土壤和玉米茎叶中镉积累与硫含量的关系

土壤和玉米茎叶中镉积累与硫含量的关系

镉（cd）是环境中的一个重要污染物。由于大量工业和采矿废物的排放、废水的大量使用、环境中的大量释放，整个环境中的大型耕地受到不同程度的镉污染（刘国生等，2004；王力和郭书曼，2006；王世斌等，2006）。污染土壤中的镉通过植物的吸收在农产品中大量积累,对人类健康造成了极大的威胁(Shute&Macfie,2006;Yuetal.,2006;王姗姗等,2007)。因此,在植物对镉的吸收和积累机制及污染土壤的治理等方面的研究引起了科学家的广泛重视。在镉的诱导下,植物能够合成植物络合素(Rauser,1995;Zenk,1996;Cobbett,2000)和金属硫蛋白等富含硫的化合物(Zenk,1996;Hall,2002)。植物络合素(PCs),它是一类富含半胱氨酸的多肽物质,镉与巯基基团结合形成Cd-PC复合物,把镉运输至液泡中(Zenk,1996;Cobbett,2000),减少植株体内游离态的镉。除此之外,也有报道认为半胱氨酸和谷胱甘肽在植物镉积累的过程中起着极其重要的作用(Haradaetal.,2001)。金属硫蛋白、PCs、半胱氨酸和谷胱甘肽都是含硫的化合物,植物体内这些物质的合成与硫的吸收代谢过程有着密切的关系,因此,硫在植物抵抗镉毒害及镉积累和运输过程中发挥着重要的作用。这些结果似乎说明,如果植物体内的硫含量越高,其体内镉的积累也越多。但是,有关这方面的直接证据仍鲜见报道。本文选取了3种常见的农作物(向日葵、玉米、大豆),采用田间试验方法,探讨了从苗期至成熟期植物各生长发育阶段镉积累与全硫含量的关系,为镉污染土壤的农作物的选择提供了依据。1研究领域和方法1.1研究区的概况试验地点在中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳生态实验站内(41°31′N,123°41′E),地处松辽平原南部的中心地带,属温带半湿润大陆性气候,平均温度5℃～9℃,>10℃的年活动积温3100℃～3400℃,年总辐射量520～544kJ·cm-2,无霜期127～164d,年降水量650～700mm。研究采用小区试验,共设2个小区,小区面积4m×4m。小区土壤类型为草甸棕壤,其pH值6.5,有机质含量为15.04g·kg-1,全氮为0.83g·kg-1,全磷为0.46g·kg-1,速效钾为93.05mg·kg-1,土壤中全硫含量为295mg·kg-1,重金属Cd的背景值为0.22mg·kg-1。1.2小区表土层投入镉固结剂处理本试验选择3种常见的农作物,向日葵、玉米和大豆作为供试植物,种子购于沈阳东亚种子公司。根据张士灌区实地镉污染调查及相关文献查阅,发现该地区土壤中全镉含量多集中于2.00～5.00mg·kg-1(吴燕玉等,1984;曹惠荣等,2000;王莉和郭淑满,2006),因此,本试验设计2个镉浓度梯度,分别为2和5mg·kg-1。于2005年生长季结束后,向小区0～15cm表土层投入CdCl2·2.5H2O,具体做法是先将小区表层土壤均匀剥离,然后再根据设计浓度与金属化合物混合,平衡18个月后,2007年春天开始播种,播种前小区施尿素312.5kg·hm-2,磷酸二铵125kg·hm-2,氯化钾62.5kg·hm-2。从种子出苗30d后,每隔15d取样1次,直至该种作物到达成熟期为止,这3种农作物分别在出苗后45、60、75、90、105d收取植物地上部分,带回实验室分析。1.3样品检测和检出限植物茎叶用自来水冲洗后用去离子水洗净,向日葵和玉米把茎、叶分开取样,105℃杀青15min,然后在70℃下烘至恒量,测定干质量,将烘干的样品磨碎后,分析镉和全硫含量。植物样品采用HNO3-HClO4法消化,用火焰原子吸收分光光度计法和等离子体发射光谱分别测定镉和全硫含量,检出限分别为2.0和42μg·L-1。对分析方法的准确性采用国家标准样品——西红柿叶标准品(GSBZ51001-94)进行质量控制。1.4单因素方差分析和相关性分析数据采用Excel软件进行绘图,并采用SPSS11.5统计分析软件,进行单因素方差分析和相关性分析,计算Pearson相关系数。2结果与分析2.1玉米中镉的变化玉米和向日葵地上部分镉和全硫含量是通过其茎叶的生物量比值和其中的镉含量间接计算而得。在土壤中镉浓度为2mg·kg-1时,从苗期至成熟期,大豆和玉米地上部分镉含量很低,且变化幅度也较小,地上部分镉含量分别介于0.08～2.25和0.86～1.22mg·kg-1;而且随着生长,体内镉浓度无明显规律性变化。向日葵地上部分镉含量在5.77～8.55mg·kg-1呈现先稍有增加,然后逐渐下降的变化趋势(图1a)。在土壤中镉浓度为5mg·kg-1时,从苗期至成熟期,向日葵和大豆地上部分镉含量先增加后降低,分别介于13.52～25.37和7.05～11.68mg·kg-1;玉米地上部分镉浓度随着生长呈现逐渐降低的趋势,从6.97降至2.89mg·kg-1(图1b)。从图1可以看出,对于2个镉浓度处理下,各作物在同一时期其地上部分全硫含量很相近,随着作物的生长,硫含量变化幅度不是很大,但是仍表现一定的规律性。向日葵中硫含量与镉含量的变化趋势相似,亦在3.52～5.76g·kg-1内先增加后降低;大豆在2.01～2.51g·kg-1内基本不变;玉米全硫含量从1.65g·kg-1逐渐降低至0.84g·kg-1。土壤中镉浓度从2mg·kg-1增加到5mg·kg-1,植物体内镉积累浓度大幅度增加(P<0.05),柱状图代表镉含量,折线图代表全硫含量。a和b分别为土壤中镉浓度为2和5mg·kg-1时,植物地上部分镉含量和全硫含量。但2个镉浓度处理下的3种作物体内硫含量没有显著性差异(P>0.05)。说明在本试验设计的镉浓度范围内,随着镉浓度的升高,供试的3种农作物硫代谢并未受到显著影响。2.2玉米和葵叶中镉和全硫含量的变化由于采样时未能把大豆的茎、叶分开,这里只能讨论玉米和向日葵茎、叶镉含量与硫含量的关系。柱状图代表镉含量,折线图代表全硫含量。a为土壤中镉浓度为2和5mg·kg-1时,茎中镉和全硫含量;b为土壤中镉浓度为2和5mg·kg-1时,叶中镉和全硫含量。在2个镉浓度处理下,随着植株生长,玉米茎中镉含量都是逐渐降低的,分别介于0.15～1.19和0.4～6.4mg·kg-1;其硫含量在与镉含量变化趋势一致,分别在0.22～1.19和0.30～1.16g·kg-1(图2a)。在土壤中镉浓度为2mg·kg-1时,随着植物的生长发育,叶片中镉浓度变化很小,在0.86～1.21mg·kg-1;在镉浓度为5mg·kg-1时,叶片中镉积累从7.53mg·kg-1逐渐降低至3.61mg·kg-1;2种镉浓度处理下,叶片中全硫含量为1.53～2.25g·kg-1(图2b)。向日葵随生长,茎和叶中镉和全硫含量的变化见图3。在土壤中镉浓度为2和5mg·kg-1时,随着植物的生长发育,茎中镉和硫含量变化趋势一致,均呈先增加后下降趋势,镉含量分别为3.88～7.88和8.48～19.73mg·kg-1;硫含量为1.43～3.34g·kg-1。叶片中镉浓度无明显变化规律,在土壤中镉浓度为2和5mg·kg-1时,分别在7.23～9.13和16.08～28.88mg·kg-1;硫含量在4.24～8.05和4.69～11.23g·kg-1变化。土壤中镉浓度从2mg·kg-1提高至5mg·kg-1,2种作物茎和叶片中镉含量都大幅度增加(P<0.05),而茎和叶中全硫含量却没有发生显著变化(P>0.05)。从对玉米和向日葵茎叶中镉与全硫含量的分析,可以看出,玉米和向日葵这2种作物茎中镉含量和全硫含量随着生长,呈现相似的变化规律,对其作了相关性分析,发现这2种作物茎中硫含量与镉含量呈极显著正相关关系。在土壤中镉浓度为2和5mg·kg-1时,玉米和向日葵茎中镉、全硫含量的相关系数分别为0.989、0.994和0.933、0.950(P<0.01)。2.33粮食中镉的变化3种农作物籽实中镉含量差异很大,在土壤中镉浓度为2和5mg·kg-1时,向日葵、大豆、玉米籽实中镉含量分别为0.98和2.21mg·kg-1,0.68和2.83mg·kg-1,0.01和0.03mg·kg-1(表1)。从图1可以看出,作物地上部分镉含量的高低不能决定其籽实中镉积累的多寡。籽实中硫含量从高到低的顺序是:大豆>向日葵>玉米;土壤中镉浓度为2mg·kg-1时,籽实中镉含量从高到低的顺序是:向日葵>大豆>玉米,土壤中镉浓度为5mg·kg-1时,籽实中镉含量从高到低的顺序是:大豆>向日葵>玉米。土壤中镉浓度为5mg·kg-1时,这3种作物籽实中硫含量的与镉含量的高低顺序一致。3玉米和葵片中镉的相关性植物体内的含硫化合物,如植物络合素、金属硫蛋白、谷胱甘肽等在植物对重金属耐性和解毒的过程中发挥着重要的作用(Zenk,1996;Cobbett,2000;孙新等,2003;Wuetal.,2004;孙雪梅和杨志敏,2006)。仅有少数的研究者研究了植物体内硫含量与镉含量的相关性,仅见Willey和Wilkins(2006)对121种被子植物的研究,发现植物中硫含量和一些重金属可能存在显著的相关性,已有的数据显示植物中硫浓度和镉、锌呈显著正相关。本研究的几种农作物,其地上部分硫含量越高的,相应地地上部分镉含量也越高(图1),由于调查的植物种类有限,因此仍不能简单地断定二者之间的关系。从苗期至成熟期,玉米和向日葵茎中镉含量和硫含量呈现显著正相关,而叶片中镉与硫含量没有相关性,由于这2种作物茎的生物量占地上部分的比例较大,因此,这2种作物地上部分硫和镉含量变化趋势相似(图1)。由于取样时未能把大豆茎、叶分开分析,只能根据向日葵和玉米这2种作物茎部镉和硫含量的关系(图2和图3),初步推测硫在植物茎部镉的运输过程中起着重要作用。在2mg·kg-1镉浓度处理下,玉米和向日葵叶片中镉含量较低,且随着生长变化幅度不大。在土壤中镉浓度为5mg·kg-1时,玉米叶片中镉含量与茎中的镉和全硫含量变化趋势大体上相似,均呈现逐渐降低的趋势,而向日葵叶片中镉含量与茎中镉和全硫含量的变化趋势也相似,均先增加后降低,这2种作物不同的变化规律可能与其各阶段的生长特点有关,同时,表明叶片中镉的积累可能与茎中镉的运输和硫含量有密切关系。孙新等(2003)研究发现,在缺硫状态下,镉对油菜植株的毒害加重,并且阻碍了镉向地上部分的运输,但是根部镉含量并未减少,推测硫在植物镉向上运输的过程中发挥着重要作用,与本研究结果一致。安志装等(2004)的研究结果证实,介质中硫的充分供应在有效地提高水稻对镉胁迫耐性的同时,也显著地促进镉在水稻地上部的积累。重金属污染具有累积性,食物链传递性和不易降解性,是较为严重的生态环境问题并已得到世界各国政府的广泛关注和重视。因此许多有关法规应运而生,对重金属的限