不同油菜類型對土壤重金屬鎘污染的響應

劉翊涵， 肖智華， 鄒冬生， 曾馨怡， 李子涵

(湖南農業大學生物科技學院，湖南長沙 410128)

伴隨著我國經濟飛速發展的是土壤被不同程度地污染[1]。土壤重金屬來源主要有自然污染源和人為污染源：自然環境中重金屬污染源主要是富含重金屬的礦石以及礦床因風化、水蝕等自然環境因素使得礦石與礦床中的重金屬裸露在自然環境中從而使得土壤環境中積累大量重金屬；人為污染源主要指在人們各種生產活動中，例如礦產的開采過程中和農作物的種植過程中，將重金屬從土壤深處擴散到地表或將化學成分投入土壤中使重金屬活化聚集在其中，使土壤中重金屬濃度超過一定范圍，造成土壤環境的破壞[2-3]。

我國受到重金屬污染的耕地面積達2 000萬hm2，約占我國耕地總面積的1/5[4]，采礦區、冶煉區周邊和大中城市群郊區的農田土壤重金屬污染情況越來越嚴重，有些地區污染的程度嚴重超過國家Ⅲ級標準。鎘(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)、銅(Cu)這幾種重金屬的單一污染及復合污染尤為明顯，其中重金屬Cd超標的情況又特別突出，因Cd超標棄耕土壤達到13萬hm2[5]。

目前，修復土壤重金屬污染主要有以下3種途徑。一是通過在土壤中投入化學試劑從而降低重金屬在環境中的活性及生物有效性；二是利用生物技術等方法將土壤中的重金屬提取出來，從而降低環境中重金屬元素的濃度；三是改變植物的種植方式，防止食物鏈中重金屬的富集從而影響生態環境和人類健康[6]。利用植物修復重金屬污染土壤是生物修復的一種，優點較多，較其他修復技術而言，其安全、廉價的特點正成為研究和開發的熱點，比較適合在發展中國家采用，所以是一項非常有前途的新技術。大量研究表明，我國有大量具有修復潛力的野生植物資源，利用好這些資源對植物修復的意義十分重大[7]。但野生抗性植物對重金屬污染的土壤修復并未取得較大進展，當前因為超富集植物只能吸附某個重金屬元素，并且植物受到了不同因素的影響，例如有機質含量、酸堿度、陽離子交換量(CEC)、水分含量、土壤肥力等都將影響植物對重金屬污染的修復。富集植物同時也存在生物量較小、生長速率慢，積累效率較低的缺點。我國在這一方面研究較多，并取得了一定的成效，但利用該技術修復污染土壤周期長，效果不顯著[8]。

人們在大量的篩選研究中發現，十字花科蕓苔屬植物具有生長快、生物量高、對重金屬有較強的耐性及吸收積累能力等特點[9]。我國廣泛種植的油菜就是該屬植物，不同基因型品種的油菜對重金屬都有一定的吸收積累能力并且是一種對重金屬有修復潛力的非超累積植物，在我國已被大量研究證實[10-13]。本研究以1種芥菜型油菜(綠生1號)及2種甘藍型油菜(鐵桿直播王、湘雜油6號)為試驗材科，采用盆栽模擬試驗法，在湖南省瀏陽市沙壤土上進行模擬試驗，以濃度為5 mg/kg的水溶態Cd及不同濃度(0、5 mg/kg)對油菜生長的影響和生理生態過程進行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤選擇湖南省長沙市瀏陽的沙壤土，采樣深度 0～20 cm，土壤的基本理化性質見表1。

1.2 試驗方法

在湖南農業大學耘園實驗基地進行溫室土培盆栽試驗，試驗于2017年1月20日開始，供試土樣風干后去除石塊和植物殘體，過60目尼龍篩備用。試驗用盆為直徑 20 cm，高20 cm的PVC盆，每盆裝土2 kg。選取芥菜型油菜(綠生1號)、甘藍型油菜(湘雜油6號、鐵桿直播王)共3個品種，每個品種分別設置Cd濃度為0、5mg/kg2個處理，每個樣品3個重復，空白為不種植物的盆栽，合計24盆樣。

表1 土壤基本理化指標

將土壤與設計濃度的污染物及底肥充分混勻后，裝入塑封底部的塑料盆中，加水使含水量為田間持水量的80%，每盆播種20顆種子，隨后在種子上鋪灑少許干土。出苗后每盆定苗為2株，植物生長期間每天以稱質量法澆灌飲用水，保持土壤濕度為田間持水量的70%。植物生長60 d，采集每個盆栽中的植株和根際土壤。

1.2.1 樣品的處理 將采集的植物地上部分與根系部分分別放入105 ℃下殺青30 min，稱量并記錄植物地上部和地下部的干質量，然后將烘干的植物樣用不銹鋼粉碎機粉碎，裝在紙袋中，儲藏于干燥器中待測；采集的根際土壤放入-20 ℃冰箱保存。

1.2.2 樣品的測定 土壤中重金屬總量的測定：用 HCl-HNO3-HF-HClO4消解，用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定重金屬含量；植物中重金屬的測定：用HNO3-HClO4消解，用ICP-OES及原子吸收石墨爐測定重金屬含量。

1.3 分析方法

轉運系數(TF)=植物地下部分中重金屬含量/地上部分中重金屬含量；植物提取量=植物Cd含量×植物的生物量。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數據統計和檢驗；單因素方差分析(One-way ANOVA)、顯著性用Tukey法，Origin 8.0軟件作圖；所有數據均用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同油菜品種對重金屬Cd積累的情況

由圖1可知，從地上部分Cd總含量來看，同一濃度下，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號的Cd含量分別為25.90、31.85、38.18 mg/kg，綠生1號地上部分Cd總含量分別比鐵桿直播王和湘雜油6號高47.41%和19.87%，湘雜油6號地上部分Cd總含量比鐵桿直播王高22.97%；從地下部分Cd總含量來看，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號的含量分別為198.880、118.820、220.635 mg/kg，綠生1號Cd含量分別比鐵桿直播王和湘雜油6號高10.94%和85.69%，鐵桿直播王地下部分Cd總含量比湘雜油6號高67.38%。3種油菜都不同程度地吸收了重金屬Cd，且在不同油菜品種之間綠生1號和鐵桿直播王地上部分Cd含量有顯著性差異，地下部分湘雜油6號與鐵桿直播王、綠生1號Cd含量有顯著性差異(P<0.05)。

2.2 不同油菜品種在不同濃度下生長情況

由圖2可知，從地上部分生物量來看，水溶態Cd濃度為0 mg/kg時，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號的地上部分生物量分別為5.14、5.00、4.64 g，鐵桿直播王的地上部分生物量分別比湘雜油6號和綠生1號高2.80%和10.78%，湘雜油6號地上部分生物量比綠生1號高7.76%；水溶態Cd濃度為5 mg/kg時，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號的地上部分生物量分別為3.87、4.53、3.60 g，湘雜油6號地上部分生物量分別比鐵桿直播王和綠生1號高17.05%和 25.83%，鐵桿直播王的地上部分生物量比綠生1號高 7.50%。從地下部分生物量來看，Cd濃度為0 mg/kg時濃度，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號的地下部分生物量分別為0.59、0.68、0.50 g，湘雜油6號分別比鐵桿直播王和綠生1號高15.25%和36.00%，鐵桿直播王地下部分生物量比綠生1號高18.00%；Cd濃度為5 mg/kg時，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號的地下部分生物量分別為0.659、0.663、0.470 g，湘雜油6號的地下部分生物量分別比鐵桿直播王和綠生1號高0.61%和41.06%，鐵桿直播王地下部分生物量比綠生1號高40.21%。同一品種中地下部分生物量并沒有隨著處理濃度的增加而有太大差別。

從全株生物量來看，Cd濃度為0 mg/kg時，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號的全株生物量分別為5.73、5.68、5.14 g，鐵桿直播王的全株生物量分別比湘雜油6號和綠生1號高0.88%和11.48%，湘雜油6號的全株生物量比綠生1號高 10.51%。Cd濃度為5 mg/kg時，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號的全株生物量分別為4.53、5.19、4.06 g，湘雜油6號的全株生物量分別比鐵桿直播王和綠生1號高 14.57% 和27.83%，鐵桿直播王的全株生物量比綠生1號高11.58%。3個品種全株生物量都隨著處理濃度的增加呈下降趨勢。

從鐵桿直播王來看，Cd濃度為5 mg/kg時油菜地上部分生物量和全株生物量分別比Cd濃度為0 mg/kg時降低了24.71%和20.94%，而地下部分生物量在Cd濃度為5 mg/kg時比Cd濃度為0 mg/kg時增高了11.69%；從湘雜油6號來看，Cd濃度為5 mg/kg時油菜地上部分、地下部分生物量和全株生物量分別比Cd濃度為0 mg/kg時低了9.40%、2.50%和8.63%；從綠生1號來看，Cd濃度為5 mg/kg時油菜地上部分、地下部分生物量和全株生物量分別比Cd濃度為 0 mg/kg 時降低了 22.41%、6.00%和21.01%。

根冠比是生物量累積分配的主要指標，其變化反映了植物地下部分物質積累的變化情況[14]。3種油菜的根冠比都隨著處理濃度的增加而增加，可以看出重金屬Cd污染對油菜生長產生了脅迫作用，與Cd濃度為0 mg/kg時相比，Cd濃度為5 mg/kg時的地下部分生物量明顯加大，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號根冠比的增幅分別為48%、8%和21.23%。

2.3 3種油菜對土壤中重金屬Cd提取量的情況

由圖3可知，Cd濃度為5 mg/kg時，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號地上部分對重金屬Cd的提取量分別是 100.255、136.912和144.143 μg，其中綠生1號比鐵桿直播王、高43.78%和5.28%；鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號地下部分對重金屬Cd的提取量分別是130.697、78.928和102.498 μg，其中鐵桿直播王要比湘雜油6號和綠生1號高65.59%和27.51%，鐵桿直播王地下部分提取量顯著高于其他2個品種。鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號全株對重金屬Cd的提取量分別是230.952、223.071和239.409 μg，其中綠生1號全株Cd提取量最高，而湘雜油6號全株Cd提取量最低，3個品種全株Cd提取量差異性不顯著。

2.4 不同油菜品種對Cd吸收轉移情況

植物對重金屬的轉運系數(TF)是判斷植物是否具有修復重金屬潛力的重要指標。由圖4可知，鐵桿直播王、湘雜油6號和綠生1號根莖的轉運系數分別是13.02%、26.94% 和17.35%，湘雜油6號的轉運系數顯著高于鐵桿直播王和綠生1號。3個品種的轉移系數都小于1，可能是這3個油菜品種會通過自身的排斥機制減少毒害。

2.5 不同油菜品種對有效態Cd的吸附情況

由圖5可知，Cd濃度為5 mg/kg時對照的pH值為4.027，鐵桿直播王、湘雜油6號、綠生1號pH值分別為 4.22、4.22、4.27；3種油菜品種的土壤都呈酸性，且pH值均高于對照，但3種油菜品種間差異不顯著。鐵桿直播王、湘雜油6號、綠生1號有效態Cd濃度均低于對照，說明3個油菜品種對土壤的有效態Cd有一定的吸附性作用；鐵桿直播王、湘雜油6號、綠生1號和對照的CaCl2提取有效態Cd濃度分別是1.98、1.56、1.34 和2.01 mg/kg，綠生1號CaCl2提取有效態Cd的濃度比鐵桿直播王、湘雜油6號和對照分別低 32.32%、14.10%和33.33%，湘雜油6號CaCl2提取有效態Cd濃度比鐵桿直播王和對照分別低21.21%和22.39%，鐵桿直播王CaCl2提取有效態Cd濃度比對照降低1.49%。鐵桿直播王、湘雜油6號、綠生1號和對照的二乙烯三胺五乙酸(DTPA)提取有效態Cd濃度分別是1.918、1.631、1.528和1.944 mg/kg，綠生1號DTPA提取有效態Cd濃度分別比鐵桿直播王、湘雜油6號和對照降低20.33%、6.32%和 21.40%，湘雜油6號DTPA提取有效態Cd濃度分別比鐵桿直播王和對照降低14.96%和16.10%，鐵桿直播王DTPA提取有效態Cd濃度比對照降低1.34%。顯然，綠生1號在酸性環境中對土壤有效態Cd的吸附性能力最強，且與鐵桿直播王差異顯著，但與湘雜油6號無顯著差異。

3 結論

以2種不同類型，3個品種的油菜為研究對象，在其培養含有濃度為5 mg/kg CdCl2的盆栽中，通過對其各部位重金屬進行了相關分析，數據顯示：(1)從種植鐵桿直播王來看，在 0 mg/kg CdCl2下，其生物量是3個品種中最優的。而在 5 mg/kg CdCl2下，各品種生物量明顯下降，鐵桿直播王植株的Cd含量在3個品種中處于居中位置。提取量是植物Cd含量與植物的生物量之積，所以鐵桿直播王地上部分的提取量小于其他2種油菜；此外，在酸性土壤環境下，它的有效態Cd含量與不種油菜的對照無顯著性差異，且轉運系數遠小于其他2種油菜品種。由此可見，鐵桿直播王較其他品種對土壤的修復能力較差。(2)從種植湘雜油6號來看，Cd在油菜體內分布大小為地下部分>地上部分，且相對其他2個品種，Cd濃度為5 mg/kg時的生物量并沒有比Cd濃度為0 mg/kg時下降太多，說明它的耐Cd能力比其他2個品種好，且轉運能力也是最強的。但是，從數據上看，它對重金屬Cd吸收的能力明顯比綠生1號差，在酸性土壤下，植株的Cd含量和對土壤有效態Cd的吸附含量小于綠生1號。由此可見，在重金屬Cd污染濃度較低的土壤中，湘雜油6號不僅能夠修復土壤，還能夠取得不錯的經濟效益。(3)從種植綠生1號來看，相比Cd濃度為0 mg/kg時，綠生1號植株全株生物量都在Cd濃度為5 mg/kg時大大減小，幅度高達21.01%，說明其耐Cd能力較差；在pH值為 3.5～4.0的土壤中，從植株的重金屬Cd含量和土壤有效態Cd含量來看，綠生1號的含量最高，在生物量大幅減少的情況下，植株提取量還是最高的。由此可見，在5mg/kg CdCl2濃度下綠生1號對Cd的吸附能力是最強的。

綜合分析結果顯示，芥菜型油菜綠生1號對重金屬Cd的吸附能力最強。相關研究表明，Cd可以通過地下部分進入植物體內，過量的Cd積累容易對植物生長和代謝活動造成一定程度的傷害，如生長抑制、養分吸收受阻、代謝抑制、甚至植株壞死等[15]。許多超富集植物都屬于十字花科蕓薹屬[16-17]植物，如印度芥菜被認為是其中最有修復潛力的超富集植物，在大量的水培、盆栽及溫室試驗中都證明了印度芥菜對重金屬Cd有很強的耐性和吸收能力[18-19]；甘藍型油菜湘雜油6號比鐵桿直播王對重金屬Cd的吸附能力好，且對毒害的耐性更強，生長情況前者明顯優于后者；從轉運系數來看，甘藍型油菜湘雜油6號轉運能力明顯高于其他2種；在研究有效態Cd時筆者發現，酸性土壤環境芥菜型油菜綠生1號吸附能力比其他2種好。綜上，這3種品種油菜都能在重金屬Cd污染的土壤中正常生長，表現出一定的耐性，而對于酸性土壤的湖南地區，芥菜型油菜綠生1號更適合修復重金屬Cd污染。