几种重金属(Cd、Cr、As)在玉米植株中的分布研究

孙姣辉，陈婷婷，邱　博，刘伟华，罗红兵

(湖南农业大学农学院，长沙 410128)



几种重金属(Cd、Cr、As)在玉米植株中的分布研究

孙姣辉，陈婷婷，邱博，刘伟华，罗红兵*

(湖南农业大学农学院，长沙 410128)

从株洲市某社区玉米园中采集玉米植株及其生长的土壤样品，利用ICP等离子法测定铬(Cr)、砷(As)、镉(Cd)3种重金属元素的含量，对玉米不同器官积累重金属的特性进行初步研究。结果表明：(1)玉米园土壤受重金属As中度污染，重金属Cd重度污染；(2)3种重金属在玉米植株中的分布规律大致为根>叶>茎；(3)玉米对土壤中3种重金属的平均富集系数大小排列顺序为Cd>Cr>As；(4)玉米对土壤As元素有较强的耐性；(5)玉米茎中Cr元素含量与根中Cr达到了显著负相关，而茎、叶中Cd含量与根部Cd呈正相关。

玉米；重金属；分布；富集

随着工业化和城市化的飞速发展，土壤重金属污染已成为不容忽视的突出环境问题[1～5]。重金属污染土壤的修复主要基于两种策略：一是去除化，将重金属从土壤中去除，达到清洁土壤的目的；二是固定化，将重金属固定在土壤中限制其释放，从而降低其风险。按照修复的工艺原理主要归纳为三类：物理/化学修复、生物修复和农业生态修复[6]。

植物修复是利用植物对土壤中的污染物进行固定、吸收，以清除土壤环境中的污染物或使其有害性得以降低或消失[7]。近年来，利用植物去除环境中污染物的植物修复技术以更经济、更适合操作及环境友好的特征而备受人们的关注。在全球范围内从超富集植物筛选、基因工程性能改进及技术强化等多方面加以研究寻找开发生物量大、富集重金属能力强的超积累植物是植物修复技术走向工程应用的首要任务[8]。本研究以玉米为材料，探讨玉米植株不同器官中重金属元素的分布，旨在为重金属超富集植物的筛选和重金属污染土壤修复提供基础资料。

1　材料与方法

1.1材料来源及预处理

材料来源于株洲市某社区玉米园。2015年9月26日当玉米处于幼穗期时采集植株，

样品用自来水、去离子水冲洗干净，按不同器官(根、茎、叶)分离后，105℃杀青30 min，恒温烘箱烘干(80℃，24 h左右)，粉碎，干样装入密封袋中保存备用。土壤样品采集设5个分样点，采样深度0～20 cm，于室温自然风干、去除杂质后磨细，过100目不锈钢筛网，装入密封袋中保存备用。

1.2样品分析

样品分析方法参照文献[7]进行。植物样品用硝酸-高氯酸法消化，土壤样品用王水-高氯酸法消化，消化液过滤定容后用电感耦合等离子体质谱仪(安捷伦7700 ICPMS，美国)测定样品中重金属含量。分析所用试剂为优级纯，各种元素的标准系列工作溶液采用由安捷伦公司提供的标准储备液(1000 μg/mL)按各元素的测定范围配制[9]。

1.3土壤pH的测定

采用电位测定法(PH S-3C型pH计)[10]。

1.4土壤重金属污染评判标准

土壤重金属污染判定参照文献[11]和中华人民共和国土壤环境质量标准[12]，采用单因子污染指数法分级标准和多项综合污染指数法分级标准分级。

式中：Pi—土壤中i污染物的污染指数；Ci—i污染物的实测浓度(mg/kg)；Si—i污染物的土壤背景值或对照值或标准值(mg/kg)。

为全面反映各重金属元素对土壤的不同作用，采用内梅罗综合污染指数法表示：

1.5数据统计与分析

采用SPSS19.0和Excel 2010软件进行统计分析。

2　结果与分析

2.1玉米园土壤重金属污染情况

测验结果表明，株洲市某社区玉米园土壤pH值为4.68，偏酸性；3种重金属元素含量及综合污染指数如表1。

表1　土壤各元素含量及其污染指数Table 1　Metallic contents and its pollution index

注：0.73污染等级为重污染。

从表1可见，该玉米园土壤中Cr含量较低，单项污染指数为0.56，土壤未受到Cr的影响；而该土壤中As、Cd含量较高，实测值分别为42.78和1.29 mg/kg，单项污染指数达1.07和4.3，显然土壤已受As、Cd的污染；综合污染指数为3.36，根据土壤质量分析标准，该地区土壤的综合污染程度达到了重度污染级。

2.2重金属在玉米植株不同部位的分布

由表2可见，玉米各器官中Cr、As、Cd的含量具有以下特点：

(1)土壤中重金属被玉米吸收以后，大部分停留在根部，少量向地上部分迁移，重金属在玉米植株不同器官的含量为：根>叶>茎。这一结果与邵华伟等[13]、韦柳兰等[14]的结论基本一致。Cr、As、Cd都不是植物生长的必需元素，在进入植株的过程中，主要是非代谢被动进入植物体内。这些重金属一旦进入根内就通过木质部转移到其他组织，一部分可能被结合在木质部的导管上，其余的分别通过秸秆输送到叶片[15]。这说明重金属在植物体内的分布规律是在新陈代谢旺盛的器官蓄积量较大，而营养储存器官，如果实、籽粒、茎叶中的蓄积量则相对较少[16]。

表2　玉米各器官重金属含量(mg/kg)Table 2　Heavy metal contents in different organ of maize plant

(2)各重金属元素在根、茎、叶中的平均含量顺序为：Cr > Cd> As。玉米植株对Cr、As、Cd的积累总量(根、茎、叶重金属含量之和)以Cr元素为最高，Cr虽然在土壤中未受污染，但在玉米植株各器官中含量高，表现出一定的污染程度。说明可能Cr在土壤中含量低时，也能被玉米吸收，是容易引起玉米植株重金属污染的元素之一。根据我国《饲料卫生标准》(GB2715-2005)Cd的限量值为0.5 mg/kg，而该品种在抽雄期的根茎叶Cd含量均高于此标准，可用于重金属镉污染地区的植物修复。而As在各个器官中的含量均较低，茎秆、叶片中的As均低于饲料安全标准(<2.0 mg/kg)，这说明茎秆、叶片可以用作畜禽的饲料。

2.3玉米器官的重金属富集系数

富集系数(吸收系数，BCF)是衡量植物对重金属积累能力大小的一个重要指标，它是指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值，富集系数越大，说明富集能力越强[17]。根据表2的检测结果计算出玉米各器官对Cr、As、Cd3种元素的富集系数如表 3。

表3　玉米植株不同部位对重金属的吸收富集系数Table 3　The enrichment coefficients of heavy metals in different parts of maize plants

(1)玉米植株对重金属的富集。玉米各器官对土壤中3种重金属的平均富集系数大小顺序为Cd>Cr>As，其中对Cd的富集能力最强，平均富集系数为1.66，对Cr的吸收能力次之，对As的富集能力最弱，富集系数仅为0.00～0.04。研究土壤分析结果表明，供试玉米园土壤已受As的轻度污染，而玉米各器官对As的富集系数仅为0.00～0.04，说明玉米对As有较强的耐性，此玉米品种适合于轻度As污染的土壤地区种植。据文献报道，土壤受重金属复合污染时，Cd，Zn，Cu，Cr共存能够提高作物对几种重金属元素的吸收系数，促进这些重金属元素在作物体内的迁移[18，19]。

(2)玉米不同器官对Cr、As、Cd的富集规律一致，均为根>叶>茎。这一特征揭示，玉米根系作为一种屏障或过滤器，可以阻止重金属进一步向秸杆和叶片中迁移，从而减少其毒害效应。

2.4玉米茎叶重金属元素与根系同一重金属元素的相关性

对采样地玉米根中重金属元素含量与茎叶中同一重金属元素含量的相关性分析可知，玉米茎中Cr元素含量与根中Cr含量达到了显著负相关，相关系数为-1.000，叶片中Cr含量与根Cr元素含量达到了中度正相关，相关系数为0.512；玉米茎叶As含量与根中As含量相关系数为弱正相关；而茎叶中Cd含量与根部Cd含量呈极显著正相关，相关系数均为1.000。

表4　玉米茎叶重金属元素含量与根系同一 重金属元素含量的相关性

注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关，**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

3　讨论与结论

按照国家土壤环境质量二级标准，该研究区土壤中重金属元素As、Cd已对土壤构成污染。玉米植株对Cr、As、Cd 3种重金属的富集系数大小表现为Cd>Cr>As。其中，各器官Cd的平均富集系数为1.66，Cr的富集系数是0.15～0.27，As的富集系数为0.00～0.04，其中As的富集系数最小，说明玉米对Cr、As、Cd有不同程度的富集作用。郭晓方等[20]和杨惟薇等[21]也证实了玉米对土壤中的镉具有较强的吸收性。

重金属Cr、As、Cd在玉米植株不同器官中的含量为：根>叶>茎，这与匡少平等人[22]的研究结果有所差异。重金属离子的性质及其在土壤中的存在形态、土壤本身的性质以及其他离子产生的协同或拮抗作用等诸多因素均可影响重金属向玉米地上部迁移，因此，玉米植株中重金属分布规律的差异性原因有待进一步探究。

研究区玉米茎中重金属元素Cr含量与根系中Cr含量达到了显著负相关，说明玉米茎中 Cr与根系Cr存在很大竞争，而玉米茎、叶中Cd含量与根系中Cd含量达到了显著正相关，说明玉米茎、叶中的Cd与根系关系密切，受根系中相对应元素含量的影响显著。玉米茎叶As含量与根系对应的重金属元素均没有达到显著相关，且相关性较低，说明地上部分重金属元素的含量还受其他因素的影响与控制。

众多研究表明，Cd、Cr、As等作为玉米生长的微量元素，在一定浓度范围内可促进玉米的生长发育，但浓度过高则会对玉米幼苗产生毒害作用或破坏其新陈代谢[23]。李丽君等[24]研究认为，当水培溶液中Cd2+浓度为0.5～1.0 mg/L时，Cd2+可以促进玉米种子的萌发，提高玉米的发芽势和发芽率，当Cd2+浓度超过5 mg/L时，苗高和根系及地上部的生长量随Cd2+浓度提高而降低[25]。

本研究区土壤受到As、Cd、Cr的污染，但玉米植株没有表现出明显的不良症状，且玉米植株不同器官对重金属As、Cr富集系数较小，说明玉米对重金属还具有一定程度的耐受性和抗性。其对重金属元素的耐受性和抗性机理还有待于后续研究。

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Research on the Distribution of Heavy Metal in Corn Plants

SUN Jiaohui，CHEN Tingting，QIU Bo，LIU Weihua，LUO Hongbin*

(College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China)

The contents of heavy metals (Cr，Cd，As) in maize plant and soil collected from somewhere in Zhuzhou were measured by ICP plasma method.Preliminary study was made on the Characteristics of heavy metal accumulation in different organs of Maize.The results showed that：(1)the soil was contaminated by As at middle-grade，by Cd at severe -grade，(2)the contents of heavy metal in plant showed the order of root> leaf > stem，(3)the accumulative coefficient order was Cd>Cr>As，(4)the result also showed that maize plant was tolerated to As，(5)Cr of stem were significant negative correlation with the same elements in the roots.While Cd in stem and leaf were significant positive correlation with the same elements in the root.

maize；heavy metal；distribution；accumulation

2016-03-21

孙姣辉 (1989-)，女，硕士研究生，Email：914737502@qq.com。*通信作者，罗红兵，Email：1289413219@qq.com。

湖南省农业委员会科技项目。

S513.06

A

1001-5280(2016)04-0402-04

10.16848/j.cnki.issn.1001-5280.2016.04.12