不同品種牧草對高Cu、高Zn蚓糞中重金屬的吸收和積累特性

郭 丹，朱維琴，馮 萍，賈秀英

(杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州 310036)

不同品種牧草對高Cu、高Zn蚓糞中重金屬的吸收和積累特性

郭 丹，朱維琴，馮 萍，賈秀英*

(杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州 310036)

采用盆栽試驗方法，研究了8種牧草對蚓糞中Cu、Zn吸收和積累特性.結果表明：在蚓糞中，墨西哥玉米、一年生黑麥草、多年生黑麥草、葦狀羊茅的莖葉和根系生長均受到明顯促進作用，而高丹草和歐洲菊苣則受抑明顯, 其中墨西哥玉米的生物量最大.8種牧草對蚓糞中Cu、Zn均具有一定吸收能力，其中，多年生黑麥草、冬牧70黑麥和一年生黑麥草的吸收能力較強，而歐洲菊苣的吸收能力相對較弱.不同牧草的莖葉及根系Cu、Zn積累量具有差異性，墨西哥玉米、冬牧70黑麥、高丹草和一年生黑麥草的積累量相對較高，而歐洲菊苣和紫花苜蓿甚低，且莖葉中Cu、Zn積累量均以墨西哥玉米最大.可見，墨西哥玉米可以在蚓糞中較好生長，并對Cu、Zn具有一定的吸收和積累能力，有望用于Cu、Zn污染蚓糞的植物修復.

蚓糞；牧草；Cu；Zn

0 引 言

近年來，集約化養(yǎng)殖中銅、鋅、鐵、砷等微量元素常用于調節(jié)動物代謝而添加于飼料中，畜禽對這些重金屬的消化吸收利用率低，75%-99%的重金屬未被利用而隨畜禽糞便排出體外[1-2]，使得畜禽糞中重金屬含量提高.據(jù)Cang調查研究發(fā)現(xiàn)，豬糞中Cu，Zn含量高達1 726.3 mg·kg-1和1 505.6 mg·kg-1[3].利用蚯蚓處理豬糞，能夠形成一種極強生物活性、高肥效的有機肥，但當蚯蚓體內重金屬濃度超過其耐受極限時就會隨蚓糞一起排出體外，導致蚓糞中重金屬含量增加[4-5].蚓糞作為優(yōu)質有機肥可以應用于土壤改良、植物生產(chǎn)等領域[6-7].富含重金屬的蚓糞長期農(nóng)用，會造成土壤的重金屬大量積累，影響植物生長，更為嚴重的是可通過土壤-植物途徑進入食物鏈并逐級放大，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生污染和危害[8].因此，蚓糞農(nóng)用過程中重金屬污染亟待治理.

植物修復技術具有綠色、環(huán)境友好和治理成本低廉等優(yōu)點而被廣泛應用于重金屬污染土壤的治理[9].該技術的關鍵在于篩選出對重金屬富集能力強的植物，但目前發(fā)現(xiàn)超富集的植物存在生物量小、生長慢等缺點，因此尋找適應性強、生長快速、生物量大、抵抗力強、重金屬積累量大的常規(guī)植物成為重金屬污染治理的研究熱點[10].目前，牧草作為重金屬修復植物越來越受到人們的青睞，紫花苜蓿[11]、香根草[12]、多年生黑麥草[13]、高丹草[14]等牧草被用于重金屬污染土壤的植物修復，但利用牧草對Cu、Zn污染蚓糞的重金屬吸收情況研究報道尚不多見.該文比較研究了墨西哥玉米、高丹草等牧草在高Cu、高Zn污染蚓糞中的生長狀況，及牧草對污染蚓糞中Cu、Zn的吸收和積累特性，為牧草應用于修復Cu、Zn專性污染進行試探性研究.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 供試土壤及蚓糞

供試土壤采自杭州下沙某農(nóng)場耕層土壤(0～20 cm)；蚓糞采自杭州市某養(yǎng)豬場，將經(jīng)發(fā)酵處理后的豬糞作為食物喂給蚯蚓，經(jīng)過蚯蚓的消化、代謝以及蚯蚓消化道的擠壓作用，豬糞被轉化為物理、化學、生物學特性都很好的蚓糞.將土壤及蚓糞放在陰涼處風干、碾碎，過2 mm篩后用于試驗，其基本理化性質見表1.

表1 供試土壤和蚓糞的基本理化性質Tab. 1 Basic physical and chemical properties of selected soil and vermicompost

1.1.2 供試牧草

供試牧草品種分別為：墨西哥玉米(EuchlaenaMexicanaSchrad，禾本科)、冬牧70黑麥(SecaleCereale.L.C.V.Wiatergrezer-70，禾本科)、高丹草(SorghumSudanenseStapf，禾本科)、一年生黑麥草(LoliummultifLorumLam，禾本科)、多年生黑麥草(LoliumPerenne，禾本科)、葦狀羊茅(FestucaarundinaceaSchreb，禾本科)、歐洲菊苣(CichoriumintybusL，菊科)、紫花苜蓿(Medicagosativa，豆科)，均購于北京鑫農(nóng)豐農(nóng)業(yè)技術研究所.

1.2 盆栽試驗

盆栽試驗設置對照組和處理組，其中對照組基質為土壤，按照盆栽植物對養(yǎng)分的需求比例，分別加入尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀20、4和4 g·kg-1作為底肥，并充分混勻[15]；處理組為蚓糞，不添加氮磷鉀肥.將處理好的基質裝入18×22 cm塑料盆，每盆800 g，用去離子水調節(jié)使培養(yǎng)基質為田間持水量的70%，常溫下平衡2周后于盆中播入牧草種子，每盆20-50粒，每種牧草對照組和處理組各3個重復.種子發(fā)芽出苗后，根據(jù)牧草栽培要點及品種特性每盆保留15-30株牧草不等.植物生長期間定期澆灌，并觀察記錄其生長狀況.植物生長40 d后收獲整株植物，用去離子水清洗、晾干.將植物分成莖葉部和根系兩部分，105 ℃下殺青30 mim，再在70 ℃下烘干至恒重，測量干重，并粉碎過篩，供分析測定用.

1.3 樣品分析

將烘干植物樣品在研缽中研碎，經(jīng)HNO3-HClO4法消煮，用S系列原子吸收分光光度計測定不同部位Cu、Zn的含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 數(shù)據(jù)計算方法

重金屬積累量=植物各部分生物量×植物體(根、莖、葉)內重金屬含量；

1.4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用DPSS9.0中單因素方差分析法，用Ducan法進行多重比較.

2 結果與分析

2.1 牧草生長狀況變化

植物生物量是反映植物生長狀況的有效指標[16].一方面，由于蚓糞中富含可溶性N、P、K和促進植物生長發(fā)育的植物激素，所以植物在蚓糞中生長可能受到促進作用[17]；另一方面，不同植物根系對重金屬Cu、Zn的耐受差異機制不同[18]及蚓糞中富含的可溶性鹽、Cu2+、Zn2+等可能對植物產(chǎn)生毒害作用，所以植物在蚓糞中的生長可能會受到抑制作用.表2給出了盆栽條件下8種牧草在土壤對照組和蚓糞處理組下莖葉及根系生物量的變化情況.在土壤對照組下，高丹草和墨西哥玉米莖葉干物重分別高達180.68 mg·plant-1和114.41 mg·plant-1，顯著高于其它牧草品種；其次是冬牧70黑麥和歐洲菊苣，兩者生物量均約為43 mg·plant-1；而一年生墨麥草、多年生黑麥草、葦狀羊茅和紫花苜蓿的生物量均相對較小，均在20 mg·plant-1以下.在蚓糞處理組下，墨西哥玉米和高丹草莖葉干物重分別為249.77mg·plant-1和167.09 mg·plant-1，亦顯著高于其它牧草品種；其次是冬牧70黑麥，其莖葉干物重約為54.17mg·plant-1，而歐洲菊苣、一年生黑麥草、多年生黑麥草、葦狀羊茅和紫花苜蓿莖葉干物重均在30 mg·plant-1以下.與土壤對照組相比，蚓糞處理下墨西哥玉米、一年生黑麥草、多年生黑麥草、冬牧70黑麥和葦狀羊茅等5種牧草莖葉長勢更優(yōu)，其莖葉干物重分別增加了118.3%、48.0%、30.8%、23.5%、19.8%；而蚓糞中高丹草、紫花苜蓿和歐洲菊苣莖葉生長呈受抑現(xiàn)象，其莖葉干物重分別下降了7.5%、8.1%和35.2%.另由表2可見，各品種牧草根系干物重差異顯著.在土壤對照組和蚓糞處理組下，均以高丹草、墨西哥玉米、冬牧70黑麥和一年生黑麥草的根系干物重相對較高，而其它牧草根系干物重均低于5 mg·plant-1；與土壤對照組相比，蚓糞中墨西哥玉米、一年生黑麥草、多年生黑麥草、葦狀羊茅和紫花苜蓿根系干物重呈上升趨勢，其中，墨西哥玉米和一年生黑麥草根系干物重上升幅度相對較大，其根系干物重增加幅度分別為27.8%和126.6%；而蚓糞中高丹草、冬牧70黑麥、歐洲菊苣根系生長則呈一定的受抑現(xiàn)象，且以歐洲菊苣根系干物重下降幅度最大，約為26.1%.

表2 蚓糞對牧草生物量的影響Tab. 2 Effect of vermicompost on biomass of forages

*列中不同小寫字母表示p<0.05，不同大寫字母表示p<0.01.下同.

可見, 不同品種牧草在蚓糞中莖葉和根系生長差異顯著.其中，蚓糞處理中冬牧70黑麥的根系生長和紫花苜蓿莖葉生長則分別受到不同程度的抑制效應；高丹草和歐洲菊苣的莖葉及根系生長均受明顯抑制作用，且歐洲菊苣莖葉及根系生長所受的抑制效應最為明顯；而墨西哥玉米、一年生黑麥草、多年生黑麥草及葦狀羊茅在蚓糞中長勢較好，其莖葉及根系的生長均受到明顯促進作用，且以墨西哥玉米和一年生黑麥草莖葉及根系生長所受的促進效應最大.

2.2 牧草中 Cu、Zn含量變化

2.2.1 牧草中Cu含量及變化

從表3可見，在土壤對照組下，各牧草莖葉中Cu含量大小順序為：一年生黑麥草>紫花苜蓿>歐洲菊苣>冬牧70黑麥>高丹草>墨西哥玉米>多年生黑麥草>葦狀羊茅.在蚓糞處理組下，各牧草莖葉中Cu含量大小順序為：多年生黑麥草>冬牧70黑麥>一年生黑麥草>紫花苜蓿>葦狀羊茅>墨西哥玉米>歐洲菊苣>高丹草.與土壤對照組相比，蚓糞處理組中各牧草莖葉Cu含量均呈上升趨勢，且以多年生黑麥草莖葉Cu含量增加更為明顯，其莖葉Cu含量增加了2.80倍，而高丹草和歐洲菊苣莖葉Cu含量增加幅度較小，僅增加0.13倍和0.39倍.對各牧草根系Cu含量而言，土壤對照組下，各牧草根系中Cu含量大小順序為：一年生黑麥草>多年生黑麥草>歐洲菊苣>墨西哥玉米>紫花苜蓿>高丹草>葦狀羊茅>冬牧70黑麥.蚓糞處理組中各牧草根系中Cu含量大小順序則為：多年生黑麥草>一年生黑麥草>高丹草>冬牧70黑麥>葦狀羊茅>墨西哥玉米>紫花苜蓿>歐洲菊苣，且與土壤對照組相比，蚓糞處理中各牧草根系Cu含量均呈明顯上升趨勢，其中冬牧70黑麥、葦狀羊茅、高丹草和多年生黑麥草的根系Cu含量分別增加了102.34、41.08、38.83和29.40倍，而歐洲菊苣和紫花苜蓿根系Cu含量僅分別增加4.05倍和4.13倍，與其它處理間差異顯著.由此可見，不同品種牧草對蚓糞中Cu均具有一定的吸收能力，且牧草根系中Cu含量大于莖葉中Cu含量，其中多年生黑麥草、冬牧70黑麥和一年生黑麥草對蚓糞Cu具有相對較強的吸收能力，而歐洲菊苣對蚓糞中Cu吸收能力相對較差.

表3 蚓糞對牧草莖葉和根系Cu含量的影響Tab. 3 Effects of vermicompost on contents of Cu in shoots and roots of the forages

2.2.2 牧草中Zn含量及變化

表4 蚓糞對牧草莖葉和根系Zn含量的影響Tab. 4 Effects of vermicompost on contents of Zn in shoots and roots of the forages

從表4可見，在土壤對照組下，牧草莖葉中Zn含量的大小順序為：冬牧70黑麥>一年生黑麥草>高丹草>紫花苜蓿>多年生黑麥草>墨西哥玉米>歐洲菊苣>葦狀羊茅，而在蚓糞處理組下，各牧草莖葉中Zn含量的大小順序為：冬牧70黑麥>多年生黑麥草>一年生黑麥草>葦狀羊茅>紫花苜蓿>墨西哥玉米>高丹草>歐洲菊苣.與土壤對照組相比，蚓糞處理組中各牧草莖葉Zn含量均呈上升趨勢，且以葦狀羊茅莖葉Zn含量增加更為明顯，其莖葉Zn含量增加了9.69倍，而高丹草和紫花苜蓿莖葉Zn含量增加幅度較小，僅增加2.50、3.05倍.對各牧草根系中Zn含量而言，土壤對照組下，各牧草根系中Zn含量大小順序為：一年生黑麥草>墨西哥玉米>多年生黑麥草>歐洲菊苣>紫花苜蓿>冬牧70黑麥>葦狀羊茅>高丹草，而在蚓糞處理組中各牧草根系中Zn含量大小順序為：高丹草>冬牧70黑麥>多年生黑麥草>一年生黑麥草>葦狀羊茅>墨西哥玉米>歐洲菊苣>紫花苜蓿，與土壤對照相比，蚓糞處理組下各牧草根系Zn含量均呈上升趨勢，其中高丹草、冬牧70黑麥、葦狀羊茅和多年生黑麥草的根系Zn含量分別增加了23.35、15.95、12.87和10.79倍，而墨西哥玉米、一年生黑麥草、歐洲菊苣和紫花苜蓿則分別增加了8.03、7.90、7.05、7.77倍.由此可見，不同牧草品種對蚓糞中Zn均具有較強的吸收能力，且冬牧70黑麥、多年生黑麥草和一年生黑麥草對蚓糞中Zn具有相對較強的吸收能力，而歐洲菊苣對蚓糞中Zn吸收能力相對較差.

2.3 牧草中Cu、Zn積累量變化

2.3.1 牧草中Cu積累量及變化

表5 蚓糞對牧草莖葉和根系Cu積累量的影響Tab. 5 Effects of vermicompost on copper accumulation in shoots and roots of the forages

植物修復的效率取決于植物重金屬含量及植物生物量[19-20]，由于各牧草生物量及體內重金屬含量的差異，牧草對Cu的積累量亦呈明顯差異性.表5為8種牧草在土壤對照組和蚓糞處理組下生長40 d后對Cu的積累量，從表5可知，在土壤對照組下，8種牧草莖葉Cu積累量大小順序為：高丹草>墨西哥玉米>冬牧70黑麥>歐洲菊苣>一年生黑麥草>紫花苜蓿>多年生黑麥草>葦狀羊茅，其中高丹草、墨西哥玉米、冬牧70黑麥莖葉Cu的積累量相對較高，分別為35.17、19.70、11.65 μg·pot-1.而在蚓糞處理組下，各牧草莖葉中Cu積累量大小順序為：墨西哥玉米>冬牧70黑麥>高丹草>一年生黑麥草>多年生黑麥草>葦狀羊茅>歐洲菊苣>紫花苜蓿，與土壤對照組相比，除歐洲菊苣莖葉Cu積累量呈降低趨勢外，其他牧草莖葉Cu積累量均呈明顯上升趨勢，其中墨西哥玉米、冬牧70黑麥、高丹草和一年生黑麥草莖葉Cu的積累量相對較高，分別為109.29、39.51、36.93、26.58 μg·pot-1，與土壤對照組相比分別增加了454.8%、239.1%、4.9%、250.7%.另由表5可見，在土壤對照組下，墨西哥玉米、高丹草和一年生黑麥草根系Cu積累量相對較高，其中墨西哥玉米根系Cu積累量最大，為28.68 μg·pot-1，顯著高于其它牧草；且與土壤對照組相比，蚓糞處理組下各牧草根系Cu積累量均呈增加趨勢，其中高丹草Cu積累量達到最大值，為990.17 μg·pot-1，顯著大于其他牧草根系Cu積累量，一年生黑麥草、墨西哥玉米和冬牧70黑麥根系Cu積累量相對較高，分別為831.34、521.02、459.94 μg·pot-1，與土壤對照組相比分別增加了5 994.9%、1 716.7%、10 189.5%.由此可見，不同牧草品種對蚓糞中Cu均具有一定的積累能力，且墨西哥玉米、冬牧70黑麥、高丹草和一年生黑麥草對蚓糞Cu積累效應相對較強，且墨西哥玉米莖葉和高丹草根系中Cu積累量最大，而歐洲菊苣和紫花苜蓿對蚓糞中Cu積累效應相對較差.

2.3.2 牧草植株莖葉及根系中Zn的積累量

表6 蚓糞對牧草莖葉和根系Zn積累量的影響Tab. 6 Effects of vermicompost on zinc accumulation in shoots and roots of the forages

表6為8種牧草在土壤對照組和蚓糞處理組下生長40 d后對Zn的積累量，從表6可知，在土壤對照組下，牧草莖葉中Zn積累量大小順序為高丹草>冬牧70黑麥>墨西哥玉米>一年生黑麥草>歐洲菊苣>紫花苜蓿>多年生黑麥草>葦狀羊茅，其中高丹草、冬牧70黑麥、墨西哥玉米、一年生黑麥草莖葉Zn的積累量分別是258.57、98.08、91.05、48.98 μg·pot-1.而在蚓糞處理組下，牧草莖葉中Zn積累量均高于土壤對照組，且各牧草Zn積累量大小順序為墨西哥玉米>冬牧70黑麥>高丹草>一年生黑麥草>多年生黑麥草>葦狀羊茅>歐洲菊苣>紫花苜蓿，其中墨西哥玉米、冬牧70黑麥、高丹草和一年生黑麥草莖葉Zn積累量分別為1 415.32、962.35、837.45和372.96 μg·pot-1，與土壤對照組相比分別增加了1 454.4%、881.2%、223.9%和661.45%.另由表6可見，在土壤對照組下，墨西哥玉米、高丹草、冬牧70黑麥和一年生黑麥草根系中Zn積累量相對較高，其中墨西哥玉米根系Zn積累量為56.03 μg·pot-1，顯著高于其它牧草；且與土壤對照組相比，蚓糞處理組下各牧草根系Zn積累量均增加，其中高丹草根系Zn積累量達1 020.86 μg·pot-1，顯著大于其他牧草根系Zn積累量；墨西哥玉米、一年生黑麥草和冬牧70黑麥根系Zn積累量相對較高，分別為646.70、530.09、484.98 μg·pot-1，與土壤對照組相比分別增加了1 054.2%、1 587.5%和1 917.1%.由此可見，不同牧草品種對蚓糞中Zn均具有較強的積累能力，且墨西哥玉米、冬牧70黑麥、高丹草和一年生黑麥草對蚓糞Zn積累效應相對較強，其中墨西哥玉米莖葉和高丹草根系中Zn積累量最大，而歐洲菊苣和紫花苜蓿對蚓糞中Zn積累效應相對較差.

3 結 論

1) 在蚓糞中，高丹草和歐洲菊苣在蚓糞中的莖葉和根系生長均受到明顯抑制作用，而墨西哥玉米、一年生黑麥草、多年生黑麥草、葦狀羊茅的莖葉和根系生長均受到明顯促進作用，且蚓糞處理下墨西哥玉米中的生物量最大.

2) 各牧草品種對蚓糞中Cu、Zn均具有一定的吸收能力，其中，冬牧70黑麥、多年生黑麥草和一年生黑麥草對蚓糞中Cu、Zn具有相對較強的吸收能力，而歐洲菊苣對蚓糞中Cu、Zn吸收能力相對較差.

3) 各牧草品種對蚓糞中Cu、Zn均具有一定的積累效應，墨西哥玉米、冬牧70黑麥、高丹草和一年生黑麥草對蚓糞Cu、Zn積累效應相對較強，且均以墨西哥玉米莖葉Cu、Zn積累量和高丹草根系Cu、Zn積累量顯著高于其它牧草品種，而歐洲菊苣和紫花苜蓿對蚓糞中Cu、Zn積累效應相對較差.

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AbsorptionandAccumulationofHeavyMetalsbyDifferentForagefromVermicompostEnrichedwithHighCuandZn

GUO Dan, ZHU Wei-qin, FENG Ping, JIA Xiu-ying

(College of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Using pot testing method, the experiment studied on the absorption and accumulation of Cu and Zn eight kinds of forages from vermicompost. The results indicat that the growth of the shoots and roots ofEuchlaenaMexicanaSchrad,LoliummultifLorumLam,LoliumPerenneandFestucaarundinaceaSchrebis significantly promoted, while that ofSorghumSudanenseStapfandCichoriumintybusLis significantly inhibited, and the biomass ofEuchlaenaMexicanaSchrad’s is the highest. Eight kinds of forages all have the capacity of absorbing Cu and Zn from the vermicompost, and the absorption capacities ofLoliumPerenne,SecaleCereale.L.C.V.Wiatergrezer-70 andLoliummultifLorumLamis comparatively stronger, while that ofCichoriumintybusL’s is poor. The Cu and Zn accumulation is variant in different shoots and roots of forages, it is relatively lower inCichoriumintybusLandMedicagosativa, while it is relatively higher inEuchlaenaMexicanaSchrad,SecaleCereale.L.C.V.Wiatergrezer-70,SorghumSudanenseStapfandLoliummultifLorumLam, and the shoots ofEuchlaenaMexicanaSchradhas the largest accumulation of Cu and Zn. It is considered thatEuchlaenaMexicanaSchradcan grow well in the vermicompost and has certain capability of absorbing and accumulating Cu and Zn, which can be used for phytoremediation of vermicompost contaminated with Cu and Zn.

vermicompost; forage; Cu; Zn

10.3969/j.issn.1674-232X.2011.02.012

2010-11-20

浙江省科技廳計劃項目(2007C23041)；浙江省自然科學基金項目(Y306160).

郭 丹(1986—)，女，湖南醩陵人，生態(tài)學專業(yè)碩士研究生，主要從事環(huán)境生態(tài)修復研究.

*通訊作者：賈秀英(1966—)，女，浙江義烏人，教授，主要從事環(huán)境毒理學研究.E-mail: xy_jia@163. com

X53

A

1674-232X(2011)02-0146-07