摘要
为探索种植密度对镉（Cd）污染土壤植物修复效率的调控作用，选取 Cd 富集植物八宝景天和 Cd 耐性植物三七景天为研究对象，通过田间随机区组试验，分析了常规种植模式和密植模式下 2 种景天生长、Cd 吸收转运、富集特征以及修复效率。结果表明，与常规种植模式相比，合理密植条件下 2 种景天地上部生物量分别显著提高了 206.5% 和 218.3%，且其地上部 Cd 含量、富集系数和转运系数均无显著下降。合理密植条件下八宝景天和三七景天地上部 Cd 富集量分别可达 114.1 和 60.4 g/hm2 ，较常规种植分别显著提高了 121.2% 和 180.1%。此外，分别以植物 Cd 移除量和土壤 Cd 削减量计算 2 种植物的修复效率，发现修复效率较低时宜采用植物 Cd 移除量计算，修复效率较高时 2 种方法的结果一致。常规种植和合理密植条件下八宝景天 Cd 修复效率分别为 3.00% 和 6.44%，可知，八宝景天具有 Cd 污染土壤上实际修复的应用前景，合理密植可在不降低植物 Cd 吸收能力前提下促进植物生长，从而提高对 Cd 污染土壤的修复效率。
Abstract
To investigate the effect of planting density regulation on the phytoremediation efficiency of cadmium（Cd） contaminated soil，two Sedum species，namely Hylotelephium spectabile（known as a Cd accumulator）and Sedum aizoon （known as a Cd-tolerant plant），were selected as the research objects. A randomized block field experiment was conducted to determine the plant growth，Cd absorption，transport，accumulation characteristics as well as remediation efficiency of the two Sedum species under conventional planting mode and dense planting mode. The results showed that reasonably dense planting significantly increased the shoot biomass of H. spectabile and S. aizoon by 206.5%and 218.3%，respectively，in comparison with conventional planting mode. Besides，the shoot Cd concentration，bioconcentration factor and transfer factorof both Sedum species exhibited no obvious different under different planting densities. Moreover，the Cd accumulation in shoot of H. spectabile and S. sizoon reached 114.1 and 60.4 g/hm²，respectively，under reasonably dense planting，which was significantly increased by 121.2% and 180.1%，respectively，in comparison to these under conventional planting mode. The phytoremediation efficiency of two Sedum species under different planting densities was calculated based on either Cd removal amount by plant or Cd reduction amount in soil，respectively. When the remediation efficiency was relatively low，it was advisable to use the plant Cd removal amount for evaluating remediation efficiency. Otherwise，the results by both calculating methods were consistent. The phytoremediation efficiency of H. spectabile was 3.00% and 6.44% under conventional planting and reasonably dense planting conditions，respectively. Therefore，the H. spectabile showed application prospects for actual remediation of Cd contaminated soil and the reasonably dense planting might further promote plant growth without reducing the Cd absorption capacity of plants，thereby improving the remediation efficiency of Cd contaminated soil.
镉（Cd）为一类致癌物，由矿山开采、铅锌冶炼、电镀等工业活动以及不合理施肥、污水灌溉等农业措施导致的土壤 Cd 污染已成为制约我国农业发展和粮食安全的重要环境问题[1-2]。根据生态环境部和自然资源部于 2014 年联合公布的《全国土壤污染状况调查公报》调查数据，我国土壤 Cd 超标点位达 7%，其中，中轻度 Cd 超标点位占比达 90%[3]。土壤中的 Cd 进入食物链后，通过生物放大效应进一步积累，对人体健康造成极大风险，可诱发肾功能障碍和癌症等疾病[4-5]。因此，亟需采取有效措施治理土壤 Cd 污染。
传统的土壤污染治理技术包括工程物理技术 （如客土法、电动修复、热脱附等）和化学修复技术（如淋洗、固化 / 稳定化等），在场地污染治理上已有广泛的应用。然而，针对我国农田土壤污染范围较大、程度较轻的特点，采用传统工程物理或化学治理技术进行大范围治理在经济成本上不可接受[6]。此外，传统修复技术一般为异位处置或原位异地处置，对土壤扰动大，易造成土壤结构破坏、生产力降低，且存在二次污染的风险[7]。植物修复技术以其环境友好、成本较低和易操作等优势在农田土壤污染规模化治理上具有发展应用前景[8]。前期研究中发现，景天科植物八宝景天（Hylotemephium spectabile）和三七景天（Sedum aizoon）等对 Cd 具有较强的耐性和富集能力，有应用于 Cd 污染土壤修复的潜力[9-10]。
八宝景天在我国南北方 Cd 污染土壤上均表现出了较高的 Cd 富集能力，其地上部 Cd 含量可达 120 mg/kg 以上，且生物富集系数（BCF）可达 50 以上[9，11-12]。三七景天对 Cd 胁迫具有较高的耐性，在水培条件下（Cd 5 mg/L）地上部 Cd 含量可达 60 mg/kg 以上，且在 Cd 污染土壤上其生物 BCF 达 10 以上[10，13]。然而，植物修复效率较低、修复周期较长仍是限制其实际田间应用的主要因素。八宝景天连续 4 年修复北方 Cd 污染土壤（2.22 mg/kg），其年平均修复效率 <3%，因此有必要采取合理措施提高植物修复效率[5]。
强化植物修复措施一般包括农艺调控、化学活化和微生物辅助等措施。添加水溶性壳聚糖等活化剂可通过酸化土壤、络合等作用提高土壤中 Cd 的生物有效性，从而显著提高植物 Cd 修复效率[10，14]。东南景天通过根系定殖根瘤菌、泡囊丛枝菌根等微生物，促进植物生长、降低过氧化胁迫，从而显著提高了其 Cd 富集效率[15-16]。但是，化学活化往往会增加修复成本，且活化剂的施用存在造成二次污染的风险，采用微生物辅助技术也需考虑接种菌种与土著微生物竞争的问题[17-18]。因此，采用合理的农艺措施是提高植物修复效率最直接有效的措施。郭俊娒等[19]研究发现氮素是影响八宝景天生长和 Cd 富集的主控因子，可通过合理施肥提高八宝景天 Cd 富集效率。此外，合理调控种植密度可以最大限度利用光、水、养分和土地资源来提高植物生产力和修复效率。刘玲等[20]研究发现合理密植下伴矿景天生物量显著提高，而体内 Cd 含量无明显下降，从而使其 Cd 富集量显著增加。但目前关于八宝景天和三七景天在不同种植密度下 Cd 富集特征尚未有相关研究。
因此，本研究以 Cd 富集植物八宝景天和 Cd 耐性植物三七景天为试验对象，在中度 Cd 污染土壤上开展田间试验，研究不同种植密度对 2 种景天植物生长、Cd 富集特征以及修复效率的影响，以期为调整种植密度提高植物修复效率提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验点概况
试验设置于河南省济源市土壤重金属污染治理修复基地（35°08′31″N，112°31′84″E），为典型温带大陆性季风气候，年平均温度、降水量和日照时长分别为 14.5℃、567.9 mm 和 1727.6 h。试验区土壤为褐土，由于历史上长期铅锌冶炼，通过大气沉降等途径使周边土壤中 Cd 大量积累，其基本理化性质和 Cd 含量如表1所示。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），土壤中 Cd 含量已超过风险筛选值 （0.6 mg/kg，pH>7.5）的 2 倍以上。
表1土壤镉含量和基本理化性质
1.2 试验设计
试验采用随机区组设计，选取前期研究中 Cd 富集能力较强的八宝景天和三七景天开展田间试验，每种植物各设置常规种植（50 cm× 25 cm）和密植（25 cm×25 cm）2 个不同种植密度处理，每个处理设 3 个重复，共计 12 个小区，小区面积设为 40 m2，相邻小区之间保留 1 m 间隙。试验于 2017 年 5 月开展，试验周期 150 d，按照当地农业生产常规操作进行田间管理，氮磷钾施肥种类和用量参照前期田间试验结果[9，19]，分别采用氯化铵（N 26.2%）、过磷酸钙（P2O5 16%）和氯化钾（K2O 62%），N、P2O5、K2O 施用量均为 112.5 kg/hm2，全部作为基肥施入土壤。试验结束后采集各小区土壤和植物地上部样品，每个小区随机采集 5 株植物地上部样品作为 1 个混合样，同步采集植物根际土壤样品制成 1 个混合土样。同时测定各小区植物地上部干生物量，每个小区随机选取 1 m2 地块将地上部植物全部收获测定干物质重量。
1.3 样品分析
将采集的植物地上部样品用清水冲洗 3 次，洗去表层附着的灰尘和土壤颗粒，再用超纯水清洗 2 次，然后放入烘箱内于 105℃杀青 30 min，在 65℃下烘干至恒重。将样品粉碎并充分混匀，采用 HNO3/HClO4（5∶1，v/v）体系消解至溶液澄清后定容待测。将采集的土壤样品风干、研磨并过 0.15 mm 筛，参照美国环保署（US EPA 3050B）方法采用 HNO3-H2O2 法进行消解、定容待测，植物和土壤中 Cd 含量均采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Elan DRC-e，Perkin Elmer，USA）测定。设置空白对照和国家标准物质灌木枝叶成分分析标准物质（GBW 07603）对分析测试过程进行质量控制，土壤和植物样品中 Cd 回收率分别为 90%±5% 和 95%±5%。
1.4 修复效率
采用生物 BCF 和转运系数（TF）评价八宝景天和三七景天对 Cd 的吸收转运效率，其公式如下：
式中，Cshoot、Croot 和 Csoil 分别为植物地上部、根部和土壤中 Cd 含量，单位为 mg/kg。
植物修复效率通常有 2 种计算方式，一种基于种植富集植物对重金属的移除量来计算（R1），另一种则基于植物修复前后土壤中重金属削减量来计算（R2）。其计算公式如下：
式中，Mshoot 为植物地上部生物量（kg/hm2）；Asoil 为修复面积（hm2）；h 为修复深度，设为 0.2 m；y 为土壤容重，设为 1.12 g/cm3；Cinitial 和 Cafter 分别为修复前后土壤中 Cd 含量（mg/kg）
1.5 统计分析
数据均表示为算术平均值 ± 标准差，采用 Excel 2021 进行数据相关计算，采用 SPSS 26.0 进行单因素方差分析，不同处理间采用最小显著差数法进行差异显著性检验（P<0.05），采用 OriginPro 2024 进行作图。
2 结果与分析
2.1 生物量
不同种植密度下 2 种景天地上部生物量如图1所示。常规种植密度下八宝景天和三七景天生物量分别为 1990.0 和 2963.3 kg/hm2，在密植条件下其生物量均显著提高，分别提高了 206.5% 和 218.3% （P<0.05）。且在常规种植和密植条件下三七景天生物量较八宝景天分别显著提高 48.9% 和 54.6% （P<0.05）
图1不同种植密度下 2 种景天地上部生物量
注：图柱上不同字母表示处理间差异显著（P<0.05），下同。
2.2 Cd 吸收转运
不同种植密度下八宝景天地上部 Cd 含量在 16.36～32.86 mg/kg 之间，三七景天地上部 Cd 含量在 3.52～8.39 mg/kg 之间（图2）。密植条件下八宝景天和三七景天 Cd 含量均略有下降，分别降低 28.7% 和 8.7%，但均未达统计学显著水平。此外，八宝景天在各种植条件下地上部 Cd 含量均显著高于三七景天。不同种植密度下 2 种景天 Cd 生物富集系数（BCF）和转运系数（TF）如图3和图4所示，由图可知，八宝景天地上部 Cd 的 BCF 可达 13.26～18.44、TF 达 7.45～4.80，密植条件下其 BCF 和 TF 均呈下降趋势，但未达显著水平。三七景天地上部 Cd 的 BCF 和 TF 分别在 4.47～4.99 和 1.16～1.27 之间，密植条件下其 BCF 略有下降，而 TF 呈提高趋势，均未达显著水平。此外，不同种植密度下八宝景天 BCF 和 TF 均显著高于三七景天（P<0.05）。
图2不同种植密度对 2 种景天地上部镉含量的影响
图3不同种植密度下 2 种景天镉富集系数
图4不同种植密度下 2 种景天镉转运系数
2.3 Cd 富集量
不同种植密度下 2 种景天地上部 Cd 富集量如图5所示。由图可知，常规种植条件下八宝景天和三七景天地上部 Cd 富集量分别为 51.6 和 21.6 g/ hm2，密植显著提高了 2 种景天地上部 Cd 富集量，八宝景天和三七景天地上部 Cd 富集量分别可达 114.1 和 60.4 g/hm2，较常规种植分别提高了 121.2% 和 180.1%（P<0.05）。此外，八宝景天在各种植条件下 Cd 富集量均显著高于三七景天。
2.4 修复效率
不同种植密度下 2 种景天种植前后土壤 Cd 含量如图6所示，由图可知，种植前土壤 Cd 平均含量为 1.47 mg/kg，2 种景天种植一季后根际土壤中 Cd 含量较初始值均略有降低，且八宝景天种植后土壤 Cd 含量降低较三七景天更为明显。进一步计算植物修复效率，如表2所示，以植物移除量计算，常规种植和密植条件下八宝景天 Cd 修复效率分别为 2.66% 和 5.88%，三七景天 Cd 修复效率分别为 1.11% 和 3.12%。以土壤中 Cd 降低量计算，常规种植和密植条件下八宝景天 Cd 修复效率分别为 3.00% 和 6.44%，三七景天 Cd 修复效率分别为 0.22% 和 3.40%。
图5不同种植密度下 2 种景天镉富集量
图6不同种植密度下 2 种景天修复前后土壤镉含量
表2不同种植密度下 2 种景天修复效率及其与已有研究结果的比较
续表
3 讨论
田间实际修复过程中，修复植物的生物量和地上部重金属含量是决定其修复效率的 2 个关键参数。调控种植密度不仅可通过改变植物光合作用从而影响生物量，还可通过调节蒸腾作用以及根际土壤 pH 等理化性质来影响植物对重金属的吸收和转运[20，25-26]。有研究结果表明，适用于污染土壤实际应用的修复植物年生物量应至少大于 3 t/hm2[20]。本研究中，在 Cd 含量为 1.47 mg/kg 污染的土壤上， 2 种景天科植物均能较好的生长发育。将其种植密度由 50 cm×25 cm 提高到 25 cm×25 cm 后，即由 8 万株 /hm2 提高到 16 万株 /hm2，八宝景天和三七景天地上部生物量分别由 1.99 和 2.96 t/hm2 提高到 6.10 和 9.43 t/hm2，分别超过上述建议值的 2和 3 倍，可知本研究 2 种景天在密植模式下具备应用于 Cd 污染农田植物修复工程的可行性。此外，本研究中 2 种景天生物量提高程度高于种植密度的增长趋势，可知合理密植条件改善了 2 种景天科植物的光合作用和对环境资源如光照、水分和养分的利用率[22]。这可能是由于加密种植条件下景天科植物根系对土壤养分和水分的竞争能力增加，从而遏制了原种植密度下植物间隙杂草的生长，改善了植物的生长发育条件[22]。但也有研究结果表明，过度密植条件下，修复植物植株之间对光照、养分和水分产生恶性竞争而发生自疏作用，不利于植物生长发育[20，27]。
本研究中不同种植密度对 2 种景天地上部 Cd 含量影响均未达显著水平。密植条件下，八宝景天地上部 Cd 含量略有下降，其 TF 也略有降低，而三七景天地上部 Cd 含量和 TF 在不同种植密度下均几乎没有变化。这可能是由于八宝景天对 Cd 吸收能力较强，导致密植条件下根际土壤中有效态 Cd 亏缺，而其地上部生物量则迅速增加，从而形成“稀释效应”，使其地上部 Cd 含量略有降低[20，22，28]。而三七景天为 Cd 耐性植物，其 Cd 吸收转运能力弱于八宝景天，且各部位吸收的 Cd 含量依次为根>茎>叶[9]，因此密植条件下其根际仍有较多生物可利用的 Cd，未影响其 Cd 吸收和向地上部的分配。
本研究中常规种植模式下八宝景天地上部 Cd 富集量为 51.6 g/hm2，与 Guo 等[14]前期八宝景天田间修复试验结果相当。密植条件下，其地上部 Cd 富集量显著增加到 114.1 g/hm2。刘玲等[20] 和方楚凝等[23]对 Cd 超富集植物伴矿景天、龙葵等通过增加种植密度显著提高了 Cd 富集量，研究结果与本文一致。然而也有研究结果表明，增加种植密度虽提高了紫苏的生物量，但显著降低了其地上部 Cd 含量，对其总富集量影响较小[22]。此外，本研究为探索不同种植密度对植物生长和富集特征的影响，在试验过程中统一无任何施肥措施，而郭俊娒等[19]在前期研究中发现氮和钾分别为促进八宝景天生长和 Cd 吸收的主要影响因素，且对八宝景天 Cd 富集存在交互作用，合理施用氮磷钾肥使八宝景天 Cd 富集量显著提高 0.9～2.2 倍。混合施用氮磷钾肥也显著提升了龙葵对 Cd 污染土壤的修复效率[23]。因此，密植条件下植物对土壤养分需求量增加，后续研究中需探明适宜的施肥措施，以进一步提高植物修复效率。三七景天地上部 Cd 富集量在密植条件下可达 60.4 g/hm2，相较于常规种植模式提高了 2.8 倍，但相较于八宝景天其 Cd 富集能力较弱，且密植条件下其生物量是八宝景天的 1.5 倍，进一步增加了收获物安全处置的难度和成本。
随着植物修复技术的不断改进和发展，采用适宜的方法评价植物修复效率非常重要[29]。目前，评价植物修复效率的方法一般分为 2 种，其一是通过植物修复前后土壤中重金属削减量来评估，其二是以植物移除重金属总量计算。方法一由于土壤中重金属分布的不均一性和土壤性质的异质性，且由于修复植物根系吸收土壤中重金属的范围有限，受限于采样位置和深度等因素，均可能导致该方法评估结果存在偏差[30]。方法二也可能由于植物样品采集时间、地点以及检测的植物样品部位而使其结果产生变化。本研究分别采用 2 种评估方法对不同种植模式下八宝景天和三七景天修复效率进行分析。合理密植下，八宝景天和三七景天 Cd 修复效率分别达 5.88% 和 3.12%，较常规种植密度均有显著提高。此外，以植物萃取量计算三七景天常规种植模式下 Cd 修复效率为 1.11%，而以土壤 Cd 削减量计算则仅为 0.22%，其原因可能是供试土壤中 Cd 存在一定的不均一性，且三七景天本身 Cd 提取量较少，对土壤 Cd 含量下降影响不明显，因此 2 种方法结果差异较大。而八宝景天 Cd 富集能力较强，土壤中 Cd 削减量与植物 Cd 提取量相当，因此 2 种方法下计算的 Cd 修复效率结果基本一致。因此，八宝景天是修复 Cd 污染土壤的良好材料，且合理密植可显著提高植物修复效率，从而提高八宝景天应用于 Cd 污染土壤修复工程的前景和价值。后续可进一步结合适宜的施肥等农艺措施和活化剂等其他强化措施以进一步增强其实际应用潜力。
4 结论
通过田间试验探索优化种植措施提高植物修复镉污染土壤效率的途径，结果表明，与常规种植模式相比，合理密植可显著提高八宝景天和三七景天地上部生物量，其对其地上部 Cd 吸收、转运无显著影响。合理密植下八宝景天和三七景天地上部 Cd 富集量分别达 114.1 和 60.4 g/hm2，较常规种植模式分别提高了 1.2 和 1.8 倍。此外，需采用适宜的方法评价植物修复效率，针对 Cd 富集能力较强的八宝景天，以植物 Cd 移除量和土壤 Cd 削减量计算修复效率结果一致，常规种植和合理密植条件下其 Cd 修复效率分别可达 3.00% 和 6.44%，而对 Cd 富集能力较低的三七景天宜采用植物 Cd 移除量计算修复效率，常规种植和合理密植条件下分别为 1.12% 和 3.12%。综上可知，八宝景天在实际应用于 Cd 污染土壤植物修复工程上更具潜力，合理密植有利于促进植物对养分、光照等资源的利用效率，不降低 Cd 吸收效率的同时提高生物量，对植物修复效率提升效果显著。