苧麻對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)及其對(duì)其它重金屬吸收能力的研究

曹曉玲，黃道友，朱奇宏，劉守龍，朱光旭

(1.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南長沙410125;2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410125)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的穩(wěn)步推進(jìn)，我國土壤重金屬污染問題，尤其是土壤鎘(Cd)污染問題將日益突出，已引起了社會(huì)各界廣泛的關(guān)注。據(jù)國家環(huán)保部的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，我國目前約有1/5的耕地面積已受到了不同程度的重金屬污染，其中被Cd污染的耕地面積約28萬hm2［1］。運(yùn)用傳統(tǒng)的原位鈍化修復(fù)技術(shù)來改良利用被重金屬污染的耕地，不僅存在著修復(fù)不徹底、成本過高等問題，而且還存在著較大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，難以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要［2］。植物修復(fù)技術(shù)具有修復(fù)徹底、成本低廉等的特點(diǎn)，是一種環(huán)境友好的原位修復(fù)技術(shù)，已受到國內(nèi)外研究者的普遍重視。目前，國內(nèi)外通常采用的植物修復(fù)技術(shù)主要有兩類:一類是采用超富集植物來修復(fù)被重金屬污染的土壤，如遏藍(lán)菜 (Thlaspi caerulescens)等，但超富集植物大多生物量低、抗病蟲害能力弱，且用于耕地修復(fù)將改變其農(nóng)用地的性質(zhì);另一類是采用生物量大而不具備超富集重金屬元素的植物來修復(fù)利用被污染的土壤，如苧麻、煙草和玉米等 ［3～5］。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)的前期研究結(jié)果表明，苧麻對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐受和吸收能力，是一種具備修復(fù)重金屬污染土壤潛力較大的目標(biāo)植物［3］。本研究擬在團(tuán)隊(duì)前期工作的基礎(chǔ)上，通過田間微區(qū)模擬試驗(yàn)，重點(diǎn)研究Cd脅迫條件下對(duì)中苧1號(hào)、湘苧2號(hào)和湘苧3號(hào)等苧麻品種生長的影響，以及吸收/累積Cd對(duì)鉛 (Pb)、銅 (Cu)、鋅 (Zn)、鎳 (Ni)等其它重金屬元素吸收能力的影響，以期進(jìn)一步探討苧麻耐受Cd的能力，并闡明苧麻不同品種修復(fù)利用重金屬污染土壤的潛力。

1 材料與方法

1.1 材料

供試苧麻品種為中苧1號(hào) (Z1)、湘苧2號(hào) (X2)和湘苧3號(hào) (X3)，分別由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所 (Z1)和湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所 (X2、X3)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

微區(qū)為磚砌水泥粉面結(jié)構(gòu)，內(nèi)空為1.2m×1.2m×1.2m。供試土壤是由第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育的紅壤性水稻土，取自湖南株洲市郊的某重金屬污染區(qū)，模擬田間狀態(tài)分層填充于微區(qū)池內(nèi)。其基本理化性狀見表1。

試驗(yàn)始于2011年3月下旬。以CdCl2溶液的形式均勻向表層土壤 (0－20cm)添加外源Cd，設(shè)置0(CK)、5(T1)、10(T2)、20(T3)、35(T4)、65(T5)、100(T6)mg·kg－1共7個(gè)濃度梯度的Cd添加量。陳化5d后將表層土壤翻耕均勻，使微區(qū)內(nèi)的表層土壤Cd含量分布一致;再陳化15d后移栽上年扦插繁育的3個(gè)品種的麻苗，每區(qū)6穴、每穴兩株。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，按常規(guī)田間管理方法進(jìn)行中耕、施肥和病蟲害防治等工作。

表1 供試土壤基本理化性狀Tab.1 Basic chemical properties of the tested soil

1.3 樣品采集與分析

于當(dāng)年11月中旬進(jìn)行破桿后的第一次苧麻收獲，測(cè)算每個(gè)微區(qū)苧麻的有效株、地上部全量干重、原麻產(chǎn)量，同時(shí)采集各微區(qū)土壤。

采集的植物樣品洗凈塵沙，經(jīng)殺青 (105℃，30 min)、70℃烘至恒重、不銹鋼粉碎機(jī)粉碎后，用HNO3－HClO4濕法消化;土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，過0.15 mm(100目)尼龍篩，用HCl－ HNO3－HClO4濕法消化。

植物和土壤消化液的重金屬 (Cd、Pb、Cu、Zn、Ni)含量采用AAS(GBC，Australia)測(cè)定;土壤pH、速效磷、速效鉀采用常規(guī)分析法［6］，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮采用碳氮分析儀 (Vario MAX C/N，德國)直接測(cè)定。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析采用Excel 2000以及SPSS 16.0軟件進(jìn)行，處理間差異采用ANOVA－LSD法檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎘對(duì)苧麻生長與產(chǎn)量的影響

表2 鎘對(duì)苧麻生長狀況和原麻產(chǎn)量的影響Tab.2 Effect of Cd on the growth and raw fibre yield of ramie

試驗(yàn)結(jié)果表明 (表2)，在Cd添加量為0～100 mg·kg－1的范圍內(nèi)，3個(gè)品種的苧麻均能完成正常的生長周期，其有效株、生物量 (即全量干重)和原麻產(chǎn)量均呈現(xiàn)出隨土壤Cd添加量增加而降低的趨勢(shì)。與對(duì)照相比，其降低的幅度范圍依次為8.7% ～45.9%、3.7% ～43.2%和1.2%～41.7%，其中:T1和T2處理與對(duì)照間的差異未達(dá)到顯著水平 (p＞0.05)，但隨著Cd添加量的繼續(xù)增大 (≥20mg·kg－2)，苧麻的上述3項(xiàng)農(nóng)藝指標(biāo)均顯著低于對(duì)照處理 (p＜0.05)，這表明3個(gè)苧麻品種對(duì)Cd均具有較強(qiáng)的耐受性，但在高Cd濃度脅迫條件下其生長受到一定的抑制，這與前人的研究結(jié)果基本一致［7，8］。對(duì)于本研究而言，Cd添加量為10 mg·kg－1(土壤的實(shí)際Cd含量為11.72 mg·kg－1)是苧麻耐受Cd的閾值，超過該閾值苧麻生長將受到較顯著的影響，這與王欣等［9］的研究結(jié)果有所不同，其原因可能是判斷標(biāo)準(zhǔn)的不同。本研究的判斷標(biāo)準(zhǔn)為苧麻的生物學(xué)指標(biāo)，而王欣等的標(biāo)準(zhǔn)為苧麻的生理學(xué)指標(biāo)。當(dāng)一定的Cd濃度對(duì)其生物學(xué)指標(biāo)有顯著影響時(shí)，可能并未使苧麻生理學(xué)指標(biāo)發(fā)生顯著變化，這也從側(cè)面反映了苧麻可以通過自我調(diào)節(jié)來減輕Cd對(duì)自身的毒害。

表2的結(jié)果還表明，Cd添加量對(duì)不同苧麻品種的生長抑制效果并不一致，說明苧麻品種間的耐Cd能力具有一定的差異性，其中:湘苧3號(hào)的有效株為15.7～29.0株/m2，其生物量為0.67～1.01 kg·m–2、原麻產(chǎn)量為55.4～76.8 g·m–2，顯著高于中苧1號(hào)和湘苧2號(hào)兩個(gè)品種 (但T5處理除外，其有效株小于中苧1號(hào))，但中苧1號(hào)與湘苧2號(hào)之間無顯著差異 (p＞0.05)。與中苧1號(hào)和湘苧2號(hào)相比湘苧3號(hào)在土壤Cd脅迫的條件下具有較好的適應(yīng)性以及較強(qiáng)的耐受Cd的能力。

2.2 苧麻地上部對(duì)鎘的吸收與累積特征

苧麻不僅具有較強(qiáng)的耐受Cd的能力 (表2)，而且還對(duì)Cd具有較強(qiáng)的吸收與積累能力 (表3)。不同Cd濃度脅迫處理下，3個(gè)苧麻品種的地上部分Cd含量的范圍分別是8.3～56.5 mg·kg－1(Z1)、9.7 ～ 60.1 mg·kg–1(X2)與11.2 ～ 61.5 mg·kg－1(X3)，其Cd的累積量分別是6.6 ～ 34.0 mg·m－2、8.5 ～ 28.9 mg·m－2、11.3 ～ 49.6 mg·m－2(表3)。

表3 苧麻地上部對(duì)鎘的吸收與累積特征Tab.3 Absorption and accumulation of Cd in the aboveground parts of ramie

研究結(jié)果表明，Cd添加量對(duì)3個(gè)苧麻品種地上部分的Cd含量及Cd的累積量均具有極顯著的影響 (p＜0.01):隨著土壤Cd添加量的增大，3個(gè)苧麻品種地上部分的Cd含量和Cd的累積量顯著提高。與對(duì)照相比 (表3)，中苧1號(hào)、湘苧2號(hào)和湘苧3號(hào)地上部的Cd含量分別增加了2.2～6.8倍、2.0～6.2倍和2.1～5.5倍，Cd的累積量相應(yīng)增加了2.1～5.2倍、1.5～3.4倍和1.9～4.4倍。與一般植物相比［10］，Cd脅迫條件下，苧麻地上部的Cd含量提高了80～300倍，表明苧麻對(duì)Cd具有較強(qiáng)的富集能力。

根據(jù)Wei等［11］人的研究結(jié)果，Cd的超富集植物需要同時(shí)具備以下4個(gè)條件:一是地上部Cd的含量需達(dá)到100 mg·kg–1以上，二是其轉(zhuǎn)移系數(shù)需大于1，三是富集系數(shù)也需大于1，四是在Cd污染土壤上的生物量不能顯著降低。雖然本研究并未采集與分析苧麻根部樣品，但根據(jù)筆者所在研究團(tuán)隊(duì)的前期研究結(jié)果［3］和表2、表3的相關(guān)研究數(shù)據(jù)，仍可以判斷出供試的3個(gè)苧麻品種均非Cd的超富集植物。然而，苧麻具有較大的生物量，且每年可以收獲3次，其產(chǎn)品亦具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，它在Cd污染土壤修復(fù)與利用中具有較好的應(yīng)用前景，是一種理想的修復(fù)與高效利用重金屬污染土壤的備選植物。

2.3 鎘對(duì)苧麻吸收其它重金屬元素的影響

Cd脅迫條件下，3個(gè)品種對(duì)Pb、Cu、Zn、Ni等重金屬的吸收因元素種類的不同而異，其中:中苧1號(hào)對(duì)Pb、Ni吸收呈現(xiàn)出隨土壤Cd添加量增大而增加的趨勢(shì)，湘苧3號(hào)對(duì)Zn、Ni吸收則呈現(xiàn)出隨土壤Cd添加量增大而減少的趨勢(shì)，但土壤Cd添加量對(duì)3個(gè)品種吸收Cu的影響并不明顯，這可從表4的研究結(jié)果中清楚地看出。

表4 不同Cd添加量下3個(gè)苧麻品種地上部的重金屬含量 (單位:mg·kg－1)Tab.4 Concentrations of heavy metals in the aboveground parts of ramie under gradient experiments

根據(jù)表4的研究結(jié)果，3個(gè)品種地上部Pb的含量范圍為51.8～95.7 mg·kg–1，其中:中苧1號(hào)地上部的Pb含量隨著土壤Cd添加量的增大而呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì) (與對(duì)照相比，T6處理的Pb含量增加了33%)，但土壤Cd添加量的變化對(duì)湘苧2號(hào)與湘苧3號(hào)地上部的Pb含量無顯著影響;3個(gè)品種地上部Cu的含量范圍為15.0～18.9 mg·kg–1，土壤Cd的添加量對(duì)3個(gè)品種地上部的Cu含量均無顯著影響;3個(gè)品種地上部Zn的含量范圍為231.0～328.6 mg·kg–1，均呈現(xiàn)出隨土壤Cd的添加量增大而地上部Zn的含量逐漸降低的趨勢(shì)，其中:湘苧3號(hào)各處理間的差異達(dá)到極顯著的水平 (p＜0.01)，當(dāng)土壤Cd添加量達(dá)到35 mg·kg－1和65 mg·kg–1時(shí)，其地上部Zn的含量分別比對(duì)照降低12%與28%;3個(gè)品種地上部Ni的含量范圍為4.0～7.7 mg·kg–1，其變化規(guī)律則明顯不同，其中:中苧1號(hào)地上部Ni含量表現(xiàn)出隨土壤Cd添加量增大而增加的趨勢(shì)，增幅為10.7% ～32.1%，湘苧2號(hào)地上部Ni含量處理間無顯著差異，而湘苧3號(hào)地上部Ni含量處理間有極顯著差異，但隨土壤Cd添加量增大并未呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。

由于Cd與Zn的化學(xué)性質(zhì)相近，一般研究認(rèn)為Zn與Cd之間存在拮抗作用，但在土壤類型和土壤中Cd與Zn含量比值不同的條件下存在一定的差異。朱波等發(fā)現(xiàn)，在紫色土上低濃度的Cd促進(jìn)作物對(duì)Zn的吸收［13］;而周啟星等的研究則表明，Cd抑制水稻籽實(shí)對(duì)Zn的累積［14］。Wang等［4］通過水培試驗(yàn)研究了Cd脅迫對(duì)兩個(gè)玉米品種吸收Mn、Fe、Cu和Zn的影響，結(jié)果表明隨著營養(yǎng)液Cd濃度的增大，兩個(gè)品種玉米地上部對(duì)Zn的吸收量均顯著降低，而Cd對(duì)玉米吸收Cu的影響規(guī)律則不同，其中一個(gè)品種隨Cd濃度增大，地上部Cu含量增加，而另一個(gè)品種則相反。米艷華等［5］研究煙草對(duì)Cd、As和Pb吸收時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤添加Cd后煙草葉片對(duì)Pb的吸收量顯著降低，表現(xiàn)出明顯的拮抗作用。許中堅(jiān)等也發(fā)現(xiàn)Cd抑制芥菜和菠菜對(duì)Pb的吸收［15］。但林琦等則發(fā)現(xiàn)Cd的存在促進(jìn)了作物對(duì)Pb的吸收［16］。趙轉(zhuǎn)軍等［17］指出在pH值較高的綠洲灌淤土上Ni與Cd表現(xiàn)出拮抗作用，這與本試驗(yàn)的結(jié)果有所不同。由此可見，Cd與其它重金屬元素在土壤 －植物系統(tǒng)中的相互作用，因其作物品種、污染土壤的重金屬元素的差異而不同，其作用機(jī)制需進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)語

苧麻對(duì)Cd具有較強(qiáng)的耐受能力，在土壤Cd添加量達(dá)到100 mg·kg－1時(shí)仍可完成正常的生理周期，但高濃度的Cd脅迫對(duì)苧麻生長有一定的抑制作用，當(dāng)Cd添加量大于10 mg·kg－1時(shí)，3個(gè)苧麻品種的農(nóng)藝指標(biāo)均顯著降低。不同苧麻品種對(duì)土壤Cd脅迫的適應(yīng)性存在差異，其中湘苧3號(hào)在Cd脅迫條件下具有較大的生物量。苧麻對(duì)Cd具有較強(qiáng)的富集能力，3個(gè)苧麻品種在土壤Cd添加量為0～100 mg·kg－1范圍內(nèi)，其地上部Cd的含量和累積量最高分別可達(dá)61.5 mg·kg－1和49.6 mg·m－2，雖未達(dá)到Cd超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，但由于其較大的生物量和較好的經(jīng)濟(jì)效益，是一種理想的修復(fù)與利用Cd污染土壤的備選植物。Cd脅迫降低了苧麻地上部Zn的吸收量，但對(duì)苧麻吸收Pb、Cu和Zn的影響差異較大，其作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

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