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        間作條件下超積累和非超積累植物對重金屬鎘的積累研究

        2019-07-01 03:54:32霍文敏范洪黎
        中國土壤與肥料 2019年3期
        關(guān)鍵詞:龍葵莧菜黑麥草

        霍文敏,鄒 茸,王 麗,范洪黎*

        [1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點開放實驗室,北京 100081;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100083]

        據(jù)報道,當前我國約有1/5的耕地存在重金屬污染,其中Cd污染耕地面積為1.33萬hm2。有關(guān)研究表明,8種土壤重金屬元素中Cd污染概率達25.2%,遠遠高于其他重金屬元素[1]。White等研究表明,Cd在植物組織中的濃度達到5~10 mg/kg就會對植物體造成毒害[2]。由于Cd化合物的溶解度高于其他金屬化合物,因此Cd在水-土壤-植物系統(tǒng)中具有很強的遷移能力[3],且能夠通過食物鏈在人體中積累[4],美國毒物管理會(ATSDR)將Cd列為人體健康的有毒物質(zhì)的第6位[5]。植物提取修復(fù)技術(shù)是利用超積累植物來修復(fù)污染土壤或水體的一種成本低、有效的土壤Cd修復(fù)技術(shù)[6-7],但由于超積累植物大多生長緩慢、生物量小、大范圍推廣難度大,因此急需篩選富集能力強、生物量大、適應(yīng)性好的重金屬Cd修復(fù)植物[8]。

        目前,國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)的Cd超積累植物有17種,且多數(shù)為草本植物[9]。魏樹和等通過室外盆栽模擬試驗及重金屬污染區(qū)試驗,首次發(fā)現(xiàn)并證實雜草龍葵(Solanum nigrum L.)是一種Cd超積累植物[10]。龍葵具有抗逆性強、生長迅速以及在環(huán)境適宜條件下能夠急劇提高等特點,同時,當Cd濃度為25 mg/kg時,龍葵莖、葉中Cd含量分別為103、124 mg/kg,地上部Cd富集系數(shù)為2.68[11]。黑麥草(Lolium perenne L.),多年生植物,具有根系發(fā)達、適應(yīng)性強、生長快、地上部分生物量大、可多次收割的特點[12-13],因而在用作重金屬修復(fù)植物資源方面具有非常大的潛力。楊卓等通過溫室盆栽試驗表明,種植黑麥草3個月后,地上部、根部Cd含量分別為5.57、114 mg/kg[14],監(jiān)測黑麥草體內(nèi)重金屬含量的變化發(fā)現(xiàn),地上部分對Cd具有超強的富集能力[15]。

        目前,國內(nèi)外Cd污染土壤的植物修復(fù)中,對于超積累植物的研究取得了一定的進展[16],但是對于間作條件下超積累及非超積累植物不同器官的生長及對Cd吸收轉(zhuǎn)運特性的研究還比較少[17]。本文以超積累植物龍葵和非超積累植物莧菜、黑麥草為研究對象,采用溫室盆栽試驗,研究玉米間作條件下對3種植物的生長,對Cd的吸收轉(zhuǎn)運機制以及對Cd污染土壤的修復(fù)效率,為今后篩選Cd污染土壤中最適宜間作的植物以及提高土壤的修復(fù)效率提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 供試土壤

        采自河南省北部某市,該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫14℃,全年日照時數(shù)約2 400 h,年平均降水量656 mm。從污染點的農(nóng)田進行采土作為供試土壤,該供試土壤質(zhì)地為棕壤砂土,采多點進行混合,土壤風(fēng)干、磨碎后分別過2、0.25 mm篩,土壤理化性質(zhì)及重金屬含量的測定結(jié)果見表1。

        表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

        1.2 供試作物

        供試玉米由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供,品種為鄭單958號。玉米種子經(jīng)10% H2O2溶液消毒20 min,然后用去離子水沖洗幾遍,在培養(yǎng)皿中用去離子水浸種催芽24 h,待種子發(fā)芽后播種至土壤中。供試超積累植物選用野生龍葵,采用種子育苗,龍葵種子先經(jīng)溫水浸泡12 h,然后用濕毛巾包起來置于25℃以上催芽,待幼苗長出兩片真葉后選擇大小相近,長勢一致的幼苗移栽,每盆定植幼苗4株。供試非超積累植物選用莧菜、黑麥草。

        1.3 試驗設(shè)計

        盆栽試驗于2017年6月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室中進行,采用白色PVC圓盆(直徑35 cm,高30 cm)[18-19],將供試Cd污染土裝盆,每盆裝10 kg土,將催芽后的玉米種子、龍葵幼苗、莧菜種子、黑麥草種子同時移入盆中,分別設(shè)置以下7種處理,重復(fù)3次。7種處理分別為玉米單作(CK)、莧菜單作、黑麥草單作、龍葵單作、玉米-莧菜間作、玉米-黑麥草間作、玉米-龍葵間作。每盆移栽玉米1株,間作植物龍葵、黑麥草、莧菜均為4株。其中,盆中央移栽1株玉米,距四周以10 cm,4株間作植物等間距分布。植株統(tǒng)一在20~30℃溫室條件下培養(yǎng),生長期間每1~2 d進行澆水,保持在田間持水量的70%左右。玉米、龍葵、莧菜、黑麥草4種植物生長期一致,為2017年6月15日至9月30日。

        1.4 樣品采集與指標測定

        收獲時,植物成熟期采集土壤樣品和植株樣品。每盆用小型不銹鋼土鉆隨機采取5點,組成1個混合土樣。土壤樣品自然風(fēng)干磨碎后分別過2、0.25 mm篩備用;植株樣品分根、莖、葉和籽粒4部分取樣,清水洗凈后再用去離子水沖洗,在105℃烘箱中殺青30 min,80℃烘干,同時測生物量,并將根、莖、葉和籽實分別磨碎,過0.25 mm篩備用。

        植物中Cd前處理:取過0.25 mm篩的植株樣品 0.25 g,采用 HNO3-HC1O4(4∶1)消解,定容至25 mL;土壤Cd全量前處理:取過0.25 mm篩的土壤樣品0.20 g,采用王水-H2O2消解,定容至50 mL待測;土壤有效態(tài)Cd前處理:稱取過2 mm篩孔的風(fēng)干盆栽土壤5.00 g放入100 mL錐形瓶中,加入DTPA提取劑25.0 mL,在往復(fù)振蕩器上振蕩提取2 h。振蕩頻率為(180±20)r/min,振蕩溫度為(25±2)℃。棄去最初2~3 mL濾液,濾液待測[14]。DTPA提取劑的制備:稱取1.97 g DTPA(二乙三胺五乙酸)溶于14.9 g(13.3 mL)TEA(三乙醇胺)和少量水中,再將1.11 g CaCl2溶于水中,一并轉(zhuǎn)入1 000 mL容量瓶中,加水至約950 mL,用6 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH值至7.30(每升提取液約需加6 mol/L HCl溶液8.50 mL),最后用水定容,貯存于塑料瓶中[20]。

        Cd含量均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定,電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS為美國Agilent 7700x。測定過程中質(zhì)控樣品為國家標準物質(zhì)GBW10020(GSB-11),Cd標準值為(0.17±0.02)mg/kg,測定值為0.18 mg/kg,質(zhì)控樣品測定結(jié)果在標準值范圍內(nèi)。

        1.5 富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)

        富集系數(shù)(BCF)=玉米地上部Cd含量/土壤中Cd元素含量

        轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)=玉米地上部Cd含量/地下部Cd元素含量

        1.6 統(tǒng)計分析

        所有數(shù)據(jù)的平均值、標準差采用Excel 2007軟件,數(shù)據(jù)的方差分析、相關(guān)性分析及聚類分析采用SPSS 19.0軟件。試驗數(shù)據(jù)用SPSS 19.0統(tǒng)計分析,多重比較用Duncan新復(fù)級差法。字母不同表示差異顯著(5%水平),字母相同者表示不顯著。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 間作條件下不同超積累植物與非超積累植物的生物量

        本試驗中選取的幾種富集植物的種類不同,各器官的生物量也存在差異,具體如表2所示。在整個試驗過程中,3種間作植物龍葵、黑麥草、莧菜生長良好,未出現(xiàn)任何中毒現(xiàn)象,因此,這3種植物都具有較強的耐Cd特性。地上部生物量最大的為龍葵,其次是莧菜,黑麥草的生物量最小。其中,土壤Cd濃度為1.59 mg/kg時,龍葵地上部生物量分別是莧菜、黑麥草的2.41、10.6倍;土壤Cd濃度為1.92 mg/kg時,龍葵地上部生物量分別是莧菜、黑麥草的2.42、9.06倍。方差分析顯示,3種富集植物地上部生物量的差異達到顯著水平(P<0.05)。

        表2 超積累植物、非超積累植物與玉米間作下的生物量

        2.2 間作條件下不同超積累植物與非超積累植物對Cd含量的影響

        由圖1可知,間作條件下超積累植物龍葵各器官中Cd含量表現(xiàn)為:葉>莖>籽粒>根,即地上部大于根部,表明超積累植物向地上部轉(zhuǎn)運能力強;而莧菜中Cd含量表現(xiàn)為:根>葉>莖,黑麥草中Cd含量表現(xiàn)為:根部>地上部,即非超積累植物Cd含量為根部大于地上部。土壤Cd污染程度越高,間作植物莧菜、黑麥草、龍葵對重金屬Cd的吸收積累作用越強。其中,黑麥草根部Cd含量最高,其次是莧菜,龍葵根部Cd含量最低;龍葵地上部Cd含量最高,其次是莧菜,黑麥草地上部Cd含量最低。Cd濃度為1.59 mg/kg時,龍葵莖、葉中Cd含量分別是莧菜的18.8、10.4倍;Cd濃度為1.92 mg/kg時,龍葵莖、葉Cd含量分別是莧菜的12.0、9.97倍,表明超積累植物龍葵地上部對Cd的吸收積累遠遠大于非超積累植物莧菜、黑麥草。

        圖1 間作下超積累植物與非超積累植物的Cd含量

        2.3 間作條件下超積累植物和非超積累植物對Cd累積量的影響

        不同超積累植物、非超積累植物間作下對Cd積累的影響如圖2所示,間作條件下超積累植物、非超積累植物根部Cd累積量的大小順序為:黑麥草>龍葵>莧菜,而地上部Cd累積量的大小順序為:龍葵>莧菜>黑麥草。Cd濃度為1.59、1.92 mg/kg時,龍葵地上部Cd累積量分別為273、367μg/株,遠大于超積累植物的臨界標準[21]。其中,Cd濃度為1.59 mg/kg時,龍葵地上部Cd累積量分別為莧菜、黑麥草的28.0、59.9倍;Cd濃度為1.92 mg/kg時,龍葵地上部Cd累積量分別為莧菜、黑麥草的30.8、43.5倍,且超積累植物龍葵與非超積累植物莧菜、黑麥草的地上部Cd累積量差異顯著(P<0.05)。因此,超積累植物龍葵對Cd的累積量遠大于非超積累植物莧菜、黑麥草。

        圖2 間作條件下超積累植物與非超積累植物Cd累積量的差異

        2.4 間作條件下不同超積累植物和非超積累植物對土壤Cd全量、有效態(tài)Cd含量的影響

        圖3 間作條件下超積累植物與非超積累植物對土壤Cd全量、有效態(tài)Cd含量的影響

        玉米間作條件下不同超積累、非超積累植物對土壤中Cd全量、有效態(tài)Cd含量的影響不同,其中,間作莧菜的土壤中Cd全量及有效態(tài)Cd含量最高,其次是黑麥草,間作龍葵的土壤中Cd全量及有效態(tài)Cd含量最低,表明龍葵間作模式對Cd污染的土壤修復(fù)作用最強。土壤中Cd含量為1.59 mg/kg時,龍葵間作后的土壤Cd全量顯著性下降,莧菜、黑麥草、龍葵與玉米間作下土壤Cd全量分別下降了3.46%、4.97%、19.8%;土壤中Cd含量為1.92 mg/kg時,莧菜、黑麥草、龍葵與玉米間作下土壤Cd全量分別下降了3.43%、5.79%、22.6%,其中龍葵間作模式下顯著性下降。土壤中Cd含量為1.59 mg/kg時,莧菜、黑麥草、龍葵間作后的土壤有效態(tài)Cd含量分別下降了24.1%、27.4%、37.1%;土壤中Cd含量為1.92 mg/kg時,莧菜、黑麥草、龍葵間作后的土壤有效態(tài)Cd含量分別下降了22.9%、28.1%、34.1%。

        2.5 間作條件下不同超積累植物和非超積累植物的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)

        由表3可以看出,土壤中Cd含量為1.59 mg/kg時,間作模式下超積累植物龍葵的富集系數(shù)是莧菜、黑麥草的28.2、59.3倍,轉(zhuǎn)運系數(shù)是莧菜、黑麥草的8.08、55.9倍,差異達到顯著水平。土壤中Cd含量為1.92 mg/kg時,龍葵的富集系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的29.4、41.4倍,轉(zhuǎn)運系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的7.98、53.6倍。間作條件下超積累植物龍葵的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)遠大于1,而非超積累植物莧菜、黑麥草的富集系數(shù)均小于1,表明非超積累植物莧菜、黑麥草對Cd的積累能力較低。綜上可知,超積累植物龍葵對土壤中Cd的吸收與轉(zhuǎn)運能力遠大于非超積累植物莧菜、黑麥草。

        表3 間作條件下超積累植物與非超積累植物對Cd的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)的差異

        3 討論

        在同一污染Cd濃度下,不同間作模式下植物地上部Cd累積量差異顯著,地上部Cd積累量的大小順序為:龍葵>莧菜>黑麥草,即Cd脅迫下,超積累植物龍葵對Cd的累積量遠遠大于非超積累植物莧菜、黑麥草。由表3可知,不同Cd污染濃度下,莧菜、黑麥草對Cd的富集系數(shù)均小于1,而龍葵對Cd的富集系數(shù)均大于16,這與熊國煥等研究結(jié)果相似[22]。富集系數(shù)能夠反映元素在土壤-植物這一系統(tǒng)中的吸收能力,表明間作模式下超積累植物龍葵對Cd的積累能力遠遠大于非超積累植物莧菜、黑麥草。有關(guān)研究表明,植物對重金屬Cd的吸收過程中,吸收速率(Vmax)起到關(guān)鍵的作用[23]。Cd超積累生態(tài)型N.caerulescens Granges對Cd的最大吸收速率約為Prayon生態(tài)型的5倍[24],A.halleri與S.alfredii兩種超積累植物也表現(xiàn)出相似的結(jié)果[25-26]。

        研究表明,超積累植物和非超積累植物地上部對Cd的吸收積累存在差異,龍葵地上部Cd累積量遠高于非超積累植物莧菜、黑麥草。Cd污染濃度分別為1.59、1.92 mg/kg時,龍葵地上部Cd累積量分別為273、367μg/株。該結(jié)果與黑亮等一致,黑亮等通過研究玉米與超積累植物東南景天套種,發(fā)現(xiàn)東南景天提取Zn的效率顯著提高[27]。間套種條件下,由于玉米一側(cè)根際土壤中pH值降低,水溶性有機物(DOC)提高,使得土壤中水溶性Cd濃度增加,從而促進更多的水溶性Cd向間作作物一側(cè)移動,由于超積累植物龍葵能夠吸收更多的重金屬Cd并富集在體內(nèi)[28],因此超積累植物Cd累積量顯著高于非超積累植物。這一現(xiàn)象其原因與超積累植物特殊的解毒機制有關(guān)[29],超積累植物對重金屬的解毒過程主要有2個途徑:一是合成一些小分子化合物與重金屬形成絡(luò)合物,降低其毒性;二是將重金屬區(qū)隔于活性較低的部位,如液泡、細胞壁等[30-31]。而對于非超積累植物,其根系吸收Cd2+后,一部分在根系細胞壁和液泡中積累,另一部分通過根細胞的跨膜運輸進入木質(zhì)部,再通過莖運輸至葉片中[32]。

        研究表明,不同Cd污染濃度處理下,龍葵各器官Cd含量分布表現(xiàn)為根>莖>籽粒>葉,即地上部>根部,這一研究結(jié)果與魏樹和等一致[10]。莧菜、黑麥草Cd含量分布為根部>地上部,即非超積累植物Cd主要積累在地下部。由表3可知,不同Cd污染濃度下,黑麥草對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1,而龍葵對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于27。因此,超積累植物龍葵對Cd的轉(zhuǎn)運能力顯著高于非超積累植物莧菜、黑麥草。對于這一結(jié)果,是由于超積累植物龍葵的根系向地上部轉(zhuǎn)運重金屬Cd的能力強,而超積累植物根系向地上部高效的重金屬轉(zhuǎn)運過程主要由兩方面的過程控制:一是超積累植物根細胞對重金屬的截留作用小,二是超積累植物具有高效的木質(zhì)部裝載過程[33]。超積累植物能夠盡可能減少重金屬在根系細胞液泡的積累,并且能夠?qū)⒁号堇锩娲鎯Φ闹亟饘僮羁焖俣鹊剞D(zhuǎn)運到細胞質(zhì)進而使其能夠往地上部轉(zhuǎn)運[34]。Cd非超積累植物相對于超積累植物來說,根系向地上部的轉(zhuǎn)運效率低很多,可能與其根細胞液泡對Cd的截留作用強有關(guān)[35]。

        4 結(jié)論

        玉米間作模式下,從超積累植物和非超積累植物的生物量來看,地上部分生物量的表現(xiàn)為:龍葵>莧菜>黑麥草,黑麥草的生物量最小。其中,土壤Cd濃度為1.59 mg/kg時,龍葵地上部生物量分別是莧菜、黑麥草的2.41、10.6倍;土壤Cd濃度為1.92 mg/kg時,龍葵地上部生物量分別是莧菜、黑麥草的2.42、9.06倍。玉米間作模式下,超積累植物龍葵各器官中Cd含量表現(xiàn)為:葉>莖>籽粒>根,即地上部大于根部;而莧菜中Cd含量表現(xiàn)為:根>莖>葉,黑麥草中Cd含量表現(xiàn)為:根部>地上部,即非超積累植物Cd含量為根部大于地上部。土壤中Cd含量為1.59 mg/kg時,龍葵地上部Cd累積量分別為莧菜、黑麥草的28.0、59.9倍;龍葵的富集系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的28.2、59.3倍,轉(zhuǎn)運系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的8.08、55.9倍,差異達到顯著水平;莧菜、黑麥草、龍葵間作后的土壤Cd全量顯著性下降,分別下降了3.46%、4.97%、19.8%。土壤中Cd含量為1.92 mg/kg時,龍葵地上部Cd累積量分別為莧菜、黑麥草的30.8、43.5倍,且超積累植物龍葵與非超積累植物莧菜、黑麥草的地上部Cd累積量差異顯著;龍葵的富集系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的29.4、41.4倍,轉(zhuǎn)運系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的7.98、53.6倍;莧菜、黑麥草、龍葵間作后的土壤Cd全量分別下降了3.43%、5.79%、22.6%,其中龍葵間作模式土壤Cd全量呈顯著性下降。綜上可知,超積累植物龍葵對土壤中Cd的吸收與轉(zhuǎn)運能力遠遠大于非超積累植物莧菜、黑麥草,是玉米間作模式中最理想的植物修復(fù)材料。

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