随着采矿业、汽车工业的发展和城镇化进程的不断加快，重金属污染已成为世界范围的主要环境问题之一。尤其是矿区周围，由于尾矿、废石、冶炼废渣等的堆放和淋滤^[1]，采矿及选矿所产生废水废液的直接排放，使其土壤中积累了大量的重金属^[2]。云南省铅锌矿资源丰富，在多年的开采过程中，对周边的环境造成了较为严重的污染和破坏，尤其是土壤中的Cd、Pb含量超标严重，导致周边农田的农作物也出现Cd、Pb超标的现象，危害食品安全^[3]。对矿区周边的土壤进行治理和综合利用，除了使用植物修复技术^[4]，即通过自然生长植物或者遗传工程培育植物体系来吸收、挥发或稳定土壤中的环境污染物外^[5]，也可考虑种植低累积植物，使其生产的农作物重金属含量符合国家标准，以达到边治理边生产的目的。

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是一种优良的牧草，有“牧草之王”的美誉，其生长较快，对土壤、水肥及气候条件要求不高，易于种植^[6]。Cd、Pb的胁迫会对紫花苜蓿的株高、生物量、光合作用和蛋白质含量等方面产生影响^[7]，同时紫花苜蓿对Cd、Pb也具有一定的耐性，在耐受阈值之内可以正常的生长和存活^[8]。Cd、Pb经紫花苜蓿根部吸收后，可以在其植株体内蓄积^[9]，一定程度上降低了土壤中Cd、Pb的含量^[10]，此外，紫花苜蓿对Cd、Pb的吸收累积存在较大品种差异^[11]，选择不同累积特性的品种替代粮食作物在矿区周边种植，不仅可能对Cd、Pb污染土壤起到一定的净化作用，也可以降低Cd、Pb进入人体的风险。

本文以云南省某铅锌矿周边的农田为试验地，以7个紫花苜蓿品种作为植物材料开展田间大棚试验，对种植前后土壤的Cd、Pb含量，植物的株高、生物量、Cd含量、Pb含量及累积量等指标进行了采样和分析，探讨了土壤Cd、Pb污染对试验品种生长的影响，对不同品种的Cd、Pb累积特征及品种差异进行了分析，初步筛选出Cd、Pb的高、低累积品种，对利用紫花苜蓿进行矿区Cd、Pb污染土壤的综合利用、改善矿区周边的生态环境具有重要的实践意义。

选取的试验区位于云南省某铅锌矿区周边农田，在其上修建大棚作为试验用地，位置坐标为26°22′4″ N，99°23′10″ E，海拔3 105 m，主要无机污染物为重金属Cd和Pb，土壤基本理化性质如下：pH值为6.63，有机质含量为20.18 g·kg^-1，全氮、全磷和全钾含量分别为1.63、7.44 g·kg^-1和10.84 g·kg^-1，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为21.01、53.44 mg·kg^-1和151.17 mg·kg^-1，Cd和Pb全量分别为4.25 mg·kg^-1和86.96 mg·kg^-1。

供试植物材料为紫花苜蓿，共选择7个品种，分别为“国产”“前景”“多叶”“三得利”“游客”“四季旺”和“WL525HQ”，苜蓿种子由云南农业大学动物科学技术学院草业科学试验室提供。挑选大小一致且籽粒饱满的种子，用10% H₂O₂进行表面消毒10 min，再用蒸馏水冲洗多次后晾干备用。

将试验大棚划分为8个小区，每个小区面积为2.5 m×5 m，其中一个为对照小区不进行种植，其余7个小区随机选择种植上述7个品种，每小区播种量为40 g，均匀撒播。所施肥料为复混通用肥（N 10%、P₂O₅ 10%、K₂O 5%），深翻后播种前一次性施入，每小区施肥量为300 g。其余管理措施为常规管理。试验共设置3个大棚作为重复。

分别在紫花苜蓿分枝期（60 d）和开花期（120 d）时进行采样。按5点取样法在小区中采集植物样品，每点采样面积为20 cm×20 cm，常规方法测量株高。将植物样品用蒸馏水洗净晾干后，按小区将植株分为地上部和地下部，放入真空干燥箱内105 ℃杀青30 min，而后将温度调至70 ℃烘至恒重，称量并计算生物量，研磨干样至粉末状过筛备用。采植物样品同时采根际土，先置于室内自然风干后，研磨过筛备用。植物样品用硝酸-高氯酸（V:V=4:1）湿法消解，采用火焰原子吸收分光光度法测定Cd、Pb含量，土壤样品采用王水- HClO₄（V:V=4:1）消煮，原子吸收分光光度法测定Cd、Pb含量^[12]。

数据采用Microsoft Excel进行常规分析。用SPSS 22.0数据软件进行统计分析，用LSD法检验各处理平均值在0.05水平的差异性。

式中：P_N为内梅罗综合污染指数；P_ave和P_max分别为平均单项污染指数和最大单项污染指数。单项污染指数计算时采用土壤环境质量标准（GB 15618—1995）二级标准^[13]。

从图 1、图 2可知，在受试的7种紫花苜蓿中，分枝期和开花期株高最高的品种是“WL525HQ”和“游客”，分别为36.6 cm和84.07 cm，分枝期和开花期株高最低的品种是“国产”和“前景”，分别为16.54 cm和52.41 cm。分枝期和开花期地上部生物量最大的品种是“四季旺”和“游客”，分别为65.06 g·m^-2和186.57 g·m^-2，分枝期和开花期地上部生物量最小的品种均是“前景”，分别为22.15 g·m^-2和45.25 g·m^-2。

图中不同字母表示品种间差异性显著（P < 0.05），下同 Different letters indicate significant differences among different cultivars at P < 0.05 level. The same below 图 1 不同品种紫花苜蓿的株高 Figure 1　Plant height of different alfalfas

图选项

图 2 不同品种紫花苜蓿的生物量 Figure 2　Biomass of different alfalfas

图选项

由方差分析可知，在7种紫花苜蓿中：分枝期“国产”和“前景”的株高分别为“四季旺”和“WL525HQ”的46.72%和51.31%，存在显著差异（P < 0.05）；开花期“前景”的株高仅为“游客”和“WL525HQ”的62.34%和62.67%，存在显著差异（P < 0.05，图 1）。从地上部生物量看，在分枝期“前景”“国产”“三得利”和“游客”的生物量分别为“四季旺”的34.05%、38.20%、58.80%和59.80%，均与其存在品种间的显著差异（P < 0.05），而在开花期，“前景”和“多叶”的地上部生物量分别为“游客”的24.25%和32.62%，品种间存在显著差异（P < 0.05，图 2）。从地下部看，在分枝期时，“国产”“前景”“游客”和“三得利”这4个品种与“四季旺”存在显著差异（P < 0.05），它们的生物量分别为“四季旺”的57.42%、50.44%、59.92%和62.96%，而在开花期时，“国产”“前景”和“多叶”与“三得利”存在显著差异（P < 0.05，图 2）。

不同紫花苜蓿品种对Cd、Pb的吸收存在一定差异。在分枝期时（表 1），地上部Cd含量和Cd累积量最高的品种均为“游客”，分别达0.41 mg·kg^-1和23.69 μg·m^-2，地上部Cd含量和Cd累积量最低的品种均为“WL525HQ”，分别为0.1 mg·kg^-1和3.87 μg·m^-2，其中“WL525HQ”的Cd累积量仅为“游客”的16.34%，两者之间存在显著差异（P < 0.05）。地下部Cd含量和Cd累积量最高的品种均为“三得利”，分别达0.16 mg·kg^-1和2.72 μg·m^-2，地下部Cd含量和Cd累积量最低的品种均为“四季旺”，分别为0.03 mg·kg^-1和0.97 μg·m^-2，两品种之间存在显著差异（P < 0.05）。地上部Pb含量最高的品种为“前景”，达6.25 mg·kg^-1，比Pb含量最低的品种“WL525HQ”高1.13倍，地上部Pb累积量最高的品种为“多叶”，达283.92 μg·m^-2，比Pb累积量最低的品种“前景”高1.24倍。地下部Pb含量最高的品种为“游客”，达6.14 mg·kg^-1，比Pb含量最低的品种“四季旺”高1.01倍，地下部Pb累积量最高的品种为“多叶”，达101.93 μg·m^-2，比Pb累积量最低的品种“三得利”高0.74倍。

表 1　分枝期不同品种紫花苜蓿体内的Cd、Pb含量和累积量 Table 1　Content and cumulant of Pb and Cd in different alfalfas at branching period

表选项

开花期时，Cd、Pb累积的规律与分枝期有所不同（表 2）：从地上部Cd含量、地下部Cd含量及地上部Pb含量看，在7个品种间不存在显著差异，但从地上部Cd累积量看，在最高和最低品种“游客”和“前景”之间存在显著差异（P < 0.05），它们的值分别为40.58 μg·m^-2和5.69 μg·m^-2，前者为后者的7.13倍。地下部Pb含量、地上部和地下部Pb累积量在7个品种间也存在显著差异（P < 0.05），如地上部Pb累积量最高和最低的品种是“游客”和“前景”，分别为450.76 μg·m^-2和86.48 μg·m^-2，前者是后者的5.21倍。

表 2　开花期不同品种紫花苜蓿体内的Cd、Pb含量和累积量 Table 2　Content and cumulant of Pb and Cd in different alfalfas at anthesis period

表选项

紫花苜蓿对Cd和Pb有一定的富集作用，在分枝期，对Cd、Pb富集系数最大的品种是“三得利”和“前景”（表 3），分别为0.103和0.273，最小的均是“WL525HQ”，分别为0.030和0.121。而在开花期，对Cd和Pb富集系数最大的品种是“游客”和“国产”，分别为0.054和0.035，最小的均是“WL525HQ”，分别为0.022和0.023。两个生长阶段里所有品种对Cd和Pb的富集系数均小于1，其中分枝期所有品种对Pb的富集能力均强于Cd。

表 3　不同品种紫花苜蓿对Cd、Pb的富集系数 Table 3　Bioconcentration coefficient of Pb and Cd in different alfalfas

表选项

紫花苜蓿对Cd、Pb有一定的转运能力，在所有受试品种中，转运系数最大的是在分枝期的“四季旺”（表 4），其对Cd的转运系数高达6.314，表明在此阶段植株吸收的Cd主要分布在地上部分。其余品种中，多数品种对Cd、Pb的转运系数均大于1，仅有少数几个品种小于1：包括在分枝期的“游客”和“WL525HQ”，其对Pb的转运系数分别为0.718和0.855，以及在开花期的“国产”“多叶”和“前景”，它们对Cd的转运系数分别为0.894、0.921和0.980。

表 4　不同品种紫花苜蓿对Cd、Pb的转运系数 Table 4　Transfer coefficient of Pb and Cd in different alfalfas

表选项

铅锌矿区堆放的冶炼渣是导致矿区土壤Cd、Pb污染的主要污染源，从计算的内梅罗指数看，Cd、Pb单项污染指数分别为14.167和1.087，综合污染指数为11.377，已属于Cd、Pb重度污染，且pH值偏酸性，土壤条件比较恶劣。在试验期间，所有种植的紫花苜蓿品种均能出苗和生长，并未出现死亡的情况，说明受试品种对此类土壤有一定的适应性，对土壤中Cd、Pb的胁迫均具有一定耐性，这种耐性可能是通过抗氧化系统的激活^[14]、生物膜透性的改变^[15]、光合作用调节^[16]和渗透调节^[17]等调节措施来获得的。同时，土壤Cd、Pb胁迫也会影响紫花苜蓿的生长，具体表现为株高降低^[18]、生物量减少等方面^[19]，这种影响在不同的生长阶段有所不同，且存在品种间差异^[20]。本文种植的7种紫花苜蓿，在试验的两个生长阶段，其株高和生物量指标在品种间均存在显著差异（P < 0.05），可以从中筛选出受影响较小的品种用于矿区的种植。

从植物修复的角度出发，希望通过筛选获得超富集植物以净化土壤，降低污染。超富集植物是指能够超量吸收重金属并将其不断转运到地上部的植物^[21]。筛选和确认Cd、Pb超富集植物的条件包括：（1）体内Cd、Pb的临界含量分别为100、1 000 mg·kg^-1，或者达到未受污染的普通植物的10~100倍^[22]；（2）富集系数和转移系数都大于1^[23]；（3）具有一定的耐性能力^{[2, 24]}。从以上条件看，所有受试品种均未达到超富集植物的标准，主要是临界含量和富集系数方面有较大差距：首先，从Cd、Pb含量看，分枝期阶段，所有品种中Cd含量范围为0.034~0.414 mg·kg^-1，Pb含量范围为2.931~6.252 mg·kg^-1，开花期阶段，所有品种中Cd含量范围为0.097~0.216 mg·kg^-1，Pb含量范围为1.011~2.669 mg·kg^-1，与Cd、Pb临界含量相比均差距较大。从富集系数看，最大值为分枝期时品种“前景”对Pb的富集系数0.273，与筛选值1尚有较大差距，达不到超富集植物的标准。但是，从转运系数看，除了开花期的“国产”“前景”和“多叶”3个品种（转运系数分别为0.894、0.980和0.921）小于1外，其余品种的转运系数均大于1，说明受试品种对Cd、Pb有较强的转运能力。可见，受试的7个紫花苜蓿品种对Cd和Pb具有一定的富集能力，但尚未达到超富集植物的标准，土壤中的Cd、Pb进入植株体内后，主要分布于地上部分。

不同作物品种间对重金属的吸收累积存在差异^[25]，从保障食品安全的角度而言，筛选并种植重金属低累积的农作物品种，是重金属污染土壤综合利用的有效手段之一^[26]。由试验结果可知，受试紫花苜蓿品种对Cd、Pb的吸收累积存在一定差异，以开花期的数据看，地上部Cd含量由大到小的顺序为游客>三得利>前景≈国产>多叶≈WL525HQ >四季旺，地上部Pb含量由大到小的顺序为国产>三得利>游客>多叶>前景>四季旺>WL525HQ，以此为标准，“游客”为Cd高累积品种，“国产”为Pb高累积品种，“四季旺”为Cd低累积品种，“WL525HQ”为Pb低累积品种。研究表明，作物高、低累积重金属的特性可能与吸收重金属途径、根际分泌有机物和根-茎转运有关^[27]，植物质膜上的Ca²⁺通道可能是Cd、Pb进入细胞内的通道之一^[28]，根系分泌物通过改变土壤Cd、Pb的有效性从而影响植物对Cd、Pb的累积特性^[29]，这些都是产生Cd、Pb累积品种差异的可能机制。

试验所选紫花苜蓿对铅锌矿区污染土壤具有较强的适应能力，在种植期间7个品种均未出现不出苗或死亡的情况，且株高和生物量存在显著品种差异。试验品种对土壤中的Cd、Pb具有一定的富集能力和较高的转运能力，其中“游客”和“国产”分别为Cd、Pb高累积品种，而“四季旺”和“WL525HQ”分别为Cd、Pb低累积品种。高累积品种对土壤Cd、Pb具有一定的吸附净化作用，而低累积品种则可作为替代作物在矿区周边污染农田种植，以实现污染土壤的综合治理和利用。