不同品种(系)牧草镉修复能力综合评价.docx

    不同品种(系)牧草镉修复能力综合评价    徐宇轩,陈晓明*,周 君,唐运来,黄佳丽,薛佳豪,唐泛舟(1 西南科技大学 生命科学与工程学院,四川绵阳 621010;2 核工业280研究所,四川广汉 618300)随着全球工业的不断发展,矿业冶炼、工业废水及废弃物排放等活动导致重金属污染物不断进入土壤,另一方面由于人口增长和城镇化加快,可利用耕地不断减少,使土壤重金属污染成为亟需解决的问题[1]有公报显示,中国土壤重金属点位超标率高达19.4%,其中受重金属污染的耕地约占总耕地面积的1/5[2-3]在众多重金属中,Cd易被水稻等主要农作物富集,并通过食物链进入人体[4],以较高的水平储存在人体各种器官中,其毒性会对肝脏和骨骼造成严重损害,并会减少人体对钙的吸收[5]因此,土壤Cd污染的修复对粮食安全和人类健康具有重要意义重金属的修复方式主要包括物理修复、化学修复和生物修复[6]其中植物提取修复是一种绿色环保且成本较低的修复方式,这种技术既不会破坏土壤结构或改变土壤性质,同时又能改善土壤肥力和防止水土流失[7-8],利用植物提取土壤中的重金属具有大规模应用的前景而广泛受到关注[9]。

牧草具有生长周期短、对各种污染土壤的适应性较强、易于栽培、生物量较高、可以刈割等优点,有作为Cd污染土壤修复植物的潜力[10-11],同时牧草也可用作生物质能源,可作为转化燃料乙醇的原料[12]近年来国内外也开始有将大生物量能源草应用于修复重金属污染土壤的研究[13-14],主要代表种类有黑麦草、紫花苜蓿、高丹草、杂交狼尾草等[15-16]有研究表明即使是同一种超富集植物不同品系间也会有不同的金属偏好,如芸苔科这样的单一科中,87个物种中有67个是镍超蓄积,15个是锌超蓄积,5个可以同时蓄积2种重金属[17],因此有必要对不同品系间牧草的Cd富集能力差异进行比较学术界对于超富集植物的衡量标准仍存在一些争议,目前采用较多的是Brooks[18]和 Baker[19]等提出的参考值,即植株Cd含量达到100 mg/kg,同时转运系数(translocation factor)大于1,也有学者认为还应当附加2个条件[20-21],即富集系数(bioconcentration factor)大于1同时能在重金属污染地正常完成生活史,且生物量不能明显减少,以往的富集植物筛选大部分都遵照这样的标准。

随着筛选种类的日益增多,既要在实地修复中有较好的效果又要考虑富集植物的后处理,有必要采用一种新的方法来综合评价植物的重金属修复能力迄今,建模分析在植物修复领域应用得越来越多[22-23],数学模型可以显著评估不同的场景,做出更具预见性的决策,还可以避免人为的偏见和错误[24-26]唐玉情等[27]运用层次分析法构建筛选评价体系,筛选出适用于矿山排土场修复的植被;Xu等[28]通过模型评估了近缘超积累植物对相似重金属的富集能力,发现除Cd和Pb外,密切相关的植物物种倾向于积累类似的金属目前针对Cd的富集植物筛选模型研究还较少,且还没有考虑后处理这一指标的筛选模型,建立科学的重金属修复能力综合评价模型对重金属富集植物筛选具有重要的理论意义和应用价值本研究首次运用主成分分析法将Cd积累量和生物量分离,使得富集植物生物量不断加大和后处理之间的矛盾得以解决,对牧草的地上部Cd积累量、地下部Cd积累量、种植天数、耐性指数、植株Cd含量、富集系数、转运量系数、单位积累量和生物量9个指标进行因子赋权,建立综合评价模型,计算各牧草在模型中的综合得分,分析比较各牧草的Cd修复综合能力,并筛选出最优的牧草,为Cd富集的植物筛选提供新材料和新思路。

1 材料和方法1.1 材料及处理1.1.1 供试植物供试9份植物材料为来自3家公司的5种牧草即北京金土地农业研究所的高丹草(Sorghumbicolor×Sorghumsudanense),简称为北京高丹(SSBJ);江苏新天地种业有限公司的高丹草、苏丹草[Sorghumsudanense(Piper) Stapf.]、杂交狼尾草(Pennisetumamericanum×P.purpureum)、一年生黑麦草(LoliummultiflorumLam.)、多年生黑麦草(LoliumperenneL.),分别简称为江苏高丹(SSJS)、江苏苏丹(SUJS)、江苏杂狼(PPJS)、一年黑麦(LMJS)、多年黑麦(LPJS);郑州华丰草业有限公司的高丹草、苏丹草、杂交狼尾草,分别简称为华丰高丹(SSHF)、华丰苏丹(SUHF)和华丰杂狼(PPHF)1.1.2 供试土壤供试土壤采自四川省绵阳市龙门镇香社村,Cd背景值为0.16 mg/kg,pH为7.28,有机质含量为21.30 mg/kg,碱解氮含量为51.74 mg/kg,有效磷含量为7.28 mg/kg,有效钾含量为21.28 mg/kg。

1.1.3 盆栽试验通过向供试土壤中外源添加Cd(NO3)2·4H2O来模拟Cd污染土壤试验共设置10,20 mg/kg 2个镉胁迫处理[29],以不添加Cd为对照,分别表示为CK、Cd10、Cd20,每个处理5次重复,3个处理下的牧草均可正常生长将设计浓度的Cd(NO3)2溶液与供试土壤搅拌均匀后,再将制备土壤置于暗处,静置放置30 d,期间每隔7 d加入少量去离子水并进行搅拌,保证拌入后达到土壤平衡,完成Cd污染土壤的制备盆栽试验容器为圆形塑料花盆(高14 cm,底径10 cm,外口径16.5 cm)底部有孔,带托盘,每盆定量装土1 kg静置结束后,挑选颗粒饱满、大小相近的参试牧草种子在5% NaClO溶剂中浸泡8 min,去离子水反复清洗,后用温水浸泡24 h,将种子逐粒播入预先准备好的花盆中,保证播种均一,并用少量土壤覆盖在种子表面,控制适宜的湿度,使种子可以健康生萌发长播种后每天观察生长状况,出芽后定期间苗保证每盆25株健康植株试验于2021年8月15日开始,采用温室光照处理,温度保持24℃,湿度保持80%,保证每日光照时长10 h(8:00-18:00),适时浇水,保持田间持水量的60%～70%。

待植物刚刚抽穗时进行收获,高丹草和苏丹草均为93 d收获,杂交狼尾草均为72 d收获,一年生黑麦草和多年生黑麦草分别为65 d和45 d收获,同种牧草3个处理的生长周期一致,收获后进行相关指标的测定1.2 测定指标及方法1.2.1 株 高植物株高用游标卡尺测量,从根颈部到最高叶片尖端距离作为植物的株高,每盆植物随机测定10株,取平均值1.2.2 生物量植物样品全株采收后用蒸馏水洗净,滤纸吸干多余水分,将植株分为地上部和地下部分别装纸袋,做好标记后置于烘箱中先105 ℃杀青2 h,然后85 ℃烘干至恒重,用电子天平(精度0.001 g)分别测定地上部和地下部的干重1.2.3 Cd含量及富集指标将烘干好的植物地上部和地下部分别研磨成粉,经HNO3-HClO4法消煮,采用原子吸收分光光度计(Perkin-Elmer,AA700,USA)测定地上和地下部分的Cd含量,分别记作AC和UC并依据测定结果计算富集指标[21,30-31]:地上部Cd积累量=地上部干重×地上部Cd含量地下部Cd积累量=地下部干重×地下部Cd含量植物Cd耐性指数=处理组植物平均总生物量/对照组植物平均总生物量植株Cd含量=整株Cd积累量/整株干重富集系数=植株Cd含量/土壤Cd含量转运系数=地上部Cd积累量/地下部Cd积累量单位积累量=整株干重×植株Cd含量/单盆土重1.3 数据处理试验测定的指标均以平均值±标准偏差(mean±SD)表示,采用LSD多重比较法进行差异显著性检验(P(1)对原始指标数据分别进行标准化,其中种植周期越短越好,干重越小越有利于后续处理,因此这2个指标数据标准化采用公式(1),其他指标采用公式(2):X负向=(xmax-xi)/(xmax-xmin)(1)X正向=(xi-xmin)/(xmax-xmin)(2)式中:X正向和X负向为经过极差化处理后的标准化数据;xi为原始指标数据;xmin为其中的最小值;xmax为其中的最大值。

2)利用 IBM SPSS Statistics 26 软件对标准化数据进行主成分分析,得到各主成分特征值、贡献率以及旋转成分矩阵3)各指标在主成分得分模型中的系数计算公式为:(3)Fi=a1iX1+a2iX2+…+amiXm(i≤m)(4)式中:Fi为第i个主成分指标得分;ami为第m个指标在第i个主成分得分模型中的系数;ɑmi为第m个指标在第i个主成分中的载荷;λi为第i个主成分的特征根4)各指标在综合得分模型中系数的计算公式为:(5)F=ω1X1+ω2X2+…+ωmXm(6)式中:F为指标综合得分;ωm为第m个指标在综合得分模型中的系数;Si为第i个主成分的方差贡献率.(5)归一化指标权重计算公式为:(7)式中:Pm为所求的第m个指标的权重6)牧草Cd富集能力综合评价得分是由各个指标的权重与极差化值相乘后以求和的形式进行表达公式为:(8)式中:Y为各牧草Cd富集能力综合评价总分;Wi为第i个指标的权重;Xi为第i个指标的极差化值2 结果与分析2.1 Cd胁迫对牧草生长、株高和生物量的影响首先,从植株形态上来比较,参试的9种牧草在0.16 mg/kg(CK)、10 mg/kg(Cd10)和20 mg/kg(Cd20)Cd2+处理下均能正常生长,其中苏丹草和高丹草的长势在各质量分数镉胁迫处理下均明显优于杂交狼尾草和黑麦草,而北京和华丰高丹又优于江苏高丹,华丰苏丹又优于江苏苏丹(图1)。

不同小写字母表示同一指标不同禁牧年限间差异显著(P图中不同小写字母表示不同恢复年限间差异显著(P图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of study areaus.上角质层;ls.下角质层;st.气孔;u-ep.上表皮;pal.栅栏组织;sp.海绵组织; l-ep.下表皮;t.厚角组织;x.木质部;ph.韧皮部;par.薄壁组织;g.保卫细胞Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别代表第1、2和3层栅栏组织A.bj-19具有2层栅栏组织叶片,×100;B.bj-13具有3层栅栏组织叶片,×100;C.bj-1叶脉,×100;D.bj-16气孔,×2 000E～G分别为30个点古茶树叶片、叶脉和气孔解剖结构图1 亮岩镇古茶树叶片解剖结构特征us. Upper stratum corneum; ls. Lower stratum corneum; st. Stoma; u-ep. Upper epidermis cells; pal. Palisade tissue; sp. Spongy tissue; l-ep. Lower epidermis cells; t. Thick angle tissue; x. Xylem; ph. Phloem; par. Parenchyma; g. Guard cell; Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ represent the first, second and third layer of palisade tissue, respectively. A.bj-19 with two layers of palisade tissue leaves, ×100; B. bj-13 with three layers of palisade tissue leaves, ×100; C. bj-1 leaf veins, ×100;D. bj-16 stoma, ×2 000. E-G are anatomical structure characteristics of leaves, ve。