曼陀羅對土壤鎘污染的響應及鎘累積特征

周振　張彪　楊海濤　師振亞　包環宇　苗利娟　楊素勤

摘要：為了探究鎘污染土壤上曼陀羅生長及鎘吸收和累積特征，設置對照和污染土壤組，采用盆栽方式對曼陀羅的生長狀況、鎘含量、生物累積量等指標進行分析。結果表明，相比于對照組，污染土壤組曼陀羅的株高和根長受到一定的抑制，但根部和莖部生物量并無明顯減少，其生長未出現受害癥狀。移栽污染土壤60 d內，曼陀羅葉綠素a和葉綠素b并無顯著降低，類胡蘿卜素也出現相同規律。本研究中曼陀羅根、莖和葉鎘含量最高可達38、43、47 mg/kg，曼陀羅的根部富集系數最高達2.69，地上部轉移系數最高達1.40，曼陀羅地上部的鎘累積量占總量的70%以上。因此，曼陀羅雖未滿足鎘超富集植物的標準，但可以作為修復植物用于鎘污染土壤的治理。

關鍵詞：植物修復;鎘;曼陀羅;富集系數;葉綠素含量

中圖分類號： X53;X173文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0269-04

近年來，土壤重金屬污染問題引起人們廣泛的關注。據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤點位超標率為16.1%，污染類型以無機污染為主，其中，鎘（Cd）的點位超標率達7.0%[1]。目前，對重金屬污染土壤治理方法的研究已得到各界重視[2-3]。就耕地而言，重金屬污染土壤的生物修復成為具有巨大發展前途的治理技術之一。植物修復技術是一種利用植物從環境中吸收重金屬、放射性核素等有害物質，并轉化為環境友好的代謝產物的治理方式[4]。隨研究深入，科研工作者已發現多種重金屬超富集植物，如李氏禾[5]、龍葵[6]和蜈蚣草[7]等。但是，這些植物因受地域和氣候等因素限制，暫時無法廣泛種植，難以大面積修復重金屬污染土壤。因此，尋找符合當地生態條件、生物量足夠大、重金屬累積量可觀的植物成為土壤修復成功的關鍵因素之一。

曼陀羅（Datura stramonium L.）別稱醉心花，生長迅速、生物量大、適應性強，有一定的經濟效益，可作為錳、鉻、銅和砷污染土壤的修復植物[8-9]。但是，目前還未見曼陀羅用于鎘污染土壤修復的報道。有研究表明，曼陀羅葉片鎘含量[LL]為其他野生植物鎘含量的數十倍[10]。董林林等研究表明，曼陀羅有較強的鎘富集能力，其地上部鎘含量最高可達 115 mg/kg[11]。但是關于曼陀羅對鎘富集累積的研究還主要集中在某一時期，難以找出最佳的時間點，進行收割或者調控，用于土壤修復。因此，本試驗側重研究土壤鎘污染對曼陀羅的生長和鎘吸收的影響，重點探討不同時間曼陀羅的生物量累積和富鎘特性，以期為曼陀羅修復重金屬鎘污染土壤提供參考和依據。

1材料與方法

1.1供試植物及土壤

供試野生曼陀羅種子采自豫西某鉛鋅冶煉廠周邊。供試清潔土壤和鎘污染土壤分別采自豫西某鉛鋅冶煉廠西南 25 km 和西北1 km處，分別用CK和TR表示，均采集0～20 cm 表層土壤，風干、碾碎、過4 mm尼龍篩。土壤基本理化性質見表1。

1.2試驗設計

試驗于2015年5—8月在河南農業大學科教園區進行。選擇飽滿均一的種子，用5% NaClO溶液消毒30 min，再用10% NaOH浸泡90 min破除休眠[12]，經去離子水沖洗、25 ℃遮光催芽后，移至基質育苗盤中，置于河南農業大學培養室。待幼苗長出7～8片真葉（約40 d）后，選擇健壯、長勢一致的幼苗移栽到花盆中，每盆1株，盆內裝土10 kg。每天澆水，使土壤含水量保持在田間持水量的80%左右。試驗期間，每 10 d 調整花盆位置。試驗共2個處理（CK和TR），每個處理設置12盆，共24盆。采集樣品時，先用自來水沖洗去除泥土，再用去離子水沖洗后，85 ℃殺青30 min，于70 ℃烘干備用。

1.3測定指標及方法

1.3.1生長指標測定

分別于移栽后20、40、60、80 d時采集植株樣品，測量株高和根長，分根、莖和葉3個部分，稱干質量。葉綠素和類胡蘿卜素采用95%乙醇浸提-比色法[13]測定。

1.3.2鎘的測定

土壤總鎘采用HF-HClO4-HNO3法消解，原子吸收分光光度法測定;土壤有效鎘采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提劑提取，原子吸收分光光度法測定;植株鎘采用HNO3-HClO4（體積比為3 ∶1）消化，原子吸收分光光度法[14]測定。

1.4數據分析

富集系數=根部鎘含量/土壤中鎘含量;轉移系數=地上部鎘含量/根部鎘含量;鎘累積量=器官鎘含量×器官質量。采用SPSS 20.0進行數據統計分析;采用Excel 2007軟件繪圖。

2結果與分析

2.1鎘對曼陀羅生長狀況的影響

2.1.1株高和根長

隨移栽時間的增加，污染土壤組和對照（清潔土壤）組曼陀羅的株高和根長均有所增加，其中污染土壤組株高和根長最高可達61.9 cm和19.3 cm，相比對照減少22.6%和17.2%（圖1）。曼陀羅移栽至污染土壤后，其株高明顯低于對照組。就根長而言，移栽60 d之后，污染土壤組較對照組才開始受到抑制。

2.1.2生長指數

葉質量比和莖質量比分別是指葉和莖質量占植株總質量的比值，能夠反映植株生物量的分配情況[15]。植株地上部生物量越大，其提取的重金屬越多。由圖2-a 可知，隨時間增加，污染土壤組葉質量比呈現先減小后增加的趨勢，在移栽60 d后，污染土壤組與對照組無明顯差異。由圖2-b可知，移栽20～60 d時污染土壤組曼陀羅的莖質量比高于對照組，隨后趨于穩定。

2.1.3各器官干質量

隨移栽時間的增加，污染土壤組與對照組的曼陀羅根、莖和葉干質量均增大（圖3），但三者又有所不同。與對照相比，各采樣時間點污染土壤組的根部干質量無明顯減少（圖3-a）。就地上部而言，整個生長期內，污染土壤組曼陀羅莖部干質量與對照無明顯差異（圖3-b）;當移栽40 d以后，污染土壤組曼陀羅葉片干質量較對照顯著減少（圖3-c）。

2.2葉綠素和類胡蘿卜素

由圖4可知，當移栽60 d內，與對照組相比，污染土壤組的曼陀羅葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量無明顯降低。只有當移栽時間增至80 d時，污染土壤組曼陀羅葉綠素a、b和類胡蘿卜素較對照組顯著降低，分別為1.10、0.38、0.21 mg/g。

2.3鎘含量及富集、轉移系數

由圖5可知，隨移栽時間增加，污染土壤組的曼陀羅根、莖、葉中鎘含量均呈現減少的趨勢。根、莖和葉鎘含量分別達到26.09～37.96、26.67～42.93、24.54～47.02 mg/kg。在移栽后20 d時，曼陀羅根、莖和葉的鎘含量最大，并且隨時間增加，曼陀羅根部、葉片鎘含量趨于穩定。相比于移栽20 d時，曼陀羅根部、莖部和葉片中鎘含量最大降幅分別為31.3%、37.9%、47.8%。

富集系數反映植物吸收重金屬能力[16]，轉移系數反映植物將重金屬從地下部轉移到地上部能力[17]。由表2可知，曼陀羅的根部富集系數均大于1，當移栽后20 d時，曼陀羅根部富[CM（25]集系數顯著高于其他時間。隨移栽時間增加，曼陀羅葉片轉移系數變化不大，莖部轉移系數先升高后降低，在移栽時間為40 d時，達到最大值1.54，顯著高于其他時間。隨移栽時間增加，地上部轉移系數先升高后降低，最小值為0.94。

2.4各器官對鎘的累積量

曼陀羅對鎘的累積量反映其從土壤中吸取的鎘總量。由圖6可知，隨時間增加，污染土壤組曼陀羅根部的鎘累積量逐漸增加。曼陀羅根、莖和葉的鎘累積量在移栽后最大可達 0.12、0.18、0.15 mg/株。在整個生長周期內，曼陀羅的地上部鎘累積量所占百分比均在70%以上。

3討論

目前已發現的許多超富集植物生長緩慢且適應能力差，這成為植物修復技術走向應用的障礙因素之一。曼陀羅作為一種野生植物，具有生長快、抗逆性強、分布廣且生長周期短等特點[18]，這些都有助于污染土壤的修復。本試驗中，即使在重度污染土壤中，曼陀羅亦未發現明顯的受害癥狀，表明曼陀羅對污染土壤的適應性強。雖然曼陀羅株高和根長受到一定抑制（圖1），但就生物量而言，污染土壤組曼陀羅根部和莖部的干質量與對照組差異并不明顯（圖3），且地上部生物量（莖和葉的生物量之和）占總生物量比例也無明顯差異，表明利用曼陀羅修復重度污染土壤具有一定的可行性。在移至污染土壤40 d時，莖質量比明顯高于對照，進一步的生長調節和鎘吸收調控若能針對這一時刻進行，則會提升修復效果。曼陀羅增加分配至莖部生物量的原因和機制目前尚不清楚，可能和污染條件下曼陀羅葉片的物質合成（葉綠素、類胡蘿卜素等）及運輸有關。為此，本研究分析了葉綠素、類胡蘿卜素以初步判斷曼陀羅葉片的生理狀況。

隨時間增加，污染土壤組與對照組的曼陀羅葉綠素a、b和類胡蘿卜素均逐漸增多，表明這些物質在生物體內的合成并未受到阻止。葉綠素影響植物光合作用的強度及物質合成速率[19]，一定程度反映了植物的適應能力;而類胡蘿卜素影響植物細胞內活性氧的清除，與光合作用關系密切[20]。在移栽后的60 d內，污染土壤組與對照組曼陀羅的葉綠素a、b和類胡蘿卜素無明顯差異，由此分析，鎘對曼陀羅生長并未產生顯著影響。只有當脅迫時間增至80 d后，污染土壤組曼陀羅葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量才開始低于對照，這也側面驗證了曼陀羅對鎘具有較強的耐受能力。

本試驗中，曼陀羅地上部鎘含量達到24.54～47.02 mg/kg，且在前3次采樣時間點，地上部轉移系數均大于1（表2），這表明曼陀羅具備相當的鎘富集能力。就鎘含量而言，曼陀羅相比于超富集植物有一定差距，但由于其具有較大的生物量，曼陀羅鎘累積量與鎘超富集植物東南景天相差不大。姚桂華等研究表明，鎘濃度為13.15 mg/kg的酸性土壤中，東南景天單株鎘累積量為0.53 mg[21]。魏樹和等研究表明，當土壤中鎘濃度為10 mg/kg時，鎘超富集植物龍葵幼苗根、莖和葉鎘含量分別達到29、62、76 mg/kg;高積累鎘植物水蒿、蒲公英和刺兒菜地上部鎘含量分別達到21、33、16 mg/kg。相比于龍葵，曼陀羅根部鎘含量與之相差不大，但莖部和葉片的鎘含量較低，并未達到鎘超富集植物的標準[22-23]。李念等采用大田栽培模式，發現曼陀羅單株鎘提取量遠小于本試驗結果[24]。這可能是由于本試驗采用的土壤鎘濃度較大，以及栽培管理模式不同造成的。但是，鑒于曼陀羅具有較高的鎘含量、較強的根部富集及地上部轉移等優點，初步認為曼陀羅具有鎘高累積的特性。

本研究設置了移栽后20、40、60、80 d 4個采樣時間，以全面了解曼陀羅對鎘的吸收、轉移和累積特征。曼陀羅的鎘累積量在整個生長周期中并不是持續增加，表現出獨特的鎘累積特性，這一特性主要受地上部鎘濃度、生物量累積、轉移系數等影響。累積量在移栽后60 d后達到最大，此時地上部鎘累積量占植株累積量的70%以上，當脅迫時間繼續增加至 80 d 后，累積量不再增加。

4結論

在選取的重度污染土壤上，曼陀羅對鎘具有較強的富集性，鎘含量最高可達47 mg/kg。從修復角度而言，地上部具有較高的鎘累積能力，其累積量占植株累積量的比例超過70%。鎘累積量隨時間有所增加，達到峰值（本試驗為移栽60 d）后趨于穩定，曼陀羅植物提取修復應選擇最佳的時間點收割地上部，尤其是莖部。

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