不同多年生黑麦草品种对土壤镉和砷吸收积累差异研究*

姜 娜，杨 姝，杨京民，李 元，祖艳群

（1.云南农业大学 动物科学技术学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201；3.云南农业大学 理学院，云南 昆明 650201）

土壤重金属污染是十分严峻的问题。砷（As）和镉（Cd）是公认的剧毒元素，分别在2019 年美国有毒物质和疾病登记署有害物质优先清单中排名第1 和第7[1]。重金属Cd 和As 都是植物非必需元素，通过土壤向植物迁移，导致农作物减产，并可能通过食物链在人体内蓄积[2]，影响人体健康和安全。Cd 和As 复合污染土壤上农作物种植问题受到越来越多的关注，已经成为人类和动物健康的安全隐患。

针对 Cd 和 As 单一重金属胁迫下品种筛选的研究较多，且多集中于水稻等粮食作物和蔬菜作物[3-4]。在牧草上，杨姝等[5]通过对云南某铅锌矿区7 个紫花苜蓿品种积累特征研究发现：游客（Eureka）为 Cd 高积累品种，四季旺（Siriver）为Cd 低积累品种，并综合应用于矿区与农田不同程度的污染土壤治理。利用牧草对重金属积累能力的不同，筛选并种植重金属积累有差异的品种，是治理土壤重金属污染和保障食品安全的有效策略[6]。多年生黑麦草（Lolium perenneL.）是禾本科黑麦草属草本植物，易于栽培，可以刈割多茬，饲喂家畜的成本较低，具有较高的经济生产价值。其根系强大，根际密集，分蘖能力强，可以迅速覆盖地面[7-8]，且抗逆能力强，耐贫瘠，生态阈值广，能在恶劣的环境中生长，甚至在寸草不生的尾矿地都能生长[9]。有研究表明：多年生黑麦草对Cu、Pb 和Zn 都具有一定的富集能力[10]；GHOLINEJAD 等[11]研究也表明：多年生黑麦草具有较强的富集Pb 能力，可播种于重金属污染的土地上。而关于 Cd 和As 复合污染土壤上多年生黑麦草品种的筛选研究尚未报道。本研究分析31 个多年生黑麦草品种在 Cd 和As 复合污染土壤中的吸收、富集和转运特征以及积累能力，以期筛选出用于 Cd 和As 污染土壤修复的多年生黑麦草品种，为深入研究植物修复机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料和生长条件

供试材料为31 个多年生黑麦草品种（表1）。挑选大小一致且籽粒饱满的种子，用10% H2O2表面消毒 10 min，再用蒸馏水冲洗多次后晾干备用。

表1 不同多年生黑麦草品种名称、产地及来源Tab.1 The name,native and sources of different cultivars of perennial ryegrass

1.2 试验设计

试验于2020 年9—10 月在云南农业大学资源与环境学院试验基地温室大棚进行。各多年生黑麦草品种以盆栽土培的方式进行种植。花盆高19.3 cm，口内径25.4 cm，外口径29.5 cm，每盆装土3 kg。每个品种种植3 盆（3 次重复），播种量为50 粒/盆，共计93 盆。常规栽培管理，出苗后30 d 收获植物。试验过程中每天及时补充土壤水分，同时为了防止浇水造成土壤重金属Cd 和As 流失，在每个花盆下面放置塑料托盘，每次浇水后将渗出的水溶液再倒回花盆。

土壤取自云南省个旧市某Cd 和As 复合污染地区农用地。土壤基本理化性质为：pH 7.64～8.19，有机质含量40.26 g/kg，全氮含量2.54 g/kg，全磷含量1.36 g/kg，全钾含量2.26 g/kg，碱解氮含量142.23 mg/kg，速效磷含量179.50 mg/g，速效钾含量178.91 mg/kg，Cd 含量4.64 mg/kg，As含量227.85 mg/kg。

1.3 指标测定

1.3.1 株高、根长和生物量测定

分别用直尺测量31 个品种的株高和根长，并称其质量，即为鲜质量。用去离子水清洗后，在 105 ℃杀青30 min，于 75 ℃烘箱中烘干至恒质量并称量，即为生物量（干质量）。

1.3.2 植物Cd 和As 含量测定

分别将31 个品种多年生黑麦草的根部和地上部干样研磨至粉末状，保存备用。

Cd 含量测定：称取 0.2 g 样品置于聚四氟乙烯高压罐中，加入体积比为3∶1 的HNO3—H2O2溶液8 mL，于145 ℃条件下消化 4 h，冷却后定容，过滤，用火焰原子吸收光谱（Thermo ICE 3000 系列，美国）测定[12]。

As 含量测定：称取 0.2 g 样品置于聚四氟乙烯高压罐中，加入HNO35 mL 静置过夜，于145 ℃条件下消化 4 h，冷却后定容，过滤；向待测液中加入HCl 3 mL 和硫脲+抗坏血酸混合溶液5 mL，反应30 min，用原子荧光光谱仪（海光AFS-9710，中国）测定[12]。

1.4 积累特征差异及富集能力评价

用变异系数表示各观测性状的变异程度：

变异系数（CV）=标准差/平均值。

生物富集系数（BCF）和转运系数（TF）计算公式为[13-14]：

式中：Cshoot为地上部重金属含量，mg/kg；Croot为多年生黑麦草根部重金属含量，mg/kg；Csoil为土壤重金属含量，mg/kg。

采用隶属函数法[15]对31 个多年生黑麦草的生物量及地上部和地下部Cd 和As 富集系数进行综合评价。

式中：X（µ）为隶属函数值；X为重金属胁迫处理下某指标的相对值；Xmax为该指标的最大值；Xmin为该指标的最小值。若某一指标与富集能力呈正相关，用公式（1）计算；若呈负相关，用公式（2）计算。

1.5 数据分析

采用SPSS 20 软件进行数据分析，数据结果用“平均值±标准误”表示（n=3），差异显著性采用Duncan 检验法（P＜0.05）；采用组内平均联接法对不同多年生黑麦草品种Cd 和As 积累量进行聚类分析；采用Excel 2010 制作图表并进行隶属函数分析。

2 结果与分析

2.1 多年生黑麦草株高、根长及生物量的差异

不同多年生黑麦草品种间的株高、根长和生物量存在差异（图1），品种间株高、根长、地上部生物量和根部生物量的最大相差倍数分别达1.96 倍、1.95 倍、4.8 倍和6.5 倍。其中，株高指标中排名前3 位的为LC、YQ 和DN，排名后3 位的为SD、JP 和ZL。在根长指标中排名前3 位的为MD、HW 和TY，排名后3 位的为ML、LJ 和TL。以地上部和根部生物量为指标，地上部生物量较高的为LD、JG和YQ；根部生物量较高的为 MSL、TYD 和MD。总体来看，在Cd 和As 复合污染土壤中，LD、YQ 和HW 生长状况较好，SD、JP 和LT 生长状况较差。

图1 31 个多年生黑麦草品种的株高、根长和单株生物量Fig.1 Plant height,root length and per plant biomass of 31 cultivars of perennial ryegrass

2.2 多年生黑麦草地上部和根部的Cd 和As 含量

由图2 可知：地上部Cd 含量最高的品种为YY（4.91 mg/kg），最低的为WNS（2.15 mg/kg）；根部Cd 含量最高的为ZL（27.16 mg/kg），最低的为LD（7.63 mg/kg）。根部Cd 含量显著高于地上部，ZL 地上部与根部Cd 含量差异达8.97 倍（P＜0.05）。说明多年生黑麦草对重金属Cd 的吸收能力较强，对Cd 的富集主要集中在根部。采用GB 13078—2017[16]进行饲用安全性评价，所有多年生黑麦草品种地上部Cd 含量均超过饲用标准限值（Cd≤1 mg/kg）。

由图2 还可知：地上部As 含量最高的为DPB（14.17 mg/kg），最低的为YY（1.90 mg/kg）；根部As 含量最高的为ML（77.24 mg/kg），最低的为AST（18.60 mg/kg）。根部As 含量较高，LC 地上部与根部As 含量差异达29.04 倍（P＜0.05）。说明多年生黑麦草的根部对重金属As 的吸收能力较强。采用GB 13078—2017[16]进行饲用安全性评价，31 个品种中WNS、YQ、TL、SD、JP、CDZ、NY、LC、MK、YY 和MSL 的地上部As 含量均达到饲用标准（As≤4 mg/kg）。

图2 31 个多年生黑麦草品种的Cd 和As 含量Fig.2 Content of Cd and As in shoot and root of 31 cultivars of perennial ryegrass

2.3 多年生黑麦草Cd 和As 积累特征

由表2 可知：多年生黑麦草植株Cd 和As 的总积累量均值分别为168.917 和357.059 mg/kg，且不同品种间积累差异较大，其变异系数分别可达0.305 和0.504。不同多年生黑麦草品种各指标的变异系数范围为0.113～0.508，其中根冠比以及Cd 和As 总积累量的变异系数较高；变异系数最小的是含水率，仅为0.113，表明该物种在Cd 和As 复合胁迫下含水率较为稳定。

表2 多年生黑麦草Cd、As 积累量及形态生理指标分析Tab.2 Analysis of Cd and As accumulation and morphophysiological indexes in perennial ryegrass

由表3 可知：不同多年生黑麦草品种间Cd 和As 含量比值差异较大，地上部和根部比值范围分别在0.304～2.589 和0.123～1.268，差异分别达到8.52 倍和10.31 倍。地上部Cd 富集系数为0.464～1.058，富集系数＞1 的品种分别为YQ、YY 和HW，根部Cd 富集系数为1.644～5.855；地上部As 富集系数为0.012～0.090，根部As 富集系数为0.119～0.493，说明多年生黑麦草对Cd的富集能力较强，对As 的富集能力较弱。31 个多年生黑麦草品种对Cd 的转运系数为0.112～0.516，对As 的转运系数为0.034～0.438，转运系数均＜1，表明多年生黑麦草对Cd 和As 的积累主要集中于根部，对Cd 的转运能力更强。

表3 不同多年生黑麦草品种Cd 和As 的富集与转运Tab.3 Bioconcentration and translocation factor of Cd and As in different cultivars of perennial ryegrass

2.4 不同多年生黑麦草品种Cd 和As 积累能力排名及综合评价

2.4.1 多年生黑麦草Cd 和As 积累量的聚类分析

由图3 可知：对不同多年生黑麦草品种Cd 和As 积累量进行聚类分析，可将31 个多年生黑麦草品种聚为三大类 。第I 类有7 种，分别为ML、HW、LD、MSL、DPB、TYD 和MLU，为高镉、砷积累类群；第II 类有11 种，分别为SS、TY、LC、YM、JG、MS、MK、MD、QH、GS 和YQ，为中镉、砷积累类群；第III 类有13 种，分别为TL、JP、ZL、LT、AST、NY、YY、DN、PKW、WNS、SD、LJ 和CDZ，为低镉、砷积累类群。

图3 31 个多年生黑麦草品种Cd 和As 积累能力聚类图Fig.3 Cluster analysis plot of the cumulative abilities of Cd and As for 31 cultivars of perennial ryegrass

2.4.2 不同多年生黑麦草品种对Cd 和As 污染土壤的修复潜力及综合评价

利用隶属函数对31 个多年生黑麦草品种的Cd 和As 富集系数及生物量进行富集能力的排名（表4），得分排名前3 的品种为HW、DPB 和ML，具有对Cd 和As 复合污染土壤的修复潜力；得分较低的品种为JP、CDZ 和TL，从土壤富集Cd 和As 的能力最弱。

表4 不同多年生黑麦草品种Cd 和As 富集能力综合评价Tab.4 Comprehensive evaluation of Cd and As enrichment capacity between 31 cultivars of perennial ryegrass

3 讨论

目前，多年生黑麦草在Cd 胁迫下的研究较多，而Cd 和As 复合胁迫下多年生黑麦草品种间差异研究鲜有报道，相比于龙葵（Solanum ni-grumL.）和蜈蚣草（Pteris vittataL.）等超富集野生植物，多年生黑麦草易栽培、生物量稳定、实际应用价值高，因此，筛选出合适的品种应用于Cd 和As 复合污染土壤治理对农业可持续发展具有十分重要的实际意义和价值。本研究中，31 个多年生黑麦草品种在Cd 和As 含量分别为4.64和227.85 mg/kg 复合污染土壤中均能正常生长，表现出较强的耐性和抗逆性。31 个多年生黑麦草品种的生长状况不尽相同，Cd 和As 积累量以及根冠比变异系数较大。KOVÁČIK 等[17]研究证实植物对重金属的摄入与植物的种类和品种有关。植物基因的多样性会导致重金属积累存在明显的种间或种内差异[18]。植物对重金属的摄入不仅因种类不同，还因部位不同而导致积累量也不同。本研究表明：31 个多年生黑麦草品种中，Cd 和As 的含量均表现为根部＞地上部，根部是重金属的主要富集部位，且对重金属 Cd 有更强的积累能力。这与金卓君等[19]对2 种黑麦草Cd 富集的研究结果相反，这可能是由于不同品种的积累特性导致；而本试验结果与HUI 等[20]的研究结果一致。分析多年生黑麦草根部重金属含量更高的原因可能为：第一，植物根系存在多种离子的载体蛋白，每种离子与其相应的载体蛋白（转运子）结合，借助代谢能量离子被转运到细胞内，由于中间限制向上运输，在一定程度上将Cd 滞留在根系，缓解Cd 对地上部的伤害，这也是多年生黑麦草自身的一种调节机制[21]；第二，由于阻隔作用，多年生黑麦草的根皮层阻止重金属向植物地

上部传播，根细胞的细胞壁较薄，重金属在根尖位置的积累量最大[11,22]。植物根系与地上部生理生态关系密切，从根系到地上部比地上部到根系的系统诱导效应普遍[23]。

BCF 和TF 是植物修复的决定性参数，为金属在根部的吸收、储存和转运到地上部提供了依据[10]。NETTY 等[24]认为：BCF 值为1～10 是超积累植物，BCF 值为0.1～1 是中度积累植物，BCF 值为0.01～0.1 是低积累植物，BCF 值＜0.01为非积累植物。本研究中31 个多年生黑麦草品种对Cd 和As 的转运系数均小于1，对Cd 的富集能力高于As，且根部对Cd 的富集系数均大于1，可以证实多年生黑麦草为Cd 的超积累植物[25-26]。LOU 等[27]研究表明：多年生黑麦草对Cd 和Pb 复合胁迫具有一定的耐性和高积累能力，但对Cd 的吸收优先于Pb。本研究表明：多年生黑麦草对Cd 的富集高于As，与其结论相似。Cd 和As 由于化学性质不同，受土壤pH 值、Eh 值和微量元素等影响较大。与单一污染相比，复合污染下植物吸收Cd 和As 的机理更为复杂。有研究报道：某种黑麦草属植物地上部Cu 含量受土壤中Zn 和Si 的抑制，但Zn 和Si 促进了其根部Cu 含量增加；Zn 的活性随着土壤中Cu 和Si 投加量的提高而增大；Cd 的活性受到Cu 和Zn 的抑制[28]。SUN 等[29]研究表明：Cd 和As 复合胁迫显著抑制了龙葵根和地上部对Cd 和As 的吸收。在本试验中，是否存在重金属As 在复合污染中促进多年生黑麦草根部Cd 含量的增加？Cd 和As 复合胁迫对植物根系结合部位的拮抗作用是否影响重金属吸收过程？这些问题仍待进一步探究。

本研究中，HW、DPB 和ML 在31 个品种富集能力综合评价排名前3，其Cd 和As 含量虽不是31 个品种中最高的，但生物量达到了平均水平之上；而富集能力排名最低的是JP，其生物量较低，明显限制了植株对Cd 和As 的富集能力。因此，生物量是影响富集能力的重要因素之一。综合本研究结果，多年生黑麦草品种积累能力聚类与隶属函数值排名结果相吻合，排名前3 的品种均聚类于高积累类群。其中，低积累的品种未来可进行相关育种研究，找出调控低积累的关键基因，培育出新型的Cd 和As 低积累但生物量大的饲用品种应用于轻度污染土壤。

本研究以Cd 和As 复合胁迫为出发点，较以往多为单一金属胁迫有更进一步的研究，试验材料为多年生黑麦草，较其他物种更易栽培获得，但目前对多品种的研究较少。本研究旨在筛选出有积累差异特性的多年生黑麦草品种应用于重金属污染土壤。李松克等[30]研究多年生黑麦草不同种植年限对土壤重金属的影响，发现随着种植年限增加，土壤中重金属含量逐渐减少。从其多年生长习性考虑，随着生长年限的延长，牧草刈割次数增多，重金属被带走，多年生黑麦草体内积累的重金属量也会随之降低。本试验结果基于盆栽试验，具有一定的局限性。今后可结合其多年生长习性考虑，进一步验证田间条件下多年生黑麦草品种间的积累特性差异；另外，随着多年生长后，多年生黑麦草能否达到饲用标准、成为优质的牧草使用，也亟需研究。

4 结论

多年生黑麦草属于Cd 超积累植物，根部是多年生黑麦草主要的Cd 富集器官，富集系数均大于1。31 个多年生黑麦草品种对重金属Cd 的富集能力和转运系数高于As。其中，金牌（Turfgold）、充电桩（Charger II）和泰绿（Royal Green）对Cd和As 富集能力较弱，具有低积累牧草种植利用的潜力；海湾（Bay）、大瀑布（Nicaragua）和墨绿（Holly Green）富集能力较强，对Cd 和As 污染土壤具有一定的修复潜力，可综合运用于矿区周边Cd 和As 复合污染土壤的治理。