重金属污染目前已经成为全球关注的热点问题之一，其中镉(Cd)是最具污染性元素之一。镉(Cd)主要来源于冶炼、采矿等工业污水的排放、汽车尾气，农业生产中农药及化肥残留等，毒性极强，对生物体危害极大^{[1, 2]}。尤其是土壤中积累的Cd，会渗透进入地表甚至污染地下水，最终会极大危害人类健康。在城市生态建设中，园林植物已经成为不可或缺的重要组成部分。园林植物对重金属的富集能力因物种不同而不同^{[3, 4]}，对减少城市污染、维持生态平衡都起到重要的作用^[5]。在进行城市园林绿化植物的选择时，必须考虑该植物是否能对重金属污染有一定的抗性，选择既具有较高观赏价值，又对Cd有较大耐受性的园林植物来进行城市园林绿化，既能增加城市绿量、美化环境，同时也可以缓解城市中日益严重的Cd污染，甚至能对Cd重污染区域起到修复作用^[6]。

山矾(Symplocos caudata)，山矾科常绿灌木或小乔木，早春开花，对污染物具有较强的抗性，具有很好的园林绿化前景，但目前在园林中没有得到广泛的应用。桑树(Morus alba)，桑科落叶乔木，生长快，根系发达，萌芽力强，耐修剪，具有较强的抗性。绣线菊(Spiraea salicifolia)，蔷薇科花灌木，小花密集，花色粉红，花期初夏至秋初，萌蘖力强，抗性强，是良好的园林观赏植物。山茶(Camellia japonica)，山茶科常绿阔叶灌木或小乔木，花大色艳，是冬季观花的园林植物。目前未见有对这4种植物的镉耐受性研究。本研究以山矾、桑树、绣线菊、山茶4种园林植物为研究对象，采用模拟Cd污染土壤培养法，对当年生实生幼苗进行土壤Cd胁迫耐受性对比实验，主要分析不同Cd浓度处理下，4个树种的生长量变化，根茎叶中Cd的含量，光合色素、MDA含量指标的变化，Cd转移能力和积累能力，对比4个园林树种对Cd胁迫的耐受性程度，以及不同浓度的Cd胁迫是否会对植物自身的生长带来影响，本研究旨在筛选对Cd胁迫具有较高耐受性和积累性的园林植物，以丰富城市生态建设尤其是镉污染地区园林中植物配置的种类。

本实验于2011年3月下旬播种山矾、桑树、绣线菊、山茶，采用穴盘播种方式，穴盘尺寸为540mm×280mm，聚苯乙烯材料，72孔穴。播种前用紫外线照射种子进行消毒，泥炭土、蛭石(2 ∶ 1)混合基质，高温消毒。播种后喷水灌溉，萌发后移栽于花盆。花盆土壤采于浙江农林大学平山村苗圃地。土壤为红黄壤，PH值为5.52，N、P、K的含量分别为1.61、1.98、7.93g/kg。同时将采集的土壤粉碎，风干，用5mm筛筛均匀后备用。

实验方法采用模拟Cd污染土壤培养法。2012年3月初采用CdCl₂溶液处理土壤，设置5个处理浓度，分别为：0，10，20，50，100 mg/kg。搅拌稳定20d后，选取生长基本一致的一年生实生苗移入含镉土壤的花盆中，盆中土壤重量为250g，花盆内径为18cm。随机区组实验设计，每个树种每个处理5盆，每处理重复3次，总计300盆。将所有花盆放在浙江农林大学平山苗圃大棚下进行培养，实验期间按照田间常规管理，定期浇水，除草，喷洒除虫剂。实验从2011 年3月下旬开始，经过1a正常土壤生长，180d镉污染土壤生长后取4个树种的幼苗进行生长、生物量和根茎叶镉含量测定。整个实验于2012 年 9月下旬结束。

在镉处理之前，预先测定一年生实生苗的株高以及基径，用以计算基径增长量和主茎生长量。

2 012年9月下旬，在含镉土壤的花盆中生长180d后，取成熟的新鲜叶片进行叶绿素含量测定和丙二醛(MDA)含量测定，光合色素含量(即叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素)测定时采集植物的新鲜成熟叶片，利用分光光度法进行测定^[7]。MDA(丙二醛)含量测定采用硫代巴比妥法进行测定。

将实生苗的根茎叶三部分分开，用超纯水进行冲洗(生物量测定)去除粘附于植物样品上的泥土和污物,再用去离子水冲洗,在烘干前先在105℃下杀青5min,然后在70℃下于烘箱中烘至恒重。称重后用不锈钢植物粉碎机粉碎，过60目尼龙筛，储存于聚乙烯瓶中备用。取植物各部分样品干粉各0.2000g用混酸(浓HNO₃ ∶ HClO₄ ∶ 浓H₂SO₄=8 ∶ 1 ∶ 1)隔夜消化，采用日本岛津AA6800型原子吸收分光光度计测定植物体内的Cd含量^[8]。

基径生长量(mm)= 镉处理后基径(mm)-未处理时基径(mm)
主茎生长量(cm)= 镉处理后株高(cm)-未处理时株高(cm)

耐性指数(Ti)用两种生长指标量化：主茎生长量和根茎叶的生物量，按以下修正的公式计算：

转移系数(TF)主要用来评价从植物根部转移重金属至地上部分的能力^{[10, 11, 12]}，计算公式为：

TF=地上部分(茎叶)平均镉浓度 / 根部镉浓度

生物富集系数(BCF)用于评价植物从土壤中积累重金属的能力^[13]，计算公式为：

BCF=根或地上部分(茎叶)平均镉浓度/土壤镉浓度
生物量吸收Cd的总量= 根的Cd含量×根的生物量+茎的Cd含量×茎的生物量+叶的Cd含量×叶的生物量

实验中所有数据的分析均使用SPSS18.0软件，主要进行单因素方差分析(ANOVA)，使用LSD(Least Significance Deviation，P<0.05)进行多重比较。

由表 1可以看出，与CK相比，随着Cd处理浓度的不断增加，山矾、山茶根茎叶生物量均出现先上升后下降的趋势，在Cd浓度为20mg/kg时达到峰值，分别为对照的125.45%、117.43%、110.68%和101.46%、106.88%、105.81%。随着Cd处理浓度的增加，山矾、山茶幼苗根茎叶生物量显著下降。在100mg/kg时，分别为对照的58.18%、75.10%、75.24%和69.34%、61.93%、65.81%。

桑树、绣线菊根茎叶生物量在Cd处理浓度为10、20mg/kg时，与CK对比未出现显著变化，随着Cd浓度的增加，显著低于CK，且两个较高处理浓度与两个较低处理浓度和对照下存在显著差异。Cd处理浓度为100mg/kg时，桑树、绣线菊的根茎叶生物量分别为对照的65.00%、60.61%、52.17%和68.97%、70.97%、62.07%。

Cd浓度为10mg/kg时对山矾和山茶的根部生物量有一定的促进作用。Cd浓度为20mg/kg时对4个树种的根部生物量均有一定的促进作用。

与对照相比较，在Cd浓度10、20mg/kg时，桑树幼苗和绣线菊幼苗主茎和基径生长量略有下降，山矾幼苗和山茶幼苗的主茎生长量略有上升，基径生长量基本没有变化。随着Cd处理浓度的增加，4个种幼苗的主茎和基径生长量均呈现显著的下降趋势。

Cd耐性指数是反映植物对Cd耐受能力的大小，耐性指数高的植物在Cd污染严重条件下依然能够繁殖和生长，敏感植物则生长缓慢，生长量小。随着Cd浓度的增加，山矾和山茶的耐性指数均先上升后下降，山茶在10mg/kg时到达峰值，山矾在20mg/kg时达到峰值，并且在Cd浓度低于20mg/kg时，两者的耐性指数均大于100。山矾、桑树、绣线菊和山茶的平均耐性指数分别为93.99、82.33、82.10和87.25， 4种园林植物对Cd耐性能力的大小顺序为山矾>山茶>桑树>绣线菊。

由图 1可看出，4个树种幼苗根的Cd含量都随着土壤中Cd浓度增加而呈现显著的增加趋势。绣线菊的根Cd含量于与桑树根Cd含量差异不大，山矾的根Cd含量在10、20、50 mg/kg 3个处理浓度下均大于山茶的根Cd含量，在100 mg/kg处理浓度下，山矾的根Cd含量小于山茶的根Cd含量。

图 1 4个树种幼苗根茎叶的Cd含量 Fig. 1 Cd content of root,stem,leaf of 4 species

图选项

山矾、桑树、绣线菊、山茶的茎Cd含量都随着Cd处理浓度增加而增加，在Cd浓度为100mg/kg时达到峰值，分别达到：75.3、40.4、45.5、49.7 mg/kg。4个树种幼苗茎的Cd含量顺序为山矾>绣线菊>桑树>山茶。

4 个树种幼苗叶的Cd含量都随着Cd处理浓度的增加而增加，均在Cd浓度为100 mg/kg时达到最大值，山矾、桑树、绣线菊、山茶的叶Cd含量最大值分别为：139.8、59.4、47.4、109.5 mg/kg。4个树种幼苗叶的Cd含量顺序为山矾>山茶>绣线菊>桑树。

山矾、桑树、绣线菊、山茶4个树种的幼苗根茎叶Cd含量在4个处理浓度下，均表现为：根>叶>茎。

Cd转移和富集的能力与树种类别有很大联系，4个树种的Cd转移系数(TF)和生物富集系数(BCF)，4个树种TF总的变化范围为0.35—0.75，山矾、桑树、绣线菊、山茶的Cd转移系数平均值分别为：0.7、0.44、0.48、0.50，4个树种Cd转移能力顺序由高到低为：山矾>山茶>绣线菊>桑树。说明山矾、山茶两个树种根部对Cd的转移能力强，能将较多的Cd运送到茎叶等地上部分，能够很好的运输和解毒，对Cd的耐受能力较强，而桑树对Cd胁迫的应对能力最弱；4个树种生物富集系数BCF总的变化范围为0.46—7.01，山矾、桑树、绣线菊、山茶的地上生物富集系数平均值分别为2.83、1.2、1.29、1.69，根系生物富集系数平均值分别为3.99、2.78、2.69、3.82，表明对Cd的累积能力顺序由高到低为：山矾>山茶>桑树>绣线菊。

植物的光合作用主要决定于光合色素的含量，含量高代表植物光合作用较强，表 2显示：Cd处理浓度的不断增加,山矾和山茶幼苗叶绿素a和叶绿素b的含量出现上升后下降的变化。山矾幼苗的叶绿素a、b含量在Cd处理浓度为20mg/kg时达到最大值，分别为7.97、3.58 mg/g鲜重，分别为对照的1.099倍、1.095倍；山茶幼苗的叶绿素a含量在Cd浓度20mg/kg时达到最大值3.87 mg/g 鲜重，为对照的1.142倍，叶绿素b含量则在Cd浓度10mg/kg时达到最大值5.02 mg/g 鲜重，为对照的1.118倍；伴随Cd处理浓度的不断增加，桑树和绣线菊幼苗的叶绿素a、b含量持续降低，Cd浓度100mg/kg时，桑树和绣线菊幼苗的叶绿素a、b含量达到最小值，分别为3.86、3.12 mg/g 鲜重，3.48、2.67 mg/g 鲜重。

和叶绿素a，b含量变化趋势不同，伴随Cd处理浓度的不断增加，桑树、绣线菊、山茶三个树种幼苗的类胡萝卜素含量随着Cd浓度的递增而持续升高,在Cd浓度100mg/kg时与CK存在明显差异；而山矾的类胡萝卜素含量随着Cd浓度的递增出现先增加后下降的趋势，在Cd浓度20mg/kg时达到最大值。

随着Cd浓度的递增，桑树和绣线菊叶绿素a/叶绿素b比值均呈现下降趋势，在Cd浓度20mg/kg时，山矾叶绿素a/叶绿素b比值与对照没有显著差异，而山茶叶绿素a/叶绿素b比值与对照相比有所上升，而后下降。

类胡萝卜素百分比随Cd处理浓度的不断递增而上升，这种变化趋势表明经过Cd处理后4个树种幼苗的叶绿素a受Cd胁迫破坏程度比叶绿素b大，类胡萝卜素基本未受到Cd胁迫的影响。

图 2 4个树种幼苗Cd转移系数和生物富集系数 Fig. 2 Cd Translocation factor (TF) and bio concentration factor (BCF) of 4 species

图选项

MDA(丙二醛)是反映细胞膜质过氧化水平的一个重要指标，它与核酸、蛋白质、氨基酸等物质交联后会形成干扰细胞生命活动的脂褐素。由图 3可以看出，伴随着Cd浓度的不断增加，4个树种幼苗中MDA的含量体现不断上升的趋势,与Cd浓度存在极显著的正相关。MDA含量的增加表示细胞膜结构受损伤程度增加，植物的抗逆性相对减弱。在Cd浓度递增的同时,山矾、桑树、绣线菊和山茶MDA含量平均上升的百分比分别为15%、10.17%、9.69%、12.86%。在4个不同的Cd处理浓度条件下，MDA的上升幅度顺序为山矾>山茶>桑树>绣线菊。

图 3 Cd胁迫对4个树种丙二醛(MDA)含量的影响 Fig. 3 Effects on the content of Malondialdehyde (MDA) in four landscape trees under Cd stress

图选项

植物对重金属的耐受能力是衡量植物是否具有重金属污染修复功能的重要先决条件^[14]。植物在受到Cd污染之后，首先反映在生长量的变化^[15]，即根、茎、叶等正常生长发育都会受到影响^[16]。实验结果说明随着Cd处理浓度的不断增加，山矾、山茶根茎叶生物量均出现先上升后下降的趋势，桑树、绣线菊根茎叶生物量则先无明显变化后下降。在Cd浓度为10—20 mg/kg时，对山矾和山茶的生长有促进作用，可能是缘于对根生长的促进，在Cd浓度20mg时，生长达到顶峰；对桑树和绣线菊的生长则无明显影响。在Cd浓度为50—100mg/kg之间时，对4种植物的生长有显著的抑制作用。结果表明，4种植物都能在镉胁迫下存活和生长，山矾和山茶对土壤镉污染有较强的生长适应性。

Cd耐性指数反映植物Cd耐受能力强弱，耐性指数高的植物在Cd污染严重条件下依然能够繁殖和生长。菖蒲、鸡冠菜对Cd的平均耐性指数分别为59、52.6^{[17, 18]}，对镉耐受性较低。含羞草、白雪姬以及树马齿苋3种观赏植物的平均耐性指数分别为105.57、81.35、79.88，被认为对镉具有高忍耐性^[8]，本研究中设置的Cd处理浓度与其他研究相近，经过1a正常土壤生长，180d镉污染土壤生长，耐受时间相对较长。山矾、桑树、绣线菊和山茶4种植物的平均耐性指数分别为93.99、82.33、82.10和87.25，说明对镉耐受性较高。在Cd浓度增加下，山矾和山茶的耐性指数均先上升后下降，Cd浓度低于20mg/Kg时，两者的耐性指数均大于100，这可能依赖于根部可以保证营养元素的均衡吸收，因此具有较高忍耐性^[11]。耐性大小顺序为山矾>山茶>桑树>绣线菊，说明山矾的Cd耐性最强。

同一植物不同部位积累重金属的能力不同^[14]，不同物种的重金属积累的能力也不一致^{[19, 3]}。4个树种的幼苗根茎叶Cd含量在4个处理浓度下均表现为：根>叶>茎，表明Cd从根部转移到地上茎叶的能力较低。限制重金属从根部移动到地上茎叶部分是植物的耐受重金属胁迫的机制之一^[16]。4个树种幼苗根茎叶的Cd含量都随Cd浓度增加而增加。BCF和TF可以用来评价植物修复土壤重金属污染的能力^[10]。Cd的转移系数(TF)变化范围为：0.35—0.75，顺序为：山矾>山茶>绣线菊>桑树，说明山矾、山茶的根部能积累较多的Cd，并运输到地上部分，从而利用植物自身的解毒机制来减少Cd所带来的危害，这种耐Cd策略与植物体Cd诱导合成的植物螯合肽和金属硫蛋白有关^[20]。本实验中山矾的Cd富集系数(BCF)最大，地上BCF与根系的平均BCF值分别为2.83、3.99，说明山矾的根部具有更高的Cd积累能力。植物各部位生物量吸收重金属的总量可以直接用来评价植物萃取土壤重金属的能力。图 4表明了4种植物在4种Cd浓度下生长180d后吸收Cd的总量，山矾和山茶吸收的Cd总量显著高于绣线菊和桑树，每棵山矾植株在Cd浓度为10,20，50，100mg/Kg下分别吸收0.39,0.56,0.45,0.50mg。由于4种植物植株各部位Cd含量随着处理浓度的增加而增加的同时生物量在下降，所以它们吸收Cd的总量不随Cd浓度的增加而增加。4种植物吸收Cd总量的大小顺序为山矾>山茶>绣线菊>桑树。

图 4 4种植物生物量在4个Cd处理浓度下吸收Cd的总量 Fig. 4 Total content of Cd in biomass in four landscape trees

图选项

植物的光合色素含量是反映植物光合作用强弱的主要指标，光合色素主要包括叶绿素a，叶绿素b以及类胡萝卜素，光合作用的过程中叶绿素b收集光能，叶绿素a转化光能，而类胡萝卜素主要保护叶绿素分子免遭光氧化损伤^[21]。Cd胁迫对含羞草、白雪姬、树马齿苋光合指标影响的研究表明，在Cd胁迫下三者的叶绿素含量均有下降趋势，受破坏的程度为含羞草<白雪姬<树马齿苋；叶绿素a、b比值以及类胡萝卜素百分比随着Cd浓度增加而升高，分析叶绿素含量下降的主要原因是胁迫抑制了叶绿体片层中捕光复合体的合成，同时叶绿素合成相关酶活性受到了抑制，阻碍了叶绿素合成^[8]。本实验中，在受到Cd胁迫时，山矾和山茶叶绿素a、b的含量先上升后下降，说明低Cd浓度可以使叶绿素含量增加，弥补光合作用中主要电子传递的成分，但浓度继续增加会破坏叶绿体的结构和功能，使叶绿素含量逐渐下降^[22]；桑树、绣线菊、山茶的叶绿素a与叶绿素b比值随着Cd浓度增加持续升高，山矾先增加后下降，比值越高，光能利用效率越高，这种变化趋势表明适当的Cd条件下可以提高植物对光能的利用效率，提高光合作用的效果^[23]。而就类胡萝卜素含量变化而言，4种植物基本未受Cd胁迫影响，未遭到光氧化的损伤。

细胞膜是植物细胞和外界进行物质交换的场所,它的稳定性是植物细胞完成正常生理功能的基础^[12]，而MDA是反映细胞膜质过氧化水平的一个重要指标^[24]，已有研究表明含羞草、白雪姬、树马齿苋3种植物的MDA含量随Cd浓度上升出现上升趋势,变化顺序为：含羞草<树马齿苋<白雪姬。本实验中随着Cd浓度的不断增加，4个树种MDA含量均不断上升，MDA的上升幅度顺序为桑树>绣线菊>山茶>山矾，就MDA含量指标来看，山矾的抗逆性较强，分析原因为在Cd胁迫条件下，胁迫会导致活性氧代谢系统功能减弱，植物体内积累了大量的自由基和活性氧，最终造成膜质的过氧化和MDA含量的升高。

综上所述，在含Cd土壤中生长的4种植物均有不同程度的耐受能力，其中山矾受Cd的胁迫最小，耐受性最强，具有较高的Cd转移能力和累积能力，山茶次之，而后绣线菊，桑树最低；在Cd的富集和吸收方面，山矾的累积能力最强，山茶和绣线菊次之，山矾可能植物体内包含有较好的运输和解毒机制^[8]。本研究说明山矾对Cd具有最高的耐受力和最强的累积能力，因此在城市园林绿化以及Cd污染地区的生态建设中，山矾是一种具有巨大应用潜力和前景的园林植物，同时也可以利用它对Cd污染地区的土壤进行植物修复。