鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻生長(zhǎng)及吸收鎘、砷的影響

趙丹博，曹詣，佘瑋，白玉超，崔國(guó)賢

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所，長(zhǎng)沙410128)

由于工業(yè)廢物的排放和不合理的農(nóng)業(yè)管理措施，致使農(nóng)田土壤中鎘 (Cd)、砷 (As)污染日趨嚴(yán)重，并嚴(yán)重影響到當(dāng)代糧食安全和人類(lèi)健康[1]。鎘、砷污染在土壤環(huán)境中具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆轉(zhuǎn)性的特點(diǎn)，使得這兩種重金屬污染土壤的治理和修復(fù)成為亟需解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[2]。目前，國(guó)內(nèi)外通常采用的植物修復(fù)技術(shù)主要有兩類(lèi):一類(lèi)是采用超富集植物來(lái)修復(fù)被重金屬污染的土壤，如遏藍(lán)菜等;另一類(lèi)是采用生物量大而不具備超富集重金屬元素的植物來(lái)修復(fù)利用被污染的土壤，如苧麻、煙草和玉米等[3]。

苧麻 (Boehmeria nivea L.)屬蕁麻科苧麻屬，是我國(guó)特產(chǎn)的多年生宿根性旱地草本纖維作物，栽培面積廣，且具有生長(zhǎng)迅速、根系發(fā)達(dá)和生物量大的特點(diǎn)。近年來(lái)的研究指出，苧麻對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐性和積累能力。有研究報(bào)道鎘的濃度在80 mg/kg可能是苧麻耐鎘閾值[4]，但也有研究指出苧麻在700 mg/kg以上鎘污染土壤上仍能正常生長(zhǎng)[5]。韋朝陽(yáng)報(bào)道，高砷區(qū)苧麻葉、莖、根中的砷含量為536、103和69 mg/kg，地上部的砷含量大于地下部，表明苧麻對(duì)砷具有較強(qiáng)的富集作用[6]。鑒于苧麻對(duì)鎘、砷復(fù)合污染土壤的修復(fù)及富集作用鮮有報(bào)道，本試驗(yàn)旨在研究鎘、砷復(fù)合污染條件下苧麻的生長(zhǎng)及其對(duì)鎘、砷的吸收特征，探討砷對(duì)苧麻吸收積累鎘的作用機(jī)制，以期為苧麻修復(fù)和治理鎘、砷復(fù)合污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試苧麻品種為中苧1號(hào)、湘苧3號(hào)、多倍體1號(hào)和湘苧7號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013年3月進(jìn)行無(wú)性繁殖扦插育苗，約30 d后幼苗移栽。盆栽試驗(yàn)于2013年4月－2013年8月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家麻類(lèi)陽(yáng)光板溫室進(jìn)行，該溫室通風(fēng)、光照條件良好。選取長(zhǎng)勢(shì)一致的苧麻扦插苗洗去根部所帶泥土后，移栽于裝有珍珠巖培養(yǎng)基質(zhì)的塑料桶中 (內(nèi)徑23cm×18cm×25cm)，每盆3株。每周澆灌1/2的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液1次，每次500mL。Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配方為 Ca(NO3)25.79×10－3mol/L，KNO38.02×10－3mol/L，NH4H2PO41.35×10－3mol/L，Mg-SO44.17×10－3mol/L，MnSO48.90×10－6mol/L，H3BO34.83 ×10－5mol/L，ZnSO40.94×10－6mol/L，CuSO40.20×10－6mol/L，(NH4)2MoO40.015×10－6mol/L，F(xiàn)e－EDTA 7.26×10－5mol/L，用NaOH或HCl調(diào)節(jié)pH 6.5左右。2013年6月底破桿，二麻出苗14天后進(jìn)行處理，設(shè)置鎘、砷處理如下:處理1，Cd 5 mg/kg+As 0 mg/kg(作為對(duì)照);處理2，Cd 5 mg/kg+As 50 mg/kg;處理 3，Cd 5 mg/kg+As 100 mg/kg;重復(fù) 3次。Cd、As以 CdCl2·2.5H2O和Na2HAsO4·7H2O的形式加入。

1.3 取樣與分析

于2013年8月1日 (二麻成熟期)測(cè)量株高、莖粗等農(nóng)藝性狀。測(cè)量株高時(shí)，用直尺測(cè)量苧麻植株基部至葉頂端的距離;測(cè)量莖粗時(shí)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量苧麻植株的中間部位，避開(kāi)葉節(jié)處。收獲時(shí)將苧麻分根、莖、葉三個(gè)部分收獲，植株樣品先用自來(lái)水沖洗，然后用去離子水清洗，瀝干水分。105℃殺青半小時(shí)，然后在65℃烘干至恒重，將樣品粉碎、過(guò)篩后備用。樣品采用HNO3－HClO4法消化，在湖南省分析測(cè)試中心用Z－2310原子吸收光度計(jì)測(cè)Cd含量，用AFS－830a原子熒光光度計(jì)測(cè)As含量。鎘積累量=植株重金屬含量×植株生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) (v7.05專(zhuān)業(yè)版)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻生長(zhǎng)及生物量的影響

鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻生長(zhǎng)及生物量的影響見(jiàn)表1。由表1可以看出，隨著污染物中砷的濃度增加，苧麻的株高、莖粗、根干重、莖干重和葉干重均呈下降趨勢(shì)。在鎘、砷復(fù)合污染下，中苧1號(hào)株高較鎘污染處理 (處理1)降低了4.65%～11.63%，莖粗降低了12.21%～17.49%，根干重降低了30.64%～36.19%，莖干重降低了14.01%～24.15%，葉干重降低了17.07%～56.10%;湘苧3號(hào)株高較鎘污染處理降低了12.83%～21.39%，莖粗降低了8.90%～20.89%，根干重降低了29.50%～46.38%，莖干重降低了27.03%～54.95%，葉干重降低了35.96%～51.69%;多倍體1號(hào)株高較鎘污染處理降低了14.47%～28.92%，莖粗降低了17.06%～22.98%，根干重降低了12.90% ～40.25%，莖干重降低了27.00% ～37.33%，葉干重降低了6.86%～57.14%;湘苧7號(hào)株高較鎘污染處理降低了11.81%～14.17%，莖粗降低了8.64%～15.13%，根干重降低了27.71%～56.14%，莖干重降低了47.71%～54.00%，葉干重降低了58.04%～61.51%。結(jié)果表明鎘、砷復(fù)合污染抑制苧麻的生長(zhǎng)，且隨著砷濃度的增加，苧麻的株高、莖粗、根干重、莖干重和葉干重下降越多。

表1 苧麻株高、莖粗和生物量Tab.1 Plant height，stem diameter and biomass of ramie in different treatments

2.2 鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻根、莖、葉中鎘含量的影響

圖1 鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻各部位鎘含量的影響Fig.1 Effect of Cd，As stress on Cd concentration and distribution in ramie

鎘、砷復(fù)合污染對(duì)不同基因型苧麻根、莖、葉內(nèi)鎘含量的影響如圖1所示。在單一鎘脅迫下，苧麻根、莖、葉鎘含量分別平均為56.08 mg/kg、2.45 mg/kg和3.00 mg/kg;當(dāng)污染物中砷濃度增加至50 mg/kg時(shí)，苧麻根中鎘含量降低至42.63 mg/kg，莖中鎘含量降低至1.52 mg/kg，葉中鎘含量升高至7.27 mg/kg;當(dāng)污染物中砷濃度增加至100 mg/kg時(shí)，苧麻根中鎘含量降低至25.70 mg/kg，莖中鎘含量降低至0.85 mg/kg，葉中鎘含量降低至3.70 mg/kg?？傮w而言，在鎘、砷復(fù)合污染下苧麻不同器官之間鎘含量有較大的差異，鎘含量呈根＞葉＞莖的趨勢(shì)，而污染物中砷的添加 (50－100 mg/kg)能降低苧麻根、莖、葉內(nèi)的鎘含量。

2.3 鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻根、莖、葉中砷含量的影響

鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻根、莖、葉中砷含量的影響如表2所示。在As 50 mg/kg、Cd 5 mg/kg處理下，苧麻根、莖、葉中砷含量分別平均為168.96 mg/kg、8.39 mg/kg和12.03 mg/kg;在As 100 mg/kg、Cd 5 mg/kg處理下，苧麻根、莖、葉中砷含量分別平均為206.75 mg/kg、11.63 mg/kg和19.43 mg/kg。由此可見(jiàn)，砷在苧麻各器官內(nèi)的含量呈根＞葉＞莖的趨勢(shì)。在As 100 mg/kg、Cd 5 mg/kg處理下，中苧1號(hào)、湘苧3號(hào)和多倍體1號(hào)根、葉內(nèi)砷含量均高于As 50 mg/kg、Cd 5 mg/kg處理，表現(xiàn)為隨著污染物中砷濃度增高，苧麻根、葉內(nèi)砷含量也隨之增高。然而，當(dāng)砷濃度增加至100 mg/kg時(shí)湘苧7號(hào)根、葉內(nèi)砷含量開(kāi)始下降，比砷濃度為50 mg/kg處理分別降低了5.36%和11.39%，這可能由于100 mg/kg的砷對(duì)湘苧7號(hào)的生長(zhǎng)產(chǎn)生了非常不利的影響，其生理活性受到抑制。

表2 鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻各部位砷含量的影響Tab.2 Effect of Cd，As stress on As concentration and distribution in ramie

2.4 鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻根、莖、葉中鎘積累量的影響

鎘、砷復(fù)合污染下苧麻根、莖、葉中鎘積累量如圖2所示。在鎘、砷復(fù)合污染下，隨著砷濃度的增加，苧麻根、莖中鎘積累量逐漸減小。其中中苧1號(hào)在鎘、砷復(fù)合脅迫下根中鎘積累量較單一鎘脅迫處理降低了25.17%～59.98%，莖中鎘積累量降低了50.71%～81.20%，湘苧3號(hào)根、莖中鎘積累量分別降低了20.59% ～76.63%和77.70% ～91.64%，多倍體1號(hào)根、莖中鎘積累量分別降低了47.66%～56.55%和14.19%～60.43%，湘苧7號(hào)根、莖中鎘積累量分別降低了73.39%～91.45%和61.01%～75.22%。當(dāng)污染物中砷濃度為50 mg/kg時(shí)，苧麻葉中鎘積累量較單一鎘脅迫處理有所提高，其中中苧1號(hào)提高了0.68×10－3mg，湘苧3號(hào)提高了4.93×10－3mg，多倍體1號(hào)提高了7.78×10－3mg，湘苧7號(hào)提高了4.44×10－3mg。當(dāng)污染物中砷濃度增加至100 mg/kg時(shí)，苧麻葉中鎘積累量大幅度下降。與As 50 mg/kg、Cd 5 mg/kg處理相比，污染物中砷濃度為100 mg/kg處理下中苧1號(hào)葉片鎘積累量下降了83.24%，湘苧3號(hào)下降了59.64%，多倍體1號(hào)下降了80.50%，湘苧7號(hào)下降了35.10%。

圖2 鎘、砷復(fù)合污染對(duì)苧麻各部位鎘積累量的影響Fig.2 Effect of Cd，As stress on Cd accumulation in ramie

3 討論與結(jié)論

同一植物的不同部位對(duì)重金屬的吸收和積累存在著較大的差異，一般條件下，大多數(shù)植物吸收的重金屬主要積累在根系而在地上部的含量較低，但在一些重金屬超富集植物中，其地上部重金屬含量是普通植物的100倍甚至1000倍以上[7－9]。一般而言，植物對(duì)鎘的吸收和積累以新陳代謝旺盛器官積蓄量最大，而營(yíng)養(yǎng)貯存器官積蓄量少，其基本分布特點(diǎn)為根＞葉＞枝＞花＞果實(shí)＞籽粒[10]。植物對(duì)鎘的吸收能力，直接受土壤中投加的鎘、砷濃度及其交互作用制約[11]。孫約兵[2]等研究發(fā)現(xiàn)，一定含量的砷可以促進(jìn)球果蔊菜對(duì)鎘的吸收，但高濃度砷 (250 mg/kg)抑制球果蔊菜對(duì)鎘的吸收。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤環(huán)境中同時(shí)存在鎘和砷時(shí)，砷有促進(jìn)苜蓿吸收鎘的功能，而且砷也可促進(jìn)水稻對(duì)鎘的吸收，當(dāng)土壤投加砷濃度為30 mg/kg時(shí)，水稻根、莖葉、籽實(shí)鎘含量水平隨著土壤中砷含量的增加而增加[11]。宋菲等研究指出，土壤中鋅含量的增加會(huì)降低菠菜對(duì)鎘的吸收量[12];佘瑋等也指出鋅、鐵能抑制苧麻對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，鋅、鐵缺失促使苧麻吸收更多的鎘[13]。

本研究結(jié)果表明，隨著污染物中砷濃度增加，苧麻生長(zhǎng)受到抑制，株高、莖粗、生物量下降。當(dāng)污染物中砷濃度為50 mg/kg時(shí)，中苧1號(hào)、湘苧3號(hào)根內(nèi)鎘含量有所增加，中苧1號(hào)、湘苧3號(hào)、湘苧7號(hào)莖內(nèi)鎘含量降低，四個(gè)苧麻品種葉內(nèi)鎘含量均提高;當(dāng)污染物中砷濃度達(dá)到100 mg/kg時(shí)，苧麻根、莖、葉內(nèi)鎘含量均下降。隨著污染物中砷濃度增加，苧麻根、莖內(nèi)鎘積累量呈下降趨勢(shì)，而葉內(nèi)鎘積累量在砷濃度為50 mg/kg處理下增加，在砷濃度為100 mg/kg處理下大幅度下降。在砷濃度為50 mg/kg處理下，苧麻農(nóng)藝性狀開(kāi)始下降，生長(zhǎng)受到抑制，此時(shí)苧麻葉內(nèi)鎘含量及鎘積累量均出現(xiàn)增加趨勢(shì)，可能是由于鎘、砷復(fù)合污染加劇了鎘從地下部向地上部的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)處理液中砷濃度達(dá)到100 mg/kg時(shí)，苧麻各器官鎘含量及鎘積累量均下降，且湘苧7號(hào)體內(nèi)砷含量也開(kāi)始下降，說(shuō)明在砷濃度為100 mg/kg脅迫下苧麻生長(zhǎng)已經(jīng)受到嚴(yán)重的抑制，各方面生理活性下降。

目前關(guān)于苧麻對(duì)重金屬抗性的研究主要集中在對(duì)鎘的研究上，而鎘、砷等復(fù)合污染對(duì)苧麻的影響等研究相對(duì)較少。對(duì)重金屬污染土壤能起到修復(fù)作用的苧麻品種較多，但其修復(fù)能力參差不齊，不同苧麻品種對(duì)不同重金屬的抗性也存在差別[14－15]。因此，重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)苧麻的影響機(jī)理及不同品種苧麻的抗性機(jī)理等，有待加強(qiáng)研究。

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