农田土中外源Ti(Ⅳ)对Cd胁迫下油葵生长的影响

2018-08-01丁艳萍夏焕焕谢芳芳

江苏农业科学 2018年13期

丁艳萍，夏焕焕，谢芳芳，李玲

(新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐 830046)

多年来，土壤中重金属污染问题备受关注，关于土壤中重金属的防治及修复技术正成为研究的重点。镉(Cd)是植物非必需元素，但许多植物均能从水中和土壤中摄取Cd并在体内累积，累积量取决于环境中Cd的含量和形态[1-2]。土壤中过量的Cd，不仅能在植物体内残留，还会在土壤及植物中迁移转化，在食物链中积累和放大，对植物的生长发育产生明显的危害并影响动植物的生存[3]。由于Cd对人体危害的风险水平超过汞(Hg)和铅(Pb)的3～4个数量级[4]，故Cd的存在在很大程度上对人类健康构成威胁。钛(Ti)是一种非必需元素，可以通过加强植物叶部光合作用及根部固氮作用而达到增产的目的[5]。我国城市近郊农田土壤由于大气沉降、污水灌溉、农药使用、固体废弃物堆放等问题，很多农田都受到了不同程度的重金属污染[6]，然而土壤中重金属的污染往往是多种金属同时存在的[7]，而这种复合污染受很多因素的影响，在治理中通常存在较大的难度。周坤等研究发现，喷施锌(Zn)能够提高番茄产量，同时番茄根部及叶部Cd含量最高[8]。Chlopecka等发现，添加铁(Fe)的氧化物能够显著降低玉米及大麦Cd的含量，说明某些金属在促进植物生长的同时抑制重金属在植物中的累积[9]。Ti通过不同方式进入土壤中，常以TiO2的形式存在[10]。张文通等提出，TiO2吸收光子后，价带上产生空穴，其他重金属离子可作为受体被氧化，从而大大降低重金属的危害，同时也提出利用TiO2修复重金属Pb、铜(Cu)等原位修复法降低污染土壤重金属治理的修复剂[11-13]。西北很多地区土地为盐碱性土壤，具有特殊的理化特性，土壤偏碱性，目前针对盐碱化土壤中Ti对重金属Cd累积规律的研究却鲜有报道。同时，油葵具有较强的耐受性[14]，因此本试验采用油葵为供试作物，采用室内静态土培盆栽的方法，研究不同剂量外源Ti及Cd配施对油葵生长，Cd吸收和转运作用的影响，探究Ti对重金属Cd的影响，旨在为土壤中重金属Cd的修复及钛肥的合理施入提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及材料

供试土壤采自新疆某石化企业污水库周边农田0～20 cm 表层土壤，土壤的采集采取棋局采点取样法，每点相距2 m，每点取土2 kg。将采集的土壤经室内自然晾干后，剔除杂物、磨碎，过2 mm筛，置于自封袋中备用。前期经粉末衍射分析，发现该土壤主要的矿物组分为长石、石英、伊利石、闪脚石等[15]。试验中Ti与Cd分别使用分析纯草酸钛钾(C4K2O9Ti·2H2O)及氯化镉(CdCl2·2.5H2O)。

1.2 试验方法

植物中重金属总量及土壤残渣态含量均采用H2SO4-HClO4-HCl电热板法消解。土壤形态分析采取Tessier连续提取技术提取[16]。所有试验均进行3组平行样处理，用火焰原子吸收仪测定待测液中Cd的质量浓度。ICP-MS测定土壤中重金属的背景值。

1.3 形态分析和盆载试验

分别称取1.0 kg风干土壤于16.5 cm(直径)×12 cm(高)的塑料花盆中，以溶液的形式，按Cd单一胁迫[设0(对照)、5、10、20、30 mg/kg共5个处理]、Ti+Cd复合胁迫[设 0+0(对照)、500+5、1 000+10、2 000+20、3 000+30 mg/kg共5个处理]设置处理，并与土壤混合均匀，每个处理3次重复。为防止淋溶渗漏损失，花盆下方放置塑料托盘，若发生渗漏将渗漏液倒入花盆。平衡2个月后，于2015年4月在新疆大学5号楼511温室内进行油葵的种植，培养期间用去离子水浇水，肥料均一次性施入作底肥，基肥中P(NH4NO3)、K(KH2PO4)的用量分别为250、109 mg/kg，N(NH4H2PO4和尿素)为 250 mg/kg。同时向盆中播入油葵籽，出苗后油葵每盆定苗3株。放置室内培养，60 d后收获。收获时，用去离子水洗净，并测定油葵地上、地下部分长度后，置于120 ℃下杀青30 min，然后85 ℃烘干至恒质量，测定其干质量，再测定各部分的Cd含量。形态分布按照Tessier连续提取法将土壤中的Cd分成可交换态(EX)、碳酸盐结合态(CARM)、铁锰氧化物结合态(Fe-Mn)、有机质结合态(OM)和残渣态(RF)5个形态，其中有效态(或称可利用态)指前3个形态之和，因其活性高而能够被植物吸收利用。

1.4 数据分析

试验数据的分析采用Excel 2010及SPSS 20.0统计分析软件，对照和处理之间的总体差异性采用重复测量，并对数据采用Pearson相关性分析和LSD多重比较法进行显著性检验分析(P<0.05)。所有测定数据结果以“平均值±标准差”的形式表示，作图采用Origin Pro 9.1软件。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质及各种金属质量比

土壤样品的pH值7.97，呈弱碱性，有机质含量非常低，为1.13 mg/g；阳离子交换量7.68 cmol/kg；碱化度为 41.66%，属于碱性土；含水量低于2%，较干旱；其中速效磷含量86.30 mg/kg，速效钾含量61.05 mg/kg，全氮含量165.14 mg/kg。从表1可知，土壤背景值全Ti含量为 2 011.4 mg/kg，含量较高；全Cd含量为0.50 mg/kg，未达到《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)中的一般农田Ⅱ类标准(1.00 mg/kg)。

表1 土壤基本理化性质

2.2 Ti与Cd复合作用对油葵生长的影响

2.2.1 Ti与Cd复合作用对油葵株高和根长的影响植物根系长度、株高等能够很好地反映作物的生长状况，根冠比(R/T)在植物的生长中有着很重要的意义[17-19]。当植物根系吸收作用大于生长所需营养物质及地上部消耗能力时，植物地上部分生长速度则大于根系生长速度；当植物根系的吸收作用小于地上部所需营养物质及蒸腾作用时，植物的地上部分生长速度将小于根系生长速度；根冠比低的植物，茎秆细小，叶片发育不良；根冠比适当的植物，茎秆粗壮，叶片生长较旺盛；而根冠比大的植物，植株矮壮，多花多果，抗逆性强。

由图1可知，单施Cd及Ti与Cd复施均会抑制油葵株高及根长的增长，且随着剂量的增大而显著降低(P<0.05)。单施Cd及Ti与Cd复施对油葵株高及根长的影响与镉钛配施剂量有关，低添加量(5 mg/kg)单施Cd处理油葵的株高较空白对照组下降了11.0%，而高添加量(30mg/kg)处理油葵株高较空白组明显下降了59.3%(P<0.05)。与株高相同，单施Cd抑制油葵根的生长，5、10、20、30 mg/kg镉处理油葵根长分别较对照组明显下降了39.4%、43.9%、46.5%、51.0%(P<0.05)。从表2可知，单施Cd时油葵根冠比随Cd添加量的增大呈先增后降的趋势，在Cd添加量为10 mg/kg时，根冠比达到最大值，此时土壤中Cd能够在一定程度上促进油葵地上部及根部生长，而当Cd添加量>10 mg/kg时，油葵地上部分及根系的生长则逐渐受到抑制。

表2 Cd单施及Ti与Cd复合作用对油葵R/T的影响

Ti与Cd复合处理对油葵株高及根长影响均与施用添加量有关。低Cd低Ti(5、500 mg/kg)处理的株高显著高于同等Cd添加量处理的低Cd组(5 mg/kg)；中添加量Cd、Ti对油葵株高有显著影响(P<0.05)，可以看出，此时Ti的加入较单一Cd处理时Cd对油葵株高增长的抑制作用逐渐减弱；高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理的株高较对照组显著下降了55.0%。与株高相似，低Cd低Ti(5、500 mg/kg)处理的根长高于同等Cd添加量处理的低Cd组(5 mg/kg)，Ti添加量>1 000 mg/kg时显著抑制油葵根系的生长(P<0.05)。当Cd添加量相同时，一定添加量(≤1 000 mg/kg)的外源Ti能够促进油葵的生长，表现为油葵根冠比增大(表2)，且中添加量Cd、Ti较单施Cd增加25.0%。但当外源Ti添加量过大(>1 000 mg/kg)时反而会抑制油葵地上及根系的发育，根冠比均小于同添加量Cd单施。

2.2.2 Ti与Cd复合作用对油葵生物量的影响由图2可知，油葵地上部分的生物量大于地下部分，前者约为后者的10倍，单施Cd时，低添加量Cd促进油葵地上部干物质的积累，当Cd添加量>10 mg/kg时，对油葵生物量的积累产生了一定的抑制作用，但未达显著水平。同样地，油葵地下部分干物质累积量在低Cd处理时逐渐增大，随着外源Cd的增加，整株油葵的生物量呈先增后降的趋势，这与孙月美等的结论[14]基本一致。油葵总的生物量变化范围为2.07～2.64 g。高Cd处理时，油葵的生长受到抑制，油葵的总生物量较对照降低了21.7%。

与单施Cd处理规律相同，Ti与Cd复合作用时，油葵地上部生物量随外源Ti与Cd添加量的增加呈先增后降的趋势，当Ti与Cd达到1 000、10 mg/kg处理水平时，减缓了Cd对油葵地上部分的毒害作用，表现为地上部干物质累积显著增加(P<0.05)，达到最大值3.56 g，较对照组增加48.7%，同时显著大于同等镉处理(10 mg/kg)。而在高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理水平时，油葵的生长受到抑制，达到最小值1.15 g，并显著小于对照(P<0.05)，较对照组下降51.6%。Ti与Cd复合对油葵地下部的生长与地上部规律相同，表现为油葵根部干物质累积随外源Ti与Cd添加量的增加呈先增后减趋势。

总之，油葵总的生物量较少，是由于盐碱土中盐分离子含量较高，且有机质及营养物质含量较少，同时土壤碱化度高，在油葵生长过程中，土壤产生了不同程度的板结，导致土壤结构较差，影响土壤水分的渗入，不利于油葵干物质的累积[20]。本研究中，外源Cd的添加，在一定范围内对油葵生物量的积累产生抑制作用，而外源Ti与Cd共同作用时，当Ti的添加量 <1 000 mg/kg 时，对油葵地上部生物量的累积产生一定的促进作用，因为Ti的施入能够促进植物的光合作用[21]，此时油葵外观表现为植株根茎变粗，叶片大而绿。在植物生长的过程中，随着外源Ti添加量的增加，油葵的外观表现为：地上部分叶片发黄，植株整体变细，根系有发黑现象，这是由于Cd在根部主要集中在质体外，尤其是细胞壁中，细胞壁中的负电荷使金属离子在细胞膜外富集起来，从而增加了跨膜梯度，可推动金属离子进入细胞，使Cd富集在油葵的根系中[22]。Cd也会通过抑制植物的光合作用、呼吸作用及其对水分的吸收，而使植物减产，生物量降低[23]，同时高添加量的Ti对植物生长也产生了一定的抑制作用[10]。

2.3 Ti与Cd复合作用对油葵Cd吸收、富集、转运及耐受性的影响

2.3.1 Ti对油葵中Cd吸收及转运作用的影响植物体内元素含量能够直观地反映吸收元素的能力及强度。同时为了表明油葵吸收转运Cd的能力，本研究引进转运系数公式(TFr-s=C地下部/C地上部)，其中C地下部、C地上部分别表示地上部Cd含量、地下部Cd含量，TFr-s用来表征油葵根部向地上部转运Cd的能力，可以说明转运系数越大，植物对重金属的转运能力越强[24]。由图3可知，油葵地下部分Cd含量均大于地上部分。单施Cd时，随着外源Cd添加量的增加，油葵地上及地下部分Cd含量也呈现出显著递增的趋势(P<0.05)。不同添加量Cd单施处理油葵中Cd含量较空白对照分别增加19.1%、50.6%、99.7%、108.0%。由图4可知，Ti与Cd复合处理时，油葵地上部Cd添加量随Cd添加量的增加整体呈先增后减再增的趋势，当Cd、Ti添加量为10、1 000 mg/kg时，地上部Cd含量达到最小值4.69 mg/kg，较同等剂量Cd处理(10 mg/kg)下降15.7%。然而，高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理时，Ti的加入却促进了油葵地上部对Cd的吸收，此时地上部Cd含量达到最大值 8.26 mg/kg，是空白对照的1.29倍，较同等添加量Cd单施处理(30 mg/kg)增加9.1%。与油葵地上部不同，当Ti与Cd复合处理的Ti添加量<1 000 mg/kg时，会对油葵根部积累Cd产生一定的促进作用；当外源Ti添加量超过这个范围时，Ti的促进作用受到抑制，说明存在一定的拮抗作用，表现为油葵根部Cd含量随外源Cd、Ti添加量的增加呈先增后降的趋势，并在Cd、Ti添加量为10、1 000 mg/kg时达到最大值16.67 mg/kg，是对照组的2.57倍，在高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理时，达到最小值1.76 mg/kg，较对照降低72.8%。

单施Cd会抑制Cd从油葵根部向地上部的转运，且Cd在油葵中的转运系数均小于无外源添加时，并随外源Cd添加量的增加整体呈先降低的趋势。这说明施Cd抑制油葵地下部向地上部的转运，且随Cd添加量的增加，抑制作用越强，这也说明Cd在土壤及油葵中有较强的移动性。而Ti与Cd复合处理时，油葵中Cd的转运系数随Cd添加量的增加呈先略降后急剧增的趋势，并于高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理时达到最大值4.69，是空白对照的8.42倍(图4)。说明土壤中外源Ti的加入，在一定范围内能够显著提高油葵中Cd由地下部向地上部转运的能力。

2.3.2 Ti与Cd复合作用下油葵对土壤中Cd的富集作用为了研究油葵不同部位对土壤中Cd的富集作用，本研究引进地上部镉富集系数公式(BCFCd-shoot=C地上部/C土壤)和地下部镉富集系数公式(BCFCd-root=C地下部/C土壤)[24]，表征油葵不同部位富集镉的能力，式中，C地上部、C地下部、C土壤分别指地上部镉含量、地下部镉含量与土壤中镉含量。由图5可以看出，单施Cd对油葵Cd富集有一定的抑制作用。油葵地下部分(主要指根部)对Cd的富集作用整体要大于地上部分对Cd的富集作用。相同添加量Cd处理下，油葵地上部Cd富集系数单施Cd与Ti、Cd复合处理变化趋势相差不大，均随处理添加量的增加呈显著的先降低后缓慢增加的趋势，且均在Cd添加量为10 mg/kg时，达到最小值。单施Cd处理时，油葵地下部(主要指根部)Cd富集量随外源Cd添加量的增加呈先急剧下降后缓慢增加再急剧下降的趋势，各处理组间差异显著(P<0.05)，在未添加外源Cd时，根部Cd富集系数最大，为3.36；在高Cd(30 mg/kg)处理时，根部Cd富集系数最小，为0.22，较对照组降低93.5%。不同的是，Ti与Cd复合处理时，油葵根部Cd富集系数则随Ti与Cd添加量的增加整体呈先降后增的趋势，且各处理间有显著差异(P<0.05)。当土壤中添加外源Ti的添加量超过1 000 mg/kg时，油葵根部Cd的富集系数呈显著增加的趋势，并在高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理时，达到最大值4.12，较对照组显著增加22.6%，此时油葵的外观表现为根部发黑、生长受到明显的抑制。

2.3.3 Ti与Cd复合作用对油葵耐受性的影响耐性指数(tolerance index，TI)以地上部干质量或根干质量表示，其中TIshoot指油葵地上部干质量与对照组的比值，TIroot指油葵地下部分干质量与对照组的比值[25]。TI用来表征油葵对不同处理条件下的耐受性，当TI>0.5时，表明这种植物对此重金属在环境中生长情况较好，有较强的耐受性；当TI<0.5时，则反之，同时也说明这种植物在该种土壤条件中很难生存。由图6可以看出，添加外源Ti后，油葵地上部分和地下部分的耐性指数整体高于单施Cd时的耐性指数，且均大于0.5，说明油葵耐Cd的性能较强，同时施Cd对油葵地下部分的毒害作用更大。单施Cd时，油葵TIshoot随Cd添加量的增加呈先增后减的趋势；Ti与Cd复合作用时，油葵TIshoot呈先增后降趋势，并在高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理时达到最小值0.61，较对照组下降66.2%，此时油葵地上部耐Cd胁迫的能力较弱。油葵根部的TI在单施Cd及Ti与Cd复合处理时均表现出相同规律，即呈先增加后下降的趋势，其中Ti与Cd复合处理时各处理间差异显著(P<0.05)，当Ti添加量≤ 1 000 mg/kg 时，油葵TIroot随Ti添加量的增加而增加并在Ti为1 000 mg/kg时达到最大值，此条件下Ti的施入提高了油葵在土壤中的抗逆性。高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理时油葵耐Cd能力不如相同剂量时单施Cd处理，也就是说高Cd高Ti(30、3 000 mg/kg)处理时油葵整体的耐性下降。虽然适量Ti能够通过参与植物新陈代谢过程，提高植物对养分的吸收、利用和运转能力，促进植物生长，但一旦过量，则会对油葵产生一定的毒害作用，并影响其对Cd的耐受能力。

2.4 油葵种植前后土壤中Cd的有效态变化情况

由表3可知，镉元素在种植油葵前的土壤中的有效态含量与全量呈一定关系的正相关，镉元素在土壤中的含量呈递增趋势，且高Cd(30 mg/kg)处理时达到最大值16.68 mg/kg。这一结果与孙月美等的研究结果[14]较为一致，而Ti与Cd复合作用时，有效态Cd含量随Cd添加量增加没有表现出一定的规律性。

种植油葵后的土壤中Cd有效态含量随Cd添加量的增加呈显著递增趋势(P<0.05)，与种植前呈现出相同规律，但整体小于种植前。此时，未添加外源Cd的对照土中有效态Cd含量较种植油葵前降低了94.8%。低(5 mg/kg)Cd处理时，种植油葵后的土壤中有效态Cd含量为最小值1.32 mg/kg，较种植油葵后土壤降低 74.4%；高Cd(30 mg/kg)处理时，达到最大值6.96 mg/kg，较种植前降低了58.3%。另外，回归方程的相关系数表明，种植油葵后土壤中有效态Cd含量与全量有较好的相关性，相关系数均在0.90以上。土壤中有效态Cd含量随各处理添加量的增加呈递增关系，结合油葵对Cd的作用可知，Ti、Cd复合处理的Ti添加量>1 000 mg/kg时，油葵的耐性减小，富集能力减弱，剩余未吸收部分则残留在土壤中。