全 文 ：硅对土壤鄄烟草系统中铅迁移及形态分布的影响*
颜奕华1 摇 郑子成**摇 李廷轩1 摇 张锡洲1 摇 王摇 勇2
( 1四川农业大学资源环境学院, 成都 611130; 2四川省烟草公司凉山州公司, 四川西昌 615000)
摘摇 要摇 通过盆栽试验,以烟草为对象,研究了硅对土壤鄄烟草系统中铅的迁移以及土壤、烟
草中铅形态分布的影响. 结果表明: 施硅使非根际土壤可交换态铅向铁锰氧化物结合态转
化,使根际土中交换态铅向铁锰氧化物结合态和残渣态转化,降低了土壤中铅的植物有效性
与迁移性.施硅显著提高了烟草根部和叶部的生物量,显著降低了烟草铅的总吸收量和烟草
各器官的铅含量,其中烟草铅的总吸收量降低了 6. 5% ~ 44. 0% ,烟叶铅含量降低了 3. 1% ~
60. 4% .施硅使烟草根、茎和叶中乙醇提取态、去离子水提取态和氯化钠提取态向盐酸提取态
和残渣态转化,降低了烟草体内铅的毒性与迁移性.土壤鄄烟草系统中土壤向烟草根部的移动
指数和根部向茎部的移动指数随施硅量的增加而降低,烟草茎部向叶部的移动指数随着施硅
量的增加呈先增高后降低的趋势.硅通过降低土壤铅有效性、缓解铅对烟草的毒害、改变烟草
体内铅的形态分布,进而抑制土壤中铅向烟草叶部的迁移,降低烟叶中的铅含量.施硅是降低
土壤铅的迁移性及烟叶铅含量的有效措施.
关键词摇 硅摇 铅污染摇 根际摇 移动指数摇 化学形态
文章编号摇 1001-9332(2014)10-2991-08摇 中图分类号摇 X503. 2摇 文献标识码摇 A
Effect of silicon on translocation and morphology distribution of lead in soil鄄tobacco system.
YAN Yi鄄hua1, ZHENG Zi鄄cheng1, LI Ting鄄xuan1, ZHANG Xi鄄zhou1, WANG Yong2 ( 1College of
Resource and Environmental Science, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China;
2Liangshan Branch, Sichuan Tobacco Corporation, Xichang 615000, Sichuan, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. , 2014, 25(10): 2991-2998.
Abstract: Taking tobacco as test material, a pot experiment was conducted to study the effect of
silicon on translocation of lead (Pb) form soil to tobacco in order to explore effective measures for
reducing Pb concentration in tobacco leaf. The results showed that silicon application promoted the
transformation of exchangeable Pb into Fe鄄Mn oxide鄄bound Pb in non鄄rhizospheric soil, and into Fe鄄
Mn oxide鄄bound Pb and residual Pb in rhizospheric soil, which decreased the availability and
mobility of Pb in the soil. Silicon application significantly reduced the Pb uptake of tobacco, with
the content of Pb being decreased by 6. 5% to 44. 0% in tobacco, and 3. 1% to 60. 4% in leaf.
Silicon application promoted the transformation of ethanol鄄extractable, H2O鄄extractable Pb and
NaCl鄄extractable Pb into HCl鄄extractable Pb and residual Pb in root, stem and leaf of tobacco,
which reduced the toxicity and mobility of Pb in tobacco. Silicon restricted the transportation of Pb
from soil to tobacco leaf by reducing the mobility index of Pb from soil to root and the mobility index
of Pb from root to stem in soil鄄tobacco system. Meanwhile, the mobility index of Pb from stem to
leaf in soil鄄tobacco system showed a rising鄄and鄄falling trend with the increase of Pb application.
Silicon inhibited the Pb migration from soil to tobacco leaf by reducing availability of Pb, mitigating
toxicity of Pb to tobacco, and changing the distribution of Pb forms in tobacco, consequently reduc鄄
ing Pb concentration of tobacco leaf. These results demonstrated silicon application could be effec鄄
tive in reducing translocation of Pb from soil to tobacco.
Key words: silicon; lead pollution; rhizosphere; mobility index; chemical forms.
*四川省科技支撑计划项目(2014NZ0008)、四川省学术和技术带头人培养资金项目(2012)和四川省烟草公司凉山州公司项目(2011)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zichengzheng@ aliyun. com
2014鄄01鄄17 收稿,2014鄄07鄄10 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 10 月摇 第 25 卷摇 第 10 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2014, 25(10): 2991-2998
摇 摇 铅是一种对生态环境具有较大危害的重金属元
素.随着现代工农业的发展,土壤中铅污染日趋严
峻,这加剧了铅在土壤鄄作物鄄农产品途径的迁移[1],
进而危害人体健康[2] .降低铅在土壤鄄植物系统的迁
移,以降低农产品中铅含量显得非常必要.
硅是土壤中最为普遍的元素之一,施硅不仅可
提高农产品产量和改善农产品品质[3],还可降低土
壤重金属的有效性,影响植物对重金属的吸收和转
运[4-5] .有研究表明,酸性土壤中加入外源硅可增加
土壤对重金属铅的吸附,进而降低铅的有效性[6] .
杨超光等[7]研究表明,可溶性硅酸盐可使土壤中重
金属镉的可交换态向碳酸盐结合态和残渣态镉转
化,减少了玉米(Zea mays)对土壤中镉的吸收. Gu
等[4]研究表明,富硅材料不仅可与土壤中铅、铜、镉
等重金属形成硅酸盐沉淀,还可抑制铅、铜等重金属
在水稻(Oryza sativa)体内的运输. 硅可通过降低植
物对重金属的吸收、缓解重金属对植物的毒害、改变
植物体内重金属的形态分布等途径影响重金属在植
物体内的活性与迁移能力[5-8] .然而,硅对植物体内
重金属迁移性和形态分布的影响因重金属种类和植
物种类的不同而异. Rogall等[8]研究表明,黄瓜(Cu鄄
cumis sativus)吸收的硅在其体内可以与锰发生反
应,改变了锰在黄瓜体内的结合形态,降低了重金属
锰的毒性与迁移性. Ye 等[9]研究表明,硅可促进重
金属镉在秋茄 ( Kandelia obovata)根部细胞壁中
BaCl2提取态向柠檬酸钠提取态和盐酸提取态转化,
抑制根部镉的迁移性. Liu等[10]研究表明,硅增加了
龙葵( Solanum nigrum)根部重金属镉在乙醇提取
态、去离子水提取态、氯化钠提取态的分配比例,促
进龙葵根部镉向地上部的运输.
关于硅对土壤重金属迁移性及植物吸收重金属
的抑制效果的研究虽已取得了一定成果,但关于硅
对土壤鄄植物系统中铅迁移过程中形态转化的研究
较少,尤其是植物根际效应是否影响硅对土壤铅的
固定,硅能否改变植物体内铅形态分布而影响铅在
植物体内的运输,至今仍鲜见报道,尤其关于烟草
(Nicotiana tabacum)的研究甚少.烟草作为的重要经
济作物,对土壤铅具有较强的适应能力,且烟草吸收
铅后易向叶部转运[11],存在部分国产香烟与国外香
烟相比铅含量较高的现象[12] . 因此,本文以四川省
主栽烟草品种为研究对象,从土壤鄄植物系统角度出
发,系统研究硅对土壤鄄烟草系统中铅的移动指数、
烟草根际与非根际土壤铅的形态分布、烟草各器官
铅含量及铅形态分布的影响,以期为硅素在控制农
产品重金属含量的运用上提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
供试土壤为红壤,采自四川省西昌市烟田.土壤
基本性质如下:pH 5. 76,有机质 17. 71 g·kg-1,全
氮 1. 41 g·kg-1,碱解氮 215. 92 mg·kg-1,速效磷
16郾 00 mg·kg-1,速效钾 238. 11 mg·kg-1,土壤铅含
量 42. 86 mg · kg-1, 土壤有效铅含量 16郾 93
mg·kg-1 .
供试烟草为当地主栽的红花大金元,由四川省
烟草公司凉山州公司提供.外源铅为乙酸铅,添加的
外源硅为硅酸钠,氮、钾肥分别为硝酸铵和硫酸钾,
均为分析纯试剂.
1郾 2摇 试验设计
盆栽试验采用模拟污染土壤进行研究,参照
《国家土壤环境质量标准》(GB 15618—1995) [13]中
Pb含量二级标准,将试验土壤中 Pb 浓度设为 250
mg·kg-1(有效铅 109. 15 mg·kg-1).设置 4 种试验
处理:1)不施硅对照(CK);2)施硅 0. 145 g·kg-1
SiO2(Si1);3)施硅 0. 29 g·kg-1 SiO2(Si2);4) 施硅
0郾 58 g· kg-1 SiO2 ( Si3 ),每个处理重复 6 次,共
24 盆. 肥料施入量为 N 90 mg · kg-1、 K2 O 270
mg·kg-1 .
试验于 2012 年在凉山州烟草公司烟叶生产技
术推广应用中心试验基地进行.将土壤风干后混匀,
装入 10 L塑料桶,每桶装土 15 kg.在移栽前 45 d将
乙酸铅用 1 L水溶解后,调节 pH 至 6. 0,加入土壤
中拌匀.移栽前 15 d将硅酸钠及基肥分别用 1 L 水
溶解后,调节 pH至 6. 0,加入土壤中拌匀.采用根袋
试验,根袋用 400 目尼龙纱网自制(直径 25 cm,高
35 cm),将根袋放入塑料盆中,根袋预先装土埋在
盆中,上口与土表平齐,下口封底. 土壤盆栽按行株
距 100 cm伊50 cm随机排列.烟草包衣种子经漂盘育
苗后,选择长势一致的烟苗移栽至根袋内,每盆种 1
株.移栽后管理均按大田常规进行.
1郾 3摇 样品采集与制备
在烟草移栽 60 d 后采样. 土壤分为根际(根袋
内)与非根际土(根袋外)采集. 经自然风干、磨碎,
过 2 mm筛,取一部分过 100 目筛备用.植株样品用
自来水冲洗干净,再用蒸馏水润洗,然后用吸水纸擦
干.其中每处理 3 株分为根、茎、叶储存于-70 益冰
箱.另外 3 株分为根、茎、叶,在 105 益下杀青 30
min,再将温度降至 75 益烘干至恒量,磨碎密封
2992 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
保存.
1郾 4摇 重金属铅含量测定
土壤 Pb 全量测定采用 HNO3 颐 HClO4 颐 HF
(V 颐 V 颐 V=4 颐 2 颐 1)法消解[14] . 植物中铅含量测
定采用 HNO3 颐 HClO4 (V 颐 V=4 颐 1)法消解[14] . 土
壤铅形态分析采用 Tessier 连续浸提法[15] . 铅在植
物体内铅的化学形态分析参照 Wu 等[16]方法测定.
所有土壤、烟草的铅含量均用火焰原子吸收分光光
度计(TAS鄄990,北京)测定.
1郾 5摇 数据分析
铅的迁移过程分为 3 个阶段:1)土鄄根;2)根鄄
茎;3)茎鄄叶.分别计算 3 个阶段的移动指数(mobili鄄
ty index,MI),土鄄根移动指数 MIs鄄r =根的铅浓度 /土
的铅浓度、根鄄茎移动指数 MIr鄄s =茎的铅浓度 /根的
浓度、茎鄄叶移动指数 MIs鄄l =叶的铅浓度 /茎的铅
浓度.
采用 Microsoft Excel 2007 软件整理数据, DPS
11. 0 软件进行数据的方差分析及多重比较( LSD
法).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 硅对烟草根际与非根际土壤中铅形态的影响
由表 1 可知,与对照处理相比,施硅处理非根际
土可交换态铅含量显著降低,随着施硅量的增加,可
交换态铅含量逐渐降低. 非根际土铁锰氧化物结合
态铅含量显著增加,有机结合态铅含量呈升高趋势,
碳酸盐结合态及残渣态铅含量的变化趋势不明显.
说明施硅可使土壤中活性较高的可交换态铅向活性
更低的铁锰氧化物结合态和有机结合态铅转化,降
低了土壤中铅的植物有效性与迁移性.
摇 摇 与非根际土相比,各处理根际土可交换态铅含
量呈升高趋势,铁锰氧化物结合态铅和残渣态铅含
量呈降低趋势,说明烟草根际环境对土壤中铅具有
活化作用,增加了土壤中铅向烟草体内迁移的风险.
与对照处理相比,施硅处理根际土可交换态铅呈下
降趋势,且随着铅处理浓度的升高显著降低;铁锰氧
化物结合态、有机态和残渣态铅呈上升趋势,且随着
铅处理浓度的升高显著增加. 说明虽然烟草根际环
境对土壤铅具有活化作用,施硅仍然可使土壤可交
换态铅向铁锰氧化物结合态、有机态和残渣态铅转
化,降低根际土壤中铅的植物有效性和迁移性.
2郾 2摇 硅对烟草生物量及吸收铅的影响
2郾 2郾 1 硅对烟草生物量的影响 摇 由图 1 可知,施硅
处理下烟草根部和叶部生物量与对照处理相比均有
不同程度的增加,随着施硅量的增加烟草根部和叶
部生物量呈上升趋势,且在 Si3 处理下显著升高,表
明施用一定量的硅可促进烟草根系和叶部的生长.
施硅处理对烟草茎部生物量无显著影响.
2郾 2郾 2 硅对烟草吸收铅的影响 摇 由图 1 可知,与对
照处理相比,施硅处理烟草根部、茎部和叶部的铅含
量均有不同程度的降低,Si3 处理铅含量的降低幅度
最大,分别比对照处理降低了 33. 6% 、57. 8% 和
60郾 4% . Si1 处理烟草根部、茎部和叶部的铅含量与
对照处理无显著差异;而 Si3 处理烟草根、茎和叶部
铅含量均显著降低. 说明施用一定量的硅可有效降
低烟草体内铅含量.
摇 摇 由表 2 可知,施硅可不同程度降低烟草对铅的
吸收量.与对照处理相比,施硅处理铅的总吸收量呈
下降趋势,随着硅施用量的增加,铅的总吸收量逐渐
降低,且在 Si3 处理时铅的总吸收量降幅最大,与对
照处理相比降低了 44. 0% .铅在烟草茎部和叶部的
分配与总吸收量呈类似的变化趋势,在Si3处理分
表 1摇 硅对烟草根际(R)与非根际(NR)土壤中铅形态的影响
Table 1摇 Effect of silicon on chemical forms of Pb in rhizospheric (R) and non鄄rhizospheric (NR) soil (mg·kg-1)
处理
Treatment
土壤
Soil
可交换态
Exchangeable
碳酸盐结合态
Carbonate鄄bound
铁锰氧化物结合态
Fe鄄Mn oxide鄄bound
有机结合态
Organic鄄bound
残渣态
Residual
CK NR 61. 30依2. 10a 34. 36依2. 35a 75. 45依4. 70b 10. 44依0. 93b 57. 62依0. 73a
R 60. 11依4. 54ab 35. 08依2. 28a 69. 27依3. 02b 7. 70依0. 76c* 32. 50依0. 76b*
Si1 NR 53. 80依1. 51b 34. 18依3. 10a 95. 05依3. 14a 12. 04依0. 79ab 49. 70依1. 66b
R 61. 71依2. 52a* 40. 68依6. 36a 64. 07依4. 68b* 14. 60依0. 39a 36. 83依2. 32ab*
Si2 NR 44. 98依1. 11c 33. 78依1. 31a 96. 71依4. 97a 13. 90依0. 78a 60. 62依1. 45a
R 56. 53依2. 03ab* 30. 68依4. 44a 61. 33依1. 35b* 14. 65依0. 05a 38. 67依1. 92a*
Si3 NR 40. 42依1. 53c 36. 34依1. 73a 89. 65依5. 43a 12. 42依1. 35ab 60. 28依2. 03a
R 51. 55依2. 06b* 43. 76依1. 44a 85. 30依7. 70a 11. 80依0. 49b 42. 33依1. 92a*
不同小写字母表示不同铅处理间差异显著(P<0. 05) Different small letters showed the significant difference among Pb treatments at 0. 05 level. *表
示根际与非根际土间差异显著(P<0. 05) The * showed the significant difference between non鄄rhizospheric and rhizospheric soil at 0. 05 level. 下同
The same below.
399210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 颜奕华等: 硅对土壤鄄烟草系统中铅迁移及形态分布的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 1摇 硅对烟草各器官生物量和铅含量的影响
Fig. 1摇 Effect of silicon on biomass and Pb concentration of va鄄
rious organs of tobacco.
同一器官不同字母表示处理间差异显著(P<0. 05)Different letters in
the same organs meant significant difference among treatments at 0. 05
level. 下同 The same below.
别比对照处理降低了 60. 9%和 51. 4% .施硅处理与
对照处理根部铅吸收量无显著差异,说明施硅有利
于根系对烟草体内铅的截留作用,抑制铅在烟草地
上部的分配.
2郾 3摇 硅对烟草体内铅形态分布的影响
利用不同的化学提取剂可将烟草体内铅分为乙
醇提取态铅(FE)、去离子水提取态铅(FW)、氯化钠
提取态铅(FNaCl)、醋酸提取态铅(FHAC)、盐酸提取态
铅(FHCl)和残渣态铅(FR).由表 3 可知,在对照处理
中烟草根部铅主要为 FE和 FW,说明铅在烟草根部
具有较强的迁移性. 施硅对烟草根部各铅形态含量
的影响因施硅量的不同而异. 与对照处理相比,Si1
处理根部 FW含量显著升高,FHAC含量显著降低,其
余形态铅含量差异不显著. Si2 处理根部 FE含量显
著降低,FHCl含量显著升高,其他形态铅含量无显著
差异. Si3 处理根部 FE、FNaCl含量显著降低,FHCl和 FR
图 2摇 硅对烟草体内各器官不同形态铅分布比例的影响
Fig. 2摇 Effect of silicon on Pb distribution of different forms in
organs of tobacco.
A:根 Root; B:茎 Stem; C:叶 Leaf. FE、FW、FNaCl、FHAc、FHCl和 FR分
别表示 80%乙醇提取态、去离子水提取态、1 mol·L-1NaCl 提取态、
2%醋酸提取态、0. 6 mol·L-1盐酸提取态和残渣态 FE, FW, FNaCl,
FHAc, FHCl and FR represented the fractions extracted by 80% ethanol,
deionized water, 1 mol·L-1NaCl, 2% acetic acid, 0. 6 mol·L-1HCl
and residual, respectively.
含量显著升高.由图 2 可知,Si1 处理对烟草根部铅
形态分布的影响较小,Si2 处理较对照处理烟草根部
FE分配比例下降 9. 3% ,FR上升 10. 2% . Si3 处理与
对照处理相比 FE分配比例、FNaCl分配比例分别降低
分别下降 25. 5%和 3. 3% ,FHCl和 FR分配比例分别
升高 20. 0%和 7. 9% ,说明在土壤中施入一定量的
硅可使烟草根部 FE、FNaCl向活性更低的 FHCl和 FR转
化,降低根区铅的活性与迁移性.
表 2摇 硅对烟草铅吸收量的影响
Table 2摇 Effect of silicon on Pb uptake of tobacco (滋g·plant-1)
处理 Treatment 根 Root 茎 Stem 叶 Leaf 总吸收量 Total
CK 283. 20依17. 92a 265. 41依7. 95a 859. 98依43. 92a 1408. 59依38. 14a
Si1 323. 27依7. 89a 204. 50依12. 20b 789. 08依122. 66a 1316. 86依110. 20ab
Si2 276. 28依30. 73a 135. 20依15. 06c 694. 38依80. 14ab 1105. 86依108. 13b
Si3 266. 20依36. 60a 103. 71依5. 63c 418. 39依98. 08b 788. 30依72. 04c
4992 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 3摇 硅对烟草各器官不同形态铅的影响
Table 3摇 Effect of silicon on chemical forms of Pb in various organs of tobacco (mg·kg-1)
器官
Organ
处理
Treatment
不同形态铅含量 Pb concentration of different chemical forms
FE FW FNaCl FHAc FHCl FR
根 CK 5. 31依0. 33a 1. 56依0. 16bc 3. 89依0. 10a 2. 03依0. 15a 1. 84依0. 14c 1. 84依0. 17b
Root Si1 4. 73依0. 21a 2. 15依0. 03a 4. 24依0. 24a 1. 59依0. 03b 1. 59依0. 06c 1. 54依0. 10b
Si2 3. 87依0. 05b 1. 85依0. 13ab 4. 09依0. 10a 1. 90依0. 03ab 3. 61依0. 19b 1. 56依0. 07b
Si3 1. 00依0. 08c 1. 42依0. 05c 3. 06依0. 08b 1. 99依0. 16a 4. 66依0. 07a 2. 85依0. 23a
茎 CK 0. 91依0. 29a 0. 78依0. 11a 1. 92依0. 15a 1. 00依0. 15ab 0. 94依0. 13ab 0. 23依0. 03b
Stem Si1 0. 91依0. 07a 0. 59依0. 08b 1. 76依0. 09a 1. 09依0. 07a 1. 08依0. 12a 0. 28依0. 05b
Si2 0. 40依0. 03b 0. 60依0. 07b 1. 32依0. 05b 0. 90依0. 04b 0. 90依0. 11ab 0. 25依0. 03b
Si3 0. 35依0. 02b 0. 46依0. 07b 1. 23依0. 17b 1. 14依0. 08a 0. 83依0. 07b 0. 81依0. 12a
叶 CK 0. 73依0. 02a 0. 92依0. 04a 2. 49依0. 10a 0. 96依0. 05a 0. 98依0. 03a 0. 37依0. 04b
Leaf Si1 0. 61依0. 01b 0. 59依0. 04c 1. 75依0. 03b 0. 84依0. 03a 0. 99依0. 03a 0. 44依0. 02ab
Si2 0. 65依0. 06ab 0. 74依0. 05b 1. 36依0. 03c 0. 69依0. 04b 1. 01依0. 04a 0. 40依0. 02b
Si3 0. 39依0. 01c 0. 23依0. 04d 1. 44依0. 08c 0. 62依0. 04b 0. 75依0. 04b 0. 50依0. 03a
FE、FW、FNaCl、FHAc、FHCl和 FR分别表示 80%乙醇提取态、去离子水提取态、1 mol·L-1NaCl提取态、2%醋酸提取态、0. 6 mol·L-1盐酸提取态和
残渣态 FE, FW, FNaCl, FHAc, FHCl and FR represented the fractions extracted by 80% ethanol, deionized water, 1 mol·L-1NaCl, 2% acetic acid, 0郾
6 mol·L-1HCl and residual, respectively. 下同 The same below.
摇 摇 由表 3 可知,与对照处理相比,施硅处理烟草茎
部 FE、FW和 FNaCl含量呈下降趋势,FHAC和 FHCl含量无
显著差异,FR含量呈上升趋势,其中在 Si3 处理下达
到显著水平.由图 3 可知,与对照处理相比,施硅处
理烟草茎部 FE、FW和 FNaCl分配比例呈下降趋势,
FHAC、FHCl和 FR分配比例呈上升趋势,且 Si3 处理下
变化幅度最大. 说明施硅可使烟草茎部 FE、FW和
FNaCl向 FHAC、FHCl和 FR转化,降低烟草茎部铅的活性
与迁移性.与对照相比,施硅处理烟草叶部 FE、FW、
FNaCl和 FHAC含量呈下降趋势,FHCl在 Si3 处理下显著
降低,FR在 Si3 处理下显著升高.在 Si1 和 Si2 处理下
各形态比例变化较小,在 Si3 处理下烟草叶部 FE、FW
分配比例大幅降低,FHCl和 FR分配比例大幅升高.说
明施硅使烟草叶部活性较高的乙醇提取态和去离子
水提取态向活性较低的盐酸提取态和残渣态转化,
降低了烟草叶部铅的活性.
2郾 4摇 硅对土壤鄄烟草系统中铅迁移的影响
由图 3 可知,与对照处理相比,施硅处理 MIs鄄r呈
图 3摇 硅对土壤鄄烟草系统中铅移动指数的影响
Fig. 3摇 Effect of silicon on mobility index of Pb in soil-tobacco
system.
下降趋势,且在 Si3 处理下降幅最大. MIr鄄s也呈下降
趋势,且在 Si2 处理下 MIr鄄s有明显降低.施硅处理下
MIs鄄l呈先升高后降低的趋势. 说明施用一定量的硅
可抑制烟草对土壤铅的吸收及烟草根部铅向茎部的
运输.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 硅对土壤铅形态转化的影响
硅是土壤中最丰富的元素之一,虽未被列为植
物生长的必需元素,但其在对植物生长发育、营养吸
收和缓解重金属毒害等方面有促进作用[3,5] . 硅酸
盐材料施入土壤后可通过改变土壤 pH、吸附、沉淀
等过程影响土壤重金属形态分布,降低土壤铅的植
物有效性与迁移性[17-18] . 首先,碱性硅酸盐材料施
入土壤后可提高土壤 pH 从而降低土壤铅的迁移
性;其次,硅酸根离子可与土壤中的铅离子形成不易
被植物吸收的硅酸铅沉淀,降低土壤铅向植物迁移
的风险[4];再次,硅酸盐材料可通过吸附或配合作
用降低土壤铅的迁移性[6,17] . 本研究为了排除施硅
后土壤 pH的变化对土壤铅形态的影响,试验设计
中在加入硅酸钠溶液前用稀硫酸调节 pH至 6. 0.试
验结果表明,施硅使非根际土壤中活性较高的可交
换态铅向活性较低的铁锰氧化物结合态和有机态铅
转化.这是因为施硅促进了土壤对铅的吸附使土壤
铅向铁锰氧化物结合态转化[19] . 同时,施硅可促进
土壤有机质与土壤粘土矿物、氧化物等结合形成有
机胶体和有机鄄无机复合胶体,通过有机胶体与土壤
铅的结合而使部分铅向有机结合态转化[20] .有研究
表明,土壤中硅酸根离子可与铅离子形成沉淀而使
599210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 颜奕华等: 硅对土壤鄄烟草系统中铅迁移及形态分布的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
土壤重金属向残渣态转化[6],而本研究中施硅处理
下,非根际土残渣态铅含量无显著升高,这可能是由
于硅酸根离子进入土壤后活性硅会很快向无定型硅
转化[21],限制了硅酸铅沉淀的生成.
由于植物根系活动及微生物效应使根际土壤在
pH、氧化还原电位(Eh)、矿物质和有机物质等方面
不同于非根际土壤,进而影响土壤中重金属的形态
分布[22-23] .根际环境是土壤与植物相互作用的结
果,不同土壤类型及植物种类的根际环境有着很大
差异.林琦等[22]研究表明,红壤植麦和植稻后土壤
交换态铅表现为根际>非根际,说明植物根际效应
对土壤铅有一定活化作用. 杜兵兵等[23]研究表明,
苦丁茶从非根际土壤到根际土壤呈现出生物有效性
较大的碳酸盐态、铁锰氧化物结合态、有机态铅向残
渣态铅转化,表明苦丁茶树的根际效应对铅有效性
具有一定的抑制作用. 本研究中根际土与非根际土
壤相比,可交换态铅含量呈上升趋势,铁锰氧化物结
合态和残渣态铅含量呈下降趋势,说明烟草根际效
应对土壤铅具有活化作用. 虽然施硅后土壤中铅的
形态分布仍受烟草根际效应的影响,但施硅处理与
对照处理相比根际土壤中的铅向铁锰氧化物结合
态、有机态和残渣态铅转化,降低了根际土壤中铅的
迁移性.施硅对非根际土壤中残渣态铅含量无显著
影响,但根际土中残渣态铅含量显著增加.这可能因
为根际环境促进了土壤中部分铅和无定型硅的溶
解[17,21],而形成硅酸铅沉淀使部分铅向残渣态转
化[24] .在不同施硅处理中,较高的施硅处理(Si3)对
铅活性的抑制效果最佳,说明适量增加施硅量有利
于增加硅对土壤中铅迁移性的抑制效果.
3郾 2摇 硅对土壤鄄烟草系统中铅迁移转化的影响
铅在土壤鄄植物系统的迁移受土壤铅有效性、植
物根表吸附或沉淀、植物体内有机配体对铅的结合、
植物蒸腾作用等多因素影响. 植物根系吸收根际土
壤中有效态铅后,植物体内组织中纤维素、果胶、蛋
白质等可与铅结合,根部不同组织作为一种屏障抑
制了铅在非原生质体和共质体之间的运输[25],部分
铅进入木质部后通过蒸腾作用随水分向地上部运
输.施硅可通过降低土壤铅的有效性、保护根系细胞
膜的选择透过性、影响植物体内铅的形态分布而影
响土壤鄄植物系统中铅的迁移过程[5] .本研究中施硅
处理与对照处理相比,MIs鄄r呈下降趋势,且随着施硅
量的增加 MIs鄄r逐渐降低.说明施硅处理抑制了土壤
中铅向烟草根部的迁移.施硅后烟草铅的总吸收量、
根茎叶铅含量呈下降趋势,且随着施硅量的增加显
著降低,且在 Si3 处理时,烟草铅的总吸收量及各器
官铅含量均最低.这一方面是因为施硅后根际与非
根际土壤中铅的有效性均有不同程度降低,直接抑
制了烟草对铅的吸收. 另一方面可能是因为硅缓解
了铅毒害引起的自由基对植物细胞膜的损害,保护
根系细胞膜的完整性,抑制铅进入根部细胞[26] .
施硅不仅可降低土壤重金属有效性而降低植物
对重金属的吸收,还可改变植物体内重金属的形态
分布而影响其运输过程. 重金属进入植物体内后主
要以结合态存在,而硅对植物根部重金属形态分布
的影响因植物种类及重金属的不同而异[8-10] .利用
不同的化学提取剂可针对性地提取植物体内不同形
态的金属化合物,其中:80%乙醇主要提取无机盐、
氨基酸盐等可溶性盐;去离子水主要提取与水溶性
物质结合的部分如水溶性有机酸盐等;氯化钠可提
取与蛋白质结合或吸着态的重金属及果胶盐等;醋
酸提取难溶于水的重金属磷酸盐;盐酸提取草酸盐
等.铅在植物体内的迁移性及对植物的毒性与其在
植物器官组织中的化学形态密切相关. FE及 FW对植
物细胞的毒害性、移动性最大,FNaCl次之,FHAC、FHCl
和 FR较稳定且对植物毒害最小[27] . 本研究中施硅
促进了烟草根部 FE、FNaCl向活性更低的 FHCl和 FR转
化,降低根部铅的活性与迁移性,使施硅处理与对照
处理相比 MIr鄄s呈下降趋势,促进了烟草根系对铅的
截留作用,说明硅可改变烟草根部铅的形态分布、降
低铅的毒性,抑制烟草体内铅向地上部的迁移.
植物木质部存在较多的水溶性氨基酸和有机
酸,能够与重金属离子结合形成复合物,并以复合物
的形式在木质部中运输,这加剧了铅在植物地上部
的迁移性. Gu 等[4]研究表明,硅可抑制水稻茎部铅
向叶部的运输. 本研究中各施硅处理 MIs鄄l介于
0. 88 ~ 1. 21之间,说明烟草茎部铅易于向叶部运输.
与对照处理相比,施硅处理 MIs鄄l呈先升高后降低的
趋势,且在 Si3 处理时达到最低. 在较低施硅处理
(Si1、Si2)时,FE、FW和 FNaCl分配比例的变化较小.在
较高施硅量 (Si3)下,FE、FW和 FNaCl含量显著降低,
FR含量显著升高.这使 MIs鄄l与其他处理相比有不同
程度的降低,抑制了铅由茎部向叶部的转运.说明一
定施硅量不仅可抑制烟草根部重金属铅向地上部分
转运,还可影响铅由茎部向叶部的运输.这与硅促使
植物体内重金属更多地被带负电荷的基团束缚,降
低植物细胞壁孔隙度进而促进重金属在细胞壁的沉
积等途径有关[18,28] . 研究结果表明,硅对烟草体内
铅由茎部向叶部转运过程的影响因施硅量的不同而
6992 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
异,这是由于硅不仅改变重金属在植物体内的形态
分布,还可通过改变植物蒸腾速率和渗透调节物质
等途径影响植物地上部重金属的运输[5,29],其过程
较为复杂,导致这一现象的机理有待进一步研究.在
烟草叶片中施硅处理与对照处理相比,FE、FW、FNaCl、
FHAC和 FHCl呈下降趋势,FR呈上升趋势,且在 Si3 处
理下各形态变化均达到显著水平. 这一方面是因为
施硅降低了烟草叶部铅含量而降低了 FE、FW、FNaCl、
FHAC和 FHCl含量;同时,由烟草叶部铅形态分配比例
可知,施硅促进了烟草叶部铅的 FE、FW向 FHCl、FR转
化,降低了铅对烟草叶部的毒害,这说明硅可降低烟
草叶部铅含量与活性铅的分配比例而缓解了铅对烟
草叶部的毒害.
在土壤鄄烟草系统中,硅通过减少烟草对铅的吸
收、缓解铅对烟草的毒害、抑制烟草根部铅向叶部的
运输而降低烟草叶部铅含量. 这一结果与李淑仪
等[29]对硅影响土壤鄄蔬菜系统中铬迁移的研究结果
相似.研究表明,硅对植物体内重金属迁移的影响与
硅减小水稻根系细胞壁孔隙度,进而降低重金属在
质外体运输路径的通透性有关[28] .植物质外体部分
可通过吸附、沉淀、络合等途径抑制铅在体内的迁移
性[30-31],然而这种抑制能力因植物种类、重金属浓
度等因素的不同而异[32] .硅不仅可促使植物体内铅
更多地分布于质外体中[8],而且还使质外体中活性
较高的重金属形态向更低活性的铅形态转化[8-9] .
硅可通过与植物体内重金属形成硅酸盐沉淀[33]、保
护植物细胞的完整性[34]、影响植物体内抗氧化酶活
性[17]等途径缓解重金属的毒害进而抑制铅在植物
体内的运输.本研究结果表明,硅可使烟草体内毒性
与迁移性较高的 FE、FW和 FNaCl向活性更低的 FHCl和
FR转化,抑制烟草体内铅向叶部的运输. 由此看来,
硅对烟草体内铅形态分布的影响,一方面是因为硅
降低了铅在烟草体内质外体的运输路径的通透性而
促进铅与植物体内化合物结合,进而使铅向活性更
低的形态转化;另一方面可能是因为硅在烟草体内
与铅形成硅酸盐沉淀而降低了铅的迁移性.
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作者简介摇 颜奕华,男,1988 年生,硕士研究生.主要从事土
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责任编辑摇 肖摇 红
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