氯離子對(duì)玉米累積鎘的影響

王吉秀，王丹丹，祖艷群，李 元，秦 麗

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南昆明650201)

重金屬污染土壤已成為當(dāng)前環(huán)境污染所面臨的重要環(huán)境問題之一。我國(guó)耕地受鎘、砷、鉛等重金屬污染問題已嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展［1］。鎘不是作物生長(zhǎng)所必需的元素。由于鎘的移動(dòng)性較強(qiáng)，極易從土壤進(jìn)入到作物體內(nèi)，通過食物鏈危害人體的健康［2］。目前，由于鎘污染事件的頻繁出現(xiàn)，針對(duì)鎘污染土壤的治理方法已引起國(guó)內(nèi)外相關(guān)部門的高度重視，例如工程修復(fù)法［3］、生物修復(fù)法［4-5］、化學(xué)法［6］、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法［7］，其中利用農(nóng)藝措施處理(施用石灰、有機(jī)肥等)［8］中輕度鎘污染的土壤是一種既產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，又能恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑［9］。

氯離子(Cl-)是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素。在土壤受重金屬污染條件下，Cl-能與土壤中金屬離子產(chǎn)生絡(luò)合反應(yīng)。土壤絡(luò)合作用抑制鎘在作物體內(nèi)的生物學(xué)效應(yīng)［10］。有研究表明，水培試驗(yàn)下Cl-濃度的增加明顯抑制水稻(Oryza sativa)、油菜(Brassica campestris)［11］和大麥(Hordeum vulgare)［12］地上部和根部對(duì)鎘的吸收;美國(guó)中部的向日葵(Helianthus annuus)試驗(yàn)［13］和奧地利的小麥(Triticum aestivum)［14］試驗(yàn)表明，Cl-具有促進(jìn)植物對(duì)Cd的吸收作用。

玉米對(duì)鎘離子的攝取主要是通過根系從土壤中吸收。鎘存在的形態(tài)對(duì)于鎘在土壤-玉米體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化起到關(guān)鍵性作用。利用Cd處理脅迫下加入不同濃度Cl-，筆者研究了Cd與Cl-在土壤-玉米體內(nèi)的絡(luò)合作用，通過盆栽試驗(yàn)，探討鎘脅迫下Cl-對(duì)玉米生長(zhǎng)及體內(nèi)累積鎘毒害效應(yīng)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 供試玉米(Zea mays)種子選取當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣種植的云瑞47號(hào)品種。供試土壤為云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)的玉米土，土壤類型為紅壤土。土壤的基本理化性質(zhì)為:全鎘(0.12±0.52)mg/kg，氯(152.32 ±10.52)mg/kg，有效磷(105.47±8.37)mg/kg，速效鉀(83.26 ±3.36)mg/kg，堿解氮(68.42±5.64)mg/kg，有機(jī)質(zhì)(68.10±9.20)g/kg，pH 5.09±0.76。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2012年7月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)的大棚里進(jìn)行，向采集的土壤中加入Cd(NO3)2(以Cd2+含量計(jì)20 mg/kg)，每盆裝土3 kg，即土鎘總量為60 mg。每盆每千克土壤中加入氯化鈣(以Cl-含量計(jì))，依次是0、100、200、400、800、1 200、1 600、2 400、3 200 mg，分別以 CK、C1 ～C8表示。每盆種植2穴，每穴1粒玉米種子，每個(gè)處理種植3盆平行，共種植27盆，然后隨機(jī)排列在大棚中，進(jìn)行日常的田間管理。當(dāng)土壤含水量為田間持水量50%左右時(shí)，即澆自來水至田間持水量100%。培養(yǎng)2個(gè)月后，在玉米收獲期取植物樣品，測(cè)定物理性狀和生物量，玉米生物量按地上部分和地下部分采集，用自來水沖洗根部泥土，然后用去離子水漂洗3次，樣品分別放入干燥箱中烘干，研磨。同時(shí)，采集每盆相應(yīng)的根際土壤樣品，每盆用四分法采集約0.5 kg土樣，實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后進(jìn)行研磨，分別通過孔徑為2.00和0.25 mm的尼龍篩，貯備以測(cè)定Cl-和鎘含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法 玉米的物理性狀指標(biāo)包括株高、根長(zhǎng)和地下部分、地上部分的干重。株高和根長(zhǎng)采用直尺法測(cè)定;玉米干重采用烘干稱重法，105℃殺青30 min，70℃恒溫烘20 h以上，直至恒重。

用王水-高氯酸消解土壤，用HNO3-HClO4消解植株樣品，冷卻后過濾，用原子吸收分光光度法(北京，普析通用TAS990原子吸收分光光度計(jì))測(cè)定Cd含量。采用硝酸銀滴定法，測(cè)定土壤和植株樣品中Cl-含量。

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上部重金屬含量/地下部重金屬含量×100%

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法 研究結(jié)果為3次重復(fù)的平均值。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel2000軟件進(jìn)行分析，差異顯著性分析采用Duncan＇s新復(fù)極差法多重比較(DPS軟件)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米數(shù)量性狀和生物量 在整個(gè)盆栽培養(yǎng)試驗(yàn)中，當(dāng)添加的Cd+濃度一致而Cl-濃度不同時(shí)，玉米生長(zhǎng)過程中的數(shù)量性狀和生物量差異顯著，當(dāng)Cl-濃度達(dá)到1 600 mg/kg時(shí)玉米植株發(fā)生枯萎、葉片的顏色不一致等現(xiàn)象。由表1可知，當(dāng)添加的Cl-濃度為200 mg/kg時(shí)，玉米株高、根長(zhǎng)與對(duì)照相比分別增加了21.39%、56.31%，地上部和地下部的生物量與對(duì)照相比分別增加了79.99%、241%;當(dāng)Cl-濃度超過1 600 mg/kg時(shí)，株高、根長(zhǎng)及地上部和地下部生物量顯著下降，與 Cl-濃度為200 mg/kg時(shí)比較，最大分別下降為58.28%、74.39%、85.57%和96.78%。隨著Cl-濃度的增加，玉米的數(shù)量性狀和生物量都受到不同程度的影響，當(dāng)Cl-濃度最大為3200 mg/kg時(shí)，玉米生長(zhǎng)緩慢，畸形，呈扭曲狀，葉尖和葉子邊緣呈紅褐色焦灼狀，但并未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。

2.2 玉米吸收Cd含量 由表2可知，不同濃度Cl-對(duì)玉米吸收Cd有顯著的差異性，玉米地下部和地上部吸收Cd含量并不隨著Cl-濃度的增加而受到抑制，當(dāng)土壤中加入Cl-濃度為200 mg/kg時(shí)，采集的根際土壤中總鎘含量最高達(dá)到46.46 mg/kg;相反，玉米地下部和地上部含量最低分別達(dá)到23.31和7.11 mg/kg，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.31，相對(duì)最大轉(zhuǎn)移系數(shù)0.76，下降了59.2%。這說明只有加入Cl-濃度與土壤中鎘含量在一定范圍內(nèi)，Cl-對(duì)玉米吸收累積鎘才產(chǎn)生抑制作用。

表2 不同濃度Cl-對(duì)玉米吸收Cd含量的影響

2.3 玉米地下部分和地上部分累積Cl-含量 由表3可知，在鎘脅迫下，土壤中Cl-含量處理不同，玉米地下部分和地上部分累積Cl-含量存在顯著差異。當(dāng)氯處理濃度為0～1 200 mg/kg時(shí)，玉米地下部分累積氯含量差異不顯著，氯含量范圍為0.72% ～1.92%，平均值為1.27，氯處理濃度為3 200 mg/kg時(shí)，地下部氯含量為5.49%;當(dāng)氯處理濃度為200～400 mg/kg時(shí)，玉米地上部含量最低為0.04%，氯處理濃度大于1 600 mg/kg時(shí)，玉米含氯量平均為3.16%，差異不顯著。從氯的轉(zhuǎn)移系數(shù)看，土壤中氯濃度為200 mg/kg時(shí)最低為0.05，氯處理濃度為1 600 mg/kg時(shí)轉(zhuǎn)移系數(shù)最高為1.18。

表3 Cd脅迫下玉米累積Cl-含量的影響

2.4 玉米地下部分和地上部分累積Cd與Cl-含量的相關(guān)性分析 由表4可知，在盆栽條件下，玉米地下部分吸收鎘含量與氯含量相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.893，接近0.9。這說明Cl-的存在影響玉米根部對(duì)鎘的吸收累積。玉米地上部分Cd含量與Cl-含量相關(guān)系數(shù)為0.673，說明兩者間的相互影響不顯著。

表4 玉米中Cd含量(X)與Cl-含量(y)的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

氯是植物必需的微量元素之一，在植物體內(nèi)有多種生理功能，不僅影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且參與并促進(jìn)植物的光合作用，維持細(xì)胞滲透壓，保持細(xì)胞內(nèi)電荷的平衡。但是，氯離子濃度對(duì)作物有一定的適應(yīng)范圍，超過某一值時(shí)將對(duì)作物產(chǎn)生不利影響。金安世等［15］研究表明，玉米屬于耐氯植物，氯對(duì)玉米的安全值＜400 mg/kg，臨界值＜800 mg/kg，毒害值＞2 000 mg/kg，致死濃度為3 200 mg/kg。該試驗(yàn)在鎘脅迫下，當(dāng)添加的Cl-濃度為200 mg/kg時(shí)，玉米株高、根長(zhǎng)與對(duì)照相比分別增加了21.39%、56.31%，地上部和地下部的生物量與對(duì)照相比分別增加了79.99%、241.00%;當(dāng)添加Cl-濃度至3 200 mg/kg時(shí)，玉米的生長(zhǎng)受到抑制，株高、根長(zhǎng)和地上部及地下部生物量都顯著下降，但玉米植株沒有死亡。這表明重金屬Cd在土壤溶液中與Cl-形成穩(wěn)定的配合物，不僅影響玉米對(duì)Cl-的吸收，而且在一定程度上影響Cl-在玉米體內(nèi)的轉(zhuǎn)移，減輕Cl-對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的毒害。

重金屬鎘從土壤遷移累積到作物體內(nèi)的含量，不僅取決于它們的存在形態(tài)，更重要的是取決于它們?cè)谕寥乐械纳镉行?。鎘的生物有效性受土壤類型、土壤性質(zhì)、生物類型、重金屬的復(fù)合作用和根際環(huán)境的影響［16］。已有研究表明，在水培條件下，Cl-與自由離子狀態(tài)的Cd會(huì)形成難以被植物吸收的絡(luò)合物，隨著Cl-添加濃度的增加，營(yíng)養(yǎng)液中自由Cd離子的濃度降低，水稻吸收 Cd 的量減少［11］;Cabrera 等［12］研究也發(fā)現(xiàn)，Cl-能降低大麥對(duì)Cd的吸收，但是當(dāng)介質(zhì)中加入腐殖酸后，Cl-會(huì)促進(jìn)大麥對(duì)Cd的吸收，加入腐殖酸后Cl-與Cd形成的絡(luò)合物不穩(wěn)定，自由Cd離子在溶液中的濃度增加，從而促進(jìn)大麥對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)移。這說明Cl-對(duì)植物吸收Cd的生物學(xué)效應(yīng)與溶液中的離子性質(zhì)有關(guān)。在盆栽條件下研究結(jié)果表明，玉米地上部和地下部累積鎘的含量從30.47和20.57 mg/kg下降到22.50和7.11 mg/kg，累積氯離子含量從1.24和1.23 mg/kg下降到0.72和0.04 mg/kg，土壤中氯濃度為200 mg/kg時(shí)轉(zhuǎn)移系數(shù)最低為0.05，氯處理濃度為1 600 mg/kg時(shí)轉(zhuǎn)移系數(shù)最高為1.18。不同濃度Cl-處理玉米吸收累積Cd含量的差異較顯著。

與營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件不同，土壤顆粒、有機(jī)質(zhì)、pH等對(duì)Cd的吸附、解吸等交叉影響，所以植物對(duì)Cd吸收的條件和過程更加復(fù)雜多樣。在土壤中，陰離子對(duì)鎘的配合作用可以提高土壤溶液中自由鎘濃度，即增加鎘的生物有效性的作用。玉米地下部體內(nèi)氯離子與鎘含量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.893(P＜0.05)，玉米地上部體內(nèi)氯離子與鎘含量不存在相關(guān)關(guān)系。甲卡拉鐵等［17］研究表明，NH4Cl處理土壤pH顯著下降0.68個(gè)單位，土壤有效態(tài)鎘比對(duì)照增加82.1%，促進(jìn)Cd從水稻秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)移。蔣先軍等［18］研究表明，與水相比，用NH4NO3和EDTA提取Cd濃度分別增加40、400倍以上。在土培試驗(yàn)條件下，一定濃度范圍的Cl-與鎘的配合作用可以降低玉米對(duì)鎘的吸收。

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