重金屬在水稻植株中遷移分布規(guī)律的研究

重金屬在水稻植株中遷移分布規(guī)律的研究

重金屬的分布和總量傳輸是研究的最重要過(guò)程。然而，重金屬的轉(zhuǎn)移、分布和總量傳輸是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。目前，分布和傳輸研究主要集中在不同作物器官的重金屬含量和形狀的比較上，忽視了不同時(shí)期不同時(shí)期植物重量的遷移、傳播和分布的動(dòng)態(tài)過(guò)程。研究重金屬在土壤肥力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移、傳輸和分布以及隨著時(shí)間的推移而變化的重金屬生物效應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。本文以生態(tài)站試驗(yàn)田為實(shí)驗(yàn)體系,研究重金屬?gòu)?fù)合污染物在水稻不同器官的分布及隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化,為重金屬在植物-土壤系統(tǒng)中的遷移輸出、重金屬的生物效應(yīng)和水稻作物對(duì)重金屬代謝提供信息.1試驗(yàn)部分1.1土壤重金屬背景值及供試污染物濃度設(shè)計(jì)受試土壤是中國(guó)科學(xué)院常熟生態(tài)站試驗(yàn)田土壤,土壤為該地區(qū)的主要類型——豎頭烏柵土(DegleyedPaddySoils),其理化基本性質(zhì)見(jiàn)表1.實(shí)驗(yàn)土壤的重金屬背景值(mg·kg-1)分別為:Cd0.9,Pb28.9,Cu19.7,Cr11.4,Zn82.9.供試污染物的濃度設(shè)計(jì)見(jiàn)表2.1.2田間樣品處理實(shí)驗(yàn)小區(qū)面積為2m×2m=4m2,小區(qū)間采用防水人造地板革隔開(kāi),地上高度20cm,地下深度60cm,以防側(cè)滲相互干擾.實(shí)驗(yàn)采用4個(gè)濃度處理,每個(gè)處理3個(gè)平行小區(qū),進(jìn)行田間試驗(yàn).將分析純的CdCl2,Pb(NO3)2,ZnCl2,Cu(NO3)2,CrCl35種化合物的混合物投放至0—20cm表層耕作層土壤中,灌水后,充分混勻,移栽秧苗,分別采集不同生長(zhǎng)時(shí)期的水稻植株,用自來(lái)水沖洗凈,再用去離子水沖洗,將植株的不同器官分離后殺青,烘干,稱取干重為1g植株樣品,加入3mlHNO3,1mlHClO4于CEMMDS-2000微波消解儀上消解,定容,溶液用PERHIN-ELMER3100石墨爐原子吸收儀測(cè)定重金屬的濃度.2結(jié)果和討論2.1對(duì)重金屬富集的影響表3為重金屬在成熟期水稻不同部位的分布,由表3可以看出:重金屬被水稻吸收以后,大部分停留在根部,少量向地上部分遷移.重金屬在水稻植株不同器官的含量為:根部>根基莖>主莖>穗>籽實(shí)>葉部,此結(jié)果與茅野充男報(bào)道的結(jié)果一致,即:重金屬在植物體內(nèi)的分布規(guī)律是在新陳代謝旺盛的器官蓄積量較大,而營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存器官,如果實(shí)、籽粒、莖葉中的蓄積量則較少.空白對(duì)照組與低劑量處理的水稻植株對(duì)重金屬富集量有時(shí)相差不大,甚至還出現(xiàn)空白對(duì)照較之低劑量植株富集量高的現(xiàn)象(Cu和Cr的此種現(xiàn)象較明顯,其他幾種重金屬在某些器官也會(huì)出現(xiàn)這種情況).這種現(xiàn)象通常被認(rèn)為是耕作土壤隨重金屬含量的增高,植物的吸收機(jī)能、某些器官對(duì)重金屬的富集機(jī)制受到一定程度的阻礙,低于空白處理下水稻植株此類生理作用的強(qiáng)度.此外,影響植物對(duì)重金屬吸收及重金屬在植物體內(nèi)分布的因素,除與耕作土壤中重金屬的含量有關(guān)外,還與作物種類、土壤有效態(tài)含量、土壤氧化還原狀態(tài)、陽(yáng)離子代換量、土壤的機(jī)械組成等等有關(guān).為明確觀察水稻植株對(duì)所投放5種重金屬的遷移特性,計(jì)算重金屬在水稻植株地上部分如籽實(shí)、葉、莖的吸收富集系數(shù),即重金屬元素在水稻植株地上各個(gè)部分的濃度與土壤中對(duì)應(yīng)元素濃度之比,見(jiàn)表4.吸收富集系數(shù)可用來(lái)表征土壤-水稻體系中重金屬元素遷移的難易程度,單一元素污染時(shí),吸收系數(shù)一般為Cd>Zn>Cu>Pb.由水稻植株對(duì)五種重金屬吸收富集系數(shù)值,可以認(rèn)為重金屬在水稻植株內(nèi)的遷移能力為:Cd,Cr>Zn,Cu>Pb.據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道土壤受重金屬?gòu)?fù)合污染時(shí),Cd,Zn,Cu,Cr共存能夠提高作物對(duì)幾種重金屬元素的吸收系數(shù),促進(jìn)這些重金屬元素在作物體內(nèi)的遷移.2.2水稻蝌蚪部和莖部的重金屬含量隨時(shí)間的變化規(guī)律重金屬進(jìn)入水稻根部后首先與蛋白質(zhì)、多糖類和核酸等結(jié)合,然后會(huì)向植株地上部分遷移.目前的研究認(rèn)為:作物在重金屬脅迫下會(huì)通過(guò)回避機(jī)制減少對(duì)重金屬的吸收,抗性機(jī)制可以加強(qiáng)作物對(duì)重金屬的耐受性,代謝機(jī)制減少對(duì)重金屬積累和其毒性的消除.圖1為不同濃度重金屬處理下,水稻根部積累的重金屬含量在不同生長(zhǎng)期的變化情況.可以看出,水稻根部重金屬含量在秧苗期都很低,而在分蘗期根部積累的重金屬迅速上升,達(dá)到最大,在隨后的時(shí)間里,根部積累的重金屬含量逐漸減少.水稻根部在分蘗期的生長(zhǎng)代謝旺盛,本研究在實(shí)驗(yàn)之初一次性投放5種重金屬于耕作層土壤,有效態(tài)重金屬含量大,故水稻根部在分蘗期對(duì)重金屬的吸收量大,此結(jié)果與通過(guò)放射性方法所得到的結(jié)果一致.隨后,由于根部積累重金屬,根部的代謝和吸收機(jī)能受到抑制,首先進(jìn)入根部的重金屬會(huì)不斷向根上部分遷移,土壤中有效態(tài)重金屬含量隨時(shí)間而有所降低,根部從土壤中吸收的重金屬量減少,同時(shí)根部的生物量隨時(shí)間不斷增加,因此,隨時(shí)間的延續(xù),在根部積累的重金屬含量也就愈來(lái)愈少.圖2和圖3為水稻莖部、葉片積累的重金屬量在不同生長(zhǎng)季節(jié)的變化.水稻莖部積累的重金屬在秧苗期含量很低,在分蘗期達(dá)到最大,到了拔節(jié)期時(shí),莖部積累的重金屬量迅速下降,隨后莖部積累的重金屬量又緩慢上升.莖部所積累的重金屬的變化可以認(rèn)為水稻莖部分蘗期代謝旺盛,從根部積累的重金屬向上傳輸,在5種重金屬的脅迫下,撥節(jié)期時(shí),水稻莖部對(duì)重金屬的耐受和代謝機(jī)制加強(qiáng),此時(shí)莖部的生物量又增加;隨后的生長(zhǎng)季節(jié)里,莖部對(duì)重金屬的代謝機(jī)制可能弱化,從土壤和根部傳輸上來(lái)的重金屬在莖部會(huì)逐漸積累.水稻葉片對(duì)5種重金屬積累的變化與莖部的變化大體相似,只是在撥節(jié)期以后葉片對(duì)重金屬的積累沒(méi)有象莖部那樣有所增加,而是趨于穩(wěn)定,認(rèn)為5種重金屬在水稻植株向葉片部分的傳輸作用較小,葉片對(duì)重金屬的積累和耐受機(jī)制可能與莖部的相似.3重金屬對(duì)作物的遷移能力影響5種復(fù)合污染的重金屬被水稻吸收后,水稻的不同部位對(duì)重金屬的吸收和積累有所不同.大部分重金屬滯留在根部,少量向地上部分遷移.重金屬在水稻植株不同部位的含量分布為:根部>根基莖>主莖>穗>籽實(shí)>葉片.不同重金屬在作物體內(nèi)的遷移能力有所不同,在本研究中,復(fù)合污染的5種重金屬在水稻植株遷移能力的大小依次為:Cd,Cr>Zn,Cu>Pb.5種重金屬在水稻植株不同部位的積累隨時(shí)間