北京11种宿根地被植物对镍的耐性和富集转运特征

朱妙馨，张灵巧，巫丽华，任瑞芬，刘 燕

(北京林业大学 园林学院，花卉种质创新与分子育种北京市重点实验室，国家花卉工程技术研究中心，城乡生态环境北京实验室，北京 100083)

土壤重金属污染已成为一个全球性问题，我国首次土壤污染状况调查显示，总的土壤中Ni污染点位超标率达6.4‰[1]。根据CJT 340-2016《绿化种植土壤》[2]Ni含量要求，北京园林绿地也已出现Ni超标现象，且主要集中在主干道路两侧绿化带。如二环路两侧绿化带的46个土壤样本中，有12个Ni含量超过Ⅲ级标准(150 mg·kg-1)，7个超过Ⅳ级标准(220 mg·kg-1)，最高达1 633 mg·kg-1[3]；四环路和朝阳路两侧绿化带土壤样点中Ni含量超过Ⅳ级标准(220 mg·kg-1)的占到13.6%和10.0%[4]。

植物具有清洁土壤重金属的功能。植物提取主要是利用超富集植物将土壤重金属转运到地上部分，再通过收获植物将重金属移除从而降低土壤重金属含量[5]，该技术具有成本低、效果好、原位修复，操作简便、不易造成二次污染、对土壤环境扰动小等优点，是目前研究较多且最具发展前途的一种重金属污染土壤治理方法。而在此基础上，应用观赏植物改善园林绿地环境污染，还兼具美学价值[6]。

研究表明，Ni超富集植物一般生长在天然的镍、钴或某些超镁铁质土壤中，主要分布在地中海、巴西、古巴、新喀里多尼亚、土耳其、印度尼西亚和东南亚地区[7]。世界上已发现的超富集植物大多为Ni超富集植物，正如全球超富集植物数据库显示，截止2017年7月，全球共有754种超富集植物，而Ni超富集植物多达52科、130属、532种[8]。其中，常见的Ni超富集植物有庭荠属(Alyssum)、遏蓝菜属(Thlaspi)、柞木属(Xylosma)、叶下珠属(Phyllanthus)、苞复花属(Geissois)、鲍缪勒氏属(Bornmuellera)、鼠鞭草属(Hybanthus)等[9]。我国目前所发现的Ni富集植物相对较少，如李氏禾(Leersiahexandra)[10]。

宿根植物具有管理粗放、生物量较大、大多种类冬季自然枯萎、便于移走地上部分等特点，这些决定了若其具有重金属富集能力，将是良好的环境修复植物。鉴于国内对提取土壤Ni的植物研究较少，本研究评述了11种在北京宜作地被的宿根植物对Ni胁迫的耐性和富集性，旨在筛选出适宜北京目前土壤Ni污染水平的地被植物，为净化北京园林绿地重金属Ni污染提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于北京市海淀区东升双清路八家村委会北300 m的三顷园苗圃，116°20′45.06″E，40°8′16.55″N。属暖温带半湿润大陆性季风气候型，年降水量511.1 mm，年均温12.5℃。

1.2 供试材料

栽培土壤为地表0～20 cm园土(褐色砂壤土)与珍珠岩以7∶3比例混匀。栽培土壤基本理化性质：pH值8.24，有机质33.8 g·kg-1，全N 1 236.6 mg·kg-1，水解N 137.6 mg·kg-1，全P 695 mg·kg-1，有效P 15.3 mg·kg-1，全K 19 378.9 mg·kg-1，速效K 157.2 mg·kg-1，重金属Ni 26.99 mg·kg-1。

绢毛匍匐委陵菜(Potentillareptansvar.sericophylla)、匍匐委陵菜(P.reptans)、青绿苔草(Carexbreviculmis)、涝峪苔草(C.giraldiana)、荆芥(Nepetacataria)、射干(Irisdomestica)、马蔺(Irislacteavar.chinensis)、麦冬(Ophiopogonjaponicus)、大花萱草(Hemerocallishybrida)、‘金娃娃’萱草(H.fulva'Golden Doll')、玉簪(Hostaplantaginea)。以上材料均为盆径>9 cm的园林绿化工程用苗，试验当年购于北京绿普方圆花卉科技有限公司。

1.3 试验设计

试验于2019年8-11月进行，为防止污染场地，在试验地设置4个特殊种植床：以金属架支撑起长480 cm×宽90 cm×高30 cm的防水帆布袋槽做成栽培床，内部依次铺设排水板、土工布、栽培土壤20 cm。8月11日种植植物，各栽培床中按相同方式栽植11种植物材料，每种10株/丛。隔2周待所有植物长势良好后，向4个栽培床均匀喷施99%的NiCl2·6H2O溶液，剂量为0、552.26、1 104.52、2 209.04 g，喷施前3天不浇水以确保土面干燥，进行充分松土、整平后，分多次将处理液均匀喷施于土面，最后用自来水喷淋植物表面，确保无处理液残留。4种处理CK、T1、T2、T3土壤重金属Ni含量分别为：26.99、539.78、1 028.83、1 545.58 mg·kg-1。栽培过程中，4组处理采用相同管理，同一般宿根常规管理。不定期浇水，保持田间持水量70%左右，除雨天覆盖透明雨布，防止植物被过度水淹和处理液被淋溶外，其他天气均露天栽培。11月12日，对所有植物进行生长状况评价，然后每个处理每种植物随机选取3株/丛进行采收，同时进行鲜样采集。土样采用梅花形布点法采取10个·床-1，单个土样>300 g。

1.4 样品处理与指标测定

光合色素含量：参照陈伟[11]的方法，95%乙醇提取，分光光度法测定。植物生物量：采收整株植物样品，先用自来水冲洗干净，后用去离子水润洗，在室内晾干后分成地上和地下两部分，105℃杀青30 min后于80℃烘箱烘干至恒重。称重得到生物量，干燥保存。重金属含量：土壤Ni含量采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，参照DZ/T 0279.3-2016区域地球化学样品分析方法 第3部分：钡、铍、铋等15个元素量[12]测定；植物Ni含量采用微波消解-电感耦合等离子体质谱法[13-14]，参照DD 2005-03生态地球化学评价样品分析技术要求[15]测定。土壤 pH 值：参照NY/T 1121.2-2006土壤检测[16]进行。

指标计算公式：耐性指数(TI)=处理组地上部干重/对照组地上部干重；死亡率(DR)=1-处理组存活数量/对照组存活数量；叶绿素比值=处理组叶绿素含量/对照组叶绿素含量；地上部富集系数(BCF)=地上部重金属质量分数/土壤重金属质量分数；转运系数(TF)=地上部重金属质量分数/地下部重金属质量分数；富集量=重金属含量×该部分生物量；分配系数=地上部富集量/整株富集量

1.5 数据处理与分析

使用Excel 2019和SPSS 25进行数据处理、统计分析和图表绘制。显著性分析采用Duncan多重比较法；对Ni胁迫下可存活的9种宿根植物进行Q型系统聚类分析，耐性特征选择耐性指数、死亡率和叶绿素比值3项指标，吸收选择地上部Ni含量、转运系数、富集系数和分配系数4项指标，原始数据标准化，聚类方法选择最远邻元素法，计算距离为平方欧氏距离。

2 结果与分析

2.1 11种植物对Ni的耐性特征

由表1可见，不同含Ni土壤中植物地上部干重变化。T1浓度下，1、5号死亡，其余9种植物能存活。其中7、8、9号地上、地下部干重均无显著变化；2、6号仅地上部分干重显著降低；3、4、10、11号地上、地下部分干重均显著降低。T2浓度下，1、4、5号死亡，其余8种植物存活。其中7号地上、地下部干重没有显著变化，2、3、6、8、9、10、11号地上、地下部分干重显著减少。而在T3浓度下，仅6、7、8号3种植物可存活，7号地下部干重无显著变化，7号地上部及6、8号地上和地下部干重显著下降。

表1 不同浓度Ni处理下植物地上、地下部分干重变化Table 1 The change of shoot and root dry weight at different Ni concentration treatments (g·株-1)

耐性指数(TI)为处理组与对照组地上部干重的比值，一般认为TI>0.5且植物长势良好时表示其对该胁迫耐性较好[17]。不同Ni处理下植物的TI和死亡率DR(表2)表明：T1浓度下有6种植物TI >0.5，死亡率最高仅20%；而11号受害较严重，1和5号无法存活。T2浓度下7,8号TI>0.5，死亡率最高仅10%；1、4、5号无法存活，其他植物损害严重。到T3浓度时，仅6、7、8号能存活，但也严重受损。

表2 不同浓度Ni处理下植物耐性指数和死亡率Table 2 Tolerance indexes and death rates under different Ni concentrations

由表3可见，不同浓度Ni胁迫下植物叶绿素含量变化。其中6号叶绿素含量在各处理浓度下均无显著变化；7、8号叶绿素含量在T1浓度下变化不显著，而在T2和T3浓度下显著降低；其他存活植物叶绿素含量均从T1开始显著下降，且随土壤Ni含量升高而显著降低。

表3 不同浓度Ni处理下植物叶绿素含量Table 3 Chlorophyll contents under different Ni concentrations

由图1可见，Ni胁迫下可存活的9种植物对Ni耐性的树状聚类情况，主要分为2大类：耐性较强植物包括3、9、8、6、7号；以7号马蔺耐性最好，在3种处理下的TI均最高，且在最高浓度时为0.77，远高于其他植物；其次6号射干的耐性也较高，在3种处理下叶绿素含量没有明显变化。而耐性较差的植物有2、11、10、4号；其中最差的是4号涝峪苔草，土壤浓度为T2时已无法存活。此外，在3个Ni浓度胁迫下均无法存活的绢毛匍匐委陵菜和荆芥(1、5号)显然是供试植物中耐性最差的种类。

注：选择耐性指数、死亡率和叶绿素比值3项指标。图1 9种植物耐Ni性的树状聚类图Fig.1 Dendrogram of Ni tolerance characteristics of 9 species of perennial plants

2.2 11种植物对Ni的吸收特性

各处理下可存活的9种植物地上、地下Ni含量见图2：各处理下9种植物地上、地下部Ni含量大多差异显著，呈现随土壤Ni含量增加而增加的趋势，具有明显的浓度效应。T1处理下有5种植物(2、3、4、7、11号)地上部Ni含量>50 mg·kg-1；Ni含量较高的有3、2、4号，地上和地下部Ni含量分别为246.12、190.2、146.65 mg·kg-1和 83.01、93.82、126.75 mg·kg-1。T2处理下，有7种植物(2、3、7、8、9、10、11号)地上部Ni含量>50 mg·kg-1；其中2,3号Ni含量较高，地上和地下部 Ni 含量分别为288.97、206.79 mg·kg-1和117.85、102.43 mg·kg-1。而 T3 处理下，3 种可存活植物地上部Ni含量均>50 mg·kg-1，7、8号地上和地下部Ni含量分别达到了546.03、457.88 mg·kg-1和279.33、379.50 mg·kg-1。然而各处理下所有植物地上部Ni含量均未达到超富集植物1 000 mg·kg-1的临界值。

富集系数(BCF)是植物地上部与土壤中重金属含量的比值。转运系数(TF)则是地上部与地下部重金属含量的比值，代表植物向上转移重金属的能力。由图3可见，各处理下9种植物地上部富集系数和转运系数变化情况。除T2处理下的6号外，其他植物处理组TF>1，具有较强的转运能力。T1处理下3、10、11号TF较高，约为3。T2处理下7号TF最高为3.43；6号TF最低为0.49；其他植物TF>2。T3处理下，7、8、6号TF依次为1.95、1.21、1.01。本试验条件下，所有植物BCF>1。T1处理下3、2、4号BCF相对较高，分别为0.46、0.35、0.27；7、11号0.1

注：小(大)写字母表各处理下植物地上(下)部Ni含量的差异性；(P<0.05,n=3)；不包含Ni胁迫下全部死亡的2种植物(下同)。图2 不同浓度Ni处理下植物地上部与地下部的Ni含量Fig.2 Shoot and root Ni accumulation under different Ni concentrations

注：小写字母表各处理下植物从地下部到地上部转运系数的差异性、大写字母表各处理下植物从土壤到体内富集系数的差异性；(P<0.05,n=3)。图3 不同浓度Ni处理下植物转运系数和地上部富集系数Fig.3 Translocation and shoot bioaccumulation factors under different Ni concentrations

对同种植物不同处理下的TF进行方差分析结果表明，除6号外其他植物TF都具有处理组>对照组的特点；其中4、6号TF随处理浓度增大而显著增大，2、9、10号TF随处理浓度增大而不显著增大，3、7、8号随处理浓度升高而先增大后减小，6号较特殊，TF随处理浓度增大而来回波动。对同种植物不同处理下的BCF进行方差分析显示：除9号BCF在CK最高且随土壤Ni浓度增大而持续减小外，其他植物BCF均在某一Ni胁迫下达到最高；如4、7、8、10号均在可耐受最高浓度下达到最高BCF，而2、3、6、11号都在可耐受最高浓度前达到最高BCF，均出现在T1浓度下。

Ni分配系数是植物地上部Ni富集量与全株Ni富集量的比值。由表4可见，不同浓度Ni胁迫下植物体内Ni的分配系数。其中，5种植物(2、3、7、11号)在Ni胁迫下分配系数均>0.5，即这些植物能将体内大部分Ni富集在地上部；8、10号也能在较低浓度时将体内大部分Ni富集在地上部；而6、9号分配系数始终<0.5。在T1处理下，3、4号分配系数最高，达到了0.93、0.88。T2处理下，3、7、2、8号分配系数最高，分别为0.89、0.86、0.81、0.75。T1处理下，7号分配系数最高，为0.8。

表4 不同浓度Ni处理下植物体内Ni分配系数Table 4 The distribution coefficient of Ni in plants under different Ni concentrations

由图4可见，Ni胁迫下可存活的9种植物Ni富集特征的树状聚类分析情况，第1类有7、8号，表现为在T3胁迫下具有较强的Ni富集能力；第2类为2、3号，表现为在T1和T2胁迫下均具有较强的Ni富集能力；第3类包括10、11、6、9、4号，表现为在Ni胁迫下富集能力较弱。此外，3种处理下均无法存活的绢毛匍匐委陵菜和荆芥(1、5号)在本试验中未表现出Ni富集能力。

注：选择地上部Ni含量、转运系数、富集系数和分配系数4项指标。图4 9种植物Ni积累特征的树状聚类图Fig.4 Dendrogram of Ni accumulation characteristics of 9 species of perennial plants

3 结论与讨论

以北京园林绿地为背景，评述了11种宿根植物对Ni胁迫的耐性和富集性。结果表明：青绿苔草、大花萱草、麦冬、射干和马蔺对Ni耐性较强；匍匐委陵菜、玉簪、‘金娃娃’萱草和涝峪苔草对Ni耐性较弱。马蔺和麦冬具有较强的Ni富集能力；匍匐委陵菜和青绿苔草次之；其他植物Ni富集能力均相对较弱。此外，青绿苔草、马蔺以及麦冬同时兼具有较强耐性和富集性；而绢毛匍匐委陵菜和荆芥在本试验条件下对Ni胁迫不具有耐性和富集性。

目前，筛选重金属污染土壤修复植物的方法主要有3种：野外调查-重金属浓度梯度法、特殊植物-重金属浓度梯度法和土壤种子库-重金属浓度梯度法。我国在Ni修复植物筛选方面研究较少，且主要采用野外调查-重金属浓度梯度法或单纯的野外调查法。如陆引罡等[18]在云南富镍地区发现车前草(Plantagoasiatica)能在含Ni 200 mg·kg-1的土壤中正常生长；魏雪芳等[19]在淮南市某煤矿复垦区发现车前草、狗尾草(Setariaviridis)和苦苣菜(Sonchusoleraceus) BCF>1。本研究采用特殊植物-重金属浓度梯度法，选择北京常用园林宿根植物进行筛选，能够快速而直接地获知其适用性。

3.1 11种植物对Ni的耐性特征

一般认为Ni含量>50 mg·kg-1且生长良好(TI>0.5)[17]的植物具有中度Ni耐性[20]。因此本试验中：T1处理下有4种植物(2、3、4、7号)具有中度Ni耐性；T2处理下有2种植物(7、8号)具有中度Ni耐性；T3处理下7号具有中度Ni耐性。而前文Ni耐性的树状聚类分析得到5种植物(3、6、7、8、9号)耐性较强。两处结果的差异表明：射干和大花萱草(6、9号)所表现出来的耐性为体外排斥型；匍匐委陵菜和涝峪苔草(2,4号)仅在T1浓度下具有较强耐性，T2浓度下受严重毒害。

光合作用是植物获取能量的重要方式，叶绿素含量与植物光合作用密切联系[21]。本研究中，除射干叶绿素含量在各个处理下没有显著变化，其他植物叶绿素含量均在Ni胁迫下显著下降。而射干的其他耐性特征并不突出。在试验中，供试植物中只有射干在Ni胁迫下出现了地上部先死亡后重新萌发的现象。其TI变化表明土壤Ni胁迫浓度越高，萌发越慢；但所有新萌发的地上部叶绿素含量均无显著差异，意味着射干经过地上部更新，耐性有所提升。而已有研究表明，适度刈割有利于紫花苜蓿保持较好生理状况，提高其Cd抗性[22]；但在该研究中，随着刈割次数增加叶绿素含量逐渐降低，与本试验射干的结果相反，这可能与射干并非Ni富集型植物而是Ni体外排斥型植物有关。地上部自然更新是宿根植物的特点，其他宿根植物是否也会因重新萌发而耐性增强，有待进一步研究。

3.2 11种植物对Ni的富集特征

Ni超富集植物需满足4个要求：1) 能够耐受较高浓度重金属毒害；2) 植物地上部重金属含量达到一定量，即1 000 mg·kg-1[23]；3) 植物地上部重金属含量>地下部，即TF>1；4) 在非污染或中等污染的土壤上也能富集重金属，其地上部含量>土壤含量，即BCF>1[24]。赵婷[25]研究表明，灯心草(Juncuseffusus)在300、600 mg·kg-1Ni处理下富集系数为0.12、0.11，转运系数为0.64、0.73。紫花苜蓿(Medicagosativa)在400、600 mg·kg-1Ni处理下，体内Ni含量>土壤Ni含量[26]。可见，我国尚未报道发现有Ni超富集植物，Ni富集植物也尚未有明确标准，但一般需满足上述条件1)和4)，仅有在Ni含量420.8 mg·kg-1的淤泥中能正常生长，叶片Ni含量933.1 mg·kg-1，叶片富集系数2.2，叶片转运系数3.3[10]的李氏禾能视为Ni的富集植物。因此在评价筛选本土Ni富集植物时，标准是否应适当降低值得进一步深入考虑。本研究中虽然并未出现BCF>1的Ni富集植物，但几乎所有处理组植物均有TF>1；而前人研究中，车前草、李氏禾、及灯心草也出现了在相同Ni胁迫下，TF>BCF的情况，这与植物对其他重金属(如镉)的响应有所不同。高转运能力是实现植物提取的前提之一，如果再通过进一步措施增加植物对Ni的吸收，那么植物Ni富集量将大大提高。