镉、铅和铬胁迫在甘蔗伸长期的积累特征

刀静梅 ，王思媱 ，邓军 ，高欣欣 ，李复琴 ，张跃彬 ，马娟 ，樊仙 ，李如丹 ，杨绍林

（1.云南省农业科学院甘蔗研究所/云南省甘蔗遗传改良重点实验室，云南开远 661699；2.红河学院，云南蒙自 661100）

0 引言

目前由于工业“三废”和机动车尾气的排放，污水灌溉和农药、除草剂、化肥等的使用以及矿业的发展，使土壤、水质和大气造成了不同程度的污染。其中重金属具有富集性，很难在环境中降解，特别在重金属的开采、冶炼、加工过程中，不少重金属如铅、汞、镉等进入大气、水和土壤，造成环境污染。陈俊任等[1]研究发现毛竹林对重金属具有很强的耐性，这些对重金属耐性高的植物可用来修复被重金属污染的土壤。

甘蔗是我国南部地区重要的糖料作物，其单位面积的生物产量显著高于其他经济作物，具有潜力开发成能源物质[2]。高生物量能源植物是世界公认可再生的生物能源，利用能源甘蔗可生产绿色能源燃料乙醇[3]。研究发现，甘蔗耐铜（Cu）、镉（Cd）、硒（Se）等胁迫的能力强，是一种修复土壤很有潜力的作物[4]。利用甘蔗对重金属的耐性，在污染的土地上种植能源甘蔗，收获的甘蔗生产燃料乙醇，为高效利用污染土壤探索新模式。为了解甘蔗对重金属铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）的积累特征和耐性，通过盆栽分别进行重金属不同浓度的胁迫试验，研究不同浓度重金属在甘蔗内的富集程度，对治理污染土壤和开发能源甘蔗具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

甘蔗品种为新台糖22号，试验在云南省农业科学院甘蔗研究所第一科研基地进行，土壤为云南山地红壤，种植时取土壤检测重金属镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）含量分别为 0.21 mg/kg、20 mg/kg、493 mg/kg。

1.2 试验方法

2017年1月20日进行盆栽，每盆装风干土壤7 kg，种2个甘蔗单芽，浇透水后盖膜。5月进行重金属胁迫。铅（Pb）采用Pb(NO3)2添加，镉 （Cd）采用Cd(Cl)2·2H2O添加，铬 （Cr）采用Na2Cr2O7·2H2O添加；3种重金属都设为4个处理，4次重复 （详见表1）。分别将所需浓度的Pb(NO3)2、Cd(Cl)2·2H2O和Na2Cr2O7·2H2O溶解在水中，1 L等量浇于每盆中为一次胁迫浇灌，为防止污染物淋溶渗漏损失，在盆下放置塑料托盘并将渗漏液倒回盆中。表1中，Cd与Pb浓度设计参考曾巧英等[5]、程文伟[6]的研究：甘蔗能在Cd、Pb浓度高达1 000 mg/kg中的土壤中存活；而Cr浓度设计未找到相应的文献，故在开始浓度设计时其浓度设计与铅、镉的浓度设计一致（即0、250、500、1 000 mg/kg），但在进行甘蔗盆栽种植试验时，铬浓度处理过的盆栽均未成活，这可能是由于铬的浇灌浓度超过甘蔗的耐受范围，因此重新进行浓度试验设计，故表1中Cr浓度梯度设计是经盆栽试验得到的。

表1 土壤重金属处理浓度(mg/kg)Table 1 Soil heavy metal concentration

1.3 样品处理与检测

甘蔗在伸长期（8月和9月）采样，分地上部和地下部取回，样品在105℃条件下杀青1 h，85℃烘干至恒重、粉碎待检测。样品前处理用湿法消解，准确地称取样品0.2 g（精确到0.01 mg）于聚乙烯消化管中，加入9 mL进口硝酸和1 mL高氯酸，在可调式电热炉上消解，80℃加热保持1 h，升温至120℃，待消化液呈棕黑色，再继续加4.5 mL分析纯硝酸和0.5 mL高氯酸，消解冒白烟，直至消化液呈无色透明或略带黄色为止，取出消化管冷却后用水洗至25 mL比色管中定容至刻度，同时做试剂空白试验，待测液用美国热电原子吸收光谱仪（型号：ICE-3500）石墨炉法测定重金属含量，所用试剂均为优级纯[7-11]。

数据整理采用Excel 2010，数据分析采用SPSS 19.0的单因素方差分析和独立样本T检验。

2 结果分析

2.1 甘蔗中镉（Cd)的积累情况

通过对盆栽甘蔗添加不同浓度镉（Cd）0、250、500、1 000 mg/kg水溶液进行浇灌，试验结果表明（表2），在甘蔗伸长期，地上部和地下部的Cd积累量会随浓度增加而增加，但不同浓度间并不是都有显著差异的。同时，地下部富集比地上部更多，且这种差异随着浓度的增加而增大。当试验浇灌溶液最高浓度达1 000 mg/kg时，8月份甘蔗的地上部Cd含量为44.750 mg/kg，地下部分为299.250 mg/kg；9月份甘蔗地上部镉含量为94.000 mg/kg，地下部的为803.500 mg/kg，由此可看出，在伸长期一定时间段内重金属Cd富集量还会随着时间延长而增加，但这样的增加当达到植物耐受量时，可能就会出现增加趋势减缓的现象。另外在相同浓度下地上部与地下部的差异，除对照组没有显著差异，其余处理均表现出甘蔗地下部Cd累积量显著（P≤0.05）或极显著（P≤0.01）高于地上部的积累量。

表2 不同的镉浓度处理甘蔗不同部位的镉累积情况Table 2 Cadmium accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous cadmium concentrations

2.2 甘蔗中铅（Pb）的积累情况

通过对盆栽甘蔗添加不同浓度的铅（Pb）0、250、500、1 000 mg/kg进行浇灌，试验结果表明（表3），甘蔗在伸长期时甘蔗地上部和地下部Pb含量都是随浇灌浓度增加而增加，且地下部比地上部富集重金属量大。随着浓度的升高，地上部与地下部的Pb积累量差异在不断的增大，但Pb在地上和地下部的积累量浓度在250 mg/kg和500 mg/kg间多数差异不明显。除对照外，当Pb浓度相同时，甘蔗地下部的Pb积累量显著 （P≤0.05）或极显著（P≤0.01）高于地上部的。而且与Cd相似，在甘蔗伸长期内，Pb的积累量会随着甘蔗的生长而增加。

表3 不同的铅浓度处理甘蔗不同部位的铅累积情况Table 3 Lead accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous lead concentrations

2.3 甘蔗中铬（Cr）的积累情况

通过对盆栽甘蔗添加不同浓度的铬（Cr）0、50、100、150 mg/kg进行浇灌，试验结果表明（表4），甘蔗在伸长期时甘蔗地上部和地下部Cr含量都是随浇灌浓度增加而增加，且地下部比地上部富集重金属量大。随着浓度的增加地上部与地下部Cr积累量差异越明显，当达到最高浇灌浓度时，甘蔗中铬Cr的累积量，地上部积累量，8月份的为94.325 mg/kg，9月份的为138.625 mg/kg；地下部积累量，8月份为4 148.750 mg/kg，9月份为10 282.750 mg/kg，由此可知Cr积累量与Pd、Cd相似，在甘蔗的伸长期内，均会随着甘蔗的生长而增加。Cr积累量对照组与其他组均表现出地下部显著（P≤0.05）或极显著（P≤0.01）高于地上部。

表4 不同的铬浓度处理甘蔗不同部位的铬累积情况Table 4 Chromium accumulation in different parts of sugarcane treated with different exogenous chromium concentrations

3 讨论

经过甘蔗盆栽试验，在最高浇灌浓度时（9月），甘蔗地下部的重金属积累量，Cd的为803.500 mg/kg，Pb的为686.500 mg/kg，而Cr含量高达10 282.750 mg/kg。此外，Cd、Pb、Cr的转运系数（地上部重金属含量/地下部重金属含量）分别为0.117、0.291、0.013，可看出甘蔗对Cr的耐受能力最强，向地上转移能力最弱。在甘蔗生长期内，重金属的积累量会随着甘蔗的伸长而增加，这种增加趋势不是线性的，它可能会在甘蔗伸长的中后期表现出缓慢增长趋势，这可能与甘蔗的一些自我保护机制或生理反应有关（这只是推理，没有数据支撑，不过在后期可能会设计一个关于重金属积累量与甘蔗生长、发育变化之间影响的相关研究）。

甘蔗在重金属胁迫下地上、地下部重金属累积分布存在较大差异，甘蔗伸长期地上、地下部的重金属积累量随着重金属浇灌浓度的增加而增大，也会随着甘蔗的生长而增大，同时甘蔗重金属积累量地下部显著高于地上部。由此可以看出甘蔗重金属大部累积于根部，少数部分累积于甘蔗的茎、叶，其转运系数＜1[12]，据学者们认为“作物地上部分的重金属积累量较低是低积累作物品种最重要的特征”[13]，可推断出甘蔗属于重金属低积累作物。随着经济的发展，土壤重金属污染严重，使可用耕地面积减少，粮食作物减产[13]，不仅如此，食物重金属超标严重威胁人类的健康。因此寻找对重金属耐性高，且为低积累作物对中轻度重金属污染的土壤重新利用具有重要的意义。近年，人们关于低积累的作物，如豆科、水稻[14]、蔬菜[15-16]的品种筛选研究目的，也是为了增加食品的安全性和提高我国因重金属污染而荒废土地的利用率。