幾種添加物對(duì)銅脅迫下大蒜生長(zhǎng)的影響

何海霞 鄧紅艷 李文斌 楊登琴 謝佳 朱浪 孟昭福

摘 要：為了探索幾種添加物對(duì)銅脅迫下大蒜生長(zhǎng)的影響，將啤酒酵母菌（J）、活性硅酸鈣（G）和膨潤(rùn)土（T）分別以1%的質(zhì)量比加入到紫色土（PS）中，形成PS（對(duì)照）、PSJ、PSG和PST四種混合土樣。采用盆栽試驗(yàn)研究大蒜在不同Cu2+污染（0、50、100、200和500 mg·L-1）混合土樣中的發(fā)芽率、株高、各部分生物量和銅富集量，并探討各生長(zhǎng)指標(biāo)間的相關(guān)性。結(jié)果顯示，（1）Cu2+濃度為0～500 mg·L-1時(shí)，大蒜在PS、PSJ、PSG和PST土樣上的發(fā)芽率均為100%。PS、PSG和PST上生長(zhǎng)的大蒜株高隨著Cu2+濃度的增加而降低;而PSJ上的大蒜株高隨Cu2+濃度的增加而增加。PS、PSG和PST土樣上的大蒜株高均明顯高于PSJ。（2）PSJ和PST土樣對(duì)大蒜地上部鮮質(zhì)量與干質(zhì)量的增加都有一定的促進(jìn)能力，且促進(jìn)強(qiáng)度在Cu2+濃度200 mg·L-1時(shí)最高，而Cu2+污染的PS和PSG土樣對(duì)大蒜生長(zhǎng)均有不同程度的抑制作用。（3）PS、PSG和PST的大蒜根系對(duì)Cu2+污染紫色土的適應(yīng)能力相比PSJ強(qiáng);相同Cu2+濃度條件下，PST土樣更有利于大蒜根系生長(zhǎng)。（4）大蒜各生長(zhǎng)指標(biāo)之間均保持正相關(guān)性，且相關(guān)性呈現(xiàn)PST > PSJ和PSG > PS的趨勢(shì)。大蒜中銅富集量均隨Cu2+污染濃度的增加而增加，表現(xiàn)出PS > PSJ > PSG > PST的趨勢(shì)，且大蒜根部對(duì)銅的富集能力更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：大蒜;添加物;紫色土;Cu2+;生長(zhǎng)特征

中圖分類號(hào)：S633.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號(hào)：1673-2871（2020）01-033-06

Abstract： To explore the effect of additives on garlic growth under different copper stress， Saccharomyces cerevisiae （J）， active calcium silicate （G） and bentonite （T） were respectively added into purple soil （PS） with a mass ratio of 1% to form four mixed soil samples such as PS （control experiment）， PSJ， PSG and PST. The germination rate， plant height， biomass and Cu accumulation of garlic on mixed soil samples polluted with different Cu2+ （0、50、100、200 and 500 mg·L-1） were compared by potted experiment， and the correlations among the various physiological indicators were analyzed. The results indicated： （1） The germination rate of garlic on PS， PSJ， PSG and PST were all 100% with the concentration of Cu2+ of 0-500 mg·L-1. The plant height of garlic on PS， PSG and PST decreased with the increase of Cu2+ concentrations， while the height of garlic on PSJ increased with the increase of Cu2+ concentrations. The plant height of garlic on PS， PSG and PST were significantly higher than that of PSJ. （2） PSJ and PST soil samples promoted the fresh and dry weight of garlic to some extent， and the promoted effect presented best when the Cu2+ concentration was 200 mg·L-1， while PS and PSG polluted by Cu2+ showed inhibitory effects on garlic. （3） The adaptability of garlic roots of PS， PSG and PST to Cu2+ polluted purple soil were better than that of PSJ. At the same Cu2+ concentration， PST soil sample was most beneficial to the root growth of garlic. （4） The growth indexes of garlic on Cu2+ polluted soil samples maintained positive correlation， and the the highest correlation was PST， followed by PSJ and PSG， and the lowest was PS. The Cu enrichment amount in garlic increased with the increase of Cu2+ concentration， showing a trend of PS > PSJ > PSG > PST， and the enrichment capacity of Cu in garlic root was the strongest.

Key words： Garlic; Additives; Purple soil; Cu2+; Physiological characteristics

工業(yè)“三廢”的排放致使土壤環(huán)境遭到嚴(yán)重的重金屬污染[1]，相關(guān)方面的治理工作已經(jīng)成為了研究的熱難點(diǎn)問(wèn)題[2]?，F(xiàn)有的修復(fù)方法還不能實(shí)現(xiàn)生態(tài)高效的去除重金屬污染[3]，植物修復(fù)方法因其生態(tài)性好且不會(huì)造成二次污染，在土壤改良和污染控制中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。故修復(fù)植物在污染土壤上的生長(zhǎng)特性研究對(duì)于探索修復(fù)應(yīng)用方案具有指導(dǎo)意義。

重金屬不僅毒性大還易積累[7]，其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生新的衍生污染[8]。研究發(fā)現(xiàn)，植物可通過(guò)富集作用將土壤中的污染物去除[9]，低濃度的Cu2+能促進(jìn)種子萌發(fā)，還能刺激植物生長(zhǎng)[10-11]。當(dāng)土壤中Cu2+超過(guò)一定濃度后，植被和作物的生長(zhǎng)會(huì)受到嚴(yán)重抑制[12-14]。目前，研究較多的植物有香根草、鴨跖草、海洲香薷[15-17]等，其在重金屬污染土壤上的應(yīng)用于開(kāi)發(fā)研究已經(jīng)成為了探索的熱點(diǎn)方向。蔣先軍、王璐等[18-19]研究發(fā)現(xiàn)，印度芥菜和蘇丹草能適應(yīng)一定濃度的銅污染，且提高銅污染濃度到0.25 g·kg-1，印度芥菜依然能夠較好生長(zhǎng)，而蘇丹草體內(nèi)Cu2+累積量最高為673 mg·kg-1。楊立杰[20]研究發(fā)現(xiàn)，大蒜在鎘污染土壤修復(fù)上具有較好的應(yīng)用效果，其修復(fù)方法操作簡(jiǎn)便適用于推廣。

微生物和高吸附材料對(duì)重金屬離子均具有較好的吸附效果，從而被眾多學(xué)者廣泛研究。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)啤酒酵母菌對(duì)Cu2+有一定的吸附能力，且吸附效率較高、平衡所需時(shí)間短[21-22]。采用多種修復(fù)方法聯(lián)合的模式可以增加污染修復(fù)效果，三葉草和香草修復(fù)銅污染土壤時(shí)加入一定量的F16a菌株，土壤中銅含量降低而植物體內(nèi)銅含量增高[23]。黎艷等[24]研究Cu2+在鈣基蒙脫石上的吸附解吸行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu2+濃度為40.84 mg·L-1且pH > 6時(shí)，99%的Cu2+可被蒙脫石吸附去除。經(jīng)氧化預(yù)處理的香蕉莖稈生物炭對(duì)Cu2+的吸附能力較強(qiáng)，其最大吸附容量高達(dá)81.36 mg·g-1[25]。以上研究表明，材料和微生物對(duì)Cu2+均有較好的吸附能力。若采用植物和材料、微生物聯(lián)合來(lái)處理Cu2+污染土壤，可顯著增強(qiáng)Cu2+去除量并減少其對(duì)土壤的毒害，且目前該方面研究較少報(bào)道。

天然紫色土對(duì)Cu2+的吸附能力較弱，而植物、微生物、高吸附材料[26-28]修復(fù)方法均能較好地去除Cu2+污染，所以在植物修復(fù)的基礎(chǔ)上配合微生物或材料修復(fù)，可大大提升污染修復(fù)效率[29]。為了探索植物結(jié)合啤酒酵母菌、活性硅酸鈣和膨潤(rùn)土對(duì)Cu2+污染土壤的修復(fù)效果，將其分別以質(zhì)量比1∶99加入紫色土中混勻，形成4種混合土樣，進(jìn)行大蒜的室內(nèi)盆栽試驗(yàn)。分析生長(zhǎng)于不同混合土樣上的大蒜生長(zhǎng)特征，并分析不同生長(zhǎng)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，為銅污染土壤生態(tài)修復(fù)研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

研究所選啤酒酵母菌由廣州鵬翔農(nóng)業(yè)有限公司提供，黃褐色粉末，水分含量<10%，活性菌群含量 > 6×107個(gè)·g-1。研究所選活性硅酸鈣購(gòu)于河北省靈壽縣崎峰礦產(chǎn)品加工廠，膨潤(rùn)土由河南信陽(yáng)同創(chuàng)膨潤(rùn)土公司提供，使用前以水洗法提純[30]，供試紫色土于西華師范大學(xué)試驗(yàn)田采集。材料的基本理化性質(zhì)如表1所示。

供試植物為百合科大蒜。棄去雜質(zhì)和有蟲(chóng)蝕及成熟度較低的蒜瓣，將篩選出的大蒜蒜瓣在1%高錳酸鉀溶液浸泡30 min，然后用水沖洗干凈，吹干備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將啤酒酵母菌（J）、活性硅酸鈣（G）、膨潤(rùn)土（T）分別與紫色土（PS）以質(zhì)量比1∶99混合，得到PS、PSJ（啤酒酵母菌混合紫色土）、PSG（活性硅酸鈣混合紫色土）和PST（膨潤(rùn)土混合紫色土）4個(gè)混合土樣，分別進(jìn)行大蒜的室內(nèi)盆栽試驗(yàn)。

盆栽試驗(yàn)根據(jù)Cu2+濃度（以CuSO4·5H2O配制）設(shè)0（對(duì)照）、50、100、200和500 mg·L-1等5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。

采用外口直徑8 cm、內(nèi)口直徑6.5 cm、高11 cm的塑料花盆種植大蒜，分別將4種混合土樣各0.4 kg裝到20個(gè)塑料花盆中，分別將150 mL Cu2+溶液按不同濃度梯度加入到花盆中，靜置2 h，待污染溶液全部浸透土樣后，均勻播種2瓣蒜瓣，發(fā)芽后每10 d澆水1次（共4次），每次50 mL。分別對(duì)大蒜發(fā)芽率、株高監(jiān)測(cè)，收獲后測(cè)大蒜地上和地下部分生物量。

1.3 方法

發(fā)芽后40 d收割時(shí)對(duì)大蒜平均株高進(jìn)行測(cè)量。大蒜生長(zhǎng)40 d后全部收割，收割后先清洗葉片和根系表面的污漬，然后用剪刀將地上和地下部分分開(kāi)，再用水沖洗干凈，吹干后稱量鮮質(zhì)量。稱重后繼續(xù)殺青，烘干獲取干質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料添加對(duì)大蒜發(fā)芽率和株高的影響

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大蒜在4種Cu2+污染土樣上的發(fā)芽率均為100%，說(shuō)明大蒜對(duì)Cu2+污染土壤有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。由圖1可知，大蒜生長(zhǎng)40 d后，大蒜株高在PS、PSG和PST上均隨著Cu2+濃度的增加而降低;而PSJ上的大蒜株高隨Cu2+濃度的增加而增加。生長(zhǎng)于PS土樣上的大蒜，其株高在Cu2+質(zhì)量濃度為100 mg·L-1處理下最小，當(dāng)Cu2+質(zhì)量濃度超過(guò)100 mg·L-1處理時(shí)反而有不同程度的增加。而對(duì)于PSJ土樣上的大蒜來(lái)說(shuō)，株高在Cu2+質(zhì)量濃度為200 mg·L-1處理下達(dá)到最大值31.25 cm。PSG上的大蒜株高，在CK處理下最大，為57.05 cm。PST上的大蒜株高在Cu2+質(zhì)量濃度為50、200 mg·L-1處理下均達(dá)到最大值53.2 cm。

對(duì)于不同Cu2+濃度處理來(lái)說(shuō)，PS、PSG和PST的大蒜株高明顯高于PSJ，說(shuō)明PS、PSG和PST土樣上的大蒜對(duì)Cu2+污染紫色土的適應(yīng)能力較強(qiáng)。Cu2+質(zhì)量濃度在200 mg·L-1時(shí)，PSG土樣對(duì)大蒜株高生長(zhǎng)抑制作用最明顯，而PSJ土樣對(duì)其的促進(jìn)作用最大。

2.2 材料添加對(duì)大蒜地上部生物量的影響

由圖2可知，PS和PSG土樣上的大蒜鮮質(zhì)量與干質(zhì)量隨著Cu2+質(zhì)量濃度的增大均有不同程度的降低，在Cu2+質(zhì)量濃度為100 mg·L-1時(shí)，PS土樣上的大蒜鮮質(zhì)量與干質(zhì)量最低，分別是7.344 2 g和1.280 9 g;在Cu2+質(zhì)量濃度為200 mg·L-1時(shí)PSG土樣上的大蒜鮮質(zhì)量與干質(zhì)量最低，分別是8.752 7 g和1.183 1 g。PSJ和PST土樣上生長(zhǎng)的大蒜生物量隨Cu2+質(zhì)量濃度的增加表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)。PSJ其鮮質(zhì)量與干質(zhì)量最大值分別出現(xiàn)在Cu2+質(zhì)量濃度為200 mg·L-1時(shí)，分別是CK的2.31倍和2.17倍，而PST土樣上大蒜在200 mg·L-1時(shí)干質(zhì)量和鮮質(zhì)量最大。

大蒜在PSJ和PST土樣上生物量顯著增加，且在Cu2+質(zhì)量濃度200 mg·L-1生物量最大，而大蒜在PS和PSG土樣上生長(zhǎng)受到抑制。整體來(lái)看，Cu2+污染處理下大蒜在PST土樣上生長(zhǎng)最佳，PS和PSG稍差，PSJ最差。

2.3 材料添加對(duì)大蒜根系生物量的影響

由圖3可知，4種土樣上的大蒜根鮮質(zhì)量與干質(zhì)量均隨Cu2+質(zhì)量濃度的增加而呈先增加后降低的波動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)于PS和PSJ土樣上的大蒜根鮮質(zhì)量與干質(zhì)量均在Cu2+質(zhì)量濃度為50 mg·L-1處理下最大，當(dāng)Cu2+質(zhì)量濃度在100～500 mg·L-1時(shí)，鮮質(zhì)量與干質(zhì)量均有所降低。在0～100 mg·L-1范圍內(nèi)PSG上的根系生物量逐漸升高，分別達(dá)到最高5.673 7 g和0.375 2 g （100 mg·L-1處理）。PST上的大蒜的鮮質(zhì)量與干質(zhì)量在200 mg·L-1 Cu2+處理下最大，而根鮮質(zhì)量與干質(zhì)量最小值出現(xiàn)在500 mg·L-1 Cu2+處理。從整體來(lái)看，相同條件下PST土樣對(duì)大蒜地下生物量的促進(jìn)作用較大。

對(duì)于不同Cu2+濃度處理來(lái)說(shuō)，大蒜的根鮮質(zhì)量與干質(zhì)量也呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，但PS、PSG和PST的大蒜根鮮質(zhì)量與干質(zhì)量明顯高于PSJ，說(shuō)明PS、PSG和PST的大蒜根系對(duì)Cu2+污染紫色土的適應(yīng)能力較強(qiáng)。而PS、PSJ和PST土樣上大蒜根在Cu2+質(zhì)量濃度100～500 mg·L-1處理下均生長(zhǎng)較差，說(shuō)明高濃度的Cu2+抑制大蒜根系生長(zhǎng)。

2.4 大蒜生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)分析

由表2可以看出，4類Cu2+污染土樣上的大蒜各生長(zhǎng)指標(biāo)均保持正相關(guān)關(guān)系，PS土樣上的大蒜根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，地上鮮質(zhì)量與株高、地上鮮質(zhì)量與地上干質(zhì)量達(dá)顯著相關(guān)，其余指標(biāo)之間均達(dá)正相關(guān)關(guān)系。PSJ和PSG土樣上大蒜除地上鮮質(zhì)量與株高、地上鮮質(zhì)量與干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量與干質(zhì)量之間達(dá)極顯著相關(guān)性，及株高與地上干質(zhì)量達(dá)顯著相關(guān)性以外，其余指標(biāo)間均為低度相關(guān)關(guān)系。PST土樣上的大蒜除株高與地上干質(zhì)量、株高與根干質(zhì)量、地上鮮質(zhì)量與根干質(zhì)量之間呈顯著相關(guān)以外，其余處理間均達(dá)極顯著相關(guān)關(guān)系。大蒜各生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性整體表現(xiàn)為PST最高、PSJ和PSG次之、PS最低的趨勢(shì)。

2.5 大蒜地上部與地下部銅富集量分析

表3中4類Cu2+污染土樣上的大蒜中銅富集量均隨Cu2+污染濃度的增加而增加，且地上和地下部均表現(xiàn)出PS > PSJ > PSG > PST的趨勢(shì)，且PS和PSJ均與PSG和PST處理之間差異顯著。同時(shí)該結(jié)果也基本與大蒜生長(zhǎng)狀況有相似的趨勢(shì)，說(shuō)明材料的添加不僅可以促進(jìn)大蒜生長(zhǎng)，同時(shí)可以抑制大蒜對(duì)Cu2+的富集。對(duì)比大蒜地上和地下部分，大蒜根部對(duì)銅的富集能力更強(qiáng)，這也與根部對(duì)于污染物的較強(qiáng)吸收作用有關(guān)。

3 討論與結(jié)論

紫色土對(duì)于Cu2+具有一定的離子交換作用，但整體吸附能力較弱[31]。所以隨著Cu2+濃度的增高，大蒜生長(zhǎng)逐漸受到影響，且生物富集量增大。通過(guò)添加吸附材料的方法可以降低土壤中游離態(tài)Cu2+濃度，從而緩解Cu2+對(duì)大蒜生長(zhǎng)的抑制作用。筆者采用的材料分別為菌類、黏土類和硅酸鹽類材料對(duì)于Cu2+具有不同的吸附能力。研究顯示黏土類材料對(duì)Cu2+的吸附能力較強(qiáng)[32]，本試驗(yàn)中PST土樣上的大蒜株高較高，且銅富集量也較小。主要是由于膨潤(rùn)土的高吸附能力使大量的Cu2+吸附在其表面，從而使大蒜根系不易吸收Cu2+，進(jìn)而降低Cu2+在大蒜體內(nèi)的富集量。硅酸鈣和菌粉的吸附能力相對(duì)較弱，所以添加后大蒜體內(nèi)的銅富集量?jī)H有小幅降低。

筆者研究證實(shí)，材料的添加可以增強(qiáng)紫色土對(duì)于Cu2+的吸附作用，從而增強(qiáng)大蒜對(duì)高濃度銅脅迫的適應(yīng)能力，同時(shí)降低體內(nèi)銅富集量。作為蔬菜來(lái)說(shuō)，吸附材料的添加不但能使大蒜在高濃度污染土壤上生存，同時(shí)其體內(nèi)又不會(huì)富集過(guò)多的污染物，在蔬菜種植方面具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

筆者主要獲得以下結(jié)論：Cu2+質(zhì)量濃度為0～500 mg·L-1時(shí)，大蒜在4類土樣上的發(fā)芽率均為100%。PS、PSG和PST土樣上的大蒜株高均明顯高于PSJ。PSJ和PST土樣對(duì)大蒜地上部生物量均有不同程度促進(jìn)作用，而PS和PSG土樣不利于大蒜地上部生長(zhǎng)。PS、PSJ和PST土樣上大蒜根系在Cu2+質(zhì)量濃度200～500 mg·L-1處理下均生長(zhǎng)較差，且PSJ上的地上部和根系生物量均小于PS、PSG和PST處理。大蒜各生長(zhǎng)指標(biāo)均保持正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性整體表現(xiàn)為PST > PSJ/PSG > PS的趨勢(shì)。大蒜中銅富集量均表現(xiàn)出PS > PSJ > PSG > PST的趨勢(shì)，且大蒜根部對(duì)銅的富集能力相比地上部更強(qiáng)。

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