小麥植株中重金屬cr的動(dòng)態(tài)變化

小麥植株中重金屬cr的動(dòng)態(tài)變化

鉻（cr）是自然界中常見的重金屬元素。環(huán)境中的cr主要是cr3+和cr6+。Cr3+是人體內(nèi)不可缺少的微量元素,是平衡人類和動(dòng)物飲食的重要成分,它的缺失會(huì)引起人類和動(dòng)物體內(nèi)葡萄糖和脂質(zhì)的代謝紊亂。但過量的Cr也能引起嚴(yán)重的毒害,具有強(qiáng)致癌變、致畸變、致突變作用,并且以Cr6+毒害最為嚴(yán)重。過量的Cr對(duì)植物也會(huì)造成毒害,在作物根、莖、葉和籽粒中大量累積,不僅影響作物的根和葉的生長發(fā)育,導(dǎo)致酶活性下降,造成作物的減產(chǎn),而且會(huì)進(jìn)入食物鏈,危及人類的健康。小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪饕募Z食作物之一,其栽培面積、總產(chǎn)量居各種作物的首位,占谷物總產(chǎn)量的29.5%。我國是世界小麥栽培面積和產(chǎn)量最大的國家,總產(chǎn)量居世界小麥總產(chǎn)的15.5%,成為世界第一的小麥生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國,其品質(zhì)和安全問題越來越受到人們的廣泛關(guān)注。目前,Cr對(duì)不同植物種子發(fā)芽及幼苗形態(tài)的影響、對(duì)植物幼苗生理生化指標(biāo)的影響研究較多,而Cr在小麥植株內(nèi)的吸收和累積規(guī)律的研究報(bào)道較少。本試驗(yàn)采取大田試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)相結(jié)合的模式,系統(tǒng)研究了Cr在小麥不同生育時(shí)期不同部位的累積、分布規(guī)律,建立Cr污染的回歸方程,以期對(duì)最大限度利用土地資源,保證和預(yù)防Cr污染地區(qū)小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)有一定的指導(dǎo)意義。1材料和方法1.1試驗(yàn)材料供試小麥(TriticumaestivumL.)品種為矮抗58,試劑選用分析純的Cr2(SO4)3·6H2O。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.2.1基本苗種與種子種的制備試驗(yàn)于2006—2007年在新鄉(xiāng)市牧野區(qū)曲里村小麥試驗(yàn)田進(jìn)行,試驗(yàn)地土壤為兩合土,pH7.5~8,整地后施底肥:磷酸氫二胺487.5kg·hm-2,玉米秸稈全部粉碎成3cm還田。10月7、8日播種,控制基本苗為225萬株·hm-2,機(jī)械播種,行距為16cm等距。整個(gè)生育期正常田間管理,2007年6月1日收獲,全生育期235d。取小麥分蘗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿初期、灌漿中期、灌漿末期和成熟期等時(shí)期取小麥植株,并將植株分為根、莖、葉、葉鞘、穗軸、穎片、籽粒和廢棄物(小麥植株上已變黃的葉片、葉鞘和心葉已死的無效蘗)等部位,測定各個(gè)部位的Cr含量及小麥?zhǔn)斋@后土壤中的Cr含量。1.2.2u3000添加cr2so36h2o的方法試驗(yàn)于2006—2007年在河南師范大學(xué)網(wǎng)室進(jìn)行,選用Φ28cm×h30cm的塑料花盆,每盆裝土10kg(干土),Cr試劑設(shè)0、50、100、200、300、400和500mg·kg-1等7個(gè)濃度梯度,于播種前將一定量的Cr2(SO4)3·6H2O與土壤充分混合均勻,同時(shí)加入適量肥料。每盆點(diǎn)播50粒種子,播深5cm,三葉期間苗10株,正常措施田間管理。測定不同濃度Cr處理污染下種植前土壤Cr含量、三葉期地上部分、成熟期根、地上部分和籽粒中重金屬Cr含量,建立Cr污染的回歸方程。1.3試樣粉碎方法植物樣品依次用自來水、蒸餾水、去離子水洗凈后,于60~80℃烘至恒重,用FZ102微型植物試樣粉碎機(jī)粉碎,過40mm篩。采用HNO3-HClO4消解法消解,消解后的溶液用原子吸收分光光度計(jì)(日本島津公司生產(chǎn),AA6800型)測定樣品中的Cr含量,mg·kg-1,并計(jì)算該部位Cr的累積量(某部位Cr的積累量為該部位Cr含量與其干物質(zhì)質(zhì)量之積,ng·稈-1)。1.4統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)結(jié)果用Excel統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。2結(jié)果與分析2.1cr對(duì)小麥植株的吸收、分配和積累的動(dòng)態(tài)變化2.1.1葉中cr含量在葉、莖部和穗部的變化情況下未見表3對(duì)不同生育期大田小麥植株各部位進(jìn)行了檢測,其結(jié)果見表1。營養(yǎng)器官中,根中Cr含量在整個(gè)生育時(shí)期表現(xiàn)為“先升后降”的變化趨勢。從開始生長到灌漿末期,根部的Cr含量逐漸升高,在灌漿末期達(dá)到最高,而后下降。分析原因,可能是由于在小麥生長初期,根系在土壤中首先接觸到Cr,進(jìn)而吸附并固定之,減少Cr向其他部位的轉(zhuǎn)移。葉中Cr含量在整個(gè)生育期表現(xiàn)出“升-降-升”的雙峰曲線。在揚(yáng)花期以前,葉中Cr含量變化較小,之后,有增加的趨勢,這與葉在整個(gè)生育期的生長速率一致。葉鞘中Cr含量變化與根和葉不同,基本上處于較為平穩(wěn)的上升趨勢,在成熟期達(dá)到最高峰。廢棄物中Cr含量略低于根,且變化趨勢與葉中的趨勢比較相似。這是因?yàn)榉登嘀?無效的分蘗、葉片和葉鞘枯萎,混合成為廢棄物,而其成分中枯萎的葉片占很大比重。莖部的Cr含量總體為由高至低,在返青期最高,而后降低。說明Cr通過莖遷移至葉等器官,但并未在莖中過多累積。穗部(包括穗軸、穎殼和籽粒3個(gè)部位)的Cr含量從揚(yáng)花期開始、經(jīng)歷整個(gè)灌漿期直到成熟期,均為上升趨勢。這一時(shí)期也是干物重不斷向穗部尤其是向籽粒中累積的過程,Cr含量的增加與干物重增加同步。在灌漿初期和成熟期,3個(gè)部位Cr含量大小均為穗軸>穎殼>籽粒。比較成熟期各個(gè)部位之間的Cr含量,其高低依次為根>葉>廢棄物>葉鞘>穗軸>莖>穎殼>籽粒。根中Cr含量最高,而籽粒中含量最低,僅為根中的30.29%。2.1.2cr的累積量表2表明,地上部分Cr的總累積量不斷增加,但是不同部位Cr的累積特點(diǎn)不同。葉中Cr的累積規(guī)律為“升-降-升-降”的模式,在灌漿末期達(dá)最大值。莖中Cr的累積量表現(xiàn)為灌漿初期最高的單峰曲線。穗軸、籽粒和穎殼3個(gè)部位中Cr的累積量的變化規(guī)律比較一致,幾乎表現(xiàn)為上升趨勢。從拔節(jié)期到灌漿末期,莖中Cr的累積量最高,其次是葉中Cr累積量。當(dāng)小麥開始灌漿后,隨著干物質(zhì)在籽粒中的充實(shí),穗部的Cr含量急劇增加。灌漿初期,穎殼中Cr的累積量最高,到成熟期,籽粒中達(dá)到最高,穗軸最低。在成熟期,小麥地上部分各個(gè)部位Cr的累積量的大小關(guān)系為:籽粒>莖>穎殼>葉鞘>葉>廢棄物>穗軸。2.1.3cr含量的變化表3分析了小麥在不同生育階段Cr吸收的動(dòng)態(tài)變化。在整個(gè)生育期中,小麥的地上部分的干物質(zhì)累積最快的時(shí)期集中在拔節(jié)期至開花期之間,而且在后一段時(shí)間累積速率最高,之后又逐漸下降,在灌漿中后期到成熟期干物質(zhì)含量不再增加,Cr含量增量亦減少。不同生育階段地上部分Cr的平均含量也不相同。在越冬至拔節(jié)期較高,之后降低。Cr的吸收量在不同生育時(shí)期的大小關(guān)系為:灌漿中-末期最高,返青-拔節(jié)期次之,出苗-分蘗期最小,為灌漿中-末期的1/5左右。Cr的日吸收速率與吸收量的變化有相似之處,也是在灌漿中-末期和返青-拔節(jié)期較高。其吸收速率由快到慢的次序?yàn)?在灌漿中-末期>返青-拔節(jié)期>拔節(jié)-揚(yáng)花期>灌漿末期-成熟>揚(yáng)花-灌漿初期>灌漿初-中期>分蘗-越冬期>出苗-分蘗期。其中,灌漿中-末期日吸收速率為出苗-分蘗期的14.7倍。2.2葉期土地cr含量的變化表4表明,隨著土壤中Cr含量的增加,三葉期地上部分和成熟期籽粒中相應(yīng)的Cr含量均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢;但其增加的數(shù)值小于成熟期根部的Cr含量。當(dāng)Cr濃度為500mg·kg-1時(shí),土壤實(shí)測Cr含量為517.70mg·kg-1,在成熟期根部的Cr含量為176.35mg·kg-1,此時(shí)籽粒中的Cr含量僅為2.34mg·kg-1,僅為根中Cr含量的1.32%。就地上部分器官中Cr含量而言,在成熟期,除400、500mg·kg-1的兩個(gè)處理外,每個(gè)Cr濃度處理下,根、地上部位和籽粒中的Cr含量均高于三葉期地上部位的Cr含量。成熟期籽粒Cr含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同期根中Cr含量。根、籽粒對(duì)Cr的富集系數(shù)表現(xiàn)出與含量不同的趨勢。表現(xiàn)出隨著Cr濃度增高而降低的趨勢,整個(gè)生育期中根部富集系數(shù)在33.07%~87.17%之間,根部富集系數(shù)最高值是在Cr濃度為0mg·kg-1時(shí),為87.17%。籽粒的富集系數(shù)最高值為1.372%,Cr籽粒富集系數(shù)在0.312%~1.372%之間。隨著土壤Cr含量的增高,其籽粒富集系數(shù)總體呈下降趨勢。在土壤Cr濃度為500mg·kg-1時(shí),其富集系數(shù)僅為0mg·kg-1時(shí)的4/9左右。說明小麥在富含重金屬Cr的土壤中,能夠通過一系列自身的保護(hù)措施,主要是根部對(duì)Cr的吸附和固定,限制重金屬Cr向地上各器官及籽粒的運(yùn)輸。土壤Cr含量、成熟期籽粒Cr含量和成熟期根部Cr含量之間符合一次線性函數(shù)關(guān)系,三葉期地上部分與籽粒Cr含量之間符合乘冪方程,其方程列于表5。土壤Cr含量、成熟期籽粒Cr含量之間回歸方程的r值均達(dá)到0.99以上(表5)。3討論3.1小麥體內(nèi)重金屬含量本研究結(jié)果表明,小麥在成熟時(shí),植株8個(gè)部位的Cr含量由大到小依次為:根>葉>廢棄物>葉鞘>穗軸>莖>穎殼>籽粒,這與Cr在水稻中的累積規(guī)律一致。成熟期,不同濃度的Cr在根和籽粒的富集系數(shù)也說明小麥的根能夠有效地固定重金屬Cr,從而減少Cr在籽粒中的含量。說明小麥根部對(duì)重金屬Cr的富集能力大于其莖葉和籽粒部分,此結(jié)果與Pb、Zn、Cd等重金屬在小麥中的富集規(guī)律結(jié)論相似。大田試驗(yàn)中,土壤實(shí)際Cr含量為395mg·kg-1,是國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的1.975倍(GB15618—1995),而籽粒中Cr含量為1.59mg·kg-1,略高于國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)(GB14961—1994)。而且,在收獲時(shí)應(yīng)將植株連根拔起,可以有效地避免根和其他部位的Cr殘留土壤,而且莖桿也不宜再用作飼料或漚肥,避免其重新進(jìn)入食物鏈。3.2水分吸收量r小麥的地上部分的干物質(zhì)累積增量集中在從拔節(jié)至揚(yáng)花開始快速增加。而按照本試驗(yàn)結(jié)果,Cr的吸收量在灌漿中-末期最高,返青-拔節(jié)期次之。在黃淮海地區(qū)小麥種植中,拔節(jié)和開花期正是春季灌溉的關(guān)鍵時(shí)期。因此,實(shí)際生產(chǎn)中,在關(guān)鍵時(shí)期灌溉時(shí)引入清水,或重點(diǎn)在這兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行修復(fù),能否進(jìn)一步有效降低籽粒Cr含量,我們將在以后的試驗(yàn)中進(jìn)一步加以研究。3.3根據(jù)樣品的最高下限預(yù)測出籽粒中cr含量是否超標(biāo)的原因,可根據(jù)糧食、三葉期所需量本試驗(yàn)建立了土壤Cr含量、成熟期籽粒Cr含量和成熟期根部Cr含量之間的回歸方程和三葉期地上部分與籽粒Cr含量之間的乘冪回歸方程。通過該方程,可以根據(jù)國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)確定土壤Cr含量的最高限量,也可以根據(jù)土壤、三葉期含量預(yù)測出籽粒中Cr含量是否超標(biāo),從而及早地進(jìn)行防治和采取相應(yīng)的措施