重金屬污染對(duì)兩種主要油料作物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

賈昱靖 張小樂 陳穎 王晨驕 徐海洋 官會(huì)林 黃晶心

摘 要：【目的】探究2種主要油料作物芝麻（Sesamum indicum）、向日葵（llelianthus annuus）在鉛（Pb”）、鎘（Cd2+）、鉻（Cr6+）、銅（Cu2+）污染農(nóng)田綜合利用上的可能性?！痉椒ā恳?種油料作物主栽品種為試驗(yàn)材料，采用水培法研究Pb2+（0.0、5.0、10.0、20.O、50.0、80.0 mg.L一1）、Cd2+（0.0、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mg.L^-1）、Cr6+（ 0.0、 3.0、 5.0、 8.0、 12.0、 14.0 mg.L^-1）、 Cu2+（ 0.0、 50.0、 100.0、 150.0、 300.0、 600.0 mg.L^-1）對(duì)油料作物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響?！窘Y(jié)果】對(duì)2種作油料物種子萌發(fā)率的影響：2種油料作物的種子萌發(fā)率均隨著Pb2+、Cd2+、Cr6+、Cu2+濃度的升高而降低，各處理芝麻種子的萌發(fā)率均極顯著高于向日葵（P<0.01）。低濃度的4種重金屬污染物對(duì)2種油料作物的發(fā)育與形態(tài)建成無明顯影響，高質(zhì)量濃度處理Pb2+（ 20.0～80.0mg.L^-1）、Cd2+（ 5.0～20.0 mg.L^-1）、Cr6+（5.O～14.0 mg.L^-1）、Cu2+（ 150.0～600.0 mg.L^-1）時(shí)2種油料作物無法形成正常的根或芽。對(duì)2種油料作物幼苗根生長的影響：Pb2+脅迫（5.0～10.0 mg.L^-1）、Cd2+脅迫（ 0.5—20.0 mg.L^-1）、Cu2+脅迫（50～300.0 mg.L^-1）、Cr6+脅迫（ 8.0～12.0mg.L^-1）對(duì)芝麻根生長的抑制作用極顯著大于向日葵（P<0.01），而Pb2+脅迫（ 20.0～80.0 mg.L^-1）、Cr6+脅迫（ 14.0 mg.L^-1）與上述作用相反。對(duì)2種油料作物種子芽生長的影響：Pb2+脅迫（ 10.0～80.0 mg.L^-1）、Cd2+脅迫（5 mg.L^-1）、Cu2+脅迫（50～100.0 mg.L_1和600.0 mg.L^-1）、Cr6+脅迫（3.0～8.0 mg.L^-1和14.0 mg.L^-1）對(duì)向日葵種子芽生長的抑制作用大于芝麻，Cd2+脅迫（0.5～1.0 mg.L^-1和10.0～20.0mg.L^-1）與上述作用相反?！窘Y(jié)論】農(nóng)田鉛（Pb2+）、鎘（Cd2+）、鉻（Cr6+）、銅（ Cu2+）污染對(duì)芝麻種子萌發(fā)率的影響極顯著小于向日葵。綜合4種重金屬污染下根、芽生長狀況，芝麻相對(duì)于向日葵對(duì)Pb2+（20.0～80.0 mg.L^-1）、Cr6+（ 14.0 mg.L^-1）的耐受性更強(qiáng);向日葵相對(duì)于芝麻對(duì)Cd2+（0.5—1.0 mg.L^-1和10.0～20.0 mg.L^-1）的耐受性更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：油料作物;土壤重金屬污染;種子萌發(fā)率;幼苗生長

中圖分類號(hào)：S19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-0384（ 2020） 10-113807

0 引言

【研究意義】耕地在保障食品產(chǎn)量中起決定性的作用，然而目前我國和全世界人口仍在增加，耕地面積卻在不斷減少。由于生產(chǎn)、生活廢物的不當(dāng)處置，導(dǎo)致農(nóng)田重金屬污染在全國范圍內(nèi)普遍存在[1]，其中鉛、銅、鎘、鉻污染是最為常見的類型[2]。重金屬污染物通過吸收富集于農(nóng)作物體內(nèi)，影響農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，對(duì)人體健康造成潛在的威脅。在土壤重金屬污染加劇和耕地緊缺的雙重壓力下，如何綜合利用重金屬污染耕地成為普遍面臨的難題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，有關(guān)重金屬污染農(nóng)耕地綜合利用方面的研究，一方面集中在通過施用生物質(zhì)材料、鈍化劑降低重金屬污染物在農(nóng)作物中的富集;一方面集中在利用超富集植物吸收土壤中的重金屬污染物，以此實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用地土壤重金屬污染物的減量化。雖有部分研究發(fā)現(xiàn)，利用擬芥藍(lán)[3]、菜心[4]等對(duì)重金屬污染物吸收較少，或吸收的重金屬主要集中在根、莖等不可食用部分的特性開發(fā)利用重金屬污染耕地[5]，但迄今這方面研究的主要作物是蔬菜，無法解決大量的農(nóng)耕地重金屬污染問題。對(duì)于農(nóng)作物而言，重金屬主要積累在植物的細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)中[6]，在脂肪細(xì)胞中的積累情況報(bào)道較少。有研究表明，油料作物在重金屬污染農(nóng)耕地的綜合利用中有著重要的潛在價(jià)值。如：受重金屬污染的花生和油菜種子毛油中的重金屬含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)一一《食用油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[7];在砷礦產(chǎn)區(qū)的8種植物油中砷的含量均未超過國家標(biāo)準(zhǔn)[踟;即使油料作物的種子重金屬含量超標(biāo)，也可以利用這些油生產(chǎn)生物柴油[9]。【本研究切人點(diǎn)】芝麻和向日葵是我國主要的油料作物，主要種植于我國的河南、山東、河北、云南等省份，而這些省份均存在大量的重金屬污染耕地。芝麻和向日葵在生理上存在明顯的差異，芝麻屬于淺根系作物，一方面土壤脅迫因子對(duì)其影響相對(duì)較小，同時(shí)也存在對(duì)于干旱和漬澇等水分逆境敏感的特征[10];而向日葵屬于深根型作物，一方面土壤環(huán)境因子對(duì)其作用更強(qiáng)，同時(shí)其對(duì)干旱、鹽等脅迫具有較強(qiáng)的耐受性[11]。這暗示芝麻和向日葵對(duì)重金屬污染的適應(yīng)性可能存在差異，其適合度在不同濃度重金屬污染下可能發(fā)生相對(duì)變化。目前有關(guān)何種油料作物更適合于何種重金屬污染耕地綜合利用的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過對(duì)比分析芝麻、向日葵的主要栽培品種在Pb2+、Cd2+、Cr6+、Cu2+脅迫下的種子萌發(fā)和幼苗生長的表現(xiàn)，探究適合于在重金屬污染耕地種植的油料作物，為重金屬污染耕地的綜合利用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

芝麻和向日葵主要種植在我國北緯35°～55°的廣大范圍，在生境上有很大的重疊。本研究選用的芝麻品種為豫芝8號(hào)，向日葵品種為油皇后958，均為我國產(chǎn)區(qū)主栽品種。本研究選擇形狀大小基本一致、顆粒健康飽滿的種子進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

為了探究2種主要油料作物在不同質(zhì)量濃度重金屬污染下相對(duì)適合度的變化規(guī)律，本研究根據(jù)國內(nèi)農(nóng)田土壤重金屬污染物濃度范圍設(shè)定試驗(yàn)處理。鉛（Pb2+）的質(zhì)量濃度設(shè)置為0.0、5.0、10.0、20.0、50.0、80.0 mg.L^-1;鎘（Cd2_）的質(zhì)量濃度設(shè)置為0.0、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mg.L^-1;鉻（Cr6+）的質(zhì)量濃度設(shè)置為0.0、3.0、5.0、8.0、12.0、14.0 mg.L^-1;銅（Cu2+）的質(zhì)量濃度設(shè)置為0.0、50.0、100.0、150.0、300.0、600.0 mg.L^-1。每個(gè)處理隨機(jī)選取20粒種子，用10%的雙氧水消毒15 min，超純水沖洗5次，浸泡48 h，而后均勻散布在直徑9 cm、有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，用上述重金屬溶液將濾紙潤濕至飽和，每個(gè)處理3次重復(fù)。浸潤后的種子蓋上培養(yǎng)皿蓋后置于恒溫箱中30℃培養(yǎng)，萌發(fā)周期為20 d。

1.3 測(cè)定方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，用R軟件（版本號(hào)：3.5.0）統(tǒng)計(jì)不同重金屬質(zhì)量濃度下兩種油料作物種子萌發(fā)率、根長抑制率、芽長抑制率的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)芝麻、向日葵種子萌發(fā)率的影響

由圖1可知，隨著重金屬質(zhì)量濃度的增加，芝麻和向日葵種子的萌發(fā)率隨之降低。4種重金屬不同質(zhì)量濃度處理下，2種油料作物的萌發(fā)率均存在極顯著差異（P<0.01）。高質(zhì)量濃度的Pb2+（ 80.0 mg.L^-1）處理，芝麻、向日葵萌發(fā)率分別比對(duì)照（ 0.0 mg.L^-1）下降28.33%、60.00%;高質(zhì)量濃度的Cd2+（ 20.0mg.L^-1）處理，芝麻、向日葵萌發(fā)率分別比對(duì)照下降38.33%、51.67%;高質(zhì)量濃度的Cu2+（ 600 mg.L^-1）處理，芝麻、向日葵萌發(fā)率分別比對(duì)照下降80.00%、100.00%;高質(zhì)量濃度的Cr6+（ 14 mg.L^-1）處理，芝麻、向日葵萌發(fā)率分別比對(duì)照下降56.67%、100.00%。這說明芝麻種子萌發(fā)對(duì)4種重金屬的耐受性更強(qiáng)，向日葵種子的萌發(fā)對(duì)4種重金屬脅迫更加敏感。

2.2 重金屬對(duì)芝麻、向日葵幼苗發(fā)育和形態(tài)建成的影響

由圖2看出，重金屬脅迫下芝麻、向日葵幼苗生長均受到抑制，并且受抑制程度隨著重金屬質(zhì)量濃度的增加而增加。低質(zhì)量濃度Pb2+、Cd2+、Cu2+、Cr6+處理，向日葵、芝麻均能形成正常的幼苗;當(dāng)Pb2+質(zhì)量濃度達(dá)到20.0～80.0 mg.L^-1、Cd2+質(zhì)量濃度達(dá)到5.0～20.0 mg.L^-1、Cr6+質(zhì)量濃度達(dá)到5.0～14.0 mg.L^-1、Cu2+質(zhì)量濃度達(dá)到150.0—600.0 mg.L^-1時(shí)，2種油料作物均無法形成正常的芽或根。這說明重金屬污染物達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)影響到2種油料作物的形態(tài)建成。

2.3 不同處理對(duì)芝麻、向日葵種子根生長的影響

由圖3看出，Cd2+（ 0.5～20.0 mg.L-l）、Cu2+（ 50.0～300.0 mg.L^-1）、Cr6+（ 8.0～12.0 mg.L^-1），較低質(zhì)量濃度的Pb2+（ 5.0～10.0 mg.L^-1）對(duì)向日葵根生長的抑制小于芝麻;20.0～80.0 mg.L^-1的Pb2+和14.0mg.L^-1的Cr6+對(duì)向日葵的抑制大于芝麻。

2.4 不同處理對(duì)芝麻、向日葵種子芽生長的影響

由圖4看出，不同處理2種油料作物芽長抑制率的變化趨勢(shì)與根長抑制率相似，均隨著重金屬質(zhì)量濃度的增加而增加。輕度Pb2+、Cd2+、Cu2+脅迫時(shí)，油料作物芽的生長受抑制較小。Pb2+（ 10.0～80.0mg.L^-1）、Cd2+（5.0mg.L^-1）、Cu2+（50.0～100.0mg.L^-1和600.0 mg.L^-1）、 Cr6_（3.0～8.0 mg.L^-1和14.0mg.L^-1）對(duì)向日葵芽長生長的抑制作用大于芝麻，Cd2+（0.5～1.0 mg.L^-1和10.0～20.0 mg.L^-1）對(duì)向日葵芽長生長的抑制作用小于芝麻。

綜合2種油料作物的種子萌發(fā)率、根長抑制率、芽長抑制率的數(shù)據(jù)，Pb2_（20.0～80.0 mg.L^-1、Cr6+（14.0 mg.L^-1）對(duì)芝麻種子萌發(fā)、幼苗生長的抑制作用比對(duì)向日葵小;在通過增加播種量使種子萌發(fā)數(shù)量相同的情況下，Cd2_（0.5～1.0mg.L^-1和10.0～20.0mg.L^-1）對(duì)向日葵幼苗生長的抑制作用比對(duì)芝麻小。

3 討論

本研究采用水培法研究了4種重金屬不同質(zhì)量濃度對(duì)2種主要油料作物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，該種方法可以控制其他土壤生態(tài)因子對(duì)研究結(jié)果的干擾，同時(shí)能夠客觀地反映試驗(yàn)處理的效應(yīng)[15]，是目前植物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)研究普遍采用的方法。本研究結(jié)果顯示，重金屬污染物低濃度處理可促進(jìn)向日葵生長，高濃度表現(xiàn)抑制作用（圖3）。同類的研究結(jié)果也顯示低濃度的鉛、鎘和銅對(duì)小麥幼苗根的生長有促進(jìn)作用，但是隨著濃度的增加，根的生長逐漸受到抑制[16]。例如：濃度為300 mm01.L^-1的Pb2+對(duì)火炬樹幼苗根長和芽長伸長起促進(jìn)作用;但當(dāng)濃度為1 500 mmol.L^-1時(shí)，顯著抑制火炬樹幼苗根、芽生長[17]。低濃度的重金屬離子誘導(dǎo)超氧陰離子和羥基自由基等的產(chǎn)生，加速植物代謝，宏觀上表現(xiàn)為促進(jìn)植物生長;隨著重金屬質(zhì)量濃度的增加，活性氧自由基增多，代謝紊亂，植物生長、發(fā)育受到抑制[18-19]。本研究中4種重金屬均對(duì)芝麻、向日葵芽和根的生長產(chǎn)生影響，出現(xiàn)異常發(fā)育的幼苗，這或許是由于4種重金屬影響這2種油料作物的組織分化，影響幼苗的正常發(fā)育和形態(tài)建成（圖2）。本試驗(yàn)中2種油料作物均出現(xiàn)根長抑制率、芽長抑制率明顯升高的現(xiàn)象（圖3、4），并且4種重金屬均有類似的趨勢(shì)，這或許說明重金屬對(duì)油料作物幼苗根、芽的抑制作用是一種普遍現(xiàn)象。該結(jié)果提示，在使用油料作物綜合利用重金屬污染農(nóng)耕地時(shí)，應(yīng)考慮重金屬污染對(duì)作物生長、發(fā)育的影響。

本研究結(jié)果顯示，不同類型的重金屬污染對(duì)供試2種油料作物種子萌發(fā)、幼苗生長的影響程度不同。植物耐受性差異與植物的生理特征、代謝途徑、形態(tài)結(jié)構(gòu)[20]有關(guān)，不同種類植物對(duì)重金屬污染物的耐受機(jī)制不同，其作用機(jī)制包括：避免吸收、儲(chǔ)存于表皮毛、區(qū)域化、形成沉淀及螯合物（MT、PC）、存在抗氧化酶系統(tǒng)、產(chǎn)生脅迫蛋白等[21-22]。由于不同種類的重金屬與植物根系分泌物之間的絡(luò)合反應(yīng)、絡(luò)合強(qiáng)度不同[23]，且在不同重金屬脅迫下，植物體內(nèi)抗性物質(zhì)的合成量也不同，將進(jìn)一步影響植物對(duì)重金屬的結(jié)合及對(duì)重金屬對(duì)植物的毒害作用[24]。芝麻、向日葵在根系形態(tài)、光合與呼吸作用等方面均存在明顯差異[10-11]，這或許導(dǎo)致芝麻和向日葵體內(nèi)這4種重金屬污染物的毒性效應(yīng)存在差異。此外，由于植物根系分泌黏液的主要成分是糖類，其羰基和羥基基團(tuán)能夠通過鈍化、絡(luò)合等作用減少植物對(duì)重金屬污染物的吸收[25];不同類型的植物，此類物質(zhì)的分泌量、對(duì)重金屬污染物的吸附能力存在差異[25-26]。有研究表明，不同水稻品種在Cd2。脅迫下根分泌物和有機(jī)酸的種類與量都不同[27]，不同基因型大豆在Pb脅迫下根分泌存在顯著差異[28]。芝麻為胡麻科（Pedaliaceae）植物，而向日葵為菊科（Asteraceae）植物，二者在形態(tài)特征和抗旱能力[10-11]等方面均存在較大的差異，這或許導(dǎo)致2種作物在不同類型重金屬、同種重金屬不同質(zhì)量濃度下種子萌發(fā)、幼苗生長狀況及變化情況的差異，致使芝麻和向日葵分別適合于不同種類、質(zhì)量濃度重金屬污染耕地的綜合利用。

4 結(jié)論

（1）重金屬脅迫顯著影響油料作物芝麻和向日葵種子的萌發(fā)率、胚根和胚芽的生長，但這2種油料作物的表現(xiàn)存在顯著差異。

（2）在4種重金屬不同濃度處理下，芝麻的萌發(fā)率均高于向日葵;芝麻相較于向日葵對(duì)Pb2+（20～80 mg.L^-1）、Cr6+（14 mg.L^-1）脅迫的耐受性更強(qiáng);向日葵對(duì)Cd2_（0.5～1.0 mg.L^-1和10.0～20.0 mg.L^-1）的耐受性更強(qiáng)。

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（責(zé)任編輯：楊小萍）

作者簡介：賈昱靖（1995-），女，碩士，研究方向：土壤重金屬污染物的生態(tài)效應(yīng)及其修復(fù)（E-mail： HiLynette1108@yeah.net）

通信作者：黃晶心（1986-），男，博士，講師，研究方向：土壤重金屬污染物的生態(tài)效應(yīng)及其修復(fù)（E-mail： huangjingxin17@163.com）;

官會(huì)林（1964-），男，教授，研究方向：農(nóng)業(yè)土壤污染消減及水土保持（E-mail： gh1087l@aliyun.com）