重金属污染对两种主要油料作物种子萌发和幼苗生长的影响

贾昱靖 张小乐 陈颖 王晨骄 徐海洋 官会林 黄晶心

摘 要：【目的】探究2种主要油料作物芝麻（Sesamum indicum）、向日葵（llelianthus annuus）在铅（Pb”）、镉（Cd2+）、铬（Cr6+）、铜（Cu2+）污染农田综合利用上的可能性。【方法】以2种油料作物主栽品种为试验材料，采用水培法研究Pb2+（0.0、5.0、10.0、20.O、50.0、80.0 mg.L一1）、Cd2+（0.0、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mg.L^-1）、Cr6+（ 0.0、 3.0、 5.0、 8.0、 12.0、 14.0 mg.L^-1）、 Cu2+（ 0.0、 50.0、 100.0、 150.0、 300.0、 600.0 mg.L^-1）对油料作物种子萌发和幼苗生长的影响。【结果】对2种作油料物种子萌发率的影响：2种油料作物的种子萌发率均随着Pb2+、Cd2+、Cr6+、Cu2+浓度的升高而降低，各处理芝麻种子的萌发率均极显著高于向日葵（P<0.01）。低浓度的4种重金属污染物对2种油料作物的发育与形态建成无明显影响，高质量浓度处理Pb2+（ 20.0～80.0mg.L^-1）、Cd2+（ 5.0～20.0 mg.L^-1）、Cr6+（5.O～14.0 mg.L^-1）、Cu2+（ 150.0～600.0 mg.L^-1）时2种油料作物无法形成正常的根或芽。对2种油料作物幼苗根生长的影响：Pb2+胁迫（5.0～10.0 mg.L^-1）、Cd2+胁迫（ 0.5—20.0 mg.L^-1）、Cu2+胁迫（50～300.0 mg.L^-1）、Cr6+胁迫（ 8.0～12.0mg.L^-1）对芝麻根生长的抑制作用极显著大于向日葵（P<0.01），而Pb2+胁迫（ 20.0～80.0 mg.L^-1）、Cr6+胁迫（ 14.0 mg.L^-1）与上述作用相反。对2种油料作物种子芽生长的影响：Pb2+胁迫（ 10.0～80.0 mg.L^-1）、Cd2+胁迫（5 mg.L^-1）、Cu2+胁迫（50～100.0 mg.L_1和600.0 mg.L^-1）、Cr6+胁迫（3.0～8.0 mg.L^-1和14.0 mg.L^-1）对向日葵种子芽生长的抑制作用大于芝麻，Cd2+胁迫（0.5～1.0 mg.L^-1和10.0～20.0mg.L^-1）与上述作用相反。【结论】农田铅（Pb2+）、镉（Cd2+）、铬（Cr6+）、铜（ Cu2+）污染对芝麻种子萌发率的影响极显著小于向日葵。综合4种重金属污染下根、芽生长状况，芝麻相对于向日葵对Pb2+（20.0～80.0 mg.L^-1）、Cr6+（ 14.0 mg.L^-1）的耐受性更强;向日葵相对于芝麻对Cd2+（0.5—1.0 mg.L^-1和10.0～20.0 mg.L^-1）的耐受性更强。

关键词：油料作物;土壤重金属污染;种子萌发率;幼苗生长

中图分类号：S19

文献标志码：A

文章编号：1008-0384（ 2020） 10-113807

0 引言

【研究意义】耕地在保障食品产量中起决定性的作用，然而目前我国和全世界人口仍在增加，耕地面積却在不断减少。由于生产、生活废物的不当处置，导致农田重金属污染在全国范围内普遍存在[1]，其中铅、铜、镉、铬污染是最为常见的类型[2]。重金属污染物通过吸收富集于农作物体内，影响农产品的品质，对人体健康造成潜在的威胁。在土壤重金属污染加剧和耕地紧缺的双重压力下，如何综合利用重金属污染耕地成为普遍面临的难题。【前人研究进展】目前，有关重金属污染农耕地综合利用方面的研究，一方面集中在通过施用生物质材料、钝化剂降低重金属污染物在农作物中的富集;一方面集中在利用超富集植物吸收土壤中的重金属污染物，以此实现农业用地土壤重金属污染物的减量化。虽有部分研究发现，利用拟芥蓝[3]、菜心[4]等对重金属污染物吸收较少，或吸收的重金属主要集中在根、茎等不可食用部分的特性开发利用重金属污染耕地[5]，但迄今这方面研究的主要作物是蔬菜，无法解决大量的农耕地重金属污染问题。对于农作物而言，重金属主要积累在植物的细胞膜和蛋白质中[6]，在脂肪细胞中的积累情况报道较少。有研究表明，油料作物在重金属污染农耕地的综合利用中有着重要的潜在价值。如：受重金属污染的花生和油菜种子毛油中的重金属含量符合国家标准一一《食用油卫生标准》[7];在砷矿产区的8种植物油中砷的含量均未超过国家标准[踟;即使油料作物的种子重金属含量超标，也可以利用这些油生产生物柴油[9]。【本研究切人点】芝麻和向日葵是我国主要的油料作物，主要种植于我国的河南、山东、河北、云南等省份，而这些省份均存在大量的重金属污染耕地。芝麻和向日葵在生理上存在明显的差异，芝麻属于浅根系作物，一方面土壤胁迫因子对其影响相对较小，同时也存在对于干旱和渍涝等水分逆境敏感的特征[10];而向日葵属于深根型作物，一方面土壤环境因子对其作用更强，同时其对干旱、盐等胁迫具有较强的耐受性[11]。这暗示芝麻和向日葵对重金属污染的适应性可能存在差异，其适合度在不同浓度重金属污染下可能发生相对变化。目前有关何种油料作物更适合于何种重金属污染耕地综合利用的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究通过对比分析芝麻、向日葵的主要栽培品种在Pb2+、Cd2+、Cr6+、Cu2+胁迫下的种子萌发和幼苗生长的表现，探究适合于在重金属污染耕地种植的油料作物，为重金属污染耕地的综合利用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

芝麻和向日葵主要种植在我国北纬35°～55°的广大范围，在生境上有很大的重叠。本研究选用的芝麻品种为豫芝8号，向日葵品种为油皇后958，均为我国产区主栽品种。本研究选择形状大小基本一致、颗粒健康饱满的种子进行试验。

1.2 试验方法

为了探究2种主要油料作物在不同质量浓度重金属污染下相对适合度的变化规律，本研究根据国内农田土壤重金属污染物浓度范围设定试验处理。铅（Pb2+）的质量浓度设置为0.0、5.0、10.0、20.0、50.0、80.0 mg.L^-1;镉（Cd2_）的质量浓度设置为0.0、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mg.L^-1;铬（Cr6+）的质量浓度设置为0.0、3.0、5.0、8.0、12.0、14.0 mg.L^-1;铜（Cu2+）的质量浓度设置为0.0、50.0、100.0、150.0、300.0、600.0 mg.L^-1。每个处理随机选取20粒种子，用10%的双氧水消毒15 min，超纯水冲洗5次，浸泡48 h，而后均匀散布在直径9 cm、有两层滤纸的培养皿中，用上述重金属溶液将滤纸润湿至饱和，每个处理3次重复。浸润后的种子盖上培养皿盖后置于恒温箱中30℃培养，萌发周期为20 d。

1.3 测定方法

1.4 数据分析

用Excel 2016进行数据整理和图表绘制，用R软件（版本号：3.5.0）统计不同重金属质量浓度下两种油料作物种子萌发率、根长抑制率、芽长抑制率的差异。

2 结果与分析

2.1 不同处理对芝麻、向日葵种子萌发率的影响

由图1可知，随着重金属质量浓度的增加，芝麻和向日葵种子的萌发率随之降低。4种重金属不同质量浓度处理下，2种油料作物的萌发率均存在极显著差异（P<0.01）。高质量浓度的Pb2+（ 80.0 mg.L^-1）处理，芝麻、向日葵萌发率分别比对照（ 0.0 mg.L^-1）下降28.33%、60.00%;高质量浓度的Cd2+（ 20.0mg.L^-1）处理，芝麻、向日葵萌发率分别比对照下降38.33%、51.67%;高质量浓度的Cu2+（ 600 mg.L^-1）处理，芝麻、向日葵萌发率分别比对照下降80.00%、100.00%;高质量浓度的Cr6+（ 14 mg.L^-1）处理，芝麻、向日葵萌发率分别比对照下降56.67%、100.00%。这说明芝麻种子萌发对4种重金属的耐受性更强，向日葵种子的萌发对4种重金属胁迫更加敏感。

2.2 重金屬对芝麻、向日葵幼苗发育和形态建成的影响

由图2看出，重金属胁迫下芝麻、向日葵幼苗生长均受到抑制，并且受抑制程度随着重金属质量浓度的增加而增加。低质量浓度Pb2+、Cd2+、Cu2+、Cr6+处理，向日葵、芝麻均能形成正常的幼苗;当Pb2+质量浓度达到20.0～80.0 mg.L^-1、Cd2+质量浓度达到5.0～20.0 mg.L^-1、Cr6+质量浓度达到5.0～14.0 mg.L^-1、Cu2+质量浓度达到150.0—600.0 mg.L^-1时，2种油料作物均无法形成正常的芽或根。这说明重金属污染物达到一定浓度时会影响到2种油料作物的形态建成。

2.3 不同处理对芝麻、向日葵种子根生长的影响

由图3看出，Cd2+（ 0.5～20.0 mg.L-l）、Cu2+（ 50.0～300.0 mg.L^-1）、Cr6+（ 8.0～12.0 mg.L^-1），较低质量浓度的Pb2+（ 5.0～10.0 mg.L^-1）对向日葵根生长的抑制小于芝麻;20.0～80.0 mg.L^-1的Pb2+和14.0mg.L^-1的Cr6+对向日葵的抑制大于芝麻。

2.4 不同处理对芝麻、向日葵种子芽生长的影响

由图4看出，不同处理2种油料作物芽长抑制率的变化趋势与根长抑制率相似，均随着重金属质量浓度的增加而增加。轻度Pb2+、Cd2+、Cu2+胁迫时，油料作物芽的生长受抑制较小。Pb2+（ 10.0～80.0mg.L^-1）、Cd2+（5.0mg.L^-1）、Cu2+（50.0～100.0mg.L^-1和600.0 mg.L^-1）、 Cr6_（3.0～8.0 mg.L^-1和14.0mg.L^-1）对向日葵芽长生长的抑制作用大于芝麻，Cd2+（0.5～1.0 mg.L^-1和10.0～20.0 mg.L^-1）对向日葵芽长生长的抑制作用小于芝麻。

综合2种油料作物的种子萌发率、根长抑制率、芽长抑制率的数据，Pb2_（20.0～80.0 mg.L^-1、Cr6+（14.0 mg.L^-1）对芝麻种子萌发、幼苗生长的抑制作用比对向日葵小;在通过增加播种量使种子萌发数量相同的情况下，Cd2_（0.5～1.0mg.L^-1和10.0～20.0mg.L^-1）对向日葵幼苗生长的抑制作用比对芝麻小。

3 讨论

本研究采用水培法研究了4种重金属不同质量浓度对2种主要油料作物种子萌发和幼苗生长的影响，该种方法可以控制其他土壤生态因子对研究结果的干扰，同时能够客观地反映试验处理的效应[15]，是目前植物生理学、生态学研究普遍采用的方法。本研究结果显示，重金属污染物低浓度处理可促进向日葵生长，高浓度表现抑制作用（图3）。同类的研究结果也显示低浓度的铅、镉和铜对小麦幼苗根的生长有促进作用，但是随着浓度的增加，根的生长逐渐受到抑制[16]。例如：浓度为300 mm01.L^-1的Pb2+对火炬树幼苗根长和芽长伸长起促进作用;但当浓度为1 500 mmol.L^-1时，显著抑制火炬树幼苗根、芽生长[17]。低浓度的重金属离子诱导超氧阴离子和羟基自由基等的产生，加速植物代谢，宏观上表现为促进植物生长;随着重金属质量浓度的增加，活性氧自由基增多，代谢紊乱，植物生长、发育受到抑制[18-19]。本研究中4种重金属均对芝麻、向日葵芽和根的生长产生影响，出现异常发育的幼苗，这或许是由于4种重金属影响这2种油料作物的组织分化，影响幼苗的正常发育和形态建成（图2）。本试验中2种油料作物均出现根长抑制率、芽长抑制率明显升高的现象（图3、4），并且4种重金属均有类似的趋势，这或许说明重金属对油料作物幼苗根、芽的抑制作用是一种普遍现象。该结果提示，在使用油料作物综合利用重金属污染农耕地时，应考虑重金属污染对作物生长、发育的影响。

本研究结果显示，不同类型的重金属污染对供试2种油料作物种子萌发、幼苗生长的影响程度不同。植物耐受性差异与植物的生理特征、代谢途径、形态结构[20]有关，不同种类植物对重金屬污染物的耐受机制不同，其作用机制包括：避免吸收、储存于表皮毛、区域化、形成沉淀及螯合物（MT、PC）、存在抗氧化酶系统、产生胁迫蛋白等[21-22]。由于不同种类的重金属与植物根系分泌物之间的络合反应、络合强度不同[23]，且在不同重金属胁迫下，植物体内抗性物质的合成量也不同，将进一步影响植物对重金属的结合及对重金属对植物的毒害作用[24]。芝麻、向日葵在根系形态、光合与呼吸作用等方面均存在明显差异[10-11]，这或许导致芝麻和向日葵体内这4种重金属污染物的毒性效应存在差异。此外，由于植物根系分泌黏液的主要成分是糖类，其羰基和羟基基团能够通过钝化、络合等作用减少植物对重金属污染物的吸收[25];不同类型的植物，此类物质的分泌量、对重金属污染物的吸附能力存在差异[25-26]。有研究表明，不同水稻品种在Cd2。胁迫下根分泌物和有机酸的种类与量都不同[27]，不同基因型大豆在Pb胁迫下根分泌存在显著差异[28]。芝麻为胡麻科（Pedaliaceae）植物，而向日葵为菊科（Asteraceae）植物，二者在形态特征和抗旱能力[10-11]等方面均存在较大的差异，这或许导致2种作物在不同类型重金属、同种重金属不同质量浓度下种子萌发、幼苗生长状况及变化情况的差异，致使芝麻和向日葵分别适合于不同种类、质量浓度重金属污染耕地的综合利用。

4 结论

（1）重金属胁迫显著影响油料作物芝麻和向日葵种子的萌发率、胚根和胚芽的生长，但这2种油料作物的表现存在显著差异。

（2）在4种重金属不同浓度处理下，芝麻的萌发率均高于向日葵;芝麻相较于向日葵对Pb2+（20～80 mg.L^-1）、Cr6+（14 mg.L^-1）胁迫的耐受性更强;向日葵对Cd2_（0.5～1.0 mg.L^-1和10.0～20.0 mg.L^-1）的耐受性更强。

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（责任编辑：杨小萍）

作者简介：贾昱靖（1995-），女，硕士，研究方向：土壤重金属污染物的生态效应及其修复（E-mail： HiLynette1108@yeah.net）

通信作者：黄晶心（1986-），男，博士，讲师，研究方向：土壤重金属污染物的生态效应及其修复（E-mail： huangjingxin17@163.com）;

官会林（1964-），男，教授，研究方向：农业土壤污染消减及水土保持（E-mail： gh1087l@aliyun.com）