栽培基質(zhì)對(duì)蓖麻種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

栽培基質(zhì)對(duì)蓖麻種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

鉛鋅行業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致礦產(chǎn)資源的大量消耗，礦區(qū)及其環(huán)境污染日益嚴(yán)重。在采礦后形成的廢物中，礦渣少，土壤養(yǎng)分含量低，水分和肥料保持率低，重金屬含量高。這不僅使植物很難自然地生活在環(huán)境中，而且隨著雨水的流失，重金屬對(duì)周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。此外,土壤被重金屬污染后,會(huì)主要以土壤-農(nóng)作物-人或土壤-植物-動(dòng)物-人或土壤-水-人等食物鏈形式對(duì)人群產(chǎn)生間接影響,因此,礦區(qū)廢棄地的復(fù)墾利用受到普遍關(guān)注。Chaney等人曾提出利用植物去除土壤中的重金屬,該技術(shù)逐漸被人們運(yùn)用到重金屬污染土壤的治理當(dāng)中。蓖麻RicinuscommunistL.屬大戟科Euphorbiaceae蓖麻屬Ricinus一年生或多年生草本植物。其根系強(qiáng)大,入土深,抗寒性強(qiáng),適應(yīng)性廣,且有較強(qiáng)的耐鹽堿能力;蓖麻籽油是眾多石油衍生產(chǎn)品的替代原料,具有重大生態(tài)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。蓖麻作為世界十大油料作物之一,廣泛分布于熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)蓖麻的育種、栽培、加工利用的研究已有很多報(bào)道,近年來對(duì)蓖麻在重金屬污染土壤修復(fù)潛力的研究已引起了研究者的關(guān)注。鄭進(jìn)等人研究了蓖麻對(duì)銅的耐受性,結(jié)果表明,蓖麻對(duì)Cu的耐受性極強(qiáng),可用于Cu污染土壤的植物修復(fù);陸曉怡等人研究報(bào)道,蓖麻的根、莖、葉對(duì)Zn的積累量較大,當(dāng)Zn濃度為2000mg/kg時(shí),蓖麻根、莖、葉對(duì)Zn的積累量分別達(dá)到9686.8、3748.0、2042.5mg/kg;同時(shí),在鎘污染嚴(yán)重的土壤中,蓖麻的根部也能積累大量的Cd,但蓖麻仍能正常生長(zhǎng);渠榮遴等人對(duì)蓖麻進(jìn)行了鉛脅迫的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在100mg/L的鉛標(biāo)準(zhǔn)液中脅迫72h后,蓖麻根中的Pb積累量就達(dá)到了52.8mg/kg。然而,已有的研究報(bào)道大多局限于實(shí)驗(yàn)研究,而鮮有應(yīng)用研究報(bào)道。蓖麻作為制備生物柴油的原料,其含油率最高可達(dá)70%,對(duì)蓖麻可進(jìn)行“多級(jí)利用”,考慮復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式,而有關(guān)在邊際土壤修復(fù)中實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；矫娴难芯窟€未見諸報(bào)道。為此,本文以重金屬污染土壤的生態(tài)能源化利用為目的,以油料植物蓖麻為研究對(duì)象,通過盆栽試驗(yàn),探討了在鉛鋅尾礦渣含量不同的基質(zhì)中蓖麻種子發(fā)芽、幼苗生長(zhǎng)及幼苗期重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)情況,以期為利用蓖麻及類似油料能源植物修復(fù)鉛、鋅等重金屬污染的土壤提供理論與技術(shù)依據(jù)。1材料和方法1.1供試基質(zhì)及樣品供試蓖麻RicinuscommunistL.為湖南省林業(yè)科學(xué)院能源所提供的湘蓖麻1號(hào)。供試基質(zhì)由純尾礦渣、泥炭土、有機(jī)菌肥、黃土按不同體積比例混配而成,其配合比例詳見表1。礦渣取自湖南郴州資興鉛鋅礦尾礦渣庫,黃土樣品取自尾礦渣附近沒有污染的0~20cm的表層土壤;有機(jī)菌肥、泥炭土均為市售品。1.2礦渣基質(zhì)處理試驗(yàn)在湖南省林業(yè)科學(xué)院溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。盆栽試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)7組,包括不含鉛鋅尾礦渣基質(zhì)的對(duì)照組(即處理Ⅶ)和不同體積比礦渣基質(zhì)(見表1)的處理組(即處理Ⅰ~Ⅵ),基質(zhì)混勻后加水平衡1周,將已消毒的種子播于盆中,每種處理10盆,3個(gè)重復(fù),每盆播種4粒,共210盆。1.3種子發(fā)芽指數(shù)的測(cè)定蓖麻種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)及成活(以種子萌發(fā)后長(zhǎng)出子葉作為成活的標(biāo)準(zhǔn))率的計(jì)算公式分別如下:1.4整株干質(zhì)量的測(cè)定測(cè)量并統(tǒng)計(jì)植株株高及主根長(zhǎng)度,然后用去離子水洗凈植株,剔除雜物,將植株置于105℃的烘箱內(nèi)殺青30min,再于85℃下烘48h至恒重,稱取整株干質(zhì)量。1.5土壤樣品的消解和測(cè)定將土壤樣品置于85℃的烘箱內(nèi)烘干水分,研缽磨碎過80目篩,然后采用馬弗爐干法消解。采用常規(guī)分析方法測(cè)定過篩后土壤樣品各項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo);分別采用電位法、半微量凱氏法、氫氧化鈉堿溶-鉬銻抗比色法、NaOH熔融-火焰光度計(jì)法依次測(cè)定土壤pH值、全氮、全磷、全鉀含量。1.7數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)采用Excel.2003和SPSS.16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。2結(jié)果與分析2.1復(fù)配處理對(duì)多元化種子發(fā)芽勢(shì)、成活率的影響盆栽試驗(yàn)土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)值及鉛鋅等重金屬含量見表2。由表2可知,盆栽基質(zhì)中的主要重金屬元素鉛Pb(500mg/kg)、鋅Zn(500mg/kg)含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤環(huán)境質(zhì)量的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB15618-1995,可能會(huì)對(duì)種子萌發(fā)及植株生長(zhǎng)造成危害。播種第10天后種子開始萌發(fā),第20天后萌發(fā)結(jié)束。種子在含有不同配比的重金屬礦渣基質(zhì)中的發(fā)芽率存在差異(如圖1所示)。處理Ⅲ、Ⅳ(均含礦渣80%)的種子發(fā)芽率分別為35%、31.67%,均顯著低于其他處理組(p<0.05),處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ的種子發(fā)芽率分別為70.83%、70%、72.5%,比處理Ⅶ(對(duì)照組)分別提高了44%、42.4%和47.4%?；|(zhì)中的重金屬元素影響了蓖麻種子的發(fā)芽勢(shì),在不同基質(zhì)中蓖麻種子的發(fā)芽勢(shì)存在顯著差異(如圖2所示)。處理Ⅴ、Ⅵ(均含60%礦渣)的種子發(fā)芽勢(shì)均為45%,均高于其他處理組。除處理Ⅲ(發(fā)芽勢(shì)低于20%)外,其余各處理組的種子發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組均無顯著性差異(p<0.05)。在不同基質(zhì)中蓖麻種子成活率的差異與發(fā)芽勢(shì)的差異相近(如圖3所示),處理Ⅱ、Ⅴ的種子成活率均較高。試驗(yàn)結(jié)果表明,在含有重金屬元素鉛(1064~2339mg/kg)、鋅(1352~2143mg/kg)、銅(45~54mg/kg)及鎘(29.00~68.87mg/kg)的栽培基質(zhì)中,蓖麻種子均有較高的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)及成活率,且均大于對(duì)照組。這一試驗(yàn)結(jié)果表明,在本試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)的重金屬元素對(duì)蓖麻種子的萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用,亦說明蓖麻種子對(duì)重金屬的耐受性極強(qiáng),可以在全是鉛鋅尾礦渣的土壤上正常萌芽與生長(zhǎng)。而添加了有機(jī)菌肥的處理Ⅲ的蓖麻種子其萌發(fā)情況較差,其各項(xiàng)指標(biāo)值均低于其他處理組,即說明有機(jī)菌肥對(duì)蓖麻種子的萌發(fā)具有一定的抑制作用,究其原因,據(jù)前人類似的研究報(bào)道,可能是菌肥中的某種酶增加了重金屬離子的毒性,或是菌中的一些酶抑制了與種子萌發(fā)相關(guān)的蛋白酶的活性,具體原因尚待深入研究。2.2重金屬元素對(duì)甘蔗幼苗生長(zhǎng)的影響2.2.1礦渣基質(zhì)對(duì)浚麻幼苗根長(zhǎng)的影響根是最先接觸到土壤中重金屬離子的部位,對(duì)重金屬的脅迫比較敏感,并且直接影響植株的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過程。不同基質(zhì)處理對(duì)蓖麻根長(zhǎng)的影響情況見圖4。從圖4中可以看出,各礦渣基質(zhì)處理組蓖麻幼苗的根長(zhǎng)存在一定的差異,但差異均不顯著,處理Ⅳ、Ⅴ與Ⅵ的幼苗根長(zhǎng)分別高于對(duì)照組2.2%、26.4%和3.7%。一定濃度的重金屬元素均可促進(jìn)幼苗根系的生長(zhǎng)發(fā)育,但全礦渣基質(zhì)處理Ⅰ中重金屬元素對(duì)根生長(zhǎng)的影響較為嚴(yán)重,其平均根長(zhǎng)為95.97mm,最小根長(zhǎng)為80.76mm,是處理Ⅴ的53.37%,是對(duì)照組的67.49%。2.2.2不同基質(zhì)對(duì)關(guān)聯(lián)植株、株高及地徑的影響不同基質(zhì)處理對(duì)蓖麻株高和幼苗生物量的影響情況分別如圖5與圖6所示。處理Ⅲ基質(zhì)中的重金屬元素對(duì)株高的抑制作用明顯,其平均干物質(zhì)量為0.2g/株。從圖6中可以看出,鉛鋅尾礦對(duì)蓖麻幼苗生物量的影響并不明顯,處理Ⅳ、Ⅴ的干物質(zhì)量分別為0.25和0.26g/株,略高于其他處理組;處理Ⅲ除對(duì)種子萌發(fā)產(chǎn)生了明顯的不利影響外,其生物量也顯著低于其他處理組(p<0.05)。與對(duì)照組相比,處理Ⅳ、Ⅴ株高的增幅在30~35mm之間;與重金屬對(duì)其株高的影響類似,在一定程度上重金屬也促進(jìn)了其地徑的增粗,地徑的增長(zhǎng)幅度為0.20~0.45mm,各處理之間均無顯著性差異。不同基質(zhì)處理下蓖麻幼苗平均根長(zhǎng)、干物質(zhì)量、株高及地徑的方差分析結(jié)果分別見表4~7。表4~7表明,不同基質(zhì)處理的蓖麻幼苗其根長(zhǎng)、株高、地徑粗及生物量均不存在顯著性差異。以全礦渣基質(zhì)栽培的蓖麻,其葉子雖然出現(xiàn)了輕微的黃化失綠現(xiàn)象,但其生長(zhǎng)狀況與對(duì)照組蓖麻幼苗的生長(zhǎng)狀況(如圖7所示)相似,說明蓖麻幼苗對(duì)鉛、鋅元素有較強(qiáng)的耐受性。7種栽培基質(zhì)處理中,處理Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的基質(zhì)配比更有利于蓖麻幼苗生長(zhǎng),這一試驗(yàn)結(jié)果與Brown等人的研究結(jié)果相似。2.3對(duì)鉛、鋅的積累蓖麻幼苗根系及地上部分的重金屬含量見表8。隨著基質(zhì)中重金屬含量的降低,植物各組織內(nèi)各種重金屬元素的含量亦顯著降低,但兩者不呈線性相關(guān)(p<0.01)。幼苗根部為重金屬的主要積累部位,全礦渣基質(zhì)處理Ⅰ的幼苗根部對(duì)鉛的最大積累量達(dá)到了1400.89mg/kg,根系與土壤中的鉛含量之比達(dá)到0.6。處理Ⅲ幼苗地上部分的含鉛量極高,比處理Ⅰ高出72.74%,其轉(zhuǎn)移系數(shù)是其他處理組幼苗的3~9倍。由于鉛元素主要以磷酸鹽和碳酸鹽的形式存在于環(huán)境中,較差的生物可利用性及移動(dòng)性使植物將吸收后的鉛大部分固定在根部,故各處理組的鉛的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于鋅,而鋅在植株體內(nèi)的分布較為均勻,表現(xiàn)出了一定的向上運(yùn)輸能力?；|(zhì)中鉛與鋅的含量相近,但植株體內(nèi)的鉛含量卻高于鋅含量,說明蓖麻對(duì)鉛的吸收能力強(qiáng)于其對(duì)鋅的吸收能力。處理Ⅰ蓖麻根部對(duì)鋅的積累量最大,為536.11mg/kg。銅元素作為植物生長(zhǎng)的必需元素,對(duì)于植物的生理代謝更為重要,基質(zhì)中的銅含量大于鎘含量,但處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的蓖麻根部的鎘含量分別高于銅含量的54.7%、47.2%、32.5%、14%、32.8%、5.9%、82.9%,其對(duì)鎘的積累量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其對(duì)銅的積累量,其機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果說明,蓖麻幼苗對(duì)4種重金屬元素的運(yùn)輸能力從大到小依次為銅>鋅>鉛>鎘,其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1,除了自身遺傳和生物學(xué)特征等方面的原因之外,也可能與基質(zhì)中有效態(tài)重金屬離子有關(guān)。3重金屬污染的生態(tài)效果研究重金屬對(duì)蓖麻種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定影響。Kabata-Pendias等人研究結(jié)果表明,土壤中的鉛濃度為100~400mg/kg、鋅為70~400mg/kg和銅為60~125mg/kg時(shí)其會(huì)產(chǎn)生毒害效應(yīng),Cd濃度大于2mg/kg即屬于嚴(yán)重級(jí)鎘污染,重金屬對(duì)植物毒害效應(yīng)的表現(xiàn)就是抑制植物的生長(zhǎng)。在本試驗(yàn)盆栽基質(zhì)中的重金屬含量顯著高于界限值,一定程度上促進(jìn)了種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng),全礦渣組種子萌發(fā)情況甚至優(yōu)于對(duì)照組,尤其是處理Ⅳ與Ⅴ的促進(jìn)作用更明顯,這一結(jié)果與國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的結(jié)論一致,即蓖麻對(duì)重金屬的耐受性極強(qiáng)。隨著幼苗的繼續(xù)生長(zhǎng),重金屬可能通過影響植株的光合、呼吸、葉綠體結(jié)構(gòu)及蛋白質(zhì)合成等新陳代謝過程,使得生長(zhǎng)時(shí)期全礦渣基質(zhì)處理Ⅰ的幼苗生長(zhǎng)逐漸弱于對(duì)照組。肥料可與土壤膠體發(fā)生反應(yīng),改變重金屬離子的生物有效性,還可以給植株補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng),通過提高植物生物量來增加重金屬積累量。處理Ⅲ的種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)相對(duì)較差,可能是施加了有機(jī)菌肥后,其pH值降低了,而有效態(tài)鉛Pb+增加了,促使蓖麻將鉛元素從地下轉(zhuǎn)移到地上部分,或是有機(jī)菌肥中的某類酶能促進(jìn)重金屬鉛在植株中的轉(zhuǎn)運(yùn),從而加重了重金屬對(duì)幼苗地上部分的毒害作用,菌肥施用對(duì)幼苗生長(zhǎng)及重金屬積累、轉(zhuǎn)運(yùn)的影響原因有待進(jìn)一步分析。植物修復(fù)的研究熱點(diǎn)集中在超富集植物的篩選,植物積累及耐受機(jī)理探究,或者通過生長(zhǎng)條件的改善、外加因素誘導(dǎo)增強(qiáng)植物的向上運(yùn)輸能力,提高植物修復(fù)效率。與已報(bào)道的鉛超富集植物羽葉鬼針草、酸模、土荊芥相比,其地上部分對(duì)鉛的積累能力較差,蓖麻不屬于鉛超富集植物,但其耐性很強(qiáng),在不加有機(jī)菌肥的情況下,蓖麻將土壤中的重金屬吸收固定在根部,而不是通過向上運(yùn)輸將金屬離子轉(zhuǎn)移到葉等部分,對(duì)利用蓖麻修復(fù)污染土壤,實(shí)現(xiàn)蓖麻邊際土壤修復(fù)中的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化具有重要意義?；蛘哌€能通過篩選根際微生物及其他外加措施阻斷重金屬離子運(yùn)輸通道,達(dá)到生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益兼顧的目的。4重金屬濃度對(duì)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響1)蓖麻種子在7種基質(zhì)中均能正常萌發(fā)、生長(zhǎng),在不同礦渣含量的基質(zhì)中幼苗生長(zhǎng)存在顯著差異,處理Ⅳ與Ⅴ的基質(zhì)為本試驗(yàn)條件下的最適合蓖麻種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的混合基質(zhì),這兩種基