1. 引言
1983年美国科学家Chaney首次提出了利用能够富集重金属的植物来清除土壤重金属污染的设想，即植物修复技术 [1]。植物修复技术的关键是修复植物的筛选，是近年来的研究热点之一。这种特殊的植物被称为超积累植物或超富集植物(hyperaccumulator)，目前，国际上报导的超积累植物已有500多种 [2]。但由于大多数超富集植物植株矮小、生物量低、生长缓慢等特点，给植物修复技术应用带来了很大的限制，因此，人们将研究集中于一些生物量高且对重金属有吸收作用的作物上 [3] [4] [5]。菌草生物产量高，有多种开发用途，目前主要推广的品种有巨菌草、绿州一号、紫菌草等。龚建华等 [6] 研究表明，巨菌草对重金属具有很强的富集能力，是一种高产型的Cd超富集植物。关于不同菌草品种吸收积累重金属能力的研究，目前尚未见相关报道。本研究从国家菌草工程技术研究中心引进4个主栽菌草品种，在Cd重度污染农田进行品比试验，旨在研究不同品种对不同重金属的吸收积累特性，以期筛选出针对不同重金属污染土壤的高效修复植物，为大面积植物修复工程化应用提供科学依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
供试品种：巨菌草、巨菌草J1、莱牧1号、紫菌草，由国家菌草技术工程研究中心提供。分别编号为：GZ1、GZ2、GZ3、GZ4。巨菌草，在温度适宜地区为多年生植物，属典型的四碳植物，其植株高大，抗逆性强，产量高，在热带、亚热带、温带地区种植，一般每公顷年产鲜草可达300吨以上，在水、湿、肥等条件优越的情况下可达450吨/公顷以上。直立、丛生，根系发达；茎粗可达3.5厘米，节间长9~15厘米，15个有效的分蘖，每节着生一个腋芽，并由叶片包裹，叶片互生，长60~132厘米，叶片宽3.5~6厘米，8个月共生长35片叶。巨菌草J1是国家菌草技术工程研究中心选育的新品种，植株性状与巨菌草基本相同，但抗性有所提高。与巨菌草相比，莱牧1号株型较小，但分孽强，适于多次收割，主要用作食用菌栽培料与生态养殖。紫菌草，生长势强，叶片为紫色，因花青素含量较高，适于生态养殖或深加工。
供试土壤：位于株洲市芦淞区燎原村，土壤为壤土，前作为菌草，试验面积150 m2。
有机肥：由宁乡丰裕生物科技有限公司提供，其有机质、氮、磷、钾含量分别为74.68%、4.24%、3.12%、4.10%，镉、汞、砷、铬、铅含量分别为1.04、0.048、8.2、31、20 mg/kg。
2.2. 试验设计
试验以4个菌草品种为处理，随机区组设计，三次重复。小区面积为9 m2，栽培密度50 cm × 50 cm，每小区栽30株。小区间设置70 cm宽的采沟，周围设置保护行。采用迁插繁殖方式，于2018年5月22日迁插。基肥为商品有机肥，用量1500 kg/亩，未施追肥。试验期间不割青，灌溉水为深井水。
菌草收割时，每小区随机取10株，测定茎叶鲜重、株高、叶数和枯叶节位等植物学性状。
2.3. 取样方法
土壤取样：整土后施肥前，对土壤进行5点取样，样品重2 kg左右。取样时间为2018年5月20号。
菌草取样：每小区随机取茎、叶样各1个。取茎样时，在茎中部位置和顶部位置各取茎段长10 cm左右，样品重1 kg。取叶样时，每株取中部叶和顶部叶各1片，样品重0.5 kg左右。取样时间为2018年11月29号。
肥料取样：本试验基肥为有机肥，施肥前将有机肥混合均匀，随机取样2 kg。
2.4. 检测指标
土壤检测指标：总Cd、有效态Cd、Hg、As、Pb、Cr、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值。
巨菌草检测指标：Cd、Hg、As、Pb、Cr，样品处理时，记录鲜重和干重。
肥料检测指标：Cd、Hg、As、Pb、Cr、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值。
2.5. 检测方法
参照GB 5009.268-2016的方法，利用电感耦合等离子体质谱仪(7800/JLXT-001)测定菌草Cd、As、Pb、Cr的含量；参照GB 5009.17-2014方法，利用原子荧光光度计(AFS-933)测定菌草Hg的含量。参照HJ803-2016的方法，利用电感耦合等离子体质谱仪测定土壤Cd、Pb、Cr的含量；参照GB/T 22105.2-2008的方法，利用原子荧光光度计测定土壤Hg、As的含量；参照GB/T 23739-2009的方法，利用原子吸收分光光度计(240FS)测定土壤有效态Cd含量；参照NY/T 1121.6-2006的方法，利用恒温升降水油浴锅(HH-S 4)检测土壤有机质含量；参照碱解扩散法《土壤分析技术规范》7.2 (第二版 2006年)的方法，检测土壤碱解氮含量；参照NY/T 1849-2010的方法，利用紫外分光光度计(BlueStar B)检测土壤有效磷含量；参照NY/T 8899-2004的方法，利用原子吸收分光光度计(240FS)检测土壤速效钾含量。
2.6. 数据处理
试验数据采用Excel 2003进行数据整理和方差分析，采用Excel的TDIST函数进行随机区组试验的多重比较(LSD)，采用T-test进行菌草茎、叶重金属含量和积累量的显著性检验。
3. 结果与分析
3.1. 试验土壤重金属含量、pH值及肥力水平
本试验土壤重金属背景值及pH值如表1所示。菌草品种比较试验土壤pH值为5.19，属酸性土壤，土壤Cd浓度超过《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准(土壤pH < 6.5) 620%，而Pb、Cr、As、Hg均未超标，为Cd单一污染的酸性土壤。土壤有机质含量42.2 g/kg，碱解氮165 mg/kg，速效磷12.16 mg/kg，速效钾192 mg/kg，根据全国第二次土壤普查土壤养分含量分级标准，试验土壤有机质含量为1级(极丰富)，碱解氮为1级(极丰富)，速效钾为2级(丰富)，速效磷为3级(中上)，土壤肥力水平评价为上等，可适当补充磷元素。
Table 1. Soil pH and soil heavy metal background value
表1. 土壤pH及土壤重金属背景值(mg/kg)
注：《国家土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准(土壤pH < 6.5)。
3.2. 菌草品种生物量比较
试验表明(表2)，四个菌草品种地上部生物量排序是：巨菌草 > 巨菌草J1 > 紫菌草 > 莱牧1号，地上部鲜重品种间差异极显著(P < 0.01，下同)，地上部干重品种间差异显著(P < 0.05，下同)。其中，地上部鲜重巨菌草和巨菌草J1极显著高于莱牧1号，巨菌草显著高于紫菌草，紫菌草显著高于莱牧1号(表3)；地上部干重巨菌草极显著高于莱牧1号、显著高于紫菌草，巨菌草J1显著高于莱牧1号(表4)。
Table 2. Comparison of shoot biomass of four JUNCAO varieties
表2. 菌草品种生物量比较表
注：表中数据为三个重复的平均数 ± 标准差。**表示品种种间差异极显著(P < 0.01)，*表示品种种间差异显著(P < 0.05)，下同。
Table 3. Two-tailed probability of TDIST function of aboveground fresh weight and multiple comparison
表3. 地上部鲜重TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
Table 4. Two-tailed probability of TDIST function of aboveground dry weight and multiple comparison
表4. 地上部干重TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
3.3. 菌草品种重金属含量比较
Cd含量比较：由表5可知，四个菌草品种平均茎Cd含量为3.53 mg/kg，其中，紫菌草含量最高，莱牧1号最低，但品种间无显著差异。四个菌草品种平均叶Cd含量为2.4 mg/kg，排序为：巨菌草J1 > 巨菌草 > 紫菌草 > 莱牧1号，品种间差异达到显著水平，多重比较表明，巨菌草J1和巨菌草均极显著高于莱牧1号(表6)。四个菌草品种地上部加权平均Cd含量排序和差异显著性与叶相同。T-test检验表明，四个菌草品种平均茎Cd含量显著高于叶(P < 0.05，下同)。
Pb含量比较：菌草品种平均茎Pb含量为0.47 mg/kg，其中，莱牧1号含量最高；菌草品种平均叶Pb含量为7.82 mg/kg，其中，巨菌草含量最高。但茎、叶Pb含量品种间差异均不显著。T-test检验表明，菌草品种平均叶Pb含量极显著高于茎(P < 0.01，下同)。
Cr含量比较：菌草品种平均茎Cr含量为2.00 mg/kg，其中，巨菌草含量最高，莱牧1号最低，但品种间无显著差异。菌草品种平均叶Cr含量为4.37 mg/kg，品种间差异显著，其中：紫菌草叶Cr含量极显著高于巨菌草、显著高于巨菌草J1和莱牧1号(表7)。菌草品种地上部加权平均Cr含量排序与叶一致，紫菌草显著高于其它品种(表8)。T-test检验表明，菌草品种平均叶Cr含量极显著高于茎。
As含量比较：菌草品种平均茎As含量为0.07 mg/kg，其中，莱牧1号含量最高；菌草品种平均叶As含量为1.137 mg/kg，其中，紫菌草含量最高，莱牧1号最低。但茎、叶As含量品种间均无显著差异。T-test检验表明，菌草品种平均叶As含量极显著高于茎。
Hg含量比较：菌草品种平均茎Hg含量为0.003 mg/kg，其中，莱牧1号含量最高，但品种间差异很小。菌草品种平均叶Hg含量为0.032 mg/kg，其中，莱牧1号含量是其它品种的2倍左右，但品种间未达显著水平。T-test检验表明，菌草品种平均叶Hg含量极显著高于茎。
Table 5. Data and analysis table of cadmium content in stem and leaf of different strains of JUNCAO
表5. 菌草品种地上部重金属含量表(mg/kg)
注：同行括号内不同大写字母表示差异极显著(P < 0.01)，不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。
地上部加权平均含量 = (茎干重 × 茎含量 + 叶干重 × 叶含量)/(茎干重 + 叶干重)
Table 6. Two-tailed probability of TDIST function of leaf Cd content and multiple comparison table
表6. 叶Cd含量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
Table 7. Two-tailed probability of TDIST function of leaf Cr content and multiple comparison table
表7. 叶Cr含量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
Table 8. Two-tailed probability of TDIST function of leaf Cr content and multiple comparison table
表8. 地上部Cr含量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
3.4. 菌草品种重金属积累量比较
Cd积累量比较：由表9可知，四个菌草品种平均单株茎Cd积累量为1.1 mg/株，排序为：巨菌草J1 > 巨菌草 > 紫菌草 > 莱牧1号，品种间差异显著，其中：巨菌草J1和巨菌草均极显著高于莱牧1号，巨菌草J1显著高于紫菌草，其它品种间差异不显著(表10)。四个菌草品种平均单株叶Cd积累量为1.45 mg/株，排序为：巨菌草 > 巨菌草J1 > 紫菌草 > 莱牧1号，品种间差异未达显著水平。四个菌草品种平均单株地上部Cd积累量排序与叶相同，品种间存在显著差异，其中：巨菌草极显著高于莱牧1号、显著高于紫菌草，巨菌草J1显著高于莱牧1号，其它品种间差异不显著(表11)。T-test检验表明，四个菌草品种平均单株茎Cd积累量与叶Cd积累量之间没有统计学意义。
Pb积累量比较：四个菌草品种平均单株茎Pb积累量为0.15 mg/株，排序为：巨菌草 > 巨菌草J1 > 紫菌草 > 莱牧1号，品种间差异极显著，其中：巨菌草J1和巨菌草均极显著高于莱牧1号，紫菌草显著高于莱牧1号，其它品种间差异不显著(表12)。四个菌草品种平均单株叶Pb积累量和地上部Pb积累量分别为4.37 mg/株、4.52 mg/株，排序为：巨菌草 > 巨菌草J1 > 紫菌草 > 莱牧1号，品种间差异未达显著水平。T-test检验表明，四个菌草品种平均单株叶Pb积累量显著高于茎。
Cr积累量比较：四个菌草品种平均单株茎Cr积累量为0.68 mg/株，排序为：巨菌草J1 > 巨菌草 > 紫菌草 > 莱牧1号，品种间差异极显著，其中：巨菌草J1和巨菌草均极显著高于莱牧1号，巨菌草J1显著高于紫菌草(表13)。四个菌草品种平均单株叶Cr积累量和地上部Cr积累量分别为2.26 mg/株、2.94 mg/株，排序为：巨菌草 > 巨菌草J1 > 紫菌草 > 莱牧1号，但品种间差异均未达显著水平。T-test检验表明，四个菌草品种平均单株叶Cr积累量显著高于茎。
As积累量比较：四个菌草品种平均单株茎As积累量为0.022 mg/株，排序为：巨菌草J1 > 巨菌草 > 紫菌草 > 莱牧1号，品种间差异极显著，其中：巨菌草J1和巨菌草均极显著高于莱牧1号，巨菌草J1显著高于紫菌草(表14)。四个菌草品种平均单株叶As积累量和地上部As积累量分别为0.650 mg/株、0.672 mg/株，排序为：巨菌草 > 巨菌草J1 > 紫菌草 > 莱牧1号，但品种间差异均未达显著水平。T-test检验表明，四个菌草品种平均单株叶As积累量显著高于茎。
Hg积累量比较：四个菌草品种平均单株茎Hg积累量为0.001 mg/株，排序为：巨菌草J1 > 巨菌草 > 紫菌草 > 莱牧1号，品种间差异极显著，其中：巨菌草J1和巨菌草均极显著高于莱牧1号、显著高于紫菌草(表15)。四个菌草品种平均单株叶和地上部Hg积累量分别为0.650 mg/株、0.672 mg/株，排序为：巨菌草 > 巨菌草J1 > 紫菌草 > 莱牧1号，但品种间差异均未达显著水平。T-test检验表明，四个菌草品种平均单株叶Hg积累量极显著高于茎。
Table 9. Accumulation scale of heavy metals in stem and leaf of different strains of JUNCAO
表9. 菌草品种地上部重金属积累量表(mg/株)
注：同行括号内不同大写字母表示差异极显著(P < 0.01)，不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。
Table 10. Two-tailed probability of TDIST function of stem Cd accumulation and multiple comparison
表10. 茎Cd积累量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
Table 11. Two-tailed probability of TDIST function of aboveground Cd accumulation and multiple comparison
表11. 地上部Cd积累量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
Table 12. Two-tailed probability of TDIST function of stem Pb accumulation and multiple comparison
表12. 茎Pb积累量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
Table 13. Two-tailed probability of TDIST function of stem Cr accumulation and multiple comparison
表13. 茎Cr积累量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
Table 14. Two-tailed probability of TDIST function of stem As accumulation and multiple comparison
表14. 茎As积累量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
Table 15. Two-tailed probability of TDIST function of stem Hg accumulation and multiple comparison
表15. 茎Hg积累量TDIST函数两尾概率值与多重比较表(LSD法)
3.5. 菌草Cd污染土壤修复应用
巨菌草为高产型的Cd超富集植物 [6]，2018~2020年在株洲市茶陵县Cd染污土壤结构调整中，生产示范1000亩，土壤Cd背景值为0.6 mg/kg，生产中以沼气液肥为主，亩栽巨菌草2000株左右，巨菌草产品主要用于生物发电，亩生产效益4000元左右。2019年12月25号，进行了田间多点土壤取样，检测结果表明，采用ICPMS与石墨炉法的土壤Cd含量分别为0.558 mg/kg、0.557 mg/kg，较背景值降低7.08%，平均每年降低3.54%，降Cd效果明显，实现了“零”成本治理，具有广泛的应用前景。
4. 结论与讨论
1) 本研究表明，巨菌草和巨菌草J1对Cd具有很强的富集能力，紫菌草Cr含量、莱牧1号Hg含量远高于其它参试品种，在Cr和Hg污染土壤修复治理中应该具有很好的应用潜力。四个菌草品种地上部鲜重差异极显著、干重差异显著，鲜重和干重均表现为：巨菌草 > 巨菌草J1 > 紫菌草 > 莱牧1号。四个菌草品种地上部Cd积累量，巨菌草极显著高于莱牧1号、显著高于紫菌草，巨菌草J1显著高于莱牧1号。Pb、Cr、As、Hg积累量品种间均无显著差异，这可能与试验土壤为Cd单一污染的酸性土壤，而Pb、Cr、As、Hg的含量较低有关。因此，不同菌草品种在Pb、Cr、As、Hg重度污染土壤情况下对Pb等重金属的富集能力，有待进一步的研究。
2) 莱牧1号菌草品种于2013年从莱索托引进，据福建农林大学生命科学学院研究报道，该品种亩产量可达16.8吨，与绿州一号相当。而在本试验中，莱牧1号表现生长势较弱，生物产量较低，其原因有待进一步的试验。
3) 鉴于植物修复对重金属的富集量是由植物重金属含量和生物量两个因素共同作用的结果，因此，建议在Cd、Pb、As污染治理中以巨菌草为主，对Cr污染治理而言应首选紫菌草，对Hg污染治理而言可以优先选择莱牧1号和巨菌草，重点是提高紫菌草和莱牧1号的生物产量，以提高植物修复的效果。
NOTES
*通讯作者。