镉、砷复合污染对苎麻生长及吸收镉、砷的影响

赵丹博，曹诣，佘玮，白玉超，崔国贤

(湖南农业大学苎麻研究所，长沙410128)

由于工业废物的排放和不合理的农业管理措施，致使农田土壤中镉 (Cd)、砷 (As)污染日趋严重，并严重影响到当代粮食安全和人类健康[1]。镉、砷污染在土壤环境中具有隐蔽性、长期性和不可逆转性的特点，使得这两种重金属污染土壤的治理和修复成为亟需解决的现实问题[2]。目前，国内外通常采用的植物修复技术主要有两类:一类是采用超富集植物来修复被重金属污染的土壤，如遏蓝菜等;另一类是采用生物量大而不具备超富集重金属元素的植物来修复利用被污染的土壤，如苎麻、烟草和玉米等[3]。

苎麻 (Boehmeria nivea L.)属荨麻科苎麻属，是我国特产的多年生宿根性旱地草本纤维作物，栽培面积广，且具有生长迅速、根系发达和生物量大的特点。近年来的研究指出，苎麻对重金属具有较强的耐性和积累能力。有研究报道镉的浓度在80 mg/kg可能是苎麻耐镉阈值[4]，但也有研究指出苎麻在700 mg/kg以上镉污染土壤上仍能正常生长[5]。韦朝阳报道，高砷区苎麻叶、茎、根中的砷含量为536、103和69 mg/kg，地上部的砷含量大于地下部，表明苎麻对砷具有较强的富集作用[6]。鉴于苎麻对镉、砷复合污染土壤的修复及富集作用鲜有报道，本试验旨在研究镉、砷复合污染条件下苎麻的生长及其对镉、砷的吸收特征，探讨砷对苎麻吸收积累镉的作用机制，以期为苎麻修复和治理镉、砷复合污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试苎麻品种为中苎1号、湘苎3号、多倍体1号和湘苎7号。

1.2 试验设计

2013年3月进行无性繁殖扦插育苗，约30 d后幼苗移栽。盆栽试验于2013年4月－2013年8月在湖南农业大学国家麻类阳光板温室进行，该温室通风、光照条件良好。选取长势一致的苎麻扦插苗洗去根部所带泥土后，移栽于装有珍珠岩培养基质的塑料桶中 (内径23cm×18cm×25cm)，每盆3株。每周浇灌1/2的Hoagland营养液1次，每次500mL。Hoagland营养液配方为 Ca(NO3)25.79×10－3mol/L，KNO38.02×10－3mol/L，NH4H2PO41.35×10－3mol/L，Mg-SO44.17×10－3mol/L，MnSO48.90×10－6mol/L，H3BO34.83 ×10－5mol/L，ZnSO40.94×10－6mol/L，CuSO40.20×10－6mol/L，(NH4)2MoO40.015×10－6mol/L，Fe－EDTA 7.26×10－5mol/L，用NaOH或HCl调节pH 6.5左右。2013年6月底破杆，二麻出苗14天后进行处理，设置镉、砷处理如下:处理1，Cd 5 mg/kg+As 0 mg/kg(作为对照);处理2，Cd 5 mg/kg+As 50 mg/kg;处理 3，Cd 5 mg/kg+As 100 mg/kg;重复 3次。Cd、As以 CdCl2·2.5H2O和Na2HAsO4·7H2O的形式加入。

1.3 取样与分析

于2013年8月1日 (二麻成熟期)测量株高、茎粗等农艺性状。测量株高时，用直尺测量苎麻植株基部至叶顶端的距离;测量茎粗时，用游标卡尺测量苎麻植株的中间部位，避开叶节处。收获时将苎麻分根、茎、叶三个部分收获，植株样品先用自来水冲洗，然后用去离子水清洗，沥干水分。105℃杀青半小时，然后在65℃烘干至恒重，将样品粉碎、过筛后备用。样品采用HNO3－HClO4法消化，在湖南省分析测试中心用Z－2310原子吸收光度计测Cd含量，用AFS－830a原子荧光光度计测As含量。镉积累量=植株重金属含量×植株生物量。

1.4 数据处理

采用DPS数据处理系统 (v7.05专业版)进行数据的统计和分析。

2 结果与分析

2.1 镉、砷复合污染对苎麻生长及生物量的影响

镉、砷复合污染对苎麻生长及生物量的影响见表1。由表1可以看出，随着污染物中砷的浓度增加，苎麻的株高、茎粗、根干重、茎干重和叶干重均呈下降趋势。在镉、砷复合污染下，中苎1号株高较镉污染处理 (处理1)降低了4.65%～11.63%，茎粗降低了12.21%～17.49%，根干重降低了30.64%～36.19%，茎干重降低了14.01%～24.15%，叶干重降低了17.07%～56.10%;湘苎3号株高较镉污染处理降低了12.83%～21.39%，茎粗降低了8.90%～20.89%，根干重降低了29.50%～46.38%，茎干重降低了27.03%～54.95%，叶干重降低了35.96%～51.69%;多倍体1号株高较镉污染处理降低了14.47%～28.92%，茎粗降低了17.06%～22.98%，根干重降低了12.90% ～40.25%，茎干重降低了27.00% ～37.33%，叶干重降低了6.86%～57.14%;湘苎7号株高较镉污染处理降低了11.81%～14.17%，茎粗降低了8.64%～15.13%，根干重降低了27.71%～56.14%，茎干重降低了47.71%～54.00%，叶干重降低了58.04%～61.51%。结果表明镉、砷复合污染抑制苎麻的生长，且随着砷浓度的增加，苎麻的株高、茎粗、根干重、茎干重和叶干重下降越多。

表1 苎麻株高、茎粗和生物量Tab.1 Plant height，stem diameter and biomass of ramie in different treatments

2.2 镉、砷复合污染对苎麻根、茎、叶中镉含量的影响

图1 镉、砷复合污染对苎麻各部位镉含量的影响Fig.1 Effect of Cd，As stress on Cd concentration and distribution in ramie

镉、砷复合污染对不同基因型苎麻根、茎、叶内镉含量的影响如图1所示。在单一镉胁迫下，苎麻根、茎、叶镉含量分别平均为56.08 mg/kg、2.45 mg/kg和3.00 mg/kg;当污染物中砷浓度增加至50 mg/kg时，苎麻根中镉含量降低至42.63 mg/kg，茎中镉含量降低至1.52 mg/kg，叶中镉含量升高至7.27 mg/kg;当污染物中砷浓度增加至100 mg/kg时，苎麻根中镉含量降低至25.70 mg/kg，茎中镉含量降低至0.85 mg/kg，叶中镉含量降低至3.70 mg/kg。总体而言，在镉、砷复合污染下苎麻不同器官之间镉含量有较大的差异，镉含量呈根＞叶＞茎的趋势，而污染物中砷的添加 (50－100 mg/kg)能降低苎麻根、茎、叶内的镉含量。

2.3 镉、砷复合污染对苎麻根、茎、叶中砷含量的影响

镉、砷复合污染对苎麻根、茎、叶中砷含量的影响如表2所示。在As 50 mg/kg、Cd 5 mg/kg处理下，苎麻根、茎、叶中砷含量分别平均为168.96 mg/kg、8.39 mg/kg和12.03 mg/kg;在As 100 mg/kg、Cd 5 mg/kg处理下，苎麻根、茎、叶中砷含量分别平均为206.75 mg/kg、11.63 mg/kg和19.43 mg/kg。由此可见，砷在苎麻各器官内的含量呈根＞叶＞茎的趋势。在As 100 mg/kg、Cd 5 mg/kg处理下，中苎1号、湘苎3号和多倍体1号根、叶内砷含量均高于As 50 mg/kg、Cd 5 mg/kg处理，表现为随着污染物中砷浓度增高，苎麻根、叶内砷含量也随之增高。然而，当砷浓度增加至100 mg/kg时湘苎7号根、叶内砷含量开始下降，比砷浓度为50 mg/kg处理分别降低了5.36%和11.39%，这可能由于100 mg/kg的砷对湘苎7号的生长产生了非常不利的影响，其生理活性受到抑制。

表2 镉、砷复合污染对苎麻各部位砷含量的影响Tab.2 Effect of Cd，As stress on As concentration and distribution in ramie

2.4 镉、砷复合污染对苎麻根、茎、叶中镉积累量的影响

镉、砷复合污染下苎麻根、茎、叶中镉积累量如图2所示。在镉、砷复合污染下，随着砷浓度的增加，苎麻根、茎中镉积累量逐渐减小。其中中苎1号在镉、砷复合胁迫下根中镉积累量较单一镉胁迫处理降低了25.17%～59.98%，茎中镉积累量降低了50.71%～81.20%，湘苎3号根、茎中镉积累量分别降低了20.59% ～76.63%和77.70% ～91.64%，多倍体1号根、茎中镉积累量分别降低了47.66%～56.55%和14.19%～60.43%，湘苎7号根、茎中镉积累量分别降低了73.39%～91.45%和61.01%～75.22%。当污染物中砷浓度为50 mg/kg时，苎麻叶中镉积累量较单一镉胁迫处理有所提高，其中中苎1号提高了0.68×10－3mg，湘苎3号提高了4.93×10－3mg，多倍体1号提高了7.78×10－3mg，湘苎7号提高了4.44×10－3mg。当污染物中砷浓度增加至100 mg/kg时，苎麻叶中镉积累量大幅度下降。与As 50 mg/kg、Cd 5 mg/kg处理相比，污染物中砷浓度为100 mg/kg处理下中苎1号叶片镉积累量下降了83.24%，湘苎3号下降了59.64%，多倍体1号下降了80.50%，湘苎7号下降了35.10%。

图2 镉、砷复合污染对苎麻各部位镉积累量的影响Fig.2 Effect of Cd，As stress on Cd accumulation in ramie

3 讨论与结论

同一植物的不同部位对重金属的吸收和积累存在着较大的差异，一般条件下，大多数植物吸收的重金属主要积累在根系而在地上部的含量较低，但在一些重金属超富集植物中，其地上部重金属含量是普通植物的100倍甚至1000倍以上[7－9]。一般而言，植物对镉的吸收和积累以新陈代谢旺盛器官积蓄量最大，而营养贮存器官积蓄量少，其基本分布特点为根＞叶＞枝＞花＞果实＞籽粒[10]。植物对镉的吸收能力，直接受土壤中投加的镉、砷浓度及其交互作用制约[11]。孙约兵[2]等研究发现，一定含量的砷可以促进球果蔊菜对镉的吸收，但高浓度砷 (250 mg/kg)抑制球果蔊菜对镉的吸收。研究发现，当土壤环境中同时存在镉和砷时，砷有促进苜蓿吸收镉的功能，而且砷也可促进水稻对镉的吸收，当土壤投加砷浓度为30 mg/kg时，水稻根、茎叶、籽实镉含量水平随着土壤中砷含量的增加而增加[11]。宋菲等研究指出，土壤中锌含量的增加会降低菠菜对镉的吸收量[12];佘玮等也指出锌、铁能抑制苎麻对镉的吸收和转运，锌、铁缺失促使苎麻吸收更多的镉[13]。

本研究结果表明，随着污染物中砷浓度增加，苎麻生长受到抑制，株高、茎粗、生物量下降。当污染物中砷浓度为50 mg/kg时，中苎1号、湘苎3号根内镉含量有所增加，中苎1号、湘苎3号、湘苎7号茎内镉含量降低，四个苎麻品种叶内镉含量均提高;当污染物中砷浓度达到100 mg/kg时，苎麻根、茎、叶内镉含量均下降。随着污染物中砷浓度增加，苎麻根、茎内镉积累量呈下降趋势，而叶内镉积累量在砷浓度为50 mg/kg处理下增加，在砷浓度为100 mg/kg处理下大幅度下降。在砷浓度为50 mg/kg处理下，苎麻农艺性状开始下降，生长受到抑制，此时苎麻叶内镉含量及镉积累量均出现增加趋势，可能是由于镉、砷复合污染加剧了镉从地下部向地上部的运转。当处理液中砷浓度达到100 mg/kg时，苎麻各器官镉含量及镉积累量均下降，且湘苎7号体内砷含量也开始下降，说明在砷浓度为100 mg/kg胁迫下苎麻生长已经受到严重的抑制，各方面生理活性下降。

目前关于苎麻对重金属抗性的研究主要集中在对镉的研究上，而镉、砷等复合污染对苎麻的影响等研究相对较少。对重金属污染土壤能起到修复作用的苎麻品种较多，但其修复能力参差不齐，不同苎麻品种对不同重金属的抗性也存在差别[14－15]。因此，重金属复合污染对苎麻的影响机理及不同品种苎麻的抗性机理等，有待加强研究。

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