重金属Pb,Cd胁迫对水稻生长特性的影响

王 颖 王春霞 黄一格 陈嘉伟

(1:吉林建筑大学 市政与环境工程学院，长春 130118; 2:吉林省第五地质调查所，长春 130103)

近年来,人类活动如采矿、冶炼、污灌等造成了许多重金属污染,不断增加了环境中重金属污染负荷,超出了环境的自净能力,导致土壤、水体受到了不同程度的污染[1-2].土壤重金属污染具有隐蔽性、不可逆性以及后果很严重性[3-4],其中重金属Pb,Cd是土壤中主要的重金属污染物[5-7].Pb是一种有毒性污染物,并具有柔和性、不可降解的特点,它可以通过食物链得到积累并能够影响动植物正常生理代谢活动[8-10].Cd因其流动性和毒性高而成为最受关注的污染对象之一.含Cd污染物通过多种途径进入土壤,导致作物产量和质量下降,从而通过食物链危害人类健康,造成空气和水环境质量进一步恶化[11].

水稻作为人类主要的粮食作物之一,正在由数量型向质量型转变,这对水稻的生产安全提出了更高的要求[12].近年来,在水稻中铅和镉的污染问题已成为我国水稻安全生产的主要因素[13].土壤中重金属的积累破坏了土壤生态系统,同时也导致植物根部、茎、叶和果实中重金属的大量积累,严重影响植物的生长发育[14],还危及人类和动物的健康.因此,研究重金属Pb和Cd胁迫对水稻生长特性的影响,可以为在重金属污染环境下的水稻生产提出更为实际的解决方法,最终为提高人民生活质量提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

所测品种为吉农985,水稻苗来自吉林农业大学农学院.

1.2 实验设计

实验在吉林建筑大学实验基地进行,用防雨蓬控制降水.实验采用桶培方式,所用塑料桶直径25cm,高20cm.将取自农田表层0～30cm土层的土壤进行过筛,去除杂物、根系等,经过碾碎、风干、过尼龙筛处理后备用,每桶装8kg备用土.实验设置Pb[以纯Pb计,由Pb(NO3)2提供]浓度为:0,500(mg·kg-1),1 500(mg·kg-1),2 500(mg·kg-1),Cd[以纯Cd计,由CdCl22.5H2O提供]浓度为:0,1(mg·kg-1),3(mg·kg-1),5(mg·kg-1).每个处理的药品分别稀释在1L水中,再与事先称好的8kg备用土壤充分混匀,最后将混匀的土壤放入塑料桶后,每个重复处理4次,盖上遮光布放置在防雨棚内1个月.水稻(吉农985)育苗后,选取长势一致的水稻秧苗移栽到实验大棚的塑料桶里,每桶保留6株秧苗进行胁迫试验,28个塑料桶随机排放在防雨蓬内.水稻生长过程中,每5d浇1次水,每次浇水1L,并进行正常管理.

1.3 取样和数据收集

在水稻成熟期每桶内计数每株总孽分数和繁殖分孽数;水稻和土体分离后,用清水冲洗干净,实验室内地上部分用直尺测量植株高度,精确到0.1cm;用剪刀将每株分为地上和地下两部分,地上分为繁殖蘖和非繁殖蘖,繁殖蘖分为繁殖蘖营养部分、繁殖部分和繁殖支撑部分,各部分分别在60 ℃烘箱中烘干至恒重,分别测各部分干重.最后分别将每个花盆所有植株相同部分混合后放置,烘干,粉碎,干样品密封保存,待测其重金属含量.

Pb和Cd元素含量测定:ICP-MS法测定各部分Pb和Cd的浓度[15].

1.4 统计方法

所有数据均采用统计软件SPSS17.0(version 17.0, SPSS Inc.),对分蘖情况、植株高度、生物量分配、不同部位中Pb和Cd的含量等进行单因素方差分析,统计分析中显著性检验均采用LSD检验,显著水平为P=0.05[16].

2 结果与分析

2.1 不同浓度Pb,Cd胁迫对水稻生长的影响

不同浓度Pb对水稻总分蘖数和有性分蘖数均具有显著影响(见图1A).Pb浓度在0～1 500(mg·kg-1)范围内,总分孽数无显著变化,Pb浓度为2 500(mg·kg-1)总分蘖数显著下降到最小值;有性分孽数与总分孽数基本具有出相同的变化规律.不同浓度Cd胁迫对水稻总分蘖数和有性分蘖数均无显著影响(见图1B).

不同浓度Pb,Cd胁迫对水稻株高均无显著影响(见图2).不同浓度Pb,Cd胁迫下植株高度无明显变化,平均株高约为74cm.

不同浓度Pb胁迫对水稻生物量分配具有显著影响(见图3A).地上营养部分生物量分配在500(mg·kg-1)达到最大值,而种子生物量分配在500(mg·kg-1)达到最小值.Pb胁迫对根生物量分配没有显著影响.

不同浓度Cd胁迫对水稻地上营养部分、种子、根生物量分配均无显著影响(见图3B).

图1 不同浓度Pb,Cd胁迫对水稻分孽数的影响Fig.1 Effects of different concentrations of Pb and Cd stress on tiller number of rice

图2 不同浓度Pb,Cd胁迫对水稻株高的影响Fig.2 Effect of different concentrations of Pb and Cd on plant heights of rice

图3 不同浓度Pb,Cd胁迫对水稻各部分生物量的影响Fig.3 Effects of different concentrations of Pb and Cd on the biomass allocation ratio of rice

2.2 不同浓度Pb,Cd胁迫对水稻各部分重金属含量的影响

不同浓度Pb,Cd胁迫对水稻不同部分重金属含量的影响结果见表1.

表1 不同浓度Pb,Cd胁迫对水稻不同部分重金属含量的影响Table 1 Effects of different concentrations of Pb and Cd on heavy metal content in different parts of rice

续表1

Note：the same lowercase letters in the same column indicate no difference atP=0.05 level.

水稻各部分重金属含量不同浓度的间均有显著差异,而且含量具有相同的变化规律,即随重金属浓度的升高而增加,当重金属浓度最高时含量达到最大.

3 结论

在重金属胁迫环境下,水稻为了达到最大生殖潜力和遗传特征,将有限的资源通过自身的生理整合有规律地分配到不同器官中,以控制水稻生长与生殖的平衡,使植物形成自身的适应策略.实验结果表明:在低浓度下，重金属Pb对水稻的生长特性没有显著影响,在一定条件下还促进了水稻的生长,这就说明重金属Pb污染具有一定的隐蔽性,仅从地上部分很难观察出来.但是高浓度Pb污染严重影响了水稻的生长特性,具体表现为:分蘖数降低、有性分蘖数降低、地上营养部分、种子及根的生物量降低.然而，株高却随Pb浓度的是升高而增加,具体机理有待进一步研究.处理浓度范围下,分蘖情况、植株高度、生物量分配、各部分中Pb含量在这几个特性中,Pb胁迫对根生长具有明显的抑制作用,高浓度的铅被植物吸收后,大部分Pb被储存在根中,其中少数积累在地上部分.Pb胁迫对地下生长的抑制作用明显强于地上,根成为对重金属污染最敏感部位,可能最主要原因就是水稻与Pb作用时,最先接触到的就是根部,根吸收Pb积累在根部,而Pb在水稻体内不易转移,使地上部分的生长受到Pb胁迫的毒害比根部小得多.Pb污染对根系有显著影响,但对地上部分无明显影响,表明根系生长受到抑制,具体机制有待进一步研究.

在处理浓度范围下,重金属Cd胁迫对水稻分蘖情况、植株高度、生物量分配这几个特性没有显著影响.可能是因为实验设置的Cd浓度较低,从而使水稻能够正常生长发育,具体原因有待进一步研究.