少花龍葵與蘆薈間種對鎘脅迫的效應

何彩甄，王建煌，裴 婕，陳穎芝，李文浩，付善明

(廣州大學環境科學與工程學院，廣東廣州 510006)

植物間種對自然資源如光能、熱量、水分等利用更充分，多種植物組合修復污染土壤是一條行之有效的新途徑，是污染土壤利用的新思路［1］。龍葵生物量較大、生態適應性較廣，為我國傳統的中草藥，是廣東民間常用的地產藥材，其抗腫瘤作用近年來引起國內外學者廣泛關注。有研究表明在鎘污染濃度較低的(＜50 mgCdCl2/kg)沙土，少花龍葵仍較旺盛地生長，對輕度的鎘污染有一定的耐性，為新的重金屬超富集植物［2－5］。郭智等研究表明鎘脅迫下，龍葵幼苗生長受到一定程度的抑制，且具有濃度效應和時間效應［6］。蘆薈的應用溯源已久，現被廣泛應用于各類飲食、保健、醫療、化妝、環境等領域。據調查，種植蘆薈經濟效益好。蘆薈被認為是新興的經濟作物［7－9］。筆者采用土壤培養方法研究一定濃度鎘的土壤中少花龍葵與蘆薈間種模式下鎘的分布，考察間種模式下對少花龍葵鎘的積累影響，研究其中機理，以中草藥綠色行標對2種植物在低濃度下的鎘土壤的種植進行風險評價，并為南方低濃度鎘土壤的利用提供建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 少花龍葵(S.photeinocarpum Nakamura)，又名苦涼菜、苦纖纖等。庫拉索蘆薈(Aloe vera L.)購自蘆薈培養基地，每株長約10 cm，5～6片葉。試驗土壤為砂質土壤，試驗區域為長50 cm、寬40 cm、厚20 cm的土壤層。試驗用水為去離子水。

1.2 試驗材料的培養 試驗所用材料采用腐熟土壤分塊法于溫度、濕度、陽光可控的溫房內培養。試驗原土采自廣州大學附近的耕地，將原土過80 mm篩后，按比例加入營養土、雞糞、有機機質、水等腐熟，再用不同濃度的CdNO3澆灌至土壤鎘濃度穩定而成，平均劃分數個區域。將處理好的少花龍葵子播種在濕潤的基質土中，待幼苗長到適當高度(10～15 cm)，按預設計方案移栽至制備好的土壤上繼續培養。單種少花龍葵18株，單種蘆薈18株，蘆薈/印度芥菜組的蘆薈與印度芥菜各9株，相間而種，以3行、每行6株種植，株距約為7 cm。保持土壤濕度約為40% ～50%，在室內20～30℃溫度下生長，記錄植物生長情況。植物生長約100 d后收獲。

1.3 樣品處理與分析 應用常規法對試驗材料長勢觀察。稱量葉片鮮重后，在70～80℃條件下烘干至恒重，干燥冷卻后稱量干重。將根部泥土消除干凈，并用去離子水清洗葉片、莖和根，晾干。植物葉子樣品置于105℃的烘箱中烘15 min以終止樣品中酶的活動，再降低烘箱的溫度，維持在70～80℃，直到烘至恒重。用研缽磨碎，稱取樣品1.0 g，用鹽酸、氫氟酸、硝酸混合液進行消解5～6 h，保持溫度，至白煙冒盡，溶液澄清透明，用去離子水定容至25 ml比色管。以1∶9的比例用稀硝酸稀釋，待測。同時作試劑空白。測定儀器為ICP－MS質譜儀，對待測樣品進行鎘元素含量的測定。土壤基本理化性質的測定方法按土壤農化常規分析法測定［10］，采用Microsoft Excel 2007統計分析軟件對試驗數據進行統計處理和分析。

1.4 試驗設計 該試驗設有3個試驗組，在此把間種的少花龍葵和蘆薈表示為LK(間)和LH(間)，把單種的少花龍葵和蘆薈表示為LK(單)和LH(單)。土壤鎘含量的預估值與實際值如表1所示。

表1 土壤鎘含量

2 結果與分析

2.1 植物性狀 該試驗中，在加入鎘2 d后，少花龍葵葉片出現失綠癥狀，B、C試驗組逐漸出現新葉黃化、黃斑、蜷曲甚至枯落;生長5 d后，新枝開始蔫化，生長緩慢。Cd對少花龍葵生長的抑制較明顯，其原因可能是鎘是以溶液形式加入的，上層土壤鎘的含量比實際加入量高。生長期的少花龍葵對鎘的抵抗能力不強，因此抑制了少花龍葵的生長。加入鎘13 d后失綠癥狀有所減緩，新的葉子開始長出來，之前出現黃斑的葉子開始復綠;30 d后，各組少花龍葵生長正常，差異逐漸明顯，對Cd的抵抗開始有所表現。蘆薈對鎘的加入，生長形狀基本沒變化。

由表2和圖1可見，少花龍葵的平均株高在70～80 cm。鎘脅迫對其株高影響不大，但對鮮重有影響。該試驗中隨著鎘處理濃度增加，少花龍葵的株高總體呈上升趨勢，鎘處理濃度為7.05 mg/kg時，平均株高最大;鎘處理濃度0.08～0.60 mg/kg時，間種模式少花龍葵的平均株高大于單種模式約7 cm。這可能溫房方位及朝向影響里面的陽光分布，植物因獲得有區別的光照，也可能因為兩植物間種具有一定種間影響而呈現株高的差異。單種時少花龍葵的平均鮮重隨著鎘處理濃度的增加而增加，間種時則相反。在C試驗組，單種高于間種17.18 g。蘆薈總體的株高與平均鮮重變化不大，平均株高均在20～25 cm。在鎘處理濃度0.08～0.60 mg/kg時，蘆薈的平均鮮重單種比間種高，間種時隨著鎘處理濃度的增加而增加。

表2 少花龍葵的生長性狀

少花龍葵的單位葉面積隨著鎘處理濃度的增加有所降低，且單種高于間種，在B試驗組，間種和單種的平均葉子鮮重均達最大值;2種種植方式下，少花龍葵的葉綠素a、葉綠素b與葉綠素總量在不同鎘處理濃度的試驗組中差異并不明顯，僅間種的葉綠素總量略高于單種。

2.2 土壤理化性質 土壤的有機質百分含量在6.40%～8.00%(圖2)。C試驗組相對其他兩組較高。焦文濤等研究表明土壤有機質含量與Cd2+的吸附量大小有關系［11］。各組植物根際土的pH總體分布在5.60～6.02。有關土壤對鎘的吸附解吸行為及其影響因素的研究報告，認為pH和有機質是主要的影響因素。pH主要通過影響土壤表面電荷性質和鎘離子的存在形態而影響鎘離子的吸附;有機質則主要是通過改變土壤表面負電荷數量以及與鎘離子發生不同的化學反應而起作用［12－18］。土壤體系的pH升高，其中的粘土礦物、水合氧化物和有機質表面的負電荷增加，對鎘離子的吸附力增強，同時Cd2+在氧化物表面的專性吸附、土壤有機質－金屬絡合物的穩定性隨pH升高而增強。有研究表明，土壤的鎘質量分數很大時，土壤pH對水溶態鎘影響極小，水溶態鎘土壤受總鎘量控制，對此有文獻［17，19］稱之為容量控制相。高pH和高含量的土壤有機質可以有效抑制Cd2+的解吸［11］，即更有利于Cd2+被土壤吸附，不容易轉移至植物體內。該試驗結果與以上提及有關結論［11－19］相符合。該試驗中，植物葉子鎘濃度高的土壤pH集中在5.75～5.90，土壤有機質百分比含量較高，大于7.31%。該試驗植物的根際土理化性質差異并不是特別明顯，對植物吸收鎘有一定影響。

2.3 植物鮮葉鎘濃度 由表3和圖3可知，在A組，2種種植模式下的植物葉子鎘濃度均低。少花龍葵的葉子隔濃度均呈上升趨勢，在C組時均達到最高濃度且間種高于單種，間種1.70 mg/kg、單種1.28 mg/kg，但在B組中單種是間種的1.8倍。

B組中少花龍葵的根際土鎘濃度間種比單種高1倍，但葉子鎘濃度低于單種45%，此時蘆薈的葉子鎘濃度間種是單種2.21倍。由此可知間種促使蘆薈吸收了一定量鎘，而少花龍葵減少了對鎘的吸收。C組中少花龍葵的根際土鎘濃度間種比單種低55.2%，葉子鎘濃度高于單種32.3%。這可能與土壤中活化的鎘有關。有研究指出，植物吸收土壤中重金屬受重金屬的溶劑度、遷移能力以及重金屬從植物根系向地上部轉運的效率控制，活化的重金屬更容易被吸收［20］。鎘處理濃度較高時，可能是少花龍葵受脅迫而通過吸收鎘至體內來降低根附近的鎘濃度。

與前人研究結果一致，蘆薈中重金屬的積累隨土壤中重金屬含量增加而增加，主要在葉部積累［21］。以A組至C組來看，間種的蘆薈從0.19 mg/kg緩慢增加至0.31 mg/kg;B組間種的蘆薈比單種高，而B組至C組，葉子鎘濃度從0.12 mg/kg增至0.74 mg/kg，增加幅度相對間種較大(表3)。

表3 葉子的鎘

以A組至B組來看，鎘處理濃度增加約60%，少花龍葵的鎘增加趨勢效應間種比單種弱166.23%，蘆薈則增強47.14%;以B組至C組來看，處理濃度增加約11倍，少花龍葵的鎘增加趨勢效應間種比單種弱23.51%，同時蘆薈減弱459.09%(表3)。間種使兩植物的鎘增加趨勢效應減弱，相比單種，一定程度抑制對鎘的吸收。

2.4 鮮葉鎘濃度與根際土鎘濃度的相關性 由圖4可知，單種的植物鮮葉鎘濃度與根際土鎘濃度相關性較高，隨鎘處理濃度增加，葉子鎘濃度明顯遞增，說明土壤鎘含量是影響植株葉片鎘含量的重要因素，土壤鎘含量高則增加了鎘向植株葉片的運輸;間種則沒有。說明2種植物間種，互相影響各植物對鎘的吸收。蔣成愛等研究指出很可能與植物根系分泌物對土壤中重金屬植物有效態濃度的影響有關［22］。

2.5 少花龍葵的吸收系數 考慮到蘆薈與少花龍葵的葉子藥用價值廣泛，這里主要關注2種植物的葉子。葉子吸收系數表示對鎘的吸收，葉子吸收系數=葉子鎘濃度/根際土鎘濃度。由圖5可見，A組中，少花龍葵葉子的鎘濃度低，因其與鎘處理濃度相當，兩者在0.02～0.24 mg/kg，所得的葉子吸收系數較高(間種是3.59、單種是5.18);B組，單種的少花龍葵葉子鎘濃度和葉子吸收系數比間種高，間種的少花龍葵葉子鎘濃度低且葉子吸收系數低。這很大可能與蘆薈間種影響兩植物根系分泌物有關［22］。在C組中，土壤鎘處理濃度高于植物葉子鎘濃度甚多，所得的葉子吸收系數較低(間種是0.82、單種是0.40)。

2.6 植物單項污染指數評價 該研究參照《HJ/T 166－2004.土壤環境監測技術規范》［23］，以單項污染指數為評價模式，分別應用《中國土壤元素背景值》［24］、《GB 15618 －1995，土壤環境質量標準》［25］中標準值對該試驗的土壤重金屬鎘進行評價。結果表明，A試驗組的土壤鎘元素濃度均達到一級標準，B試驗組的土壤鎘元素濃度達三級標準，C試驗組的土壤鎘元素濃度屬于重度污染(根據內梅羅綜合污染指數的分級標準)。

少花龍葵藥用價值高，其葉子主要是藥用保健。對植物葉子重金屬質量狀況，采用單項污染指數法，以《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準(WM2－2001)》［26］(簡稱“綠色行標”)中的標準值為評價標準進行評價。單項污染指數法計算公式為Pi=ci/Si，式中，Pi為中草藥中某污染物污染指數;ci為中草藥中該污染物含量測定值;Si為限量標準值，其中查得Cd標準值為0.30 mg/kg。

由表4可見，在A、B試驗組，只有單種的少花龍葵鎘元素超標，其余均達標，表明少花龍葵與蘆薈間種一定程度上降低少花龍葵最具藥用價值的葉子的鎘濃度;C試驗組，無論間種或單種，植物均超標。從該試驗得出，選取少花龍葵與蘆薈間種于鎘土壤，土壤鎘處理濃度＜0.60 mg/kg時葉子符合綠色行標，雖然蘆薈吸收鎘的量增大，但在標準范圍內。土壤鎘處理濃度更高，少花龍葵風險相對于蘆薈更高，蘆薈處于更有利的位置。在實際應用中，較低濃度的鎘污染土壤，可以將重金屬低累積中草藥與超富集植物、富集植物種植在一起，達到修復土壤的同時收獲符合一定衛生標準的中草藥的目的，但選擇植物時應慎重，也有互相促進吸收鎘的情況，植物間的交互作用機理還不清楚，這方面需要進一步研究。

表4 Cd單項污染指數

植物根系和地上部形態結構的互補作用能提高植物對土壤養分、水和光等資源的有效利用［27－29］。植物間種對自然資源如光能、熱量、水分等利用更充分，多種植物組合修復污染土壤是一條行之有效的新途徑，是污染土壤利用的新思路［1］。Wu等利用重金屬超富集植物與低累積作物玉米套種，發現超富集植物提取重金屬的效率比單種超富集植物明顯提高，同時玉米能夠生產出符合衛生標準的食品或動物飼料或生物能源［30］。該試驗選取少花龍葵與蘆薈間種，考慮到2種植物的特點(少華龍葵根深、蘆薈根淺)，配合一起種植，結果表明，少花龍葵在鎘濃度較低時主要表現一定的耐性，鎘濃度高時則趨向富集鎘，鎘處理濃度為0.60 mg/kg的單種少花龍葵超出我國中草藥行業標準;間種具有可觀的效果，一定程度減低2種植物對鎘脅迫效應，增強其耐性，隨鎘處理濃度增加少花龍葵葉子的鎘濃度增長速度減慢。

3 結論

(1)少花龍葵在生長期對鎘脅迫有明顯的敏感反應，主要表現在葉子衰弱，但對其株高、葉綠素含量影響不大。在高鎘含量的C試驗組，平均鮮重單種高于間種。

(2)土壤鎘濃度為0.60 mg/kg時少花龍葵與蘆薈間種有一定效果，少花龍葵葉子鎘濃度明顯比單種低，雖間種的蘆薈比單種高，但兩者葉子符合綠色行標。此間種模式運用于低濃度鎘土壤，既能收獲兩者藥用價值，也能發揮蘆薈的經濟效益。

(3)土壤鎘濃度＞0.60 mg/kg時，兩者間種使植物鎘增加趨勢減弱，少花龍葵趨向富集鎘，風險相對于蘆薈更高，蘆薈處于更有利的位置。

(4)選取合適的植物間種是一條不需要間斷土地使用、較經濟合理的處理方法。高pH和高有機質含量使Cd2+不容易轉移至植物。

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