不同生长时间苋菜对土壤中镉的富集特性

Cadmium accumulation characteristics of Amaranthus tricolor at different growth durations

摘要

以湖南省浏阳市镉重度污染管控区土壤及红圆叶苋菜（Amaranthus tricolor L.）为试验材料，通过大田试验及盆栽试验研究苋菜富集镉的特性及种植苋菜对土壤镉含量的影响。大田试验以不种植苋菜为对照，设苋菜生长时间为15、30、45和60 d，观测不同生长时间苋菜不同部位对镉的富集能力的差异；开展盆栽试验观测种植苋菜后土壤镉含量（w）及化学形态变化。结果表明：苋菜根、茎、叶中的镉含量存在差异，不同处理均以根部镉含量最高。苋菜各部位对土壤镉的富集能力（BCF）大小依次为根、叶、茎。随着苋菜生长时间推移，苋菜各部位BCF值均呈现先升高再降低的趋势，在生长45 d时达到最大值，根、茎、叶的BCF分别为26.61、18.05、21.85；4个试验处理中，苋菜茎对镉的转移系数无显著变化，而叶对镉的转移系数呈现随着生长时间推移而升高，表明苋菜体内的镉会随着生长时间推移而持续向叶迁移。在盆栽试验中，种植苋菜的土壤w（总镉）为2.96 mg·kg^-1，显著低于未种植苋菜的土壤（3.15 mg·kg^-1）。种植苋菜后，土壤有效镉含量亦显著降低，酸可溶态镉含量升高而残渣态镉含量降低，说明种植苋菜使土壤镉含量降低，同时使土壤镉形态发生改变。研究表明，苋菜能在重度镉污染土壤中生长并富集土壤中的镉。

Abstract

With heavily Cd-contaminated soil from Liuyang City， Hunan Province， and Amaranthus tricolor L. （red round-leaf amaranth） used as materials， field and pots experiments were conducted to characterize Cd accumulation by amaranth and evaluate the effects of amaranth cultivation on soil Cd content and speciation. In the field， plots without amaranth were used as controls， and amaranth was grown for 15， 30， 45， and 60 days to compare Cd accumulation among roots， stems， and leaves across growth durations. In plots， we monitored changes in total Cd （w）， available Cd， and chemical fractions following amaranth cultivation. The results showed that Cd concentrations differed among plant organs and were consistently highest in roots. The bio-concentration factor （BCF） for Cd followed in the decreasing order in root， leaf， and stem. BCF values in all organs increased initially and then declined， peaking at 45 days （roots 26.61， stems 18.05， leaves 21.85）. Across the four growth durations， the stem translocation factor （TF） for Cd did not vary significantly， whereas the leaf TF increased over time， indicating progressive Cd translations within plants toward leaves. In the pot experiment， total soil Cd（w） under amaranth cultivation was 2.96 mg∙kg^–1， significantly lower than the 3.15 mg∙kg^–1 in the unplanted control. Amaranth cultivation also significantly reduced soil available Cd， increased the acid-soluble Cd fraction， and decreased the residual Cd fraction， indicating both a reduction in the soil Cd mass fraction and a shift in Cd speciation. Overall， A. tricolor L. can grow in heavily Cd-contaminated soil and effectively accumulate Cd.

Graphical abstract

关键词

苋菜 / 镉 / 植物修复 / 富集系数 / 不同生长时间

Key words

Amaranthus tricolor L. / cadmium / phytoremediation / bio-concentration factor（BCF） / different growth durations

湖南省以有色金属之乡和非金属矿之乡著称，是我国矿产资源最为丰富的省份之一。由于矿产开采、冶炼等活动，农田土壤遭受到重金属污染^[1-2]，重金属会通过生物富集随食物链进入人体，对人类健康造成危害^[3]。其中，农田土壤重金属污染的首要污染物是镉，其具有致癌、致畸和致突变作用^[4]。

土壤重金属污染的主要修复方式有淋滤法、客土法、吸附固定法等物理方法以及络合浸提取、生物还原等化学方法；但存在修复成本高、效率低，或会破坏土壤性质，不能从根本上将重金属从土壤中提出等缺陷^[5]。植物在重金属环境下，会产生相应的耐受机制，由此催生出植物修复技术，因其安全、清洁等特点，成为目前土壤重金属污染的重要修复方式。有关研究表明，苋菜具有富集重金属镉的性能^[6-8]，加之苋菜可用于提取苋菜红色素^[9]及抑菌活性物质^[10]，这在一定程度上解决了植物材料修复土壤后的处理问题，因此苋菜是一种较好的修复土壤镉污染的植物。目前，苋菜修复土壤镉污染的大田研究较少，苋菜富集镉的相关特性研究报道尚未深入。基于此，本试验采用大田及盆栽试验研究不同生长时间苋菜不同部位对镉的富集性能，以及种植苋菜后土壤镉含量的变化情况，以期为苋菜修复土壤镉污染技术的发展提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验地点：湖南省浏阳市永和镇铁山村南山组（113°54′E、28°16′N）镉污染管控区。土壤为红壤土，pH为5.05，试验区土壤总镉含量（w）本底值为2.35 mg·kg^-1。

供试植物：红圆叶苋菜（Amaranthus tricolor L.，甘肃张掖市翔源种业有限责任公司）。

1.2 试验设计

大田试验：为研究苋菜在大田镉污染土壤下的富集特征，共设5个处理，以不种植苋菜组为对照（CK），种植苋菜15、30、45、60 d。每个试验小区面积为40 ㎡（20 m×2 m），小区间设50 cm宽步道。2022年4月中旬将红圆叶苋菜种子撒播于各试验处理组内。后续不追肥，每月除草1次。待苋菜长至对应试验时间后，以S形布点，依次进行苋菜及土壤取样，将每5个点的土样混合为1个土样。

盆栽试验：设种植苋菜45 d与不种植苋菜2个处理，研究种植苋菜对镉污染土壤中镉含量及形态的影响。取大田试验区内镉污染土，拣出石块及杂草等杂质，摊开晾干后过0.8 cm筛网，混匀后装入实验盆（0.80 m×0.30 m×0.25 m）。于2023年6月播种（用种量与大田保持一致），不追肥，有草即除，出苗45 d后以五点法取土样。

1.3 样品镉含量的测定

1.3.1 样品前处理

将所取土样阴干后用研钵碾碎，混合均匀后用四分法分样，过100目标准筛并装入塑封袋，编号。

将所取苋菜植株用去离子水洗净，将苋菜根、茎、叶分离，于60 ℃烘箱内烘干至质量恒定，用研钵将样品磨碎，过40目标准筛，装入塑封袋，编号。

1.3.2 样品消解及测定

植物样及土样总镉含量的测定^[11-13]：植物样消解使用浓硝酸，土样消解使用混合酸（盐酸+硝酸+高氯酸，V_盐酸∶V_硝酸∶V_高氯酸=4.5∶1.5∶5），消解后用定容过滤，使用ICP-MS（电感耦合等离子体质谱法）测定样品镉含量（w）。

土壤有效镉含量的测定^[14-15]：参考DB35-T 860—2008，使用浓度为0.1 mol∙L^-1CaCl₂溶液，室温下振动浸提，使用ICP-MS测定样品镉含量（w）。

土壤形态镉含量的测定^[16]：使用BCR连续浸提法提取酸可溶态镉、可还原态镉、可氧化态镉及残渣态镉，使用ICP-MS测定样品镉含量（w）。

1.4 数据处理与分析方法

富集系数（bioaccumulation factor， BCF）指植物器官中重金属浓度与土壤中重金属浓度的比值，比值的大小表示对重金属富集能力的大小^[17]，其计算公式如下：

\mathrm{B}\mathrm{C}\mathrm{F}=\frac{C_{\mathrm{p}}}{C_{\mathrm{s}}}。（1）

式中：C_p为植物各器官中的重金属含量；C_s为土壤中重金属含量。

转移系数（translocation factor， TF）指植物各组织间重金属浓度的比值，用来评价植物将重金属从地下向地上组织运输与富集的能力，其计算公式如下：

\mathrm{T}\mathrm{F}=\frac{C_{\mathrm{i}}}{C_{\mathrm{e}}}。（2）

式中：C_i为植物转入器官重金属含量；C_e为植物转出器官重金属含量。

使用单项污染指数法评价土壤环境质量等级，其计算公式为：

P_i=\frac{C_i}{S_i}。（3）

式中：P_i 为土壤中污染物i的单项污染指数；C_i 为调查点污染物i的实测浓度；S_i 为污染物i的评价背景值，采用GB 15618—2018中的筛选值。

数据的处理、制图使用软件Excel 2016和Origin 2019，统计分析软件使用IBM SPSS Statistics 26，2组数据的差异分析使用独立样本t检验，2组以上的数据分析使用多重比较LSD。

2 结果与分析

2.1 苋菜各部位对镉的富集性能

由表1可知，不同处理土壤镉含量存在较大差异，镉污染管控区土壤中镉的分布不均匀。对生长15、30、45 和60 d的4个试验处理的苋菜根、茎及叶中镉含量进行统计（图1），苋菜根部w（镉）为16.41~37.21 mg·kg^-1，茎部w（镉）为11.14~27.76 mg·kg^-1，叶部w（镉）为13.24~25.56 mg·kg^-1。4个处理的苋菜均表现出根部镉含量最高，其中生长30、45 d的苋菜根部镉含量显著高于茎和叶（F_{30 d}=8.914，d_f=2，P_{30 d|根—茎}=0.018<0.05，P_{30 d|根—叶}=0.007<0.01；F_{45 d}=20.825，d_f=2，P_{45 d|根—茎}=0.001<0.01，P_{45d|根—叶}=0.012<0.05）。生长60 d的苋菜根部镉含量显著高于茎部，但与叶部未表现出显著差异（F_{60 d}=4.807，d_f=2，P_{60 d|根—茎}=0.021<0.05，P_{60 d|根—叶}=0.17>0.05）。而各试验组苋菜茎与叶部镉含量之间的差异没有统计学意义。

对苋菜各部位对镉的BCF进行分析（图2），4个试验处理的苋菜对镉的富集能力均以根部最大，其中15、30 d处理的苋菜各部位对镉的BCF大小依次为根、茎、叶，45、60 d处理的苋菜各部位对镉的BCF大小依次为根、叶、茎。这表明苋菜根部为镉的主要富集部位，苋菜根部对土壤中镉的富集能力最强。

2.2 生长时间对苋菜富集镉的影响

如图2所示，随着种植时间的推移，苋菜根、茎及叶对镉的BCF均出现先升高再降低的趋势，生长45 d时苋菜根、茎、叶对镉的BCF达到最大值，分别为26.61、18.05和21.85。这表明苋菜在不同的生长阶段，其对土壤镉的富集能力存在差异。

同时还可看出，在苋菜生长15、30 d的处理中，苋菜茎对镉的富集系数大于叶，而苋菜生长45、60 d的处理则与之相反。计算不同生长时间苋菜的茎与叶对镉的转移系数（图3），可知苋菜茎对镉的转移系数未表现出明显变化，而苋菜叶对镉的转移系数表现出随着苋菜生长时间推移而上升的趋势。在生长60 d时，苋菜叶对镉的转移系数达到0.83。这说明苋菜在生长过程中，镉元素在不断地向叶中累积。

2.3 种植苋菜对土壤镉含量及化学形态的影响

通过盆栽试验，比较种植苋菜与未种植苋菜处理土壤的总镉含量与有效镉含量的变化情况。如图4所示，种植苋菜与未种植苋菜土壤中的w（总镉）分别为2.96、3.15 mg·kg^-1，种植苋菜后土壤总镉含量下降6.03%（t=-3.076，d_f=4，P=0.037<0.05）。种植苋菜处理的土壤w（有效镉）为0.20 mg·kg^-1，比未种植苋菜处理下降了14.02%，降幅达到显著水平（t=-4.158，d_f=4，P=0.014<0.05）。

土壤镉的化学形态主要分为酸可溶态镉、可还原态镉、可氧化态镉及残渣态镉。如图5所示，试验中土壤镉的化学形态以酸可溶态镉所占比例最高，达到59.66%，其次为可还原态镉（33.04%），可氧化态镉与残渣态镉分别为5.26%与2.04%。由图6可知，种植苋菜的土壤酸可溶态镉含量显著升高（t=2.942，d_f=4，P=0.042<0.05），残渣态镉含量呈现极显著下降趋势（t=-3.200，d_f=4，P=0.033<0.05）。而可氧化态镉及可还原态镉含量的差异没有统计学意义。

由此可知，苋菜不但吸收土壤中镉，使土壤镉含量下降，同时还会促使土壤中镉的化学形态发生改变。

3 讨论

植物根部是土壤中镉离子进入植物体的第一道门户，为降低镉对原生质体的毒害作用^[18]，根系吸收的镉首先会被根尖细胞壁等亚细胞结构固定一部分，其余镉离子随水分及矿质元素运送到茎、叶等地上部分^[19]，再被茎、叶等组织区隔、固定^[20]，故植物根系是富集镉的主要器官^[21]。不同植物对重金属的耐受机制不同，积累镉的主要部位也存在一定差异。如Sekara等^[22]对9种作物器官镉和铅的积累和分布研究发现，红甜菜、田间南瓜、菊苣、普通豆、白甘蓝和欧洲防风草的叶片中镉和铅的含量均比其他组织中的高。李奔等^[23]研究表明，苋菜将镉主要富集在可食部。曹海佳^[24]对苋菜吸收土壤重金属的研究表明，苋菜各部位对镉富集能力的大小排序依次为根、茎、叶。本试验进一步证实在大田种植中，红圆叶苋菜主要富集镉的部位为根，其次为叶和茎，且随着苋菜生长时间不断推移，植株体内镉不断向叶部累积。在水稻相关研究中也有类似的结论，其根部为富集镉的主要部位，各部位富集的镉含量从高到低依次为根、茎叶、糙米^[25-26]。

Cd为植物非必需元素，但其与Zn等植物必需元素具有相似的核外电子构型与相似的化学性质，在植物对其吸收的过程中存在拮抗作用与协同效应^[27]。不同生长阶段的苋菜对矿质元素的需求不同，其对镉的富集能力也存在一定差异。随着生长时间的推移，苋菜各部位对镉的富集能力均呈现先升高再降低的趋势，在生长45 d时苋菜对镉的富集能力最强。诸多研究也表明，植物对镉的富集能力与植物生长期具有密切关系。唐希望等^[28]对生菜的研究表明，约15%的Cd累积发生在苗期，约80%的Cd累积发生在器官形成期，约5%的Cd累积发生在抽薹期。水稻在分蘖期、拔节期、灌浆期及成熟期，其根系与茎叶的镉含量均呈现依次递增趋势，尤以拔节期镉含量增长最快^[29]。拟南芥在生长早期，富集Cd、Zn的速度较低，而在生长中后期，其对Cd、Zn的富集速度均显著加快，至生长后期，Cr、Zn的富集速度又下降至最低^[30]。油菜在苗期、迅速生长期、花期及收获期，各部位对镉的富集整体呈现先升高再降低的趋势^[31]。

植物在生长过程中，根系分泌物（如植物络合素、类金属硫蛋白、H⁺、HCO{}_{\mathrm{3}}^{-}、CO₂、氨基酸、有机酸等）可酸化根际土壤，促进土壤中镉的形态转化、土壤中镉的迁移以及根系对镉的吸收、吸附等^[32-35]。苋菜根系可能通过某些根系分泌物，将土壤团粒中固定的镉释放出来，从而使残渣态镉含量降低，而酸可溶态镉含量增高。同时，苋菜在生长过程中不断吸收土壤中的镉，使土壤总镉含量及有效镉含量均降低。但苋菜根系分泌出何种物质，对土壤镉的形态转化、迁移以及帮助植物吸收或抵抗重金属镉，以及苋菜修复土壤镉污染的效率还有待进一步研究。

4 结论

苋菜各部位中对镉的富集性能最强的部位为根，在生长45 d时根对镉的富集性能最强，BCF为26.61，此时苋菜对土壤镉的富集性能最强。随着苋菜生长时间的推移，苋菜叶部TF呈现增大趋势，苋菜从土壤中吸收的镉会逐渐向叶中转移。苋菜能在重度镉污染土壤中生长，与未种植苋菜土壤对比，种植苋菜后土壤总镉含量下降了6.03%，显著降低了土壤总镉含量。同时，种植苋菜能促使土壤中镉的化学形态发生转化，促使土壤中较为稳定的残渣态镉转化为较为活跃的酸可溶态镉，有利于植物对土壤镉的吸收。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2016YFD0300905-03)

湖南省教育厅科研项目(20A242)

湖南省自然科学基金项目(2022JJ30300)