玉米植株各器官中重金屬含量相關(guān)性的研究

謝光明，甘 欣，高亞琴

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院環(huán)境工程中心，成都 610041;2.四川省環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041;3.四川大學(xué)工程設(shè)計研究院，成都 610041)

1 引言

玉米是我國主要的糧食作物，種植面積廣，產(chǎn)量高，除了直接食用外，還廣泛作為畜牧業(yè)和工業(yè)原材料［1］。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的提高，玉米作為食物來源在人們?nèi)粘Ｉ钪兴嫉谋壤絹碓酱?。然而，隨著經(jīng)濟發(fā)展，礦產(chǎn)資源的開發(fā)遍布在農(nóng)村地區(qū)，造成土壤不同程度的重金屬污染。所以玉米在土壤污染地區(qū)對重金屬的富集作用備受公眾關(guān)注［2］。

一般而言，金屬礦山有伴生礦存在，礦區(qū)土壤的重金屬污染具有多樣性。即同一類礦山往往會因其伴生礦的不同或礦區(qū)其他重金屬含量不同，具有多樣性［3］。不同金屬離子在植物器官中的遷移轉(zhuǎn)化具有協(xié)同或拮抗作用，而土壤中的營養(yǎng)元素對植物吸收重金屬也有一定的影響［4］。所以，用礦區(qū)土壤進行栽培試驗研究重金屬離子在植物中的遷移轉(zhuǎn)化具有重要理論意義和現(xiàn)實意義。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

供試玉米選擇6個品種，分別記為品種1號～6號。栽培土壤選擇我國西南某省鉛鋅礦區(qū)的土壤。栽培土壤首先去除土樣中的雜質(zhì)、自然風(fēng)干、壓碎、磨細(xì)后過2目篩等預(yù)處理過程。預(yù)處理后土壤的理化性質(zhì)為:pH值為8.24、全氮含量為1.60g/kg、堿解氮為102.0mg/kg、速效磷為51.40mg/kg、速效鉀為 237.5mg/kg、有機質(zhì) 27.60g/kg、總鉛3295mg/kg、總銅49.50mg/kg、總鎘54.50mg/kg、總鎳108.3mg/kg、總鋅412.0mg/kg。

2.2 實驗方案

2.2.1 玉米盆栽試驗設(shè)計

在土培實驗前，將預(yù)處理的土壤土壤加水至田間持水量的65% ～75%，自然風(fēng)干，再加水，再自然風(fēng)干，如此鈍化一個月。然后每盆裝土20kg，加入復(fù)合肥作為基肥。供試的6個玉米品種，每個品種做3個重復(fù)，共18盆，每盆種玉米5株，分別在出苗期、拔節(jié)期、開花期、完熟期采樣作為實驗材料。

在玉米培養(yǎng)過程中，定期澆水，定量施肥(尿素+蒸餾水兌成)，土壤濕度保持在田間濕度的65%～75%。在澆水和施肥過程中，不會帶入重金屬，不會引起供試土壤重金屬含量的顯著變化。

2.2.2 樣品的采集和制備

采集成熟期玉米的植物樣品和土樣。植物樣本采集后，首先用自來水沖洗以去除表面的泥土和灰塵;然后再用去離子水沖洗2～3次，再將樣本的根、莖、葉、籽剪下，分別在105℃烘箱內(nèi)殺青45min;再將烘箱調(diào)至80℃，將樣品烘干至恒重并稱量記錄干物質(zhì)重;最后將樣品磨碎過60目篩，備用。土樣樣品采集后，在室內(nèi)烘干，壓碎磨細(xì)后過100目篩，制成土壤樣品備用。

2.2.3 測定指標(biāo)及分析方法

植物重金屬含量及土壤基本理化性質(zhì)測試指標(biāo)及測試方法［5］，見表1。

表1 各指標(biāo)的測定方法Tab.1 Methods of detection

3 結(jié)果與分析

3.1 不同玉米生物量

在植株盆栽實驗條件下，玉米的葉片占了植株生物量的51.60%～55.55%，是玉米各器官中生物量最大的。玉米莖部占植株生物量在28.10%～31.90%之間，而其根部的生物量占植株生物量比例在14.70%～17.60%之間。正常情況下，玉米植株生物量在各器官中的比例為:莖＞葉＞根。而本次實驗玉米植株生物量在各器官中的比例為:葉＞莖＞根。這主要是因為在受高濃度重金屬脅迫下，供試玉米根系發(fā)育受損，使得供試玉米植株矮小、發(fā)育不良，間接造成供試玉米的莖發(fā)育不良。

3.2 玉米各器官中重金屬含量

3.2.1 玉米各器官中重金屬含量

為了衡量供試玉米植株籽粒中重金屬含量的情況，本文直接將供試玉米植株籽粒中的重金屬含量與糧食及制品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn) (NY861－2004)［6］進行對比，結(jié)構(gòu)表明，6個供試玉米品種植株籽粒中的Ni、Pb及Zn三項指標(biāo)全部超標(biāo);部分供試玉米品種植株籽粒中的Cd超標(biāo);所以供試玉米植株籽粒中的Cr和Cu兩項指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

3.2.2 玉米各器官重金屬含量的相關(guān)性分析

不同重金屬對玉米植株對某種重金屬的吸收存在著吸收促進作用與吸收抑制作用。促進作用表現(xiàn)在供試玉米植株某個器官對一種重金屬的吸收會促進另一種重金屬的吸收或一種重金屬含量高會促進其吸收另一種重金屬;吸收抑制作用是指一種重金屬的吸收會抑制另一種重金屬的吸收或一種重金屬含量高會抑制吸收另一種重金屬。相關(guān)的研究結(jié)果表明，供試植株的不同器官對重金屬的吸收也各不相同。為了探討供試植株的不同器官對各種重金屬的吸收情況，本文對6個供試品種18個樣品葉片、莖稈、根部及籽粒4個器官中的重金屬含量進行相關(guān)性分析，其結(jié)果見表2～表5。

表2 供試玉米植株葉片中各種重金屬含量的相關(guān)性Tab.2 The correlation of heavy metal concentrations in corn leaves

表2表明，在供試植株葉片中，Cu和Ni之間的相關(guān)，性最大，其相關(guān)系數(shù)為0.795，其次是Pb和Zn，其相關(guān)系數(shù)為0.518;Cr和Cu之間的相關(guān)性最小，其相關(guān)系數(shù)為－0.703，其次是Zn和Cr，其相關(guān)系數(shù)為－0.304。以上的結(jié)果說明供試植重金屬濃度株葉片吸收重金屬過程中:Cu和Ni及Pb和Zn之間分別存在著促進作用;Cr和Cu與Cr和Zn之間分別存在著抑制作用。

表3 供試玉米植株莖稈中各種重金屬含量的相關(guān)性Tab.3 The correlation of heavy metal concentrations in corn stalks

表3表明，在供試植株莖稈中，Cd與Cr之間的相關(guān)系數(shù)為0.525，Pb與Zn之間的相關(guān)系數(shù)為0.538。其余重金屬含量的相關(guān)不顯著，說明供試植株莖稈吸收重金屬過程中:Cd和Cr及Pb和Zn之間分別存在著促進作用，重金屬間的抑制作用不明顯。

表4 供試玉米植株根部各種重金屬含量相關(guān)性Tab.4 The correlation of heavy metal concentrations in corn root

表4表明，在供試植株根部各種重金屬含量中，Cu與Ni和Pb的相關(guān)性較大，分別為0.585和0.439;Pb和Zn的相關(guān)性為0.460，其余重金屬含量間的相關(guān)性不顯著，說明供試植株根系吸收重金屬過程中:Cu與Ni和Pb分別存在著促進作用，Pb和Zn之間存在促進作用，而其他重金屬之間的抑制作用不明顯。

表5 供試玉米植株籽粒中各種重金屬含量相關(guān)性Tab.5 The correlation of heavy metal concentrations in corn seeds

表5表明，在供試植株籽粒各種重金屬含量中，Pb與Cd的相關(guān)性最大，它們之間的相關(guān)系數(shù)為0.695，其次為Pb與Zn，它們之間的相關(guān)系數(shù)為0.614，Zn與 Cd、Cu、Ni的相關(guān)系數(shù)分別為0.486、0.423和0.483。綜上所述，在供試玉米植株中，Zn與Cd、Cu、Ni、Pb之間存在相互促進作用。除此之外，Pb與Cd、Cu之間也存在相互促進作用，Cu和Cr也存在一定的相互促進作用。

3.3 重金屬在各個器官中的相關(guān)性分析

由3.2可知，在所有供試玉米植株中的Ni、Pb及Zn三項指標(biāo)全部超過糧食及制品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)，本文將分析供試植株各個器官中這3項指標(biāo)的相關(guān)性。供試玉米植株各器官中的Ni、Pb和Zn含量的相關(guān)性見表6。

從表6可知，供試植物各器官中，Ni含量的相關(guān)性較差，莖稈與籽粒間的相關(guān)性為－0.286，若植物莖稈中Ni含量高，則籽粒中的Ni含量低，間接說明Ni在供試玉米植株的莖稈與籽粒之間存在交換的情況。

供試植株各器官中的Pb含量相關(guān)性較大 (除莖稈與根部外)，說明Pb在這些器官中的運輸方式是主動運輸，而從根部到莖稈;供試植物各器官中Pb含量 (除莖稈與根部外)的相關(guān)性較好。相關(guān)研究表明，玉米根系吸收Pb的能力最強，是莖稈、籽粒含量的幾十倍甚至幾千倍，其可能原因是處根系外，供試玉米植株的莖稈、籽粒對鉛的吸收可能存在一個飽和上限［7］。供試植株根部與莖稈的相關(guān)性較差可能是莖稈對鉛的吸收達(dá)到了飽和上限。

表6 供試植株各個器官中Ni、Pb和Zn的相關(guān)性Tab.6 The correlation of Ni，Pb，and Zn concentrations in each corn organs

供試植株各器官中籽粒與莖稈中Zn含量的相關(guān)較差，其相關(guān)系數(shù)為－0.438。以往的研究表明，Zn在玉米植株不同器官的分布規(guī)律為葉片＞根部＞莖桿＞籽粒，Zn在玉米植株內(nèi)的移動性較大，其最容易在籽粒中積累［8］。所以，籽粒與莖稈中Zn含量相關(guān)較差，其主要原因可能是Zn容易在籽粒中富集。

4 討論

重金屬環(huán)境脅迫下供試玉米植株的生長發(fā)育和產(chǎn)量等都會受到影響［9］，其主要表現(xiàn)為重金屬不僅會對玉米植株的生育期 (例如:抽穗期、成熟期)造成延遲［10］，而且還會影響玉米的各器官(例如:根、莖、葉、籽粒)的生長發(fā)育［11］。

本實驗表明，6個供試玉米品種植株籽粒中的Ni、Pb及Zn三項指標(biāo)全部超標(biāo)，說明供試玉米植物具有潛在修復(fù)重金屬污染土壤的能力，可以有效降低受污染土壤中的高含量的重金屬。雖然供試玉米植株的玉米籽粒不能實用，但是可以通過輪番種植玉米的方式用于實地修復(fù)，將玉米莖稈、葉片及籽粒等作文回收提煉重金屬的材料，收獲經(jīng)濟效益。

在使用玉米植株進行受污染土壤的修復(fù)時，可以添加物料來輔助植物修復(fù)。文獻研究表明，常見的添加物質(zhì)主要有酸堿物質(zhì)、絡(luò)合劑、有機物料、植物激素等。宮恩田通過利用CO2誘導(dǎo)玉米修復(fù)重金屬污染土壤時發(fā)現(xiàn)，CO2誘導(dǎo)可以增大玉米的葉片面積，增高植株及植株干重，從而增加植株對重金屬的吸收［12］。

5 結(jié)論

(1)在實驗土壤情況下，6個供試品種植株籽粒中重金屬含量中Ni、Pb、Zn等三項指標(biāo)所有玉米品種全部超標(biāo)，Cd有部分品種的玉米超標(biāo)，Cr、Cu兩項指標(biāo)所有玉米全部達(dá)標(biāo);重金屬元素在玉米各器官中的含量具有交互效應(yīng)，如在葉片中Cu和Ni、Pb和Zn存在顯著正相關(guān);葉片和莖稈中的Cd、Pb、Zn呈顯著性正相關(guān)。

(2)供試植物中，莖稈與籽粒中Ni含量存在交換的情況;供試植株根部與莖稈中Pb含量差異較大可能是莖稈對鉛的吸收達(dá)到了飽和上限;籽粒與莖稈中Zn含量相關(guān)較差主要是Zn在玉米植株內(nèi)的移動性較大，且Zn最容易在籽粒中積累。

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