不同區域曼陀羅對鎘吸收轉運特征研究

馮雪薇，包 立，張乃明

(云南農業大學資源與環境學院，云南昆明 650201)

隨著全球經濟的迅速發展，土壤重金屬污染問題已經成為重要的環境問題。傳統土壤污染治理的方法耗資大，容易破壞土壤微生物和土壤結構，不能有效地解決重金屬污染[1-2]。植物修復技術作為一種環境友好型防治措施越來越受到關注[3]。植物修復的關鍵是選取合適的修復物種，至2011年已發現的鎘超富集植物僅5種[4]。然而，這類植物雖然顯示出超強的吸收能力和提取效果，但是多數植物具有生長緩慢、生物量較小、不易成活的缺點，難以在實際生產中得到廣泛的應用。因此，選用生長較為迅速、生物量較大且富集重金屬能力相對較強植物來提取重金屬成為一種新途徑[5]。

曼陀羅(DaturastramoniumL.)，別名洋金花、狗核桃、山茄子等，是茄科曼陀羅屬一年生直立植物，也是一種常見的農田雜草[6]，其具有較強的抗逆競爭能力、營養生長迅速、繁殖能力強和生物量大的特點[7]。張彪等[8]對某礦區附近34種野生植物進行調查研究，發現曼陀羅地上部的鎘含量達到26.17 mg/kg，富集系數為0.81。董林林等[9]研究蒼耳和曼陀羅發現，曼陀羅地上部分和地下部分的生物量均較對照有明顯增加，且曼陀羅體內的鎘基本上隨土壤中鎘濃度增加而增加，當土壤中鎘濃度為100 mg/kg時，曼陀羅地上部分富集系數為1.15，大于1.00。楊海濤等[10]在不同鎘脅迫下對苗期曼陀羅進行研究發現，0.5 mg/L 鎘處理下，株高、葉綠素SPAD值相比對照分別增加了7.47% 、7.55%，生長沒有受到抑制。在鎘脅迫下，曼陀羅根、莖、葉對鎘的富集系數均大于1.00。前人的研究表明，曼陀羅對鎘污染有較強的耐性，且對鎘有較強的富集能力。 但是就曼陀羅在人為污染土壤和礦區土壤中對鎘吸收累積能力的差異研究鮮見報道。筆者通過篩選不同地區曼陀羅，研究其在不同水平鎘脅迫下和礦區土壤中的生長情況及其對鎘的富集轉運特征，并探索其提高吸收累積鎘能力的措施，以期為曼陀羅修復鎘污染土壤提供理論依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供試植物。在會澤礦區、沘江流域取6個點的野生曼陀羅樣品，并收集大小均勻、飽滿的種子，篩選出1個優勢曼陀羅樣品備用。

1.1.2供試土壤。鎘脅迫試驗的土壤取自云南農業大學后山農場，自然土壤取自蘭坪鉛鋅礦附近，均取0～20 cm表層土壤，自然風干，并混合均勻。供試土壤的基本性質如表1所示。

表1 供試土壤的基本性質

1.2試驗方法

1.2.1鎘脅迫盆栽試驗。共設0、25、50 mg/kg 3個濃度等級，另外加礦區土壤(蘭坪鉛鋅礦附近土壤，鎘含量3.14 mg/kg)的一個處理，每個處理做3個重復。每盆加入5 kg土，按所設濃度，分別加入0.222 4 mol/L的硝酸鎘溶液0、5、10 mL，曼陀羅生長80 d后收割。

1.2.2不同營養調控措施對曼陀羅吸收鎘的影響試驗。采用土培盆栽試驗，分別采用添加復合肥、尿素+有機肥、植物生長調節劑以及空白對照4個處理，每個處理做3次重復。每盆加入8 kg礦區土壤，每盆種3穴，每穴播3顆種子，在幼苗出土后，3～4葉可間苗1次，5～6葉可定苗，每穴保留1健壯植株。定期觀察植株生長狀況，根據盆中缺水情況，不定期地給植物補充水分，曼陀羅開花后收割。

1.2.3樣品處理。采集的曼陀羅植物樣品先經自來水沖洗干凈后，再用蒸餾水沖洗 4 次，用試紙吸干植株表面水分，分離曼陀羅的根、莖、葉，然后于105 ℃的烘箱內殺青 30 min，70 ℃下烘干至恒重并分別稱重，經植物粉碎機磨碎，備用；土壤樣品經過自然風干處理后粉碎，過100目篩，備用。

1.2.4樣品測定。曼陀羅中鎘含量測定參照CB 5009.15—2014《食品安全國家標準食品中鎘的測定》，將烘干粉碎后的曼陀羅根、莖、葉樣品采用濕式消解法消解后，通過石墨爐法進行測定。土壤樣品參照GB/T 17141—1997《土壤質量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》測定土壤鎘含量。

1.3數據分析試驗數據采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行分析，并利用公式計算富集系數(BCF)和轉運系數(TF)。

BCF= 根(莖、葉)中鎘含量/土壤中鎘含量

TF= 莖(葉)中鎘含量/根中鎘含量

2 結果與分析

2.1不同區域曼陀羅鎘的含量差異以及轉運富集特征由表2可知，曼陀羅體內鎘含量的多少與土壤中的鎘含量有關，總體上曼陀羅中鎘含量隨土壤中鎘含量增加而增加。不同采樣點曼陀羅對鎘的吸收轉運能力不同，其中云龍農區采樣點3的曼陀羅對鎘的富集能力最強，地上部的轉運能力強于其他5個采樣點的曼陀羅，且云龍農區的曼陀羅富集轉運能力強于會澤礦區，轉運系數越高，重金屬從根向地上轉運能力越強，根滯留重金屬的能力越弱。

表2 不同區域曼陀羅鎘含量及轉運富集系數

2.2鎘在曼陀羅不同器官的分布以及對其生物量的影響從表3可以看出，曼陀羅根、莖、葉中鎘的含量分別為1.24～67.44、0.96～72.03、0.85～39.28 mg/kg。隨著鎘脅迫強度的增加，曼陀羅根、莖、葉中鎘含量均呈增加趨勢，且在相同的鎘處理下，曼陀羅各器官中鎘含量大致趨勢為莖>根>葉。

生物量可以直觀地反映植物對重金屬脅迫耐性的高低，由表4可知，在礦區土壤中種植的曼陀羅總生物量最大，隨著鎘脅迫的增強，曼陀羅的根、莖、葉的生物量均呈遞減趨勢。在50 mg/kg鎘脅迫下，曼陀羅各部位的生物量較空白對照(0 mg/kg鎘)明顯減小，生長受到抑制。

表3鎘脅迫下曼陀羅不同器官中的鎘含量

Table3CadmiumcontentindifferentorgansofDaturastramoniumL.undercadmiumstress

鎘濃度Cadmium concentration∥mg/kg根Root莖Stem葉Leaf01.24 cC0.96 dD0.85 dC2545.90 bB49.97 bB36.30 bA5067.44 aA72.03 aA39.28 aA礦區土壤Mining area soil4.72 cC7.37 cC6.80 cB

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)

Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)，different capital letters indicated extremely significant differences(P<0.01)

表4曼陀羅不同器官生物量比較

Table 4 Comparison of biomass of different organs of Datura stramonium L. g

2.3不同脅迫水平曼陀羅對鎘的富集轉運特征富集系數能反映植物對重金屬的積累能力。由表5可知，曼陀羅根、莖、葉的富集系數隨土壤中鎘濃度的增加呈遞減趨勢，且在各處理下，曼陀羅的富集系數基本上都是大于1，說明曼陀羅對鎘有較強的富集能力。

表5鎘脅迫下曼陀羅對鎘的轉運富集系數

Table5CadmiumtransportenrichmentcoefficientofDaturastramoniumL.undercadmiumstress

鎘濃度Cadmium concentra-tion∥mg/kg鎘富集系數Cadmium accumulation coefficient莖Stem葉Leaf根Root鎘轉運系數Cadmium transport coefficient莖Stem葉Leaf01.941.722.510.770.69251.701.231.561.090.79501.240.681.161.070.58礦區土壤Mining area soil2.572.371.651.561.44

轉運系數反映植物對體內重金屬的轉運能力，轉運系數越高，重金屬從植物根部向地上部的轉運能力越強，根滯留重金屬的能力越弱。在不同處理下，曼陀羅的葉片中鎘的轉運系數均小于1，莖中的轉運系數在鎘濃度為25和50 mg/kg、礦區土壤處理下均大于1，隨著鎘脅迫強度的增加，曼陀羅莖、葉中鎘的轉運系數均為先增加后降低。

2.4不同營養調控措施對曼陀羅生長的影響由不同營養調控措施下曼陀羅生長狀況(表6)可知，添加復合肥、尿素+有機肥和植物生長調節劑3種措施均對曼陀羅的生長具有明顯的促進作用，促進效果從大到小依次為尿素+有機肥、復合肥、植物生長調節劑；產生該結果的原因可能是有機肥中含有大量有機質，有明顯的改土培肥作用，并且有機肥中養分種類多、營養全面，此外還有很多有益微生物，可以促進土壤中的生物轉化過程，有利于肥力不斷提高，并且配合化學肥料尿素使用，效果更佳。

2.5不同營養調控措施對曼陀羅吸收累積鎘能力的影響由圖1可知，曼陀羅根部對鎘的富集系數添加復合肥和尿素+有機肥顯著高于對照，且3種措施根部對鎘的富集能力從強到弱依次為尿素+有機肥、復合肥、植物生長調節劑；曼陀羅地上部對鎘的富集系數3種措施均顯著高于對照，且3種措施對地上部鎘的富集能力從強到弱依次為尿素+有機肥、植物生長調節劑、復合肥；曼陀羅對鎘的轉運系數3種措施顯著高于對照，曼陀羅對鎘的轉運能力從強到弱依次為尿素+有機肥、植物生長調節劑、復合肥。

表6 不同營養調控措施處理下曼陀羅生長的狀況

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)

3 討論

重金屬鎘是毒性最強、容易被植物吸收的非必需元素，當鎘積累到一定程度，可以破壞葉綠體的結構、降解葉綠素、抑制光合速率細胞分裂等[11-14]。該試驗結果，在50 mg/kg鎘脅迫下，曼陀羅各部位的干質量較空白對照(0 mg/kg鎘)明顯減小，生長受到抑制。這可能是曼陀羅在高濃度鎘脅迫下，曼陀羅體內的鎘含量劇增，對體內的生理反應產生了毒害作用，導致葉片中的葉綠素合成受阻，光合作用變弱，生長受到抑制，同時植物為了躲避重金屬鎘的毒害，需要消耗一定的能量來維持細胞功能，從而使得曼陀羅生長速度減慢，出現植株矮小的情況[15]。

葉是植物進行光合作用的重要器官，外界的重金屬鎘通過根部進行吸收，然后經植物莖運送到葉片，從而產生毒害作用，進而影響植物的生長。該試驗中曼陀羅莖部的鎘含量最高可達到72.03 mg/kg，對重金屬鎘有較強的富集能力，經過田間試驗驗證后可作為修復鎘污染的潛在植物。曼陀羅生物量較大，對重金屬鎘有較強的富集、轉運能力，且是一種野生植物，如果能夠經農田驗證運用到實際中去，將對鎘污染土壤的植物修復產生重要的現實意義。

此外，該試驗曼陀羅的采樣點不多，且盆栽試驗與自然生長的植物有所差異，導致試驗結果與現實情況可能有所差異，因此還需進行進一步驗證。

4 結論

(1)曼陀羅中鎘含量與土壤中鎘含量有關，不同采樣區域曼陀羅對鎘的富集轉運能力不同，云龍農區采樣點3的曼陀羅對鎘富集能力最強，且鎘從根向地上轉運能力最強。

(2)在同一鎘處理下，曼陀羅各器官中鎘含量大致趨勢為莖>根>葉，隨鎘脅迫強度增加，曼陀羅各器官中鎘含量均呈增加趨勢，而曼陀羅各器官的生物量呈減少趨勢。

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)圖1 不同營養調控措施對曼陀羅吸收累積鎘能力的影響Fig.1 Effect of different nutritional control measures on the ability of Datura stramonium L. to absorb accumulated cadmium

(3)曼陀羅各器官的富集系數基本大于1，隨著鎘脅迫的增強，曼陀羅各器官的富集系數總體呈減小趨勢，而轉運系數呈先增加后減小的趨勢，其中葉的轉運系數均小于1，莖只有在對照處理下小于1；曼陀羅在鎘污染的土壤中生長，雖然受到一定的抑制作用，但沒有明顯的毒害癥狀，表明曼陀羅對鎘具有較強的耐性。

(4)對比不同營養調控措施下曼陀羅生長狀況，添加復合肥、尿素+有機肥和植物生長調節劑3種措施均對曼陀羅生長具有明顯的促進作用，促進效果從大到小依次為尿素+有機肥、復合肥、植物生長調節劑。復合肥、尿素+有機肥、植物生長調節劑3種營養調控措施對曼陀羅根部富集鎘的能力從強到弱依次為尿素+有機肥、復合肥、植物生長調節劑，地上部富集鎘的能力從強到弱依次為尿素+有機肥、植物生長調節劑、復合肥，曼陀羅對鎘的轉運能力從強到弱依次為尿素+有機肥、植物生長調節劑、復合肥。因此，添加尿素+有機肥的措施效果最佳。