陈丽丽，鲁伟丹，李俊华，罗彤，孙奔奔

(石河子大学农学院资环系/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室 新疆 石河子 832003)

镉作为动植物体生长发育进程中的非必需元素，因成土母质发育而存于土壤中，通常不会对土壤生态环境造成危害[1]。然而，近年来由于化石燃料燃烧、矿石开采、不合理的施肥、污水灌溉和城市垃圾不恰当处理等人为活动导致的土壤重金属污染日益加剧[2]，重金属污染或超标耕地面积在我国有759.1万hm2，占调查面积的8.22%[3]。因此，对污染土壤的治理刻不容缓，也是环境科学领域当前的研究热点。

植物修复技术是镉污染土壤治理经济有效且生态友好的技术之一[4]，其中，植物提取被认为是最重要的植物修复方法，是一种利用植物从土壤中提取污染物并浓缩到植物体内的技术[5]，探究不同浓度镉污染土壤对植物生长与富集特性的影响，是筛选出不同浓度镉胁迫下适宜的植物修复材料的关键，对此研究也尤为重要。

关于污染物对植物生长、镉吸收和积累能力的影响，研究人员已做了许多研究[6]，其中，林立金等[7]研究发现镉处理对硫化菊的生长表现出低促高抑的作用，且不同浓度镉处理下地上部生物富集系数均大于1；
贾永霞等[8]研究也发现随处理浓度升高细叶百日草地上部镉积累量增加，富集系数都大于1，两者均具备镉富集的特征与能力，另外，在镉污染土壤上种植棉花，其主要产物纤维和棉籽中镉的吸附和累积量很低，且不进入食物链，环境风险较小，可以达到在不降低土壤利用价值情况下达到逐步消除土壤镉污染的目的[8]。

新疆是我国重要的经济作物棉花的主产区，占全国产量的三分之一[9]，但有关当地棉花生长和镉富集特性对镉浓度响应的研究很少。小白菜在我国种植较广，也是研究较多的植物，对镉具有一定的耐性和较强的富集作用[10]。龙葵广布世界各地，为棉田常见杂草、也是镉的超富集植物之一[11]，在镉含量严重超标的根际土壤中，仍能正常生长，镉在龙葵中的分布地上部显著高于地下部，对镉有较强耐性和显著的富集效果[12]。

上述研究多集中在农艺措施、化学处理剂和特定微生物添加小白菜和龙葵生长及镉吸收的影响，对3种植物在不同浓度镉处理下生长和镉吸收系统性的比较研究很少，因此，本文试验以棉花、小白菜和龙葵三种植物作为研究对象，人工模拟土壤镉污染环境，进行盆栽试验，探究不同浓度镉胁迫下植物的生长、根形态、镉吸收与转运和积累的情况，为认识不同浓度镉污染对植物的毒害作用和植物对镉的吸收，以及这三种植物应用于石灰性土壤镉污染土壤的修复和治理提供参考。

1.1 试验区概况

本试验在石河子大学农学院试验站(86°01′E，44°26.5′N)进行，供试土壤采自试验地耕层(0～20 cm)的石灰性土壤，质地为壤土。该地区无霜期在170 d左右，年日照时数2 721～2 818 h，年降水量125.0～207.7 mm，年平均蒸发量1 600 mm。供试前土壤基础理化性质为pH 8.38、碱解氮 16.2 mg/kg、有效磷11.2 mg/kg、有效钾130.1 mg/kg、有机质14.2 mg/kg。

1.2 试验材料

供试材料：选取棉花、小白菜和龙葵作为供试植物，品种分别为新陆早42号、德高和野生龙葵；
配施的肥料：尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含N 18.0%，P2O546.0%)硫酸钾(含K2O 51.0%)；
供试试剂：镉为CdCl2·2.5 H2O(含Cd99%的分析纯试剂)。

1.3 试验设计

试验于2019年5月11日开始实施，为盆栽模拟试验。试验设4个处理，分别为不加镉(Cd0)、添加1 mg/kg的镉(Cd1)、添加5 mg/kg的镉(Cd5)、添加10 mg/kg的镉(Cd10)，每个处理重复3次。

试验土壤做以下处理：以不添加镉的自然土壤为对照，外源镉采用CdCl2·2.5 H2O溶液的形式添加到土壤中，使土壤镉添加量为1、5、10 mg/kg，分别记作Cd0(即CK空白对照)、Cd1、Cd5、Cd10，不同镉添加量下的土壤陈化时间为30 d。用根际袋法将盆栽土壤分为根际土与非根际土，小白菜每盆装入4 kg土，其中1 kg装在300目的尼龙网袋中为根际土，棉花和龙葵每盆装入7.5 kg土，其中1.5 kg装在300目得尼龙网袋中为根际土，尼龙网袋放在盆中间，其余土装入盆内，四周及底部为相同处理的非根际土，并确保袋内外土壤高度相同。尼龙网袋上部开口用来种植棉花、小白菜和龙葵，棉花、小白菜和龙葵根系全部限制在尼龙网袋中。试验中所有土壤过2 mm筛并施相同量的底肥，小白菜(尿素、磷酸二铵和硫酸钾各1.2 g)，棉花和龙葵(尿素、磷酸二铵和硫酸钾各2.25 g)，共36盆。每盆浇水500 mL，待水土稳定后，分别播15粒种子，待3种植物长出真叶后，选择长势一致的植物，将每盆定苗至3株，50 d后分植株与土壤进行样品采集。

1.4 样品采集与分析

每盆将根袋取出，用抖土法收集根际土壤，冲去附着在植株根上的土壤获取完整的根系，地上部分茎、叶、蕾3器官，分别装在信封袋中，在105 ℃下用烘箱杀青0.5 h后，75 ℃烘干至恒重，百分之一天平称重，植株样品用不锈钢粉碎机粉碎待测镉含量。镉含量用HNO3-HCL-HF法消化(体积比为3∶1∶1)，原子吸收分光光度计(日立Z-2000)测定[1,3]。

根系测定。将根系样品洗净放入根盘中，并加人少量蒸馏水，用镊子或手轻轻将植物根系剥开，认真梳理根系使其分布均匀，然后用根系扫描仪(Epson Expression/STD 1600 Scanner，印度尼西亚)生成300 dpi的图像，应用Win RHIZO软件进行数字化处理，分析根总长度、根表面积、根平均直径和根体积等。

1.5 数据处理与分析

生物富集系数、转移系数和镉积累量参照文献[13]中方法计算。试验数据为3次重复的平均值，选用SPSS 21和Microsoft Excel 2016软件对数据进行分析和处理，单因素方差分析Duncun法多重比较各处理间的差异显著性(P<0.05)，Microsoft Excel 2016完成制图。

2.1 镉胁迫对植物生长的影响

2.1.1 镉胁迫对植物株高和生物量的影响

镉胁迫对龙葵株高具有一定的抑制作用，但对棉花和小白菜的抑制作用不显著。龙葵株高在Cd1、Cd5、Cd10处理下分别较Cd0显著减少17.1%、36.5%和39.6%(图1)。50天盆栽试验后，Cd1、Cd5、Cd10处理下棉花地上部生物量与Cd0处理相比，分别减少21.0%、22.0%、23.0%，地下部生物量分别减少32.2%、35.6%、41.1%；
龙葵地上部生长受到显著抑制，生物量分别降低60.9%、67.9%、71.9%，地下部生物量分别降低63.7%、72.9%、83.7%。Cd10处理下小白菜地上部生物量较Cd0显著减少了31.8%；
与Cd0处理相比，Cd1、Cd5、Cd10处理地下部生物量分别减少26.4%、32.25%和36.4%(表1)。

不同小写字母表示同一植物在不同镉浓度处理下差异显著(P<0.05,n=3)。图1 镉处理下3种植物的株高

表1 3种植物的地上和地下部生物量

2.1.2 镉胁迫对植物根系形态参数的影响

由表2可知：不同浓度镉处理下，棉花的总根长、总根表面积和总根体积无显著差异。与Cd0相比，Cd5和Cd10处理根系平均直径差异显著，分别增加11.8%和19.8%。不同浓度的镉胁迫对小白菜总根长影响差异不显著，与CK相比，Cd10处理总根表面积、根系平均直径和总根体积显著减少58.2%、55.8%和58.2%。与CK处理相比，Cd1、Cd5和Cd10处理总根长分别显著降低37.7%、54.1%、55.2%，总根表面积分别显著降低42.4%、34.5%和24.9%，总根体积分别显著降低45.7%、67.3%、75.8%，Cd10处理下，根系平均直径显著降低了66.7%。

表2 镉胁迫下3种植物根系形态参数的变化

2.2 镉的吸收与转运

2.2.1 植株镉含量

结果见图2。

图2 3种植物的镉含量

(1)棉花和小白菜地上部镉含量随镉胁迫浓度的增加逐渐升高，与Cd0相比，棉花Cd1、Cd5、Cd10处理分别显著增加183.7%、522.9%和823.4%；
小白菜Cd1、Cd5、Cd10处理分别显著增加347.3%、994.4%和1 317.6%。龙葵镉含量随镉浓度增加先升高后降低，与Cd0相比，龙葵Cd1、Cd5、Cd10处理分别显著增加757.6%、4 741.0%和3 068.2%。

(2)棉花地下部镉含量随处理浓度增加而增大，与Cd0相比，棉花Cd1、Cd5、Cd10处理分别显著增加229.1%、726.4%和749.4%；
Cd5和Cd10处理下，小白菜分别显著增加40.3%和15.65%；
龙葵Cd1、Cd5、Cd10处理分别显著增加37.1%、66.8%和106.1%。

2.2.2 生物富集系数

结果(表3)显示：

表3 Cd胁迫下3种植物的生物富集系数

棉花、小白菜和龙葵地上部生物富集系数随镉处理浓度的增加先升高后降低，棉花和小白菜在Cd1处理，龙葵在Cd5处理下生物富集系数显著高于其它处理，其中小白菜(6.07)>龙葵(4.19)>棉花(2.64)；
小白菜和龙葵地下部生物富集系数随镉处理浓度的增加而降低，与Cd0相比，小白菜Cd1、Cd5和Cd10处理地下部生物富集系数显著降低58.2%、78.4%和90.6%，龙葵Cd1、Cd5和Cd10处理地下部生物富集系数显著降低35.8%、74.3%和83.1%。棉花地下部生物富集系数则随镉处理浓度的增加先升高后降低，Cd1处理时可达8.21，显著高于其它处理。

2.2.3 转移系数

由结果(表4)可知：棉花的转移系数均在1左右波动，随镉胁迫浓度增大，转移系数逐渐减小，与Cd0相比，棉花Cd1、Cd5和Cd10处理转移系数减小5.1%、24.8%和30.8%；
小白菜的转移系数则随着镉处理浓度的升高逐渐增大，与Cd0相比，小白菜Cd1、Cd5和Cd10处理转移系数增大453.3%、780.0和1 313.1%；
龙葵的转移系数先增大后减小，Cd5处理下最大值可达8.18。3种植物中龙葵在5 mg/kg的镉处理下转移系数最大，为8.32，镉转移能力最强。

表4 Cd胁迫下3种植物的转移系数

2.3 镉积累量

结果(图3)显示：3种植物地上部镉积累量随镉处理浓度的升高而增加，棉花和小白菜地上部镉积累量随镉处理浓度的增加显著升高，均在Cd10处理下达到最大，分别为393.3、630.3 μg/盆，与Cd0处理相比显著增加1 062.0%、1 680.0%；
龙葵地上部镉积累量随镉胁迫浓度的增加先升高后降低，Cd5处理下达最大为202.1 μg/盆，与Cd0处理相比显著增加1 790.0%。棉花地下部镉积累也随镉处理浓度的增加显著增大，但小白菜在Cd5处理下达到最大为36.7 μg/盆，龙葵主要将镉转运到地上积累，地下部镉积累量随处理浓度的增加而减小。

图3 镉处理下3种植物的镉积累量

2.4 镉积累量与生物量、生物富集系数和植株镉含量的相关性

通过对3种植物镉积累量与生物量、地上及地下部生物富集系数和镉含量的相关性分析(表5)发现：棉花和小白菜镉积累量与总生物量、地下部和地上部镉含量均呈现极显注正相关(r=0.789**、0.867**、0.748**、和0.749**、0.986**、0.725**，P<0.01)。龙葵镉积累量与其总生物量和地上部生物富集系数呈负相关，地下部镉含量与之极显著正相关(r=0.964**)。

表5 3种植物对镉的积累量与生物量、生物富集系数和镉含量的相关性分析

(1)生物量表征植物生长且反映植物对镉胁迫等逆境的响应情况[14-15]；
本研究结果表明，随镉胁迫浓度的增加，龙葵的株高和生物量(地上部和地下部)显著下降,小白菜地下部生物量也显著降低。龙葵作为镉的超富集植物[16]，在镉胁迫下会产生一系列应激代谢活动，从而促使更多Cd进入体内[17]；
本研究结果表明，随镉浓度升高更多Cd进入龙葵体内，其生长产生抑制，生物量降低。镉对小白菜生长具有浓度效应，浓度升高对小白菜根系产生抑制作用[18]，而地上部在低浓度(Cd1)镉胁迫下，生物量增加，当镉处理浓度大于1 mg/kg时生物量积累受到抑制，任安芝等[19]研究也表明低浓度的镉对青菜影响较小，浓度超过一定限度时生物量会显著降低，本研究结果与之一致。植物间因存在显著的基因型差异，镉耐性则不同[20]，本研究发现不同镉胁迫浓度对棉花的生物量没有显著影响，因棉花对镉胁迫有较强的适应性[21]，因此，对于更高浓度镉胁迫对棉花影响的研究有待进一步深入。

(2)根系作为吸收水分和矿物元素的关键部位，也是植物生长过程中感受最敏感和调节最强的生长发育中心[22]，特别是在逆境下对植物的适应性生存尤为重要[23]，根系形态的改变会影响根对镉的吸收[24]。本研究发现，随镉胁迫浓度的增加，棉花根系直径显著增大，棉花镉含量随镉处理浓度升高而升高，与刘连涛等[25]研究结果相似，镉胁迫下棉花根系加粗，降低了对水分与养分吸收和运输的能力，同时根系吸收了大量的镉，对棉花产生毒害。根际环境中植物对镉的吸收存在差异[26]，镉因易被植物吸收，因此在植物体内易产生毒害作用[27]。本研究表明小白菜和龙葵根系各项指标受到镉胁迫的显著影响，张利红[28]和秦天才[29]等研究也发现，镉胁迫下与土壤直接接触的根系最先受到损害，造成植物根系不发达，当环境中镉浓度越高，根系生长受抑越明显，陶亮[30]、唐星林[11]和从建明[31]的研究也证明了这一结论，根际环境变化也进一步解释了三种植物生长方面的差异[32]。

(3)本研究表明作物的富集系数反映其对镉的吸收能力，在镉浓度较低时(Cd0)，小白菜和龙葵的地下部富集系数较高，分别为16.73和6.23，这是因为两种作物为镉的积累型作物，在较低的镉浓度条件下，对镉仍然有很强的吸收能力，而棉花不同，只有在浓度较高时才会表现出富集效应，所以在低浓度镉污染中，小白菜和龙葵对镉的富集效应更好。

(3)转移系数反映作物对镉的转移能力。本研究表明小白菜和龙葵在镉浓度为10 mg/kg时，转移系数值仍较高，分别为2.12和4.51，表现出很强的镉转移能力，而棉花的转移系数随着镉浓度的增加而减低，这是因为棉花根系对镉有一定的耐性，吸收了大量的镉，高浓度镉(Cd5和Cd10)处理下棉花根系镉含量高于地上，镉通过减弱养分和水分及镉向地上部的运移，富集与转移能力也随胁迫程度的增加而降低，对地上部生长与镉的积累量造成影响。BAKER A J M[33]根据植物吸取、转移和积累重金属的机制，把植物划分为积累型、指示型(敏感性)和排斥型，当植物对重金属有很强耐性时，也并不一定是超富集植物。江行玉[34]发现芦苇吸收的镉主要通过根部截留，减少了向地上部的转移，从而降低Cd毒害，是镉的排斥型植物，因棉花与芦苇有相似的抗镉机理，则也为镉的排斥型作物。小白菜和龙葵的转移系数平均为1.13和3.89，吸收的Cd绝大部分分布在植株地上部，是容易收割移走的部位，适合作为修复植物；
朱雅兰[10]、李志贤[13]和李希铭[35]也认为地上部能积累大量的重金属，且富集系数和转运系数大于1.0，对镉表现出很好的吸收和转运能力的积累型作物适合用于土壤镉污染的修复。

(4)植物只对重金属有较强耐性，在重金属含量较高的情况下才能保持良好的生长状态，地上部分才能更多地吸收富集土壤中的重金属，更有效地应用于植物修复工程中[35]。本研究表明棉花对镉有较强的耐性，且其吸收与积累的镉多在根部；
龙葵虽然为镉的超富集植物，但在高浓度镉胁迫下其生物量显著降低，镉总积累量低于小白菜；
而小白菜具有较大的镉富集与转移能力，在3种植物中最适宜用于植物修复镉污染土壤。本文对镉的积累量与各指标的相关分析结果也证实了以上结果，其中，棉花镉积累量与总生物量之间为极显著正相关关系(r=0.789)，龙葵为负相关关系(r=-0.410)，小白菜镉积累量与镉含量(地上与地下)间呈正相关(r=0.725和0.986)，小白菜和龙葵的转移系数与镉的积累量为正相关关系(r=0.950和0.971)。

(1)随镉胁迫浓度的增加，3种植物中，龙葵生长显著受到抑制，小白菜根系生长也受到胁迫，棉花生长则无显著变化，但与对照相比，镉处理下棉花生物量积累受到抑制。

(2)3种植物相比，低浓度镉处理下(Cd1)地上部镉含量与积累量表现为小白菜>棉花>龙葵，高浓度镉处理下(Cd5和Cd10)地上部镉含量与积累量为小白菜>龙葵>棉花，表明地下部镉含量与积累量棉花高于小白菜和龙葵。

(3)镉处理下3种植物生物富集系数均大于1，都具备吸收镉的能力；
随镉浓度的增加，小白菜和龙葵转移系数增大，表现出较强的镉转移能力。

(4)棉花、小白菜生物量和小白菜转移系数与镉积累量为正相关关系。因此，为提高植物对镉污染土壤的净化能力，可通过缓解镉对生物量积累的抑制以及增加镉的吸收和转移能力等来提高植物提取修复的效率。

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