重金屬污染脅迫下接種AMF對(duì)玉米生長(zhǎng)和鎘鉛含量的影響

游義紅 李博 李明銳 秦麗 湛方棟

摘 要：通過(guò)盆栽試驗(yàn)，以會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)污染土壤為供試土壤，玉米為宿主植物，接種會(huì)澤鉛鋅礦周邊農(nóng)田土著叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）與優(yōu)勢(shì)種群摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae），研究AMF對(duì)玉米生長(zhǎng)、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、鎘鉛含量與累積的影響，結(jié)果表明：接種土著AMF和F.mosseae均顯著增加玉米的株高和生物量，提高植株磷鉀含量與氮、磷、鉀吸收量;增加玉米根際土壤球囊霉素相關(guān)蛋白（Glomalin-related soil protein，GRSP）含量，降低土壤有效態(tài)鎘、鉛的含量與植株鎘、鉛的含量，但對(duì)玉米鎘、鉛累積量沒(méi)有顯著的影響。相關(guān)分析表明，土壤速效磷、鉀含量與玉米磷、鉀含量呈顯著正相關(guān)，玉米磷、鉀含量又與植株生物量呈顯著正相關(guān);玉米根際土壤GRSP含量與有效態(tài)鉛含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，根際有效態(tài)鎘、鉛的含量與植株鎘、鉛含量呈顯著正相關(guān)。可見(jiàn)，接種AMF改善宿主作物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)植株的生長(zhǎng);降低土壤鎘鉛有效態(tài)含量，從而減少作物體內(nèi)鎘鉛的含量。結(jié)果可為重金屬污染土壤的作物生產(chǎn)安全與農(nóng)業(yè)安全利用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：叢枝菌根真菌;礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng);生物有效性;鎘鉛含量;生態(tài)效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：X172

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0457（2019）03-0038-08 國(guó)際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.03.008

Abstract：A pot experiment was conducted to inoculate arbuscular mycorrhizal fungi and dominant population Funneliformismosseae from farmland around Huize Lead-Zinc Mine. We used contaminated soil from Huize Lead-Zinc Mine as test soil and maize as the host plant to understand the effects of AMF on maize growth，mineral nutrition，cadmium （Cd） and Plumbum （Pb） content. The experimental results showed that native AMF and F. mosseae inoculation significantly increased plant height and biomass，and increased the content of nitrogen，phosphorus and potassium in plant phosphorus and potassium uptake. The inoculation also increased the maize rhizosphere soil Glomalin related protein （GRSP） content.? Besides，the application of native AMF and F. mosseae reduced soil available Cd and Pb and the content of Pb and Cd in plants. Correlation analysis showed that the content of soil available phosphorus and potassium had a positive correlation with maize phosphorus and potassium content. The content of P and K in maize presented a notable positive correlation with plant biomass. GRSP content in maize rhizosphere soil was extremely negatively correlated with available Pb content，and the content of available Cd and Pb in rhizosphere was positively correlated with the content of Cd and Pb in the plant. It can be seen that the inoculation of AMF could improve mineral nutrition of host crops and promote plant growth. And then the decreasing available content of Cd and Pb in soil could further reduce the content of Cd and Pb in crops. These results can provide a theoretical and practical basis for crop production safety and safe agricultural utilization of heavy metal contaminated soil.

Key words：arbuscular mycorrhizal fungi; mineral nutrition; bioavailability; Cd and Pb content; ecological effects

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，土壤重金屬污染已成為不容忽視的環(huán)境問(wèn)題。2014年，由環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)農(nóng)田土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中最為突出的是Cd、Ni和Cu等重金屬污染狀況[1]。土壤重金屬污染日益嚴(yán)重導(dǎo)致土壤肥力退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，威脅到人們的食品安全[2]。礦業(yè)開(kāi)發(fā)、工業(yè)排放、農(nóng)用化學(xué)品（化肥、農(nóng)藥等）投入、污水灌溉等輸入土壤的鎘與地球化學(xué)高背景疊加，造成西南喀斯特地區(qū)土壤鎘累積效應(yīng)明顯 [3]。

叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是自然界分布最廣泛的一類(lèi)植物共生真菌，約能與80%的陸地植物形成菌根[4]。在重金屬脅迫下AMF與植物仍能形成共生體，改善植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)與光合生理，促進(jìn)植物生長(zhǎng) [5]，叢枝菌根真菌被認(rèn)為具有提高植物對(duì)重金屬污染的抗性、加快礦區(qū)等廢棄地的植被恢復(fù)等作用[6-8]，關(guān)于 AMF 在植物上的應(yīng)用已有很多報(bào)道，一些試驗(yàn)證實(shí) AM 微生物侵入植物根系后，能夠改變根系構(gòu)型，提高光合作用，促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用，并能提高植株對(duì)病原菌、重金屬、高鹽和弱堿的適應(yīng)性，AMF在植物適應(yīng)重金屬污染中發(fā)揮著重要的作用[9-12]，AMF不僅可以通過(guò)改變根系形態(tài)和根際理化狀況來(lái)保護(hù)植物少受重金屬毒害，還能通過(guò)自身的螯合作用和過(guò)濾作用把重金屬固定在孢子和菌絲中[13]，尤其是根外菌絲[14-15]。利用AMF與植物共生體系有助于在廢棄土地上建立土壤的基本功能，幫助植物從土壤中吸收更多的礦質(zhì)元素和水分，改善植物營(yíng)養(yǎng)狀況，增強(qiáng)宿主對(duì)重金屬的耐性，改良土壤結(jié)構(gòu)[16]。同時(shí)AMF產(chǎn)生的土壤球囊霉素相關(guān)蛋白是土壤的一個(gè)重要碳庫(kù)，可以增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量[17]。

云南礦產(chǎn)資源豐富，素有“有色金屬王國(guó)”之稱(chēng)，鉛鋅礦儲(chǔ)量居全國(guó)首位，由于鉛鋅礦的大量開(kāi)采，所以相較于其他省，云南省土壤重金屬污染的問(wèn)題較為突出[19]，本研究以云南省會(huì)澤縣礦區(qū)冶煉廠周?chē)鷱U棄的農(nóng)田土壤為供試土壤，以不接種為對(duì)照（CK），以接種土著AMF（arbuscular mycorrhizal fungi）和摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae）為處理，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，測(cè)定玉米的生長(zhǎng)（株高、生物量）、生理（Cd、Pb含量）等指標(biāo)，研究接種AMF對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響及Cd、Pb含量和累積量的影響，并分析其原因。本研究對(duì)鉛鋅礦區(qū)重金屬污染農(nóng)田的作物生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)安全利用有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自云南省會(huì)澤縣者海鎮(zhèn)瑪色卡村，E 103o38′12.9″，N 26o34′21.1″，平均海拔2130 m，為高原山地紅壤，土壤有機(jī)質(zhì)含量為21.8 g/kg，全氮、全磷和全鉀含量分別為1.54 g/kg、1.75 g/kg和7.44 g/kg，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為38.1 mg/kg、71.4 mg/kg、614.3 mg/kg，土壤Cd和Pb含量分別4.59 mg/kg和392 mg/kg，pH值6.11。土壤風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，于高壓蒸汽滅菌鍋中，121℃滅菌2 h，滅菌后取出置于室內(nèi)敞開(kāi)環(huán)境放置5 d，晾干待用。

1.2 供試植物及無(wú)菌苗培育

供試植物：玉米會(huì)單4號(hào)，為鉛鋅礦區(qū)主栽的玉米品種之一。挑選50粒經(jīng)過(guò)表面消毒，大小一致且籽粒飽滿的玉米種子作為試驗(yàn)材料。玉米種子用75%乙醇和10%次氯酸鈉表面消毒，消毒后的玉米種子用無(wú)菌水漂洗3次，放入墊有浸濕濾紙已滅菌的培養(yǎng)皿中，在 25℃溫度下恒溫培養(yǎng)3 d，待種子萌發(fā)形成幼苗時(shí)，挑選無(wú)污染且生長(zhǎng)一致的幼苗備用。

1.3 供試菌種

土著AMF源自云南省會(huì)澤縣者海鎮(zhèn)瑪色卡村農(nóng)田土壤，以玉米為宿主植物，擴(kuò)繁AMF，每克土壤含有25～30個(gè)孢子，主要種群有球囊霉屬（Glomus）、盾巨孢囊霉屬（Scutellospora）、巨孢囊霉屬（Gigaspora）、原囊霉屬（Archaeospora）、近明囊霉屬（Claroideoglomus）和其他屬群，其中Glomus的相對(duì)豐度為61.8%，為優(yōu)勢(shì)種群。摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae，BGC YN05）由北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫(kù)提供。以玉米為宿主植物，擴(kuò)繁摩西管柄囊霉，每克土壤含有25～30個(gè)孢子。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2016年5月至7月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)大棚內(nèi)進(jìn)行，每個(gè)盆栽土量為3.0 kg，露白種子每盆移栽3株，試驗(yàn)處理設(shè)對(duì)照（CK）、接種土著AMF、接種F.mosseae 3個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4次。先將2.5 kg土壤裝入花盆中，施加100 g菌劑平鋪于移栽玉米種子下面，再鋪上0.5 kg滅菌土壤蓋住AMF菌劑和玉米種子。在試驗(yàn)的過(guò)程中每周每盆施加200 mL霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液，采用自然光照，試驗(yàn)過(guò)程中控制土壤含水量保持在田間持水量的60%～70%。

1.5 收獲與測(cè)定

玉米種植 60 d后，測(cè)量株高，按照地上部和地下部分別收獲。 植物分別經(jīng)過(guò)自來(lái)水、去離子水清洗后晾干。隨機(jī)取1 g新鮮的根系樣品放入FAA固定液中浸泡，浸泡后再用去離子水沖洗干凈，用濾紙吸干水分用曲利苯藍(lán)-直線截獲法測(cè)定菌根侵染率[20]。

土壤AMF孢子數(shù)測(cè)定：采集根際土壤，采用濕篩傾析-蔗糖離心法測(cè)孢子數(shù)[21]。

土壤球囊霉素相關(guān)蛋白含量測(cè)定：在121℃、103 kPa條件下，采用焦磷酸鈉溶液提取根際土壤球囊霉素相關(guān)蛋白（glomalin-related soil protein，GRSP），考馬斯亮藍(lán)法染色，分光光度法（595 nm）測(cè)定GRSP含量[22]。

土壤有效態(tài)重金屬的測(cè)定：參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》[23]方法測(cè)定土壤重金屬有效態(tài)含量，稱(chēng)取過(guò)2 mm孔徑尼龍篩的風(fēng)干土25.0 g，置于150 mL具塞三角瓶中，加DTPA-TEA（二乙三胺五乙酸-三乙醇胺）浸提液20 mL，將瓶塞蓋緊，于25℃，以180 rpm震蕩頻率下震蕩2 h后，過(guò)濾定容至50 mL，采用石墨爐-原子吸收光譜法測(cè)定溶液Cd的濃度，火焰-原子吸收光譜法測(cè)定Pb的濃度。

植物樣品粉碎過(guò)100目篩，用于植物Cd、Pb含量以及植株N、P、K的測(cè)定。Cd、pb測(cè)定：經(jīng)硝酸-高氯酸（高氯酸∶硝酸=5∶1）消解后，采用火焰原子吸收法測(cè)定植株地上部和地下部Cd、Pb含量，累積量為重金屬含量與對(duì)應(yīng)干重的乘積; N、P、K測(cè)定：參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》[23]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel和SPSS 21.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，用LSD法檢驗(yàn)各處理平均值在0.05和0.01水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌根侵染及植株生長(zhǎng)情況

由表1可見(jiàn)，對(duì)照處理沒(méi)有檢測(cè)到孢子和菌根侵染結(jié)構(gòu)，接種土著AMF和F.mosseae均能對(duì)玉米根系形成有效侵染，侵染率分別為31.35%、47.44%，接種F.mosseae的侵染率顯著高于接種土著AMF的侵染率。接種F.mosseae和土著AMF的孢子數(shù)分別為22個(gè)/g、43個(gè)/g，接種F.mosseae土壤中孢子數(shù)顯著大于土著AMF，說(shuō)明F.mosseae的產(chǎn)孢率在重金屬脅迫下高于土著AMF，與CK相比接種土著AMF和F.mosseae處理的球囊霉素相關(guān)蛋白（GRSP）含量均顯著增加，分別增加了54%和90%，F(xiàn).mosseae處理顯著高于土著AMF處理。

2.3 AMF對(duì)土壤-玉米體系養(yǎng)分含量的影響

圖1可知，接種F.mosseae處理顯著增加土壤中堿解氮含量，接種土著AMF變化不顯著;接種土著AMF和接種均顯著增加了土壤中速效P和速效K含量，其中接種F.mosseae含量最高。并且接種F.mosseae處理土壤速效K含量顯著高于接種土著AMF?？梢?jiàn)接種F.mosseae處理土壤速效養(yǎng)分的增幅最大。

2.4 AMF對(duì)土壤-玉米體系鎘鉛含量的影響

由圖2可知，接種土著AMF和摩西管柄囊霉處理均顯著降低土壤有效態(tài)Cd和Pb的含量，兩接種處理之間沒(méi)有顯著差異。接種土著AMF和摩西管柄囊霉降低土壤有效態(tài)Cd降幅分別為11.63%和13.95%;對(duì)于土壤有效態(tài)Pb的降幅分別為14%和25%，接種摩西管柄囊霉處理下土壤有效態(tài)重金屬的含量最低。

2.5 相關(guān)性分析

由表5可知，土壤堿解氮含量與植株含氮量相關(guān)性不顯著，但速效磷、速效鉀與植株磷、鉀含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系;由表6可知，除去地上部氮含量與植株氮含量相關(guān)性不顯著外，植株的磷、鉀含量均與植株生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

研究表明，AMF能夠提高宿主植物在各種脅迫（如干旱、病蟲(chóng)害、重金屬等）環(huán)境下的生存能力 [19]?？傮w來(lái)說(shuō)，過(guò)量的 Cd 、Pb會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞膜系統(tǒng)、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子受到損害，從而抑制植物的生長(zhǎng)和光合作用[24-27]。本研究中，無(wú)論接種摩西管柄囊霉還是土著AMF均顯著提高了重金屬脅迫下玉米的生物量，表明AMF提高了玉米對(duì)重金屬脅迫的耐受性，促進(jìn)植株的生長(zhǎng)。AMF促進(jìn)植株對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收，AMF具有龐大的菌絲網(wǎng)，根外菌絲的延伸作用，使植株能從根系不能到達(dá)的區(qū)域吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，以滿足自身生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求從而促進(jìn)植株的生長(zhǎng)[28]。同時(shí)接種AMF還能促進(jìn)植株的光合作用，AMF 通過(guò)促進(jìn)植株的電子傳遞速率，提高PSⅡ反應(yīng)中心的反應(yīng)效率和能量利用效率，從而促進(jìn)植株光合作用[29]。

本研究中接種AMF增加了土壤玉米植株N、P、K含量和累積量，說(shuō)明接種AMF能夠促進(jìn)植株礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收。通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)土壤速效P、K的含量與植株P(guān)、K含量和生物量呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明AMF通過(guò)改變土壤速效養(yǎng)分的含量從而影響植株對(duì)N、P、K的吸收和累積。AMF促進(jìn)植株對(duì)N、P、K的吸收和累積主要有兩方面的因素，首先龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)，能夠擴(kuò)大植物吸收養(yǎng)分的面積，增加土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的空間有效性[30-31];其次菌根分泌物的活化作用，能夠提高土壤中N、P、K的有效性，AMF可以促進(jìn)根際難溶性礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的溶解，有利于難溶礦質(zhì)元素的活化利用[32-33]。本研究發(fā)現(xiàn)接種AMF能夠顯著提高土壤中速效養(yǎng)分的含量，土壤中速效養(yǎng)分的含量，均是接種摩西管柄囊霉高于土著AMF，研究表明土壤中速效養(yǎng)分的的含量與菌根侵染率顯著相關(guān)，且接種摩西管柄囊霉的侵染率顯著高于土著AMF，這些結(jié)果與王瑾等[34]的研究結(jié)果一致。

本研究中無(wú)論是接種摩西管柄囊霉還是土著AMF都顯著降低了植株地上部和地下部的Cd、Pb含量，根際土壤中有效態(tài)重金屬的含量會(huì)影響植株對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，AMF通過(guò)改變根際土壤有效態(tài)重金屬的含量，從而影響植株對(duì)重金屬的吸收。本研究中接種土著AMF和摩西管柄囊霉顯著降低了根際土壤中有效態(tài)Cd、Pb的含量，通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)土壤球囊霉素相關(guān)蛋白（GRSP）與土壤有效態(tài)鎘、鉛含量呈負(fù)相關(guān)，有效態(tài)Cd、Pb含量與植株Cd、Pb呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明AMF通過(guò)產(chǎn)生土壤球囊霉素來(lái)減少根際土壤Cd、Pb有效態(tài)含量，影響植株對(duì)于重金屬的吸收，從而影響植株重金屬的含量。

AMF影響土壤中重金屬有效性主要有兩種途徑：首先AMF有龐大的根外菌絲網(wǎng)絡(luò)可以吸附和吸收重金屬，降低重金屬的有效性，減少其進(jìn)入植物體內(nèi)的量。菌絲表面具有較強(qiáng)的吸附作用，菌絲體細(xì)胞壁中的幾丁質(zhì)、纖維素、土壤球囊霉素、游離氨基酸、羧基和羥基官能團(tuán)等能固定重金屬 [35-36];菌絲能夠吸收重金屬，根外菌絲可以擴(kuò)大吸收重金屬的面積 [37-38]，重金屬進(jìn)入菌絲細(xì)胞體內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)特定的重金屬絡(luò)合蛋白、有機(jī)酸能與重金屬結(jié)合，形成重金屬晶體或沉淀[39-40]。 其次AMF會(huì)影響植物的根系分泌物，且其自身也可向土壤分泌粘液、聚磷酸鹽、有機(jī)酸等與重金屬離子結(jié)合[41]，或者通過(guò)改變根際土壤pH，間接改變土壤重金屬的有效性[42]。重金屬脅迫下，現(xiàn)有研究關(guān)于AMF對(duì)植物重金屬吸收的影響有三種觀點(diǎn)，接種AMF增加、降低、不影響植物體內(nèi)的重金屬含量[43-45]。影響AMF對(duì)植物吸收重金屬效果的因素有很多，重金屬污染的類(lèi)型、不同宿主植物的種類(lèi)和根際土壤AMF的種類(lèi)以及植物生長(zhǎng)的環(huán)境條件[46]，都會(huì)影響AMF對(duì)植物吸收重金屬的效應(yīng)。

本研究中無(wú)論是接種土著AMF還是摩西管柄囊霉均能提高植株的生物量，降低植株Cd、Pb含量，這對(duì)于會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)重金屬污染土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。玉米在一定重金屬污染程度的土壤中仍能生存，表明其具有一定的重金屬耐性，我國(guó)耕地少，將重金屬污染的農(nóng)田閑置的代價(jià)過(guò)高，可以在重金屬污染農(nóng)田種植生長(zhǎng)迅速且快熟的玉米[47-48]、甘蔗[49]等能源作物。接種AMF可以緩解重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的脅迫，提高其生物量。

接種土著AMF和摩西管柄囊霉均不同程度的減緩了Cd、Pb對(duì)玉米的毒害作用，AMF能夠促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)，接種處理顯著增加了玉米地上、地下部以及總的生物量;接種處理顯著增加了植株P(guān)、K的含量以及植株N、P、K的累積量;接種處理降低了玉米植株地上部和地下部的重金屬含量。

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