4种Cd超富集/富集植物修复性能的比较

龙玉梅　刘杰　傅校锋　孟德佳

摘要：以广西阳朔、广西河池、天津3个地区不同镉（Cd）污染程度的土壤为培养基质，通过温室盆栽试验，比较籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus L.）、龙葵（Solanum nigrum L.）、商陆（Phytolacca acinosa Roxb.）、青葙（Celosia argentea L.）这4种植物对土壤的修复性能。结果表明，含Cd量为3.89 mg/kg的广西阳朔土壤，种植青葙可收获的Cd总量显著高于其他植物（P<0.05），分别是籽粒苋、龙葵、商陆的2.20、1.83、5.25倍;含Cd量为22.44 mg/kg的广西河池土壤，4种植物可收获的Cd总量高低依次为籽粒苋>青葙>商陆>龙葵，相互间间差异不显著（P>0.05）;含Cd量为1.57 mg/kg的天津土壤，龙葵可收获的Cd总量显著高于商陆、籽粒苋可收获的Cd总量，分别是商陆、籽粒苋的5.00、2.50倍，与青葙的可收获Cd总量差异不显著。可见，青葙对3个地区的Cd污染土壤表现出较强的修复能力，可作为修复Cd污染土壤的优选植物。

关键词：镉;植物修复;籽粒苋;龙葵;商陆;青葙

中图分类号： X53文献标志码： A

文章編号：1002-1302（2019）08-0296-05

土壤镉（Cd）污染是我国突出的环境问题之一，《全国土壤污染状况调查公报》显示，在所有无机类污染物中，土壤Cd位点超标率是最高的，达到7%[1]。植物修复技术具有绿色、经济且能大面积原位实施的特点，被认为是修复农田Cd污染土壤最为理想的方式[2]。选用生物量大、能够忍耐Cd污染，并能大量富集Cd的植物是植物修复技术的关键[3]。目前，世界上已发现的Cd超富集植物约有17种[4]，我国报道的Cd富集或超富集植物有宝山堇菜（Viola baoshanensis）、龙葵（Solanum nigrum L.）、东南景天（Sedum alfredii H.）、商陆（Phytolacca acinosa Roxb.）、圆锥南芥（Arabis paniculata L.）、籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus L.）、忍冬（Lonicera japonica Thunb.）、青葙（Celosia argentea L.）等8种[5-12]。

龙葵、商陆、籽粒苋、青葙是生物量较大的超富集植物，在Cd污染土壤的修复中可能更具有较好的应用前景。但是，前人在研究这4种植物对Cd的富集效应时采用的试验方法和条件存在较大差异，导致相互间可比性较差。姚诗音等研究青葙对Cd的富集特征时，设置使用的Cd最低处理浓度为 1 mg/kg[12]，而魏树和等研究龙葵对Cd的富集特征时，使用的Cd最低处理浓度为10 mg/kg[13]，二者相差10倍;聂发辉研究商陆对Cd的富集效应时，盆栽土壤采用有机质含量为1.48 g/kg、pH值为5.1的强酸性土壤，并用Cd（NO3）2溶液污染土壤[14]，而李凝玉等研究籽粒苋对Cd的耐性及积累特征时，供试的土壤pH值为7.2、有机质含量是前者的10倍，且以3CdSO4·8H2O溶液污染土壤[15]。由于土壤Cd的浓度、形态、试验周期、土壤理化性质等有所不同，导致难以直接有效比较龙葵等4种植物对Cd污染土壤的修复性能，进而难以从中筛选出最适合Cd污染土壤的修复植物。此外，试验多采用人工模拟Cd污染土壤，其土壤中Cd的生物有效性会较真实污染土壤高很多，植物对土壤的修复会与实际情况存在一定差异[16]。本试验以籽粒苋、龙葵、商陆、青葙这4种我国本土的Cd超富集/富集植物为研究对象，采用来自广西阳朔、广西河池、天津等3个地区理化性质、Cd污染来源和污染程度不同的农田土壤开展室内盆栽试验，比较4种植物对不同Cd污染土壤的修复性能，以期筛选出我国Cd污染土壤修复工程中更具应用价值的超富集植物。

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1供试土壤2017年3月，分别采集来自广西阳朔某铅锌尾砂库、广西河池某冶炼厂、天津某污灌区的周边污染农田[17-19]0～20 cm表层土作为试验土壤，阴凉处风干;压碎，过2 mm筛，保存备用;采用TRF-2B型土壤多功能分析仪分别测定土壤pH值及有机质、有效氮、有效磷、有效钾含量等基本理化性质，采用HNO3-HF-HClO4法消解、电感耦合等离子发射光谱法（ICP-OES）测定总Cd含量，结果见表1。

1.1.2供试植物籽粒苋种子，购买于牧草公司;龙葵、商陆、青葙种子，均采自桂林理工大学校园周边地区。

1.2试验处理

试验在桂林理工大学重金属污染植物修复试验基地进行。2017年4月8日，选取颗粒饱满的种子均匀播种于育苗盘中，每盘100粒左右，置于温室中培养，室温保持在25～30 ℃;4月25日， 待幼苗长出3～4张真叶时，选取长势一致的幼苗，分别移栽到装有1 kg（以干土计）来自3个不同地区土壤、大小为12.5 cm×17 cm、体积为2 L的盆钵中，每盆1株，每种土壤、每个植物重复3次，共计36盆;用经检不含Cd的自来水进行浇灌，使土壤含水量经常保持在田间持水量的80%左右;移栽后60 d收获，待测。

1.3测定内容与方法

将收获的4种植物样品分为根、茎、叶3个部分;根部用5 mmol/L Ca（NO3）2溶液浸泡15 min，以交换掉根表面吸附的Cd离子，超声波清洗仪清洗10 min，用去离子水冲洗3次[20]，茎、叶直接用去离子水清洗3次;将洗净的样品105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干至恒质量，测定干质量;植物干样磨碎，过5 mm筛，采用HNO3-HClO4消解，采用ICP-OES测定4种植物根、茎、叶的Cd含量，计算植物对土壤Cd的转运系数、富集系数及可收获的Cd总量、重金属去除率，公式分别为

转运系数=植物地上部分Cd含量/植物根部Cd含量;

富集系数=植物地上部分Cd含量/土壤中Cd含量;

可收获的Cd总量=植物地上部分Cd含量×地上部分生物量;

重金属去除率=（植物地上部分Cd含量×地上部分生物量）/（土壤中Cd含量×供试土壤质量）×100%。

植物样品分析过程中，采用国家标准参比物质GBW10015（GSB-6）和平行全空白样进行分析质量控制，同时，为保证结果准确，加标回收率控制在95%～105%，试验试剂均为优级纯。

1.4数据统计分析

采用SPSS 19.0软件对试验数据进行单因素方差分析（ANOVA），采用Origin软件进行作图;采用最小显著性差异法（LSD法）对数据进行差异显著性检验。

2结果与分析

2.1不同土壤条件下植物的生长情况

试验结果表明，籽粒苋、龙葵、商陆、青葙这4种植物在3个不同地区的土壤上均能正常生长，未出现肉眼可见的Cd中毒现象，这说明4种植物对Cd均有较强的耐受能力。由表2可见，对广西阳朔土壤而言，其种植出的籽粒苋地上部分生物量显著高于其他植物（P<0.05），是生物量最小植物龙葵的 1.67倍，商陆、青葙的地上部分生物量分别为2.16、2.17 g/株，相互间差异不显著（P>0.05）;对天津土壤而言，4种植物的生长状况基本相似，其根、叶及地上部分的生物量相互間差异不显著;对广西河池土壤而言，商陆根部、地上部分生物量显著高于其他植物（P<0.05）;广西河池土壤种植的4种植物地上部分生物量总和相对较低，为5.90 g/株，分别比广西阳朔、天津土壤种植的4种植物地上部分生物量总和低29.17%、41.76%。

2.2不同土壤条件下植物各部分Cd含量及转运系数

由表3可见，对广西阳朔土壤而言，其种植的籽粒苋、龙葵、商陆、青葙这4种植物的地上部分Cd含量相互间差异显著（P<0.05），其中，青葙的地上部分Cd含量相对最高，为48.59 mg/kg，显著高于其他3种植物，分别是籽粒苋、龙葵、商陆地上部分Cd含量的2.15、1.17、5.44倍;对广西河池土壤而言，植物地上部分的Cd含量高低表现为籽粒苋>青 葙> 龙葵>商陆，相互间差异显著，籽粒苋、青葙叶中的Cd含量差异不显著（P>0.05），但青葙茎中的Cd含量显著低于籽粒苋;对天津土壤而言，龙葵的地上部分Cd含量相对最高，为3.34 mg/kg，显著高于籽粒苋、商陆，分别是二者的 1.61、4.39倍，而与青葙地上部分Cd含量差异不显著;对不同地区而言，天津土壤种植的植物地上部分最高Cd含量仅为3.34 mg/kg，而广西阳朔、广西河池土壤种植的植物地上部分最高Cd含量分别为48.59、206.25 mg/kg，前者分别为后两者的6.87%、1.62%。

植物种类不同，植物对土壤中Cd的转运能力也会有所差别，主要通过转运系数这一指标来体现。由表3可见，对广西阳朔土壤而言，除籽粒苋外，龙葵、商陆、青葙对Cd的转运系数均大于1;对广西河池土壤而言，4种植物对Cd的转运系数大小表现为商陆>青葙>籽粒苋>龙葵，相互间差异显著（P<0.05）;对天津土壤而言，4种植物对Cd的转运系数大小为籽粒苋>龙葵>商陆>青葙，相互间差异不显著（P>0.05）。

2.3不同土壤条件下植物对Cd的富集系数

富集系数是植物地上部分Cd含量与土壤中Cd含量的比值[21]，可反映在土壤-植物系统中重金属Cd迁移的难易程度，是表征植物吸收Cd能力的评价指标[11]。由图1可知，除天津土壤上栽种的商陆外，3个地区各植物的富集系数均大于1.0，其中，在广西阳朔土壤上栽种的青葙对Cd的富集系数高达12.49，分别是龙葵、籽粒苋、商陆的1.17、2.15、5.43倍;广西河池土壤上栽种的植物富集系数大小为籽粒 苋> 青葙>龙葵>商陆;对天津土壤而言，其栽培的龙葵、青葙对Cd的富集系数分别为2.13、1.73，高于其他2种植物，与商陆差异显著（P<0.05）。

2.4不同土壤条件下4种植物可收获的Cd总量及对Cd的去除率

2.4.1可收获的Cd总量植物可收获的Cd总量是由植物地上部分Cd浓度和地上部分生物量决定的。由图2可见，广西阳朔土壤上栽种的青葙可收获Cd总量为0.11 mg/株，显著高于籽粒苋、龙葵、商陆（P<0.05），分别是其2.20、1.83、5.25倍;广西河池土壤上可收获Cd总量最高的植物是籽粒苋，其次是青葙，但4种植物可收获的Cd总量相互间差异不显著（P>0.05）;天津土壤上龙葵、青葙可收获的Cd总量相对较高，两者之间差异不显著，高于其他2种植物，其中，龙葵可收获的Cd总量相对最高，分别是商陆、籽粒苋的 5.00、2.50倍。

2.4.2对Cd的去除率植物对Cd污染土壤修复效果的好坏可用植物对土壤中Cd的去除率来衡量。由表4可见，广西阳朔土壤上4种植物对Cd的去除率为0.50%～2.71%，其中，青葙对Cd的去除率最高，龙葵次之，两者之间差异显著（P<0.05）;广西河池土壤上4种植物对Cd的去除率为 0.79%～1.37%，4种植物对Cd的去除率相互间差异不显著;天津土壤上4种植物对Cd的去除率为0.12%～0.67%，龙葵对Cd的去除率相对最高，青葙次之，两者之间差异不显著。

3结论与讨论

土壤中的镉（Cd）会对植物产生一定的毒害作用，引起一系列生理特征的改变[22]。本试验中，各土壤上栽种的籽粒苋、龙葵、商陆、青葙这4种植物均未出现叶片失绿、叶片卷曲等典型的Cd中毒症状[23]，表明这4种植物对Cd均有较强的耐受能力。程国玲等研究表明，植物修复技术并不适用于高浓度重金属污染的土壤环境治理[24]，但可用于治理中低浓度重[CM（25]金属污染的土壤[25]。 孙正国研究表明， 土壤中Cd浓度的增加会导致植物生物量的降低[26]。Salt等研究结果表明，植物主要通过地上部分吸收土壤中的重金属，植物地上部分生物量能反映植物对重金属的耐性情况[27]。本研究结果表明，重度Cd污染的广西河池土壤上种植的4种植物，其地上部分生物量总和较中度、轻度Cd污染的广西阳朔、天津土壤有一定程度降低，在Cd含量高达22.44 mg/kg的广西河池土壤上栽种的植物生长受到一定抑制，说明高浓度重金属土壤环境会影响植物的生长，从而削弱植物对重金属污染土壤修复治理的优势;在重度Cd污染的广西河池土壤上栽种的商陆，其地上部分生物量仍相对较高，显著高于籽粒苋、青葙、龙葵（P<0.05），这表明商陆对Cd的耐受程度相对较强，与聂发辉的研究结论[14]一致。

植物体内Cd含量及对Cd的富集系数可作为衡量植物对Cd污染土壤修复性能的指标。龙新宪等研究表明，一个地区土壤中的Cd含量越高，该地区植物中的Cd含量相对越高，植物对Cd的吸收量与土壤中的Cd总量呈正相关[28]。聂发辉等在土壤Cd浓度、pH值相似的情况下外源添加 20 mg/kg Cd（NO3）2，结果表明，添加Cd的商陆叶片Cd含量达到294.22 mg/kg，富集系数为7.49[29];Li等在pH值为 7.10 的土壤中外源添加5 mg/kg 3CdSO4·8H2O再栽种籽粒苋发现，籽粒苋叶片中的Cd含量高达146.50 mg/kg，富集系数高达22.30[30]。本研究结果表明，轻度Cd污染的天津土壤上栽种的植物，其地上部分最大Cd含量仅为3.34 mg/kg，仅为重度Cd污染的广西河池土壤上栽种植物地上部分最大Cd含量的1.62%，这进一步佐证了前人的观点;4种植物中，商陆的地上部分Cd含量及富集系数在3个地区土壤上栽培均是相对最低的，在广西河池含Cd为22.44 mg/kg的重度镉污染土壤上栽种，其叶片Cd含量也仅为109.76 mg/kg，富集系数为4.0，而籽粒苋在pH值为6.48、含Cd量为 3.89 mg/kg 的广西阳朔土壤上栽种，其叶片Cd含量仅为 21.50 mg/kg，富集系数为5.81，与聂发辉等的研究结论[29-30]存在较大差异，同样结果也出现在青葙[12]、龙葵[31]中，这可能是由于本研究中土壤分别取自污灌区、铅锌矿尾砂库及冶炼厂周边农田，Cd主要以铁锰氧化态、残渣态、还原态等非水溶性态Cd形态存在[32-34]，而其他试验多以Cd（NO3）2、3CdSO4·8H2O、CdCl2等植物易吸收的水溶性态Cd模拟土壤Cd污染，非水溶性态Cd的生物有效性较水溶性态Cd要低得多[35]。因此，对真实的Cd污染土壤植物修复而言，植物修复人工模拟的Cd污染土壤试验评价结果缺乏外推效应。较其他3种植物来说，青葙在轻度、中度Cd污染的天津、广西阳朔土壤上栽种均能富集更多的Cd，其中，在中度Cd污染的阳朔土壤上其地上部分Cd含量显著高于其他植物，富集系数高达12.49，表明青葙对土壤中的Cd有很强的提取能力，可适用于不同形态Cd污染土壤的修复，这与姚诗音等的研究结论[12]相似，建议将青葙作为中国Cd污染土壤植物修复工程中推广应用的优选植物。

植物可收获的Cd总量及对Cd的去除率是衡量植物修复性能的2个关键指标。本研究结果表明，籽粒苋在重度Cd污染的广西河池土壤上栽种，其可收获的Cd总量及对Cd的去除率相对最高，与其他植物相比差异不显著（P>0.05）;龙葵在轻度Cd污染的天津土壤上栽种，其可收获的Cd总量及对Cd的去除率显著高于籽粒苋、商陆，但清除其他2种污染土壤中Cd的优势不大，这说明龙葵可能较适用于低Cd污染土壤的修复;青葙在中轻度Cd污染的土壤上栽种其可收获的Cd总量及对Cd的去除率均相对较高，说明青葙在中轻度Cd污染的土壤上能表现出较好的修复性能，而目前我国90%以上的Cd污染土壤为中轻度污染[1]，因此，青葙在土壤修复工程实践中具有更强的适用性。

须指出的是，以籽粒苋修复广西河池重度Cd污染的土壤使其达到GB 15618—1995《土壤环境质量标准》中的三级标准，按每茬籽粒苋对Cd的提取率1.37%计算，至少需要种植70茬才能达到修复效果，因此，对重度Cd污染的地区采用植物修复技术治理土壤污染效率相对较低，应考虑物理化学法治理修复[36-37]。另外，在污染土壤植物修复过程中，受外界环境及土壤内部环境影响，土壤中的重金属活性有可能会下降，进而导致植物吸收重金属的量下降，使修复效率降低[38]，可通过添加柠檬酸、苹果酸或施加氮肥、真菌等措施[12，39-40]，以提高作物叶片对Cd的吸收，提高植物修复性能。

参考文献：

[1]环境保护部，国土资源部. 全国土壤污染状况调查公报[R]. 北京：环境保护部，2014：1-5.

[2]Hao Q，Jiang C. Heavy metal concentrations in soils and plants in Rongxi Manganese Mine of Chongqing，Southwest of China[J]. Acta Ecologica Sinica，2015，35（1）：46-51.

[3]徐剑锋，王雷，熊瑛，等. 土壤重金属污染强化植物修复技术研究进展[J]. 环境工程技术学报，2017，7（3）：366-373.

[4]Cappa J J，Pilon-Smits E A. Evolutionary aspects of elemental hyperaccumulation[J]. Planta，2014，239（2）：267-275.

[5]刘威，束文圣，蓝崇钰. 宝山堇菜（Viola baoshanensis）——一种新的镉超富集植物[J]. 科学通报，2003，48（19）：2046-2049.

[6]魏树和，周启星，王新，等. 一種新发现的镉超积累植物龙葵（Solanum nigrum L.）[J]. 科学通报，2004，49（24）：2568-2573.

[7]杨肖娥，龙新宪，倪吾钟，等. 古老铅锌矿山生态型东南景天对锌耐性及超积累特性的研究[J]. 植物生态学报，2001，25（6）：665-672.

[8]Xue S G，Chen Y X，Reeves R D，et al. Manganese uptake and accumulation by the hyperaccumulator plant Phytolacca acinosa，Roxb.（Phytolaccaceae）[J]. Environmental Pollution，2004，131（3）：393-399.

[9]汤叶涛，仇荣亮，曾晓雯，等. 一种新的多金属超富集植物——圆锥南芥（Arabis paniculata L.）[J]. 中山大学學报（自然科学版），2005，44（4）：135-136.

[10]李凝玉，李志安，丁永祯，等. 不同作物与玉米间作对玉米吸收积累镉的影响[J]. 应用生态学报，2008，19（6）：1369-1373.

[11]刘周莉，何兴元，陈玮. 忍冬——一种新发现的镉超富集植物[J]. 生态环境学报，2013，22（4）：666-670.

[12]姚诗音，刘杰，王怡璇，等. 青葙对镉的超富集特征及累积动态研究[J]. 农业环境科学学报，2017，36（8）：1470-1476.

[13]魏树和，周启星，王新. 超积累植物龙葵及其对镉的富集特征[J]. 环境科学，2005，26（3）：167-171.

[14]聂发辉. 镉超富集植物商陆及其富集效应[J]. 生态环境，2006，15（2）：303-306.

[15]李凝玉，卢焕萍，李志安，等. 籽粒苋对土壤中镉的耐性和积累特征[J]. 应用与环境生物学报，2010，16（1）：28-32.

[16]周建利，郭晓方，吴启堂，等. 活化土壤重金属天然植物螯合剂的筛选[J]. 生态学报，2010，30（5）：1390-1396.

[17]林炳营. 广西某铅锌矿区土壤-作物镉污染研究[J]. 土壤通报，1997，28（5）：235-237.

[18]项萌，张国平，李玲，等. 广西铅锑矿冶炼区表层土壤重金属污染的分布规律[J]. 矿物学报，2011，31（2）：250-255.

[19]王祖伟，张辉. 天津污灌区土壤重金属污染环境质量与环境效应[J]. 生态环境学报，2005，14（2）：211-213.

[20]吴秉奇，刘淑杰，张淼，等. 接种耐镉细菌对青葙吸收积累土壤中镉的影响[J]. 生态学杂志，2014，33（12）：3409-3415.

[21]Tanhan P，Kruatrachue M，Pokethitiyook P，et al. Uptake and accumulation of cadmium，lead and zinc by siam weed[Chromolaena odorata （L.） King & Robinson][J]. Chemosphere，2007，68（2）：323-329.

[22]李广云，曹永富，赵书民，等. 土壤重金属危害及修复措施[J]. 山东林业科技，2011，41（6）：96-101.

[23]徐正浩，沈国军，诸常青，等. 植物镉忍耐的分子机理[J]. 应用生态学报，2006，17（6）：1112-1116.

[24]程国玲，胥家桢，马志飞，等. 螯合诱导植物修复技术在重金属污染土壤中的应用[J]. 土壤，2008，40（1）：16-20.

[25]胡亚虎，魏树和，周启星，等. 螯合剂在重金属污染土壤植物修复中的应用研究进展[J]. 农业环境科学学报，2010，29（11）：2055-2063.

[26]孙正国. 龙葵对镉污染土壤的响应及其修复效应研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：397-401.

[27]Salt D E，Smith R D，Raskin I.Phytoremediation[J]. Annual Review of Plant Biology，1998，49：643-668.

[28]龙新宪，王艳红，刘洪彦. 不同生态型东南景天对土壤中Cd的生长反应及吸收积累的差异性[J]. 植物生态学报，2008，32（1）：168-175.

[29]聂发辉，吴彩斌，吴双桃. 商陆对镉的富集特征[J]. 浙江林学院学报，2006，23（4）：400-405.

[30]Li N Y，Fu Q L，Zhuang P，et al. Effect of fertilizers on Cd uptake of amaranthus hypochondriacus，a high biomass，fast growing and easily cultivated potential Cd hyperaccumulator[J]. International Journal of Phytoremediation，2012，14（2）：162-173.

[31]Zhang X F，Xia H P，Li Z，et al. Identification of a new potential Cd-hyperaccumulator Solanum photeinocarpum by soil seed bank-metal concentration gradient method[J]. Journal of Hazardous Materials，2011，189（1/2）：414-419.

[32]孙约兵，徐应明，史新，等. 污灌区镉污染土壤钝化修复及其生态效应研究[J]. 中国环境科学，2012，32（8）：1467-1473.

[33]许超，夏北成，吴海宁. 尾矿库尾砂及周边农田土壤重金属形态分布及其生物有效性[J]. 农业环境科学学报，2009，28（11）：2293-2296.

[34]李翔，刘永兵，程言君，等. 湖南某铅锌矿污染土壤稳定化修复研究[J]. 中国土壤与肥料，2016（2）：137-144.

[35]张季惠，王黎虹，张建奎. 土壤中镉的形态转化、影响因素及生物有效性研究进展[J]. 广东农业科学，2013，40（6）：169-171.

[36]王家乐. 土壤镉污染及治理技术综述[J]. 中国西部科技，2010，9（7）：7-9.

[37]李婧，周艳文，陈森，等. 我国土壤镉污染现状、危害及其治理方法综述[J]. 安徽农学通报，2015，21（24）：104-107.

[38]孙鑫，娄燕宏，王会，等. 重金属污染土壤的植物强化修复研究进展[J]. 土壤通报，2017，48（4）：1008-1013.

[39]王林，周启星，孙约兵. 氮肥和钾肥强化龙葵修复镉污染土壤[J]. 中国环境科学，2008，28（10）：915-920.

[40]毛亮，靳治国，高扬，等. 微生物对龙葵的生理活性和吸收重金属的影响[J]. 农业环境科学学报，2011，30（1）：29-36.