葉面噴施有機(jī)酸對亞麻生長發(fā)育及鎘修復(fù)能力的影響

趙信林，韋秀葉，郭媛，邱化蛟，邱財生，龍松華，王玉富

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所／南方經(jīng)濟(jì)作物研究中心，湖南長沙410205）

土壤重金屬污染是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟須解決的一個重大問題和難題。在所有污染性重金屬中，鎘（Cd）因其強(qiáng)移動性和高毒性，極易進(jìn)入植物體內(nèi)，進(jìn)而對植物的生長發(fā)育造成阻礙。一旦受到Cd污染的植物產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈，其會在動物乃至人體內(nèi)富集，對健康造成嚴(yán)重威脅，因此土壤Cd污染治理一直以來備受關(guān)注［1-2］。在諸多的Cd污染農(nóng)田修復(fù)措施（如物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)等）中，生物修復(fù)中的植物修復(fù)因具有原位修復(fù)、無二次污染、簡單易行、修復(fù)效果好、成本低的特點［3-4］而備受歡迎。然而植物修復(fù)也面臨諸多現(xiàn)實問題，一是植物修復(fù)的效果取決于修復(fù)植物對Cd的富集能力和生物量，而當(dāng)前主要利用的超積累植物大多具有生長緩慢、生物量小的弊端；二是這些超積累植物一般經(jīng)濟(jì)利用價值不高，很難調(diào)動農(nóng)民種植的積極性，從而使得植物修復(fù)難以推廣［5］。因此，尋找生物量大、對Cd富集能力強(qiáng)，并且具有較高經(jīng)濟(jì)利用價值的作物來替代這些超積累植物，以及進(jìn)一步提高該作物對Cd的移除效果意義深遠(yuǎn)［6］。

傳統(tǒng)上講，亞麻是一種常見而古老的韌皮纖維作物，根據(jù)其最終用途一般將其分為油用型、纖用型和油纖兼用型［7］。纖用型亞麻的韌皮纖維可以用于紡織，麻骨可以用來制取生物質(zhì)炭、生物燃料等，總體（包括纖維與麻骨）又可以作為造紙的原料，因此其經(jīng)濟(jì)價值要比當(dāng)下主流的超積累植物高很多。其次，研究［8］證明纖維用亞麻對Cd具有較強(qiáng)的耐受性，并且對土壤中的Cd具有較好的修復(fù)效果。因此纖維用亞麻可以作為一種潛在的生物修復(fù)植物用于Cd污染農(nóng)田修復(fù)。

小分子有機(jī)酸，如檸檬酸、蘋果酸等，普遍存在于土壤中，主要來源于植物根系分泌物、土壤微生物分泌物、動植物殘體的分解等［9］。這類小分子可以局部改善植物生長環(huán)境，對植物根系周圍的養(yǎng)分、重金屬的有效性具有重要的影響［10-11］。研究［12-13］表明，施用小分子有機(jī)酸可以提高作物對Cd的吸收，增強(qiáng)其對Cd污染土壤的修復(fù)效果，但其效果與有機(jī)酸分子的種類和用量密切相關(guān)［13-14］。盡管如此，該類小分子有機(jī)酸對Cd脅迫下亞麻的生長以及對亞麻修復(fù)Cd污染土壤效果的研究還鮮有報道。本試驗擬利用采集于典型Cd污染農(nóng)田的土壤進(jìn)行亞麻的盆栽試驗，在亞麻生長期間通過噴施有機(jī)酸來研究不同有機(jī)酸種類及用量對Cd污染土壤上亞麻生長發(fā)育及對Cd污染土壤修復(fù)效果的影響，以期為進(jìn)一步提高亞麻修復(fù)Cd污染效率提供參考建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自湖南省瀏陽市永和鎮(zhèn)礦山周圍受重金屬污染的農(nóng)田，經(jīng)測定其總Cd含量為6.96 mg／kg，有效態(tài) Cd含量為 2.01～5.05 mg／kg，有機(jī)質(zhì)含量平均為 36.2 g／kg，pH為 5.6。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618—2018）確定該農(nóng)田屬于高度Cd污染農(nóng)田。

供試亞麻品種為中亞麻1號，是由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所選育的中早熟纖維用亞麻品種。株高約95～105 cm，原莖產(chǎn)量依據(jù)不同產(chǎn)地情況可達(dá)6000～11000 kg／hm2，適合全國絕大部分產(chǎn)區(qū)種植，具有較強(qiáng)的抗倒伏品質(zhì)。

供試的小分子量有機(jī)酸為分析純檸檬酸（citric acid，CA）、蘋果酸（malic acid，MA）和草酸（oxalic acid，OA）。

1.2 試驗方法

將采集回的農(nóng)田土壤樣品進(jìn)行前處理，去除土壤中的大石塊、植物殘體等，然后將土壤風(fēng)干，過2 mm篩。將所有土壤樣品充分混勻后進(jìn)行裝盆，每盆裝土8 kg，播種前先取出一部分土，待將亞麻種子均勻撒在盆內(nèi)后，再將取出的土覆蓋到種子上，播種量為每盆80粒種子。試驗設(shè)計見表1，每個處理3次重復(fù)，共布置盆栽30盆。

播種60 d后，亞麻正處于快速生長期，此時進(jìn)行處理有機(jī)酸易被葉片吸收，處理方式為噴施，即將定量的有機(jī)酸溶解到蒸餾水后，用噴壺將藥液噴灑到亞麻植株上。以后每隔3 d處理1次，共處理3次，在最后1次有機(jī)酸處理3 d后進(jìn)行收獲。收獲后測定每盆亞麻植株的平均單株鮮重，并在每盆中隨機(jī)取5株測定其株高和莖粗。然后將每盆內(nèi)所有亞麻植株分為根和地上部兩部分，烘干后分別稱其干重。生物量測定結(jié)束后，分別將根系與地上部粉碎，然后進(jìn)行Cd含量的測定，其測定方法如下：

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定［15］；土壤采用HF-HClO4-HNO3消煮后，通過原子吸收分光光度計測定其總Cd含量［16］；土壤有效態(tài)Cd含量采用DTPA浸提-原子吸收分光光度計測定［17］；植物樣品則通過 HCl／HNO3／HClO4混合液消煮后測定總 Cd含量［18］。

根據(jù)以下公式計算亞麻植株Cd含量、Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)：

亞麻植株Cd含量（mg／kg）＝（根部吸Cd量+莖葉吸Cd量）／植株生物量

亞麻Cd富集系數(shù)＝植株Cd含量／土壤Cd含量

亞麻Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)＝莖葉Cd含量／根Cd含量

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖表中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016處理，利用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析，并用Duncan法在p＝0.05顯著水平上進(jìn)行多重比較，最后用Origin 2019進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理下亞麻的形態(tài)與生物量

由圖1可知，對照亞麻的株高為55 cm，有機(jī)酸處理的亞麻株高在57～71 cm。與對照處理組相比，不同有機(jī)酸種類及用量都可以不同程度地增加亞麻的株高，增加幅度在3.85%～28.90%，其中CA1和MA3處理亞麻株高增加顯著，且增加程度最大，類似的結(jié)果在茄子［19］和辣椒［20］上也有報道；分析還發(fā)現(xiàn)CA1和CA3、MA1和MA3處理的株高分別要比CA2、MA2的高，這可能與土壤Cd的有效性有關(guān)［21］，因為噴灑有機(jī)酸過程中會有部分有機(jī)酸進(jìn)入土壤中，又因為低用量（0.6 mmol）有機(jī)酸抑制了土壤Cd的活性，使得亞麻生長未受到Cd的毒害，亞麻株高較高，中有機(jī)酸用量（1.2 mmol）則增強(qiáng)了土壤Cd的活性，導(dǎo)致亞麻生長受到一定抑制，而高有機(jī)酸用量（2.4 mmol）在增強(qiáng)土壤Cd活性的同時，也提高了亞麻對Cd的耐性，從而與中有機(jī)酸用量的處理相比，在一定程度上提高了亞麻的株高。對照亞麻的莖粗約為0.92 mm，有機(jī)酸處理的亞麻莖粗在0.85～1.02 mm，與對照相比，有機(jī)酸處理并沒有對亞麻的莖粗產(chǎn)生顯著影響。有機(jī)酸葉面噴施處理對亞麻單株重也未產(chǎn)生顯著影響，所有處理的單株重在0.097～0.127 g范圍內(nèi)，但有機(jī)酸處理均有增加亞麻單株重的趨勢。

圖1 不同處理下亞麻的株高、莖粗和單株重Fig.1 Plant height，stem diameter，weight of per plant of flax under different treatments

2.2 不同處理對亞麻吸收Cd特點的影響

由圖2可知，與對照相比，除MA2處理顯著降低了亞麻根系中Cd的含量之外，其他處理對亞麻根Cd含量影響不顯著。3種有機(jī)酸對亞麻根Cd積累的作用不同，所有處理中，MA2處理的亞麻根Cd含量最低，為10.5mg／kg，MA3處理最高，為13.5mg／kg；對于CA處理，隨著有機(jī)酸用量的增加，有降低Cd含量的趨勢；而MA處理則隨著有機(jī)酸用量的增加，先顯著降低亞麻根Cd含量，后又顯著增加了Cd含量；OA處理條件下亞麻根Cd含量隨著有機(jī)酸用量的增加顯著下降。亞麻莖葉中的Cd含量變化規(guī)律與根中的Cd含量變化類似，所有處理中，MA2處理的亞麻莖葉鎘含量最低，為7.75 mg／kg，OA1處理最高，為10.0 mg／kg；但是中高濃度CA及中低濃度MA顯著降低了亞麻莖葉中的Cd含量，其他處理則與對照無顯著差異。亞麻植株Cd含量的變化情況與亞麻莖葉中Cd含量情況完全一致，平均Cd含量在8.10～10.40mg／kg，同樣表明除了中低濃度OA處理的亞麻整株Cd含量與對照接近之外，其他處理均有不同程度的降低。噴施有機(jī)酸對亞麻單株吸Cd量的影響并不顯著，總體在0.84～1.20μg，但是CA處理有降低亞麻單株吸Cd量的趨勢，而高濃度MA及低濃度OA則有提高亞麻單株吸Cd量的趨勢。本研究中，OA在亞麻修復(fù)Cd污染的效果方面要優(yōu)于CA和MA，這與薛博晗等［22］在批堿草上得到的結(jié)果類似，但是也有研究［12］認(rèn)為CA效果好于OA，這可能是由于作物不同產(chǎn)生的差異［11］。

圖2 鎘在亞麻植株體內(nèi)的含量與分布及單株亞麻吸鎘量Fig.2 The content and distribution of cadmium in flax plant and the amount of cadmium absorbed in flax plant

2.3 不同處理對亞麻Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)的影響

由圖3可知，亞麻對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)在0.62（CA2）到0.85（OA2）之間，均小于1，這說明亞麻對Cd從根部向地上部轉(zhuǎn)移的能力較弱，而富集系數(shù)在1.16（MA2）至1.45（OA1）之間，均大于1，這說明亞麻用于修復(fù)Cd污染土壤是可行的［8］。與對照相比，中高濃度CA與中低濃度MA顯著降低了亞麻對Cd的富集系數(shù)，其他有機(jī)酸處理則對亞麻的Cd富集系數(shù)未產(chǎn)生明顯的作用。而對于亞麻體內(nèi)Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)而言，與對照相比，只有OA2處理轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著提高，其他有機(jī)酸處理則與對照無明顯差異。

圖3 不同處理下亞麻對鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)Fig.3 Cadmium transfer coefficient and enrichment coefficient of flax under different treatments

3 結(jié)論

葉面噴施小分子有機(jī)酸會對亞麻的生長發(fā)育、Cd在亞麻各器官內(nèi)的分布及其對重金屬Cd的修復(fù)效果產(chǎn)生一定的影響。通過本試驗主要得到以下結(jié)論：檸檬酸、蘋果酸和草酸對亞麻株高的影響比對莖粗和單株重的影響更顯著，通過葉面噴施小分子有機(jī)酸，中亞麻1號的株高可以增加3.85%～28.90%；高濃度蘋果酸及各個草酸處理可以提高亞麻單株的吸Cd量，從而提升亞麻對土壤中Cd的移除效果，而檸檬酸則可能有降低亞麻修復(fù)Cd污染能力的作用；中亞麻1號對土壤Cd的富集系數(shù)大于1，具有一定修復(fù)Cd污染土壤的潛力；相比檸檬酸和蘋果酸，低用量草酸可以在一定程度上提高亞麻對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)。