铜污染土壤中不同多年生黑麦草品种富集效应的评价

陈鸣晖，刘大林，张卫红，马晶晶，赵国琦

(扬州大学 动物科学与技术学院，江苏 扬州 225009)

刘大林为通讯作者。

随着工业化发展和城市化进程的不断推进，工业污染中的重金属进入到土壤中，造成了土壤重金属含量的超标，影响了土壤中微生物和酶的活性。重金属不仅难以清除，而且被农作物吸收后会影响人类的身体健康。铜是植物生长的必要元素之一，然而植物对环境中的铜具有较强的敏感性，稍过量的铜(150～300 mg/kg)即会对植物产生毒害作用，使植物生长受阻[1]，当土壤中的铜含量超过植物生长所需时反而会对植物有毒害作用，甚至会对植物造成不可逆转的致死效应[2]。据研究报道，沈阳一闸支渠中污泥Cu含量达274 mg/kg，污水灌溉农田后土壤中Cu含量为70.0～270.0 mg/kg[3]，铜陵铜官山矿区土壤重金属铜含量为248 mg/kg[4]，德兴铜矿土壤中铜含量平均为186.5 mg/kg[5]，而国标土壤环境标准值仅为35 mg/kg(GB15618-1995)。传统的土壤修复方法，不仅成本昂贵，而且可能会对土壤造成二次伤害。利用在土壤原位栽培植物来去除污染物的植物修复技术，是在不破坏土壤生态环境的前提下，最大限度地降低或消除有毒有害物质；而且修复成本低，能提高土壤肥力，保持土壤微生物和酶的活性[6]，也是近年来研究的焦点和热点，越来越受到人们的重视。

多年生黑麦草(Loliumperenne)为多年生草本植物，对盐分、污水和有机物等都表现出极强的抗性[7-8]。其生长迅速，分蘖能力强，可以迅速覆盖地面[9]，耐贫瘠，生态阈值广，耐旱性强，能在恶劣的环境中生长，甚至在寸草不生的尾矿地都能生长[10-11]。徐卫红等[12]研究表明，相对其他的植物，黑麦草对土壤中的重金属都表现出较强的吸收能力，一年能多次刈割，通过多次刈割可以逐步减少土壤中的金属含量，达到净化污染土壤的目的。目前也有研究结果表明，多年生黑麦草对多种重金属有较强的富集能力[13]，但关于多年生黑麦草对铜的富集研究较少。同时，植物在对重金属污染土壤净化过程中，首先要能够成活，并有一定的产量，在地表形成覆盖层；较好覆盖层的形成有利于防止水土流失和风蚀侵害，从而避免造成重金属的二次污染。因此，采用温室盆栽的方法，在测定10个多年生黑麦草在不同铜污染土壤中干物质量的基础上，对其不同部位的铜的富集量进行对比研究，最后利用隶属函数对其进行综合评价，从而筛选出富集效果较好的多年生黑麦草品种，以期为铜污染土壤的恢复治理提供一定的参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试的10个多年生黑麦草品种均由江苏省农业科学院畜牧研究所提供(表1)。试验地施用的重金属为Cu SO4·5H2O(AR)，分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

表1 试验材料与编号

1.2 试验方法

试验材料培养采用盆栽法。花盆内径35 cm，深25 cm。盆栽试验所采用的土壤为沙壤土，pH 6.68，有机质含量12.0 g/kg，全氮含量1.02 g/kg，碱解氮为100.4 mg/kg，速效磷为36.3 mg/g，速效钾为88.7 mg /kg，土壤中金属Cu2+背景值为3.43 mg/kg。去除土壤中的石子、枯枝落叶和植物根茎，然后风干。基肥为尿素、磷酸二按和硫酸钾，按高产田水平施用(尿素2 g/盆，磷酸二铵1.6 g/盆，硫酸钾1.0 g/盆)。土壤中Cu2+浓度依次设为0，50，150，300 mg/kg共4个浓度。播种前将试验土壤、基肥和CuSO4·5H2O(AR)试剂按照设定比例搅拌均匀后装盆，每个品种每个处理3次重复，多年生黑麦草三叶期定苗，每盆10株。试验过程中每天及时补充土壤水分，同时为了防止浇水造成土壤重金属Cu2+的流失，在每个花盆下面均放置塑料托盘，每次浇水后将渗出的水溶液再返倒回花盆。

1.3 测量指标

1.3.1 牧草干物质量测定 待牧草抽穗期，将供试多年生黑麦草收获，收获后105℃杀青1 h，然后75℃烘干至恒重，称其重量，即为多年生黑麦草干物质量。

1.3.2 样品中铜含量的测定 采用原子吸收法测定样品中的铜含量[14]。即将烘干后的多年生黑麦草的根部，茎秆和叶片分开，然后将其分别粉碎后，准确称取0.5 g置于瓷坩埚中，然后放置在电炉上缓慢加热至完全炭化，移入马弗炉中在500℃条件下灰化5 h，冷却后取出坩埚，用HNO3∶HClO4(4∶1)混合液消解至溶液澄清，然后移入50 mL容量瓶加去离子水至刻度，作为待测样。然后，分别用0.5%硝酸将铜标准使用液配置成含铜，0.00、0.10、0.20、0.40、0.80、1.20 μg/mL标准样液，混匀后上机324.7 nm波段下测定吸光度，做标准曲线。同时以空白作对照，取适量水样测定其铜含量[15]。

1.3.3 铜富集能力评价 以10个多年生黑麦草在不同污染程度的土壤中的产量及多年生黑麦草根、茎、叶3个不同部位的铜富集能力作为指标进行综合评价，采用隶属函数法对10个多年生黑麦草的铜富集能力进行比较评价。然后根据各指标的具体隶属函数值，计算出平均值后进行比较，平均值越大表示该牧草的铜富集能力越强[16]：

D(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi为第i个指标值，Xmax为所有多年生黑麦草品种第i个指标的最大值，Xmin为所有多年生黑麦草品种第i个指标的最小值。

1.4 数据处理

利用Excel 2003将原始数据进行输入，然后用SPSS 18.0进行Duncan法单因素方差分析和多重比较，最后用Excel 2003进行作图和隶属函数计算。

2 结果与分析

2.1 铜处理对多年生黑麦草干物质量的影响

10个多年生黑麦草品种在不同浓度铜污染土壤中其干物质量相比对照，土壤中Cu2+浓度50 mg/kg时对多年生黑麦草的干物质量具有明显的促进作用(图1)。随着土壤中Cu2+浓度的进一步增加，多年生黑麦草干物质量均表现为降低趋势，且存在显著差异(P<0.05)。Cu2+浓度为50和300 mg/kg时，黑麦草5(Harukaze)的干物质量依次为164 g/(10株)和124 g/(10株)，为试验组最高，均与其他黑麦草的干物质量之间存在着显著性差异(P<0.05)。Cu2+浓度为150 mg/kg，黑麦草8的干物质量为133 g/(10株)，而黑麦草5(Harukaze)的干物质量为132 g/(10株)，两者之间没有显著性差异，但这两个黑麦草干物质量与其他黑麦草的干物质量之间均存在着显著性差异(P<0.05)。由此可见同种黑麦草对不同浓度Cu2+的响应也有所差别，土壤中Cu2+浓度相同时，多年生黑麦草5(Harukaze)的干物质量整体上均显著高于其他多年生黑麦草品种。

图1 10个多年生黑麦草品种在不同铜污染土壤的干物质量Fig.1 Dry matter of 10 perennial ryegrasses in different soil copper concentrations注：不同大写字母表示同种多年生黑麦草在不同浓度Cu2+处理间差异性显著(P<0.05)，不同小写字母表示相同浓度Cu2+处理下不同品种间差异性显著(P<0.05)，下同

2.2 黑麦不同部位对铜的富集作用

2.2.1 多年生黑麦草根系对铜的富集能力 10个多年生黑麦草品种根系对重金属铜富集量。结果表明，在试验范围内，相同品种多年生黑麦草根系中重金属铜富集量随着土壤中Cu2+浓度的升高而升高。土壤中Cu2+浓度为300 mg/kg时各品种多年生黑麦草中的铜富集量均达到最大值，其富集含量平均为对照组的25.47倍，最大为对照组的31.70倍。土壤中Cu2+浓度相同时，不同品种多年生黑麦草根系对重金属铜富集含量也不相同，表现出明显的差异性(P<0.05)。土壤中Cu2+浓度为300 mg/kg时，多年生黑麦草4(Wasefudou)的根系对铜的富集含量最高，多年生黑麦草5(Harukaze)的根系富集含量最低，而土壤中Cu2+浓度为50或150 mg/kg时不符合此规律，Cu2+浓度为150 mg/kg时，多年生黑麦草1(Wasehope)的根系富集含量最高，而多年生黑麦草2(Waseaoba)和3(Waseyutaka)的富集含量最低，因此，不同浓度Cu2+处理下，不同品种多年生黑麦草根系中铜富集量也不相同(图2)。在铜胁迫下，多年生黑麦草根部是主要的铜富集器官。

图2 10个多年生黑麦草品种根系的铜富集量Fig.2 Copper enrichment in roots of different perennial ryegrasses

2.2.2 多年生黑麦草茎秆对铜的富集能力 在试验条件下，茎秆中铜的富集量随着土壤中铜浓度的升高而增大，且存在着显著性差异(P<0.05)。10个多年生黑麦草在不同浓度的铜处理下茎秆中富集量也不相同，土壤中Cu2+浓度为300 mg/kg时，多年生黑麦草8(Tachimasari)的茎秆中铜富集量最高，但与其他品种的多年生黑麦草茎秆中的铜富集量没有显著性差异(P>0.05)；而土壤中Cu2+浓度小于300 mg/kg时，不同品种多年生黑麦草茎秆中铜富集量之间差异显著(P<0.05)，其中Cu2+同浓度为150 mg/kg时，多年生黑麦草6(Tachimusya)的铜富集量最高，多年生黑麦草2(Waseaoba)的铜富集量最低(图3)。

图3 多年生黑麦草茎秆的铜富集量Fig.3 Copper enrichment in stems of different perennial ryegrasses

2.2.3 多年生黑麦草叶片中的铜富集量 试验条件下，叶片中铜富集量也随着土壤中Cu2+浓度的升高而增大。相同浓度Cu2+处理下，10个多年生黑麦草叶片中的铜富集量之间也存在着显著差异(P<0.05)。不同品种多年生黑麦草在不同浓度Cu2+处理下，叶片中铜的富集量也不相同。其中Cu2+浓度为50和300 mg/kg时，多年生黑麦草9(Wasehopem)的铜富集量最高，而Cu2+浓度为150 mg/kg时，多年生黑麦草7(Doraian)叶片中铜富集量最高(图4)。试验再次说明多年生黑麦草根部是铜富集器官，其次为茎叶。

图4 多年生黑麦草叶片的铜富集量Fig.4 Copper enrichment in leaves of different perennial ryegrasses

2.3 铜富集能力综合评价

隶属函数值越大表示牧草的铜富集能力越强，多年生黑麦草不同部位对铜富集能力也不同，其中根系对铜的富集能力最强，茎秆次之，叶片的铜富集量最少。对10个多年生黑麦草的铜富集能力进行隶属函数分析，多年生黑麦草5(Harukaze)的铜富集能力最强(表2)，多年生黑麦草7和9的铜富集能力差。

3 讨论

研究表明，多年生黑麦草的干物质量随着土壤Cu2+浓度的增加呈先增高后降低的变化趋势，其中Cu2+浓度为50 mg/kg时干物质量均高于对照和其他处理组，表现出促进生长的效果；然而Cu2+浓度大于50 mg/kg时，干物质量则均低于对照，表现出明显的抑制效果。其原因可能是铜元素是植物生长的必须元素，土壤中适量Cu2+的存在促进了植物的生长发育，从而使得干物质量高于对照；Cu2+也是重金属之一，所以当土壤中的Cu2+浓度浓度高于植物耐受范围之后，抑制了植物对所需营养元素的吸收利用，从而对植物的生长表现出抑制作用[17]。试验结果与王小玲等[18]对铜胁迫下苏丹草的干物质量响应规律一致，但与象草的响应规律有所出入，其原因可能是试验材料的不同造成。

表2 10个多年生黑麦草品种的铜富集能力比较

试验条件下，多年生黑麦草根部的铜富集量越多，植物干物质量越低。其原因可能为根系中铜的过多积累对根系组织具有破坏作用，导致根系活力下降、发育和物质运输受阻，从而抑制了多年生黑麦草的正常生长；也可能是铜胁迫破坏了多年生黑麦草的细胞器超微结构，从而阻碍植物呼吸代谢、光合作用和细胞分裂等生理功能的正常进行，最终导致植物的干物质量质量下降。但试验中有些多年生黑麦草品种间没有表现出根部的铜富集量越多，植物干物质量越低的变化趋势[19]。多年生黑麦草根部的铜富集量最高，其次是茎部的，最后是叶部，试验结果与杨明琰等[20]对黑麦草不同部位Pb的富集研究结果一致，也与张尧等[21]对黑麦草Cd的富集研究结果一致，均为根部的富集量最高，茎部次之，叶部最少，其原因可能是根系是直接与重金属污染土壤接触的部位，最先吸收并积累重金属铜，然后由茎部再向叶部运输，在运输过程中植物器官阻碍了Cu的输送[16]。

4 结论

随着土壤中Cu2+浓度的增加，10个多年生黑麦草在Cu2+胁迫下的干物质量之间存在着差异性，不同品种牧草对铜的富集能力之间也存在差异性，不同部位对铜的富集能力也不尽相同。因此，用单一的指标很难准确而全面的对黑麦草的铜富集能力进行评价，应采用多种指标的综合评价方法对其进行评价。鉴于此，采用隶属函数法对10个多年生黑麦草品种在Cu2+胁迫下的1个生物学形态指标和3个不同部位的铜富集量进行综合分析对比，得出多年生黑麦草5(Harukaze)具有较好的铜富集能力。因此多年生黑麦草品种Harukaze在铜污染土壤恢复治理中可优先考虑。

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