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小花南芥与玉米间作对Pb化学形态及富集特征的影响

王吉秀, 李想, 李祖然, 祖艳群, 湛方栋, 秦丽, 李博. 小花南芥与玉米间作对Pb化学形态及富集特征的影响[J]. 环境工程学报, 2018, 12(12): 3456-3467. doi: 10.12030/j.cjee.201803151
引用本文: 王吉秀, 李想, 李祖然, 祖艳群, 湛方栋, 秦丽, 李博. 小花南芥与玉米间作对Pb化学形态及富集特征的影响[J]. 环境工程学报, 2018, 12(12): 3456-3467. doi: 10.12030/j.cjee.201803151
WANG Jixiu, LI Xiang, LI Zuran, ZU Yanqun, ZHAN Fangdong, QIN Li, LI Bo. Effects of intercropping of Arabis alpina L. var.parviflora Franch and Zea mays L. on chemical speciation and accumulation characteristics of Pb[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(12): 3456-3467. doi: 10.12030/j.cjee.201803151
Citation: WANG Jixiu, LI Xiang, LI Zuran, ZU Yanqun, ZHAN Fangdong, QIN Li, LI Bo. Effects of intercropping of Arabis alpina L. var.parviflora Franch and Zea mays L. on chemical speciation and accumulation characteristics of Pb[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(12): 3456-3467. doi: 10.12030/j.cjee.201803151

小花南芥与玉米间作对Pb化学形态及富集特征的影响

  • 基金项目:

    国家自然科学基金资助项目(41761073)

    云南农业大学自然科学青年基金资助项目(2015ZR06)

    云南省农田无公害生产创新团队资助项目(2017HC015)

Effects of intercropping of Arabis alpina L. var.parviflora Franch and Zea mays L. on chemical speciation and accumulation characteristics of Pb

  • Fund Project:
  • 摘要: 间作植物根与根之间的相互作用影响根际土壤理化性质。目前关于超富集植物与作物间作根际土壤pH是否引起Pb赋存形态的变化,不同赋存形态与超富集植物和作物富集Pb的差异机理尚不清楚。设置不同Pb处理浓度,小花南芥和玉米间作、单作为对照的土培实验。随着Pb处理浓度增加,间作小花南芥生物量显著增加,范围为19.00%~181.08%,Pb富集系数为2.78,显著增加74.02%,转运系数为1.46,变化不显著,其中Pb含量显著增加25%。Pb赋存形态主要以难溶态果酸盐、蛋白质和磷酸盐结合态存在,约占总量的50%,间作显著降低小花南芥根际土壤溶液、根和茎叶中的pH;间作玉米生物量随着Pb处理浓度先显著增加后降低,增加范围为18.59%~49.48%,Pb富集系数平均为0.53,显著降低34.57%,转运系数平均为0.56,显著降低12.51%,Pb赋存形态以草酸盐结合态存在,约占30%,间作显著增加玉米根际土壤溶液、根和茎叶中的pH。揭示间作改变2种植物根际土壤溶液、根和茎叶中pH,从而引起Pb化学形态不同,这是导致超富集植物小花南芥吸收富集Pb,降低玉米体内Pb的主要原因。
  • 铅的化学形态不仅决定该物质的生物活性和毒性,而且也影响它在生物体内及生态环境中的迁移及转化过程。十字花科根菜类不同基因型萝卜(Raphanus sativus L.)各器官、亚细胞富集铅差异显著不同,高富集基因型与低富集基因型相差7.5倍,这主要与铅在植物体内的化学赋存形态密切相关[1],铅在植物组织中结合形态的分布与其在植物中的富集转运能力呈正相关。如水稻和小麦植物根部铅主要以活性比较弱的乙酸和盐酸提取态占优势,叶中则主要以碳酸盐结合态为主,而镉和铜在水稻和小麦根中以氯化钠和乙醇提取态为主,叶中以去离子水提取态为主。研究已证明,乙醇可提取态和去离子水可提取态迁移能力最强,氯化钠提取态次之,而醋酸和盐酸提取态迁移能力最弱,残渣态直接不被植物吸收[2-4]。重金属污染土壤上种植水稻和小麦籽粒镉铜超标与重金属在植物组织的形态有关,且植物组织中重金属化学形态受作物种类、品种、生态类型及重金属种类等各种因素调控[5],其中土壤溶液和植物体内pH是影响重金属形态分布和生物有效性最主要的因素之一[6-7],如pH降低,土壤中固定的Pb改变,尤其是碳酸盐结合态的PbCO3容易释放出来[8]。研究表明土壤中可交换态重金属随pH升高而减少,且呈极显著负相关,碳酸盐结合态和铁锰化物结合态重金属与pH呈显著正相关,有机态重金属随pH升高而升高[9]
    间作体系改变植物对重金属富集特征,如烟草与鸡眼草间作促进镉的吸收[10];土荆芥和蚕豆/玉米间作,2种植物Pb、Cd、Zn与单作相比都发生变化[11];豌豆与玉米间作改变玉米组织中铜的分布[12];遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)与大麦(Hordeum vulgare L.)间作改变锌的吸收[10],As超积累植物(Pteris cretica L.)大叶井口边草与玉米间作改变根、茎和叶中的As、Pb和Cd含量[13];印度芥菜与油菜间作,促进油菜体内镉含量增加,产量下降[14];龙葵与大葱、伴矿景天与小麦间作改变植株Cd含量[15-16]。上述Pb超富集植物与作物间作改变重金属在2种植物体内的总量,Pb不是作物生长的必需元素,而对于Pb超富集植物小花南芥而言表现为趋Pb行为,相反玉米为避Pb行为,推测间作后作物为了降低重金属的毒性,吸收后以活性较低的难容态和有机螯合态形式储存。对于重金属在不同植物组织内化学形态的变化还有待进一步研究。目前超富集植物小花南芥与玉米间作是否改变根际土壤溶液及植物体内pH以及pH是否引起Pb化学形态改变的影响因素尚不清楚,因此,本研究在不同浓度胁迫下,探讨根际土壤溶液及植物体内pH、植株组织内Pb的化学形态之间的相关性,进一步阐明超富集植物与作物Pb累积特征的差异,这对于探讨重金属Pb的迁移转化、生物有效性及污染土壤的修复机理具有重要的意义。

    1 实验部分

    1.1 材料与方法

    1.1.1 实验材料

    供试超富集植物小花南芥(Arabis alpina L. var.parviflora Franch)为十字花科南芥属植物, 一年生草本,本实验小花南芥种子采于云南省会泽县铅锌矿废弃地, 带回实验室保存备用。会泽县铅锌矿位于云南东北部的曲靖地区, 属乌蒙山系。海拔2 463~2 516 m, 东经103°03′~103°55′, 北纬25°48′~28°38′,矿区面积5 km2。铅锌矿储量1 528万t, 居云南第2位[17]。该矿土法冶炼铅锌历史悠久,对周边农田造成的重金属污染已危机到饲粮安全。
    对矿区和非矿区小花南芥研究发现,矿区小花南芥地上部分Pb含量可以高达1 963.2 mg·kg−1, 地下部分Pb含量1 711.8 mg·kg−1[18];盆栽实验设置Pb处理 0、200、500 和1 000 mg·kg−1时,富集系数和转运系数也都大于1[19-20],这说明小花南芥可以作为Pb超富集植物进行间作。
    小花南芥采用种子培养, 种子用10%安替福民20倍液, 浸种20 min后, 蒸馏水清洗后, 用镊子移入漂盘中, 每穴1~2粒繁育幼苗, 繁育幼苗期间进行常规的浇水、光照等管理。培养的控制条件:光照:夜晚为16 h:8 h, 温度(20±1)℃, 相对湿度70%(relative humidity, RH), 出苗长至5片真叶后进行移栽。供试植物玉米(Zea mays L.)种子为筛选的低累积“会单4号”[21]。挑选大小一致且籽粒饱满的“会单4号”种子, 用10%双氧水表面消毒10 min, 蒸馏水清洗后, 直接播种于实验箱内。

    1.1.2 实验设计

    土壤Pb胁迫处理:Pb的施加用分析纯试剂硝酸铅(Pb(NO3)2)配制(0、400、1 000、2 000 mg·kg−1,以纯Pb2+计),低浓度Pb设计依据土壤环境质量标准(GB 15618-1995)二级标准pH为6.5~7.5时Pb含量为300 mg·kg−1,高浓度依据会泽铅锌矿附近农田土壤Pb含量均值为2 246 mg·kg−1[22],1 000 mg·kg−1依据盆栽小花南芥适于Pb胁迫土壤生长[19]。按照设计的胁迫浓度配置成500 mL溶液,然后一次性均匀浇灌在土壤中,搅拌平衡1个月待用。供试土壤利用与会泽农田土质地相近的红壤土,土壤理化性质如表1所示。
    表1 供试土壤理化性质
    Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil
    表1 供试土壤理化性质
    Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil
    pH
    有机质/(g·kg−1)
    全钾/(g·kg−1)
    全磷/(g·kg−1)
    全氮/(g·kg−1)
    阳离子交换量/(cmol·kg−1)
    Pb全量/(mg·kg−1)
    7.68
    30.14
    20.28
    0.58
    3.24
    12.08
    10.56
    在云南农业大学化学楼旁温室大棚进行盆栽实验,盆栽实验采用45 cm×45 cm×15 cm的白色泡沫箱,内装已加Pb胁迫处理的土壤15 kg,小花南芥、玉米单作每箱16株,间作各8株,株行距均为10 cm。小花南芥育苗移栽的同时直接播种玉米种子,小花南芥和玉米生长期间进行正常的浇水管理,培养45 d后收集植物根、茎叶制样待测。

    1.1.3 分析方法

    土壤和植株Pb化学形态采用连续提取法测定:称取过100目筛的风干土壤样品1 g(小花南芥样品0.50 g;玉米样品5.00 g)置于50 mL离心管中,加入40 mL的提取剂,于25 ℃下置于200 r·min−1振荡器上振荡1 h后取出,于离心机中4 000 r·min−1离心30 min,用1 mol·L−1的HNO3酸化,取上清液于10 mL比色管中待测,其余液体倒掉。然后用玻璃棒把离心管中剩余土(植株)捣松,加入下一种提取剂,方法与之前的相同,直到5个步骤完成。各提取剂依次为去离子水、80%乙醇溶液、1 mg·L−1氯化钠溶液、2%醋酸溶液、0.6 mg·L−1盐酸溶液[23]
    溶液中Pb浓度的测定:取 10.0 mL上述提取液加入三角瓶中,在可控数显温度电热板上加热,待液体快蒸干时加入15.0 mL HNO3,当液体颜色明显变淡后加入5.0 mL HClO4,继续加热至冒白烟,冷却后过滤,定容到25 mL容量瓶中,用原子吸收分光光度法(北京,普析通用TAS-990原子吸收)测定Pb的浓度。
    土壤植株中Pb全量的测定:将玉米、小花南芥鲜样在105 ℃下杀青 30 min后,在75 ℃下烘干至恒重,粉碎之后待用。取5.00 g土壤,采用王水HCl:HNO3(分析纯,体积比3:1)消解,加HClO4继续加热至冒白烟。植株样品采用HNO3和HClO4消解。用火焰原子吸收分光光度计(北京, 普析通用TAS-990原子吸收)测定 Pb的浓度。
    pH的测定:采集根际土壤、植株根和茎叶制样。土(植物):水为1:1比例混合,pH电位法[24]测定。

    1.1.4 数据处理

    数据处理使用Excel 2011(Microsoft),利用Duncan新复极差法进行差异显著性检验,采用Orgian 9.1作图,利用DPS 数据处理系统软件进行逐步回归及通径分析。
    计算公式[20]分别为:
    η=C乙醇+C+C氯化钠+C醋酸+C盐酸+C残渣CPb
    (1)
    R富集=C植物中PbC土壤中Pb
    (2)
    R转运=C地上部PbCPb
    (3)
    R有效转运=C地上部Pb·C地上部生物量C根部Pb·C根部生物量
    (4)
    式中:为Pb提取率%;C乙醇为铅的乙醇提取态;C为铅的水提取态;C氯化钠为铅的氯化钠提取态;C醋酸为铅的醋酸提取态;C盐酸为铅的盐酸提取态;C残渣为铅的残渣态;R富集为富集系数;R转运为转运系数;R有效转运为有效转运系数。

    2 结果与讨论

    2.1 Pb胁迫下间作体系对小花南芥和玉米生物量的影响

    超富集植物小花南芥与低富集玉米间作体系下,2种植物生长发育受Pb胁迫处理浓度变化而不同。Pb胁迫处理浓度为0、400 、1 000和2 000 mg⋅kg−1时,间作小花南芥地上部和地下部生物量都显著增加,地下部分别显著增加40.91%、60.42%、71.19%和181.08%,地上部分别显著增加19.00%、22.58%、50.64%和77.06%。从表2可知,间作小花南芥地上部和地下部生物量随着Pb胁迫处理浓度增加而增加,Pb胁迫浓度越高,间作小花南芥生物量与单作相比增加越多。
    Pb胁迫处理浓度为0、400、1 000和2 000 mg⋅kg−1时,间作玉米地上部和地下部生物量都显著增加,地下部分别显著增加33.91%、24.65%、41.29%和49.48%,地上部分别显著增加18.59%、19.54%、39.51%和34.74%。从表2可知,Pb胁迫处理浓度低时,间作玉米地上部和地下部生物量显著增加,Pb胁迫浓度较高时,间作玉米地下部生物量与最高时相比下降了29.08%,地上部下降了34.37%,单作地下部生物量与最高时相比下降了42.54%,地上部下降了41.78%,不管单作还是间作高浓度Pb胁迫都抑制玉米的生长发育,间作玉米生物量下降幅度没有单作大,说明间作体系缓解Pb对玉米的胁迫。
    表2 铅胁迫下间作体系对玉米和小花南芥生物量的影响
    Table 2 Effects of Pb stress on biomass of A. alpine and maize
    表2 铅胁迫下间作体系对玉米和小花南芥生物量的影响
    Table 2 Effects of Pb stress on biomass of A. alpine and maize
    处理浓度/(mg⋅kg−1)
    模式
    小花南芥/(g⋅株−1
    玉米/(g⋅株−1
    地下部
    地上部
    地下部
    地上部
    0
    单作
    0.44±0.11b
    2.00±0.49b
    18.49±2.82b
    47.39±3.61b
    间作
    0.62±0.18a
    2.38±0.55a
    24.76±2.41a
    56.20±3.91a
    400
    单作
    0.96±0.095b
    4.03±0.28b
    26.21±2.58b
    50.77±4.15b
    间作
    1.54±0.29a
    4.94±0.41a
    32.67±2.30a
    60.69±4.52a
    1 000
    单作
    0.59±0.095b
    2.33±0.39b
    21.65±3.53b
    35.38±4.86b
    间作
    1.01±0.24a
    3.51±0.49a
    30.59±3.01a
    49.36±6.43a
    2 000
    单作
    0.37±0.12b
    2.18±0.87b
    15.50±4.02b
    29.56±4.47b
    间作
    1.04±0.05a
    3.86±0.52a
    23.17±3.62a
    39.83±4.57a
    注:平均值±标准偏差; 同列中同浓度不同小写字母表示单作与间作处理差异显著(P<0.05)。

    2. Pb胁迫下间作体系对植物不同Pb化学形态含量及分配比率的影响

    2.2.1 Pb胁迫下间作体系对小花南芥组织中Pb含量的影响

    间作小花南芥组织中的Pb含量随处理浓度增加显著增加,但在组织中存在的形态差异较大。间作小花南芥根中乙醇提取态随处理浓度增加而显著降低,分别降低了1.39、3.54和1.45倍(除无Pb处理变化不显著),间作小花南芥茎叶中乙醇提取态在Pb为0、1 000和2 000 mg·kg−1处理时,Pb含量与单作相比显著降低1.41、1.85和1.76倍,而Pb为400 mg·kg−1处理时显著增加2.68倍;间作小花南芥根中去离子水提取态在2 000 mg·kg−1Pb处理时显著增加2.37倍(其他处理差异不显著),茎叶中去离子水提取态在Pb为400、1 000和2 000 mg·kg−1处理时显著增加1.5、1.17和2.19倍;间作小花南芥根中氯化钠提取态在Pb为400、1 000和2 000 mg·kg−1处理时显著增加1.92、1.87和1.53倍,茎叶中显著增加1.42、1.49和1.59倍;间作小花南芥根中醋酸提取态在Pb为400 和1 000 mg·kg−1时显著增加1.13和1.30倍,茎叶中醋酸提取态显著增加1.62、1.48、1.29和1.30倍;间作小花南芥根中盐酸提取态显著增加3.58、 6.61、1.41和1.89倍,茎叶在400和1 000 mg·kg−1时显著增加1.43和1.49倍,在2 000 mg·kg−1时显著降低25.34%;间作小花南芥根中残渣态400 mg·kg−1时显著下降17.90%,1 000 mg·kg−1时显著增加1.53倍,无Pb和2 000 mg·kg−1时处理差异不显著,在400和2 000 mg·kg−1时茎叶中显著增加1.41和1.76倍。
    表3看出,间作体系下根和茎叶中Pb含量都是间作高于单作,且随着胁迫浓度增加,小花南芥体内富集量逐渐增加。不同化学物质提取Pb总含量在90%左右。这与用这种方法提取伴矿景天Pb化学形态一致[16],小花南芥间作后乙醇提取态和水提取态占总量的百分比显著低于单作,而氯化钠提取态、醋酸提取态、盐酸提取态、残渣态占总量的百分比都显著高于单作。张秋野等[24]研究发现Pb在伴矿景天汁液中化学形态依次为氯化钠>盐酸>醋酸>去离子水>乙醇。在苎麻根中,NaCl提取态Cd约占总量的50%,其次为醋酸和去离子水提取态,分別约占总量的23%和15%;在茎叶中,NaCl和醋酸的提取态Cd占绝对优势,两者总和分别占茎和叶中Cd总量的80%和65%。这说明与蛋白质或果胶酸相结合以及形成磷酸盐沉淀是Cd在苎麻细胞中存在的主要形态[25-26]
    表3 小花南芥组织中铅化学形态含量
    Table 3 Contents of different extract Pb form in the tissue of A. alpine
    表3 小花南芥组织中铅化学形态含量
    Table 3 Contents of different extract Pb form in the tissue of A. alpine
    P处理浓度/(mg·L−1)
    部位
    Pb不同化学形态含量/(g⋅株−1
    总量/(mg·kg−1)
    提取率/%
    模式
    乙醇提取态
    水提取态
    氯化钠态
    醋酸提取态
    盐酸提取态
    残渣态
    0
    单作
    8.14±3.42a
    2.24±1.76a
    8.67±3.16a
    49.50±5.47a
    6.95±2.67b
    7.56±1.67a
    89.15
    93.66
    间作
    9.73±3.10a
    3.14±2.28a
    6.34±2.28a
    45.11±7.09a
    24.90±13.4a
    10.21±1.08a
    105.97
    94.67
    茎叶
    单作
    20.34±3.24a
    1.74±0.43a
    20.45±7.35a
    39.57±9.57b
    6.96±3.45a
    16.84±8.67a
    110.90
    95.64
    间作
    14.45±4.47b
    1.03±0.17a
    18.34±4.77a
    64.21±10.88a
    12.19±4.28a
    25.68±27.11a
    147.57
    92.31
    400
    单作
    51.66±4.23a
    19.05±1.93a
    26.55±5.35b
    193.28±7.35b
    21.97±3.54b
    260.09±27.84a
    585.18
    97.85
    间作
    37.04±6.02b
    18.21±1.39a
    50.96±4.43a
    218.51±25.99a
    145.24±30.99a
    213.53±18.52b
    691.61
    98.93
    茎叶
    单作
    23.60±4.78b
    7.37±0.67b
    107.33±25.76b
    215.84±40.04b
    269.18±45.32b
    253.33±40.13a
    892.08
    98.27
    间作
    63.24±6.39a
    11.24±1.15a
    152.57±16.94a
    319.33±35.51a
    385.99±25.16a
    179.93±21.28b
    1 151.57
    96.59
    1 000
    单作
    79.80±3.19a
    44.00±9.31a
    106.85±40.06b
    172.42±17.38b
    96.20±15.74b
    204.38±26.11b
    712.63
    98.74
    间作
    22.52±2.94b
    45.50±4.73a
    199.81±23.35a
    224.21±25.86a
    135.36±22.27a
    313.69±50.66a
    1 037.47
    90.71
    茎叶
    单作
    110.44±25.19a
    39.31±6.81b
    239.43±39.29b
    324.62±37.62b
    172.21±29.64b
    236.74±38.10a
    1 200.03
    93.56
    间作
    59.57±10.36b
    45.92±5.27a
    355.65±36.11a
    419.06±32.07a
    255.83±36.14a
    321.67±33.00a
    1 568.13
    92.32
    2 000
    单作
    102.72±24.45a
    40.06±8.72b
    158.87±25.68b
    526.88±63.22a
    269.27±31.18b
    248.88±67.68a
    1 395.52
    96.5
    间作
    70.71±12.58b
    95.06±20.32a
    243.16±37.61a
    405.68±46.54a
    508.36±86.39a
    239.67±66.64a
    1 670.77
    93.49
    茎叶
    单作
    99.09±18.60a
    49.85±10.21b
    194.05±39.63b
    673.45±87.02b
    243.41±32.18a
    257.41±45.71b
    1 853.51
    82.6
    间作
    56.35±15.09b
    109.09±33.25a
    308.31±45.48a
    867.91±39.65a
    181.72±14.95b
    452.65±86.24a
    2 108.41
    93.72
    注:平均值±标准偏差; 同列中同组织不同字母表示单作与间作处理差异显著(P<0.05)。

    2.2.2 Pb胁迫下间作对小花南芥组织中不同Pb形态分配比率

    不同Pb胁迫处理、不同种植模式影响小花南芥组织Pb化学形态的分配比率。由图1可知,无Pb胁迫处理时,单作和间作小花南芥根部都是醋酸提取态,约占50%,单作时乙醇提取态、氯化钠提取态、盐酸提取态和残渣态约占10%,水提取态只约占3%;间作后盐酸提取态显著升高,约占25%,与对照相比,增加了3倍左右,单作和间作茎叶部都是醋酸提取态,约占40% ,其他形态存在不同的变化趋势;Pb为400 mg·kg−1胁迫处理下,单作和间作根部都是以醋酸提取态和盐酸提取态为主,两者占71.2%,平均为 35.6%,间作后小花南芥根部盐酸提取态显著升高21.2%,与对照相比,增加了5.54倍左右,间作后小花南芥茎叶残渣态显著降低28.97%;Pb为1 000 mg·kg−1胁迫处理下,单作和间作根部、茎叶都是以醋酸提取态和残渣态提取为主,两者占53.52%,平均为 27.67%,间作后小花南芥根部乙醇提取态占2.39%,显著降低71.78%,间作后小花南芥茎叶乙醇提取态显著降低,占4.11%,与对照相比,降低了38.44%;Pb为2 000 mg·kg−1胁迫处理下,单作和间作小花南芥根部以醋酸提取态、盐酸提取态和残渣态提取为主,三者占75.75%,平均为 25.24%,单作和间作小花南芥茎叶以醋酸提取态和残渣态提取为主,二者占63.82%,平均为 31.91%,间作后茎叶中乙醇提取态和盐酸提取态分别占2.85%和9.20%,与单作相比,显著下降7.83%和2.86%,残渣态增加了1.36倍。高富集重金属的水稻,红柳叶苋菜品种中重金属结合蛋白显著高于低富集[27-28],推测小花南芥富集Pb后以无毒螯合物形式贮存在组织内。
    图1 种植模式和Pb处理浓度下小花南芥组织中Pb形态分配比率
    Fig. 1 Proportion of Pb fractions in the tissue of A. alpine on plant model and Pb stress
    图1 种植模式和Pb处理浓度下小花南芥组织中Pb形态分配比率
    Fig. 1 Proportion of Pb fractions in the tissue of A. alpine on plant model and Pb stress
    Cjee 201803151 t1

    2.2.3 Pb胁迫下间作体系对玉米组织中Pb含量的影响

    不同Pb处理浓度下,由表4可知,间作玉米根和茎叶中乙醇提取态显著低于单作,根中分别降低了27.59%、28.07%、42.80%和23.23%,间作玉米茎叶中分别降低了73.88%、41.40%、20.73%和33.07%;水提取态Pb处理为400~2 000 mg·kg−1时,间作玉米根中分别降低了47.36%、55.76%和30.19%,茎叶中分别降低了33.15%、35.22%和19.96%;Pb处理为400~2 000 mg·kg−1时,间作玉米根和茎叶中氯化钠提取态显著增加,根分别增加了1.35和1.25倍,茎叶分别增加2.04和1.35倍;在无铅处理时,间作玉米根部醋酸提取态显著降低33.19%,Pb处理为1 000 mg·kg−1时,间作玉米醋酸提取态根和茎叶显著增加1.52和1.56倍,Pb处理为2 000 mg·kg−1时,间作玉米醋酸提取态根显著增加1.08倍。不同浓度Pb胁迫处理间作玉米根和茎叶中盐酸提取态显著降低,根中分别为63.41%、32.19%、37.04%和41.05%,茎叶中分别为61.09%、41.50%、55.45%和39.29%;Pb处理为0 mg·kg−1时,间作玉米根、茎叶中残渣态显著降低,分别降低了42.02%和44.48%,Pb处理为400 mg·kg−1时,间作玉米根中残渣态显著增加了1.39倍,Pb处理为1 000~2 000 mg·kg−1时,间作玉米根和茎叶中残渣态显著降低,根分别降低了52.01%和52.28%,茎叶分别降低了72.09%和18.22%。
    表4 玉米组织中Pb化学形态含量的影响
    Table 4 Contents of different extract Pb form in the tissue of maize
    表4 玉米组织中Pb化学形态含量的影响
    Table 4 Contents of different extract Pb form in the tissue of maize
    Pb处理浓度/(mg. L−1
    部位
    Pb不同化学形态含量/(g⋅株−1
    总量/(mg·kg−1
    提取率/%
    模式
    乙醇提取态
    水提取态
    氯化钠态
    醋酸提取态
    盐酸提取态
    残查态
    0
    单作
    1.16±0.04a
    0.005±0.003a
    1.03±0.17b
    7.23±0.62a
    2.76±0.37a
    16.85±4.55a
    32.72
    89.28
    间作
    0.84±0.03b
    0.008±0.004a
    1.74±0.43a
    4.83±0.59b
    1.01±0.29b
    9.77±1.36b
    19.78
    93.61
    茎叶
    单作
    1.34±0.06a
    0.43±0.05a
    0.17±0.0.08b
    2.04±0.01a
    5.68±0.15a
    8.16±0.10a
    18.41
    91.38
    间作
    0.35±0.04b
    0.36±0.08a
    0.22±0.06a
    1.82±0.01a
    2.21±0.11b
    4.53±0.13b
    9.79
    95.92
    400
    单作
    43.71±6.09a
    27.11±5.88a
    18.2±3.67b
    19.70±8.73a
    74.74±6.15a
    22.10±3.83b
    215.86
    95.23
    间作
    31.44±3.66b
    14.27±4.54b
    16.81±2.95a
    17.02±5.39a
    50.68±4.69b
    30.86±3.98a
    183.50
    89.96
    茎叶
    单作
    5.70±0.58a
    7.30±0.82a
    5.83±2.04b
    8.00±1.51a
    54.53±6.57a
    37.92±6.67a
    146.79
    81.94
    间作
    3.34±0.81b
    4.88±1.12b
    7.78±2.53a
    10.81±1.22a
    31.90±7.85b
    25.71±3.14a
    93.43
    88.22
    1 000
    单作
    29.7±12.66a
    75.66±16.19a
    51.84±15.18b
    56.66±14.25b
    115.96±34.37a
    98.41±19.25a
    474.70
    90.21
    间作
    16.69±8.12b
    33.47±15.36b
    69.95±11.82a
    86.10±20.06a
    73.01±28.41b
    47.23±14.81b
    342.26
    95.38
    茎叶
    单作
    9.7±2.54a
    11.67±2.71a
    6.97±3.06b
    55.71±24.87b
    96.35±42.75a
    88.76±22.39a
    292.75
    93.4
    间作
    7.69±3.11b
    7.56±4.41b
    14.24±6.41a
    87.17±31.39a
    42.92±43.02b
    24.77±12.25b
    186.60
    97.58
    2 000
    单作
    38.96±3.54a
    20.44±4.79a
    46.35±12.72b
    139.08±22.26b
    168.08±44.76a
    126.31±34.26a
    608.45
    92.22
    间作
    29.91±3.13b
    14.27±3.54b
    58.07±20.81a
    150.88±20.98a
    98.32±26.98b
    60.28±23.05b
    458.67
    87.21
    茎叶
    单作
    18.78±7.56a
    58.68±18.61a
    56.72±7.69b
    35.26±13.12a
    87.65±21.37a
    109.63±32.70a
    431.80
    89.56
    间作
    12.57±5.23b
    46.97±12.31b
    76.64±5.31a
    28.56±9.82a
    53.21±15.63b
    89.65±19.84b
    314.45
    91.46
    注:平均值±标准偏差; 同列中同组织不同字母表示单作与间作处理差异显著(P<0.05)。

    2.2.4 Pb胁迫下间作体系对玉米组织中不同Pb形态分配比率

    图2可知,Pb处理为0 mg·kg−1时,玉米间作和单作根中Pb的形态以醋酸提取态(58%)和残渣态(26%)为主,茎叶中以残渣态(48%)为主;Pb处理为400 mg·kg−1时,玉米单作和间作根和茎叶中都以盐酸提取态为主(35%),根中乙醇(20%)和残渣态(11%)次之,茎叶中残渣态(30%);Pb处理为1 000 mg·kg−1时,单作玉米根中以盐酸提取态(27%)和残渣态(23%)为主,间作玉米根中以醋酸(26%)、盐酸提取态(22%)和氯化钠提取态(21%)为主,茎叶中单作盐酸提取态(35%)为主,间作中以醋酸提取态(48%)为主;Pb处理为2 000 mg·kg−1时,单作玉米根以醋酸提取态(30%)为主,间作玉米根以醋酸提取态(38%)和盐酸提取态(25%)为主,玉米单作和间作茎叶中都与残渣态(30%)为主。程海宽等[15]研究Pb胁迫下不同品种玉米根、茎叶中Pb 的化学形态所占比例差异较大,耐Pb玉米品种主要以无毒的醋酸提取态和盐酸提取态为主,比例高达 60% ~ 87%,不耐Pb玉米品种主要以乙醇和水提取态为主,比例高达30% ~ 45%。
    图2 种植方式和Pb处理浓度下玉米组织中Pb的形态百分比
    Fig. 2 Proportion of Pb fractions in the tissue of maize on plant model and Pb stress
    图2 种植方式和Pb处理浓度下玉米组织中Pb的形态百分比
    Fig. 2 Proportion of Pb fractions in the tissue of maize on plant model and Pb stress
    Cjee 201803151 t2

    2.3 Pb胁迫下间作体系对pH的影响

    2.3.1 Pb胁迫下间作体系对根际土壤溶液和小花南芥体内pH的影响

    间作体系下,植物根-根之间的相互作用改变根际土壤微环境,其中根际土壤溶液pH可能是影响Pb2+在土壤胶体表面吸附解吸的主要因素之一。从表5可知,不同浓度处理下,间作小花南芥土壤根际溶液、根和茎叶中pH与单作相比都显著降低(除了Pb处理为0 mg·kg−1时的根和茎叶)。续断菊(Sonchus asper L.Hill)与玉米间作,土壤各形态Pb含量与植物地上、根部Pb含量存在显著相关[29]。也有研究[30]认为与植物吸收相关的重金属形态并不一定就被植物所吸收。
    表5 Pb胁迫对间作体系根际土壤和小花南芥体内pH的影响
    Table 5 Effects of intercropping of A. alpine and rhizosphere soil and pH under Pb stress
    表5 Pb胁迫对间作体系根际土壤和小花南芥体内pH的影响
    Table 5 Effects of intercropping of A. alpine and rhizosphere soil and pH under Pb stress
    处理浓度/(mg·kg−1
    种植模式
    pH
    土壤溶液
    茎叶
    0
    单作
    7.27±0.11a
    6.90±0.13a
    6.94±0.20a
    间作
    6.88±0.12b
    6.82±0.20a
    6.62±0.23a
    400
    单作
    8.06±0.17a
    7.00±0.14a
    7.20±0.17a
    间作
    7.28±0.27b
    6.48±0.20b
    6.61±0.32b
    1 000
    单作
    7.42±0.25a
    7.08±0.32a
    7.40±0.29a
    间作
    6.73±0.34b
    6.59±0.38a
    6.55±0.21b
    2 000
    单作
    7.70±0.21a
    7.83±0.29a
    7.70±0.34a
    间作
    6.91±0.28b
    7.08±0.32b
    6.58±0.36b
    注:平均值±标准偏差; 同列中同组织不同字母表示单作与间作处理差异显著(P<0.05)。

    2.3.2 Pb胁迫下间作体系对根际土壤溶液和玉米体内pH的影响

    表6所示,间作体系下,在Pb处理大于1 000 mg·kg−1时,间作玉米根际土壤溶液、根和茎叶中pH与单作相比都显著降低,其他处理间作后都显著增加。植物吸收重金属与体内pH有关,已有研究[31]表明Pb化学形态的存在与pH存在显著相关性,高浓度Pb胁迫导致pH降低可能是限制玉米生长发育的主要原因。
    表6 Pb胁迫对间作体系根际土壤和玉米体内pH的影响
    Table 6 Effects of intercropping of maize rhizosphere soil and pH under Pb stress
    表6 Pb胁迫对间作体系根际土壤和玉米体内pH的影响
    Table 6 Effects of intercropping of maize rhizosphere soil and pH under Pb stress
    处理浓度/(mg·kg−1)
    种植模式
    pH
    土壤溶液
    茎叶
    0
    单作
    6.65±0.30a
    6.93±0.17a
    6.66±0.21b
    间作
    6.88±0.12a
    6.66±0.31a
    7.12±0.11a
    400
    单作
    6.35±0.17b
    6.14±0.22b
    6.59±0.27b
    间作
    7.28±0.27a
    6.71±0.26a
    7.17±0.23a
    1 000
    单作
    7.59±0.18a
    7.14±0.19a
    7.37±0.31a
    间作
    6.73±0.34b
    6.54±0.21b
    6.56±0.37b
    2 000
    单作
    8.02±0.32a
    7.22±0.25a
    7.63±0.35a
    间作
    6.91±0.28b
    6.37±0.20b
    6.29±0.24b

    2.3.3 不同Pb化学形态对pH的响应

    对pH与各形态Pb进行相关分析,如表7所示,乙醇提取态与间作玉米和小花南芥茎叶中pH相关,去离子水提取态与间作小花南芥根和茎叶中pH相关,氯化钠提取态与间作玉米和小花南芥根茎叶都相关,醋酸提取态与间作玉米茎叶和小花南芥茎叶相关,盐酸提取态与单作玉米根中pH相关,Pb总量与pH在间作玉米和间作小花南芥根茎叶中存在相关性。
    表7 pH与Pb赋存形态的相关分析(n= 6)
    Table 7 Correlations between the contents of Pb forms and pH (n= 6)
    表7 pH与Pb赋存形态的相关分析(n= 6)
    Table 7 Correlations between the contents of Pb forms and pH (n= 6)
    植物
    种植模式
    部位
    乙醇提取态
    水提取态
    氯化钠提取态
    醋酸提取态
    盐酸提取态
    残查态
    总量
    玉米
    单作
    0.847*
    0.057
    0.454
    0.590
    0.909*
    0.431
    0.652
    茎叶
    0.816*
    0.089
    0.875*
    0.304
    0.649
    0.891*
    0.866*
    间作
    0.097
    0.654
    0.963
    0.908*
    0.611
    0.899*
    0.903*
    茎叶
    0.907*
    0.679
    0.906*
    0.951**
    0.652
    0.655
    0.880*
    小花南芥
    单作
    0.648
    0.377
    0.972**
    0.863*
    0.758
    0.245
    0.878*
    茎叶
    0.889*
    0.287
    0.636
    0.874*
    0.284
    0.657
    0.829*
    间作
    0.653
    0.987**
    0.954**
    0.962**
    0.529
    0.341
    0.958**
    茎叶
    0.976**
    0.901*
    0.921**
    0.983**
    0.847*
    0.589
    0.957**
    注:* 表示显著相关;** 表示极显著相关。
    进一步对乙醇提取态、去离子水提取态、氯化钠提取态、醋酸提取态、盐酸提取态、残渣态6种Pb提取态和Pb总量对pH的影响进行研究,这6种提取态分别为X1X2X3X4X5X6,总量为X7,采用逐步回归分析法建立逐步回归方程。从表8可知,间作玉米根中主要影响因子是X4醋酸提取态,其次为X7(分析中系数X4为−1.57,X7为0.635),茎叶为乙醇提取态;间作小花南芥根中为X4醋酸提取态,茎叶为X3氯化钠提取态(分析中系数X7为−1.891,X3为2.323)。
    表8 Pb含量与pH回归分析
    Table 8 Stepwise regression equations on contents of Pb with pH
    表8 Pb含量与pH回归分析
    Table 8 Stepwise regression equations on contents of Pb with pH
    植物
    部位
    种植模式
    逐步回归方程
    F
    r
    P
    玉米
    单作
    Y=7.355−0.031X1
    11.058
    0.921
    0.079
    间作
    Y=6.630−0.004X4+0.00006X7
    249 999
    1.000
    0.001
    茎叶
    单作
    Y=6.416+0.011X3
    18.140
    0.949
    0.050
    间作
    Y=7.246−0.077X1
    19.559
    0.953
    0.048
    小花南芥
    单作
    Y=6.897−0.004X3+0.003X4
    17.316
    0.968
    0.031
    间作
    Y=6.860+0.003X4
    56.387
    0.983
    0.017
    茎叶
    单作
    Y=6.983−0.012X1+0.003X4
    27.943
    0.986
    0.045
    间作
    Y=6.675+0.006X3−0.001X7
    37.656
    0.999
    0.041
    间作显著降低小花南芥根际土壤溶液、根和茎叶中的pH,而提高玉米根际土壤溶液、根和茎叶中pH。间作玉米和小花南芥根中pH都与醋酸提取态有关,玉米茎叶与乙醇提取态有关,小花南芥茎叶与氯化钠提取态有关。已有研究[32]表明,当pH大于7时,交换态、碳酸盐结合态和有机态Pb含量都显著低于其他低pH土壤样本,而铁锰态Pb和残渣态Pb与土壤pH不相关,并且pH大于7 时,Pb的生物有效性和迁移性显著降低。在大田实验条件下,东南景天与玉米间套作、续断菊与蚕豆间作,都可使根际土壤pH降低,重金属的生物有效性因随土壤pH降低而增加,促进了共存条件下东南景天、续断菊对土壤重金属的摄取[33-34]。因此,本研究随不同Pb浓度处理下,间作植物玉米Pb化学形态变化与单作相比除了总量下降外,还有可溶态向不溶态转变。间作植物Pb化学形态处于动态变化中,这可能由超富集植物小花南芥和低富集作物间作后根际土壤或植物组织内pH差异导致的。

    2.4 Pb胁迫下植物富集特征

    2.4.1 Pb胁迫下间作小花南芥富集特征

    小花南芥间作玉米体系下,在Pb为0、400、1 000和2 000 mg·kg−1胁迫处理后,间作小花南芥富集系数都比单作大,分别增加了1.64、1.93、2.01和1.39倍;在Pb为0 mg·kg−1和400 mg·kg−1胁迫处理后,转运系数与单作相比,增加1.12和1.09倍,在Pb为1 000和2 000 mg·kg−1胁迫处理后,转运系数与单作相比,降低10.12%和4.55%;小花南芥有效转运系数在Pb为0 mg·kg−1 处理时,间作比单作高1.06倍,在Pb为400、1 000和2 000 mg·kg−1处理时,间作比单作低16.56%、21.05%和40.05%,结果见表9
    表9 间作体系下小花南芥富集Pb的特征
    Table 9 Characteristics of enriching Pb in A. alpina under intercropping system
    表9 间作体系下小花南芥富集Pb的特征
    Table 9 Characteristics of enriching Pb in A. alpina under intercropping system
    Pb处理浓度/(mg·L−1
    种植模式
    富集系数
    转运系数
    有效转运系数
    0
    单作
    1.38
    1.24
    5.65
    间作
    2.27
    1.39
    6.01
    400
    单作
    1.68
    1.52
    6.40
    间作
    3.24
    1.66
    5.34
    1 000
    单作
    1.56
    1.68
    6.65
    间作
    3.14
    1.51
    5.25
    2 000
    单作
    1.77
    1.32
    7.82
    间作
    2.46
    1.26
    4.68

    2.4.2 Pb胁迫下玉米富集特征

    玉米与小花南芥间作体系下,在Pb为0、400、1 000和2 000 mg·kg−1胁迫处理后,间作玉米富集系数与单作相比,分别降低了25.58%、32.89%、41.09%和39.33%;间作玉米转运系数与单作相比降低了12.50%、25.00%、11.29%和2.82%;间作玉米有效转运系数在Pb为0、400 和1 000 mg·kg−1处理时,间作比单作低22.22%、28.03%和10.10%,在Pb为2 000 mg·kg−1处理时,间作比单作高1.07倍,结果见表10
    表10 间作体系下玉米富集Pb的特征
    Table 10 Characteristics of enriching Pb in maize under intercropping system
    表10 间作体系下玉米富集Pb的特征
    Table 10 Characteristics of enriching Pb in maize under intercropping system
    Pb处理浓度/(mg·L−1
    种植模式
    富集系数
    转运系数
    有效转运系数
    0
    单作
    0.86
    0.56
    1.44
    间作
    0.64
    0.49
    1.12
    400
    单作
    0.76
    0.68
    1.32
    间作
    0.51
    0.51
    0.95
    1 000
    单作
    0.73
    0.62
    0.99
    间作
    0.43
    0.55
    0.89
    2 000
    单作
    0.89
    0.71
    1.22
    间作
    0.54
    0.69
    1.31

    3 结论

    1)间作小花南芥生物量随着Pb处理浓度的增加显著增加,Pb富集系数和转运系数显著增加,其中Pb含量显著增加25%。Pb赋存形态主要以难溶态果酸盐、蛋白质和磷酸盐结合态存在,约占总量的50%,间作显著降低小花南芥根际土壤溶液、根和茎叶中的pH。
    2)间作玉米生物量先增加后降低,Pb富集系数和转运系数显著降低,Pb赋存形态以草酸盐结合态存在,约占30%,间作显著增加玉米根际土壤溶液、根和茎叶中的pH。
    3)间作玉米和小花南芥根中的pH都与醋酸提取态Pb有关,单作玉米茎叶中的pH与乙醇提取态Pb有关,单作小花南芥茎叶中的pH与氯化钠提取态有关,植物富集重金属与重金属存在形态相关。
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  • 刊出日期:  2018-11-29
王吉秀, 李想, 李祖然, 祖艳群, 湛方栋, 秦丽, 李博. 小花南芥与玉米间作对Pb化学形态及富集特征的影响[J]. 环境工程学报, 2018, 12(12): 3456-3467. doi: 10.12030/j.cjee.201803151
引用本文: 王吉秀, 李想, 李祖然, 祖艳群, 湛方栋, 秦丽, 李博. 小花南芥与玉米间作对Pb化学形态及富集特征的影响[J]. 环境工程学报, 2018, 12(12): 3456-3467. doi: 10.12030/j.cjee.201803151
WANG Jixiu, LI Xiang, LI Zuran, ZU Yanqun, ZHAN Fangdong, QIN Li, LI Bo. Effects of intercropping of Arabis alpina L. var.parviflora Franch and Zea mays L. on chemical speciation and accumulation characteristics of Pb[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(12): 3456-3467. doi: 10.12030/j.cjee.201803151
Citation: WANG Jixiu, LI Xiang, LI Zuran, ZU Yanqun, ZHAN Fangdong, QIN Li, LI Bo. Effects of intercropping of Arabis alpina L. var.parviflora Franch and Zea mays L. on chemical speciation and accumulation characteristics of Pb[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(12): 3456-3467. doi: 10.12030/j.cjee.201803151

小花南芥与玉米间作对Pb化学形态及富集特征的影响

  • 1. 云南农业大学资源与环境学院,昆明 650201
  • 2. 云南农业大学园林园艺学院,昆明 650201
基金项目:

国家自然科学基金资助项目(41761073)

云南农业大学自然科学青年基金资助项目(2015ZR06)

云南省农田无公害生产创新团队资助项目(2017HC015)

摘要: 间作植物根与根之间的相互作用影响根际土壤理化性质。目前关于超富集植物与作物间作根际土壤pH是否引起Pb赋存形态的变化,不同赋存形态与超富集植物和作物富集Pb的差异机理尚不清楚。设置不同Pb处理浓度,小花南芥和玉米间作、单作为对照的土培实验。随着Pb处理浓度增加,间作小花南芥生物量显著增加,范围为19.00%~181.08%,Pb富集系数为2.78,显著增加74.02%,转运系数为1.46,变化不显著,其中Pb含量显著增加25%。Pb赋存形态主要以难溶态果酸盐、蛋白质和磷酸盐结合态存在,约占总量的50%,间作显著降低小花南芥根际土壤溶液、根和茎叶中的pH;间作玉米生物量随着Pb处理浓度先显著增加后降低,增加范围为18.59%~49.48%,Pb富集系数平均为0.53,显著降低34.57%,转运系数平均为0.56,显著降低12.51%,Pb赋存形态以草酸盐结合态存在,约占30%,间作显著增加玉米根际土壤溶液、根和茎叶中的pH。揭示间作改变2种植物根际土壤溶液、根和茎叶中pH,从而引起Pb化学形态不同,这是导致超富集植物小花南芥吸收富集Pb,降低玉米体内Pb的主要原因。

English Abstract

    铅的化学形态不仅决定该物质的生物活性和毒性,而且也影响它在生物体内及生态环境中的迁移及转化过程。十字花科根菜类不同基因型萝卜(Raphanus sativus L.)各器官、亚细胞富集铅差异显著不同,高富集基因型与低富集基因型相差7.5倍,这主要与铅在植物体内的化学赋存形态密切相关[1],铅在植物组织中结合形态的分布与其在植物中的富集转运能力呈正相关。如水稻和小麦植物根部铅主要以活性比较弱的乙酸和盐酸提取态占优势,叶中则主要以碳酸盐结合态为主,而镉和铜在水稻和小麦根中以氯化钠和乙醇提取态为主,叶中以去离子水提取态为主。研究已证明,乙醇可提取态和去离子水可提取态迁移能力最强,氯化钠提取态次之,而醋酸和盐酸提取态迁移能力最弱,残渣态直接不被植物吸收[2-4]。重金属污染土壤上种植水稻和小麦籽粒镉铜超标与重金属在植物组织的形态有关,且植物组织中重金属化学形态受作物种类、品种、生态类型及重金属种类等各种因素调控[5],其中土壤溶液和植物体内pH是影响重金属形态分布和生物有效性最主要的因素之一[6-7],如pH降低,土壤中固定的Pb改变,尤其是碳酸盐结合态的PbCO3容易释放出来[8]。研究表明土壤中可交换态重金属随pH升高而减少,且呈极显著负相关,碳酸盐结合态和铁锰化物结合态重金属与pH呈显著正相关,有机态重金属随pH升高而升高[9]
    间作体系改变植物对重金属富集特征,如烟草与鸡眼草间作促进镉的吸收[10];土荆芥和蚕豆/玉米间作,2种植物Pb、Cd、Zn与单作相比都发生变化[11];豌豆与玉米间作改变玉米组织中铜的分布[12];遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)与大麦(Hordeum vulgare L.)间作改变锌的吸收[10],As超积累植物(Pteris cretica L.)大叶井口边草与玉米间作改变根、茎和叶中的As、Pb和Cd含量[13];印度芥菜与油菜间作,促进油菜体内镉含量增加,产量下降[14];龙葵与大葱、伴矿景天与小麦间作改变植株Cd含量[15-16]。上述Pb超富集植物与作物间作改变重金属在2种植物体内的总量,Pb不是作物生长的必需元素,而对于Pb超富集植物小花南芥而言表现为趋Pb行为,相反玉米为避Pb行为,推测间作后作物为了降低重金属的毒性,吸收后以活性较低的难容态和有机螯合态形式储存。对于重金属在不同植物组织内化学形态的变化还有待进一步研究。目前超富集植物小花南芥与玉米间作是否改变根际土壤溶液及植物体内pH以及pH是否引起Pb化学形态改变的影响因素尚不清楚,因此,本研究在不同浓度胁迫下,探讨根际土壤溶液及植物体内pH、植株组织内Pb的化学形态之间的相关性,进一步阐明超富集植物与作物Pb累积特征的差异,这对于探讨重金属Pb的迁移转化、生物有效性及污染土壤的修复机理具有重要的意义。

    1 实验部分

    1.1 材料与方法

    1.1.1 实验材料

    供试超富集植物小花南芥(Arabis alpina L. var.parviflora Franch)为十字花科南芥属植物, 一年生草本,本实验小花南芥种子采于云南省会泽县铅锌矿废弃地, 带回实验室保存备用。会泽县铅锌矿位于云南东北部的曲靖地区, 属乌蒙山系。海拔2 463~2 516 m, 东经103°03′~103°55′, 北纬25°48′~28°38′,矿区面积5 km2。铅锌矿储量1 528万t, 居云南第2位[17]。该矿土法冶炼铅锌历史悠久,对周边农田造成的重金属污染已危机到饲粮安全。
    对矿区和非矿区小花南芥研究发现,矿区小花南芥地上部分Pb含量可以高达1 963.2 mg·kg−1, 地下部分Pb含量1 711.8 mg·kg−1[18];盆栽实验设置Pb处理 0、200、500 和1 000 mg·kg−1时,富集系数和转运系数也都大于1[19-20],这说明小花南芥可以作为Pb超富集植物进行间作。
    小花南芥采用种子培养, 种子用10%安替福民20倍液, 浸种20 min后, 蒸馏水清洗后, 用镊子移入漂盘中, 每穴1~2粒繁育幼苗, 繁育幼苗期间进行常规的浇水、光照等管理。培养的控制条件:光照:夜晚为16 h:8 h, 温度(20±1)℃, 相对湿度70%(relative humidity, RH), 出苗长至5片真叶后进行移栽。供试植物玉米(Zea mays L.)种子为筛选的低累积“会单4号”[21]。挑选大小一致且籽粒饱满的“会单4号”种子, 用10%双氧水表面消毒10 min, 蒸馏水清洗后, 直接播种于实验箱内。

    1.1.2 实验设计

    土壤Pb胁迫处理:Pb的施加用分析纯试剂硝酸铅(Pb(NO3)2)配制(0、400、1 000、2 000 mg·kg−1,以纯Pb2+计),低浓度Pb设计依据土壤环境质量标准(GB 15618-1995)二级标准pH为6.5~7.5时Pb含量为300 mg·kg−1,高浓度依据会泽铅锌矿附近农田土壤Pb含量均值为2 246 mg·kg−1[22],1 000 mg·kg−1依据盆栽小花南芥适于Pb胁迫土壤生长[19]。按照设计的胁迫浓度配置成500 mL溶液,然后一次性均匀浇灌在土壤中,搅拌平衡1个月待用。供试土壤利用与会泽农田土质地相近的红壤土,土壤理化性质如表1所示。
    表1 供试土壤理化性质
    Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil
    表1 供试土壤理化性质
    Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil
    pH
    有机质/(g·kg−1)
    全钾/(g·kg−1)
    全磷/(g·kg−1)
    全氮/(g·kg−1)
    阳离子交换量/(cmol·kg−1)
    Pb全量/(mg·kg−1)
    7.68
    30.14
    20.28
    0.58
    3.24
    12.08
    10.56
    在云南农业大学化学楼旁温室大棚进行盆栽实验,盆栽实验采用45 cm×45 cm×15 cm的白色泡沫箱,内装已加Pb胁迫处理的土壤15 kg,小花南芥、玉米单作每箱16株,间作各8株,株行距均为10 cm。小花南芥育苗移栽的同时直接播种玉米种子,小花南芥和玉米生长期间进行正常的浇水管理,培养45 d后收集植物根、茎叶制样待测。

    1.1.3 分析方法

    土壤和植株Pb化学形态采用连续提取法测定:称取过100目筛的风干土壤样品1 g(小花南芥样品0.50 g;玉米样品5.00 g)置于50 mL离心管中,加入40 mL的提取剂,于25 ℃下置于200 r·min−1振荡器上振荡1 h后取出,于离心机中4 000 r·min−1离心30 min,用1 mol·L−1的HNO3酸化,取上清液于10 mL比色管中待测,其余液体倒掉。然后用玻璃棒把离心管中剩余土(植株)捣松,加入下一种提取剂,方法与之前的相同,直到5个步骤完成。各提取剂依次为去离子水、80%乙醇溶液、1 mg·L−1氯化钠溶液、2%醋酸溶液、0.6 mg·L−1盐酸溶液[23]
    溶液中Pb浓度的测定:取 10.0 mL上述提取液加入三角瓶中,在可控数显温度电热板上加热,待液体快蒸干时加入15.0 mL HNO3,当液体颜色明显变淡后加入5.0 mL HClO4,继续加热至冒白烟,冷却后过滤,定容到25 mL容量瓶中,用原子吸收分光光度法(北京,普析通用TAS-990原子吸收)测定Pb的浓度。
    土壤植株中Pb全量的测定:将玉米、小花南芥鲜样在105 ℃下杀青 30 min后,在75 ℃下烘干至恒重,粉碎之后待用。取5.00 g土壤,采用王水HCl:HNO3(分析纯,体积比3:1)消解,加HClO4继续加热至冒白烟。植株样品采用HNO3和HClO4消解。用火焰原子吸收分光光度计(北京, 普析通用TAS-990原子吸收)测定 Pb的浓度。
    pH的测定:采集根际土壤、植株根和茎叶制样。土(植物):水为1:1比例混合,pH电位法[24]测定。

    1.1.4 数据处理

    数据处理使用Excel 2011(Microsoft),利用Duncan新复极差法进行差异显著性检验,采用Orgian 9.1作图,利用DPS 数据处理系统软件进行逐步回归及通径分析。
    计算公式[20]分别为:
    η=C乙醇+C+C氯化钠+C醋酸+C盐酸+C残渣CPb
    (1)
    R富集=C植物中PbC土壤中Pb
    (2)
    R转运=C地上部PbCPb
    (3)
    R有效转运=C地上部Pb·C地上部生物量C根部Pb·C根部生物量
    (4)
    式中:为Pb提取率%;C乙醇为铅的乙醇提取态;C为铅的水提取态;C氯化钠为铅的氯化钠提取态;C醋酸为铅的醋酸提取态;C盐酸为铅的盐酸提取态;C残渣为铅的残渣态;R富集为富集系数;R转运为转运系数;R有效转运为有效转运系数。

    2 结果与讨论

    2.1 Pb胁迫下间作体系对小花南芥和玉米生物量的影响

    超富集植物小花南芥与低富集玉米间作体系下,2种植物生长发育受Pb胁迫处理浓度变化而不同。Pb胁迫处理浓度为0、400 、1 000和2 000 mg⋅kg−1时,间作小花南芥地上部和地下部生物量都显著增加,地下部分别显著增加40.91%、60.42%、71.19%和181.08%,地上部分别显著增加19.00%、22.58%、50.64%和77.06%。从表2可知,间作小花南芥地上部和地下部生物量随着Pb胁迫处理浓度增加而增加,Pb胁迫浓度越高,间作小花南芥生物量与单作相比增加越多。
    Pb胁迫处理浓度为0、400、1 000和2 000 mg⋅kg−1时,间作玉米地上部和地下部生物量都显著增加,地下部分别显著增加33.91%、24.65%、41.29%和49.48%,地上部分别显著增加18.59%、19.54%、39.51%和34.74%。从表2可知,Pb胁迫处理浓度低时,间作玉米地上部和地下部生物量显著增加,Pb胁迫浓度较高时,间作玉米地下部生物量与最高时相比下降了29.08%,地上部下降了34.37%,单作地下部生物量与最高时相比下降了42.54%,地上部下降了41.78%,不管单作还是间作高浓度Pb胁迫都抑制玉米的生长发育,间作玉米生物量下降幅度没有单作大,说明间作体系缓解Pb对玉米的胁迫。
    表2 铅胁迫下间作体系对玉米和小花南芥生物量的影响
    Table 2 Effects of Pb stress on biomass of A. alpine and maize
    表2 铅胁迫下间作体系对玉米和小花南芥生物量的影响
    Table 2 Effects of Pb stress on biomass of A. alpine and maize
    处理浓度/(mg⋅kg−1)
    模式
    小花南芥/(g⋅株−1
    玉米/(g⋅株−1
    地下部
    地上部
    地下部
    地上部
    0
    单作
    0.44±0.11b
    2.00±0.49b
    18.49±2.82b
    47.39±3.61b
    间作
    0.62±0.18a
    2.38±0.55a
    24.76±2.41a
    56.20±3.91a
    400
    单作
    0.96±0.095b
    4.03±0.28b
    26.21±2.58b
    50.77±4.15b
    间作
    1.54±0.29a
    4.94±0.41a
    32.67±2.30a
    60.69±4.52a
    1 000
    单作
    0.59±0.095b
    2.33±0.39b
    21.65±3.53b
    35.38±4.86b
    间作
    1.01±0.24a
    3.51±0.49a
    30.59±3.01a
    49.36±6.43a
    2 000
    单作
    0.37±0.12b
    2.18±0.87b
    15.50±4.02b
    29.56±4.47b
    间作
    1.04±0.05a
    3.86±0.52a
    23.17±3.62a
    39.83±4.57a
    注:平均值±标准偏差; 同列中同浓度不同小写字母表示单作与间作处理差异显著(P<0.05)。

    2. Pb胁迫下间作体系对植物不同Pb化学形态含量及分配比率的影响

    2.2.1 Pb胁迫下间作体系对小花南芥组织中Pb含量的影响

    间作小花南芥组织中的Pb含量随处理浓度增加显著增加,但在组织中存在的形态差异较大。间作小花南芥根中乙醇提取态随处理浓度增加而显著降低,分别降低了1.39、3.54和1.45倍(除无Pb处理变化不显著),间作小花南芥茎叶中乙醇提取态在Pb为0、1 000和2 000 mg·kg−1处理时,Pb含量与单作相比显著降低1.41、1.85和1.76倍,而Pb为400 mg·kg−1处理时显著增加2.68倍;间作小花南芥根中去离子水提取态在2 000 mg·kg−1Pb处理时显著增加2.37倍(其他处理差异不显著),茎叶中去离子水提取态在Pb为400、1 000和2 000 mg·kg−1处理时显著增加1.5、1.17和2.19倍;间作小花南芥根中氯化钠提取态在Pb为400、1 000和2 000 mg·kg−1处理时显著增加1.92、1.87和1.53倍,茎叶中显著增加1.42、1.49和1.59倍;间作小花南芥根中醋酸提取态在Pb为400 和1 000 mg·kg−1时显著增加1.13和1.30倍,茎叶中醋酸提取态显著增加1.62、1.48、1.29和1.30倍;间作小花南芥根中盐酸提取态显著增加3.58、 6.61、1.41和1.89倍,茎叶在400和1 000 mg·kg−1时显著增加1.43和1.49倍,在2 000 mg·kg−1时显著降低25.34%;间作小花南芥根中残渣态400 mg·kg−1时显著下降17.90%,1 000 mg·kg−1时显著增加1.53倍,无Pb和2 000 mg·kg−1时处理差异不显著,在400和2 000 mg·kg−1时茎叶中显著增加1.41和1.76倍。
    表3看出,间作体系下根和茎叶中Pb含量都是间作高于单作,且随着胁迫浓度增加,小花南芥体内富集量逐渐增加。不同化学物质提取Pb总含量在90%左右。这与用这种方法提取伴矿景天Pb化学形态一致[16],小花南芥间作后乙醇提取态和水提取态占总量的百分比显著低于单作,而氯化钠提取态、醋酸提取态、盐酸提取态、残渣态占总量的百分比都显著高于单作。张秋野等[24]研究发现Pb在伴矿景天汁液中化学形态依次为氯化钠>盐酸>醋酸>去离子水>乙醇。在苎麻根中,NaCl提取态Cd约占总量的50%,其次为醋酸和去离子水提取态,分別约占总量的23%和15%;在茎叶中,NaCl和醋酸的提取态Cd占绝对优势,两者总和分别占茎和叶中Cd总量的80%和65%。这说明与蛋白质或果胶酸相结合以及形成磷酸盐沉淀是Cd在苎麻细胞中存在的主要形态[25-26]
    表3 小花南芥组织中铅化学形态含量
    Table 3 Contents of different extract Pb form in the tissue of A. alpine
    表3 小花南芥组织中铅化学形态含量
    Table 3 Contents of different extract Pb form in the tissue of A. alpine
    P处理浓度/(mg·L−1)
    部位
    Pb不同化学形态含量/(g⋅株−1
    总量/(mg·kg−1)
    提取率/%
    模式
    乙醇提取态
    水提取态
    氯化钠态
    醋酸提取态
    盐酸提取态
    残渣态
    0
    单作
    8.14±3.42a
    2.24±1.76a
    8.67±3.16a
    49.50±5.47a
    6.95±2.67b
    7.56±1.67a
    89.15
    93.66
    间作
    9.73±3.10a
    3.14±2.28a
    6.34±2.28a
    45.11±7.09a
    24.90±13.4a
    10.21±1.08a
    105.97
    94.67
    茎叶
    单作
    20.34±3.24a
    1.74±0.43a
    20.45±7.35a
    39.57±9.57b
    6.96±3.45a
    16.84±8.67a
    110.90
    95.64
    间作
    14.45±4.47b
    1.03±0.17a
    18.34±4.77a
    64.21±10.88a
    12.19±4.28a
    25.68±27.11a
    147.57
    92.31
    400
    单作
    51.66±4.23a
    19.05±1.93a
    26.55±5.35b
    193.28±7.35b
    21.97±3.54b
    260.09±27.84a
    585.18
    97.85
    间作
    37.04±6.02b
    18.21±1.39a
    50.96±4.43a
    218.51±25.99a
    145.24±30.99a
    213.53±18.52b
    691.61
    98.93
    茎叶
    单作
    23.60±4.78b
    7.37±0.67b
    107.33±25.76b
    215.84±40.04b
    269.18±45.32b
    253.33±40.13a
    892.08
    98.27
    间作
    63.24±6.39a
    11.24±1.15a
    152.57±16.94a
    319.33±35.51a
    385.99±25.16a
    179.93±21.28b
    1 151.57
    96.59
    1 000
    单作
    79.80±3.19a
    44.00±9.31a
    106.85±40.06b
    172.42±17.38b
    96.20±15.74b
    204.38±26.11b
    712.63
    98.74
    间作
    22.52±2.94b
    45.50±4.73a
    199.81±23.35a
    224.21±25.86a
    135.36±22.27a
    313.69±50.66a
    1 037.47
    90.71
    茎叶
    单作
    110.44±25.19a
    39.31±6.81b
    239.43±39.29b
    324.62±37.62b
    172.21±29.64b
    236.74±38.10a
    1 200.03
    93.56
    间作
    59.57±10.36b
    45.92±5.27a
    355.65±36.11a
    419.06±32.07a
    255.83±36.14a
    321.67±33.00a
    1 568.13
    92.32
    2 000
    单作
    102.72±24.45a
    40.06±8.72b
    158.87±25.68b
    526.88±63.22a
    269.27±31.18b
    248.88±67.68a
    1 395.52
    96.5
    间作
    70.71±12.58b
    95.06±20.32a
    243.16±37.61a
    405.68±46.54a
    508.36±86.39a
    239.67±66.64a
    1 670.77
    93.49
    茎叶
    单作
    99.09±18.60a
    49.85±10.21b
    194.05±39.63b
    673.45±87.02b
    243.41±32.18a
    257.41±45.71b
    1 853.51
    82.6
    间作
    56.35±15.09b
    109.09±33.25a
    308.31±45.48a
    867.91±39.65a
    181.72±14.95b
    452.65±86.24a
    2 108.41
    93.72
    注:平均值±标准偏差; 同列中同组织不同字母表示单作与间作处理差异显著(P<0.05)。

    2.2.2 Pb胁迫下间作对小花南芥组织中不同Pb形态分配比率

    不同Pb胁迫处理、不同种植模式影响小花南芥组织Pb化学形态的分配比率。由图1可知,无Pb胁迫处理时,单作和间作小花南芥根部都是醋酸提取态,约占50%,单作时乙醇提取态、氯化钠提取态、盐酸提取态和残渣态约占10%,水提取态只约占3%;间作后盐酸提取态显著升高,约占25%,与对照相比,增加了3倍左右,单作和间作茎叶部都是醋酸提取态,约占40% ,其他形态存在不同的变化趋势;Pb为400 mg·kg−1胁迫处理下,单作和间作根部都是以醋酸提取态和盐酸提取态为主,两者占71.2%,平均为 35.6%,间作后小花南芥根部盐酸提取态显著升高21.2%,与对照相比,增加了5.54倍左右,间作后小花南芥茎叶残渣态显著降低28.97%;Pb为1 000 mg·kg−1胁迫处理下,单作和间作根部、茎叶都是以醋酸提取态和残渣态提取为主,两者占53.52%,平均为 27.67%,间作后小花南芥根部乙醇提取态占2.39%,显著降低71.78%,间作后小花南芥茎叶乙醇提取态显著降低,占4.11%,与对照相比,降低了38.44%;Pb为2 000 mg·kg−1胁迫处理下,单作和间作小花南芥根部以醋酸提取态、盐酸提取态和残渣态提取为主,三者占75.75%,平均为 25.24%,单作和间作小花南芥茎叶以醋酸提取态和残渣态提取为主,二者占63.82%,平均为 31.91%,间作后茎叶中乙醇提取态和盐酸提取态分别占2.85%和9.20%,与单作相比,显著下降7.83%和2.86%,残渣态增加了1.36倍。高富集重金属的水稻,红柳叶苋菜品种中重金属结合蛋白显著高于低富集[27-28],推测小花南芥富集Pb后以无毒螯合物形式贮存在组织内。
    图1 种植模式和Pb处理浓度下小花南芥组织中Pb形态分配比率
    Fig. 1 Proportion of Pb fractions in the tissue of A. alpine on plant model and Pb stress
    图1 种植模式和Pb处理浓度下小花南芥组织中Pb形态分配比率
    Fig. 1 Proportion of Pb fractions in the tissue of A. alpine on plant model and Pb stress
    Cjee 201803151 t1

    2.2.3 Pb胁迫下间作体系对玉米组织中Pb含量的影响

    不同Pb处理浓度下,由表4可知,间作玉米根和茎叶中乙醇提取态显著低于单作,根中分别降低了27.59%、28.07%、42.80%和23.23%,间作玉米茎叶中分别降低了73.88%、41.40%、20.73%和33.07%;水提取态Pb处理为400~2 000 mg·kg−1时,间作玉米根中分别降低了47.36%、55.76%和30.19%,茎叶中分别降低了33.15%、35.22%和19.96%;Pb处理为400~2 000 mg·kg−1时,间作玉米根和茎叶中氯化钠提取态显著增加,根分别增加了1.35和1.25倍,茎叶分别增加2.04和1.35倍;在无铅处理时,间作玉米根部醋酸提取态显著降低33.19%,Pb处理为1 000 mg·kg−1时,间作玉米醋酸提取态根和茎叶显著增加1.52和1.56倍,Pb处理为2 000 mg·kg−1时,间作玉米醋酸提取态根显著增加1.08倍。不同浓度Pb胁迫处理间作玉米根和茎叶中盐酸提取态显著降低,根中分别为63.41%、32.19%、37.04%和41.05%,茎叶中分别为61.09%、41.50%、55.45%和39.29%;Pb处理为0 mg·kg−1时,间作玉米根、茎叶中残渣态显著降低,分别降低了42.02%和44.48%,Pb处理为400 mg·kg−1时,间作玉米根中残渣态显著增加了1.39倍,Pb处理为1 000~2 000 mg·kg−1时,间作玉米根和茎叶中残渣态显著降低,根分别降低了52.01%和52.28%,茎叶分别降低了72.09%和18.22%。
    表4 玉米组织中Pb化学形态含量的影响
    Table 4 Contents of different extract Pb form in the tissue of maize
    表4 玉米组织中Pb化学形态含量的影响
    Table 4 Contents of different extract Pb form in the tissue of maize
    Pb处理浓度/(mg. L−1
    部位
    Pb不同化学形态含量/(g⋅株−1
    总量/(mg·kg−1
    提取率/%
    模式
    乙醇提取态
    水提取态
    氯化钠态
    醋酸提取态
    盐酸提取态
    残查态
    0
    单作
    1.16±0.04a
    0.005±0.003a
    1.03±0.17b
    7.23±0.62a
    2.76±0.37a
    16.85±4.55a
    32.72
    89.28
    间作
    0.84±0.03b
    0.008±0.004a
    1.74±0.43a
    4.83±0.59b
    1.01±0.29b
    9.77±1.36b
    19.78
    93.61
    茎叶
    单作
    1.34±0.06a
    0.43±0.05a
    0.17±0.0.08b
    2.04±0.01a
    5.68±0.15a
    8.16±0.10a
    18.41
    91.38
    间作
    0.35±0.04b
    0.36±0.08a
    0.22±0.06a
    1.82±0.01a
    2.21±0.11b
    4.53±0.13b
    9.79
    95.92
    400
    单作
    43.71±6.09a
    27.11±5.88a
    18.2±3.67b
    19.70±8.73a
    74.74±6.15a
    22.10±3.83b
    215.86
    95.23
    间作
    31.44±3.66b
    14.27±4.54b
    16.81±2.95a
    17.02±5.39a
    50.68±4.69b
    30.86±3.98a
    183.50
    89.96
    茎叶
    单作
    5.70±0.58a
    7.30±0.82a
    5.83±2.04b
    8.00±1.51a
    54.53±6.57a
    37.92±6.67a
    146.79
    81.94
    间作
    3.34±0.81b
    4.88±1.12b
    7.78±2.53a
    10.81±1.22a
    31.90±7.85b
    25.71±3.14a
    93.43
    88.22
    1 000
    单作
    29.7±12.66a
    75.66±16.19a
    51.84±15.18b
    56.66±14.25b
    115.96±34.37a
    98.41±19.25a
    474.70
    90.21
    间作
    16.69±8.12b
    33.47±15.36b
    69.95±11.82a
    86.10±20.06a
    73.01±28.41b
    47.23±14.81b
    342.26
    95.38
    茎叶
    单作
    9.7±2.54a
    11.67±2.71a
    6.97±3.06b
    55.71±24.87b
    96.35±42.75a
    88.76±22.39a
    292.75
    93.4
    间作
    7.69±3.11b
    7.56±4.41b
    14.24±6.41a
    87.17±31.39a
    42.92±43.02b
    24.77±12.25b
    186.60
    97.58
    2 000
    单作
    38.96±3.54a
    20.44±4.79a
    46.35±12.72b
    139.08±22.26b
    168.08±44.76a
    126.31±34.26a
    608.45
    92.22
    间作
    29.91±3.13b
    14.27±3.54b
    58.07±20.81a
    150.88±20.98a
    98.32±26.98b
    60.28±23.05b
    458.67
    87.21
    茎叶
    单作
    18.78±7.56a
    58.68±18.61a
    56.72±7.69b
    35.26±13.12a
    87.65±21.37a
    109.63±32.70a
    431.80
    89.56
    间作
    12.57±5.23b
    46.97±12.31b
    76.64±5.31a
    28.56±9.82a
    53.21±15.63b
    89.65±19.84b
    314.45
    91.46
    注:平均值±标准偏差; 同列中同组织不同字母表示单作与间作处理差异显著(P<0.05)。

    2.2.4 Pb胁迫下间作体系对玉米组织中不同Pb形态分配比率

    图2可知,Pb处理为0 mg·kg−1时,玉米间作和单作根中Pb的形态以醋酸提取态(58%)和残渣态(26%)为主,茎叶中以残渣态(48%)为主;Pb处理为400 mg·kg−1时,玉米单作和间作根和茎叶中都以盐酸提取态为主(35%),根中乙醇(20%)和残渣态(11%)次之,茎叶中残渣态(30%);Pb处理为1 000 mg·kg−1时,单作玉米根中以盐酸提取态(27%)和残渣态(23%)为主,间作玉米根中以醋酸(26%)、盐酸提取态(22%)和氯化钠提取态(21%)为主,茎叶中单作盐酸提取态(35%)为主,间作中以醋酸提取态(48%)为主;Pb处理为2 000 mg·kg−1时,单作玉米根以醋酸提取态(30%)为主,间作玉米根以醋酸提取态(38%)和盐酸提取态(25%)为主,玉米单作和间作茎叶中都与残渣态(30%)为主。程海宽等[15]研究Pb胁迫下不同品种玉米根、茎叶中Pb 的化学形态所占比例差异较大,耐Pb玉米品种主要以无毒的醋酸提取态和盐酸提取态为主,比例高达 60% ~ 87%,不耐Pb玉米品种主要以乙醇和水提取态为主,比例高达30% ~ 45%。
    图2 种植方式和Pb处理浓度下玉米组织中Pb的形态百分比
    Fig. 2 Proportion of Pb fractions in the tissue of maize on plant model and Pb stress
    图2 种植方式和Pb处理浓度下玉米组织中Pb的形态百分比
    Fig. 2 Proportion of Pb fractions in the tissue of maize on plant model and Pb stress
    Cjee 201803151 t2

    2.3 Pb胁迫下间作体系对pH的影响

    2.3.1 Pb胁迫下间作体系对根际土壤溶液和小花南芥体内pH的影响

    间作体系下,植物根-根之间的相互作用改变根际土壤微环境,其中根际土壤溶液pH可能是影响Pb2+在土壤胶体表面吸附解吸的主要因素之一。从表5可知,不同浓度处理下,间作小花南芥土壤根际溶液、根和茎叶中pH与单作相比都显著降低(除了Pb处理为0 mg·kg−1时的根和茎叶)。续断菊(Sonchus asper L.Hill)与玉米间作,土壤各形态Pb含量与植物地上、根部Pb含量存在显著相关[29]。也有研究[30]认为与植物吸收相关的重金属形态并不一定就被植物所吸收。
    表5 Pb胁迫对间作体系根际土壤和小花南芥体内pH的影响
    Table 5 Effects of intercropping of A. alpine and rhizosphere soil and pH under Pb stress
    表5 Pb胁迫对间作体系根际土壤和小花南芥体内pH的影响
    Table 5 Effects of intercropping of A. alpine and rhizosphere soil and pH under Pb stress
    处理浓度/(mg·kg−1
    种植模式
    pH
    土壤溶液
    茎叶
    0
    单作
    7.27±0.11a
    6.90±0.13a
    6.94±0.20a
    间作
    6.88±0.12b
    6.82±0.20a
    6.62±0.23a
    400
    单作
    8.06±0.17a
    7.00±0.14a
    7.20±0.17a
    间作
    7.28±0.27b
    6.48±0.20b
    6.61±0.32b
    1 000
    单作
    7.42±0.25a
    7.08±0.32a
    7.40±0.29a
    间作
    6.73±0.34b
    6.59±0.38a
    6.55±0.21b
    2 000
    单作
    7.70±0.21a
    7.83±0.29a
    7.70±0.34a
    间作
    6.91±0.28b
    7.08±0.32b
    6.58±0.36b
    注:平均值±标准偏差; 同列中同组织不同字母表示单作与间作处理差异显著(P<0.05)。

    2.3.2 Pb胁迫下间作体系对根际土壤溶液和玉米体内pH的影响

    表6所示,间作体系下,在Pb处理大于1 000 mg·kg−1时,间作玉米根际土壤溶液、根和茎叶中pH与单作相比都显著降低,其他处理间作后都显著增加。植物吸收重金属与体内pH有关,已有研究[31]表明Pb化学形态的存在与pH存在显著相关性,高浓度Pb胁迫导致pH降低可能是限制玉米生长发育的主要原因。
    表6 Pb胁迫对间作体系根际土壤和玉米体内pH的影响
    Table 6 Effects of intercropping of maize rhizosphere soil and pH under Pb stress
    表6 Pb胁迫对间作体系根际土壤和玉米体内pH的影响
    Table 6 Effects of intercropping of maize rhizosphere soil and pH under Pb stress
    处理浓度/(mg·kg−1)
    种植模式
    pH
    土壤溶液
    茎叶
    0
    单作
    6.65±0.30a
    6.93±0.17a
    6.66±0.21b
    间作
    6.88±0.12a
    6.66±0.31a
    7.12±0.11a
    400
    单作
    6.35±0.17b
    6.14±0.22b
    6.59±0.27b
    间作
    7.28±0.27a
    6.71±0.26a
    7.17±0.23a
    1 000
    单作
    7.59±0.18a
    7.14±0.19a
    7.37±0.31a
    间作
    6.73±0.34b
    6.54±0.21b
    6.56±0.37b
    2 000
    单作
    8.02±0.32a
    7.22±0.25a
    7.63±0.35a
    间作
    6.91±0.28b
    6.37±0.20b
    6.29±0.24b

    2.3.3 不同Pb化学形态对pH的响应

    对pH与各形态Pb进行相关分析,如表7所示,乙醇提取态与间作玉米和小花南芥茎叶中pH相关,去离子水提取态与间作小花南芥根和茎叶中pH相关,氯化钠提取态与间作玉米和小花南芥根茎叶都相关,醋酸提取态与间作玉米茎叶和小花南芥茎叶相关,盐酸提取态与单作玉米根中pH相关,Pb总量与pH在间作玉米和间作小花南芥根茎叶中存在相关性。
    表7 pH与Pb赋存形态的相关分析(n= 6)
    Table 7 Correlations between the contents of Pb forms and pH (n= 6)
    表7 pH与Pb赋存形态的相关分析(n= 6)
    Table 7 Correlations between the contents of Pb forms and pH (n= 6)
    植物
    种植模式
    部位
    乙醇提取态
    水提取态
    氯化钠提取态
    醋酸提取态
    盐酸提取态
    残查态
    总量
    玉米
    单作
    0.847*
    0.057
    0.454
    0.590
    0.909*
    0.431
    0.652
    茎叶
    0.816*
    0.089
    0.875*
    0.304
    0.649
    0.891*
    0.866*
    间作
    0.097
    0.654
    0.963
    0.908*
    0.611
    0.899*
    0.903*
    茎叶
    0.907*
    0.679
    0.906*
    0.951**
    0.652
    0.655
    0.880*
    小花南芥
    单作
    0.648
    0.377
    0.972**
    0.863*
    0.758
    0.245
    0.878*
    茎叶
    0.889*
    0.287
    0.636
    0.874*
    0.284
    0.657
    0.829*
    间作
    0.653
    0.987**
    0.954**
    0.962**
    0.529
    0.341
    0.958**
    茎叶
    0.976**
    0.901*
    0.921**
    0.983**
    0.847*
    0.589
    0.957**
    注:* 表示显著相关;** 表示极显著相关。
    进一步对乙醇提取态、去离子水提取态、氯化钠提取态、醋酸提取态、盐酸提取态、残渣态6种Pb提取态和Pb总量对pH的影响进行研究,这6种提取态分别为X1X2X3X4X5X6,总量为X7,采用逐步回归分析法建立逐步回归方程。从表8可知,间作玉米根中主要影响因子是X4醋酸提取态,其次为X7(分析中系数X4为−1.57,X7为0.635),茎叶为乙醇提取态;间作小花南芥根中为X4醋酸提取态,茎叶为X3氯化钠提取态(分析中系数X7为−1.891,X3为2.323)。
    表8 Pb含量与pH回归分析
    Table 8 Stepwise regression equations on contents of Pb with pH
    表8 Pb含量与pH回归分析
    Table 8 Stepwise regression equations on contents of Pb with pH
    植物
    部位
    种植模式
    逐步回归方程
    F
    r
    P
    玉米
    单作
    Y=7.355−0.031X1
    11.058
    0.921
    0.079
    间作
    Y=6.630−0.004X4+0.00006X7
    249 999
    1.000
    0.001
    茎叶
    单作
    Y=6.416+0.011X3
    18.140
    0.949
    0.050
    间作
    Y=7.246−0.077X1
    19.559
    0.953
    0.048
    小花南芥
    单作
    Y=6.897−0.004X3+0.003X4
    17.316
    0.968
    0.031
    间作
    Y=6.860+0.003X4
    56.387
    0.983
    0.017
    茎叶
    单作
    Y=6.983−0.012X1+0.003X4
    27.943
    0.986
    0.045
    间作
    Y=6.675+0.006X3−0.001X7
    37.656
    0.999
    0.041
    间作显著降低小花南芥根际土壤溶液、根和茎叶中的pH,而提高玉米根际土壤溶液、根和茎叶中pH。间作玉米和小花南芥根中pH都与醋酸提取态有关,玉米茎叶与乙醇提取态有关,小花南芥茎叶与氯化钠提取态有关。已有研究[32]表明,当pH大于7时,交换态、碳酸盐结合态和有机态Pb含量都显著低于其他低pH土壤样本,而铁锰态Pb和残渣态Pb与土壤pH不相关,并且pH大于7 时,Pb的生物有效性和迁移性显著降低。在大田实验条件下,东南景天与玉米间套作、续断菊与蚕豆间作,都可使根际土壤pH降低,重金属的生物有效性因随土壤pH降低而增加,促进了共存条件下东南景天、续断菊对土壤重金属的摄取[33-34]。因此,本研究随不同Pb浓度处理下,间作植物玉米Pb化学形态变化与单作相比除了总量下降外,还有可溶态向不溶态转变。间作植物Pb化学形态处于动态变化中,这可能由超富集植物小花南芥和低富集作物间作后根际土壤或植物组织内pH差异导致的。

    2.4 Pb胁迫下植物富集特征

    2.4.1 Pb胁迫下间作小花南芥富集特征

    小花南芥间作玉米体系下,在Pb为0、400、1 000和2 000 mg·kg−1胁迫处理后,间作小花南芥富集系数都比单作大,分别增加了1.64、1.93、2.01和1.39倍;在Pb为0 mg·kg−1和400 mg·kg−1胁迫处理后,转运系数与单作相比,增加1.12和1.09倍,在Pb为1 000和2 000 mg·kg−1胁迫处理后,转运系数与单作相比,降低10.12%和4.55%;小花南芥有效转运系数在Pb为0 mg·kg−1 处理时,间作比单作高1.06倍,在Pb为400、1 000和2 000 mg·kg−1处理时,间作比单作低16.56%、21.05%和40.05%,结果见表9
    表9 间作体系下小花南芥富集Pb的特征
    Table 9 Characteristics of enriching Pb in A. alpina under intercropping system
    表9 间作体系下小花南芥富集Pb的特征
    Table 9 Characteristics of enriching Pb in A. alpina under intercropping system
    Pb处理浓度/(mg·L−1
    种植模式
    富集系数
    转运系数
    有效转运系数
    0
    单作
    1.38
    1.24
    5.65
    间作
    2.27
    1.39
    6.01
    400
    单作
    1.68
    1.52
    6.40
    间作
    3.24
    1.66
    5.34
    1 000
    单作
    1.56
    1.68
    6.65
    间作
    3.14
    1.51
    5.25
    2 000
    单作
    1.77
    1.32
    7.82
    间作
    2.46
    1.26
    4.68

    2.4.2 Pb胁迫下玉米富集特征

    玉米与小花南芥间作体系下,在Pb为0、400、1 000和2 000 mg·kg−1胁迫处理后,间作玉米富集系数与单作相比,分别降低了25.58%、32.89%、41.09%和39.33%;间作玉米转运系数与单作相比降低了12.50%、25.00%、11.29%和2.82%;间作玉米有效转运系数在Pb为0、400 和1 000 mg·kg−1处理时,间作比单作低22.22%、28.03%和10.10%,在Pb为2 000 mg·kg−1处理时,间作比单作高1.07倍,结果见表10
    表10 间作体系下玉米富集Pb的特征
    Table 10 Characteristics of enriching Pb in maize under intercropping system
    表10 间作体系下玉米富集Pb的特征
    Table 10 Characteristics of enriching Pb in maize under intercropping system
    Pb处理浓度/(mg·L−1
    种植模式
    富集系数
    转运系数
    有效转运系数
    0
    单作
    0.86
    0.56
    1.44
    间作
    0.64
    0.49
    1.12
    400
    单作
    0.76
    0.68
    1.32
    间作
    0.51
    0.51
    0.95
    1 000
    单作
    0.73
    0.62
    0.99
    间作
    0.43
    0.55
    0.89
    2 000
    单作
    0.89
    0.71
    1.22
    间作
    0.54
    0.69
    1.31

    3 结论

    1)间作小花南芥生物量随着Pb处理浓度的增加显著增加,Pb富集系数和转运系数显著增加,其中Pb含量显著增加25%。Pb赋存形态主要以难溶态果酸盐、蛋白质和磷酸盐结合态存在,约占总量的50%,间作显著降低小花南芥根际土壤溶液、根和茎叶中的pH。
    2)间作玉米生物量先增加后降低,Pb富集系数和转运系数显著降低,Pb赋存形态以草酸盐结合态存在,约占30%,间作显著增加玉米根际土壤溶液、根和茎叶中的pH。
    3)间作玉米和小花南芥根中的pH都与醋酸提取态Pb有关,单作玉米茎叶中的pH与乙醇提取态Pb有关,单作小花南芥茎叶中的pH与氯化钠提取态有关,植物富集重金属与重金属存在形态相关。
参考文献 (34)

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