氯离子对玉米累积镉的影响

王吉秀，王丹丹，祖艳群，李 元，秦 丽

(云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201)

重金属污染土壤已成为当前环境污染所面临的重要环境问题之一。我国耕地受镉、砷、铅等重金属污染问题已严重影响着农业生产的可持续发展［1］。镉不是作物生长所必需的元素。由于镉的移动性较强，极易从土壤进入到作物体内，通过食物链危害人体的健康［2］。目前，由于镉污染事件的频繁出现，针对镉污染土壤的治理方法已引起国内外相关部门的高度重视，例如工程修复法［3］、生物修复法［4-5］、化学法［6］、农业生态修复法［7］，其中利用农艺措施处理(施用石灰、有机肥等)［8］中轻度镉污染的土壤是一种既产生经济效益，又能恢复生态系统的有效途径［9］。

氯离子(Cl-)是植物生长发育必需的矿质营养元素。在土壤受重金属污染条件下，Cl-能与土壤中金属离子产生络合反应。土壤络合作用抑制镉在作物体内的生物学效应［10］。有研究表明，水培试验下Cl-浓度的增加明显抑制水稻(Oryza sativa)、油菜(Brassica campestris)［11］和大麦(Hordeum vulgare)［12］地上部和根部对镉的吸收;美国中部的向日葵(Helianthus annuus)试验［13］和奥地利的小麦(Triticum aestivum)［14］试验表明，Cl-具有促进植物对Cd的吸收作用。

玉米对镉离子的摄取主要是通过根系从土壤中吸收。镉存在的形态对于镉在土壤-玉米体内的迁移转化起到关键性作用。利用Cd处理胁迫下加入不同浓度Cl-，笔者研究了Cd与Cl-在土壤-玉米体内的络合作用，通过盆栽试验，探讨镉胁迫下Cl-对玉米生长及体内累积镉毒害效应的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料 供试玉米(Zea mays)种子选取当地大面积推广种植的云瑞47号品种。供试土壤为云南农业大学农场的玉米土，土壤类型为红壤土。土壤的基本理化性质为:全镉(0.12±0.52)mg/kg，氯(152.32 ±10.52)mg/kg，有效磷(105.47±8.37)mg/kg，速效钾(83.26 ±3.36)mg/kg，碱解氮(68.42±5.64)mg/kg，有机质(68.10±9.20)g/kg，pH 5.09±0.76。

1.2 试验设计 试验于2012年7月在云南农业大学试验农场的大棚里进行，向采集的土壤中加入Cd(NO3)2(以Cd2+含量计20 mg/kg)，每盆装土3 kg，即土镉总量为60 mg。每盆每千克土壤中加入氯化钙(以Cl-含量计)，依次是0、100、200、400、800、1 200、1 600、2 400、3 200 mg，分别以 CK、C1 ～C8表示。每盆种植2穴，每穴1粒玉米种子，每个处理种植3盆平行，共种植27盆，然后随机排列在大棚中，进行日常的田间管理。当土壤含水量为田间持水量50%左右时，即浇自来水至田间持水量100%。培养2个月后，在玉米收获期取植物样品，测定物理性状和生物量，玉米生物量按地上部分和地下部分采集，用自来水冲洗根部泥土，然后用去离子水漂洗3次，样品分别放入干燥箱中烘干，研磨。同时，采集每盆相应的根际土壤样品，每盆用四分法采集约0.5 kg土样，实验室自然风干后进行研磨，分别通过孔径为2.00和0.25 mm的尼龙筛，贮备以测定Cl-和镉含量。

1.3 测定项目与方法 玉米的物理性状指标包括株高、根长和地下部分、地上部分的干重。株高和根长采用直尺法测定;玉米干重采用烘干称重法，105℃杀青30 min，70℃恒温烘20 h以上，直至恒重。

用王水-高氯酸消解土壤，用HNO3-HClO4消解植株样品，冷却后过滤，用原子吸收分光光度法(北京，普析通用TAS990原子吸收分光光度计)测定Cd含量。采用硝酸银滴定法，测定土壤和植株样品中Cl-含量。

重金属转移系数=植物地上部重金属含量/地下部重金属含量×100%

1.4 数据统计分析方法 研究结果为3次重复的平均值。数据统计采用Excel2000软件进行分析，差异显著性分析采用Duncan＇s新复极差法多重比较(DPS软件)。

2 结果与分析

2.1 玉米数量性状和生物量 在整个盆栽培养试验中，当添加的Cd+浓度一致而Cl-浓度不同时，玉米生长过程中的数量性状和生物量差异显著，当Cl-浓度达到1 600 mg/kg时玉米植株发生枯萎、叶片的颜色不一致等现象。由表1可知，当添加的Cl-浓度为200 mg/kg时，玉米株高、根长与对照相比分别增加了21.39%、56.31%，地上部和地下部的生物量与对照相比分别增加了79.99%、241%;当Cl-浓度超过1 600 mg/kg时，株高、根长及地上部和地下部生物量显著下降，与 Cl-浓度为200 mg/kg时比较，最大分别下降为58.28%、74.39%、85.57%和96.78%。随着Cl-浓度的增加，玉米的数量性状和生物量都受到不同程度的影响，当Cl-浓度最大为3200 mg/kg时，玉米生长缓慢，畸形，呈扭曲状，叶尖和叶子边缘呈红褐色焦灼状，但并未出现死亡现象。

2.2 玉米吸收Cd含量 由表2可知，不同浓度Cl-对玉米吸收Cd有显著的差异性，玉米地下部和地上部吸收Cd含量并不随着Cl-浓度的增加而受到抑制，当土壤中加入Cl-浓度为200 mg/kg时，采集的根际土壤中总镉含量最高达到46.46 mg/kg;相反，玉米地下部和地上部含量最低分别达到23.31和7.11 mg/kg，对应的转移系数为0.31，相对最大转移系数0.76，下降了59.2%。这说明只有加入Cl-浓度与土壤中镉含量在一定范围内，Cl-对玉米吸收累积镉才产生抑制作用。

表2 不同浓度Cl-对玉米吸收Cd含量的影响

2.3 玉米地下部分和地上部分累积Cl-含量 由表3可知，在镉胁迫下，土壤中Cl-含量处理不同，玉米地下部分和地上部分累积Cl-含量存在显著差异。当氯处理浓度为0～1 200 mg/kg时，玉米地下部分累积氯含量差异不显著，氯含量范围为0.72% ～1.92%，平均值为1.27，氯处理浓度为3 200 mg/kg时，地下部氯含量为5.49%;当氯处理浓度为200～400 mg/kg时，玉米地上部含量最低为0.04%，氯处理浓度大于1 600 mg/kg时，玉米含氯量平均为3.16%，差异不显著。从氯的转移系数看，土壤中氯浓度为200 mg/kg时最低为0.05，氯处理浓度为1 600 mg/kg时转移系数最高为1.18。

表3 Cd胁迫下玉米累积Cl-含量的影响

2.4 玉米地下部分和地上部分累积Cd与Cl-含量的相关性分析 由表4可知，在盆栽条件下，玉米地下部分吸收镉含量与氯含量相关系数达到0.893，接近0.9。这说明Cl-的存在影响玉米根部对镉的吸收累积。玉米地上部分Cd含量与Cl-含量相关系数为0.673，说明两者间的相互影响不显著。

表4 玉米中Cd含量(X)与Cl-含量(y)的相关性分析

3 结论与讨论

氯是植物必需的微量元素之一，在植物体内有多种生理功能，不仅影响植物的生长发育，而且参与并促进植物的光合作用，维持细胞渗透压，保持细胞内电荷的平衡。但是，氯离子浓度对作物有一定的适应范围，超过某一值时将对作物产生不利影响。金安世等［15］研究表明，玉米属于耐氯植物，氯对玉米的安全值＜400 mg/kg，临界值＜800 mg/kg，毒害值＞2 000 mg/kg，致死浓度为3 200 mg/kg。该试验在镉胁迫下，当添加的Cl-浓度为200 mg/kg时，玉米株高、根长与对照相比分别增加了21.39%、56.31%，地上部和地下部的生物量与对照相比分别增加了79.99%、241.00%;当添加Cl-浓度至3 200 mg/kg时，玉米的生长受到抑制，株高、根长和地上部及地下部生物量都显著下降，但玉米植株没有死亡。这表明重金属Cd在土壤溶液中与Cl-形成稳定的配合物，不仅影响玉米对Cl-的吸收，而且在一定程度上影响Cl-在玉米体内的转移，减轻Cl-对玉米生长发育的毒害。

重金属镉从土壤迁移累积到作物体内的含量，不仅取决于它们的存在形态，更重要的是取决于它们在土壤中的生物有效性。镉的生物有效性受土壤类型、土壤性质、生物类型、重金属的复合作用和根际环境的影响［16］。已有研究表明，在水培条件下，Cl-与自由离子状态的Cd会形成难以被植物吸收的络合物，随着Cl-添加浓度的增加，营养液中自由Cd离子的浓度降低，水稻吸收 Cd 的量减少［11］;Cabrera 等［12］研究也发现，Cl-能降低大麦对Cd的吸收，但是当介质中加入腐殖酸后，Cl-会促进大麦对Cd的吸收，加入腐殖酸后Cl-与Cd形成的络合物不稳定，自由Cd离子在溶液中的浓度增加，从而促进大麦对Cd的吸收转移。这说明Cl-对植物吸收Cd的生物学效应与溶液中的离子性质有关。在盆栽条件下研究结果表明，玉米地上部和地下部累积镉的含量从30.47和20.57 mg/kg下降到22.50和7.11 mg/kg，累积氯离子含量从1.24和1.23 mg/kg下降到0.72和0.04 mg/kg，土壤中氯浓度为200 mg/kg时转移系数最低为0.05，氯处理浓度为1 600 mg/kg时转移系数最高为1.18。不同浓度Cl-处理玉米吸收累积Cd含量的差异较显著。

与营养液培养条件不同，土壤颗粒、有机质、pH等对Cd的吸附、解吸等交叉影响，所以植物对Cd吸收的条件和过程更加复杂多样。在土壤中，阴离子对镉的配合作用可以提高土壤溶液中自由镉浓度，即增加镉的生物有效性的作用。玉米地下部体内氯离子与镉含量的相关系数达到0.893(P＜0.05)，玉米地上部体内氯离子与镉含量不存在相关关系。甲卡拉铁等［17］研究表明，NH4Cl处理土壤pH显著下降0.68个单位，土壤有效态镉比对照增加82.1%，促进Cd从水稻秸秆向籽粒的转移。蒋先军等［18］研究表明，与水相比，用NH4NO3和EDTA提取Cd浓度分别增加40、400倍以上。在土培试验条件下，一定浓度范围的Cl-与镉的配合作用可以降低玉米对镉的吸收。

［1］冉烈，李会合.土壤镉污染现状及危害研究进展［J］.重庆文理学院学报:自然科学版，2011，30(4):69-73.

［2］JI P H，SUN T H，SONG Y F，et al.Strategies for enhancing the phytoremediation of cadmiumcontaminated agricultural soils by Solanum nigrum L［J］.Environmental Pollution，2011，159:762-768.

［3］李光德，张中文，敬佩，等.茶皂素对潮土重金属污染的淋洗修复作用［J］.农业工程学报，2009，25(10):231-235.

［4］周小勇，仇荣亮，胡鹏杰，等.表面活性剂对长柔毛委陵菜修复重金属污染的促进作用［J］.生态学报，2009，29(1):283-290.

［5］孟佑婷，袁兴中，曾光明，等.生物表面活性剂修复重金属污染研究进展［J］.生态学杂志，2005，24(6):677-680.

［6］刘坤，李光德，张中文，等.EDTA及低分子量有机酸对土壤Cd活性的影响研究［J］.农业环境科学学报，2008，27(3):894-897.

［7］CANG L，WANG Q Y，ZHOU D M，et al.Effects of electrokinetic-assisted phytoremediation of a multiplemetal contaminated soil on soil metal bioavailability anduptake by Indian mustard［J］.Separation and Purification Technology，2011，79:246-253.

［8］BINGHAM F T，SPOSITO G，STRONG J E.The effect of chloride on the availability of cadmium［J］.J Environ Qual，1984，13:71-74.

［9］彭红云，杨肖娥.矿产与粮食复合主产区土壤污染的生物修复与生态重建对策［J］.科技导报，2006，24(3):25-28.

［10］BINGHAM F T，SPOSITO G，STRONG J E.The effect of chloride on the availability of cadmium［J］.J Environ QUAL，1984，13:71-74.

［11］王芳，郑瑞伦，何刃，等.氯离子和乙二胺四乙酸对镉的植物有效性的影响［J］.应用生态学报，2006，17(10):1953-1957.

［12］CABRERA D，YONG S D，ROWELL D L.The toxicity of cadmium to barley plants as affected by complex formation with humic acid［J］.Plant Soil，1988，105:195-204.

［13］LI Y M，CHANCY R L，SCHNEITER A A.Effect of soil chloride level on cadmium concentration in sunflower kernels［J］.Plant Soil，1994，167:275-280.

［14］WENZEL W W.Effects of soil properties and cultivar on cadmium accumulation in wheat grain［J］.Z P Flanzenen Bodenk，1996，159:609-614.

［15］ABRAMOVITCH R A，LIN C Q，HICKS E，et al.In situ remediation of soils contaminated with toxic metal ions using microwave energy［J］.Chemosphere，2003，53(9):1077-1085.

［16］刘昭兵，纪雄辉，田发祥.石灰氮对镉污染土壤中镉生物有效性的影响［J］.生态环境学报，2011，20(10):1513-1517.

［17］甲卡拉铁，喻华，冯文强，等.氮肥品种和用量对水稻产量和镉吸收的影响研究［J］.中国生态农业学报，2010，18(2):281-285.

［18］蒋先军，骆永明，赵其国.镉污染土壤的植物修复及EDTA调控研究ⅡEDTA镉的形态及其生物毒性的影响［J］.土壤，2001(4):202-204.