铅锌矿区周边玉米根系低分子量有机酸、根际土壤镉铅形态与植株镉铅累积特征

张新帅 钟伟 湛方栋 何永美 李博 李明锐 杨志新

摘 要：玉米（Zea mays L.）是云南鉛锌矿周边农田主要的夏季作物。通过大田试验，研究矿区周边农田种植的玉米根系低分子量有机酸含量、根际土壤镉铅形态及其镉铅累积特征。结果表明：（1）旺长期玉米根系分泌的主要是柠檬酸、草酸;成熟期玉米根系分泌主要是酒石酸和草酸，草酸分泌量较旺长期显著增加;（2）玉米根际土壤Cd化学形态以可交换态为主，Pb化学形态以铁锰氧化态为主，与旺长期相比，成熟期根际土壤有效态Cd、Pb含量分别下降了21%、44%;（3）与旺长期相比，成熟期植株根、茎、叶Pb含量分别降低了18%、54%、42%，根、茎、叶Cd含量则增加了14%、163%、49%，成熟期植株各部位减少了对Pb的吸收，增加了对Cd的吸收。从积累分布看，成熟期Pb大部分累积在叶和籽粒内，Cd大部分累积在叶和茎内;（4）相关性分析显示，玉米根系草酸含量与根际土壤有效态Cd、交换态Pb、铁锰氧化态Pb含量呈显著或极显著负相关，且茎Pb、叶Pb含量与根际土壤有效态Pb含量呈现极显著正相关。因此，玉米可通过根系分泌低分子量有机酸，影响根际土壤重金属化学形态与生物有效性，进而影响植株对重金属的吸收累积。

关键词：镉铅含量;低分子量有机酸;化学形态;生物有效性

中图分类号：X503

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2021）03-0007-08

国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.03.002

Characteristics of Low-molecular-weight Organic Acids Secreted by Roots，Cd and Pb Forms and Accumulation Characteristics in Zea mays L.Grown in a Lead-Zinc Mining Area

ZHANG Xinshuai，ZHONG Wei，ZHAN Fangdong，HE Yongmei，LI Bo，LI Mingrui，YANG Zhixin*

（College of Resources and Environmental Sciences，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201，China）

Abstract：

Maize is the main summer crop in the farmland surrounding the lead-zinc mine in Yunnan province.Field experiments were conducted to study the content of the low-molecular-weight organic acid，the form of cadmium （Cd） and plumbum （Pb），and the accumulation characteristics of Cd and Pb in the maize rhizosphere grown in farmland around the mining area.The results showed that：（1） The main secretion of maize roots in the vigorous period was citric acid and oxalic acid; the maize root secretions in the mature period were mainly tartaric acid and oxalic acid，and the secretion of oxalic acid was significantly increased compared with the vigorous period.（2） The chemical form of Cd in the maize rhizosphere soil was mainly exchangeable，and that of Pb was mainly the oxidation state of iron and manganese.Compared with the prosperous period，the available Cd and Pbcontent in the rhizosphere soil of the mature period decreased by 21%and 44%，respectively.（3） Compared with the prosperous period，the Pb content in the roots，stems and leaves of the mature plants decreased by 18%，54% and 42%，while the Cd content in the roots，stems and leaves increased by 14%，163%，and 49%.Various parts of the plant at the mature stage reduced the absorption of Pb and increased the absorption of Cd.From the perspective of accumulation and distribution，most of Pb accumulated in leaves and grains，and most of Cd accumulated in leaves and stems.（4） Correlation analysis showed that the content of oxalic acid in maize root system was significantly or extremely negatively correlated with the content of available Cd，exchanged Pb，and iron-manganese oxidation state Pb in rhizosphere soil，and the content of Pb instem and leaf were effective in rhizosphere soil.The content of state Pb showed a very significant positive correlation.Therefore，maize could secrete low-molecular-weight organic acids through the root system，which affects the chemical form and bioavailability of heavy metals in rhizosphere soil，and then affects the absorption and accumulation of heavy metals by plants.

Keywords：

Cd and Pb content;Low-Molecular-Weight Organic Acid;chemical form;bioavailability

铅锌矿作为中国重要的战略性矿产资源，在开采、冶炼过程中会产生大量的尾矿和烟尘，它们通过废渣渗漏、大气沉降等作用进入矿区周边农田，使得农田土壤重金属污染严重[1]。重金属污染会改变土壤的理化性质[2-4]，导致土壤肥力退化、农作物产量和品质下降，严重影响环境质量和经济的可持续发展，威胁到人们的食品安全[5-6]。云南会泽铅锌矿是川滇黔铅锌多金属成矿区的典型矿床，是开采历史最悠久的矿区之一[7]。长期的开采与冶炼使该地区的环境污染严重，导致周边土壤中累积了大量的镉（Cd）、铅（Pb）等有毒重金属[8]。

根际土壤（Rhizosphere Soil）是指植物根系附近受植物根系活动的影响，使土壤理化性质发生改变，在物理、化学和生物学性质上不同于土体的那部分微域土区[9]。植物通过增加根际土壤中根系低分子量有机酸（LMWOAs）分泌数量，显著改变土壤中重金属的赋存形态和生物有效性，进而影响植物对重金属的吸收累积[10]。作物通过调节根系分泌物的组分及含量，如增加低分子量有机酸（如草酸、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸）的分泌，借助根系分泌物络合重金属离子的作用，改变根际土壤重金属的形态，降低根际土壤有效态重金属的含量，从而降低重金属在土壤植物界中的迁移能力，减少重金属向作物迁移，降低重金属对植物的毒害作用，并改善土壤环境质量[11-12]。

目前对玉米根系分泌物及根际土壤重金属含量的变化已有一些研究，主要集中在不同种植模式和添加不同营养物质对玉米根系分泌物的影响。大豆、玉米以及馬铃薯、玉米间作能显著增加玉米根系分泌总糖含量和总有机酸含量[13];小花南芥和玉米间作下，与单作相比，玉米根系分泌物检测到乳酸，并且根系分泌的有机酸促进了超累积植物小花南芥累积Pb，减少农作物玉米植株体内Pb含量[14];与常规施氮量比较，在施氮量减少的情况下，玉米根系分泌的有机酸含量先增加后减少[15];与单施化肥相比，蚯蚓粪与化肥配施处理能显著提高玉米根系分泌物含量，同时，配施蚯蚓粪亦显著提高了玉米根际土壤中低分子有机酸含量[16]。分析玉米单作时根际土壤重金属在根-土界面的形态分布，玉米根系分泌低分子量有机酸，以及这些低分子量有机酸对根际土壤中重金属生物有效性的生态作用方面有一定的意义。本试验通过在云南会泽铅锌矿周边种植玉米，研究矿区生长环境通过植物根系分泌低分子量有机酸对土壤重金属的生物有效性以及植物对重金属吸收的的影响，分析玉米植株对Cd、Pb的累积特征，评估矿区环境对玉米生长的影响，为矿区污染农田种植经济作物提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于云南省会泽县者海镇玛色卡村，平均海拔2 130 m，矿区气候温和，年降水量840 mm，属于温带山地半潮湿气候，有独特的高原季风气候和丰富的立体气候特点。试验区的土壤类型为高原红壤，土壤背景值为：pH 6.31，有机质含量21.8 g/kg，全氮、全磷、全钾含量分别为1.54 g/kg、1.75 g/kg、7.44 g/kg，土壤Cd、Pb含量分别为4.59 mg/kg、392.0 mg/kg[8]。

1.2 试验材料与方法

供试玉米品种为矿区周边主栽的品种会单4号。每个小区面积为（长×宽）5 m×1 m，相邻小区间隔50 cm，共15个小区，行距为30 cm，株距为20 cm。2015年5月30日播种，播种前小区进行农家肥的撒施并翻耕，并施用有机肥作为基肥。

1.3 根际土壤和植株样品的采集

在旺长期（2015年7月30日）和成熟期（2015年9月5日）采样。每一个小区随机选取6～8株植株，采用抖根法收集根围0～2 mm范围内根际土壤样品，将每个小区的土样混合均匀，装入干净无菌自封袋带回实验室。土样经风干后磨细，分别过100目和20目筛孔，保存待测。每个试验小区随机采集3株植物，保存带回实验室，将植株地上部和地下部用水清洗干净，105℃杀青半小时，75℃烘干后，经粉碎制备成样品。

1.4 根系分泌物的提取和测定

植株样品，先用自来水冲洗，再用蒸馏水清洗根系，洗净后，将根系放入浓度为5 mg/L的百里酚溶液中浸泡5 min，移至盛有CaCl2溶液（0.5 mol/L）的收集装置中。该装置外部用黑色不透光塑料袋包裹，以保证植物根部避光。自然光照条件下，静置2 h，收集植物根系分泌物。植物根系取出后，用0.45 μm滤膜过滤收集液，去除根系的脱落物。收集液于40℃条件下，采用旋转蒸发仪浓缩至3 mL，用于测定草酸、酒石酸、柠檬酸的含量[10]，测定采用HPLC法。

1.5 重金属含量的测定方法

参照Tisser逐步提取法浸提土壤不同形态[10]，植株镉铅用HNO3-H2O2法消解，土壤镉铅用HNO3-HClO4法消解，DTPA溶液浸堤土壤镉铅有效态，火焰原子吸收分光光度计测定镉铅含量。

1.6 统计分析及作图

试验数据采用Microsoft Excel 2010计算平均值和标准差，Origin作图，SPSS 22.0进行相关性分析，LSD法检验各处理平均值在0.05和0.01水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同生长期玉米根系低分子量有机酸种类和含量的变化

由图1可知，旺长期，根系分泌柠檬酸含量比草酸含量高，根系分泌草酸和柠檬酸含量分别在0.56～1.99 mg/g、2.22～12.75 mg/g范围内，变异系数分别为40%、45%;成熟期，在根系分泌物中检测到草酸和酒石酸，含量分别在1.77～3.29 mg/g、0.49～1.01 mg/g范围内，变异系数分别为18%、26%，根系分泌草酸含量比旺长期增加135%。表明旺长期和成熟期根系低分子量有机酸种类和含量不同。

2.2 玉米根际土壤Cd、Pb形态与有效性

由图2可知，玉米根际土壤Pb形态中，有机物结合态、铁锰氧化态、碳酸盐结合态、可交换态的浓度范围分别为26.98～57.55 mg/kg、125.45～264.73 mg/kg、28.55～51.38 mg/kg、10.15～35.83 mg/kg;变异系数分别为23%、26%、19%、36%。玉米根际土壤Cd形态中，有机物结合态、铁锰氧化态、碳酸盐结合态、可交换态的浓度范围分别是0.16～0.46 mg/kg、0.38～1.46 mg/kg、0.38～1.32 mg/kg、1.08～2.18 mg/kg;变异系数分别为35%、41%、37%、27%。

由图3可知，玉米根际土壤Pb形态中，铁锰氧化态与其他三种形态之间存在显著差异，根际土壤Cd形态中，铁锰氧化态、碳酸盐结合态、有机物结合态和可交换态之间存在显著差异。根际土壤Pb形态中，铁锰氧化态>碳酸盐结合态>有机物结合态>可交换态，分别占总Pb含量的65%、14%、13%、8%。根际土壤Cd形态中，可交换态>碳酸盐结合态>铁锰氧化态>有机物结合态，分别占总Cd含量的44%、25%、23%、8%。根际土壤各形态中Pb以铁锰氧化态为主，Cd以可交换态为主。

由图4可知，旺长期根际土壤有效态Pb、Cd的浓度范围分别是21.28～42.39 mg/kg、0.21～0.49 mg/kg;变异系数分别是21%、25%。成熟期根际土壤有效态Pb、Cd的浓度范围是11.00～30.84 mg/kg、0.21～0.54 mg/kg;变异系数分别是30%、29%。表明玉米生长的不同时期根际土壤有效态Pb、Cd含量不同，均为旺长期>成熟期，有效态Pb、Cd含量分别下降44%、21%。

2.3 玉米植株生物量、Cd、Pb含量、與累积量

从图5可以看出，旺长期玉米根、茎、叶生物量分别在3.68～8.35 g/株、34.43～54.44 g/株、18.19～33.72 g/株范围内，变异系数分别为25%、12%、16%;成熟期玉米根、茎、叶、籽粒生物量分别在5.68～8.69 g/株、36.115～72.78 g/株、41.88～64.84 g/株、142.06～191.90 g/株范围内，变异系数分别为15%、21%、15%、10%。旺长期玉米各部位生物量表现为茎>叶>根;成熟期则表现为籽粒>茎>叶>根，成熟期根生物量变化较小，茎叶生物量变化较大。表明与旺长期相比，成熟期植株生物量显著增加。

由图6中（A）和（B）可知，旺长期玉米植株各部位Pb、Cd浓度范围分别为根51.2～79.4 mg/kg、1.02～2.25 mg/kg，茎8.9～20 mg/kg、0.48～0.99 mg/kg，叶44.4～59 mg/kg、1.05～2.67 mg/kg;Pb、Cd变异系数分别是根13%、23%，茎26%、21%，叶8%、28%。玉米植株Pb、Cd含量均为根>叶>茎。根、茎、叶分别占总Cd的：43%、17%、39%，总Pb的：49%、11%、40%。表明旺长期根部Cd、Pb含量最高。

由图6中（C）和（D）可知，成熟期玉米植株各部位Pb、Cd浓度范围分别为根31.8～70.45 mg/kg、1.47～2.6 mg/kg，茎4.5～7.95 mg/kg、1.02～2.66 mg/kg，叶21～42.7 mg/kg、1.77～2.97 mg/kg，籽粒4.73～9.8 mg/kg、0.99～0.26 mg/kg;Pb、Cd变异系数分别是根21%、17%，茎20%、28%，叶19%、16%，籽粒24%、36%。玉米植株Pb含量为根>叶>籽粒>茎，Cd含量为叶>根>茎>籽粒，根、茎、叶、籽粒分别占总Cd的：32%、29%、38%、2%，Pb：54%、6%、31%、8%。与旺长期相比，成熟期植株根、茎、叶Pb含量分别降低18%、54%、42%，根、茎、叶Cd含量则增加14%、163%、49%。表明成熟期植株各部位对Pb的吸收减少，对Cd的吸收增加。

由图7中（A）和（B）可知，旺长期玉米植株各部位Pb、Cd累积量范围分别为根0.19～0.52 μg/株、0.004～0.018 μg/株，茎0.36～0.88 μg/株、0.022～0.043 μg/株，叶0.81～1.73 μg/株、0.029～0.065 μg/株;变异系数分别为根27%、36%，茎29%、22%，叶19%、27%。玉米植株Cd、Pb累积量均为叶>茎>根。

由图7中（C）和（D）可知，成熟期玉米植株各部位Pb、Cd累积量范围分别为根0.23～0.46 μg/株、0.01～0.021 μg/株，茎0.21～0.58 μg/株、0.049～0.139 μg/株，叶0.98～1.86 μg/株、0.075～0.193 μg/株，籽粒0.85～1.64 μg/株、0.016～0.036 μg/株;变异系数分别为根19%、24%，茎30%、24%，叶23%、27%，籽粒23%、28%。与旺长期相比，玉米根、茎、叶Cd累积量分别增加25%、219%、183%，根、茎Pb累积量分别降低11%、43%。玉米植株Pb累积量为叶>籽粒>根>茎，Cd累积量为叶>茎>籽粒>根。表明与旺长期相比，玉米植株Cd累积量增加，Pb累积量降低，Pb大部分累积在叶和籽粒内，Cd大部分累积在叶和茎内。

2.4 玉米根系低分子量有机酸、Cd、Pb形态和植株Cd、Pb含量间的相关性分析

相关分析表明（见表1），玉米根系草酸含量与根际土壤有效态Cd（r=-0.608，P<0.05，n=12）、铁锰氧化物结合态Pb含量（r=-0.706，P<0.05，n=12）呈显著负相关，与可交换态Pb含量（r=-0.768，P<0.01，n=12）呈极显著负相关;而根际酒石酸含量与Cd、Pb各形态含量均无相关性。

玉米植株各部位Cd含量与根际土壤Cd不同形态之间均无相关性，根际土壤有效态Pb含量与植株茎Pb含量（r=0.780，P<0.01，n=12）、叶Pb含量（r=0.719，P<0.01，n=12）呈极显著正相关（见表2，表3）。

3 结论与讨论

根系分泌物是指植物生长过程中根系不同部位向生长介质中分泌或释放的有机物质的总称，根系分泌物中不同有机化合物特别是低分子量有机酸能与土壤中的毒害重金属离子发生反应（螯合作用或络合作用），形成毒性较小的化合物，减轻有毒离子对植物的毒害作用，提高植物对重金属的胁迫能力，改善根际土壤生态环境[17-18]。

本研究中，玉米根系分泌草酸减少植株对Pb的吸收。

根际土壤Cd、Pb的迁移、转化和养分吸收通常受到植物根系分泌物中低分子量有机酸的影响，低分子量有机酸对土壤中重金属离子的可溶性和有效性起着重要的调节作用，因此，不同植物通过向生存环境中释放不同的根系分泌物来适应和改善其生长环境[19-20]，进而影响植株的耐受能力和Cd、Pb累积能力。有研究表明，重金属Pb胁迫下，根系分泌的低分子量有机酸含量增加，显著增加土壤中Pb的生物有效性，使植物对Pb的累积量增加[21]。但本研究表明Pb胁迫下，玉米根系分泌草酸显著增加，草酸与根际土壤交换态Pb含量极显著负相关，与铁锰氧化态Pb含量显著负相关，而可交换态有很高的生物有效性，铁锰氧化态不易被直接吸收，但可在一定氧化还原条件下向可交换态转变，由此可知，玉米根系分泌草酸减少根际土壤Pb向交换态和铁锰氧化态转化，从而减少Pb的生物有效性，进而减少玉米对Pb的吸收累积。

本研究中，玉米根系草酸增加植株对Cd的吸收。

有机酸本质是至少含有一个羧基基团的碳氢氧有机化合物，易与土壤溶液中的Cd离子产生交互作用，使土壤—植物系统中的Cd转变为移动性、可生物利用性较强的可交换态，对土壤中Cd的理化性质产生重大影响，从而使得土壤溶液中的Cd离子浓度降低，且在促进土壤中Cd向有效态（可生物利用性）转变过程中草酸的作用最明显[22]。本试验中草酸与根际土壤有效态Cd含量显著负相关，由此可知，草酸分泌增加，抑制土壤Cd向有效态的转化，促进土壤Cd向可交换形态的转变，进一步增加玉米对Cd的吸收累积。与旺长期相比，成熟期玉米植株对Pb的吸收量减少，对Cd的吸收量增加，可能是在重金属胁迫下，根系分泌低分子量有机酸的含量和种类发生变化，影响土壤中有效态Cd、Pb的含量以及有机酸的矿化，进而影响Cd、Pb在植物中的累积。

本研究中，玉米根、茎、叶、籽粒Cd含量与根际土壤可交换态、有机物结合态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物結合态Cd含量均无相关性，玉米茎、叶Pb与根际土壤有效态Pb含量呈显著正相关，其他部位与土壤Pb各形态无相关性。有研究表明，玉米茎、叶和根部Pb含量与土壤Pb各形态含量相关性均较好[10];油菜地下部铅含量与根际有效态铅含量呈极显著和显著正相关，油菜地上部镉累积量与根际有效态镉含量呈显著负相关[23]。这可能与土壤理化性质、作物品种、农业耕作方式、管理条件等试验条件有关，改变植株体内重金属含量与根际土壤重金属形态之间的关系，增加或降低根际土壤Cd、Pb的生物有效性，从而影响植物对Cd、Pb的吸收积累。

玉米可通过根系分泌草酸，影响根际土壤镉铅化学形态与生物有效性，使根际土壤中Cd向可交换态，Pb向铁锰氧化态转变，进而影响玉米植株对Cd、Pb的吸收累积，成熟期植株各部位减少对Pb的吸收，增加对Cd的吸收，Cd、Pb主要累积在植株叶内。

参 考 文 献：

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