刀靜梅 ，王思媱 ，鄧軍 ，高欣欣 ，李復(fù)琴 ，張躍彬 ，馬娟 ，樊仙 ，李如丹 ，楊紹林

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南開(kāi)遠(yuǎn) 661699；2.紅河學(xué)院，云南蒙自 661100）

0 引言

目前由于工業(yè)“三廢”和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的排放，污水灌溉和農(nóng)藥、除草劑、化肥等的使用以及礦業(yè)的發(fā)展，使土壤、水質(zhì)和大氣造成了不同程度的污染。其中重金屬具有富集性，很難在環(huán)境中降解，特別在重金屬的開(kāi)采、冶煉、加工過(guò)程中，不少重金屬如鉛、汞、鎘等進(jìn)入大氣、水和土壤，造成環(huán)境污染。陳俊任等[1]研究發(fā)現(xiàn)毛竹林對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的耐性，這些對(duì)重金屬耐性高的植物可用來(lái)修復(fù)被重金屬污染的土壤。

甘蔗是我國(guó)南部地區(qū)重要的糖料作物，其單位面積的生物產(chǎn)量顯著高于其他經(jīng)濟(jì)作物，具有潛力開(kāi)發(fā)成能源物質(zhì)[2]。高生物量能源植物是世界公認(rèn)可再生的生物能源，利用能源甘蔗可生產(chǎn)綠色能源燃料乙醇[3]。研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗耐銅（Cu）、鎘（Cd）、硒（Se）等脅迫的能力強(qiáng)，是一種修復(fù)土壤很有潛力的作物[4]。利用甘蔗對(duì)重金屬的耐性，在污染的土地上種植能源甘蔗，收獲的甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇，為高效利用污染土壤探索新模式。為了解甘蔗對(duì)重金屬鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）的積累特征和耐性，通過(guò)盆栽分別進(jìn)行重金屬不同濃度的脅迫試驗(yàn)，研究不同濃度重金屬在甘蔗內(nèi)的富集程度，對(duì)治理污染土壤和開(kāi)發(fā)能源甘蔗具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

甘蔗品種為新臺(tái)糖22號(hào)，試驗(yàn)在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所第一科研基地進(jìn)行，土壤為云南山地紅壤，種植時(shí)取土壤檢測(cè)重金屬鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）含量分別為 0.21 mg/kg、20 mg/kg、493 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

2017年1月20日進(jìn)行盆栽，每盆裝風(fēng)干土壤7 kg，種2個(gè)甘蔗單芽，澆透水后蓋膜。5月進(jìn)行重金屬脅迫。鉛（Pb）采用Pb(NO3)2添加，鎘 （Cd）采用Cd(Cl)2·2H2O添加，鉻 （Cr）采用Na2Cr2O7·2H2O添加；3種重金屬都設(shè)為4個(gè)處理，4次重復(fù) （詳見(jiàn)表1）。分別將所需濃度的Pb(NO3)2、Cd(Cl)2·2H2O和Na2Cr2O7·2H2O溶解在水中，1 L等量澆于每盆中為一次脅迫澆灌，為防止污染物淋溶滲漏損失，在盆下放置塑料托盤(pán)并將滲漏液倒回盆中。表1中，Cd與Pb濃度設(shè)計(jì)參考曾巧英等[5]、程文偉[6]的研究：甘蔗能在Cd、Pb濃度高達(dá)1 000 mg/kg中的土壤中存活；而Cr濃度設(shè)計(jì)未找到相應(yīng)的文獻(xiàn)，故在開(kāi)始濃度設(shè)計(jì)時(shí)其濃度設(shè)計(jì)與鉛、鎘的濃度設(shè)計(jì)一致（即0、250、500、1 000 mg/kg），但在進(jìn)行甘蔗盆栽種植試驗(yàn)時(shí)，鉻濃度處理過(guò)的盆栽均未成活，這可能是由于鉻的澆灌濃度超過(guò)甘蔗的耐受范圍，因此重新進(jìn)行濃度試驗(yàn)設(shè)計(jì)，故表1中Cr濃度梯度設(shè)計(jì)是經(jīng)盆栽試驗(yàn)得到的。

表1 土壤重金屬處理濃度(mg/kg)Table 1 Soil heavy metal concentration

1.3 樣品處理與檢測(cè)

甘蔗在伸長(zhǎng)期（8月和9月）采樣，分地上部和地下部取回，樣品在105℃條件下殺青1 h，85℃烘干至恒重、粉碎待檢測(cè)。樣品前處理用濕法消解，準(zhǔn)確地稱(chēng)取樣品0.2 g（精確到0.01 mg）于聚乙烯消化管中，加入9 mL進(jìn)口硝酸和1 mL高氯酸，在可調(diào)式電熱爐上消解，80℃加熱保持1 h，升溫至120℃，待消化液呈棕黑色，再繼續(xù)加4.5 mL分析純硝酸和0.5 mL高氯酸，消解冒白煙，直至消化液呈無(wú)色透明或略帶黃色為止，取出消化管冷卻后用水洗至25 mL比色管中定容至刻度，同時(shí)做試劑空白試驗(yàn)，待測(cè)液用美國(guó)熱電原子吸收光譜儀（型號(hào)：ICE-3500）石墨爐法測(cè)定重金屬含量，所用試劑均為優(yōu)級(jí)純[7-11]。

數(shù)據(jù)整理采用Excel 2010，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0的單因素方差分析和獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 甘蔗中鎘（Cd)的積累情況

通過(guò)對(duì)盆栽甘蔗添加不同濃度鎘（Cd）0、250、500、1 000 mg/kg水溶液進(jìn)行澆灌，試驗(yàn)結(jié)果表明（表2），在甘蔗伸長(zhǎng)期，地上部和地下部的Cd積累量會(huì)隨濃度增加而增加，但不同濃度間并不是都有顯著差異的。同時(shí)，地下部富集比地上部更多，且這種差異隨著濃度的增加而增大。當(dāng)試驗(yàn)澆灌溶液最高濃度達(dá)1 000 mg/kg時(shí)，8月份甘蔗的地上部Cd含量為44.750 mg/kg，地下部分為299.250 mg/kg；9月份甘蔗地上部鎘含量為94.000 mg/kg，地下部的為803.500 mg/kg，由此可看出，在伸長(zhǎng)期一定時(shí)間段內(nèi)重金屬Cd富集量還會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而增加，但這樣的增加當(dāng)達(dá)到植物耐受量時(shí)，可能就會(huì)出現(xiàn)增加趨勢(shì)減緩的現(xiàn)象。另外在相同濃度下地上部與地下部的差異，除對(duì)照組沒(méi)有顯著差異，其余處理均表現(xiàn)出甘蔗地下部Cd累積量顯著（P≤0.05）或極顯著（P≤0.01）高于地上部的積累量。

表2 不同的鎘濃度處理甘蔗不同部位的鎘累積情況Table 2 Cadmium accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous cadmium concentrations

2.2 甘蔗中鉛（Pb）的積累情況

通過(guò)對(duì)盆栽甘蔗添加不同濃度的鉛（Pb）0、250、500、1 000 mg/kg進(jìn)行澆灌，試驗(yàn)結(jié)果表明（表3），甘蔗在伸長(zhǎng)期時(shí)甘蔗地上部和地下部Pb含量都是隨澆灌濃度增加而增加，且地下部比地上部富集重金屬量大。隨著濃度的升高，地上部與地下部的Pb積累量差異在不斷的增大，但Pb在地上和地下部的積累量濃度在250 mg/kg和500 mg/kg間多數(shù)差異不明顯。除對(duì)照外，當(dāng)Pb濃度相同時(shí)，甘蔗地下部的Pb積累量顯著 （P≤0.05）或極顯著（P≤0.01）高于地上部的。而且與Cd相似，在甘蔗伸長(zhǎng)期內(nèi)，Pb的積累量會(huì)隨著甘蔗的生長(zhǎng)而增加。

表3 不同的鉛濃度處理甘蔗不同部位的鉛累積情況Table 3 Lead accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous lead concentrations

2.3 甘蔗中鉻（Cr）的積累情況

通過(guò)對(duì)盆栽甘蔗添加不同濃度的鉻（Cr）0、50、100、150 mg/kg進(jìn)行澆灌，試驗(yàn)結(jié)果表明（表4），甘蔗在伸長(zhǎng)期時(shí)甘蔗地上部和地下部Cr含量都是隨澆灌濃度增加而增加，且地下部比地上部富集重金屬量大。隨著濃度的增加地上部與地下部Cr積累量差異越明顯，當(dāng)達(dá)到最高澆灌濃度時(shí)，甘蔗中鉻Cr的累積量，地上部積累量，8月份的為94.325 mg/kg，9月份的為138.625 mg/kg；地下部積累量，8月份為4 148.750 mg/kg，9月份為10 282.750 mg/kg，由此可知Cr積累量與Pd、Cd相似，在甘蔗的伸長(zhǎng)期內(nèi)，均會(huì)隨著甘蔗的生長(zhǎng)而增加。Cr積累量對(duì)照組與其他組均表現(xiàn)出地下部顯著（P≤0.05）或極顯著（P≤0.01）高于地上部。

表4 不同的鉻濃度處理甘蔗不同部位的鉻累積情況Table 4 Chromium accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous chromium concentrations

3 討論

經(jīng)過(guò)甘蔗盆栽試驗(yàn)，在最高澆灌濃度時(shí)（9月），甘蔗地下部的重金屬積累量，Cd的為803.500 mg/kg，Pb的為686.500 mg/kg，而Cr含量高達(dá)10 282.750 mg/kg。此外，Cd、Pb、Cr的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（地上部重金屬含量/地下部重金屬含量）分別為0.117、0.291、0.013，可看出甘蔗對(duì)Cr的耐受能力最強(qiáng)，向地上轉(zhuǎn)移能力最弱。在甘蔗生長(zhǎng)期內(nèi)，重金屬的積累量會(huì)隨著甘蔗的伸長(zhǎng)而增加，這種增加趨勢(shì)不是線(xiàn)性的，它可能會(huì)在甘蔗伸長(zhǎng)的中后期表現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，這可能與甘蔗的一些自我保護(hù)機(jī)制或生理反應(yīng)有關(guān)（這只是推理，沒(méi)有數(shù)據(jù)支撐，不過(guò)在后期可能會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于重金屬積累量與甘蔗生長(zhǎng)、發(fā)育變化之間影響的相關(guān)研究）。

甘蔗在重金屬脅迫下地上、地下部重金屬累積分布存在較大差異，甘蔗伸長(zhǎng)期地上、地下部的重金屬積累量隨著重金屬澆灌濃度的增加而增大，也會(huì)隨著甘蔗的生長(zhǎng)而增大，同時(shí)甘蔗重金屬積累量地下部顯著高于地上部。由此可以看出甘蔗重金屬大部累積于根部，少數(shù)部分累積于甘蔗的莖、葉，其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)＜1[12]，據(jù)學(xué)者們認(rèn)為“作物地上部分的重金屬積累量較低是低積累作物品種最重要的特征”[13]，可推斷出甘蔗屬于重金屬低積累作物。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土壤重金屬污染嚴(yán)重，使可用耕地面積減少，糧食作物減產(chǎn)[13]，不僅如此，食物重金屬超標(biāo)嚴(yán)重威脅人類(lèi)的健康。因此尋找對(duì)重金屬耐性高，且為低積累作物對(duì)中輕度重金屬污染的土壤重新利用具有重要的意義。近年，人們關(guān)于低積累的作物，如豆科、水稻[14]、蔬菜[15-16]的品種篩選研究目的，也是為了增加食品的安全性和提高我國(guó)因重金屬污染而荒廢土地的利用率。