不同浓度胺鲜酯对籽粒苋富集重金属镉锌的影响

2020-01-08肖艳辉李应文邹碧何金明李志安

生态环境学报 2019年12期

肖艳辉，李应文，邹碧，何金明，李志安*

1. 韶关学院英东农业科学与工程学院，广东韶关 512005；2. 中国科学院华南植物园，广东广州 510650

近年来，由于工业化进程的加快，导致了土壤受到不同程度的重金属污染（Sodango et al.，2018；Ojuederie et al.，2017）。重金属可被植物从土壤中吸收累积，通过食物链对人类健康造成严重毒害（Joseph，2009；Al-Farraj et al.，2013），因此，重金属污染已成为全球面临的严重问题之一。

重金属污染土壤修复方法较多，其中植物修复技术因其绿色、有效，成为最经济有效的重金属污染土壤修复方法之一（Thijs et al.，2016；Sooksawat et al.，2013）。但因修复重金属污染土壤的大部分植物植株矮小、生长缓慢等原因造成植物修复效率低下，严重限制了此项技术的广泛应用（于彩莲，2011）。植物生长调节剂参与植物生长发育及植物应对逆境胁迫等各个过程的调控，其在强化植物修复上具有极大潜力，叶面喷施一定浓度脱落酸（ABA）、生长素（IAA）、细胞分裂素（6-BA）等植物生长调节剂可通过提高东南景天（Sedum alfredii Hance.）的生物量来增加其地上部对Cd的累积（何冰等，2014）；Tassi et al.（2008）研究表明，外施 6-BA类激素可提高向日葵（Helianthus annuus L.）的生物量和重金属累积量。那么，DA-6作为一种高能植物生长调节剂，具有促进植株干物质积累及增强作物抗性的作用（王迪轩等，2018），且有研究表明，一定浓度的 DA-6能提高黑麦草（Lolium perenne L.）根部和地上部Cd含量，促进黑麦草对Cd的富集（王雷等，2016）；龙葵（Solanum nigrum L.）叶面喷施 DA-6，能使 100 mg·kg-1Cd污染土壤中龙葵生物量增加，并提高龙葵对Cd的修复效率（于彩莲，2011）。Cd和Zn是土壤中常见的具有代表性的重金属污染物，且土壤中的重金属污染物多为伴生的或复合的（王慧等，2008）。籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus L.）是一种生长迅速、适应性强的苋科（Amaranthaceae）植物，对 Cd、Zn有很强的富集能力，具有作为 Cd、Zn污染土壤修复植物的潜力（李凝玉等，2008；陈红琳等，2007）。目前，利用DA-6来强化籽粒苋累积Cd、Zn的研究尚未见报道。因此，本实验采用盆栽方式，研究了DA-6对Cd、Zn复合污染土壤中籽粒苋植株生长及Cd、Zn累积的影响，以期为利用DA-6强化植物累积Cd、Zn方面的研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与实验设计

以籽粒苋（Amaranthus hypochondriacusL. cv.‘K104’）为实验材料。供试土壤为华南植物园试验田菜园土，于2012年采集表土层（0—20 cm），阴干，粉碎，并过2 mm筛孔，然后人工添加CdSO4至约5 mg·kg-1Cd水平，添加ZnCl2至约300 mg·kg-1Zn水平。本试验于2016年进行。供试土壤基本理化性状见表1。

将供试土壤装入内径为26 cm，深21 cm的PVC盆内，每盆5 kg。将籽粒苋种子均匀撒播于盆内，盖细土，待幼苗长至5 cm左右时，定苗，每盆留2株长势相当的植株。籽粒苋播种后46 d（籽粒苋开花前期）进行第 1次叶面喷施 DA-6，其浓度分别为5、10、15 mg·L-1，以喷施相同体积的清水为对照（CK），喷施时以水珠均匀分布于叶面而不成水流流下为准。连续喷施2次，2次间隔时间为7 d。每个处理3次重复。试验期间，土壤含水量保持在田间持水量的70%—90%。籽粒苋生长60 d后开始取样测定各项指标。

1.2 测定指标及方法

各处理籽粒苋株高测定完成后，收获植物，先将其根、茎、叶分开，分别用去离子水冲洗干净后置于 60 ℃烘箱中烘至恒质量后称质量。将籽粒苋根、茎、叶烘干样品粉碎，并过100目筛孔，保存于干燥器中待测。植物样品用HNO3-HClO4（体积比4꞉1）湿法消解后定容，用于测定植物体内Cd、Zn含量（火焰原子吸收分光光度计，Hitachi Z-5300）。植物标准物质为菠菜标准物（GBW10015）。

收获籽粒苋植株时，分别收集根系分布层土壤和根际土，室内阴干，粉碎，过2 mm筛孔，用pH计（Mettler ToledoFE20）测定pH。土壤过100目筛孔，用 0.01 mol·L-1CaCl2浸提法（Foucault et al.，2013）测定有效态Cd、Zn含量，设置空白对照，3次重复。土壤标准物质为土壤成分分析标准物质（GBW (E) 070011）。

Cd或Zn富集系数(Enrichment Factor，EF)=植物各器官Cd或Zn含量/土壤中Cd或Zn含量（Liu et al.，2009）。

根-茎Cd或Zn运转系数(Transfer Factor，TF)=茎Cd或Zn含量/根Cd或Zn含量；茎-叶Cd或Zn运转系数=叶Cd或Zn含量/茎Cd或Zn含量（陈亚慧等，2014）。

所得数据采用 SPSS软件包进行单因素方差分析，用Duncan’s新复极差法进行平均数的显著检验。

2 结果与分析

2.1 DA-6处理对籽粒苋生长的影响

表2可以看出，DA-6处理对籽粒苋株高和生物量有一定影响。DA-6处理后，籽粒苋株高由高到低的顺序为 10 mg·L-1＞5 mg·L-1＞CK＞15 mg·L-1，其中仅15 mg·L-1处理与对照差异不显著（P＞0.05）。籽粒苋叶、茎、根干质量均以10 mg·L-1处理最高，10 mg·L-1处理叶干质量显著高于其它处理（P＜0.05），而其他处理之间差异不显著（P＞0.05）；10 mg·L-1处理茎干质量和全株干质量分别比15 mg·L-1处理和对照提高131%和116%、71%和100%，但15 mg·L-1处理和对照差异不显著（P＞0.05）；不同处理根干质量差异均不显著（P＞0.05）。总的来说，10 mg·L-1DA-6处理对籽粒苋株高和生物量的促进效果最为显著。

表1 供试土壤基本理化性状Table1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

表2 DA-6处理对籽粒苋生长的影响Table 2 Effect of DA-6 on the growth of Amaranthus hypochondriacus L.

2.2 DA-6处理对籽粒苋根系分布层土壤和根际土pH及有效态Cd、Zn含量的影响

表3可以看出，DA-6处理对籽粒苋根系分布层土壤和根际土pH无显著影响。DA-6处理对籽粒苋根系分布层土壤有效态Cd含量无显著影响，但对根系分布层土壤有效态Zn含量有一定影响，10 mg·L-1处理显著高于5 mg·L-1处理（P＜0.05），但两者与对照差异均不显著（P＞0.05）。DA-6处理能显著提高籽粒苋根际土有效态Cd、Zn含量，但不同浓度DA-6处理之间差异均不显著（P＞0.05）。总的来说，DA-6处理能显著提高籽粒苋根际土有效态Cd、Zn含量。

2.3 DA-6处理对籽粒苋叶、茎、根中Cd、Zn含量的影响

表4可以看出，DA-6处理仅对籽粒苋叶、茎中Cd含量有显著影响。随DA-6处理浓度增加，籽粒苋叶、茎、根中Cd含量呈增加趋势，并均以15 mg·L-1处理Cd含量最高，但叶中Cd含量表现为 15 mg·L-1处理显著高于 5 mg·L-1处理和对照（P＜0.05），茎中Cd含量表现为15 mg·L-1处理显著高于其它处理（P＜0.05），而各处理根中 Cd含量无显著差异（P＞0.05）；各处理籽粒苋叶、茎、根中Zn含量均无显著差异（P＞0.05）。

2.4 DA-6处理对籽粒苋Cd、Zn累积量的影响

Cd或Zn累积量大小是由重量和该部位的Cd或Zn浓度所决定，可作为评价植物修复效果的指标。籽粒苋各部位Cd或Zn累积量=相应部位Cd或Zn浓度×相应器官的重量。各处理籽粒苋从土壤中富集的Cd或Zn越多，修复效率越高（陈红琳等，2007）。

表5可以看出，DA-6处理对籽粒苋叶、茎中Cd和Zn累积量有显著影响。籽粒苋叶、茎、根中Cd和Zn累积量均以10 mg·L-1处理最高，但仅叶、茎中10 mg·L-1处理Cd和Zn累积量显著高于对照（P＜0.05），叶、茎中Cd累积量分别比对照提高了212.82%和 66.92%，叶、茎中 Zn累积量分别比对照提高了153.17%和30.19%；DA-6处理对籽粒苋根中 Cd、Zn累积量无显著影响（P＞0.05）。总的来说，10 mg·L-1DA-6处理显著强化了籽粒苋叶、茎对Cd、Zn的累积量。

2.5 DA-6处理对籽粒苋富集、运转Cd、Zn能力的影响

表6可以看出，各处理籽粒苋叶、茎、根的Cd富集系数及 Cd根-茎运转系数和茎-叶运转系数无显著差异（P＞0.05）；籽粒苋叶的 Zn富集系数为对照显著高于 5 mg·L-1处理和 10 mg·L-1处理（P＜0.05），但与 15 mg·L-1处理差异不显著（P＞0.05），籽粒苋茎、根的Zn富集系数及Zn根-茎运转系数和茎-叶运转系数无显著差异（P＞0.05）。

3 讨论与结论

3.1 讨论

DA-6作为一种高能植物生长调节剂，具有促进植株干物质积累及增强作物抗性的作用（王迪轩，2018）。研究表明，小白菜叶面喷施DA-6后，能显著增加株高（徐伟松等，2014），草莓叶面喷施 20 mg·L-1和 30 mg·L-1DA-6 可显著增加草莓地上部和根系干质量（苗鹏飞等，2007），这与本实验籽粒苋叶面喷施10 mg·L-1DA-6可显著增加籽粒苋株高和地上部干质量的结果一致，说明适宜浓度的DA-6处理能显著促进籽粒苋地上部生长，但本研究表明，DA-6处理对籽粒苋根干质量无显著影响，这与以往研究结果（苗鹏飞等，2007）存在差异，这是否由于DA-6处理浓度和处理时间不同所导致，还有待于进一步研究探讨。

表3 DA-6处理对籽粒苋根区土壤pH及有效态Cd、Zn质量分数的影响Table 3 Effect of DA-6 on pH and contents of available Cd, Zn of soil in root zone of Amaranthus hypochondriacus L.

表4 DA-6处理对籽粒苋叶、茎、根中Cd、Zn质量分数的影响Table 4 Effect of DA-6 on Cd, Zn contents in leaves, stem, root of Amaranthus hypochondriacus L.

表5 DA-6处理对籽粒苋Cd、Zn累积量的影响Table 5 Effect of DA-6 on accumulation amount of Cd, Zn in Amaranthus hypochondriacus L.

表6 DA-6处理对籽粒苋富集、运转Cd、Zn能力的影响Table 6 Effect of DA-6 on EF and TF of Cd, Zn in Amaranthus hypochondriacus L.

根际是指受植物根系活动影响的靠近植物根系的微域土区，其在物理、化学及生物学性质上均不同于土体（吴林坤等，2014）。植物通过产生和释放根系分泌物来抵御生物或非生物胁迫。在金属污染物胁迫下，某些植物的根系分泌物可通过螯合、络合、沉淀等作用将金属污染物滞留在根外，降低土壤中金属的有效性，减少植物对有害金属的吸收（常学秀等，2000），如在 Al胁迫下，植物根系可分泌大量的柠檬酸、苹果酸等来螯合游离的Aln+，从而降低 Al对植物根系毒害（Neumann，2007）。还有一些实验表明，根系分泌物对重金属胁迫下的调节机理之一是改变根际pH对重金属有效性的影响，根系分泌的H+和有机酸可使根际pH降低，使一些有毒重金属活化（常二华等，2006）。本研究结果表明，5—15 mg·L-1DA-6处理下，根际土壤pH并未发生显著变化，但显著提高了根际土有效态Cd、Zn含量，这说明叶面喷施DA-6后，籽粒苋根系分泌的 H+和有机酸并未显著增加进而显著降低根际土pH，籽粒苋根际土有效态Cd、Zn含量的显著提高是否与DA-6存在某种内在联系，还需进一步研究。本实验研究表明，15 mg·L-1DA-6处理能显著提高籽粒苋叶和茎中 Cd含量，而 10 mg·L-1DA-6处理能显著提高籽粒苋叶和茎对Cd和Zn的累积量，这与DA-6能显著提高龙葵植株地上部Cd含量和Cd累积量的结果一致（于彩莲，2011）。

DA-6处理龙葵后，苗期地上部分的Cd富集系数显著高于对照，而成熟期地上部分的Cd富集系数与对照无显著差异（于彩莲，2011）。本实验结果表明，各处理籽粒苋叶、茎、根的Cd富集系数无显著差异，这可能与本实验中DA-6处理籽粒苋时处于开花前期即成熟期有关；5 mg·L-1和 10 mg·L-1DA-6处理下籽粒苋叶的Zn富集系数显著低于对照或与对照差异不显著，说明一定浓度的DA-6处理可能会抑制籽粒苋叶对 Zn的富集，其原因还有待进一步研究。