孫姣輝，陳婷婷，邱　博，劉偉華，羅紅兵

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)

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幾種重金屬(Cd、Cr、As)在玉米植株中的分布研究

孫姣輝，陳婷婷，邱博，劉偉華，羅紅兵*

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)

從株洲市某社區(qū)玉米園中采集玉米植株及其生長(zhǎng)的土壤樣品，利用ICP等離子法測(cè)定鉻(Cr)、砷(As)、鎘(Cd)3種重金屬元素的含量，對(duì)玉米不同器官積累重金屬的特性進(jìn)行初步研究。結(jié)果表明：(1)玉米園土壤受重金屬As中度污染，重金屬Cd重度污染；(2)3種重金屬在玉米植株中的分布規(guī)律大致為根>葉>莖；(3)玉米對(duì)土壤中3種重金屬的平均富集系數(shù)大小排列順序?yàn)镃d>Cr>As；(4)玉米對(duì)土壤As元素有較強(qiáng)的耐性；(5)玉米莖中Cr元素含量與根中Cr達(dá)到了顯著負(fù)相關(guān)，而莖、葉中Cd含量與根部Cd呈正相關(guān)。

玉米；重金屬；分布；富集

隨著工業(yè)化和城市化的飛速發(fā)展，土壤重金屬污染已成為不容忽視的突出環(huán)境問(wèn)題[1～5]。重金屬污染土壤的修復(fù)主要基于兩種策略：一是去除化，將重金屬?gòu)耐寥乐腥コ?，達(dá)到清潔土壤的目的；二是固定化，將重金屬固定在土壤中限制其釋放，從而降低其風(fēng)險(xiǎn)。按照修復(fù)的工藝原理主要?dú)w納為三類(lèi)：物理/化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)[6]。

植物修復(fù)是利用植物對(duì)土壤中的污染物進(jìn)行固定、吸收，以清除土壤環(huán)境中的污染物或使其有害性得以降低或消失[7]。近年來(lái)，利用植物去除環(huán)境中污染物的植物修復(fù)技術(shù)以更經(jīng)濟(jì)、更適合操作及環(huán)境友好的特征而備受人們的關(guān)注。在全球范圍內(nèi)從超富集植物篩選、基因工程性能改進(jìn)及技術(shù)強(qiáng)化等多方面加以研究尋找開(kāi)發(fā)生物量大、富集重金屬能力強(qiáng)的超積累植物是植物修復(fù)技術(shù)走向工程應(yīng)用的首要任務(wù)[8]。本研究以玉米為材料，探討玉米植株不同器官中重金屬元素的分布，旨在為重金屬超富集植物的篩選和重金屬污染土壤修復(fù)提供基礎(chǔ)資料。

1　材料與方法

1.1材料來(lái)源及預(yù)處理

材料來(lái)源于株洲市某社區(qū)玉米園。2015年9月26日當(dāng)玉米處于幼穗期時(shí)采集植株，

樣品用自來(lái)水、去離子水沖洗干凈，按不同器官(根、莖、葉)分離后，105℃殺青30 min，恒溫烘箱烘干(80℃，24 h左右)，粉碎，干樣裝入密封袋中保存?zhèn)溆?。土壤樣品采集設(shè)5個(gè)分樣點(diǎn)，采樣深度0～20 cm，于室溫自然風(fēng)干、去除雜質(zhì)后磨細(xì)，過(guò)100目不銹鋼篩網(wǎng)，裝入密封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2樣品分析

樣品分析方法參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行。植物樣品用硝酸-高氯酸法消化，土壤樣品用王水-高氯酸法消化，消化液過(guò)濾定容后用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(安捷倫7700 ICPMS，美國(guó))測(cè)定樣品中重金屬含量。分析所用試劑為優(yōu)級(jí)純，各種元素的標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液采用由安捷倫公司提供的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1000 μg/mL)按各元素的測(cè)定范圍配制[9]。

1.3土壤pH的測(cè)定

采用電位測(cè)定法(PH S-3C型pH計(jì))[10]。

1.4土壤重金屬污染評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

土壤重金屬污染判定參照文獻(xiàn)[11]和中華人民共和國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[12]，采用單因子污染指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和多項(xiàng)綜合污染指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)。

式中：Pi—土壤中i污染物的污染指數(shù)；Ci—i污染物的實(shí)測(cè)濃度(mg/kg)；Si—i污染物的土壤背景值或?qū)φ罩祷驑?biāo)準(zhǔn)值(mg/kg)。

為全面反映各重金屬元素對(duì)土壤的不同作用，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法表示：

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS19.0和Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1玉米園土壤重金屬污染情況

測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，株洲市某社區(qū)玉米園土壤pH值為4.68，偏酸性；3種重金屬元素含量及綜合污染指數(shù)如表1。

表1　土壤各元素含量及其污染指數(shù)Table 1　Metallic contents and its pollution index

注：0.73污染等級(jí)為重污染。

從表1可見(jiàn)，該玉米園土壤中Cr含量較低，單項(xiàng)污染指數(shù)為0.56，土壤未受到Cr的影響；而該土壤中As、Cd含量較高，實(shí)測(cè)值分別為42.78和1.29 mg/kg，單項(xiàng)污染指數(shù)達(dá)1.07和4.3，顯然土壤已受As、Cd的污染；綜合污染指數(shù)為3.36，根據(jù)土壤質(zhì)量分析標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)土壤的綜合污染程度達(dá)到了重度污染級(jí)。

2.2重金屬在玉米植株不同部位的分布

由表2可見(jiàn)，玉米各器官中Cr、As、Cd的含量具有以下特點(diǎn)：

(1)土壤中重金屬被玉米吸收以后，大部分停留在根部，少量向地上部分遷移，重金屬在玉米植株不同器官的含量為：根>葉>莖。這一結(jié)果與邵華偉等[13]、韋柳蘭等[14]的結(jié)論基本一致。Cr、As、Cd都不是植物生長(zhǎng)的必需元素，在進(jìn)入植株的過(guò)程中，主要是非代謝被動(dòng)進(jìn)入植物體內(nèi)。這些重金屬一旦進(jìn)入根內(nèi)就通過(guò)木質(zhì)部轉(zhuǎn)移到其他組織，一部分可能被結(jié)合在木質(zhì)部的導(dǎo)管上，其余的分別通過(guò)秸稈輸送到葉片[15]。這說(shuō)明重金屬在植物體內(nèi)的分布規(guī)律是在新陳代謝旺盛的器官蓄積量較大，而營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存器官，如果實(shí)、籽粒、莖葉中的蓄積量則相對(duì)較少[16]。

表2　玉米各器官重金屬含量(mg/kg)Table 2　Heavy metal contents in different organ of maize plant

(2)各重金屬元素在根、莖、葉中的平均含量順序?yàn)椋篊r > Cd> As。玉米植株對(duì)Cr、As、Cd的積累總量(根、莖、葉重金屬含量之和)以Cr元素為最高，Cr雖然在土壤中未受污染，但在玉米植株各器官中含量高，表現(xiàn)出一定的污染程度。說(shuō)明可能Cr在土壤中含量低時(shí)，也能被玉米吸收，是容易引起玉米植株重金屬污染的元素之一。根據(jù)我國(guó)《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB2715-2005)Cd的限量值為0.5 mg/kg，而該品種在抽雄期的根莖葉Cd含量均高于此標(biāo)準(zhǔn)，可用于重金屬鎘污染地區(qū)的植物修復(fù)。而As在各個(gè)器官中的含量均較低，莖稈、葉片中的As均低于飼料安全標(biāo)準(zhǔn)(<2.0 mg/kg)，這說(shuō)明莖稈、葉片可以用作畜禽的飼料。

2.3玉米器官的重金屬富集系數(shù)

富集系數(shù)(吸收系數(shù)，BCF)是衡量植物對(duì)重金屬積累能力大小的一個(gè)重要指標(biāo)，它是指植物體內(nèi)某種重金屬含量與土壤中該種重金屬含量的比值，富集系數(shù)越大，說(shuō)明富集能力越強(qiáng)[17]。根據(jù)表2的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算出玉米各器官對(duì)Cr、As、Cd3種元素的富集系數(shù)如表 3。

表3　玉米植株不同部位對(duì)重金屬的吸收富集系數(shù)Table 3　The enrichment coefficients of heavy metals in different parts of maize plants

(1)玉米植株對(duì)重金屬的富集。玉米各器官對(duì)土壤中3種重金屬的平均富集系數(shù)大小順序?yàn)镃d>Cr>As，其中對(duì)Cd的富集能力最強(qiáng)，平均富集系數(shù)為1.66，對(duì)Cr的吸收能力次之，對(duì)As的富集能力最弱，富集系數(shù)僅為0.00～0.04。研究土壤分析結(jié)果表明，供試玉米園土壤已受As的輕度污染，而玉米各器官對(duì)As的富集系數(shù)僅為0.00～0.04，說(shuō)明玉米對(duì)As有較強(qiáng)的耐性，此玉米品種適合于輕度As污染的土壤地區(qū)種植。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，土壤受重金屬?gòu)?fù)合污染時(shí)，Cd，Zn，Cu，Cr共存能夠提高作物對(duì)幾種重金屬元素的吸收系數(shù)，促進(jìn)這些重金屬元素在作物體內(nèi)的遷移[18，19]。

(2)玉米不同器官對(duì)Cr、As、Cd的富集規(guī)律一致，均為根>葉>莖。這一特征揭示，玉米根系作為一種屏障或過(guò)濾器，可以阻止重金屬進(jìn)一步向秸桿和葉片中遷移，從而減少其毒害效應(yīng)。

2.4玉米莖葉重金屬元素與根系同一重金屬元素的相關(guān)性

對(duì)采樣地玉米根中重金屬元素含量與莖葉中同一重金屬元素含量的相關(guān)性分析可知，玉米莖中Cr元素含量與根中Cr含量達(dá)到了顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-1.000，葉片中Cr含量與根Cr元素含量達(dá)到了中度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.512；玉米莖葉As含量與根中As含量相關(guān)系數(shù)為弱正相關(guān)；而莖葉中Cd含量與根部Cd含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為1.000。

表4　玉米莖葉重金屬元素含量與根系同一 重金屬元素含量的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3　討論與結(jié)論

按照國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該研究區(qū)土壤中重金屬元素As、Cd已對(duì)土壤構(gòu)成污染。玉米植株對(duì)Cr、As、Cd 3種重金屬的富集系數(shù)大小表現(xiàn)為Cd>Cr>As。其中，各器官Cd的平均富集系數(shù)為1.66，Cr的富集系數(shù)是0.15～0.27，As的富集系數(shù)為0.00～0.04，其中As的富集系數(shù)最小，說(shuō)明玉米對(duì)Cr、As、Cd有不同程度的富集作用。郭曉方等[20]和楊惟薇等[21]也證實(shí)了玉米對(duì)土壤中的鎘具有較強(qiáng)的吸收性。

重金屬Cr、As、Cd在玉米植株不同器官中的含量為：根>葉>莖，這與匡少平等人[22]的研究結(jié)果有所差異。重金屬離子的性質(zhì)及其在土壤中的存在形態(tài)、土壤本身的性質(zhì)以及其他離子產(chǎn)生的協(xié)同或拮抗作用等諸多因素均可影響重金屬向玉米地上部遷移，因此，玉米植株中重金屬分布規(guī)律的差異性原因有待進(jìn)一步探究。

研究區(qū)玉米莖中重金屬元素Cr含量與根系中Cr含量達(dá)到了顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明玉米莖中 Cr與根系Cr存在很大競(jìng)爭(zhēng)，而玉米莖、葉中Cd含量與根系中Cd含量達(dá)到了顯著正相關(guān)，說(shuō)明玉米莖、葉中的Cd與根系關(guān)系密切，受根系中相對(duì)應(yīng)元素含量的影響顯著。玉米莖葉As含量與根系對(duì)應(yīng)的重金屬元素均沒(méi)有達(dá)到顯著相關(guān)，且相關(guān)性較低，說(shuō)明地上部分重金屬元素的含量還受其他因素的影響與控制。

眾多研究表明，Cd、Cr、As等作為玉米生長(zhǎng)的微量元素，在一定濃度范圍內(nèi)可促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，但濃度過(guò)高則會(huì)對(duì)玉米幼苗產(chǎn)生毒害作用或破壞其新陳代謝[23]。李麗君等[24]研究認(rèn)為，當(dāng)水培溶液中Cd2+濃度為0.5～1.0 mg/L時(shí)，Cd2+可以促進(jìn)玉米種子的萌發(fā)，提高玉米的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，當(dāng)Cd2+濃度超過(guò)5 mg/L時(shí)，苗高和根系及地上部的生長(zhǎng)量隨Cd2+濃度提高而降低[25]。

本研究區(qū)土壤受到As、Cd、Cr的污染，但玉米植株沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的不良癥狀，且玉米植株不同器官對(duì)重金屬As、Cr富集系數(shù)較小，說(shuō)明玉米對(duì)重金屬還具有一定程度的耐受性和抗性。其對(duì)重金屬元素的耐受性和抗性機(jī)理還有待于后續(xù)研究。

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Research on the Distribution of Heavy Metal in Corn Plants

SUN Jiaohui，CHEN Tingting，QIU Bo，LIU Weihua，LUO Hongbin*

(College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China)

The contents of heavy metals (Cr，Cd，As) in maize plant and soil collected from somewhere in Zhuzhou were measured by ICP plasma method.Preliminary study was made on the Characteristics of heavy metal accumulation in different organs of Maize.The results showed that：(1)the soil was contaminated by As at middle-grade，by Cd at severe -grade，(2)the contents of heavy metal in plant showed the order of root> leaf > stem，(3)the accumulative coefficient order was Cd>Cr>As，(4)the result also showed that maize plant was tolerated to As，(5)Cr of stem were significant negative correlation with the same elements in the roots.While Cd in stem and leaf were significant positive correlation with the same elements in the root.

maize；heavy metal；distribution；accumulation

2016-03-21

孫姣輝 (1989-)，女，碩士研究生，Email：914737502@qq.com。*通信作者，羅紅兵，Email：1289413219@qq.com。

湖南省農(nóng)業(yè)委員會(huì)科技項(xiàng)目。

S513.06

A

1001-5280(2016)04-0402-04

10.16848/j.cnki.issn.1001-5280.2016.04.12