全 文 :农业环境科学学报 2007,27(1):0099-0104
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:通过水培试验,研究了有机和无机形态氮对两种生态型东南景天生长和镉积累的影响。结果表明,无论在低镉(10μmol·
L-1)还是高镉(100μmol·L-1)条件下,与对照(T1)相比,外加无机形态氮(尿素)均能显著提高两种生态型东南景天地上部的生物量和叶
绿素含量(P<0.05);在低镉条件下,外加无机形态氮只能显著提高超积累生态型东南景天地上部镉积累量和非超积累生态型东南景
天根部镉积累量(P<0.05),在高镉条件下,外加无机形态氮对两种生态型东南景天体内镉积累量没有显著影响(P>0.05)。而无论在低
镉还是高镉条件下,与对照(T1)相比,外加有机形态氮(精氨酸)能显著降低超积累生态型东南景天根系的生物量和叶绿素含量(P<
0.05);在低镉条件下,外加有机形态氮能显著提高两种生态型东南景天体内镉含量(P<0.05),在高镉条件下,外加有机形态氮对两种
生态型东南景天体内镉含量没有显著影响(P>0.05)。
关键词:有机氮;无机氮;超积累;东南景天;镉;植物修复
中图分类号:X503.233 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2008)01-0099-06
收稿日期:2007-02-15
基金项目:国家重点基础研究发展规划“973”项目(2002CB410804);教
育部长江学者和创新团队发展计划(IRT0536);上海市农委
攻关项目(2004SA)
作者简介:李继光(1981—),男,辽宁沈阳人,硕士,助教,主要从事环
境生态、污染环境控制和生物修复等方面研究。
E-mail:lijiguangljg@163.com
有机肥和无机肥的配合施用能发挥肥料的交互
作用来增加产量[1~3]。以往的施肥研究中通常采用不
等养分设计,即在无肥区施用有机肥,或在施用有机
肥的基础上增施化肥。这难以说明是有机肥自身的作
用还是其所含的氮、磷、钾养分的作用[4、5]。黄德明建议
把有机肥料的施用技术纳入推荐施肥的内容[6]。
近年来,重金属超积累植物已引起国内外诸多学
者的浓厚兴趣,并认为超积累植物在重金属污染土壤
的植物修复(phytoremediation)[7、8]和植物采矿(phyto-
mining)[9、10]等方面具有广阔的前景。植物提取修复
有机和无机氮对东南景天生长和镉积累的影响比较
李继光 1,2,林国林 3,杨春文 1,柳 丹 4,李廷强 2,杨肖娥 2
(1.牡丹江师范学院生物系,黑龙江 牡丹江 157012;2.浙江大学环境与资源学院,浙江 杭州 310029;3.沈阳农业大学土地与
环境学院,辽宁 沈阳 110161;4.浙江林学院旅游与健康学院,浙江 临安 311300)
EfectsofOrganicandInorganicNitrogenonGrowthandCadmiumaccumulationofSedumalfrediHance
LIJi-guang1,2,LINGuo-lin3,YANGChun-wen1,LIUDan4,LITing-qiang2,YANGXiao-e2
(1.BiologyDepartment,MudanjingTeachersColege,Mudanjiang157012,China;2.ColegeofEnvironmentalandResourcesScience,Zhe-
jiangUniversity,Hangzhou310029,China;3.ColegeofLandandEnvironmentalScience,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang
110161,China;4.SchoolofTourismandHealth,ZhejiangForestryColege,Linan311300,China)
Abstract:TheefectsoforganicandinorganicnitrogenonplantgrowthandcadmiumabsorbabilityandaccumulationintwoecotypesofSe-
dumalfrediHancewereinvestigatedusinghydroponicculture.Comparedwiththecontrol(T1),theapplicationofinorganicnitrogen(urea)
markedlyincreasedthebiomass(dryweight)ofshootandrootandchlorophyla,bcontentoftwoecotypeSedumalfrediHanceunderboth
lowcadmium(10μmol·L-1)andhighcadmium(100μmol·L-1)treatments(P<0.05).Atlowcadmium,onlyCdconcentrationinhyperaccumu-
latingecotype(HE)shootandnon-hyperaccumulatingecotype(NHE)rootincreasedmarkedlyunderthetreatmentwithinorganicnitrogen(P<
0.05).Athighcadmium,theapplicationofinorganicnitrogenhadnosignificantefectontheconcentrationofCdintwoecotypesofSedum
alfrediHance(P>0.05).Whileatbothlowcadmiumandhighcadmium,comparedwiththecontrol,thebiomass(dryweight)ofshootandroot
andchlorophylcontentofHEdeclinedmarkedlywhenappliedwithorganicnitrogen(arginine)(P<0.05).Atlowcadmium,theapplicationof
organicnitrogenincreasedmarkedlytheconcentrationofCdintwoecotypesofSedumalfrediHance(P<0.05),buthadnosignificantefect
onconcentrationofCdintwoecotypesofSedumalfrediHanceathighcadmium(P>0.05).
Keywords:organicnitrogen;inorganicnitrogen;hyperaccumulation;SedumalfrediHance;cadmium;phytoremediation
2008年1月
(phytoremediation)技术是近年来国际上兴起的一种治
理重金属污染土壤的新技术[11、12],并有望成为一项具
有广阔应用前景的治理重金属污染土壤的全新技
术[13~15]。目前,推广和应用植物提取修复技术的主要
障碍是超积累植物生长慢、生物量小和修复效率偏
低[12、16]。为此,各国学者就提高超积累植物的生物产量
和积累重金属的能力作了大量研究,其中通过采取有
效的辅助农艺措施,改良土壤环境提高超积累植物的
生长速度和生物产量以及地上部的重金属积累量,是
达到提高修复效率的有效手段。土壤中的氮素大多不
能满足作物对氮素养分的需求,这就要靠施肥来予以
补充和调节,氮肥适宜用量的确定,在施用中至关重
要,氮肥推荐是推荐施肥的核心[17]。
东南景天(SedumalfrediHance)是在我国境内新
发现的一种Cd超积累植物[18]。这种植物不仅生物量
较大、对 Cd具有超积累,而且具有多年生、无性繁
殖、适于刈割的特点,是实施植物修复和研究超积累
机制的良好材料[12、18]。但是,目前对优化东南景天修复
效率的农艺措施研究不多,而氮肥对其生物产量以及
地上部Cd积累量的影响尚未开展研究。Cd超积累植
物在施加 Cd处理后,体内会积累高浓度的 Cd,外源
性施加氮肥可能会对 Cd的吸收、转运和植物体内的
分布产生一定影响。本文通过水培试验,在比较不同
的氮形态对不同 Cd水平下东南景天的生物产量以
及地上部的重金属Cd积累量的影响,为Cd超积累
植物东南景天的进一步开发和利用提供参考依据。
1 材料与方法
1.1供试材料
1.1.1供试植物
两种生态型东南景天(SedumalfrediHance),一种
取自浙江省衢州市的一个古老铅镉矿,称为超积累生
态型(hyperaccumulatingecotypeHE);另一种取自浙江
省杭州市郊茶园地,称为非超积累生态型(non-hyper-
accumulatingecotypeNHE)。
1.1.2植物培养与处理
本实验在人工气候室进行,完全营养液的基本组
成为:Ca(NO3)2·4H2O2.00mmol·L-1,KH2PO40.10
mmol·L-1,MgSO4·7H2O0.50mmol·L-1,KCl0.10mmol·
L-1,K2SO40.70mmol·L-1,H3BO310.00mmol·L-1,
MnSO4·H2O0.50mmol·L-1,ZnSO4·7H2O1.0μmol·L-1,
CuSO4·5H2O0.20μmol·L-1,(NH4)6Mo7O24 0.01μmol·
L-1,Fe-EDTA100μmol·L-1。
将两种生态型东南景天用自来水冲洗干净,剪成
2~3cm大小均匀一致的枝条,用营养液预培养18d
左右(长出比较旺盛的根系),开始进行不同形态氮及
高、低镉处理。氮分为4个处理即营养液本底(T1)、尿
素 CO(NH2)2(T2)、精氨酸 C6H14N4O2 (T3)、精氨酸
C6H14N4O2+尿素CO(NH2)2(T4),施加浓度为笔者上一个
实验结果所得的最适氮素浓度为16mmol·L-1 [19];低
镉水平为 10μmol·L-1、高镉水平 100μmol·L-1,镉以
CdCl2·2.5H2O水溶液加入,另设一对不施加镉的对照
处理CK(营养液本底值)。每处理重复3次。处理营养
液除氮、镉浓度变化外其他营养元素和浓度均保持不
变。生长期间观察植物的长势和症状表现。每天测定
营养液的 pH值,并用 0.1mmol·L-1NaOH或 0.1
mmol·L-1HCl调节营养液pH值至5.5,保持24h连续
通气,每3d更换营养液一次。处理16d后收获.分别
于处理前和结束时取样,先反复用自来水将根冲洗干
净,再用 20mmol·L-1Na-EDTA交换 15min,去除根
系表面吸附的 Cd2+,最后用去离子水冲洗干净,用吸
水纸将植株根表水吸干,将鲜样分为地上部和根系两
部分。称取一定量植物鲜样先在 105℃下杀青 30
min,然后在70℃下烘干恒重,测定其干物重。再用不
锈钢粉碎机磨碎,过60目尼龙网筛后,供分析测定。
1.2测定方法与数据分析
植株中 Cd的分析测定:称取 0.100g烘干磨碎
样,用硫酸∶硝酸∶高氯酸(V/V,1∶8∶1)消煮植物样品,定
容,过滤,采用原子吸收分光光度计(岛津 AA-6800
型)测定Cd。叶绿素:叶片叶绿素含量参考张志良的方
法[20]。根系长度、根系表面积、根系直径、根系体积等
采用全自动根系扫描分析仪测定,分析软件为 Re-
gentinstruments公司提供的WinRHIZO。所有数据采
用SPSS10.0分析软件进行处理。
2 结果与分析
2.1有机和无机氮对高、低镉处理下两种生态型东南
景天生长发育的影响
镉处理的超积累生态型东南景天正常生长,未表
现任何的异常毒害症状,且随镉水平的增加东南景天
趋于旺盛生长,侧根发达,尤其是在高镉(100μmol·
L-1)水平下效果更为显著。非超积累生态型东南景天
表现不同,无氮有镉处理条件下,其出现明显的镉毒
害症状:低镉(10μmol·L-1)处理条件下,植株矮小,根
系发黑腐烂 ,叶片失水萎蔫以及严重失绿等植株生
长受抑现象,出现了叶子脱落现象,表现出明显的镉
李继光等:有机和无机氮对东南景天生长和镉积累的影响比较100
第27卷第1期 农 业 环 境 科 学 学 报
图1有机和无机形态氮对高、低镉处理下东南景天生物量的影响
Figure1EfectsoforganicandinorganicnitrogenonbiomassofSedumalfrediHancetreatedwithlowandhighcadmium
毒害症状,并在高镉(100μmol·L-1)处理下,毒害症状
越趋明显,叶子脱落现象较严重,甚至出现部分植株
死亡的现象。外界供无机氮能明显地减轻镉毒害症
状,叶色转绿,生长期延长,但长势不如对照,仍有镉
毒害症状;而外界供有机氮确明显地加强镉毒害症
状。
2.1.1有机和无机形态氮对高、低镉处理下东南景天
生物量的影响
在 T2、T3、T4供氮条件下,3种氮形态处理对两
种生态型东南景天各部位生物量(以干物重计)均有明
显的影响(见图1)。在低镉(10μmol·L-1)条件下,与对
照相比超积累生态型东南景天地上部生物量分别增
加了 8.8%、1.8%、3.5%,其中 T2处理达到显著水平
(P<0.05)。在高镉(100μmol·L-1)条件下,与对照相比
超积累生态型东南景天地上部生物量T2处理增加了
8.9%,T3、T4处理分别降低了3.6%、1.2%,其中T2处
理达到显著水平(P<0.05)。且无论在何种镉水平下,T2
处理的超积累生态型东南景天地上部生物量均高于
T3、T4处理。非超积累生态型东南景天生物量的变化
趋势虽然没有超积累生态型东南景天规律,但不同氮
形态处理也明显提高非超积累生态型东南景天地上
部和根的生物量。增加镉浓度降低了非超积累生态型
东南景天地上部和根部生物量,3种氮形态处理均明
显增加了非超积累生态型东南景天地上部和根部生
物量,但均未达到无镉处理(CK)的生物量(见图1)。
2.1.2有机和无机形态氮对高、低镉处理下东南景天
根系形态的影响
在低镉(10μmol·L-1)和高镉(100μmol·L-1)条件
下,T2氮处理与T1氮处理比超积累生态型东南景天
各项根系形态指标,如根系长度、根系表面积、根系直
径、根系体积等均达到显著水平(P<0.05),而在 T3和
T4处理时,各项根系形态指标均呈下降趋势。不同氮
镉水平处理对非超积累生态型东南景天各项根系形
态指标也产生了显著影响,与超积累生态型东南景天
A、B图为低镉处理,C、D图为高镉处理;a,b,c表示(在一种生态型之间比较)在P≤0.05的水平上差异显著;下同。
生
物
量
/g·
pl
an
t-1
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
T1 T2 T3 T4
(A)地上部 (B)根
(C)地上部 (D)根
b
a
b′
a′
a
b′
a′
bcc
b
a
b′
a′
b
a
b′
a′
b′c′
c′
b
a′
a′
b
超积累生态型HE
非超积累生态型NHE
T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T4
T1 T2 T3 T4
b′ b′
a
生
物
量
/g·
pl
an
t-1
a′a′
bb
b
b
101
2008年1月
不同的是,T2、T3、T4氮处理与T1氮处理相比,非超
积累生态型东南景天的各项根系形态指标均呈上升
趋势;增加镉浓度降低了非超积累生态型东南景天各
项根系形态的指标,施氮则显著增加了非超积累生态
型东南景天各项根系形态的指标(见表1)。在不同形
态的氮对不同镉水平处理东南景天条件下,各项根系
形态的指标的变化趋势基本上与根部生物量的变化
趋势保持一致,且高镉处理比低镉处理的变化趋势更
明显;而根系长度和根系表面积的变化趋势较根系体
积明显,根系体积的变化趋势较根系直径明显。
2.2有机和无机氮对高、低镉处理下两种生态型东南
景天叶绿素含量的影响
植物氮源的有效性与其氮的利用率有关,且氮的
利用率影响植物的光合作用和呼吸作用[21]。而植物经
Cd处理会导致其光合速率下降。在T2供氮条件下,3
种氮形态处理对两种超积累生态型东南景天叶绿素
今含量有明显的提高(见表 2),在低镉(10μmol·L-1)
水平下,与对照(T1)相比,超积累生态型东南景天叶
绿素a含量T2处理增加了 8.1%,T3、T4处理分别降
低了8.6%、4.9%,,其中T2、T3处理均达到显著水平
(P<0.05);叶绿素 b含量 T2、T4处理分别增加了
17.1%、3.9%,T3降低了8.8%,其中T2、T3处理均达
到显著水平(P<0.05)。在高镉(100μmol·L-1)水平下,与
对照(T1)相比,超积累生态型东南景天叶绿素 a含量
T2处理增加了11.1%,T3、T4处理分别降低了8.8%、
4.7%,其中T2、T3处理均达到显著水平(P<0.05);叶绿
素b含量T2、T4处理分别增加了18.5%、0.7%,T3降
低了 9.3%,其中 T2、T3处理均达到显著水平 (P<
0.05)。且无论在何种镉水平下,T2处理的超积累生态
型东南景天叶绿素a、b含量均高于T3、T4处理,这与
超积累生态型东南景天地上部生物量的变化趋势保
持一致。而非超积累生态型东南景天叶绿素含量的变
化趋势没有超积累生态型东南景天的规律性好,但不
同氮形态处理对非超积累生态型东南景天叶绿素含
量的提高也很明显。在低镉处理时,在 T2、T3、T4供
氮条件下,不同的氮处理其叶绿素含量有所提高,其
中 T2处理达到显著水平(P<0.05);在高镉处理时,在
T2、T3、T4供氮条件下,不同的氮处理其叶绿素含量
有所提高,其中T2处理达到显著水平(P<0.05)。增加
镉浓度降低了非超积累生态型东南景天叶绿素含量,
3种氮形态处理均明显增加了非超积累生态型东南
景天叶绿素含量,但均未达到无镉处理(CK)的水平,
仍有镉毒害症状表现(见表2)。结果表明,不同的氮镉
处理对超积累生态型东南景天和非超积累生态型东
表1不同形态氮对高、低镉处理下东南景天根系形态的影响
Table1EfectofdiferentnitrogenformsontherootmorphologyofSedumalfrediHanceunderlowandhighCdtreatments
表2有机和无机形态氮对高、低镉处理下东南景天叶绿素含量的影响(mg·g-1)
Table2ChlorophylcontentofSedumalfrediHanceappliedwithorganicandinorganicnitrogenunderlowandhighcadmiumtreatment
李继光等:有机和无机氮对东南景天生长和镉积累的影响比较102
第27卷第1期 农 业 环 境 科 学 学 报
南景天产生明显不同的生物学效应。
2.3有机和无机氮对高、低镉处理下两种生态型东南
景天吸收和积累镉的影响
通过生物量和镉含量可以计算两种生态型东南
景天对镉的积累量(表3)。超积累生态型东南景天地
上部对镉的积累能力很强,其积累量占植株的总镉积
累量的88.5%~92.6%,远高于非超积累生态型东南景
天。不同的氮镉处理条件对超积累生态型东南景天不
同部位积累镉的能力产生显著影响。在低镉(10
μmol·L-1)水平下,3种氮形态的供应均可显著提高两
种生态型东南景天地上部的镉积累量(P<0.05);在高
镉(100μmol·L-1)水平下,T2处理对超积累生态型东
南景天镉地上部吸收积累的效果要明显好于 T3、T4
处理,达到显著水平(P<0.05)。非超积累生态型东南
景天地上部和根部的镉积累量的变化趋势没有超
积累生态型东南景天的规律性好,在低镉(10
μmol·L-1)水平下,T2、T4处理对非超积累生态型东
南景天地上部镉吸收积累的效果要略好于 T3处
理;在高镉(100μmol·L-1)水平下,T2处理对非超积
累生态型东南景天镉吸收积累的效果要略好于 T3、
T4处理,但均未达到显著水平。
3 讨论与结论
改良土壤环境、增加土壤肥力的材料很广泛,包
括表土、化学肥料、有机废弃物、绿肥和固氮植物等[22]。
关于通过有机和无机氮肥施加提高东南景天生物量
以及地上部的重金属镉积累量,提高其对镉污染土壤
的修复效率的研究,国内外至今还尚未见报道。氮肥
是我国农业生产中最重要的增产因子之一,目前我国
氮肥用量占化肥总用量的60%以上[23]。从本试验结果
看,3种氮处理均可明显地影响东南景天的生物产
量;各项根系形态指标,如根系长度、根系表面积、根
系直径、根系体积等和叶绿素含量,表明有机、无机形
态氮肥对超积累植物东南景天的生物产量以及地上
部的重金属镉积累量均有一定影响作用,且影响机制
存在很大差异。无论在何种镉水平下,T2处理的超积
累生态型东南景天地上部生物量和叶绿素 a、b含量
均显著高于T3、T4处理(图1、表 2),对此仍需要进行
更深入的研究和探讨。
本研究表明,有机氮肥(尿素)显著促进超积累生
态型东南景天的生长,提高其干物质产量,同时促进
了东南景天对镉的积累;而无论在低镉还是高镉条
件下,与对照(T1)相比,外加有机形态氮(精氨酸)能显
著降低超积累生态型东南景天根系的生物量和叶绿
素含量;且在高镉条件下,无机氮对超积累生态型东
南景天吸收和积累镉的促进作用显著好于有机形态
氮。因此,通过有机肥和无机肥的配合施用,发挥肥
料的交互作用来增加产量虽然在一般的模式植物上
具有一定的可行性,但对超积累植物东南景天却不
具有可操作性。
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