木芙蓉對鎘污染土壤的耐性及富集特性

摘要 為探究木芙蓉對鎘（Cd）污染土壤的耐性及富集特性，設(shè)置了盆栽試驗，以木芙蓉品種“百日華彩”（BRHC）和“單瓣紅”（DBH）作為試驗材料，在0、25、50和75 mg/kg 4種濃度Cd污染土壤中種植160 d，測量木芙蓉的株高、莖粗和生物量等指標(biāo)，根、莖、葉各部位鎘含量，計算對鎘污染的耐性指數(shù)、富集指數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)。結(jié)果表明，在一定濃度鎘污染土壤中（≤75 mg/kg），木芙蓉對鎘污染有較好的耐性，相較于CK，其株高、莖粗、總生物量、莖干重和葉干重等生長指標(biāo)無顯著差異。2個品種中，DBH地上部鎘富集系數(shù)更大，植物體內(nèi)鎘含量最大值為26.67 mg/kg，耐性指數(shù)隨鎘污染程度加重而增大，且均≥0.98，具有較好的土壤重金屬污染修復(fù)潛力。

關(guān)鍵詞 木芙蓉；鎘；土壤污染；耐性；富集特性

中圖分類號 S685.99 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）23-24-0104-05

Tolerance and enrichment characteristics of Hibiscus mutabilis L.

in cadmium polluted soil

LI Xiu " "CHEN Xi " "LI Mengxia " "CHEN Wenkai

（Chengdu Botanical Garden（Chengdu Park Urban Plant Science Research Institute）， Chengdu 610083， China）

Abstract To explore the tolerance and enrichment characteristics of Hibiscus mutabilis L. in cadmium polluted soil， a pot experiment was conducted using two cultivars of Hibiscus mutabilis L.， ‘BRHC’ and ‘DBH’， which were grown for 160 days under four different soil cadmium pollution concentrations of 0， 25， 50 and 75 mg/kg. The growth indicators such as plant height， stem diameter， and biomass of Hibiscus mutabilis L. were measured， and measured the cadmium content of roots， stems， and leaves. The tolerance and transfer efficiency of Cd pollution were calculated. The results showed that under a certain concentration of cadmium pollution in soil （≤75 mg/kg）， Hibiscus mutabilis L. had a good tolerance to cadmium pollution. Compared to CK， there were no significant differences in growth indicators such as plant height， stem diameter， total biomass， stem dry weight， and leaf dry weight. Among the two varieties， the cadmium concentration coefficient of the upper part of the single red petals was higher， with a maximum cadmium content of 26.67 mg/kg in the plant. The tolerance index increases with the degree of cadmium pollution and was greater or equal to 0.98， indicating a better potential for remediation of soil heavy metal pollution.

Keywords Hibiscus mutabilis L.; cadmium; soil pollution; tolerance; enrichment characteristics

礦區(qū)開采、大氣沉降、農(nóng)業(yè)活動等可導(dǎo)致土壤受到不同程度的重金屬污染[1]。鎘（Cd）是一種毒性很大的重金屬元素[2]，土壤中一定濃度和積累量的Cd可影響植物對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收，干擾光合作用、呼吸作用等關(guān)鍵生理過程，脅迫植物正常生長發(fā)育，降低產(chǎn)量和質(zhì)量，甚至引起植物死亡[3-4]。對人體而言，生物鏈Cd富集可能會影響神經(jīng)、免疫和生殖系統(tǒng)并導(dǎo)致疾病[5]。近年來，土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)蓬勃發(fā)展，環(huán)境友好、應(yīng)用成本低的植物修復(fù)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，其中以園林植物作為修復(fù)植物，既能降低土壤中重金屬的毒害作用，又能營造優(yōu)美的自然環(huán)境[6-7]。

木芙蓉（Hibiscus mutabilis L.），又名芙蓉花，為錦葵科（Malvaceae）木槿屬（Hibiscus）落葉灌木或小喬木，花色通常為白、粉或紅，觀賞價值高。除優(yōu)異的園藝觀賞價值外，木芙蓉還富含黃酮類抗氧化物質(zhì)，具有較高的食藥用價值[8-9]。已有研究表明，木槿（H. syriacus）[10]、海濱木槿（H. hamabo）[11]等木槿屬植物具有較強(qiáng)的Cd耐性和富集能力。因此，探究木芙蓉對Cd污染土壤的修復(fù)潛力具有一定的研究意義。本研究采用盆栽試驗，探究木芙蓉在不同濃度Cd（0、25、50和75 mg/kg）污染土壤中的生長指標(biāo)，以及對Cd的耐性及轉(zhuǎn)移效率，為將木芙蓉植物應(yīng)用于Cd污染土壤的修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料選擇

木芙蓉（H. mutabilis）品種百日華彩（BRHC）和單瓣紅（DBH）均為當(dāng)年生扦插苗，由成都市植物園（成都市公園城市植物科學(xué)研究院）提供。

1.2 試驗設(shè)計與處理

采用盆栽試驗，設(shè)置4個Cd處理濃度：0、25、50和75 mg/kg，每個處理重復(fù)4次，Cd以CdCl2·2.5H2O（分析純）溶液形式施入土壤中，混合均勻，每盆（1 L）裝土1 kg，老化4周后待用，土壤為丹麥品氏泥炭土（10～30 mm）。

選擇長勢一致的一年生木芙蓉扦插苗，每盆栽1株。采用自然光照，根據(jù)盆栽土壤水分狀況，不定期澆去離子水，使土壤水分保持在田間持水量的70%左右。試驗于2022年4—9月在成都市植物園科研園區(qū)進(jìn)行。

1.3 樣品采集與制備

植株處理160 d后取樣，先用自來水沖洗根部，再用20 mmol/L Na2-EDTA浸泡15 min后，去離子水潤洗、擦干，分成根、莖、葉3個部分。置于105 ℃條件下殺青30 min、75 ℃條件下烘干至恒重，稱重、粉碎后用于Cd含量測定。

1.4 項目測定

植株Cd含量采用HNO3-HClO4消解—原子吸收分光光度計法。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

耐性指數(shù)（Tolerance Index，TI）=Cd處理下植株生物量/CK生物量；富集系數(shù)（Bioconcentration Factor， BCF）=植株根Cd含量/土壤Cd含量；轉(zhuǎn)運系數(shù)（Transfer Factor， TF）=植株地上部Cd含量/植株根Cd含量。

采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，選擇最小顯著差異法進(jìn)行多重比較，圖表制作采用Origin 9.0和Excel 2016。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對植株生長的影響

如表1所示，與CK相比，Cd污染對木芙蓉生長無顯著影響，但不同Cd濃度和品種間存在差異。BRHC在Cd25處理下，其葉干重、總生物量最高，相較于CK，最長根長和莖粗有所減小；在Cd50處理下，莖干重、株高和莖粗較高，相較于CK，僅葉干重有輕微下降，在Cd75處理下，地下部生物量更大，最長根長也更長，但相較于CK，植株地上部生長受到限制，地上部生物量、株高、莖粗均下降。綜上，BRHC在Cd脅迫下存在低促高抑現(xiàn)象，在Cd50處理下綜合生長情況最佳，Cd25處理次之。BRHC的TI值為1.04～1.17，隨著濃度的增加而降低，但均大于1，說明BRHC對Cd具有較強(qiáng)的耐性。

DBH在Cd25處理下，整體生長情況弱于其他處理，僅莖干重和最長根長高于CK；在Cd50處理下，根干重顯著高于CK和Cd25處理，分別增加55.19%和69.64%，相較于Cd75，增加了39.20%。在Cd75處理下，莖干重、最長根長和總生物量較高，其中最長根長相較于CK顯著增加了56.73%，相較于Cd25和Cd50分別增加了48.73%和20.85%。DBH的TI值為0.98～1.15，隨著濃度增加而增加，表明DBH品種的Cd耐受極限還未探知。

2.2 不同處理對木芙蓉Cd含量和轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

植物體內(nèi)Cd含量的大小是修復(fù)物種選擇與應(yīng)用的重要指標(biāo)之一，從表2可以看出，木芙蓉地上部分和根系的Cd含量隨著土壤Cd濃度的增加逐漸升高，Cd濃度相同時，BRHC在低濃度時（Cd25和Cd50）根系Cd含量高于地上部分，在高濃度時（Cd75處理），地上部Cd含量高于地下部。DBH在試驗濃度范圍內(nèi)，地上部Cd含量均高于根部Cd含量。從木芙蓉品種來說，Cd25處理下，DBH根的Cd含量顯著低于BRHC，但是葉Cd含量在3個脅迫處理下均顯著高于BRHC。BRHC體內(nèi)最大Cd含量為18.79 mg/kg，DBH體內(nèi)最大Cd含量為26.27 mg/kg，均未達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)。

轉(zhuǎn)運系數(shù)是指植株地上部與地下部重金屬元素含量的比值，轉(zhuǎn)運系數(shù)越大，說明重金屬從根系向植株地上部轉(zhuǎn)運能力越強(qiáng)。如表2所示，隨著土壤中Cd濃度的增加，BRHC的轉(zhuǎn)運系數(shù)增加，最高為1.32；DBH在Cd50處理下，轉(zhuǎn)運系數(shù)達(dá)到最大，為1.54，說明隨著Cd濃度的增加，已經(jīng)影響到DBH根系的重金屬轉(zhuǎn)移。

2.3 不同處理對木芙蓉Cd富集系數(shù)的影響

如圖1所示，木芙蓉地上部富集系數(shù)0.23～0.41，地下部富集系數(shù)為0.21～0.54，說明木芙蓉對土壤Cd富集能力較弱。BRHC地上部富集系數(shù)為0.23～0.33，DBH的地上部富集系數(shù)為0.31～0.41，在3種不同濃度的Cd脅迫下，DBH地上部富集系數(shù)均大于BRHC，是BRHC的1.15～1.79倍。地下部分富集情況稍有不同，在Cd25處理下，BRHC的地下部富集系數(shù)顯著高于其他處理，達(dá)到0.54，顯著高于相同濃度下的DBH，（Plt;0.05）。DBH的地下部富集系數(shù)在Cd25處理下達(dá)到最大，隨著Cd濃度增大富集系數(shù)不斷下降。

3 結(jié)論與討論

Cd對植物的毒害作用，主要體現(xiàn)在通過影響光合作用、養(yǎng)分吸收和抗氧化能力來脅迫植物正常生長發(fā)育[12]。本試驗條件下，Cd污染對木芙蓉生長無顯著影響，對品種BRHC有一定的低促高抑作用，對品種DBH有一定的促生長作用，這與張茹等[13]的研究結(jié)果基本一致。這可能是由于低濃度Cd可以刺激植物中葉綠素合成，促進(jìn)根系生長，而高濃度會破壞植物葉綠體結(jié)構(gòu)，降低葉綠素含量，破壞根系形態(tài)[14-16]。BRHC的耐性指數(shù)為1.04～1.17，DBH的耐性指數(shù)為0.98～1.15，進(jìn)一步說明Cd污染對木芙蓉生長無顯著影響，但本試驗缺少對木芙蓉花期性狀的觀測，對指導(dǎo)木芙蓉在Cd污染土壤中的園藝應(yīng)用有一定局限性。

Cd的超富集植物是指地上部（或葉片）Cd含量達(dá)到或接近100 mg/kg，且富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)gt;1的植物，目前報道最多的Cd超富集植物為菊科植物[17]。本試驗表明，木芙蓉Cd富集系數(shù)lt;1，品種BRHC體內(nèi)Cd最大積累濃度為18.79 mg/kg，DBH體內(nèi)Cd最大積累濃度為26.27 mg/kg，均未達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)。植物對Cd富集能力主要取決于品種和土壤理化性質(zhì)[18]，木芙蓉不同品種間在相同處理下對Cd的吸收存在差異，這可能與根系生長狀態(tài)[19]、金屬轉(zhuǎn)移特性[20]等有關(guān)。研究表明，通過調(diào)整耕作措施[21]、添加土壤改良劑[22]、篩選植物品種[18，23]能有效調(diào)整植物的Cd富集吸收情況，在實際生產(chǎn)中，可以針對性地采取不同的措施來增加或降低木芙蓉Cd富集量，以此得到低富集Cd木芙蓉用于食藥用生產(chǎn)，高富集Cd木芙蓉用于重金屬提取修復(fù)。目前，木芙蓉新品種持續(xù)增加[24]，探索各個品種對重金屬修復(fù)潛力具有重要意義。

綜上所述，木芙蓉可以耐受一定濃度的土壤Cd污染（≤75 mg/kg），在一定Cd濃度下，木芙蓉株高、莖粗、總生物量、莖干重和葉干重等生長指標(biāo)與對照相比無顯著差異，木芙蓉對Cd具有很強(qiáng)的耐受性或抗性，初步判斷適合作為Cd污染土壤的植被恢復(fù)物種。相較于BRHC，DBH地上部Cd富集系數(shù)更大，植物體內(nèi)Cd含量最大值為26.67 mg/kg，耐性指數(shù)隨Cd污染程度增加而增大且均≥0.98，具有較好的土壤重金屬污染修復(fù)潛力。

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（責(zé)編：何 艷）