張新帥 鐘偉 湛方棟 何永美 李博 李明銳 楊志新

摘 要：玉米（Zea mays L.）是云南鉛鋅礦周邊農(nóng)田主要的夏季作物。通過大田試驗，研究礦區(qū)周邊農(nóng)田種植的玉米根系低分子量有機酸含量、根際土壤鎘鉛形態(tài)及其鎘鉛累積特征。結(jié)果表明：（1）旺長期玉米根系分泌的主要是檸檬酸、草酸;成熟期玉米根系分泌主要是酒石酸和草酸，草酸分泌量較旺長期顯著增加;（2）玉米根際土壤Cd化學(xué)形態(tài)以可交換態(tài)為主，Pb化學(xué)形態(tài)以鐵錳氧化態(tài)為主，與旺長期相比，成熟期根際土壤有效態(tài)Cd、Pb含量分別下降了21%、44%;（3）與旺長期相比，成熟期植株根、莖、葉Pb含量分別降低了18%、54%、42%，根、莖、葉Cd含量則增加了14%、163%、49%，成熟期植株各部位減少了對Pb的吸收，增加了對Cd的吸收。從積累分布看，成熟期Pb大部分累積在葉和籽粒內(nèi)，Cd大部分累積在葉和莖內(nèi);（4）相關(guān)性分析顯示，玉米根系草酸含量與根際土壤有效態(tài)Cd、交換態(tài)Pb、鐵錳氧化態(tài)Pb含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，且莖Pb、葉Pb含量與根際土壤有效態(tài)Pb含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。因此，玉米可通過根系分泌低分子量有機酸，影響根際土壤重金屬化學(xué)形態(tài)與生物有效性，進而影響植株對重金屬的吸收累積。

關(guān)鍵詞：鎘鉛含量;低分子量有機酸;化學(xué)形態(tài);生物有效性

中圖分類號：X503

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0457（2021）03-0007-08

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.03.002

Characteristics of Low-molecular-weight Organic Acids Secreted by Roots，Cd and Pb Forms and Accumulation Characteristics in Zea mays L.Grown in a Lead-Zinc Mining Area

ZHANG Xinshuai，ZHONG Wei，ZHAN Fangdong，HE Yongmei，LI Bo，LI Mingrui，YANG Zhixin*

（College of Resources and Environmental Sciences，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201，China）

Abstract：

Maize is the main summer crop in the farmland surrounding the lead-zinc mine in Yunnan province.Field experiments were conducted to study the content of the low-molecular-weight organic acid，the form of cadmium （Cd） and plumbum （Pb），and the accumulation characteristics of Cd and Pb in the maize rhizosphere grown in farmland around the mining area.The results showed that：（1） The main secretion of maize roots in the vigorous period was citric acid and oxalic acid; the maize root secretions in the mature period were mainly tartaric acid and oxalic acid，and the secretion of oxalic acid was significantly increased compared with the vigorous period.（2） The chemical form of Cd in the maize rhizosphere soil was mainly exchangeable，and that of Pb was mainly the oxidation state of iron and manganese.Compared with the prosperous period，the available Cd and Pbcontent in the rhizosphere soil of the mature period decreased by 21%and 44%，respectively.（3） Compared with the prosperous period，the Pb content in the roots，stems and leaves of the mature plants decreased by 18%，54% and 42%，while the Cd content in the roots，stems and leaves increased by 14%，163%，and 49%.Various parts of the plant at the mature stage reduced the absorption of Pb and increased the absorption of Cd.From the perspective of accumulation and distribution，most of Pb accumulated in leaves and grains，and most of Cd accumulated in leaves and stems.（4） Correlation analysis showed that the content of oxalic acid in maize root system was significantly or extremely negatively correlated with the content of available Cd，exchanged Pb，and iron-manganese oxidation state Pb in rhizosphere soil，and the content of Pb instem and leaf were effective in rhizosphere soil.The content of state Pb showed a very significant positive correlation.Therefore，maize could secrete low-molecular-weight organic acids through the root system，which affects the chemical form and bioavailability of heavy metals in rhizosphere soil，and then affects the absorption and accumulation of heavy metals by plants.

Keywords：

Cd and Pb content;Low-Molecular-Weight Organic Acid;chemical form;bioavailability

鉛鋅礦作為中國重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，在開采、冶煉過程中會產(chǎn)生大量的尾礦和煙塵，它們通過廢渣滲漏、大氣沉降等作用進入礦區(qū)周邊農(nóng)田，使得農(nóng)田土壤重金屬污染嚴(yán)重[1]。重金屬污染會改變土壤的理化性質(zhì)[2-4]，導(dǎo)致土壤肥力退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，威脅到人們的食品安全[5-6]。云南會澤鉛鋅礦是川滇黔鉛鋅多金屬成礦區(qū)的典型礦床，是開采歷史最悠久的礦區(qū)之一[7]。長期的開采與冶煉使該地區(qū)的環(huán)境污染嚴(yán)重，導(dǎo)致周邊土壤中累積了大量的鎘（Cd）、鉛（Pb）等有毒重金屬[8]。

根際土壤（Rhizosphere Soil）是指植物根系附近受植物根系活動的影響，使土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，在物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)上不同于土體的那部分微域土區(qū)[9]。植物通過增加根際土壤中根系低分子量有機酸（LMWOAs）分泌數(shù)量，顯著改變土壤中重金屬的賦存形態(tài)和生物有效性，進而影響植物對重金屬的吸收累積[10]。作物通過調(diào)節(jié)根系分泌物的組分及含量，如增加低分子量有機酸（如草酸、檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸）的分泌，借助根系分泌物絡(luò)合重金屬離子的作用，改變根際土壤重金屬的形態(tài)，降低根際土壤有效態(tài)重金屬的含量，從而降低重金屬在土壤植物界中的遷移能力，減少重金屬向作物遷移，降低重金屬對植物的毒害作用，并改善土壤環(huán)境質(zhì)量[11-12]。

目前對玉米根系分泌物及根際土壤重金屬含量的變化已有一些研究，主要集中在不同種植模式和添加不同營養(yǎng)物質(zhì)對玉米根系分泌物的影響。大豆、玉米以及馬鈴薯、玉米間作能顯著增加玉米根系分泌總糖含量和總有機酸含量[13];小花南芥和玉米間作下，與單作相比，玉米根系分泌物檢測到乳酸，并且根系分泌的有機酸促進了超累積植物小花南芥累積Pb，減少農(nóng)作物玉米植株體內(nèi)Pb含量[14];與常規(guī)施氮量比較，在施氮量減少的情況下，玉米根系分泌的有機酸含量先增加后減少[15];與單施化肥相比，蚯蚓糞與化肥配施處理能顯著提高玉米根系分泌物含量，同時，配施蚯蚓糞亦顯著提高了玉米根際土壤中低分子有機酸含量[16]。分析玉米單作時根際土壤重金屬在根-土界面的形態(tài)分布，玉米根系分泌低分子量有機酸，以及這些低分子量有機酸對根際土壤中重金屬生物有效性的生態(tài)作用方面有一定的意義。本試驗通過在云南會澤鉛鋅礦周邊種植玉米，研究礦區(qū)生長環(huán)境通過植物根系分泌低分子量有機酸對土壤重金屬的生物有效性以及植物對重金屬吸收的的影響，分析玉米植株對Cd、Pb的累積特征，評估礦區(qū)環(huán)境對玉米生長的影響，為礦區(qū)污染農(nóng)田種植經(jīng)濟作物提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于云南省會澤縣者海鎮(zhèn)瑪色卡村，平均海拔2 130 m，礦區(qū)氣候溫和，年降水量840 mm，屬于溫帶山地半潮濕氣候，有獨特的高原季風(fēng)氣候和豐富的立體氣候特點。試驗區(qū)的土壤類型為高原紅壤，土壤背景值為：pH 6.31，有機質(zhì)含量21.8 g/kg，全氮、全磷、全鉀含量分別為1.54 g/kg、1.75 g/kg、7.44 g/kg，土壤Cd、Pb含量分別為4.59 mg/kg、392.0 mg/kg[8]。

1.2 試驗材料與方法

供試玉米品種為礦區(qū)周邊主栽的品種會單4號。每個小區(qū)面積為（長×寬）5 m×1 m，相鄰小區(qū)間隔50 cm，共15個小區(qū)，行距為30 cm，株距為20 cm。2015年5月30日播種，播種前小區(qū)進行農(nóng)家肥的撒施并翻耕，并施用有機肥作為基肥。

1.3 根際土壤和植株樣品的采集

在旺長期（2015年7月30日）和成熟期（2015年9月5日）采樣。每一個小區(qū)隨機選取6～8株植株，采用抖根法收集根圍0～2 mm范圍內(nèi)根際土壤樣品，將每個小區(qū)的土樣混合均勻，裝入干凈無菌自封袋帶回實驗室。土樣經(jīng)風(fēng)干后磨細(xì)，分別過100目和20目篩孔，保存待測。每個試驗小區(qū)隨機采集3株植物，保存帶回實驗室，將植株地上部和地下部用水清洗干凈，105℃殺青半小時，75℃烘干后，經(jīng)粉碎制備成樣品。

1.4 根系分泌物的提取和測定

植株樣品，先用自來水沖洗，再用蒸餾水清洗根系，洗凈后，將根系放入濃度為5 mg/L的百里酚溶液中浸泡5 min，移至盛有CaCl2溶液（0.5 mol/L）的收集裝置中。該裝置外部用黑色不透光塑料袋包裹，以保證植物根部避光。自然光照條件下，靜置2 h，收集植物根系分泌物。植物根系取出后，用0.45 μm濾膜過濾收集液，去除根系的脫落物。收集液于40℃條件下，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至3 mL，用于測定草酸、酒石酸、檸檬酸的含量[10]，測定采用HPLC法。

1.5 重金屬含量的測定方法

參照Tisser逐步提取法浸提土壤不同形態(tài)[10]，植株鎘鉛用HNO3-H2O2法消解，土壤鎘鉛用HNO3-HClO4法消解，DTPA溶液浸堤土壤鎘鉛有效態(tài)，火焰原子吸收分光光度計測定鎘鉛含量。

1.6 統(tǒng)計分析及作圖

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，Origin作圖，SPSS 22.0進行相關(guān)性分析，LSD法檢驗各處理平均值在0.05和0.01水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長期玉米根系低分子量有機酸種類和含量的變化

由圖1可知，旺長期，根系分泌檸檬酸含量比草酸含量高，根系分泌草酸和檸檬酸含量分別在0.56～1.99 mg/g、2.22～12.75 mg/g范圍內(nèi)，變異系數(shù)分別為40%、45%;成熟期，在根系分泌物中檢測到草酸和酒石酸，含量分別在1.77～3.29 mg/g、0.49～1.01 mg/g范圍內(nèi)，變異系數(shù)分別為18%、26%，根系分泌草酸含量比旺長期增加135%。表明旺長期和成熟期根系低分子量有機酸種類和含量不同。

2.2 玉米根際土壤Cd、Pb形態(tài)與有效性

由圖2可知，玉米根際土壤Pb形態(tài)中，有機物結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)的濃度范圍分別為26.98～57.55 mg/kg、125.45～264.73 mg/kg、28.55～51.38 mg/kg、10.15～35.83 mg/kg;變異系數(shù)分別為23%、26%、19%、36%。玉米根際土壤Cd形態(tài)中，有機物結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)的濃度范圍分別是0.16～0.46 mg/kg、0.38～1.46 mg/kg、0.38～1.32 mg/kg、1.08～2.18 mg/kg;變異系數(shù)分別為35%、41%、37%、27%。

由圖3可知，玉米根際土壤Pb形態(tài)中，鐵錳氧化態(tài)與其他三種形態(tài)之間存在顯著差異，根際土壤Cd形態(tài)中，鐵錳氧化態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)和可交換態(tài)之間存在顯著差異。根際土壤Pb形態(tài)中，鐵錳氧化態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>有機物結(jié)合態(tài)>可交換態(tài)，分別占總Pb含量的65%、14%、13%、8%。根際土壤Cd形態(tài)中，可交換態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>鐵錳氧化態(tài)>有機物結(jié)合態(tài)，分別占總Cd含量的44%、25%、23%、8%。根際土壤各形態(tài)中Pb以鐵錳氧化態(tài)為主，Cd以可交換態(tài)為主。

由圖4可知，旺長期根際土壤有效態(tài)Pb、Cd的濃度范圍分別是21.28～42.39 mg/kg、0.21～0.49 mg/kg;變異系數(shù)分別是21%、25%。成熟期根際土壤有效態(tài)Pb、Cd的濃度范圍是11.00～30.84 mg/kg、0.21～0.54 mg/kg;變異系數(shù)分別是30%、29%。表明玉米生長的不同時期根際土壤有效態(tài)Pb、Cd含量不同，均為旺長期>成熟期，有效態(tài)Pb、Cd含量分別下降44%、21%。

2.3 玉米植株生物量、Cd、Pb含量、與累積量

從圖5可以看出，旺長期玉米根、莖、葉生物量分別在3.68～8.35 g/株、34.43～54.44 g/株、18.19～33.72 g/株范圍內(nèi)，變異系數(shù)分別為25%、12%、16%;成熟期玉米根、莖、葉、籽粒生物量分別在5.68～8.69 g/株、36.115～72.78 g/株、41.88～64.84 g/株、142.06～191.90 g/株范圍內(nèi)，變異系數(shù)分別為15%、21%、15%、10%。旺長期玉米各部位生物量表現(xiàn)為莖>葉>根;成熟期則表現(xiàn)為籽粒>莖>葉>根，成熟期根生物量變化較小，莖葉生物量變化較大。表明與旺長期相比，成熟期植株生物量顯著增加。

由圖6中（A）和（B）可知，旺長期玉米植株各部位Pb、Cd濃度范圍分別為根51.2～79.4 mg/kg、1.02～2.25 mg/kg，莖8.9～20 mg/kg、0.48～0.99 mg/kg，葉44.4～59 mg/kg、1.05～2.67 mg/kg;Pb、Cd變異系數(shù)分別是根13%、23%，莖26%、21%，葉8%、28%。玉米植株P(guān)b、Cd含量均為根>葉>莖。根、莖、葉分別占總Cd的：43%、17%、39%，總Pb的：49%、11%、40%。表明旺長期根部Cd、Pb含量最高。

由圖6中（C）和（D）可知，成熟期玉米植株各部位Pb、Cd濃度范圍分別為根31.8～70.45 mg/kg、1.47～2.6 mg/kg，莖4.5～7.95 mg/kg、1.02～2.66 mg/kg，葉21～42.7 mg/kg、1.77～2.97 mg/kg，籽粒4.73～9.8 mg/kg、0.99～0.26 mg/kg;Pb、Cd變異系數(shù)分別是根21%、17%，莖20%、28%，葉19%、16%，籽粒24%、36%。玉米植株P(guān)b含量為根>葉>籽粒>莖，Cd含量為葉>根>莖>籽粒，根、莖、葉、籽粒分別占總Cd的：32%、29%、38%、2%，Pb：54%、6%、31%、8%。與旺長期相比，成熟期植株根、莖、葉Pb含量分別降低18%、54%、42%，根、莖、葉Cd含量則增加14%、163%、49%。表明成熟期植株各部位對Pb的吸收減少，對Cd的吸收增加。

由圖7中（A）和（B）可知，旺長期玉米植株各部位Pb、Cd累積量范圍分別為根0.19～0.52 μg/株、0.004～0.018 μg/株，莖0.36～0.88 μg/株、0.022～0.043 μg/株，葉0.81～1.73 μg/株、0.029～0.065 μg/株;變異系數(shù)分別為根27%、36%，莖29%、22%，葉19%、27%。玉米植株Cd、Pb累積量均為葉>莖>根。

由圖7中（C）和（D）可知，成熟期玉米植株各部位Pb、Cd累積量范圍分別為根0.23～0.46 μg/株、0.01～0.021 μg/株，莖0.21～0.58 μg/株、0.049～0.139 μg/株，葉0.98～1.86 μg/株、0.075～0.193 μg/株，籽粒0.85～1.64 μg/株、0.016～0.036 μg/株;變異系數(shù)分別為根19%、24%，莖30%、24%，葉23%、27%，籽粒23%、28%。與旺長期相比，玉米根、莖、葉Cd累積量分別增加25%、219%、183%，根、莖Pb累積量分別降低11%、43%。玉米植株P(guān)b累積量為葉>籽粒>根>莖，Cd累積量為葉>莖>籽粒>根。表明與旺長期相比，玉米植株Cd累積量增加，Pb累積量降低，Pb大部分累積在葉和籽粒內(nèi)，Cd大部分累積在葉和莖內(nèi)。

2.4 玉米根系低分子量有機酸、Cd、Pb形態(tài)和植株Cd、Pb含量間的相關(guān)性分析

相關(guān)分析表明（見表1），玉米根系草酸含量與根際土壤有效態(tài)Cd（r=-0.608，P<0.05，n=12）、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Pb含量（r=-0.706，P<0.05，n=12）呈顯著負(fù)相關(guān)，與可交換態(tài)Pb含量（r=-0.768，P<0.01，n=12）呈極顯著負(fù)相關(guān);而根際酒石酸含量與Cd、Pb各形態(tài)含量均無相關(guān)性。

玉米植株各部位Cd含量與根際土壤Cd不同形態(tài)之間均無相關(guān)性，根際土壤有效態(tài)Pb含量與植株莖Pb含量（r=0.780，P<0.01，n=12）、葉Pb含量（r=0.719，P<0.01，n=12）呈極顯著正相關(guān)（見表2，表3）。

3 結(jié)論與討論

根系分泌物是指植物生長過程中根系不同部位向生長介質(zhì)中分泌或釋放的有機物質(zhì)的總稱，根系分泌物中不同有機化合物特別是低分子量有機酸能與土壤中的毒害重金屬離子發(fā)生反應(yīng)（螯合作用或絡(luò)合作用），形成毒性較小的化合物，減輕有毒離子對植物的毒害作用，提高植物對重金屬的脅迫能力，改善根際土壤生態(tài)環(huán)境[17-18]。

本研究中，玉米根系分泌草酸減少植株對Pb的吸收。

根際土壤Cd、Pb的遷移、轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分吸收通常受到植物根系分泌物中低分子量有機酸的影響，低分子量有機酸對土壤中重金屬離子的可溶性和有效性起著重要的調(diào)節(jié)作用，因此，不同植物通過向生存環(huán)境中釋放不同的根系分泌物來適應(yīng)和改善其生長環(huán)境[19-20]，進而影響植株的耐受能力和Cd、Pb累積能力。有研究表明，重金屬Pb脅迫下，根系分泌的低分子量有機酸含量增加，顯著增加土壤中Pb的生物有效性，使植物對Pb的累積量增加[21]。但本研究表明Pb脅迫下，玉米根系分泌草酸顯著增加，草酸與根際土壤交換態(tài)Pb含量極顯著負(fù)相關(guān)，與鐵錳氧化態(tài)Pb含量顯著負(fù)相關(guān)，而可交換態(tài)有很高的生物有效性，鐵錳氧化態(tài)不易被直接吸收，但可在一定氧化還原條件下向可交換態(tài)轉(zhuǎn)變，由此可知，玉米根系分泌草酸減少根際土壤Pb向交換態(tài)和鐵錳氧化態(tài)轉(zhuǎn)化，從而減少Pb的生物有效性，進而減少玉米對Pb的吸收累積。

本研究中，玉米根系草酸增加植株對Cd的吸收。

有機酸本質(zhì)是至少含有一個羧基基團的碳?xì)溲跤袡C化合物，易與土壤溶液中的Cd離子產(chǎn)生交互作用，使土壤—植物系統(tǒng)中的Cd轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿有浴⒖缮锢眯暂^強的可交換態(tài)，對土壤中Cd的理化性質(zhì)產(chǎn)生重大影響，從而使得土壤溶液中的Cd離子濃度降低，且在促進土壤中Cd向有效態(tài)（可生物利用性）轉(zhuǎn)變過程中草酸的作用最明顯[22]。本試驗中草酸與根際土壤有效態(tài)Cd含量顯著負(fù)相關(guān)，由此可知，草酸分泌增加，抑制土壤Cd向有效態(tài)的轉(zhuǎn)化，促進土壤Cd向可交換形態(tài)的轉(zhuǎn)變，進一步增加玉米對Cd的吸收累積。與旺長期相比，成熟期玉米植株對Pb的吸收量減少，對Cd的吸收量增加，可能是在重金屬脅迫下，根系分泌低分子量有機酸的含量和種類發(fā)生變化，影響土壤中有效態(tài)Cd、Pb的含量以及有機酸的礦化，進而影響Cd、Pb在植物中的累積。

本研究中，玉米根、莖、葉、籽粒Cd含量與根際土壤可交換態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量均無相關(guān)性，玉米莖、葉Pb與根際土壤有效態(tài)Pb含量呈顯著正相關(guān)，其他部位與土壤Pb各形態(tài)無相關(guān)性。有研究表明，玉米莖、葉和根部Pb含量與土壤Pb各形態(tài)含量相關(guān)性均較好[10];油菜地下部鉛含量與根際有效態(tài)鉛含量呈極顯著和顯著正相關(guān)，油菜地上部鎘累積量與根際有效態(tài)鎘含量呈顯著負(fù)相關(guān)[23]。這可能與土壤理化性質(zhì)、作物品種、農(nóng)業(yè)耕作方式、管理條件等試驗條件有關(guān)，改變植株體內(nèi)重金屬含量與根際土壤重金屬形態(tài)之間的關(guān)系，增加或降低根際土壤Cd、Pb的生物有效性，從而影響植物對Cd、Pb的吸收積累。

玉米可通過根系分泌草酸，影響根際土壤鎘鉛化學(xué)形態(tài)與生物有效性，使根際土壤中Cd向可交換態(tài)，Pb向鐵錳氧化態(tài)轉(zhuǎn)變，進而影響玉米植株對Cd、Pb的吸收累積，成熟期植株各部位減少對Pb的吸收，增加對Cd的吸收，Cd、Pb主要累積在植株葉內(nèi)。

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