不同濃度鎘處理對南歐大戟生長及鎘富集的影響*

楊云， 郭嘉航， 畢佳慧， 唐光美，李蕾， 董愫怡， 官會(huì)林， 黃晶心

(1.云南師范大學(xué) 高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測研究站；云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2.文山州農(nóng)業(yè)科學(xué)院，云南 文山 663099)

土壤是人類賴以生存的基礎(chǔ)，土壤安全直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品安全、人體健康和國家生態(tài)安全.農(nóng)藥化肥的不合理施用和工廠廢水的違規(guī)排放導(dǎo)致土壤受到嚴(yán)重污染，特別是土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重[1].據(jù)環(huán)境保護(hù)部和國土資源部2014年發(fā)布的全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，全國耕地土壤重金屬污染點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%[2]；鎘具有毒性大、遷移性強(qiáng)、半衰期長、污染面積廣以及易被植物吸收積累等特點(diǎn).土壤受到鎘污染后，上面生長的植物會(huì)過量吸收和富集鎘，導(dǎo)致植物組織細(xì)胞遭到破壞，作物正常生理代謝功能受到影響;土壤中的鎘還會(huì)通過食物鏈逐級富集，引發(fā)人類鎘中毒[3].

在重金屬污染土壤的修復(fù)方面，傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)方法存在成本高、破壞土壤理化性質(zhì)以及易導(dǎo)致二次污染等缺點(diǎn)，而植物修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，具有成本低、效率高、原位修復(fù)、無二次污染以及不破壞植物生長所需的土壤環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)[4-8].然而，大部分的超富集植物個(gè)體小、生長慢、生物量不大且常位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，對氣候有一定的要求，不宜推廣，這些特點(diǎn)限制了它們的應(yīng)用[9].對于Cd中低污染的土壤修復(fù)不一定要使用超富集植物，可選擇適應(yīng)性好且生物量大的Cd富集植物[10].

南歐大戟(EuphorbiapeplusL.)為大戟科大戟屬一年生草本植物，原產(chǎn)于地中海沿岸(南歐至北非)，現(xiàn)在我國南方地區(qū)廣泛分布，具有生長迅速和繁殖力強(qiáng)等特點(diǎn).團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)在一些鎘污染的礦區(qū)中生長著南歐大戟，其對鎘表現(xiàn)出了較強(qiáng)的耐受性.因此本研究采用盆栽實(shí)驗(yàn)，探究鎘污染土壤中南歐大戟的生長情況及其對鎘的耐受性及富集特征，以期為重金屬鎘污染土壤的植物修復(fù)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

南歐大戟種子采自云南省昆明市云南師范大學(xué)校園內(nèi)，為當(dāng)年自然結(jié)實(shí)的種子；盆栽土壤取自云南省昆明市呈貢區(qū)某撂荒10余年的荒地0～20 cm表層土，土壤的基本理化性質(zhì)如下：全氮為1.16 g·kg-1，速效磷為25.73 mg·kg-1，速效鉀為68.65 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為25.43 g·kg-1，pH為7.8，土壤中鎘的背景值為2.38 mg·kg-1.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院溫室大棚中開展，選用規(guī)格(長×寬×高)為45 cm×20 cm×20 cm的長方形花盆，每盆裝土6.3 kg.以CdCl2·2.5H2O(分析純)為供源，Cd2+濃度設(shè)定0(對照)、20(T1)、40(T2)、80 mg·kg-1(T3)和160 mg·kg-1(T4)，共5組，每組5盆.將CdCl2·2.5H2O配置成不同濃度的水溶液均勻灌溉在盆裝土壤中，平衡2～3周后使用.選擇籽粒飽滿且大小均勻的南歐大戟種子每盆播種10 g，撒播.于2019年2月進(jìn)行播種，待出苗后，每3 d澆水一次，2020年11月收獲.

1.3 指標(biāo)測定及方法

將收獲的南歐大戟植株用自來水清洗干凈后，再用蒸餾水超聲清洗5 min，濾紙吸干表面水分，將植株分為根、莖和葉三部分.洗凈材料置于115 ℃恒溫烘箱中殺青30 min，80 ℃恒溫烘干至恒重，測定生物量干重，將烘干的材料研磨后過孔徑為0.25 mm的篩子，采用硝酸—過氧化氫混合法進(jìn)行消解，鎘含量用AA-7000(日本島津)雙光束原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測定[11]；富集系數(shù)(BCF)與轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)參照龍玉梅等[12]的方法計(jì)算.即

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2019軟件錄入和整理相關(guān)數(shù)據(jù)，用SPSS 26.0進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，用Origin 2019b軟件繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對南歐大戟株高的影響

由圖1可見，Cd2+脅迫下南歐大戟的生長受到一定影響，隨著Cd2+濃度的增加，南歐大戟株高呈先降低后增加的趨勢，Cd2+處理濃度為160 mg·kg-1時(shí)最高，為22.62 cm，但與對照差異不顯著(P>0.05)；Cd2+處理濃度為80 mg·kg-1時(shí)的株高比對照低9.95%，差異顯著(P<0.05)；Cd2+處理濃度為20 mg·kg-1和40 mg·kg-1時(shí)南歐大戟的株高與對照相比無顯著差異(P>0.05).

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同.

2.2 鎘脅迫對南歐大戟生物量的影響

如圖2所示，不同濃度Cd2+處理下南歐大戟地上部干重與對照相比均有所增加，Cd2+濃度為160 mg·kg-1時(shí)南歐大戟地上部的干重達(dá)到最大(33 g)，與對照相比差異極顯著(P<0.01)；Cd2+處理濃度為40 mg·kg-1和80 mg·kg-1時(shí)地上部的干重顯著高于對照(P<0.05).南歐大戟地下部干重與地上部變化趨勢一致，均隨著Cd2+濃度的增加而增加，處理濃度為160 mg·kg-1時(shí)地下部生物量最高，為3.35 g，比對照增加了81.3%，顯著高于對照組和其他處理組(P<0.05).

圖2 不同濃度Cd2+處理下南歐大戟地上部和地下部干重

2.3 南歐大戟對鎘的吸收和富集

從圖3中可以看出，南歐大戟根部的Cd富集量遠(yuǎn)高于地上部，說明南歐大戟從土壤中吸收的Cd主要是儲(chǔ)存于根部.隨著Cd2+濃度的增加，南歐大戟地上部和地下部Cd含量均呈現(xiàn)上升的趨勢，Cd2+濃度為80 mg·kg-1和160 mg·kg-1時(shí)地上部與地下部的Cd含量與對照相比差異極顯著(P<0.01)，Cd2+濃度為20 mg·kg-1和40 mg·kg-1時(shí)地上部與地下部的鎘含量與對照相比差異顯著(P<0.05).Cd2+處理濃度為80 mg·kg-1和160 mg·kg-1時(shí)南歐大戟地上部和地下部的Cd含量與其他兩個(gè)處理組差異顯著(P<0.05).

圖3 不同濃度Cd2+處理下南歐大戟地下部與地上部的鎘含量

從圖4中可以看出，不同Cd2+濃度處理下南歐大戟的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，說明Cd2+脅迫下南歐大戟地下部的Cd含量均高于地上部，隨著Cd2+濃度的增加轉(zhuǎn)移系數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；而對照組的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，各處理組與之相比均有顯著差異(P<0.05).由圖5可知，不同濃度Cd2+處理組的地上部富集系數(shù)均大于1，地上部的富集系數(shù)隨著Cd2+濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，但都顯著低于對照組(P<0.05).

圖4 不同濃度Cd2+處理下南歐大戟的轉(zhuǎn)移系數(shù) 圖5 不同濃度Cd2+處理下南歐大戟地上部的富集系數(shù)

3 討論

3.1 不同Cd2+濃度處理對南歐大戟生長的影響

植物的生長變化和生物量常作為植物對重金屬脅迫響應(yīng)的衡量指標(biāo).南歐大戟在整個(gè)試驗(yàn)期間沒有表現(xiàn)出生長不良的現(xiàn)象，說明其對Cd2+脅迫具有較好的耐受性.隨著Cd2+濃度的增加，南歐大戟的株高呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，同時(shí)生物量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，這與前人得出的低促高抑[13-15]的結(jié)果不同.說明不同植物可能因遺傳和生態(tài)特性對鎘的耐受性不同.

3.2 南歐大戟的Cd富集特征

鎘作為一種非必需金屬元素，能夠被植物較好的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，且在植物體內(nèi)的分布不均勻.不同種類及同一品種的不同部位，在不同的生態(tài)環(huán)境中，對于重金屬的富集能力大不相同.植物修復(fù)土壤重金屬污染的能力常以富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來評價(jià).富集系數(shù)越大，表示植物積累該種元素的能力越強(qiáng)；轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，說明植物由根部向地上部運(yùn)輸重金屬元素的能力越強(qiáng).研究結(jié)果顯示，隨著鎘脅迫濃度的增加，南歐大戟的地下部和地上部的Cd含量呈上升的趨勢，其中地下部Cd的含量高于地上部，說明南歐大戟從土壤中吸收的Cd主要積累在根系，這與胡云龍[13]和王瑋琳[16]等的研究結(jié)果相似.本研究中，南歐大戟的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)均隨著Cd2+濃度的提高而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當(dāng)Cd2+處理濃度為80 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最高值，然后逐漸減低，但始終低于對照.這與秦余麗[17]發(fā)現(xiàn)黑麥草的地上部分鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均隨土壤鎘水平的增加逐漸遞增，當(dāng)鎘處理濃度到達(dá)一定的水平(600 mg·kg-1)時(shí)富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)到最大值的結(jié)果相似.

4 結(jié)語

南歐大戟對重金屬鎘污染的土壤具有較強(qiáng)的耐受性，南歐大戟的生物量和根部鎘的累積量隨鎘脅迫濃度的增加而增加，在高濃度(160 mg·kg-1)Cd2+處理下植株能夠自然生長且長勢良好，能夠富集一定量的鎘.從南歐大戟的生長狀況和對鎘脅迫的耐受性來看，南歐大戟在Cd污染濃度中高的地區(qū)可能具有良好的Cd富集效果和耐受能力.