其花作为药物原材料，金盏菊花中含有的精油具有良好的药用价值，因此被广泛用于医药、工业和园艺[14-15]。与常用的土壤修复植物，如牧草和粮食作物相比，金盏菊不仅适应性强、生长快速、生物量大，更重要的是金盏菊用于重金属污染农田或矿区土壤修复可以降低重金属进入食物链的风险，在修复污染土壤的同时可以创造可观的经济和生态价值[16-18]。为此，本研究通过盆栽试验，研究金盏菊在Cd污染土壤中的生长状况，旨在阐明金盏菊对过量镉的耐性和富集特征，明确金盏菊在Cd污染土壤修复中的应用潜力。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用金盏菊种子由北京布莱特草业有限公司提供，品种为卡布劳纳(Kablouna)。室内培养箱中育苗盒育苗，待长出3～4片真叶时选择生长一致且健壮的幼苗移栽至处理土壤中。

1.2 试验设计

试验在兰州大学草地农业科技学院进行，育苗在室内培养箱中完成，室外培养在屋顶遮雨棚内完成。通过预试验及参考相关国内外文献[14, 19-21]，试验共设置5个Cd污染水平，Cd污染土壤水平依次 为 0 mg·kg-1(CK)， 10 mg·kg-1(T1)， 30 mg·kg-1(T2)，50 mg·kg-1(T3)，100 mg·kg-1(T4)。

2017年4月，将备用土壤风干并过4 mm筛后，将固态CdCl2·2.5H2O按不同浓度投加到土壤中 (Cd 含量为 0.38 mg·kg-1)配置成 5 个水平 Cd 污染土壤，充分混匀后平衡30 d。移栽幼苗前将污染土壤装入塑料花盆(直径20 cm，高15 cm)中，每盆2.5 kg。其后选择生长一致且健壮的幼苗分别移栽入各处理的盆中，每盆栽1棵金盏菊幼苗，每个处理设置3次重复。生长管理过程中，通过土壤水分测定仪掌握盆中土壤水分情况并浇蒸馏水(其中Cd低于检出限)，使试验过程中盆中土壤含水量基本保持在田间持水量75%。金盏菊植株花期结束后，测定株高等形态特征，其后将植株和土壤一并带回进行Cd含量分析。

1.3 测定指标及方法

将收获的植物样分成地上和地下两部分用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，用吸水纸迅速吸干水分于 105 ℃ 下杀青20 min，然后在70 ℃ 下烘至恒重，测定质量。植物样品烘干后粉碎备用，土壤样品室温下自然风干后过2 mm筛备用。植物及土壤样品均采用 HNO3-HClO4法消化 (V∶V = 1∶3)，通过原子吸收分光光度计法测定植物及土壤中全Cd含量，得出结果后计算相应的富集系数和转移系数[11]，原子吸收分光光度计为日立180-80，其Cd的波长为228.8 nm。

1.4 数据处理

采用Excel进行数据整理并做图，SPSS 17.0进行单因素方差分析，Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Cd处理对金盏菊生长的影响

2.1.1 不同浓度Cd处理对金盏菊株高的影响

如图1所示，随着Cd胁迫浓度增加，金盏菊株高呈先增大后减小的趋势，以T2处理下最高，其次是T3处理，株高分别为51和50 cm，均显著高于对照 (P＜0.05)；T1和 T4处理与 CK 间差异不显著 (P＞0.05)；T1、T2、T3和 T4间均差异不显著(P＞0.05)。

2.1.2 不同浓度Cd处理对金盏菊地上和地下生物量的影响

T1、T2、T3和T4的金盏菊地上干重与对照相比均有增加，但只有T2的金盏菊地上生物量与对照相比差异显著P＜0.05)，其他胁迫处理与对照间均不存在显著差异(P＞0.05)，T2处理时金盏菊地上干重达到最大，为2.57 g。金盏菊的地下干重与地上部分变化情况一致，均随着土壤中Cd浓度的增加呈现出先增加后减小的趋势 (图2)，T2处理地下生物量最高，为0.6 g，显著高于对照及其他处理 (P＜0.05)。T1和 T3地下生物量显著高于对照(P＜0.05)，即高浓度 Cd(100 mg·kg-1)胁迫结果与株高及地上生物量相似，与对照相比无显著差异(P＞0.05)。

图 1 不同浓度Cd处理下金盏菊的株高Figure 1 Height of Calendula officinalis under different Cd treatments

2.2 不同浓度Cd处理对金盏菊Cd积累的影响

2.2.1 金盏菊地下部和地上部的Cd积累

金盏菊能够对土壤中的Cd起到富集作用，根部Cd富集量远高于地上部(图3)。随着添加的Cd浓度增加，金盏菊地上部和根部Cd含量均呈现上升趋势，且各个处理间金盏菊的地上部和根部Cd含量均存在显著差异 (P＜0.05)。

2.2.2 不同处理下金盏菊的转移系数和地上富集系数

转移系数反映植物将重金属从地下部(根)转移至地上部(茎叶)的能力，富集系数反映植物对重金属的累积能力。金盏菊的转移系数均小于1，即不同处理下金盏菊根部Cd含量均高于茎叶Cd含量，且随着胁迫浓度的增加，转移系数也没有表现出很强的变异(图4)。值得注意的是，本研究中CK的转移系数要显著高于胁迫处理(P＜0.05)，表明未受污染的土壤环境下，金盏菊向地上部分转移重金属Cd的能力更强，即Cd胁迫条件下金盏菊体内Cd由地下部向地上部转移能力会下降。如图5所示，各个处理下金盏菊的地上部富集系数均大于1，整体形势为地上部富集系数随着Cd的添加浓度的增大而增大，处理浓度最高时富集系数 也最大，为2.48。其中T2富集系数相较于CK没有显著变化(P＞0.05)，而T2处理下金盏菊生物量最大，其原因可能是该处理条件下植株对Cd的吸附没有显著提高，但生物量却较大，所以Cd浓度并不很高。

图 2 不同浓度Cd处理下金盏菊地上部和地下部干重Figure 2 Aboveground and underground dry biomass of Calendula officinalis under different Cd treatments

图 3 不同浓度Cd处理下金盏菊根部与地上部的Cd含量Figure 3 Aboveground and underground Cd content of Calendula officinalis under different treatments

图 4 不同浓度Cd处理下金盏菊的转移系数Figure 4 Changes in transfer factor under different treatments for Calendula officinalis

图 5 不同浓度Cd处理下金盏菊地上部的富集系数Figure 5 Changes in enrichment factor under different treatments for Calendula officinalis

3 讨论

3.1 不同Cd浓度对金盏菊生长的影响

Cd是植物的非必需元素，Cd浓度过高会以破坏植株抗氧化系统、降低酶活性等方式导致植株生长异常，植物能富集或超富集重金属来修复被重金属污染的土壤是基于其对重金属的抗性[9,21-23]。本研究中，金盏菊在各个Cd浓度胁迫下没有植株出现明显的生长状况不良，表现出对Cd胁迫具有较好耐受能力。Den等[2]以红麻(Hibiscus cannabbinus)为材料，研究不同Cd浓度和胁迫时间下红麻生理变化，结果表明低浓度Cd对红麻幼苗生长有促进，但 Cd浓度超过50 μmol·L-1会对红麻的生长产生抑制。本研究中，金盏菊生长在Cd浓度逐渐升高的土壤环境中，株高和生物量均表现为先升高后降低的趋势。本研究结果与前述试验结果和大部分Cd胁迫梯度试验结果相近，即低浓度Cd会促进植物生长，但浓度超过一定值就变为抑制[22,24]。陈雷等[25]以盐生植物碱蓬(Suaeda salsa)为研究材料的试验结果也具有相同的趋势，故本研究将其解释为植物对重金属适应性和重金属对植物的抑制两种作用的复合效应，一方面植物产生应激反应，通过生理活动产生大量代谢产物与体内重金属结合降低活性以解毒；另一方面，激活的代谢系统会加速污染重金属进入体内，反过来抑制代谢活动，产生毒害作用。较低重金属浓度下，植物适应性大于金属的毒害作用，表现出积极的刺激效果，随着重金属浓度的增大，毒害性随之增大，表现出抑制和毒害作用。

3.2 金盏菊的Cd富集特征

通过植物富集或转化土壤中重金属的土壤修复方式更加接近自然生态恢复，但不同种类或品种以及同一植物的不同器官在重金属富集特点上存在明显差异，通过浓度梯度试验探究某种植物对重金属的耐性和富集特性是选择富集植物的重要途径[26-27]。Wang 等[20]以两个蔷薇品种(Lagerstroemia indica和L.fauriei)为材料研究其在不同 Cd 胁迫梯度下Cd富集特征，结果表明，两个品种之间存在显著差异，同一蔷薇品种根茎叶Cd富集量也存在显著差异，但两个品种对高浓度Cd污染都表现出极好的耐性和富集特性，可以作为良好的Cd污染修复植物种。Nie 等[28]以博落回(Macleaya cordata)为材料研究其在Cd胁迫下抗氧化系统反应和植物修复潜力，结果表明在不同浓度Cd胁迫下博落回植株并没有表现出明显的生长抑制或中毒现象，最大Cd吸附量为每株393 μg，具有一定修复Cd污染土壤的潜力。本研究中，金盏菊对重金属Cd胁迫同样表现出较好耐性，当Cd浓度为100 mg·kg-1时，金盏菊株高和生物量等形态特征与对照相比没有显著差异，此时每株生长良好的金盏菊植株茎叶能够积累 Cd 459 μg，整株植株共积累 Cd 895 μg。所有处理中金盏菊地上富集系数均大于1，转移系数小于1，植株地上部分富集Cd含量随着胁迫浓度增加而增加。Cd含量分析表明，金盏菊根部Cd含量要远高于地上部，且随着胁迫浓度增加转移系数并没有显著变化，这可能是金盏菊能耐受高浓度Cd胁迫的原因：植物吸收的 Cd2+主要滞留于根系中，仅有少部分可以借助共质体途径向地上部输送和积累，通过减少植物地上部的器官中Cd积累量，来避免受到Cd毒害[29]。

4 结论

金盏菊对重金属Cd具有很强的耐性，随土壤中Cd浓度的增加金盏菊地上部对土壤中Cd的积累量相应的增加，低浓度的Cd对金盏菊的生长有一定促进作用。金盏菊地上部的Cd含量小于根部的Cd含量，在Cd浓度较高土壤中金盏菊能起到良好的富集效果。综合金盏菊的经济价值和生态环境适应能力，金盏菊在Cd污染土壤中修复中有一定的应用潜力，特别在Cd污染浓度较高地区，金盏菊具有良好的Cd富集效果和耐受能力。