叶面喷施有机酸对亚麻生长发育及镉修复能力的影响

赵信林，韦秀叶，郭媛，邱化蛟，邱财生，龙松华，王玉富

（中国农业科学院麻类研究所／南方经济作物研究中心，湖南长沙410205）

土壤重金属污染是当前农业生产中亟须解决的一个重大问题和难题。在所有污染性重金属中，镉（Cd）因其强移动性和高毒性，极易进入植物体内，进而对植物的生长发育造成阻碍。一旦受到Cd污染的植物产品进入食物链，其会在动物乃至人体内富集，对健康造成严重威胁，因此土壤Cd污染治理一直以来备受关注［1-2］。在诸多的Cd污染农田修复措施（如物理修复、化学修复、生物修复等）中，生物修复中的植物修复因具有原位修复、无二次污染、简单易行、修复效果好、成本低的特点［3-4］而备受欢迎。然而植物修复也面临诸多现实问题，一是植物修复的效果取决于修复植物对Cd的富集能力和生物量，而当前主要利用的超积累植物大多具有生长缓慢、生物量小的弊端；二是这些超积累植物一般经济利用价值不高，很难调动农民种植的积极性，从而使得植物修复难以推广［5］。因此，寻找生物量大、对Cd富集能力强，并且具有较高经济利用价值的作物来替代这些超积累植物，以及进一步提高该作物对Cd的移除效果意义深远［6］。

传统上讲，亚麻是一种常见而古老的韧皮纤维作物，根据其最终用途一般将其分为油用型、纤用型和油纤兼用型［7］。纤用型亚麻的韧皮纤维可以用于纺织，麻骨可以用来制取生物质炭、生物燃料等，总体（包括纤维与麻骨）又可以作为造纸的原料，因此其经济价值要比当下主流的超积累植物高很多。其次，研究［8］证明纤维用亚麻对Cd具有较强的耐受性，并且对土壤中的Cd具有较好的修复效果。因此纤维用亚麻可以作为一种潜在的生物修复植物用于Cd污染农田修复。

小分子有机酸，如柠檬酸、苹果酸等，普遍存在于土壤中，主要来源于植物根系分泌物、土壤微生物分泌物、动植物残体的分解等［9］。这类小分子可以局部改善植物生长环境，对植物根系周围的养分、重金属的有效性具有重要的影响［10-11］。研究［12-13］表明，施用小分子有机酸可以提高作物对Cd的吸收，增强其对Cd污染土壤的修复效果，但其效果与有机酸分子的种类和用量密切相关［13-14］。尽管如此，该类小分子有机酸对Cd胁迫下亚麻的生长以及对亚麻修复Cd污染土壤效果的研究还鲜有报道。本试验拟利用采集于典型Cd污染农田的土壤进行亚麻的盆栽试验，在亚麻生长期间通过喷施有机酸来研究不同有机酸种类及用量对Cd污染土壤上亚麻生长发育及对Cd污染土壤修复效果的影响，以期为进一步提高亚麻修复Cd污染效率提供参考建议。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自湖南省浏阳市永和镇矿山周围受重金属污染的农田，经测定其总Cd含量为6.96 mg／kg，有效态 Cd含量为 2.01～5.05 mg／kg，有机质含量平均为 36.2 g／kg，pH为 5.6。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）确定该农田属于高度Cd污染农田。

供试亚麻品种为中亚麻1号，是由中国农业科学院麻类研究所选育的中早熟纤维用亚麻品种。株高约95～105 cm，原茎产量依据不同产地情况可达6000～11000 kg／hm2，适合全国绝大部分产区种植，具有较强的抗倒伏品质。

供试的小分子量有机酸为分析纯柠檬酸（citric acid，CA）、苹果酸（malic acid，MA）和草酸（oxalic acid，OA）。

1.2 试验方法

将采集回的农田土壤样品进行前处理，去除土壤中的大石块、植物残体等，然后将土壤风干，过2 mm筛。将所有土壤样品充分混匀后进行装盆，每盆装土8 kg，播种前先取出一部分土，待将亚麻种子均匀撒在盆内后，再将取出的土覆盖到种子上，播种量为每盆80粒种子。试验设计见表1，每个处理3次重复，共布置盆栽30盆。

播种60 d后，亚麻正处于快速生长期，此时进行处理有机酸易被叶片吸收，处理方式为喷施，即将定量的有机酸溶解到蒸馏水后，用喷壶将药液喷洒到亚麻植株上。以后每隔3 d处理1次，共处理3次，在最后1次有机酸处理3 d后进行收获。收获后测定每盆亚麻植株的平均单株鲜重，并在每盆中随机取5株测定其株高和茎粗。然后将每盆内所有亚麻植株分为根和地上部两部分，烘干后分别称其干重。生物量测定结束后，分别将根系与地上部粉碎，然后进行Cd含量的测定，其测定方法如下：

土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定［15］；土壤采用HF-HClO4-HNO3消煮后，通过原子吸收分光光度计测定其总Cd含量［16］；土壤有效态Cd含量采用DTPA浸提-原子吸收分光光度计测定［17］；植物样品则通过 HCl／HNO3／HClO4混合液消煮后测定总 Cd含量［18］。

根据以下公式计算亚麻植株Cd含量、Cd富集系数和转移系数：

亚麻植株Cd含量（mg／kg）＝（根部吸Cd量+茎叶吸Cd量）／植株生物量

亚麻Cd富集系数＝植株Cd含量／土壤Cd含量

亚麻Cd转移系数＝茎叶Cd含量／根Cd含量

1.3 数据处理

图表中数据均为3次重复的平均值，数据采用Microsoft Excel 2016处理，利用SPSS 22.0进行方差分析，并用Duncan法在p＝0.05显著水平上进行多重比较，最后用Origin 2019进行作图。

2 结果与讨论

2.1 不同处理下亚麻的形态与生物量

由图1可知，对照亚麻的株高为55 cm，有机酸处理的亚麻株高在57～71 cm。与对照处理组相比，不同有机酸种类及用量都可以不同程度地增加亚麻的株高，增加幅度在3.85%～28.90%，其中CA1和MA3处理亚麻株高增加显著，且增加程度最大，类似的结果在茄子［19］和辣椒［20］上也有报道；分析还发现CA1和CA3、MA1和MA3处理的株高分别要比CA2、MA2的高，这可能与土壤Cd的有效性有关［21］，因为喷洒有机酸过程中会有部分有机酸进入土壤中，又因为低用量（0.6 mmol）有机酸抑制了土壤Cd的活性，使得亚麻生长未受到Cd的毒害，亚麻株高较高，中有机酸用量（1.2 mmol）则增强了土壤Cd的活性，导致亚麻生长受到一定抑制，而高有机酸用量（2.4 mmol）在增强土壤Cd活性的同时，也提高了亚麻对Cd的耐性，从而与中有机酸用量的处理相比，在一定程度上提高了亚麻的株高。对照亚麻的茎粗约为0.92 mm，有机酸处理的亚麻茎粗在0.85～1.02 mm，与对照相比，有机酸处理并没有对亚麻的茎粗产生显著影响。有机酸叶面喷施处理对亚麻单株重也未产生显著影响，所有处理的单株重在0.097～0.127 g范围内，但有机酸处理均有增加亚麻单株重的趋势。

图1 不同处理下亚麻的株高、茎粗和单株重Fig.1 Plant height，stem diameter，weight of per plant of flax under different treatments

2.2 不同处理对亚麻吸收Cd特点的影响

由图2可知，与对照相比，除MA2处理显著降低了亚麻根系中Cd的含量之外，其他处理对亚麻根Cd含量影响不显著。3种有机酸对亚麻根Cd积累的作用不同，所有处理中，MA2处理的亚麻根Cd含量最低，为10.5mg／kg，MA3处理最高，为13.5mg／kg；对于CA处理，随着有机酸用量的增加，有降低Cd含量的趋势；而MA处理则随着有机酸用量的增加，先显著降低亚麻根Cd含量，后又显著增加了Cd含量；OA处理条件下亚麻根Cd含量随着有机酸用量的增加显著下降。亚麻茎叶中的Cd含量变化规律与根中的Cd含量变化类似，所有处理中，MA2处理的亚麻茎叶镉含量最低，为7.75 mg／kg，OA1处理最高，为10.0 mg／kg；但是中高浓度CA及中低浓度MA显著降低了亚麻茎叶中的Cd含量，其他处理则与对照无显著差异。亚麻植株Cd含量的变化情况与亚麻茎叶中Cd含量情况完全一致，平均Cd含量在8.10～10.40mg／kg，同样表明除了中低浓度OA处理的亚麻整株Cd含量与对照接近之外，其他处理均有不同程度的降低。喷施有机酸对亚麻单株吸Cd量的影响并不显著，总体在0.84～1.20μg，但是CA处理有降低亚麻单株吸Cd量的趋势，而高浓度MA及低浓度OA则有提高亚麻单株吸Cd量的趋势。本研究中，OA在亚麻修复Cd污染的效果方面要优于CA和MA，这与薛博晗等［22］在批碱草上得到的结果类似，但是也有研究［12］认为CA效果好于OA，这可能是由于作物不同产生的差异［11］。

图2 镉在亚麻植株体内的含量与分布及单株亚麻吸镉量Fig.2 The content and distribution of cadmium in flax plant and the amount of cadmium absorbed in flax plant

2.3 不同处理对亚麻Cd转移系数和富集系数的影响

由图3可知，亚麻对Cd的转移系数在0.62（CA2）到0.85（OA2）之间，均小于1，这说明亚麻对Cd从根部向地上部转移的能力较弱，而富集系数在1.16（MA2）至1.45（OA1）之间，均大于1，这说明亚麻用于修复Cd污染土壤是可行的［8］。与对照相比，中高浓度CA与中低浓度MA显著降低了亚麻对Cd的富集系数，其他有机酸处理则对亚麻的Cd富集系数未产生明显的作用。而对于亚麻体内Cd转移系数而言，与对照相比，只有OA2处理转移系数显著提高，其他有机酸处理则与对照无明显差异。

图3 不同处理下亚麻对镉的转移系数和富集系数Fig.3 Cadmium transfer coefficient and enrichment coefficient of flax under different treatments

3 结论

叶面喷施小分子有机酸会对亚麻的生长发育、Cd在亚麻各器官内的分布及其对重金属Cd的修复效果产生一定的影响。通过本试验主要得到以下结论：柠檬酸、苹果酸和草酸对亚麻株高的影响比对茎粗和单株重的影响更显著，通过叶面喷施小分子有机酸，中亚麻1号的株高可以增加3.85%～28.90%；高浓度苹果酸及各个草酸处理可以提高亚麻单株的吸Cd量，从而提升亚麻对土壤中Cd的移除效果，而柠檬酸则可能有降低亚麻修复Cd污染能力的作用；中亚麻1号对土壤Cd的富集系数大于1，具有一定修复Cd污染土壤的潜力；相比柠檬酸和苹果酸，低用量草酸可以在一定程度上提高亚麻对Cd的转移系数和富集系数。