3種園林植物對水體中Cd的富集效應

摘 要：選擇火炭母、南荻和花葉虉草3種園林植物進行水培試驗，比較它們對重金屬Cd的富集特性，為植物修復Cd污染水體提供理論依據。研究結果表明：（1）3種園林植物對Cd的吸收規律不同。火炭母、南荻植株吸收規律是：地上部>根部；花葉虉草對Cd的吸收規律為根部>地上部。（2）3種園林植物對Cd富集效果不同，在CdCl2·5H2O濃度50 μg/L處理下，火炭母、南荻、花葉虉草地上部對Cd的富集系數均大于1，且火炭母>花葉虉草>南荻。（3）3種園林植物對Cd轉移系數存在差異，在CdCl2·5H2O濃度50 μg/L處理下，火炭母、南荻的轉運系數大于1，火炭母、南荻是水體中Cd萃取的潛能植物。花葉虉草根系富集系數最大達3.17，其轉運系數為0.44，可作為固定水體中Cd的備選植物。

關鍵詞：園林植物；重金屬鎘；植物修復；富集特性

中圖分類號：Q 948.116 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）06-0061-04

Enrichment Effect of 3 Kinds of Garden Plants on Cd in Water

XIE Jian-qing1，LEI -Ming2，LI Yan-lin1，ZHANG Hong-zhi1，ZHU Meng-ting1

（1. College of Horticulture and landscape， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC； 2. College of Resource and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract： Three kinds of garden plants， Polygonum chinense， Triarrhena lutarioriparia， and Phalaris arundinacea， were selected to conduct water culture experiments， and their enrichment characteristics of heavy metal Cd were compared to provide a theoretical basis for plant restoration of Cd polluted water. The results showed that： （1） Accumulation of Cd by three kinds of garden plants was different. P. chinense and T. lutarioriparia follow the aboveground > underground. Accumulation of Cd by P. arundinacea followed the root > aboveground； （2） Three kinds of garden plants had different effects on Cd enrichment. Under 50 μg/L treatment， the enrichment factors of Cd in the upper part of P. chinense， T. lutarioriparia， and P. arundinacea was all greater than 1， and P. chinenser > P. arundinacea > T. lutarioriparia. （3） There are differences in Cd transfer coefficient among the three kinds of garden plants. Under 50 μg/L treatment， the transfer coefficient of P. chinense and T. lutarioriparia is greater than 1， and P. chinense and T. lutarioriparia are potential plants for extracting Cd from water. The root enrichment coefficient of P. arundinacea is up to 3.17， and its translocation coefficient is 0.44， which can be used as an alternative plant for fixed Cd in water.

Key words： garden plants； heavy metal cadmium； phytoremediation； enrichment characteristics

隨著中國城市化快速推進、工業化程度的迅速發展和人口的快速增長，城鄉環境重金屬污染問題日益嚴重，水體鎘（Cd）污染已經對水體衛生及安全造成了威脅[1]。地表水的Cd環境風險系數遠高于其他重金屬[2]。珠江、湘江、黃河水系中均存在不同程度的Cd超標問題[3-5]。對動植物來說，Cd為非必需元素和毒性較強的重金屬元素之一，具有穩定、積累和不易消除等特性，易被植物吸收，并通過食物鏈進入人體，嚴重危害人體健康及生命安全[6-7]。植物修復技術是一種清除重金屬污染的綠色生態技術，具有高效低耗、不易引起二次污染和美化環境等優點[8]，在清除水體重金屬污染方面有著廣泛的應用前景。研究以低濃度重金屬Cd的營養液為典型微污染水體，選用火炭母、南荻和花葉虉草等3種景觀效果好、適應性強的耐水濕園林植物為材料，通過水培試驗，探討園林植物對Cd的富集特性，為耐水濕植物應用于Cd污染水體的修復提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料火炭母、南荻和花葉虉草選購自長沙市瀏陽某苗木基地。選取無病蟲害、大小生長一致的當年生扦插幼苗。首先用自來水小心清洗根系上的土壤，然后置于1/2霍格蘭氏營養液容器中進行預培養，7 d后移入容積為800 mL的圓形塑料水培盆中，注入500 mL霍格蘭氏營養液進行培養，植株經5 d培養適應穩定后，統一對植株進行鎘脅迫處理。培養期間每天觀察并根據盆內水分蒸發情況，不定期補充去離子水，保持好盆內的水位，確保試驗期間植物根系剛好浸沒在處理液中。

1.2 試驗設計

試驗在湖南長沙市湖南農業大學園林花卉教學實習基地溫室進行。試驗期間室溫保持在23±2℃，相對濕度為80%左右，溫室材料透光率為80%。試驗用水培溶液組成為霍格蘭氏營養液和含Cd污染物的溶液。污染物以CdCl2·5H2O的形態加入，每種植物共設計了4個處理（CK和T1～T3），以不加CdCl2·5H2O的營養液為對照（CK），處理濃度分別設定為0、5、10、50 ug/kg，每個處理重復3次。3種材料每盆定植2株。

1.3 指標與方法

1.3.1 植物Cd含量 植株鎘脅迫培養第10天、第25天，將植株從盆中取出，依次用自來水、去離子水洗凈后，分割成根、莖和葉3部分，放入干凈的搪瓷盤中，置于空氣干燥恒溫箱內105℃殺青30 min，70℃恒溫烘至恒重。稱量干重、粉碎后備用。精確稱取0.5 g植株樣品，植物樣品采用HNO3-HClO4法，沙浴消化（體積比為4∶1），Z-5000原子吸收分光光度計測定Cd含量。每樣品重復3次。

1.3.2 其他指標 植株各器官內Cd 的富集系數

（BC）[9]、和轉運系數（TF）[10]、積累速率按照公式（1）、（2）、（3）計算：

富集系數=各器官內Cd積累濃度/營養液中Cd含量轉運系數=植物地上部分Cd積累濃度/根部Cd積累濃度 （2）

1.4 數據分析

所有試驗數據采用Microsoft Excel 2007進行分析處理。采用SPSS22.0統計軟件進行顯著性檢驗，利用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較各處理間的差異，顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 3種園林植物不同器官內Cd含量

3種園林植物各器官Cd含量見表1。在水培至第10天時，火炭母的根、莖、葉等器官中的 Cd 含量均在T3處理時最大。培養至25天時，其根、莖、葉等器官中的 Cd 含量隨著處理濃度的增加而增加，也均在T3處理時達到最大。可以發現，隨著水培時間的延長和營養液中Cd含量的減少，火炭母根系積累的Cd轉運到了地上莖和葉，其葉富集Cd2+的量最大。南荻在Cd脅迫水培至第10天時，其根中 Cd 含量增加明顯，而地上部Cd 含量在T1～T2處理下的變化不明顯，在T3處理下達到對照處理的3.03倍，表明該處理下南荻根中Cd轉運至地上部導致其含量明顯增高。待培養至第25天時，南荻根、地上部 Cd 含量于T3處理時達到對照處理的5.53倍、15.86倍。花葉虉草在Cd脅迫水培至第10天時，其根和地上部中 Cd 含量隨處理濃度的增加而明顯升高，表明該處理促進了花葉虉草的根、地上部對Cd的富集。待培養至第25天時，花葉虉草根、地上部 Cd 含量隨處理濃度的增加而升高至對照處理的10.59倍、32.09倍。在水培后期因Cd的富集和轉運致使花葉虉草的根和地上部Cd含量都大幅提高，表明根系是Cd2+主要富集器官，其對Cd2+的富集能力大于地上部。

2.2 3種園林植物不同器官內Cd富集系數

不同Cd2+濃度處理對3種園林植物各器官Cd富集系數影響具有一定的差異（見表2）。

花葉虉草各器官Cd富集系數隨著Cd處理濃度的增大呈增加趨勢。火炭母根的富集系數隨Cd處理濃度增加呈降低趨勢，火炭母莖的富集系數隨Cd處理濃度增加呈升高趨勢。3種植物中火炭母葉的富集系數隨Cd處理濃度增加而降低。在T3處理下，3種植物根的富集系數大小為：花葉虉草>南荻>火炭母；莖、葉（地上部）的富集系數大小為：火炭母>花葉虉草>南荻。

2.3 3種園林植物不同器官內Cd富集速率

由表3可知，不同植物種類、不同時間段及各器官內Cd富集速率變化規律存在一定的差異。在T3濃度處理下，3種植物的根系、莖、葉片對Cd的富集速率均達到最高。在水培25 d時，火炭母的莖、葉片對Cd的富集速率分別達到0.123和0.188 mg/kg·d；南荻的地上部分對Cd的富集速率達到0.125 mg/kg·d；花葉虉草的根系對Cd的富集速率最大為0.343 mg/kg·d，其地上部對Cd的富集速率也達到了0.150 mg/kg·d。因此，從植物各部位對Cd的富集速率分析來看，火炭母和南荻適合利用一年多次采收地上部分的方式進行水體中Cd的修復，鑒于花葉虉草根系對Cd的高富集速率，可對水體中Cd進行固定，同時結合其地上部對Cd的高富集速率，也可結合采收地上部的方式進行污染水體中的Cd提取。

2.4 3種園林植物Cd離子轉運系數

外施Cd2+對3種植物各器官、水培時間對Cd2+的轉運系數影響不同（見表4）。在T3處理下水培第10天時，火炭母的轉運系數隨著Cd2+處理濃度的增加而降低；而南荻、花葉虉草的轉運系數隨著外施Cd2+處理濃度的升高而增大，其轉運系數分別是對照的2.21倍、3.54倍。在T3處理下水培第25天時，火炭母、南荻、花葉虉草的轉運系數均隨著外施Cd2+濃度的升高而增大。在T3處理下火炭母、南荻的轉運系數分別為2.22和1.30，表明二者對Cd的轉運能力強。

3 小結與討論

3種耐水濕園林植物在Cd處理的營養液中均能正常生長，其對低濃度Cd均具有很好的耐性。其中，對照組（CK）植物各器官中Cd含量隨水培時間的延長均發生了變化。火炭母莖中Cd含量降低，根葉中含量增加；南荻地上部、根部Cd含量均出現降低，且根中含量降低幅度大；而花葉虉草根中Cd含量增加，地上部Cd含量降低。其原因可能是不同植物種類各器官對Cd2+富集特性差異和Cd2+在植物體內、植物與營養液之間轉運導致的結果。與對照組（CK）相比較，在T3處理下3種園林植物體內Cd含量均大幅增加，證明園林植物的存在對Cd污染水體的凈化具有重要作用，該研究結果與以往研究結果一致[11]。

3種園林植物對水培營養液中重金屬Cd的吸收規律不同。火炭母、南荻植株對Cd的吸收規律是：地上部分>根部，說明此兩種園林植物的根部可有效將重金屬Cd轉移至其可收割的地上部分，可能是由于火炭母和南荻與花葉虉草相比，其根部通氣組織更為發達，更適合水培環境所致。而花葉虉草對重金屬Cd的吸收規律是：根部>地上部分。表明重金屬Cd更易在其地下部積累。此外，花葉虉草除根系富集Cd的能力強外，同時其地上部對Cd也具備較強的富集能力。根據李光輝等[12]對濕地植物根系泌氧作用、酸化作用與重金屬吸收的研究結果表明，濕地植物根系泌氧、酸化作用越強，其對重金屬富集能力越高，因此可以推測3種耐水濕園林植物的根系泌氧、酸化作用不同。

植物地上部（莖葉）富集系數、轉運系數是反映植物對重金屬富集能力的重要指標。在50 μg/L處理下，火炭母、南荻、花葉虉草地上部對Cd的富集系數均大于1，但只有火炭母、南荻的轉運系數大于1，可以推測火炭母和南荻具有更強的對重金屬Cd富集的潛能。而花葉虉草根系的富集系數在3種園林植物中最大達3.17，但其轉運系數不高，僅為0.44，可作為Cd污染水體中Cd2+固定的備選植物。

在較低Cd濃度條件下，3種園林植物對重金屬Cd的富集能力有很大差異。可以結合本實驗結果，進一步探討較高Cd濃度處理下火炭母、南荻和花葉虉草等Cd富集能力強的吸收積累特性，為植物修復Cd污染嚴重的水體提供理論依據。

參考文獻：

[1] 和君強. 鎘污染灌溉水快速凈化技術研究[D]. 北京：中國農業科學院，2016.

[2] 魏俊峰，吳大清，彭金蓮，等. 污染沉積物中重金屬的釋放及其動力學[J]. 生態環境，2003，12（2）：127-130.

[3] 胡錫永，賴子尼，趙元鳳，等. 珠江河口重金屬鎘的含量與分布的季節特征[J]. 中國水產科學，2011，18（3）：629-635.

[4] 劉耀馳，高 栗，李志光，等. 湘江重金屬污染現狀、污染原因分析與對策探討[J]. 環境保護科學，2010，36 （4）：26-29.

[5] 朱映川，劉 雯，周遺品，等. 水體重金屬污染現狀及其治理方法[J]. 廣東農業科學，2008（8）：143-146.

[6] 于方明，劉可慧，劉 華，等. 鎘污染對水稻不同生育期抗氧化系統的影響[J]. 生態環境學報，2012，21（1）：88-93.

[7] Sato A，Takeda H，Oyanagi W，et al. Reduction of cadmium uptake in spinach （Spinacia oleracea L.） by soil amendment with animal waste compost[J]. Journal of Hazardous Materials，2010，181：298-304.

[8] Chen Y H，Shen Z G，Li X D. The use of vetiver grass（Vetiveria zizanioides）in the phytoremediation of oils contaminated with heavy metals[J]. Applied Geochemistry，2004，19（10）：1553-1565.

[9] 馬芳蕾. 芒屬五種觀賞草的抗旱性研究[D]. 福州：福建農林大學，2014.

[10] 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.

[11] 李 玲，李 森，樊 華，等. 水葫蘆對重金屬鎘和鉻的長期富集效應[J]. 安徽農業科學，2016，44（24）：34-37.

[12] 李光輝，楊 霞，徐加寬，等. 不同濕地植物的根系酸化作用與重金屬吸收[J]. 生態環境學報，2009，（1）：97-100.

（責任編輯：賀 藝）