植物修复用伴矿景天种苗质量分级标准研究

戴艳娇，贺爱国，胡志鑫，柏连阳，赵硕，聂阳阳，陈锦*

（1.湖南省农业科学院，长沙 410125；2.长沙市重金属污染土壤植物修复技术创新中心，长沙 410125；3.湖南艾布鲁环保科技股份有限公司，长沙 410071）

伴矿景天（Sedum plumbizincicola）喜生于铅（Pb）、锌（Zn）矿区，具有镉（Cd）、Zn 超富集特性[1]，是土壤重金属修复常用植物之一，应用前景广阔[2-4]。研究发现，伴矿景天植株生物量及其Cd 含量并不受重复提取（种植）次数影响[5-6]，多茬种植可在2～3 年内使轻度Cd 污染酸性水稻田Cd 质量分数降低至风险筛选值（0.3 mg/kg）以下[7]，土壤中添加有机酸[8]、石海剂[9]或进行地膜覆盖[10]均可促进伴矿景天对Cd的吸收与累积。此外，种植伴矿景天可使土壤中细菌、真菌数量增加，脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性提高[11]；将伴矿景天与玉米[9]、小麦[12]、毛竹[13]等进行间作，在有效降低土壤Cd含量的同时可使作物生产不受影响或受影响较小[6]。可见，运用伴矿景天修复Cd 污染农田对于保障我国粮食安全具有重要意义。

景天属植物繁殖方法主要为种子繁殖和扦插繁殖，但其种子细小，存在采收困难、萌发条件复杂等缺点，故生产上多采用扦插繁殖培育种苗[14-15]。然而目前并未形成相应的种苗质量标准，导致种苗质量参差不齐，不利于Cd污染土壤修复过程标准化和机械化。在现有污染土壤修复实例中，伴矿景天种苗供应方案通常为“就地育苗，剪枝移栽”。该技术方案省时、简单，但剪枝移栽多在秋季，昼夜温差大，不利于插穗田间生根，且插穗成活率低；同时，待修复土壤所育种苗Cd 含量较高，若栽培成活率低，可能造成二次污染，增加技术风险。上述不足有望通过规范种苗质量标准得到有效解决。

为克服以上问题，研究人员尝试“集中育苗，带根移栽”，即在基质苗床集约化育苗，待秋季取苗后带根移栽，以此提高种苗移栽成活率。本研究通过异地集约化育苗，采用相关性分析、主成分分析、K-中心点聚类分析等方法对不同质量种苗进行分级，再利用不同等级种苗进行Cd 污染农田植物修复验证，讨论不同等级种苗修复效率差异，提出Cd 污染农田修复用伴矿景天种苗质量分级方案，为规范修复植物种苗供应市场，提升植物修复效率，实现农田修复过程标准化、机械化提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

伴矿景天种苗来源于农业农村部长江中游平原农业环境重点实验室环境修复植物种苗繁育基地（长沙市），为扦插繁殖30 d 的伴矿景天带根种苗，扦插时间为2019年12月。

验证试验土壤为湖南省某地休耕农田，修复实例土壤为江西省某地晚稻收获后的冬闲期农田，土壤基本性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physico-chemical properties of the test soils

1.2 试验方法

1.2.1 种苗质量测定项目与方法

对所取种苗（共150株）的苗高、茎粗、分枝数（种苗仅有一级分枝）、冠幅、地上部干物质量、地下部干物质量、生物量这7项指标进行测定并编号。一级分枝指从主茎上长出的分枝，二级分枝指从一级分枝上长出的分枝，三级分枝指从二级分枝上长出的分枝。用直尺测量苗高、冠幅，精确到0.1 cm；用游标卡尺测量茎粗，精确到0.01 cm。采集植株样后，分为地上部和地下部并用去离子水洗净，再于105 ℃条件下杀青2 h，80 ℃烘干至恒量，用电子天平（精确到0.000 1 g）称量，根据公式（1）计算生物量。生物量/g=地下部干物质量/g+地上部干物质量/g.（1）

1.2.2 种苗质量分级

对所测指标进行统计，分析各指标间相关性。分别对苗高、茎粗、分枝数、冠幅进行主成分分析和K-中心点聚类分析，结合生产中实际情况，根据聚类分析结果制定分级标准。

1.2.3 分级检验与修复实例

1）初步检验。计算标准制定时所用的同一批次种苗的壮苗指数，用生物量和壮苗指数2 项指标初步检验分级结果，其中壮苗指数按公式（2）[16]计算。2）验证试验。根据所制定的分级标准，对伴矿景天待出圃种苗进行分级，种苗按等级分别种植于湖南省某地休耕农田，共4个小区，各小区面积均为10 m2，行株距为30 cm×10 cm，密度为3.0×105株/hm2，种植90 d（种植时间2020 年1—4 月）后取样。3）修复实例。将Ⅰ、Ⅱ级苗混植于江西省某地晚稻收获后的冬闲期农田，种植面积为20 hm2，行株距为30 cm×20 cm，密度为1.5×105株/hm2，种植120 d（种植时间2020年1—5月）后取样。

壮苗指数=（茎粗/mm÷苗高/cm+地下部干物质量/g÷地上部干物质量/g）×生物量/g. （2）

1.2.4 Cd 含量测定及分析

根据环境保护标准《土壤和沉积物 12种金属元素的测定 王水提取-电感耦合等离子体质谱法》（HJ 803—2016）测定土壤总Cd 含量；采用HNO3-HClO4消解，电感耦合等离子体质谱法测定植株地上部的Cd含量。每公顷Cd净移除量按公式（3）计算。

Cd 净移除量/(g/hm2)=收获时单株地上部Cd 含量/(mg/kg)×10－3×收获时单株地上部干物质量/g×每公顷株数×成活率/%－移栽前单株地上部Cd 含量/(mg/kg)×10－3×移栽前单株地上部干物质量/g×每公顷株数. （3）

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007 软件对数据进行处理和绘图，采用最小显著差数法（least significant difference,LSD）对数据进行显著性检验，以P＜0.05 和P＜0.01表示差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 种苗形态指标测定结果分析

对种苗的苗高、冠幅、分枝数、茎粗和生物量进行测定，结果如表2 所示。其中：分枝数变异系数最大，为103.04%；其次是生物量、茎粗、苗高和冠幅，分别为56.70%、21.49%、20.60%和

表2 伴矿景天种苗农艺性状统计Table 2 Statistics of agronomic traits of S.plumbizincicola seedlings

17.00%。

对各指标进行相关性分析，结果如表3 所示。从中可以看出，各指标两两间存在极显著相关性，说明所选指标均能较好地反映种苗质量。考虑到生物量为破坏性取样检测所得结果，测量较其他指标复杂且耗时较长，故初步筛选苗高、冠幅、分枝数和茎粗为伴矿景天种苗质量标准指标。

表3 伴矿景天种苗农艺性状的相关性分析Table 3 Correlation analysis of agronomic traits of S.plumbizincicola seedlings

2.2 种苗主要形态指标的主成分分析

对伴矿景天种苗苗高、冠幅、分枝数和茎粗4个指标进行主成分分析，结果（表4）显示，前3 个特征值累计贡献率已达95.184%，说明前3 个主成分基本包含了全部的指标信息。取前3个特征值并计算出相应的特征向量。

表4 伴矿景天种苗质量指标主成分分析Table 4 Principal component analysis of quality index of S.plumbizincicola seedlings

前3个主成分分别为：

式中：X1为苗高，X2为冠幅，X3为分枝数，X4为茎粗。在第一主成分（F1）表达式中，除冠幅外，苗高、分枝数和茎粗的系数均较大，又因第一主成分的方差贡献率最高，故把苗高、分枝数和茎粗筛选为伴矿景天种苗分级的主要指标。

2.3 种苗质量分级结果

用SPSS 20.0 软件对伴矿景天种苗的苗高、分枝数和茎粗3 项指标进行K-中心点聚类分析，获得4 个聚类中心值（表5）。

表5 伴矿景天种苗分级最终聚类中心Table 5 Clustering centers of grading of S.plumbizincicola seedlings

根据伴矿景天种苗质量分级指标的最终聚类中心值，结合实际生产，将伴矿景天种苗分为4个等级，结果见表6。该分级标准遵循最低级原则，即当各等级中任何一项不达标，则降一级。

表6 伴矿景天种苗分级标准（农艺性状）Table 6 Grading standards for S.plumbizincicola seedlings(agronomic traits)

2.4 种苗质量分级标准检验

壮苗指数是衡量种苗素质的一个综合性指标，生物量与种苗健康、茁壮程度密切相关，但这2个指标均为破坏性取样，且测定过程较为复杂，不适于大田生产中快速、便捷地评价种苗等级，因此用壮苗指数和生物量对种苗分级标准合理与否进行初步检验。从表7中可知，随种苗等级数增加，壮苗指数和生物量下降，除Ⅲ级苗和Ⅳ级苗的壮苗指数、生物量差异不显著外，其余各等级种苗间壮苗指数与生物量的差异均达到极显著水平。

表7 不同等级伴矿景天种苗的壮苗指数和生物量Table 7 Sound seedling index and biomass of S.plumbizincicola seedlings with different grades

为进一步验证该分级标准的合理性，开展大田验证试验。根据分级标准对伴矿景天待出圃种苗进行分级，并按等级分别种植。种植90 d后统计成活率和地上部干物质量，结果（图1）表明：90 d后Ⅰ级苗地上部干物质量最大，Ⅱ级苗次之，Ⅲ级苗地上部干物质量为Ⅰ级苗的49%，Ⅳ级苗植株长势最差，其地上部干物质量仅为Ⅰ级苗的24%，不同等级种苗间地上部干物质量差异均达到显著水平。Ⅰ级苗和Ⅱ级苗成活率显著高于Ⅲ级、Ⅳ级苗，均达到98%以上，Ⅲ级苗成活率为93.96%，Ⅳ级苗成活率最低，仅为91.06%。说明不同等级种苗在生长方面差异很大，Ⅰ级和Ⅱ级苗成活率高，且分枝数、地上部干物质量较大。

图1 种植90 d后不同等级伴矿景天种苗地上部干物质量（A）及成活率（B）Fig.1 Shoot dry mass (A) and survival rate (B) of S. plum‐bizincicola seedlings with different grades after 90 d

进一步分析发现，分枝数是不同等级种苗地上部干物质量差异的主要原因（图2），具体表现为Ⅰ级和Ⅱ级苗的一级分枝数均在每株20个以上，相邻等级种苗的一级分枝数差异不显著，但Ⅰ级苗与Ⅲ级、Ⅳ级苗的一级分枝数差异分别达到显著和极显著水平，Ⅱ级与Ⅳ级苗的一级分枝数差异达到显著水平，其中Ⅳ级苗的一级分枝数仅为Ⅰ级苗的70%、Ⅱ级苗的76%；Ⅰ级苗的二级分枝数高于其他等级种苗，且差异均达到极显著水平，Ⅱ级与Ⅲ级苗的二级分枝数差异不显著，但均显著高于Ⅳ级苗，Ⅳ级苗的二级分枝数仅为Ⅰ级苗的18%、Ⅱ级苗的24%、Ⅲ级苗的27%；仅Ⅰ级、Ⅱ级苗有三级分枝，且差异达到极显著水平。就总分枝数而言，Ⅰ级苗的总分枝数最多且极显著高于其他等级苗，分别为Ⅱ级苗的1.4倍、Ⅲ级苗的1.6倍、Ⅳ级苗的3.6倍，其中Ⅱ级苗的总分枝数显著大于Ⅲ级、Ⅳ级苗，Ⅲ级与Ⅳ级苗的总分枝数差异亦达到极显著水平。

图2 种植90 d后不同等级伴矿景天种苗单株分枝情况Fig.2 Branches per plant of S. plumbizincicola seedlings with different grades after 90 d

此外，田间观察还发现，按种苗等级分批种植90 d后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级苗的冠幅分别为32、25、22、16 cm，同一级苗植株长势均一、一致性高，其中Ⅰ级苗已完全封行，Ⅱ级苗接近封行，Ⅲ级苗次之，Ⅳ级苗封行效果最差。

2.5 不同等级种苗修复效率比较

本研究制定的伴矿景天种苗分级标准中，所用Ⅰ～Ⅳ级苗苗期植株含Cd 量分别为3.10、3.06、3.13、3.09 mg/kg，不同等级苗期植株含Cd 量差异不显著，即用此标准进行分级并不影响苗期植株Cd 含量。不同等级种苗移栽90 d 后，植株Cd 含量与Cd 净移除量呈负相关，主要表现为：Ⅰ～Ⅳ级苗的植株Cd 含量逐渐增加，而90 d 内Cd 净移除量则表现为Ⅰ级＞Ⅱ级＞Ⅲ级＞Ⅳ级，除Ⅰ、Ⅱ级苗间差异不显著外，其余各等级种苗间均达到显著差异，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级苗的Cd 净移除量分别是Ⅳ级苗的3.9 倍、3.4 倍、2.0 倍（图3），故认为达到Ⅰ、Ⅱ级标准的种苗为优先推荐修复用种苗，Ⅲ级苗次之，Ⅳ级种苗或达不到Ⅳ级苗标准的种苗不作推荐。

2.6 种苗分级标准在修复实例中的应用

选择质量达到Ⅱ级及以上的种苗混植，应用于大面积（20 hm2）土壤修复。修复120 d后植株含Cd量为45.44 mg/kg，较验证试验中植株Cd含量低，其主要原因是土壤Cd含量差异较大。土壤中Cd含量越高，伴矿景天植株Cd 含量越高，验证试验土壤含Cd 量为2.38 mg/kg，修复90 d 后植株含Cd 量为63.93～71.86 mg/kg（图3）；而大面积土壤修复应用供试土壤含Cd量仅为0.45 mg/kg，故修复实例中植株Cd 含量较低，为45.44 mg/kg（表8）。此外，修复实例的种植密度（1.5×105株/hm2）仅为验证试验（3.0×105株/hm2）的一半，且种植时间较验证试验长30 d，因此其地上部干物质量显著高于验证试验Ⅰ级苗，Cd净移除量亦达到222.35 g/hm2（表8）。

图3 不同等级伴矿景天种苗修复90 d后Cd移除情况Fig.3 Shoot Cd uptake by S. plumbizincicola seedlings with different grades after 90 d of remediation

表8 修复120 d后伴矿景天Cd移除情况Table 8 Shoot Cd uptake by S.plumbizincicola after 120 d of remediation

2.7 种苗Cd含量的确定

根据本研究所制定的种苗标准，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级苗均可用于修复，若修复过程中种苗投入量为1.5×105株/hm2，则标准种苗干物质量为40～160 kg/hm2，其种苗和育苗基质用量大致相当于作物栽培过程中复合肥用量的2 倍，为防止修复过程中因种苗移栽死亡造成待修复农田二次污染事件的发生，需对种苗Cd 含量进行限定。参考国家标准《肥料中有毒有害物质的限量要求》（GB 38400—2019），无机肥料中总镉含量应不高于10 mg/kg。因此本研究认为，结合伴矿景天种苗培育生产实际，不论是何等级伴矿景天种苗，其含Cd量均应不高于5 mg/kg。结合农艺性状，本研究制定的伴矿景天种苗质量分级标准具体如表9所示。

表9 伴矿景天种苗质量分级标准Table 9 Quality grading standards for S.plumbizincicola seedlings

3 讨论

规模化种苗繁育难题是伴矿景天在农田重金属污染修复技术中推广应用的瓶颈之一[17]，其中种苗Cd含量高、移栽后成活率低、生长速度慢、修复效率低等是规模化种苗生产中常面临的问题。目前伴矿景天种苗繁育主要技术途径为扦插繁殖，扦插苗质量直接影响修复效果。制定种苗分级标准是伴矿景天规模化种苗繁育中必不可少的环节，也是提升修复效果的重要保障。壮苗指数是衡量种苗质量的综合性指标。本研究的分级标准中，茎粗、苗高是计算壮苗指数的主要指标，与壮苗指数呈正相关关系，分枝数与生物量呈正相关关系，随质量等级降低，种苗成活率降低，且茎粗渐细，株高渐矮，分枝数减少，说明质量等级越低，壮苗指数也越低，种苗质量越差。

本研究参考了其他植物种苗分级研究[18-21]，主要针对适合伴矿景天特征的数量性状进行测量，结合相关性分析、主成分分析和K-中心聚类分析法等，最终结合修复实际确定适宜修复的种苗质量标准。在植物修复过程中，地上部干物质量和重金属富集系数是决定重金属超富集植物修复能力、修复效率的关键指标[22]。科研人员曾通过添加生物质炭[23]、秸秆[24]、化肥[25]以及地膜覆盖[10]等方法增加修复植物地上部干物质量，最终达到提高修复效率的目的。然而，不同生长环境下伴矿景天长势差异较大[26]，甚至相同种植环境其修复效率也存在差异[5-7]，因此，通过种苗质量分级筛选出地上部干物质量发展潜力较大的种苗，可较大程度地提高修复效率，保证修复效果。从本研究的验证试验结果可以看出，伴矿景天种植90 d后，Ⅰ～Ⅳ级苗的成活率、地上部干物质量均显著降低，说明本研究所制定的标准可较好地鉴别、筛选出修复效率潜力高的伴矿景天种苗。此外，茎粗、分枝数、苗高均为表观农艺性状，其测量方便且无损，易于实践操作，是区分种苗质量等级的适宜指标。

伴矿景天为修复用植物，其种植目的为修复重金属污染土壤，因此筛选出修复成本低、时间短、效率高的种苗是制定分级标准的最终目标。本研究中，各级种苗Cd 含量和移栽90 d 后植株Cd 含量差异均不显著，但受地上部干物质量影响，Ⅰ～Ⅲ级苗90 d内Cd净移除量均为Ⅳ级苗的2倍以上，在Ⅰ、Ⅱ级苗混合种植的大面积土壤修复应用中，120 d 内Cd净移除量高达222.35 g/hm2。对比前人进行的田间修复研究发现，不同研究中伴矿景天修复效果差异很大，甚至同一研究中相同种植环境下其修复效果亦存在较大差异[5,7]。栽培环境、管理措施和种苗Cd含量差异大是不同研究中修复效果差异大的主要原因，而相同栽培环境和管理措施下修复效率差异大的主要原因则是种苗质量参差不齐，主要包括种苗长势不一致和种苗Cd 含量差异大。从表10 可看出，在种植密度低于或与前人种植密度相同的情况下，本研究中Ⅰ、Ⅱ级苗3个月内的修复效果达到或高于前人研究中6～8 个月的修复效果，且Ⅰ、Ⅱ级苗混合种植4 个月的修复效果更好，可见种苗质量好不但能有效提高修复效率，还能降低修复成本、缩短修复时间，因此规范种苗质量意义重大。

表10 不同栽培条件下伴矿景天修复效果Table 10 Remediation effects of S.plumbizincicola planted in different cultivation conditions

与杂草相比，伴矿景天苗期肥水竞争力弱，若苗期杂草过多则其长势不佳易死亡，在造成修复效率低的同时增加了修复成本，易造成二次污染。本研究发现，种苗质量等级越高，栽培后封行成苗越快，越有利于抑制杂草生长。相较Ⅳ级苗而言，用Ⅰ、Ⅱ级苗进行修复时，仅需移栽后第6—8 周除草1 次，10 周以后完成封行，每季可节省除草用工约2 人次/667 m2，Ⅲ级苗分别在移栽后第6—8 周和12 周各除草1 次，14 周以后完成封行，每季可节省除草用工约1人次/667 m2，既可有效节约人工成本，又能减少或避免施用除草剂。此外，伴矿景天的Cd净移除量不但与种植密度及收获时植株Cd 含量有关，还与种苗Cd含量呈显著负相关，较低的种苗Cd含量更有利于植株Cd 的累积，宜于提高修复效率，同时可有效避免种苗死亡带入Cd 导致的二次污染事件，因此种苗Cd含量应作为种苗分级标准之一。

目前对伴矿景天的研究多集中于修复机制及修复效率的提高等方面，有关其种苗繁育的报道较少。鉴于当前伴矿景天种苗繁育主要技术途径为扦插繁殖，本研究以伴矿景天扦插苗为研究对象，通过制定伴矿景天种苗质量分级标准，明确了各级种苗的具体数量性状、质量性状指标，并以此为依据筛选种苗，对判断种苗质量、培育壮苗、种苗规模化生产及机械化种植等具有重要指导意义。

4 结论

伴矿景天是Cd污染土壤常用修复植物，本研究以提高修复效率为目标，根据伴矿景天种苗农艺性状指标及种苗Cd含量将其分为4级，其中质量达到或高于Ⅱ级苗（茎粗≥5.0 mm，单株分枝数≥2个，苗高≥6.0 cm，种苗含Cd量≤5 mg/kg），为优先推荐修复用种苗，Ⅲ级苗次之，低于Ⅲ级苗标准则不建议用于修复。根据本标准筛选的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级苗种植后成长迅速、封行快，种植90 d 后Cd 净移除量分别是Ⅳ级苗的3.9 倍、3.4 倍、2.0 倍，其中Ⅰ、Ⅱ级苗90 d 内Cd 净移除量均超过200 g/hm2，修复效率远高于不分级直接种植的种苗。伴矿景天种苗质量分级标准的制定将有利于规范出圃苗质量，解决规模化种苗繁育中所面临的种苗Cd含量高、移栽后成活率低、生长速度慢、修复效率低、栽培成本高等问题，对提高修复效果至关重要，可为将来实现农田修复的规范化、标准化提供依据。