魏 曉, 張鵬博, 趙丹丹,Elena Bocharnikova, Vladimir Matichenkov, Demin Dmitry

1 湖南省經(jīng)濟地理研究所,長沙 410004 2 俄羅斯科學院土壤物理化學和生物研究所,俄羅斯普希諾 142290 3 俄羅斯科學院基礎(chǔ)生物研究所,俄羅斯普希諾 142290

鎘是毒性最強的重金屬之一,農(nóng)作物的抗鎘能力比動物強,和動物相比,鎘毒對人類影響尤甚,因為人類的壽命更長,通過食用含鎘食物會在體內(nèi)形成鎘累積[1-2],比起其他常見的有毒物如砷、鉛、汞或鎳,鎘具有更高的流動性,這意味著植物將從污染土壤中吸收更多的鎘[3-4]。鎘主要通過不同的人類活動如礦業(yè)、電池使用、油漆顏料、合金制備、以及其他活動產(chǎn)生的工業(yè)廢料進入環(huán)境[5-6],其中磷礦開采和大氣沉降被認為是最大的鎘污染源[7]。據(jù)估計,耕地中發(fā)現(xiàn)的54%—58%的鎘來源于礦質(zhì)磷肥的施用,不幸的是,目前可用的磷礦石呈下降趨勢,低級磷礦石的加工產(chǎn)生更多的鎘等重金屬。

研究發(fā)現(xiàn),水稻吸收的鎘大部分累積在根部,嚴重抑制根系生長,使根數(shù)減少[8],鎘積累對水稻生長有直接或間接的危害,將改變許多生理功能[9- 10],鎘會限制水稻種子的萌發(fā)和幼苗的生長,以及細胞中許多代謝過程的強度和方向[11],鎘在一定程度上影響著稻米對有益微量元素的吸收和運輸[12],受到鎘污染的植物在發(fā)育中的非特性反應會加劇細胞的氧化,形成過量的活性氧化物[13],同時受到鎘污染的植物的超氧化物歧化酶的活性和過氧化氫酶的活性也將顯著降低[14]。在過去的幾十年里,有過很多關(guān)于富硅物質(zhì)能夠減輕鎘對植物生長不利影響的報道,硅可以減輕水稻的鎘毒癥狀[15],降低植物葉片中鎘的積累[16-17]。土壤中施用富硅物質(zhì)能夠增加對鎘的吸附[18],加強鎘在水稻幼苗根內(nèi)皮層的積累,可以限制鎘從幼苗根傳送到芽,并將重金屬大量沉積在內(nèi)皮層細胞的細胞壁,從而阻斷鎘在質(zhì)外體中的運輸[19]。優(yōu)化植物硅素可以增加抗氧化酶的活性,減輕植物的脂質(zhì)過氧化作用和鎘引起的氧化損傷。硅還能減輕鎘的藥害性,并顯著降低鎘在小白菜體內(nèi)的吸收和從根到芽的傳輸,然而,這種緩解機理目前仍不清楚。

本研究的主要目的是研究固態(tài)和液態(tài)硅肥對土壤-作物系統(tǒng)中,硅和鎘相互作用的影響機制。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤土壤采自湘陰某段(112°43.514′E,28°38.449′N)長期耕作的農(nóng)田,采集0—20cm耕作層土壤,經(jīng)風干、粉碎、混勻后用于盆栽試驗,基本理化特性見表1。水稻品種為湘晚秈12號(OryzasativaL.)。

在本次試驗中,所需材料有(1)FS (Fumed Silica,煅制氧化硅,水溶性硅含量為(203±10)mg/kg,pH 7.1)；(2)礦渣(婁底市某煉鋼廠,水溶性硅含量為(4.6±1.5)mg/kg,pH 8.2)；(3)農(nóng)用硅肥(挪威,固態(tài)硅,水溶性硅含量為(91.4±8)mg/kg,pH 7.9)；(4)Zumsil(美國,液態(tài)硅,含20%的單硅酸,pH 12.0),將Zumsil分別稀釋700倍和1000倍。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

本試驗所用塑料盆容積為1L,裝土1kg,處理設(shè)計為：CK；FS(基施0.5gFS,追施1gFS,每天用50mL蒸餾水灌溉)；礦渣(基施0.5g礦渣,追施1g礦渣,每天用50mL蒸餾水灌溉)；農(nóng)用硅肥(基施0.5g農(nóng)用硅肥,追施1g農(nóng)用硅肥,每天用50mL蒸餾水灌溉)；稀釋700倍Zumsil (每天用50mL灌溉)；稀釋1000倍Zumsil(每天用50mL灌溉)。每個處理各設(shè)置一份污染處理盆栽和未污染處理盆栽,每個處理3次重復。室溫保持在白天(28±2)℃,夜間(24±2)℃,光照時間為12h,光照強度為950μmol m-2s-1,白天相對濕度為(50±5)%,夜間相對濕度為(60±5)%。2周后,用50mL 50mg/L的鎘溶液處理污染組植株(CdSO4與H2O的比例為3∶8,此為模擬高度污染),未污染組植株用蒸餾水或稀釋的Zumsil繼續(xù)灌溉,種植3周后收獲,記錄每株重量(根和芽)。

1.3 樣品采集及分析方法

將新鮮土樣和水以1∶5的比例混合,風干土樣與0.1mol/L HCl以1∶10的比例混合振蕩24h后,分析硅與鎘的含量[20],用4802—紫外可見分光光度計法[21]測定純凈的萃取液中的單硅酸。水稻葉子經(jīng)過清洗后,以65℃烘干4h,研磨,加入HNO3和H2O2,用CEMMARS 6MS5181 (美國)微波消解,最后測量總鎘含量,NaOH熔融法確定硅總量。稱取0.5g烘干植株樣品于4cm高的鎳坩堝并置于馬福爐中,在1.5h時將溫度增加到550℃,持續(xù)4h,冷卻后,給每個鎳坩堝加入2.5g的固態(tài)NaOH,并重新將鎳坩堝放置到馬福爐中,再次將溫度增加到550℃,持續(xù)1.5h,冷卻后,用蒸餾水溶解,ICP—OES (Perkin Elmer Optima 5300 DV)分析硅和鎘含量。

使用以下方法分析根和芽的質(zhì)外體和共質(zhì)體中可溶性鎘和單硅酸含量。取鮮樣0.2—0.6g,切成1—2cm的長度,稱重后放入塑料瓶中,然后加入50mL的蒸餾水,混合振蕩24h,以此可以使質(zhì)外體溶液傳送到外部溶液中[22],將混合物過濾,分析濾液中的單硅酸和鎘含量。過濾后的植株樣中所有細胞壁粉碎,形成勻漿,將勻漿與50mL 蒸餾水混合,攪拌1h,最后,將上述方法獲得的共質(zhì)體溶液中的單硅酸和可溶性鎘稀釋分析,根據(jù)植株水分系數(shù),以干重計算單硅酸和可溶態(tài)硅的含量。

1.4 統(tǒng)計分析

本文數(shù)據(jù)結(jié)果采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件完成,Duncan′s檢驗法進行多重比較和分析處理。

2 結(jié)果分析

2.1 不同硅處理對水稻生物量的影響

除礦渣外,其他富硅材料顯著增加了19.4%—55.5%的水稻根生物量和10.4%—15.1%的芽生物量(表2)。礦渣對于無鎘處理的土壤沒有影響。CK通過添加鎘會抑制水稻生長,根和芽的鮮重分別從0.36降低到0.31g/株(降低14%),從0.86降低到0.65g/株(降低25%)。通過施用固態(tài)或液態(tài)富硅物質(zhì)(包括礦渣),可以減輕鎘對于水稻的毒害,可以分別增加12.9%—41.5%根鮮重,15.4%—33.8%芽鮮重,實驗證明礦渣效果較差,而稀釋700倍的Zumsil溶液和農(nóng)用硅肥的效果較好。

2.2 不同硅處理對水稻質(zhì)外體和共質(zhì)體中總硅和單硅酸的影響

未污染處理通過施用硅肥,根總硅含量從2.14%增加到2.74%,污染處理從2.35%增加到2.85%,未污染處理的芽總硅含量從1.04%增加到2.45%,污染處理從1.01%增加到2.48%(表3)。除礦渣外,其他硅肥處理的根部質(zhì)外體和共質(zhì)體中的單硅酸均顯著增加,在水稻芽部質(zhì)外體中檢測到極顯著的單硅酸增加,高鎘污染導致了根部的總硅含量以及根部質(zhì)外體和共質(zhì)體中的可溶性硅含量增加。

表2 水稻根、芽的鮮物質(zhì)量/(g/株)

同列數(shù)字的不同字母表示處理間差異性顯著(P<0.05)

表3 水稻根、芽的質(zhì)外體和共質(zhì)體中總硅和單硅酸的含量

2.3 不同硅處理對水稻質(zhì)外體和共質(zhì)體中總鎘和可溶性鎘的影響

在中、高度污染水平的土壤中,根部的總鎘含量遠高于芽部(表4),在未污染的土壤中,根部和芽部的總鎘含量分別為2.52mg/kg和0.24mg/kg,除礦渣外,富硅物質(zhì)可以顯著降低根部總鎘含量,而硅對于芽部總鎘的降低效果相對較低。

同共質(zhì)體相比,鎘主要累積于根部和芽部的質(zhì)外體中。鎘污染能顯著增加植物組織中的總鎘含量以及植物根部和芽部共質(zhì)體和質(zhì)外體中的可溶性鎘含量,根部的總鎘含量為125.54mg/kg,芽部總鎘含量為89.53mg/kg,富硅物質(zhì)能增加23.8%的根部的總鎘含量以及68.7%的根部質(zhì)外體的可溶性鎘含量,而芽部的總鎘卻含量卻降低了65.7%,芽部質(zhì)外體中的可溶性鎘含量也降低了67.5%。在共質(zhì)體中,施用硅肥可以減少9.1%—39.5%的根部可溶性硅含量和6.7%—61.1%的芽部可溶性硅含量,其中,稀釋700倍的Zumsil溶液最有效,而礦渣效果最差。

表4 水稻根、芽的質(zhì)外體和共質(zhì)體中總鎘和可溶性鎘的含量/(mg/kg)

2.4 不同硅處理對水、酸萃取態(tài)的土壤硅和鎘的影響

由表5可知,土壤中的移動性(水萃取態(tài))以及潛在移動性(酸萃取態(tài))的硅和鎘的含量。原始土壤中的移動的鎘和硅(分別是0.05mg/kg和5.4mg/kg)和潛在移動的鎘和硅(分別是0.25mg/kg和85.6mg/kg)都比較低,施用富硅物質(zhì)分別增加了44.4%—281.4%移動性硅以及23.1%—172.5%潛在移動性硅,以稀釋700倍的Zumsil溶液和FS效果最好。模擬的鎘污染土壤,對移動性和潛在移動性的硅影響不大。在未添加鎘的土壤中,施用富硅物質(zhì)可以減少兩種形態(tài)的硅,其中施用農(nóng)用硅肥可以降低40%的水萃取態(tài)硅,施用FS可以降低60%的酸萃取態(tài)硅。通過添加鎘,顯著增加了移動性鎘(從0.05mg/kg到2.52mg/kg)和潛在移動性鎘(從0.25mg/kg到3.52mg/kg),而施用富硅物質(zhì)可以減少土壤中移動性鎘和潛在移動性鎘的含量。這次實驗結(jié)果再次表明Zumsil的效果最好,而礦渣效果最差。

表5 水和酸萃取下的土壤硅和鎘含量/(mg/kg)

3 討論

獲得的數(shù)據(jù)表明用于實驗的富硅物質(zhì)可以顯著影響土壤-水稻系統(tǒng)中鎘的轉(zhuǎn)移和積累,但是影響程度依賴于土壤受鎘污染程度,以及用于釋放單硅酸的硅材料的性能。因此建議使用兩種單硅酸作用機制：第一種是單硅酸能和可溶性鎘直接反應產(chǎn)生微溶性硅酸鎘,這個反應在1979年由Lindsay說明過[23]；第二種是單硅酸可以大量吸附在土粒表面,然后與鎘離子產(chǎn)生化學反應,這種機制無論對于未經(jīng)硅處理的土壤還是經(jīng)過硅處理的土壤都更勝一籌,因為單硅酸濃度遠高于可溶性鎘濃度。應用富硅物質(zhì)同時也能吸附土壤溶液中的鎘,從而降低鎘的流動性,這種相互作用曾在科學文獻中有涉及[24-25],在沒有經(jīng)過鎘處理的土壤上生長的水稻,80.0%的鎘累積在根部,75.0%的鎘累積在在芽部,添加鎘后使根部和芽部的鎘累積分別降低到65.6%和60.5%。鎘在植物中主要通過質(zhì)外體途徑遷移,質(zhì)外體中的可溶性鎘遠高于共質(zhì)體。我們發(fā)現(xiàn)增加水稻吸附態(tài)鎘可以促使植物防御機制被激活,從而降低鎘穿透細胞壁傳遞到共質(zhì)體中,同時,部分鎘還能與質(zhì)外體和共質(zhì)體中的可溶性有機分子發(fā)生反應,從而增加植物組織中鎘的累積。

硅可以促使水稻根部和芽部的總鎘含量降低,同時也使根部和芽部的質(zhì)外體和共質(zhì)體中的鎘含量降低,這和土壤中鎘的流動以及鎘在植物中的傳送降低相關(guān)聯(lián)。但是,在鎘處理的情況下,和沒有應用硅的情況相比,硅使根部總鎘含量以及根部質(zhì)外體總鎘含量增加,而芽部總鎘含量以及根部共質(zhì)體、芽部質(zhì)外體和共質(zhì)體中的總鎘含量卻都降低。試驗結(jié)果證明了在幾種硅應用的高鎘污染情況下,水稻生長過程中硅對鎘傳送和積累的影響,盡管硅處理會導致根部組織和根部質(zhì)外體中鎘增加,但是穿透到根部共質(zhì)體以及向芽部轉(zhuǎn)移的鎘含量卻顯著降低,這可能是因為植物吸收外源硅可以降低鎘穿透芽部質(zhì)外體和共質(zhì)體間細胞壁的能力,該結(jié)果和其他研究相吻合[16-17,26]。

土壤中硅的參數(shù)能更好地反映硅對于鎘在植物中的轉(zhuǎn)移和積累的影響。通過分析土壤中水和酸的萃取態(tài)硅、鎘,以及植物中的鎘和硅的總量(表6)表明,土壤中水和酸的萃取態(tài)硅與其他參數(shù)具有最高的相關(guān)性(正面或負面的),酸萃取態(tài)硅具有低或很低的相關(guān)性,土壤的水萃取態(tài)硅表示植物的可利用的硅的比例。我們的研究還表明這些參數(shù)和水稻中鎘和硅的吸收以及積累有很高的相關(guān)性,但是這些過程較為復雜,需要進行更多的研究。

表6 萃取出的硅與其他已知參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論

結(jié)果表明,土壤-水稻系統(tǒng)中鎘轉(zhuǎn)移及積累過程因污染水平而異,富硅物質(zhì)能夠調(diào)節(jié)這些反應的方向和強度。在中度鎘污染的水平下,共質(zhì)體中可溶性鎘占主導,施用富硅物質(zhì)可以減少土壤中鎘的移動性和水稻根及幼苗中鎘的積累,在高度鎘污染水平下,自然機制阻斷了鎘穿透細胞膜激活質(zhì)外體的通道以及從質(zhì)外體傳送到共質(zhì)體、從根部傳送到芽的傳遞。施用硅的情況下,鎘主要積累在根部和根的質(zhì)外體中,而芽和根部共質(zhì)體中鎘的運輸及積累卻被降低,新鮮土壤的水萃取態(tài)單硅酸含量與土壤-水稻系統(tǒng)中鎘的移動、傳送、積累密切相關(guān)。

本研究可以得到幾種影響土壤-水稻系統(tǒng)中鎘行為的作用機理：首先,固態(tài)和液態(tài)硅的應用可以減少土壤中鎘的移動和潛在移動,單硅酸與鎘反應形成不溶性硅酸鹽；其次,土壤鎘可以被富硅物質(zhì)吸附,從而降低鎘的移動性；此外,硅素還可以增加水稻質(zhì)外體和共質(zhì)體中單硅酸的濃度,從而使大部分鎘積累在根部質(zhì)外體中,有效降低鎘在水稻組織中的遷移。

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