阿哈水庫底泥基質中3種綠化植物的生長及Cd的富集特征

嚴蓮英,范成五,劉桂華,高翔,秦松*

(1.貴陽市烏當區農業農村局，貴州 貴陽 550018；2.貴州省農業科學院土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；3.貴州省農業資源與環境工程技術研究中心，貴州 貴陽 550006)

阿哈水庫是貴陽市的三大水缸之一，坐落于黔中典型的喀斯特山區，屬地球化學敏感和生態環境脆弱的喀斯特碳酸鹽巖區域，由于特殊的地質環境及長期受人類活動的影響，庫底沉積物淤積。近幾年，經貴陽市政府的整治，水庫水質有所改善，但產生了大量的疏浚底泥，其安全處置成為一個難題。阿哈水庫底泥養分豐富，但重金屬Cd污染較為嚴重，不適于耕地利用，可考慮用于園林綠地[1]。此外，底泥中含有豐富的腐殖質膠體，施用于土壤中不僅能改善土壤物理性質，還能有效提高土壤的保水保肥能力[2-3]。另有研究表明，向底泥中添加一些改良劑制成種植基質，更有利于植物的生長，如張鴻齡等[4]利用底泥、粉煤灰和鋸木屑混合后種植紫花苜蓿(Medicagosativa)，紫花苜蓿長勢良好，且能帶走一些基質中的重金屬，胡雨彤等[5]向底泥堆肥中添加珍珠巖，能促進孔雀草(Tagetespatula)的生長。

珍珠巖能增大混合基質的孔隙度，增強其通氣、保水、保肥的性能，蘑菇渣不僅含有豐富的養分，而且含有大量的微生物，與鋸木屑一樣具有質輕、透氣保水、保肥的特點，是代替盆土的好材料，此外，貴州是種茶大省，茶園土呈酸性，可利用其降低底泥基質的pH。三葉草(Oxalistriangularis)具有較強的氮磷去除能力，能有效減少由于地表徑流的沖刷、氮磷流失而造成的面源污染，同時，三葉草對含有重金屬Cd污染的土壤有一定的耐受性[6]；黑麥草(Loliumperenne)和孔雀草是目前花壇應用的主要花草，且對Cd具有很強的富集能力，具備植物修復潛力[7-8]，又有研究指出草本植物對重金屬Cd轉移能力、吸收能力均高于灌木和喬木[9]，所以選擇三葉草、黑麥草和孔雀草來進行此次試驗。因喀斯特底泥的特殊性，目前對喀斯特地區水庫底泥的資源化利用較少，但已有研究指出草本植物在喀斯特地區紅楓湖底泥基質中能正常生長，且對重金屬具有較強的吸附作用[10]。本研究通過向阿哈水庫污染底泥中添加一定比例的茶園土、木屑、蘑菇渣和珍珠巖，制成底泥基質，研究其對3種草本綠化植物生長的影響及3種植物對Cd的富集特征，為阿哈水庫及類似的喀斯特山區湖泊污染底泥整治工程提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用底泥為貴陽市阿哈水庫疏浚底泥。底泥于疏浚場地堆積自然脫水至含水量達60%左右，裝入塑料桶中運回大棚自然風干，經篩網過濾，剔除碩石、木屑、動植物殘體和生活垃圾等異物后研磨過2 mm篩備用；珍珠巖、木屑、蘑菇渣均取自貴州省農業科學院園藝科學研究所；茶園土取自貴州省農業科學院茶葉研究所基地。所有配比材料采集后均放置于實驗室自然風干，過篩后測定樣品的基本理化性質如表1所示。試驗所用孔雀草、黑麥草和三葉草均購于當地花鳥市場。

表1 其他物料的基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of other materials

-:未檢測Non detection.

1.2 研究方法

1.2.1配比實驗 綜合考慮資源化利用成本、供試園藝植物的生長習性、底泥的特性與底泥處理量，根據所用材料的理化特性，本試驗將底泥、珍珠巖、木屑、蘑菇渣、茶園土按照表2充分混勻裝入塑料花盆(高21 cm，直徑20 cm)中，于室溫下平衡30 d，期間每3 d翻動1次(保證其充分混勻)，以自來水澆灌，使其保持60%的田間持水量。每盆取100 g進行各項指標的測定。

1.2.2盆栽試驗 試驗在貴州省農業科學院土壤肥料研究所大棚進行。綜合考慮供試園藝植物的生長習性、底泥的特性與底泥處理量，試驗設置6個處理(表2)，每個處理設置3次重復。 基質配制完成后，混

表2 底泥基質的配比 Table 2 Ratio of sediment substrate (%)

注：表中數據為體積比。

Note：The data in the Table are volume ratio.

合均勻后倒入塑料盆，每盆基質量控制在2 kg左右，每盆分別移栽一棵相應的植物(對每種植物進行育苗，然后挑選大小和長勢一致的苗)，種植盆在盆栽場大棚中隨機排列，用自來水澆灌，保證水分，生長90 d后收獲。植株地上部分于收獲前測定株高，收獲時采集植株整株，用自來水洗凈后再用去離子水沖洗，測定鮮重和干重，然后分成地上部和地下部，制成樣品進行相關的分析，同時采集對應的底泥生長基質樣品，于室內風干后，制成樣品進行分析。

1.3 樣品分析

采樣當天將植物樣品用去離子水洗凈，先在 105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干，用不銹鋼植物粉碎機磨碎，裝入自封袋編號備用。土壤樣先置于室內自然風干，根據需要研磨、過篩，裝入自封袋編號備用。于2016年11月進行室內分析，pH 值、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、電導率測定采用鮑士旦[11]的方法測定；采用ICP-MS(BOEN 36158)測定土壤Cd。

1.4 植物對重金屬的富集能力

植物對重金屬的富集能力可以用生物富集系數(bioconcentration factors，BCF)和生物轉移系數(translocation factor，TF)[12]表示。植物對重金屬的富集系數(BCF)=植物重金屬Cd含量/底泥基質中重金屬Cd含量；植物對重金屬的轉移系數(TF)=地上部分的重金屬Cd含量/地下部分的重金屬Cd含量。富集系數可表征底泥-植物體系中元素遷移的難易程度，是反映植物將重金屬吸收轉移到體內能力大小的評價指標[13]。

1.5 統計分析

采用 Excel、DPS 7.05和SPSS 19.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 底泥基質的理化性質

表3表明，供試驗植物種植前基質除對照外，有機質的含量范圍為78.30～95.31 g·kg-1，速效氮為109.33～124.45 mg·kg-1，速效磷為17.20～24.70 mg·kg-1，速效鉀為178.12～206.46 mg·kg-1，均顯著(P<0.05)低于對照，說明添加了養分含量低的珍珠巖、木屑、蘑菇渣和茶園土等調節質地的物料降低了底泥基質的養分含量，但所有處理養分含量都遠高于CJ/T 340-2011[14]的要求，其中處理T1～T5有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量為CJ/T 340-2011限值的6.53～7.94倍、2.73～3.11倍、2.15～3.09倍和2.97～3.44 倍；基質的pH為7.62～7.71，呈中性至弱堿性，滿足CJ/T 340-2011的要求(pH 5.50～8.30)，總孔隙度為42%～75%，滿足一般植物的生長需求(孔隙度為40%～50%)，基質的EC為1.47～1.62 ms·cm-1，Cd含量為0.88～1.12 mg·kg-1，EC和Cd含量分別為CJ/T 340-2011的1.23～1.35倍和0.88～1.12倍。同時，由于木屑、蘑菇渣的養分含量高于珍珠巖和茶園土，所以木屑、蘑菇渣所占比重較大的T5、T3和T4養分含量大于T2和T1，此外，調節孔隙度能力為珍珠巖>木屑>蘑菇渣>茶園土，所以，經調節后，孔隙度較大的為T2、T5、T3和T4，綜上，T5為理化性質最優基質。

表3 底泥基質的理化性質Table 3 Physical and chemical properties of sediment substrate

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

Note: Different lowercase letters within the same column indicate significant differences (P<0.05), the same below.

2.2 底泥基質對3種植物生物量的影響

生物量是表征植物生長情況的重要指標之一。以3種植物和6種基質進行二因素方差分析(表4)，結果表明，三葉草、黑麥草和孔雀草的地上部分鮮重均值為36.56～93.98 g·盆-1，地下部分為0.95～33.65 g·盆-1，地上部分干重均值為4.16～11.43 g·盆-1，地下部分為0.46～3.94 g·盆-1，其中，三葉草表現得最好，地上、地下部分鮮重、地上和地下部分干重分別為93.98、33.65、11.43和3.94 g·盆-1；其次是孔雀草，地上、地下部分鮮重、地上和地下部分干重分別為52.38、8.64、8.26和1.65 g·盆-1；再次是黑麥草，地上、地下部分鮮重、地上和地下部分干重分別為36.56、0.95、4.16和0.46 g·盆-1。CK、T1、T2、T3、T4和T5的地上部分鮮重均值為42.00～73.92 g·盆-1，地下部分鮮重均值為11.14～15.83 g·盆-1，地上部分干重均值為5.91～9.73 g·盆-1，地下部分干重均值為1.51～2.48 g·盆-1。其中，T5表現得最好，地上、地下部分鮮重、地上部分干重和地下部分干重，均值分別為73.92、15.66、9.73和2.48 g·盆-1；其次是T3，地上部分鮮重、地下部分鮮重、地上和地下部分干重，均值分別為69.07、15.83、9.04和2.32 g·盆-1；最后是CK，均值分別為42.00、11.14、5.91和1.51 g·盆-1。綜上，T5處理的植物生長情況最好，底泥基質中植物的長勢為三葉草>孔雀草>黑麥草。

表4 不同處理對植物生物量的影響Table 4 Effects of different treatments on plant biomass (g·pot-1)

2.3 植物重金屬Cd的富集特征

不同底泥基質處理和植物種類對植物重金屬的吸收和轉運影響不同(表5)。三葉草、黑麥草和孔雀草地上部分Cd的含量范圍分別為0.10～0.14 mg·kg-1、0.21～0.31 mg·kg-1和0.93～1.22 mg·kg-1，地下部分分別為0.04～0.15 mg·kg-1、4.32～4.98 mg·kg-1和0.40～0.93 mg·kg-1，其中，三葉草CK、T1和T4處理地上部Cd含量大于地下部分，其他處理的地上部分小于或等于地下，黑麥草地下部分大于地上，孔雀草的地上部分大于地下；三葉草、黑麥草和孔雀草的Cd累積量為1.03～2.24 μg·盆-1、2.73～3.72 μg·盆-1和7.46～12.60 μg·盆-1；可見，對重金屬的累積能力為孔雀草>黑麥草>三葉草。

一般植物正常的Cd含量為0.2～3.0 mg·kg-1[15]，通過比較得出，除黑麥草地下部分Cd含量超過正常值外，其余植物Cd含量均在植物正常含量范圍內。由此可見，不僅可以在底泥基質中種植這3種植物，且可以借助這3種植物將底泥中重金屬去除。

不同植物對重金屬的吸收和轉運能力不同(表6)，有研究指出當一種植物對重金屬的BCF>1和TF>1的，表明植物對重金屬的富集能力較強，并可同時在地上部分和地下部分累積大量重金屬，符合這種特征的植物為富集型植物[16]。3種植物對重金屬Cd的富集能力存在較大差異。三葉草地上部分的富集系數為0.09～0.13，地下部分為0.04～0.17，黑麥草地上部分為0.20～0.31，地下部分為3.96～5.01，孔雀草地上部分為0.93～1.11，地下部分為0.37～1.06。只有黑麥草的地下部分和孔雀草CK處理的地上部分、T2的地上部分、地下部分及T5的地上部的BCF>1，由此可見，黑麥草的地下部分對Cd具有很強的富集能力，孔雀草的地上部分對Cd具有較強的富集作用。綜合3種植物對重金屬Cd的富集系數，富集能力為黑麥草地下部分>孔雀草地上部分>孔雀草地下部分>黑麥草地上部分>三葉草地上部分>三葉草地下部分，總體富集能力為孔雀草>黑麥草>三葉草。

表5 不同處理對植物體內重金屬Cd含量與累積量的影響Table 5 Effects of different treatments on Cd content and accumulation in plants

表6 不同處理下3種植物對重金屬Cd的富集能力Table 6 Enrichment ability of three plants to heavy metal Cd under different treatments

植物轉移系數反映植物向莖、葉轉移重金屬的能力，轉移系數越大表明植物對重金屬的轉移能力越強。如TF>1，說明植物將地下部分的重金屬元素轉移至地上部分能力強；如果TF<1，說明植物將重金屬轉移至地上部的能力較弱[16]。三葉草的轉移系數為0.67～3.23(表6)，黑麥草為0.05～0.07，孔雀草為1.00～2.52，可見，黑麥草是根富集植物，植株對重金屬具有較強的根系過濾作用，可以防止有毒污染物在植物中的過度積累導致植物的衰亡[17]，三葉草和孔雀草是地上部富集植物。綜合3種植物對重金屬Cd的轉移系數，轉移能力強弱為孔雀草>三葉草>黑麥草。

2.4 植物重金屬累積量與底泥基質中重金屬含量的關系

將3種植物重金屬含量與底泥基質中的重金屬含量進行相關性分析(表7)，3種植物的不同部位與底泥基質中的Cd含量無明顯的相關性。3種植物的地上部分與地下部分的相關系數為-0.38～-0.48，為負相關，但不顯著。原因可能是為了資源化利用底泥，所配制的底泥基質中的Cd含量不成梯度，基質的理化性質也不同造成的。

表7 植物Cd含量與底泥基質Cd含量的相關分析Table 7 Correlation analysis of Cd content between plant and sediment substrate

3 討論

生長基質的酸堿度、鹽分、孔隙度和養分含量對植物的生長具有重要作用。底泥的養分含量較豐富，施入土壤能有效增加土壤的有機質、氮、磷等含量[2]，用底泥來配制基質可以提高基質養分含量，同時往底泥基質中添加珍珠巖、鋸木屑和蘑菇渣不僅可以增加底泥的孔隙度，同時，鋸木屑和蘑菇渣在緩慢腐熟過程中還可以增加底泥養分的緩慢供應，有利于重復利用[5,18-19]，還可以改善基質的pH、EC等性狀。此外，由于其他物料的添加，稀釋了底泥中的Cd，使其他處理的Cd含量都低于對照[4]。

底泥基質的平均Cd含量已超過CJ/T 340-2011中的Ⅲ級標準，目前對于這3種植物的Cd毒害臨界值尚未見報道，3種植物在底泥基質中都能生長，可能是基質中Cd的含量未達到3種植物耐性的臨界點，也可能與底泥中含量較高的有機質和pH有關，金屬離子的溶解度會隨 pH 值升高而降低，金屬有機絡合物的穩定性則隨環境 pH 值升高而增強[20]，重金屬還能與有機質形成具有一定穩定程度的金屬有機絡合物，降低重金屬的生物可利用性以及植物的吸收[21]，此外，阿哈水庫底泥的硫及鈣含量非常高[22-23]，S可在細胞內形成巰基物質和促進液泡移動，以隔離和螯合Cd離子，減小Cd的生物有效性[24]，Ca與Cd具有相似的化學性質，是吸附位點的主要競爭者，當兩者在溶液中同時存在時，可顯著地降低植物對Cd的吸收和積累，從而減輕Cd的毒害[25]。

3種植物在底泥基質中的生長情況不同，生物量為三葉草>孔雀草>黑麥草，除了與植物特性有關外，可能的原因是CJ/T 340-2011指出，一般植物對基質EC的適應性為 0.15～1.20 ms·cm-1，耐鹽植物對基質EC的適應性為≤1.8 ms·cm-1，而此次配比的基質EC為1.47～1.62 ms·cm-1，需要耐性植物才能正常生長，雖孔雀草和黑麥草適應性強，更有研究指出三葉草可適應寒冷及炎熱，酸和堿性土[26]，此外還有研究指出，孔雀草和黑麥草是Cd累積植物，液胞區隔化和細胞壁固持是孔雀草應對 Cd 脅迫的重要耐性機制[27-28]，但三葉草對重金屬耐性表現為少吸收，在同等重金屬脅迫條件下，重金屬含量較低，長勢較其他植物好[29-30]，同時本研究結果也顯示在同等條件下孔雀草對Cd的累積量遠大于黑麥草，黑麥草遠大于三葉草。還有研究指出當Cd在植物體內含量達到1 mg·kg-1時，就會抑制植物生物量的累積[31]，本研究表明，除三葉草Cd含量約為0.10 mg·kg-1外，孔雀草地上部分Cd含量超過1 mg·kg-1，黑麥草地下部分的Cd含量甚至超過了4 mg·kg-1，基質中的Cd可能是影響到孔雀草和黑麥草的生長，導致它們的生物量沒有三葉草高的主要原因之一。此外，三葉草屬于豆科車軸草屬，具有固氮作用，在提升植株氮素養分的同時，氮素在白三葉草的重金屬鎘解毒機制中具有重要作用，能夠緩解鎘對植株的毒害[32]。

4 結論

1)配制的底泥基質有機質的含量范圍為78.3～95.31 g·kg-1，速效氮為109.33～124.45 mg·kg-1，速效磷為17.2～24.7 mg·kg-1，速效鉀為178.12～206.46 mg·kg-1，pH為7.62～7.71，總孔隙度為42%～75%，EC為1.47～1.62 ms·cm-1，Cd為0.88～1.12 mg·kg-1，滿足CJ/T 340-2011的要求。

2)底泥基質種植的三葉草、黑麥草和孔雀草的鮮重及干重分別為127.63、15.37，37.51、4.62和61.02、9.91 g·盆-1，生物量的大小順序為：三葉草>孔雀草>黑麥草。

3)種植的三葉草、黑麥草和孔雀草地上部分Cd含量范圍分別為0.10～0.14 mg·kg-1、0.21～0.31 mg·kg-1和0.93～1.22 mg·kg-1，地下部分為0.04～0.15 mg·kg-1、4.32～4.98 mg·kg-1和0.40～0.93 mg·kg-1，除黑麥草地下部分Cd含量超過正常值外，其余值均在正常范圍內。Cd累積量分別為1.03～2.24 μg·盆-1、2.73～3.72 μg·盆-1和7.46～12.60 μg·盆-1，孔雀草對Cd有較強的富集能力。

4)三葉草、黑麥草和孔雀草地上部分和地下部分富集系數分別為0.09～0.13、0.04～0.17，0.20～0.31、3.96～5.01，0.93～1.11、0.37～1.06，富集能力為黑麥草地下部分>孔雀草地上部分>孔雀草地下部分>黑麥草地上部分>三葉草地上部分>三葉草地下部分。