陳鳴暉，劉大林，張衛(wèi)紅，馬晶晶，趙國琦

(揚州大學 動物科學與技術學院，江蘇 揚州 225009)

劉大林為通訊作者。

隨著工業(yè)化發(fā)展和城市化進程的不斷推進，工業(yè)污染中的重金屬進入到土壤中，造成了土壤重金屬含量的超標，影響了土壤中微生物和酶的活性。重金屬不僅難以清除，而且被農(nóng)作物吸收后會影響人類的身體健康。銅是植物生長的必要元素之一，然而植物對環(huán)境中的銅具有較強的敏感性，稍過量的銅(150～300 mg/kg)即會對植物產(chǎn)生毒害作用，使植物生長受阻[1]，當土壤中的銅含量超過植物生長所需時反而會對植物有毒害作用，甚至會對植物造成不可逆轉的致死效應[2]。據(jù)研究報道，沈陽一閘支渠中污泥Cu含量達274 mg/kg，污水灌溉農(nóng)田后土壤中Cu含量為70.0～270.0 mg/kg[3]，銅陵銅官山礦區(qū)土壤重金屬銅含量為248 mg/kg[4]，德興銅礦土壤中銅含量平均為186.5 mg/kg[5]，而國標土壤環(huán)境標準值僅為35 mg/kg(GB15618-1995)。傳統(tǒng)的土壤修復方法，不僅成本昂貴，而且可能會對土壤造成二次傷害。利用在土壤原位栽培植物來去除污染物的植物修復技術，是在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境的前提下，最大限度地降低或消除有毒有害物質；而且修復成本低，能提高土壤肥力，保持土壤微生物和酶的活性[6]，也是近年來研究的焦點和熱點，越來越受到人們的重視。

多年生黑麥草(Loliumperenne)為多年生草本植物，對鹽分、污水和有機物等都表現(xiàn)出極強的抗性[7-8]。其生長迅速，分蘗能力強，可以迅速覆蓋地面[9]，耐貧瘠，生態(tài)閾值廣，耐旱性強，能在惡劣的環(huán)境中生長，甚至在寸草不生的尾礦地都能生長[10-11]。徐衛(wèi)紅等[12]研究表明，相對其他的植物，黑麥草對土壤中的重金屬都表現(xiàn)出較強的吸收能力，一年能多次刈割，通過多次刈割可以逐步減少土壤中的金屬含量，達到凈化污染土壤的目的。目前也有研究結果表明，多年生黑麥草對多種重金屬有較強的富集能力[13]，但關于多年生黑麥草對銅的富集研究較少。同時，植物在對重金屬污染土壤凈化過程中，首先要能夠成活，并有一定的產(chǎn)量，在地表形成覆蓋層；較好覆蓋層的形成有利于防止水土流失和風蝕侵害，從而避免造成重金屬的二次污染。因此，采用溫室盆栽的方法，在測定10個多年生黑麥草在不同銅污染土壤中干物質量的基礎上，對其不同部位的銅的富集量進行對比研究，最后利用隸屬函數(shù)對其進行綜合評價，從而篩選出富集效果較好的多年生黑麥草品種，以期為銅污染土壤的恢復治理提供一定的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試的10個多年生黑麥草品種均由江蘇省農(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所提供(表1)。試驗地施用的重金屬為Cu SO4·5H2O(AR)，分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司。

表1 試驗材料與編號

1.2 試驗方法

試驗材料培養(yǎng)采用盆栽法?；ㄅ鑳葟?5 cm，深25 cm。盆栽試驗所采用的土壤為沙壤土，pH 6.68，有機質含量12.0 g/kg，全氮含量1.02 g/kg，堿解氮為100.4 mg/kg，速效磷為36.3 mg/g，速效鉀為88.7 mg /kg，土壤中金屬Cu2+背景值為3.43 mg/kg。去除土壤中的石子、枯枝落葉和植物根莖，然后風干?；蕿槟蛩?、磷酸二按和硫酸鉀，按高產(chǎn)田水平施用(尿素2 g/盆，磷酸二銨1.6 g/盆，硫酸鉀1.0 g/盆)。土壤中Cu2+濃度依次設為0，50，150，300 mg/kg共4個濃度。播種前將試驗土壤、基肥和CuSO4·5H2O(AR)試劑按照設定比例攪拌均勻后裝盆，每個品種每個處理3次重復，多年生黑麥草三葉期定苗，每盆10株。試驗過程中每天及時補充土壤水分，同時為了防止?jié)菜斐赏寥乐亟饘貱u2+的流失，在每個花盆下面均放置塑料托盤，每次澆水后將滲出的水溶液再返倒回花盆。

1.3 測量指標

1.3.1 牧草干物質量測定 待牧草抽穗期，將供試多年生黑麥草收獲，收獲后105℃殺青1 h，然后75℃烘干至恒重，稱其重量，即為多年生黑麥草干物質量。

1.3.2 樣品中銅含量的測定 采用原子吸收法測定樣品中的銅含量[14]。即將烘干后的多年生黑麥草的根部，莖稈和葉片分開，然后將其分別粉碎后，準確稱取0.5 g置于瓷坩堝中，然后放置在電爐上緩慢加熱至完全炭化，移入馬弗爐中在500℃條件下灰化5 h，冷卻后取出坩堝，用HNO3∶HClO4(4∶1)混合液消解至溶液澄清，然后移入50 mL容量瓶加去離子水至刻度，作為待測樣。然后，分別用0.5%硝酸將銅標準使用液配置成含銅，0.00、0.10、0.20、0.40、0.80、1.20 μg/mL標準樣液，混勻后上機324.7 nm波段下測定吸光度，做標準曲線。同時以空白作對照，取適量水樣測定其銅含量[15]。

1.3.3 銅富集能力評價 以10個多年生黑麥草在不同污染程度的土壤中的產(chǎn)量及多年生黑麥草根、莖、葉3個不同部位的銅富集能力作為指標進行綜合評價，采用隸屬函數(shù)法對10個多年生黑麥草的銅富集能力進行比較評價。然后根據(jù)各指標的具體隸屬函數(shù)值，計算出平均值后進行比較，平均值越大表示該牧草的銅富集能力越強[16]：

D(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi為第i個指標值，Xmax為所有多年生黑麥草品種第i個指標的最大值，Xmin為所有多年生黑麥草品種第i個指標的最小值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003將原始數(shù)據(jù)進行輸入，然后用SPSS 18.0進行Duncan法單因素方差分析和多重比較，最后用Excel 2003進行作圖和隸屬函數(shù)計算。

2 結果與分析

2.1 銅處理對多年生黑麥草干物質量的影響

10個多年生黑麥草品種在不同濃度銅污染土壤中其干物質量相比對照，土壤中Cu2+濃度50 mg/kg時對多年生黑麥草的干物質量具有明顯的促進作用(圖1)。隨著土壤中Cu2+濃度的進一步增加，多年生黑麥草干物質量均表現(xiàn)為降低趨勢，且存在顯著差異(P<0.05)。Cu2+濃度為50和300 mg/kg時，黑麥草5(Harukaze)的干物質量依次為164 g/(10株)和124 g/(10株)，為試驗組最高，均與其他黑麥草的干物質量之間存在著顯著性差異(P<0.05)。Cu2+濃度為150 mg/kg，黑麥草8的干物質量為133 g/(10株)，而黑麥草5(Harukaze)的干物質量為132 g/(10株)，兩者之間沒有顯著性差異，但這兩個黑麥草干物質量與其他黑麥草的干物質量之間均存在著顯著性差異(P<0.05)。由此可見同種黑麥草對不同濃度Cu2+的響應也有所差別，土壤中Cu2+濃度相同時，多年生黑麥草5(Harukaze)的干物質量整體上均顯著高于其他多年生黑麥草品種。

圖1 10個多年生黑麥草品種在不同銅污染土壤的干物質量Fig.1 Dry matter of 10 perennial ryegrasses in different soil copper concentrations注：不同大寫字母表示同種多年生黑麥草在不同濃度Cu2+處理間差異性顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同濃度Cu2+處理下不同品種間差異性顯著(P<0.05)，下同

2.2 黑麥不同部位對銅的富集作用

2.2.1 多年生黑麥草根系對銅的富集能力 10個多年生黑麥草品種根系對重金屬銅富集量。結果表明，在試驗范圍內，相同品種多年生黑麥草根系中重金屬銅富集量隨著土壤中Cu2+濃度的升高而升高。土壤中Cu2+濃度為300 mg/kg時各品種多年生黑麥草中的銅富集量均達到最大值，其富集含量平均為對照組的25.47倍，最大為對照組的31.70倍。土壤中Cu2+濃度相同時，不同品種多年生黑麥草根系對重金屬銅富集含量也不相同，表現(xiàn)出明顯的差異性(P<0.05)。土壤中Cu2+濃度為300 mg/kg時，多年生黑麥草4(Wasefudou)的根系對銅的富集含量最高，多年生黑麥草5(Harukaze)的根系富集含量最低，而土壤中Cu2+濃度為50或150 mg/kg時不符合此規(guī)律，Cu2+濃度為150 mg/kg時，多年生黑麥草1(Wasehope)的根系富集含量最高，而多年生黑麥草2(Waseaoba)和3(Waseyutaka)的富集含量最低，因此，不同濃度Cu2+處理下，不同品種多年生黑麥草根系中銅富集量也不相同(圖2)。在銅脅迫下，多年生黑麥草根部是主要的銅富集器官。

圖2 10個多年生黑麥草品種根系的銅富集量Fig.2 Copper enrichment in roots of different perennial ryegrasses

2.2.2 多年生黑麥草莖稈對銅的富集能力 在試驗條件下，莖稈中銅的富集量隨著土壤中銅濃度的升高而增大，且存在著顯著性差異(P<0.05)。10個多年生黑麥草在不同濃度的銅處理下莖稈中富集量也不相同，土壤中Cu2+濃度為300 mg/kg時，多年生黑麥草8(Tachimasari)的莖稈中銅富集量最高，但與其他品種的多年生黑麥草莖稈中的銅富集量沒有顯著性差異(P>0.05)；而土壤中Cu2+濃度小于300 mg/kg時，不同品種多年生黑麥草莖稈中銅富集量之間差異顯著(P<0.05)，其中Cu2+同濃度為150 mg/kg時，多年生黑麥草6(Tachimusya)的銅富集量最高，多年生黑麥草2(Waseaoba)的銅富集量最低(圖3)。

圖3 多年生黑麥草莖稈的銅富集量Fig.3 Copper enrichment in stems of different perennial ryegrasses

2.2.3 多年生黑麥草葉片中的銅富集量 試驗條件下，葉片中銅富集量也隨著土壤中Cu2+濃度的升高而增大。相同濃度Cu2+處理下，10個多年生黑麥草葉片中的銅富集量之間也存在著顯著差異(P<0.05)。不同品種多年生黑麥草在不同濃度Cu2+處理下，葉片中銅的富集量也不相同。其中Cu2+濃度為50和300 mg/kg時，多年生黑麥草9(Wasehopem)的銅富集量最高，而Cu2+濃度為150 mg/kg時，多年生黑麥草7(Doraian)葉片中銅富集量最高(圖4)。試驗再次說明多年生黑麥草根部是銅富集器官，其次為莖葉。

圖4 多年生黑麥草葉片的銅富集量Fig.4 Copper enrichment in leaves of different perennial ryegrasses

2.3 銅富集能力綜合評價

隸屬函數(shù)值越大表示牧草的銅富集能力越強，多年生黑麥草不同部位對銅富集能力也不同，其中根系對銅的富集能力最強，莖稈次之，葉片的銅富集量最少。對10個多年生黑麥草的銅富集能力進行隸屬函數(shù)分析，多年生黑麥草5(Harukaze)的銅富集能力最強(表2)，多年生黑麥草7和9的銅富集能力差。

3 討論

研究表明，多年生黑麥草的干物質量隨著土壤Cu2+濃度的增加呈先增高后降低的變化趨勢，其中Cu2+濃度為50 mg/kg時干物質量均高于對照和其他處理組，表現(xiàn)出促進生長的效果；然而Cu2+濃度大于50 mg/kg時，干物質量則均低于對照，表現(xiàn)出明顯的抑制效果。其原因可能是銅元素是植物生長的必須元素，土壤中適量Cu2+的存在促進了植物的生長發(fā)育，從而使得干物質量高于對照；Cu2+也是重金屬之一，所以當土壤中的Cu2+濃度濃度高于植物耐受范圍之后，抑制了植物對所需營養(yǎng)元素的吸收利用，從而對植物的生長表現(xiàn)出抑制作用[17]。試驗結果與王小玲等[18]對銅脅迫下蘇丹草的干物質量響應規(guī)律一致，但與象草的響應規(guī)律有所出入，其原因可能是試驗材料的不同造成。

表2 10個多年生黑麥草品種的銅富集能力比較

試驗條件下，多年生黑麥草根部的銅富集量越多，植物干物質量越低。其原因可能為根系中銅的過多積累對根系組織具有破壞作用，導致根系活力下降、發(fā)育和物質運輸受阻，從而抑制了多年生黑麥草的正常生長；也可能是銅脅迫破壞了多年生黑麥草的細胞器超微結構，從而阻礙植物呼吸代謝、光合作用和細胞分裂等生理功能的正常進行，最終導致植物的干物質量質量下降。但試驗中有些多年生黑麥草品種間沒有表現(xiàn)出根部的銅富集量越多，植物干物質量越低的變化趨勢[19]。多年生黑麥草根部的銅富集量最高，其次是莖部的，最后是葉部，試驗結果與楊明琰等[20]對黑麥草不同部位Pb的富集研究結果一致，也與張堯等[21]對黑麥草Cd的富集研究結果一致，均為根部的富集量最高，莖部次之，葉部最少，其原因可能是根系是直接與重金屬污染土壤接觸的部位，最先吸收并積累重金屬銅，然后由莖部再向葉部運輸，在運輸過程中植物器官阻礙了Cu的輸送[16]。

4 結論

隨著土壤中Cu2+濃度的增加，10個多年生黑麥草在Cu2+脅迫下的干物質量之間存在著差異性，不同品種牧草對銅的富集能力之間也存在差異性，不同部位對銅的富集能力也不盡相同。因此，用單一的指標很難準確而全面的對黑麥草的銅富集能力進行評價，應采用多種指標的綜合評價方法對其進行評價。鑒于此，采用隸屬函數(shù)法對10個多年生黑麥草品種在Cu2+脅迫下的1個生物學形態(tài)指標和3個不同部位的銅富集量進行綜合分析對比，得出多年生黑麥草5(Harukaze)具有較好的銅富集能力。因此多年生黑麥草品種Harukaze在銅污染土壤恢復治理中可優(yōu)先考慮。

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