鎘脅迫下植物根系活力與根際土壤酶活性對植物鎘代謝的影響

鎘脅迫下植物根系活力與根際土壤酶活性對植物鎘代謝的影響

重金屬污染是環(huán)境污染的嚴重環(huán)境之一。與所有重金屬污染元素相比，sd具有高度的移動性和高毒性。通過法典化和周期化，可能會對人體產生緩慢中毒，這是人類最受關注的元素之一。高濃度的Cd不僅影響農作物產量,而且影響其質量。不同植物耐Cd反應不同,禾谷類作物如水稻和玉米對Cd的生理耐受性較強,但其產品(籽實)易受Cd污染而喪失食用價值,屬于污染敏感型作物;油料或糖料作物如油菜、花生、甘蔗等對Cd的生理耐性較強,食用產品(種子油、蔗糖)中Cd存留量低,但其秸稈、餅粕、蔗渣等不宜作肥料或飼料利用;纖維植物如棉花、紅麻等對土壤污染都有不同程度的耐受性,產品質量基本不受Cd污染影響,也不進入食物鏈;葉菜類植物受污染影響最大,當土壤Cd含量>1mg/kg時,已很難生產出Cd含量符合衛(wèi)生標準的葉菜產品;果菜類作物如黃瓜耐Cd污染力相對較強,在土壤Cd含量不超過5mg/kg時,鮮果含量不會超過國家食品衛(wèi)生標準(0.05mg/kg)。植物提取修復技術是20世紀90年代發(fā)展起來的一種通過金屬富集植物去除土壤或水體中有害金屬的一種低成本、高效率的綠色環(huán)境凈化技術。研究表明,羽葉鬼針草可以修復Pb污染土壤;商陸屬植物是Mn積累植物;芥菜類植物是Cd、Cr的富集植物;東南景天是Cd、Zn、Pb的超富集植物;油菜、雜草龍葵可作為Cd污染土壤的修復植物,這些植物抗逆境能力強,生長迅速,生物量大,種子數量多,可以大規(guī)模繁殖,在被污染的土壤上種植這些植物,可以達到改良土壤理化性狀,快速修復重金屬污染土地的目的。研究還表明,同一植物不同器官積累Cd能力不同。一般來說Cd從土壤中被植物吸收后,大部分富集在根部,而遷移至地上部的一般較少,各器官分布是根>莖>葉>籽實,如水稻根、莖葉、糙米中Cd的比例為80∶5∶1,但也有例外:如胡蘿卜葉中Cd含量高于根中的;蘆葦幼苗葉中Cd含量高于莖中的;大豆各部位Cd含量為莖葉>根>果實。此外,通過采取一些農藝措施也可以增強植物修復能力。前人關于玉米、大豆及棉花等單一植物的耐Cd性已進行了相關研究,而關于幾種植物在同一條件下的比較研究未見報道。關于蓖麻和曼陀羅雜草的Cd研究,以及這幾種植物在Cd脅迫下的根系活力與根際土壤酶活性及根際土壤營養(yǎng)對Cd的反應也未見報道。因此本試驗選用玉米、大豆、蓖麻、棉花、曼陀羅5種植物,研究5mg/kgCd脅迫下,植物根、莖、葉、籽實各器官的Cd富集能力與分配系數,以及植物根系活力、植物根際土壤酶活性與根際土壤營養(yǎng)的差異。1材料和方法1.1供試土壤、土壤供試植物為“農大108”玉米(Zeamays)由山西農業(yè)大學農學院玉米研究室提供;“晉豆27”大豆(Glycinemax)由山西農業(yè)大學農學院大豆研究室提供;陸地棉(Gossypiumhirsutum)由山西農業(yè)大學農學院棉花研究室提供;曼陀羅(DaturestramoniumDatura)野生種子、蓖麻(Ricinuscommunis)均由山西省太谷縣種子公司提供。供試土壤為中壤土,其性質為黃土母質上發(fā)育而成的石灰性褐土,取自山西農業(yè)大學試驗農場麥田耕作層(0-20cm)。其養(yǎng)分含量為:有機質16.4g/kg,全氮0.933g/kg,全磷2.11g/kg,全鉀26.3g/kg,速效氮46.4mg/kg,速效磷12.8mg/kg,速效鉀171mg/kg,pH值7.7。土壤Cd本底含量0.54mg/kg。將供試土壤取回,經自然風干,錘碎,過2mm篩,充分混勻備用。供試Cd試劑為純度99%的分析純CdCl2·2.5H2O,北京雙環(huán)化學試劑廠生產。1.2cd不同濃度對植物根系活力的影響采用田間土柱栽培試驗法。先將25cm×60cm(Φ×h)的直筒型陶瓷管埋入大田,然后將供試土壤裝填入管,每管裝土30kg。根據目前我國農田土壤全Cd含量的現(xiàn)狀與試驗取材的特點,本試驗選取較大的土壤Cd濃度5mg/kg。將CdCl2·2.5H2O配成Cd含量為5mg/kg的水溶液1000ml,于播前將其沿土柱表面均勻地滲入土壤,然后加水至田間持水量的80%,土壤平衡4周后,于6月5日統(tǒng)一播種供試5種植物。每種植物皆以不加Cd處理為對照(CK),每個處理重復6次。9月25日統(tǒng)一收獲,全生長期112d。出苗后5種作物均留苗1株,分別在苗期(7月5日)取3個重復進行根系活力測定;在結實期(9月10日)取剩余的3次重復對植物根、莖、葉、籽實各器官鎘含量進行測定,同時對根際土壤采樣分析。1.3樣品的采集及測定樣品采集和處理:苗期每種植物每個處理取3次重復,將地上部收割,然后取根,沖洗后進行根系活力測定。結實期每種植物每個處理取剩下的3次重復,將莖、葉、籽實分別收割,裝袋,然后獲取根系。采用直徑8cm的螺旋式土鉆,以植株為中心,垂直深入土層20cm取樣。將所取土樣放在滅菌瓷盤,然后過1mm篩撿根,裝袋,與莖、葉、籽實袋一起用于鎘含量測定。將撿根后的土樣中的石子等異物除去,連同過篩土一起混勻,共分3份,風干,分別以備土壤鎘含量、土壤營養(yǎng)及土壤酶活性測定。根系活力采用根系還原TTC強度法測定。土壤Cd含量采用GB/T17141-1997批準的石墨爐原子吸收分光光度法;土樣消解采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全消解的方法進行。植株樣品Cd含量采用石墨爐原子吸收光譜法,樣品消解采用濕式消解法。土壤營養(yǎng)測定:土壤有機質測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法;土壤速效氮測定采用堿解擴散法;速效磷測定采用0.5mol/LNaHCO3浸提-鉬銻抗比色法;速效鉀測定采用NH4OAC浸提-火焰光度法。土壤酶活性測定:脲酶用靛酚比色法;堿性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法;蔗糖酶用磷酸二氫鈉比色法;多酚氧化酶用鄰苯三酚比色法;過氧化氫酶用容量法(0.05mol/L高錳酸鉀滴定)。采用Excel軟件進行數據整理、作圖。采用SAS8.0軟件進行多重比較,結果用平均值±標準偏差表示。2結果與分析2.15cd富集總量排序Cd脅迫后,5種植物各器官Cd積累含量相應增加(表1),棉花莖除外。但5種植物地上部和地下部Cd含量均未超過Cd臨界含量(100mg/kg),表明5種植物均不具備對Cd的超富集能力。由表1可以看出,Cd處理的污染土壤不論種植何種植物,都較非污染的對照土壤(CK)在植物體內吸收富集高達3~7倍的Cd污染物質。5種植物Cd富集總量排序為大豆>玉米>棉花>曼陀羅>蓖麻。同一器官不同植物Cd富集量差異顯著(p<0.05),變異系數分別是:根48.63%,莖113.25%,葉77.85%,籽實48.85%,比較而言,不同植物莖葉Cd富集量的差異更大。同一植物不同器官Cd富集量差異顯著(p<0.05),變異系數分別是:大豆55.14%,棉花89.79%,曼陀羅43.24%,蓖麻144.90%,玉米118.64%,比較而言,蓖麻、玉米、棉花3種植物不同器官間Cd富集量的差異更大。不同植物吸收富集Cd的根冠比(R/S)亦不同,蓖麻、玉米R/S大于1,可稱為根優(yōu)勢植物;大豆、曼陀羅R/S小于1,可稱為冠優(yōu)勢植物;棉花R/S近于1,可稱為冠根均衡植物。從表1還可看出,供試的5種植物對鎘吸收總量最高的前3位植物分別是大豆(26.894mg/kg)、玉米(23.168mg/kg)、棉花(17.878mg/kg),而這三者都是經過長期人工栽培馴化的栽培植物,其吸肥能力強于蓖麻和曼陀羅,這種吸肥能力與吸Cd能力是否呈正相關關系,吸肥能力的差異是否可作為污染土壤利用改良的依據有待進一步研究。2.25cd脅迫植物cd分配及富集系數分析為了進一步明確5種植物將吸收后的Cd分配給各器官的比例,而作表2。從表可看出,Cd脅迫后,Cd在植物體內的分配因植物而異:大豆將吸收Cd的40.9%遷移到莖,葉和籽實遷移量僅為總量的14.8%和12.2%;棉花將所吸收Cd的37.1%運輸到葉,11.0%運輸到籽實,只有1.8%留在莖;曼陀羅將38.4%的Cd分配給莖,26.2%分配給籽實,12.1%留在葉;蓖麻和玉米則將約70%的Cd殘留在根部,運輸到地上部各器官的Cd分別只有10%左右。就地上部Cd分配而言,對于冠優(yōu)勢植物及冠根均衡植物來說,大豆、曼陀羅為莖優(yōu)先植物,棉花為葉優(yōu)先植物。另外,植物對土壤元素的吸收富集能力,也可以用富集系數來表示,富集系數=植物體內某元素的含量/該元素在土壤中的含量。從表2還可看出,Cd脅迫后,除棉花莖外,5種植物各器官對Cd的富集系數均大于1,其中玉米和蓖麻根系富集系數達到20~30,大豆莖根、棉花根在15~20之間,曼陀羅莖、棉花葉在10~15之間。從富集系數角度講,玉米、蓖麻、棉花是根富集Cd植物,大豆、曼陀羅是莖富集Cd植物。但如果從凈化土壤的角度看,根系吸收的Cd依然殘留在土壤,而莖葉籽實則將大量Cd帶走,本試驗中曼陀羅地上部轉移系數為1.0以上,那么可以考慮曼陀羅這種雜草作為凈化鎘植物。2.3植物根系活力根系活力水平直接影響植物吸收能力,進而影響地上部生長及營養(yǎng)狀況。研究(表3)表明,Cd脅迫后5種植物根系活力明顯加強,其中蓖麻、棉花根系活力較對照分別提高了5.8,3.3倍,玉米、大豆分別提高了1.3,0.8倍,相比而言,曼陀羅提高較少,為0.4倍。Cd脅迫后5種植物根系活力大小排序為:大豆>棉花>蓖麻>玉米>曼陀羅。2.4棉花根際土壤養(yǎng)分含量從圖1可以看出,Cd脅迫后,5種植物根際土壤5種營養(yǎng)含量變化不同。大豆根際除有機質含量較對照的略有降低(1.81%)外,其余4種土壤營養(yǎng)含量均表現(xiàn)增加,增加比率依次為速效磷(329.67%)>速效鉀(21.14%)>速效氮(16.19%)>全氮(6.67%)。棉花根際5種土壤營養(yǎng)含量較對照的均明顯增加,其中速效磷增幅最大(60.35%),其次為全氮(31.82%)、堿解氮(31.71%)、速效鉀(15.86%)和有機質(7.91%)。曼陀羅根際土壤全氮、堿解氮以及速效鉀含量較對照的明顯降低,分別降低6.06%,20.39%,34.90%;而根際土壤速效磷和有機質含量分別較對照的增加30.16%和30.83%。蓖麻根際土壤全氮、堿解氮和速效磷含量分別較對照的降低12.50%,46.88%和34.96%;速效鉀和有機質含量分別較對照的增加16.78%和17.60%。玉米根際土壤5種營養(yǎng)含量較對照的均明顯增加,與棉花的表現(xiàn)相同,增幅依次為堿解氮(123.81%)>速效磷(112.32%)>全氮(36.84%)>速效鉀(28.73%)>有機質(2.27%)。2.5土壤酶活性的變化結果(圖2)表明,Cd脅迫后,5種植物根際土壤多種酶活性表現(xiàn)不同。5mg/kgCd脅迫明顯抑制了大豆和蓖麻根際土壤多種酶活性,而促進了曼陀羅和玉米根際土壤多種酶活性(玉米根際多酚氧化酶除外),棉花根際土壤除多酚氧化酶和過氧化氫酶活性略有降低外,脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均明顯提高。比較5種酶活性,堿性磷酸酶活性對Cd污染反應較不敏感,脲酶和蔗糖酶活性對Cd污染反應較敏感,多酚氧化酶和過氧化氫酶活性對Cd污染反應的敏感程度因不同植物而異。5種植物比較,根際土壤多酚氧化酶活性和過氧化氫酶活性對Cd污染反應較敏感的植物均是曼陀羅,2種酶活性分別提高25.07%和12.34%;根際土壤脲酶活性對Cd污染反應較敏感的植物是玉米(活性提高120.02%),其次是棉花(活性提高79.31%);根際土壤蔗糖酶活性對Cd污染較敏感的植物依次是棉花(活性提高156.93%),曼陀羅(活性提高149.54%)和玉米(活性提高84.24%);根際土壤堿性磷酸酶活性對Cd污染較敏感的植物是曼陀羅(活性提高12.24%)。3cd污染對土壤的凈化作用根據我國土壤環(huán)境質量標準(GBl5618-1995),重金屬Cd含量超過1.0mg/kg的土壤屬于三級土壤,即這類土壤重金屬含量已經達到保障農林業(yè)生產和植物正常生長的土壤臨界值,超過該值將抑制植物的生長,對植物和農林業(yè)生產帶來危害。從中國目前調查的農田Cd含量來看,全Cd含量一般為0.01~1.34mg/kg。本研究隨灌溉進入土壤的重金屬Cd含量為5mg/kg,屬于重度污染土壤。文獻中規(guī)定,符合超積累植物應達到3個基本標準:(1)臨界含量特征標準,即植物莖或葉中重金屬含量要大于一定的臨界值,Cd為100mg/kg;(2)轉移特征標準,即植物地上部(主要是指莖或葉)重金屬含量大于其根部重金屬含量;(3)富集系數特征標準,即植物地上部富集系數大于1.0(莖、葉、籽實部分的平均數),至少當土壤中重金屬濃度與超積累植物應達到的臨界含量標準相當時,植物地上部富集系數大于1.0。本試驗中,只有雜草曼陀羅積累Cd能力符合(2)、(3)標準,因此,不能作為超積累植物,但可以作為Cd富集植物來凈化土壤。另外,葉片和根系吸收積累的Cd可通過地上或地下凋落等途徑歸還土壤,而只有通過非循環(huán)的莖吸收積累的Cd在植物體較能穩(wěn)定存在,所以莖部Cd含量的高低,也能夠代表該植物的吸收富集以及凈化土壤的能力。同時與作物相比,曼陀羅是一種常見的農田雜草,具有較強的抗逆競爭能力,較強的爭光、爭水和爭肥能力,營養(yǎng)生長迅速、繁殖能力強以及在環(huán)境條件適宜情況下生物量能夠急劇提高等特點,有利于彌補現(xiàn)有修復植物生長周期長以及生物量較小的缺點,是較理想的植物修復資源。因此,比較供試5種植物,應優(yōu)先選擇曼陀羅用于Cd污染區(qū)域的土壤凈化。另外,供試的5種植物對鎘吸收總量最高的前3位植物分別是大豆(26.894mg/kg)、玉米(23.168mg/kg)、棉花(17.878mg/kg),而這三者都是經過長期人工栽培馴化的栽培植物,其吸肥能力強于野生植物,這種吸肥能力與吸Cd能力是否呈正相關關系,吸肥能力的差異是否可作為污染土壤利用改良的依據有待進一步研究。土壤酶活性是探討土壤污染生態(tài)效應的有效指標之一。前蘇聯(lián)學者提出蔗糖酶活性可作為土壤重金屬污染的評價指標,脲酶活性可作為土壤重金屬污染的預測指標,磷酸酶活性可用作褐色森林生草土壤重金屬污染的評價指標。李素霞等試驗表明,在不施氮的情況下,一定濃度的Cd污染(≤1.0mg/kg。)促進了蔗糖酶和蛋白酶活性,抑制了脲酶活性,酸性磷酸酶的活性在0~1.0mg/kg范圍內不受Cd污染的影響,且Cd氮交互作用對幾種酶的活性都有顯著影響。盧顯芝等試驗表明,不同濃度Cd污染均顯著抑制了0-40cm土層過氧化氫酶活性,隨Cd污染濃度增加,0-20cm土層轉化酶活性呈先抑制后激活的趨勢,而20-40cm土層轉化酶活性表現(xiàn)顯著激活。本試驗結果表明,5mg/kgCd脅迫明顯抑制了大豆和蓖麻根際土壤多種酶活性,而促進了曼陀羅和玉米根際土壤多種酶活性(玉米根際多酚氧化酶除外),棉花根際土壤除多酚氧化酶和過氧化氫酶活性略有降低外,脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均明顯提高。比較5種酶活性,堿性磷酸酶活性對Cd反應較不敏感,脲酶和蔗糖酶活性對Cd反應較敏感,多酚氧化酶和過氧化氫酶活性對Cd的敏感程度因不同植物而異。本研究結果還表明,Cd脅迫不同程度地提高了植物根際土壤營養(yǎng)含量。除大豆外其余4種植物根際土壤有機質含量均不同程度地增加;除蓖麻外,