劉書楷 王 銘 鄭 毅

(1. 西南林業(yè)大學國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學環(huán)境與工程學院，云南 昆明 650224)

農(nóng)藥在控制農(nóng)業(yè)害蟲、雜草、疾病以及提高作物產(chǎn)量方面發(fā)揮著巨大作用，但大量且不合理使用不僅會對生態(tài)環(huán)境造成破壞，而且通過食物鏈會對人體健康產(chǎn)生一定程度的危害[1-4]。如撲草凈 (4, 6-雙異丙胺基-2-甲硫基-1, 3, 5-三嗪)，在水中溶解度較低 (25 ℃時，48 mg/L)，化學性質(zhì)穩(wěn)定，難降解[5]，可經(jīng)過各種途徑進入環(huán)境中，如經(jīng)地表徑流和滲透作用造成地表水和地下水的污染，通過食物鏈傳遞對水生生態(tài)環(huán)境中各級生物造成各種急性、慢性或遺傳性毒性，引發(fā)水生態(tài)系統(tǒng)中生物種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量的變化[6]。撲草凈對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成的嚴重危害已引起世界各國的重視[7-10]，歐盟等國已禁止銷售和使用撲草凈，但我國在水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)作物的雜草去除中仍廣泛使用[11-12]。目前，國外對去除農(nóng)業(yè)徑流中農(nóng)藥的研究已經(jīng)十分活躍[13-14]。

植物作為農(nóng)業(yè)徑流中農(nóng)藥去除效果較好的方法之一，已經(jīng)成為治理環(huán)境污染研究的一個熱點[15-17]。近年的研究發(fā)現(xiàn)，香根草 (Vetiveriazizanioides) 已被廣泛證明是一種抗性強的植物，它對貧瘠地、有機物、污水等都表現(xiàn)出了較強的抗性[18-22]。香根草根系擴展能力強于一般的人工濕地植物，對污水中的總氮、總磷的降解率顯著高于黃菖蒲 (Irispseudacorus) 和其他挺水植物[23-24]。而氮作為植物生存的必要養(yǎng)分之一[25]，環(huán)境中的氮含量可直接影響植物的生長和生態(tài)功能。

目前氮素水平對植物吸收和去除農(nóng)藥的影響研究較少。本試驗以香根草為研究對象，用盆栽種植的方式，在人工控制氮營養(yǎng)水平的條件下，研究香根草對撲草凈的吸收、去除的動態(tài)變化規(guī)律，及撲草凈在香根草的根、莖葉中的轉(zhuǎn)移，探討不同氮水平下香根草對撲草凈的吸收特點，以期為日后植物的生態(tài)環(huán)境治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用香根草采自在澄江窯泥溝濕地公園 (東經(jīng)102°49′～102°57′，北緯24°17′～24°37′，海拔1 720 m)，試驗植物體選擇高為0.8～1.2 m，長勢良好的均勻株。于溫室內(nèi)統(tǒng)一進行管理，所處外部環(huán)境條件一致：氣溫25～35 ℃，相對濕度50%～60%，自然通風，自然光照。

1.2 實驗設計

實驗容器為口徑10 cm的棕色玻璃瓶。統(tǒng)一使用常規(guī)單子葉營養(yǎng)液為培養(yǎng)液，培養(yǎng)液配置方法見表1。處理過程中用少量1 mol/L NaOH或者1 mol/L HCl將營養(yǎng)液的pH值控制在7.00 ± 0.02間。本次實驗的主要研究目的是了解不同氮濃度 (低濃度氮：0.16 mg/L，中濃度氮：0.33 mg/L，高濃度氮：0.49 mg/L) 條件下香根草對撲草凈的吸收效果。將成熟均勻的香根草直接植入裝有常規(guī)單子葉植物營養(yǎng)液的棕色廣口瓶內(nèi)，每瓶營養(yǎng)液為2 L，將香根草根部均浸泡在營養(yǎng)液液面下，并按照設定濃度 (撲草凈初始濃度均為0.5 mg/L) 添加撲草凈所需量。樣品的采樣時間為植入植株第0天、第5天、第10天、第15天、第20天、第25天、第30天、第40天。每瓶種植4株香根草，植株總質(zhì)量約為200 g，每種含氮濃度以未含氮體系的處理作為空白對照，所有處理和對照均重復3次。

表1 常規(guī)單子葉植物營養(yǎng)液配方Table 1 Nutrient solution formula of conventional monocotyledon

1.3 樣品采集與處理

每瓶香根草根和莖葉各采集2 g，剪取成熟且長勢良好的植物根系和莖葉，取不同部位，使樣品具有代表性。將采集的樣品剪成2～3 mm的碎片，轉(zhuǎn)移到具塞錐形瓶中，加入40 mL乙腈，蓋上瓶蓋,超聲提取40 min，濾入平底燒瓶中，再用20 mL乙腈重復提取1次，超聲提取20 min，合并提取液于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中，于60 ℃水浴中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，用3.0 mL正己烷溶解，過0.45 μm有機相濾膜，待測。

1.4 測定分析方法

植物體體內(nèi)撲草凈濃度用Agilent 7890B-5977MSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀測定。

1.4.1儀器工作條件

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀采用 HP-5 MS毛細管色譜柱 (30 m × 0.32 mm i. d × 0.25 μm)；進樣口溫度260 ℃；不分流進樣，進樣量為1 μL；載氣為氦氣 (純度不小于99.999%)，流量為 0.8 mL/min；柱程序升溫：初始溫度70 ℃，保持1 min；以 25 ℃/min速率升溫至180 ℃；再以5 ℃/min速率升溫至220 ℃；最后以20 ℃/min速率升至280 ℃，保持3 min。

質(zhì)譜條件電子轟擊離子源 (EI)，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃ ；接口溫度280 ℃，四極桿溫度150 ℃ ；溶劑延遲時間為3.75 min；掃描方式為全掃描模式與選擇離子監(jiān)測模式同時進行，SCAN 掃描范圍 (m/z) 50～350，SIM監(jiān)測離子為m/z 241、184、226、199；定量離子為氣相色譜條件，柱溫：230 ℃，進樣口：280 ℃，加熱器：200 ℃，電位計電壓勾，進樣量2 μL，分流進樣，分流比2∶1。

1.4.2標準曲線

用正己烷逐級稀釋撲草凈的母液，配制質(zhì)量濃度為0.01～10.0 mg/L的標準系列，然后按1.3.1中色譜條件進行測定。以樣品質(zhì)量濃度 (mg/L) 為橫坐標 (x)，相應的峰面積為縱坐標 (y) 繪制工作曲線 (見圖1)。工作曲線回歸方程為y=35 180x-23.112，相關系數(shù)R2=0.999 8，表明0.01～10.0 mg/L的范圍里線性關系良好。

圖1撲草凈工作曲線
Fig.1 The working curve of prometryn

1.4.3加標回收率

通過GC-MS儀器對香根草根、莖葉中撲草凈的加標回收試驗檢測分析可知 (見表2)，撲草凈在香根草的根、莖葉加標回收率均為93.47%～101.56%，撲草凈在樣品中的平均回收率大于99.13%，說明香根草對撲草凈的提取具有可操作性，其相對誤差較小，能達到撲草凈測定的要求。

表2 撲草凈在香根草莖葉及根中的加標回收率Fig.2 Recovery rate of prometryn in stems, leaves and roots of V.zizanioides

2 結(jié)果與分析

2.1 香根草根系中撲草凈的動態(tài)變化

不同氮濃度條件下，香根草根系對撲草凈的吸收動態(tài)及轉(zhuǎn)移規(guī)律如圖2所示。

圖2香根草根中撲草凈的濃度動態(tài)
Fig.2 The concentration dynamics of prometryn in the roots ofV.zizanioides

由圖2可知，在氮濃度不同的條件下，隨著時間的變化，香根草根系對撲草凈的吸收呈先增大后減小并趨于平緩的趨勢。其中高濃度、中濃度、低濃度氮素水平條件下，香根草根系對撲草凈的吸收在第5天達到最大值，分別為5.787、4.449、1.572 mg/kg，高濃度氮條件下吸收效果最為顯著；空白條件下，香根草根系對撲草凈的吸收在第10天達到最大值，為2.220 mg/kg。添加氮素明顯加快了香根草根系對撲草凈的吸收速率，較對照相比，提前5 d達到了吸收峰值。但從第15～40天撲草凈在植株根系內(nèi)的濃度含量呈現(xiàn)不斷下降并趨于平緩的趨勢。分析其原因可能為氮素的存在促進了香根草的成長，從而促進了香根草對撲草凈的吸收；同時由于植株自身的吸收、代謝、降解及轉(zhuǎn)移等作用，使得植株根系內(nèi)撲草凈的濃度含量呈先增大后減小趨勢。

2.2 香根草莖葉中撲草凈的動態(tài)變化

不同氮濃度條件下，香根草莖葉對撲草凈的動態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律如圖3所示。

圖3香根草莖葉中撲草凈含量的動態(tài)變化
Fig.3 The concentration dynamics of prometryn in the shoots ofV.zizanioides

由圖3可知，在氮濃度不同的條件下，隨著時間的變化，香根草莖葉對撲草凈的吸收呈先增大后減小隨后又有所增大的趨勢。其中高濃度、中濃度、低濃度氮素水平條件下，香根草莖葉對撲草凈的吸收在第10天達到最大值，分別為1.104、3.156、3.326 mg/kg，低濃度氮條件下吸收效果最為顯著；空白條件下，香根草莖葉對撲草凈的吸收在第15天達到最大值，為0.192 mg/kg。添加氮素明顯加快了香根草莖葉對撲草凈的吸收速率，較對照相比，提前5 d達到了吸收峰值。中、低氮濃度條件下與高濃度氮條件相比呈現(xiàn)顯著差異，究其原因，可能為氮素的存在在一定程度上促進了香根草對撲草凈的吸收，高濃度氮濃度條件下反而抑制了撲草凈由根到莖葉的轉(zhuǎn)移。由于香根草體內(nèi)可能發(fā)生生物富集等作用，所以自第30天以后撲草凈在莖葉中的濃度有抬升現(xiàn)象。

2.3 撲草凈由香根草根系到莖葉的轉(zhuǎn)移規(guī)律

撲草凈由香根草根系到莖葉的轉(zhuǎn)移規(guī)律見表3。撲草凈在香根草體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù) (TF) 等于莖葉中撲草凈濃度與根系中撲草凈濃度的比值。由表3可知，高濃度氮時轉(zhuǎn)移系數(shù)最大為1.23，中濃度氮時轉(zhuǎn)移系數(shù)最大為1.74，低濃度氮時轉(zhuǎn)移系數(shù)最大為3.46。而低濃度氮時，撲草凈的轉(zhuǎn)移系數(shù)在第10天、第15天、第20天、第40天均大于高、中濃度氮轉(zhuǎn)移系數(shù)的最大值。由此可知，低濃度氮不僅能促進香根草對撲草凈的吸收，同時能促進溶液中撲草凈由根系向莖葉的轉(zhuǎn)移?？赡茉驗榈丶仁窍愀萆L所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，同時也是抑制植物生長的污染物質(zhì)，低濃度氮條件下可能更有利于香根草自身的生長，從而促進香根草體內(nèi)撲草凈的吸收與轉(zhuǎn)移。

表3 撲草凈由香根草根系到莖葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 3 Transfer coefficient of prometryn in root and shoot of V.zizanioides

2.4 不同氮素水平下香根草對撲草凈的去除效率

第40天時，不同氮素水平下香根草對撲草凈的吸收、殘留、去除率見表4。

表4 第40天不同氮水平下香根草對撲草凈的吸收去除效率Table 4 Absorption and removal rate of prometryn under different nitrogen levels at the 40th day

由表4可知，在氮濃度不同的條件下香根草培養(yǎng)至第40天時，撲草凈在溶液中的殘留率最低值為中濃度氮條件下的1.80%，最高值為高濃度氮條件下的1.90%；香根草對撲草凈的吸收率最高為高濃度氮素條件下的7.54%，吸收率最低值為中濃度氮條件下的4.78%；香根草對撲草凈的去除效率表現(xiàn)為中濃度氮條件下的18.07% > 低濃度條件下的16.51% > 高濃度氮條件下的13.11%。由此可知，香根草在中、低濃度氮素水平下修復撲草凈的最終效果更好。

3 結(jié)論與討論

通過此次試驗表明，氮素的存在能出促進香根草根部對單子葉溶液中撲草凈的吸收，高濃度氮素含量下吸收撲草凈效果作為顯著。低濃度氮條件下，撲草凈由根系向莖葉轉(zhuǎn)移效果較好；高濃度條件下對撲草凈從根部向莖葉的轉(zhuǎn)化具有抑制作用；中濃度氮素水平條件下，香根草對撲草凈的去除效率更高；添加氮素能促進香根草對溶液中撲草凈的吸收，在低濃度氮含量的情況下，香根草較中、高氮濃度的生長長勢好。且在pH為7.00 ± 0.02的條件下，通過改變氮的添加濃度對香根草在單子葉營養(yǎng)液中撲草凈的吸收效果分析，培養(yǎng)液pH值在香根草正常生長值內(nèi)，王青青等[26]研究表明：香根草在pH 4.0～9.0條件下，香根草基本可以正常生長。Truong[27]研究表明，在可交換性鹽質(zhì)量分數(shù)高達33%時香根草仍表現(xiàn)正常，在pH值3.8的酸性土壤中，Al3+質(zhì)量分數(shù)高達68%情況下仍能生長 (一般作物Al3+質(zhì)量分數(shù)15%就相當高了[28])，在質(zhì)量分數(shù)含量高的砷、鉛、鎘、鋁等狀況下也能生長正常。香根草對重金屬有較強的耐受能力，其耐受性遵循Zn > Pb > Cu規(guī)律[29]。徐世謙等[30]研究表明，撲草凈作用機制是抑制植物的光合作用，妨礙糖分的形成和淀粉的積累是植物因缺乏養(yǎng)分而死亡。本實驗水溶液中，撲草凈初始濃度為0.5 mg/L，前期隨著香根草中撲草凈的濃度升高，香根草葉中葉綠素值也在減少；反之，香根草中撲草凈濃度降低，其葉中葉綠素的值開始緩慢回升。后期，香根草中撲草凈殘留濃度降低時，即使香根草中撲草凈殘留有微小回升，香根草葉中葉綠素也在增大，但增大幅度較小。說明撲草凈濃度在低于香根草致死濃度下，能抑制香根草光合作用，影響其正常生長。Marcacci等[31]等研究表明，香根草能吸收和轉(zhuǎn)移阿特拉津的極性化合物，產(chǎn)物多數(shù)集中在葉片的頂端，阿特拉津在香根草中與谷胱甘肽結(jié)合失去其自身具有的毒性。阿特拉津和撲草凈均屬于三氮苯類除草劑，化學結(jié)構(gòu)也類似，但二者在香根草中的吸收和代謝機制是否一致還有待進一步的研究證實。廖新弟等[32]研究發(fā)現(xiàn)，香根草對養(yǎng)豬場廢水中N，P元素吸收效果明顯，其對富營養(yǎng)化水體凈化有很好的效果。若不同濃度的N，P素水平對香根草吸收和去除撲草凈無明顯影響，那香根草將是受撲草凈污染和富營養(yǎng)化水體治理的優(yōu)良植物選擇。

綜合分析可知，氮素的存在對香根草自身的生長、對溶液中撲草凈的吸收均有較明顯的影響，但低濃度氮素條件下不僅植株自身的生長長勢好，而且對溶液中撲草凈的吸收和降解效果較好。香根草在耐鹽堿、重金屬修復、農(nóng)藥的吸收與降解方面有待更深層次的研究，氮濃度對撲草凈的影響機理還有待進一步研究。

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