李 栋，刘 霞，王胜爱

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2.河北农业大学 生命科学学院，河北 保定 071000； 3.保定市农产品质量监督管理站，河北 保定 071051）

知母（Anemarrhena asphodeloides）和益母草（Leonurus japonicus）作为传统中药材，在现代中药中被广泛应用。有研究发现知母和益母草在生长过程中对土壤中镉（Cd）的富集系数较高，分别为1.14 和1.74［1-2］。外源Cd进入土壤后只有有效态的Cd才能被植物吸收［3-4］，而老化作用会影响Cd 的有效态，老化作用是指重金属进入土壤后会经过一系列的物理化学反应，最终各种化学形态趋于稳定［5-6］。 Cd 超标影响药材品质危害人体健康［7］，从而制约着其进一步的推广使用，也成为了限制其国际化的一大壁垒。因此，减少其种植过程中Cd 的超标问题至关重要。目前土壤Cd 污染修复的主流技术有5种［8］，其中向土壤投入改良剂，因原位上操作简便、技术成本低，成为了应用较为广泛的土壤重金属修复方法。常用的改良剂有石灰、碳酸钙、煤渣等，不同改良剂对Cd 的作用机理不同［9］。沸石具有特殊硅（铝）氧四面体三维空间结构，从而使其具备良好的过滤功能和离子交换性能，对Cd 具有较强的吸附能力，且沸石对Cd 的吸附能力要强于其他无机钝化剂，如膨润土［10］。

本研究通过盆栽试验探讨低Cd 污染下，不同浓度Cd 的老化时间对知母和益母草生长特征的影响；添加不同质量分数的沸石，研究沸石对土壤和植物中Cd 含量以及对知母和益母草生长特征的影响，为Cd 对知母和益母草影响机制提供理论依据，对知母和益母草的安全生产和提高中草药质量具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验供试土壤于2018 年10 月采集于河北省满城（东经114°43′20″～115°32′00″，北纬38°43′20″～39°07′00″），为0 ～25 cm 耕层土壤，土壤类型为潮褐土。供试土壤经自然风干后，除去植物残体和石块等较大杂物后，过2 mm筛备用。供试土壤的基本理化性质如表1。供试植物购买于河北省安国市种子市场。

表1 供试土壤的理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 试验方法

1.2.1 老化试验 2018 年11 月30 日在河北农业大学西校区B 座光照培养室（室温22 ～26 ℃）进行，分别取供试土壤400 g 装在高10 cm，直径8 cm 的塑料桶中。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（试行）(GB15618—2018)中规定，土壤pH≥7.5 时，农用地土壤污染风险筛选值为 0.6 mg/kg，管制值最高为4 mg/kg，设置0、0.5、1、5 mg/kg 4 个Cd 水平，以3CdSO4·H2O，溶液加入，将溶液与土壤充分混匀，每个处理6 次重复，共96 盆。设置10、20、30、40 d 共4 个老化时间，倒序安排加入外源Cd，老化时间完成后统一采集土壤样品，测定土壤中Cd 的有效态含量。将经过催芽的知母和益母草种子播种到土壤中，每个处理3 次重复。生长一星期后间苗，每盆留3 株长势良好且一致的植株。每隔7 d 浇150 mL 去离子水，并测定植物株高和叶面积（知母叶为由基部丛生的细长披针形，不易测量，因此只测定益母草叶面积）。土培8 周后，将植物取出，用去离子水将植物根系冲洗干净，擦干后测量根长。整个植株于烘箱105 ℃杀青 30 min，再65 ℃烘至恒重，测定植物干重。同时测定土壤中有效态Cd 含量。

1.2.2 添加沸石试验 确定老化时间后，为探明添加不同比例沸石对土壤和两种药用植物中Cd 含量的影响，于2019 年3 月22 日在河北农业大学B 座光照培养室内开始试验，分别取供试土壤2 kg 装入塑料盆（高15 cm，直径8 cm）中，Cd 浓度为2 mg/kg， 加入土壤后，老化40 d。试验沸石比例设置4 个处理，分别为土重的0%、2%、5%、10%，每个处理3 个重复，2 种植物，共24 个盆栽。外源Cd 的添加采用分析纯试剂3CdSO4·H2O 溶液。然后施加不同比例沸石，并混匀，同时施加底肥。将经催芽的知母与益母草种子种植于土壤中。管理措施及测定项目同1.2.1。

1.3 测定方法

植物株高、根长直接测量，叶面积采用坐标纸格子计数法，干重采用烘干法，均取其平均值。土壤中有效态Cd 含量采用DTPA 浸提，火焰原子吸收分光光度计测定。

1.4 数据处理

试验数据利用SPSS 22.0 和Excel 2016 进行统计分析。土壤中的有效态Cd 含量与老化时间的相关关系按照一阶指数函数衰减模型利用origin8.0 进行拟合，公式为［11］：

公式（1）中y 为不同老化时间土壤中有效态Cd 含量（mg/kg），y0为模型拟合土壤中有效态Cd平衡含量（mg/kg），A 为模型参数，x 为老化时间(d)，t 为一阶指数函数拟合表观速率常数（d）。

2 结果与分析

2.1 种植前后老化时间对土壤中有效态Cd 含量的影响

在没有种植植物的情况下，土壤中有效态Cd 含量随老化时间的变化如图1 所示。添加Cd 浓度为 0.5 mg/kg 和1 mg/kg 的处理，土壤中有效态Cd 含量在老化时间20 d 内迅速降低，在老化时间20 到30 d 时降低缓慢，在老化时间30 d 时趋于平衡。添加5 mg/kg Cd 老化40 d 以内，有效态Cd 含量都在迅速降低，可见此浓度下有效态含量趋于平衡的时间较长。

图1 土壤中有效态Cd 随老化时间变化Fig.1 The change of available Cd content in soil with aging time

方差分析表明，在种植知母和益母草后，不同老化时间土壤中的有效态Cd 含量差异显著（P＜0.05）（表3）。

阿东见此，长叹一口气。是呀，吼他也无益。他什么也不懂。他连自己的可怜都不知道。阿东伸出手，拍了拍阿里的脸，说：“好好好，对不起，我再也不吼你了。”

表3 种植前后土壤中有效态Cd 含量Table 3 The available concentration of Cd in soils before and after planting

续表：

在种植知母后的土壤中有效态Cd 含量较种植前土壤中有效态Cd 含量大部分是降低的，但在添加Cd 浓度5 mg/kg 老化时间40 d 时，土壤有效态Cd含量较种植知母前，增加了185%。在种植益母草后的土壤中有效态Cd 较种植前土壤中有效态Cd 含量大部分是增加的，添加0.5 mg/kg Cd 老化40 d 时，增加了385%，添加Cd 浓度5 mg/kg 老化30 d 时，降低了67%，差异显著。

2.2 外源Cd 老化时间对知母和益母草生长特征的影响

2.2.1 外源Cd 老化时间对株高的影响 知母的株高在添加Cd 浓度为0.5 mg/kg，老化10 d 的处理中，以及添加Cd 浓度为1 mg/kg、5 mg/kg 且老化40 d的处理中，与对照相比差异显著（P＜0.05），分别增加了35%，36%和51%；而在添加5 mg/kg Cd 老化10 d 和20 d 时，知母的株高略低于对照，分别降低了15%和9%。与对照相比，各处理下益母草的株高均增长显著（P＜0.05），添加Cd 浓度为5 mg/kg 老化10 d 时，益母草的株高增幅最多，增加了118%（图2）。低浓度Cd 促进知母和益母草株高，这可能是因为Cd 刺激了知母和益母草的某些酶活性，促进了自身对Cd 的代谢，而当Cd 浓度超过知母和益母草耐受程度时，表现出抑制作 用［12］。

图 2 不同浓度Cd 老化时间对知母和益母草株高的影响Fig.2 Effects of the aging time of different concentrations of Cd on the height of Anemarrhena asphodeloides and Leonurus japonicas

2.2.2 外源镉老化时间对根长的影响 不同浓度Cd的老化时间对知母和益母草根长的影响如图3所示。在不同Cd 浓度和老化时间下，知母和益母草的根长与对照相比均有所增加。添加Cd 浓度5 mg/kg 老化时间20 d 时知母根长增幅最大，为168%。添加Cd浓度1 mg/kg 老化时间20 d 时益母草根长增幅最大，为193%。但总体趋势是，随着时间的延长，两种植物的根长均有先升后降的趋势。在本研究中知母和益母草根系并未出现毒害作用，这可能是所设置的Cd 浓度并未超过知母和益母草根系的耐受程度。

图3 不同浓度Cd 的老化时间对知母和益母草根长的影响Fig.3 Effects of the aging time of different concentrations of Cd on the root length of Anemarrhena asphodeloides and Leonurus japonicas

2.2.3 外源Cd 老化时间对益母草叶面积的影响

由图4 可知，与对照相比，不同浓度Cd 的4个老化时间的处理中，益母草叶面积均显著增加（P＜0.05）。 添 加1 mg/kg 、0.5 mg/kg Cd 时，益母草叶面积增加均值分别为147.8%、129.8%；添加5 mg/kg Cd 时，增幅最小（87.8%）。高浓度Cd 会影响植物叶片中叶绿素b 合成，一定程度上抑制植物的光能收集，使植物光合作用下降，能量储存不足，最终导致叶片发育不良，脱落减少［13］。但本研究中益母草叶面积并未出现上述现象，这可能是所设置的Cd 浓度并未对益母草叶片产生毒害作用。

图4 不同浓度Cd 的老化时间对益母草叶面积的影响Fig.4 Effects of the aging time of different concentrations of Cd on the leaf area of Leonurus japonicas

2.2.4 外源Cd 老化时间对植物干重的影响 由图5 可知，与对照相比，在添加0.5 mg/kg 和1 mg/kg Cd 时，40 d 的老化时间内，知母干重先升后降，而益母草的干重呈增加的趋势，且增加显著（P＜0.05）。在添加5 mg/kg Cd 时出现了先降后升的趋势，老化时间30 d 知母和益母草的干重下降，老化10 d 时最低，降幅分别为36%和44%，但在老化40 d 时显著增加，分别增加了116%和42%。

图5 不同浓度Cd 的老化时间对知母和益母草干重的影响 Fig.5 Effects of aging time of different concentrations Cd on dry weight of Anemarrhena asphodeloides and Leonurus japonicas

2.2.5 有效态Cd 含量与植物生长指标的相关性

由表4 和表5 可知，外源Cd 进入土壤老化过程中，有效态Cd 含量的增加显著抑制知母株高以及知母和益母草的干重（P＜0.05），其相关系数的绝对值分别为0.569、0.553、0.599；而知母根长随土壤中有效态Cd 含量的增加而增加，两者呈极显著正相关（P＜0.01），其相关系数的为0.736。

表4 有效态Cd 含量与植物生长指标的回归方程Table 4 Regression equation of available Cd content and plant growth index

表5 有效态Cd 含量与植物生长指标的相关性Table 5 Correlation between available Cd concentration and plant growth index

2.3 添加不同质量分数沸石对土壤和植物中Cd 含量的影响

在2 mg/kg 外源Cd 污染的土壤中加入不同质量分数的沸石后，土壤中的有效态Cd 含量随着沸石添加量的增加而显著降低（P＜0.05）。添加2%、5%、10%沸石的处理，种植知母和益母草后，土壤中的有效态Cd 含量较对照分别降低了47.6%、49.5%；57.5%、59.8%；62.0%、61.7%，表明两种植物对土壤中有效态Cd 含量的影响差异不大。此外，2%的处理和其他两个比例间差异显著（P＜0.05），但5%和10% 的处理间差异不显著（图6）。

图6 添加不同质量分数沸石对土壤有效态Cd 含量的影响Fig.6 Effect of adding zeolite with different mass fractions on the concentration of available Cd in soil

添加不同质量分数沸石对植物中Cd 含量的影响如图8 所示。添加不同质量分数沸石后，知母体内的Cd 含量与对照相比显著降低（P＜0.05），降低范围为16.6%～34.6%，而益母草中的Cd 含量与对照相比显著降低（P＜0.05），降低范围为17.3%～31.7%（图7）。

图7 添加不同质量分数沸石对植物中Cd 含量的影响Fig.7 Effect of different mass fractions of zeolite on Cd content in plants

2.4 添加不同质量分数沸石对植物生长特征的影响

由表6 可知，在2 mg/kg 外源Cd 污染的土壤中添加10%的沸石时，知母株高较对照增加显著（P＜0.05），增幅为32.40%。添加沸石比例为5%和10%时，显著提升了知母根长（P＜0.05），增幅分别为53.57%和45.54%。与对照相比，添加沸石比例为5%时，益母草株高显著增加（P＜0.05），增幅为19.78%。添加沸石比例为10%时益母草根长和叶面积均显著增加（P＜0.05），增幅分别为70.21%、60.86%。

表6 添加不同质量分数沸石对植物生长的影响Table 6 Effects of adding different mass fractions of zeolites on plant growth characteristics

不同沸石施用量与植物生长指标的相关性分析表明，在添加2 mg/kg 外源Cd 的土壤中的沸石施用量对知母的各生长指标影响不显著，与益母草的株高、根长和叶面积影响显著。沸石施用量与益母草的株高和叶面积呈显著正相关（P＜0.05），其相关系数分别为0.593 和0.695；与益母草根长呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.720，回归方程见表7。

表7 不同沸石施用量与植物生长指标的回归方程Table 7 Regression equations of different zeolite dosages and plant growth index

3 讨论

外源Cd 进入土壤后，有效态含量迅速降低，随后趋于平衡，但是较高浓度的Cd（5 mg/kg）向稳定状态转变的过程比低浓度的外源Cd（0.5 和1 mg/kg）更加漫长。这一点与李传飞等人在外源Cd 在农耕土壤中的稳定化的研究结果相一致［14］。外源Cd 进入土壤初期有效态含量迅速降低是因为土壤溶液和土壤胶体颗粒表面离子产生了浓度差，当浓度差消失时，土壤中的有效态Cd 含量趋于平衡［15］。

种植知母和益母草后土壤中的有效态Cd 含量较种植之前大部分是降低的，被知母和益母草吸收富集到体内。但是也有一部分是升高的，这是因为在植物生长过程中，植物根系会分泌一系列的可溶性物质，某些物质可以将土壤中稳定态的Cd 转化为有效态态的Cd［16］，如毛竹根系可以明显的活化难溶态的重金属，促进碳酸盐形态的重金属向可溶态的转变［17］。知母和益母草根系分泌物是如何影响Cd形态的转化还有待进一步研究。

Cd 影响植物的生长可能是由于Cd 抑制细胞的分裂，使细胞分裂出现障碍或不正常分裂，使细胞分裂周期延长，染色体断裂、畸变和液化［18］。有研究表明Cd 对植物影响为“低促高抑”［19-20］，在本研究中，知母的株高和干重与上述现象相符，但知母、益母草的根长和益母草的叶面积在所有处理中均没有出现抑制现象，这可能是因为所设置的最高Cd 浓度还没有对知母和益母草的根系和益母草叶片产生毒害作用。有研究表明，CdCl2浓度(0.2 ～ 0.8 mmol/L)与株高、叶长和叶面积呈正相关［13］。本研究结果与其相似。

添加沸石降低了土壤和植物中的Cd 含量［21-22］，并促进了知母和益母草的生长。这是因为沸石本身具有架状结构，可以对Cd2+进行吸附；并且沸石能够提高土壤pH，pH 提高会使土壤中的负电荷增加，增强对Cd2+的吸附能力，H+浓度减小也会增加Cd2+的吸附位点［23-24］。Fard 等［25］研究发现施加沸石可以降低Cd 在土壤中的活性，同时也有效降低了向日葵对Cd 的吸收，并提高了向日葵生物量。此外，沸石施入土壤中还可促进可交换态Cd 向活性更低的碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机态和残渣态Cd 转化［26］。

4 结论

外源Cd 浓度小于5 mg/kg 时，土壤中有效态Cd 趋于稳定的时间为30 d。低于5 mg/kg 的外源Cd 对知母和益母草的根长、益母草的株高和叶面积产生促进作用。低于1 mg/kg 的外源Cd，不同老化时间下，对知母和益母草的干重均有促进作用，但5 mg/kg 外源Cd 老化30 d 壤中有效态Cd 含量以及两种药用植物体中Cd 含量较对照降低显著（P＜0.05），但两者间差异不显著。同时，沸石的添加可促进知母和益母草的生长。建议在低浓度Cd（≦2 mg/kg）污染的土壤中，施加5%的沸石可有效减少知母和益母草对Cd 的吸收，提高其中药材质量。在本试验中添加5%比例沸石能够较2%比例沸石更有效地降低土壤、知母和益母草中的Cd，但并没有大幅度地降低，施加量反而多了2.5 倍，因此从经济效益角度考虑建议施用2%比例沸石。