不同品种%28系%29牧草镉修复能力综合评价.pdf
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1、西北植物学报,2 0 2 3,4 3(7):1 1 5 8-1 1 6 9A c t a B o t.B o r e a l.-O c c i d e n t.S i n.d o i:1 0.7 6 0 6/j.i s s n.1 0 0 0-4 0 2 5.2 0 2 3.0 7.1 1 5 8 h t t p:/x b z w x b.a l l j o u r n a l.n e t收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 4;修改稿收到日期:2 0 2 3-0 4-2 7基金项目:国家自然科学基金项目(1 2 0 4 2 5 0 3);国民核生化灾害防护国家重点实验室开放基金项目(S K
2、L N B C 2 0 2 1-0 4);四川省科技厅项目(2 0 Y Y J C 0 9 2 7)作者简介:徐宇轩(1 9 9 7-),男,在读硕士研究生,主要从事重金属污染修复研究。E-m a i l:1 3 4 8 6 5 1 6 2 3q q.c o m*通信作者:陈晓明,女,教授,主要从事重金属污染修复研究。E-m a i l:c x m x k d 1 6 3.c o m不同品种(系)牧草镉修复能力综合评价徐宇轩1,陈晓明1*,周 君2,唐运来1,黄佳丽1,薛佳豪1,唐泛舟1(1 西南科技大学 生命科学与工程学院,四川绵阳 6 2 1 0 1 0;2 核工业2 8 0研究所,四川广
3、汉 6 1 8 3 0 0)摘 要:该研究选用3种高丹草、2种苏丹草、2种杂交狼尾草、一年生黑麦草和多年生黑麦草共9个牧草品系,采用盆栽试验,设置0(C K)、1 0(C d 1 0)、2 0 m g/k g(C d 2 0)镉胁迫处理,考察不同品系的生长指标、镉含量和富集指标,运用极差化法和主成分分析建立综合评价模型,通过计算各牧草在模型中的综合得分,筛选出最适宜实地修复的牧草,探究不同品种和不同品系牧草的镉修复能力差异,建立C d污染土壤植物修复能力评价体系,发掘兼顾富集量和后处理的镉污染土壤植物修复资源。结果表明:(1)镉胁迫会不同程度降低牧草的株高和生物量,其中江苏苏丹草在C d 1
4、0和C d 2 0中的耐胁迫能力均较强;(2)在C d 1 0和C d 2 0处理下,一年生和多年生黑麦草均具有较高的地上部和地下部C d含量,高丹草的3个品系在C d含量和C d积累量两方面存在较大差异;(3)在C d 1 0和C d 2 0处理下,高丹草和黑麦草的富集指标表现优异,且富集指标在高丹草品系间存在较大差异;(4)2个镉质量分数处理下综合评价得分最高的均是一年生黑麦草,其次为高丹草。研究表明,参试牧草对镉胁迫均有较强的耐受性,但耐受能力和富集能力在品系间存在明显差异,并以高丹草品系间差异最大;一年生黑麦草能耐受2 0 m g/k g以下镉胁迫,且生物量较小,对镉有较强的浓缩效应,
5、可作为镉污染土壤实地修复的可靠材料;综合评价模型可作为镉污染修复植物资源筛选的可靠方法。关键词:牧草;镉胁迫;镉修复能力;综合评价中图分类号:X 1 7 3文献标志码:AC o m p r e h e n s i v e E v a l u a t i o n o f t h e C a d m i u m R e m e d i a t i o n C a p a c i t y o f D i f f e r e n t S p e c i e s(s t r a i n s)o f F o r a g e G r a s s e sXU Y u x u a n1,CHE N X i a
6、o m i n g1*,Z HOU J u n2,T ANG Y u n l a i1,HUANG J i a l i1,XU E J i a h a o1,T ANG F a n z h o u1(1 S c h o o l o f L i f e S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,M i a n y a n g,S i c h u a n 6 2 1 0 1 0,C h i n
7、a;2 N u c l e a r I n d u s t r y 2 8 0 R e s e a r c h I n s t i t u t e,G u a n g h a n,S i c h u a n 6 1 8 3 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i s s t u d y,n i n e s t r a i n s o f f o r a g e g r a s s e s,i n c l u d i n g t h r e e S o r g h u m b i c o l o rS o r g h u m s u-d a n e n s
8、 e(S SB J,S SJ S,S SH F),t w o S.s u d a n e n s e(P i p e r)S t a p f.(S UJ S,S UH F),t w o P e n n i s e t u m a m e r i c a-n u mP.p u r p u r e u m(P PJ S,P PH F),L o l i u m m u l t i f l o r u m L a m.(LMJ S)a n d L o l i u m p e r e n n e L.(L PJ S),w e r e u s e d a s r e s e a r c h m a t e
9、 r i a l i n p o t e x p e r i m e n t w i t h 0(C K),1 0(C d 1 0)a n d 2 0 m g/k g(C d 2 0)C d s t r e s s t r e a t m e n t s.T h e g r o w t h i n d e x,C d c o n t e n t a n d e n r i c h m e n t i n d e x o f d i f f e r e n t s t r a i n s w e r e m e a s u r e d.W e i n v e s t i g a t e d t
10、h e C d r e m e d i a t i o n c a p a c i t y o f d i f f e r e n t s p e c i e s a n d s t r a i n s o f f o r a g e g r a s s e s t o e s t a b l i s h a n e v a l u a t i o n s y s t e m f o r t h e p h y t o r e m e d i a t i o n c a p a c i t y o f C d-c o n t a m i n a t e d s o i l,a n d t o
11、d i s c o v e r p h y t o r e m e d i-a t i o n r e s o u r c e s f o r C d-c o n t a m i n a t e d s o i l t h a t t a k e i n t o a c c o u n t e n r i c h m e n t a n d p o s t-t r e a t m e n t.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t:(1)B o t h o f t h e p l a n t h e i g h t a n d b i o m a s s
12、 o f a l l f o r a g e g r a s s e s a t d i f f e r e n t d e g r e e s u n d e r C d s t r e s s,a m o n g w h i c h S UJ S h a d a h i g h t o l e r a n t t o C d s t r e s s u n d e r b o t h C d 1 0 a n d C d 2 0 t r e a t m e n t s.(2)B o t h LMJ S a n d L PJ S h a d h i g h e r a b o v e-g r
13、o u n d a n d b e l o w-g r o u n d C d c o n t e n t s u n d e r C d 1 0 a n d C d 2 0 t r e a t m e n t s,a n d t h e t h r e e s t r a i n s o f S.b i c o l o rS.s u d a n e n s e h a d g r e a t e r d i f f e r e n c e s b o t h i n C d c o n t e n t a n d C d a c c u-m u l a t i o n.(3)U n d e
14、r t h e t r e a t m e n t s o f C d 1 0 a n d C d 2 0,t h e e n r i c h m e n t i n d e x e s o f S.b i c o l o rS.s u d a n e-n s e a n d L.m u l t i f l o r u m L a m.p e r f o r m e d w e l l,a n d t h e e n r i c h m e n t i n d e x e s w e r e d i f f e r e n t g r e a t l y a m o n g t h e S.b
15、 i c o l o rS.s u d a n e n s e s t r a i n s.(4)L.m u l t i f l o r u m L a m.c o u l d o b t a i n t h e h i g h e s t o v e r a l l e v a l u a-t i o n s c o r e s a t t w o C d t r e a t m e n t s,a n d t h e n e x t w a s S.b i c o l o rS.s u d a n e n s e.T h i s s t u d y s h o w e d t h a t
16、a l l o f t h e t e s t e d f o r a g e g r a s s e s h a d a s t r o n g t o l e r a n c e t o C d s t r e s s,b u t t h e r e w e r e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n t o l e r a n c e a n d e n r i c h m e n t a b i l i t y a m o n g t h e d i f f e r e n t s t r a i n s,w i t h t
17、h e g r e a t e s t d i f f e r e n c e a m o n g t h e S.b i c o l o rS.s u d a n e n s e s t r a i n s.T h e m o d e l d e v e l o p e d i n t h i s s t u d y c o u l d b e u s e d a s a r e l i a b l e m e t h o d f o r t h e s e l e c t i o n o f p l a n t r e s o u r c e s f o r t h e r e m e d
18、 i a t i o n o f C d c o n t a m i n a t i o n.K e y w o r d s:f o r a g e;C d s t r e s s;C d r e m e d i a t i o n c a p a c i t y;c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n 随着全球工业的不断发展,矿业冶炼、工业废水及废弃物排放等活动导致重金属污染物不断进入土壤,另一方面由于人口增长和城镇化加快,可利用耕地不断减少,使土壤重金属污染成为亟需解决的问题1。有公报显示,中国土壤重金属点位超标率高达1 9.4%,其中受
19、重金属污染的耕地约占总耕地面积的1/52-3。在众多重金属中,C d易被水稻等主要农作物富集,并通过食物链进入人体4,以较高的水平储存在人体各种器官中,其毒性会对肝脏和骨骼造成严重损害,并会减少人体对钙的吸收5。因此,土壤C d污染的修复对粮食安全和人类健康具有重要意义。重金属的修复方式主要包括物理修复、化学修复和生物修复6。其中植物提取修复是一种绿色环保且成本较低的修复方式,这种技术既不会破坏土壤结构或改变土壤性质,同时又能改善土壤肥力和防止水土流失7-8,利用植物提取土壤中的重金属具有大规模应用的前景而广泛受到关注9。牧草具有生长周期短、对各种污染土壤的适应性较强、易于栽培、生物量较高、可
20、以刈割等优点,有作为C d污染土壤修复植物的潜力1 0-1 1,同时牧草也可用作生物质能源,可作为转化燃料乙醇的原料1 2。近年来国内外也开始有将大生物量能源草应用于修复重金属污染土壤的研究1 3-1 4,主要代表种类有黑麦草、紫花苜蓿、高丹草、杂交狼尾草等1 5-1 6。有研究表明即使是同一种超富集植物不同品系间也会有不同的金属偏好,如芸苔科这样的单一科中,8 7个物种中有6 7个是镍超蓄积,1 5个是锌超蓄积,5个可以同时蓄积2种重金属1 7,因此有必要对不同品系间牧草的C d富集能力差异进行比较。学术界对于超富集植物的衡量标准仍存在一些争议,目前采用较多的是B r o o k s1 8和
21、 B a k e r1 9等提出的参考值,即植株C d含量达到1 0 0 m g/k g,同时转运系数(t r a n s l o c a t i o n f a c t o r)大于1,也有学者认为还应当附加2个条件2 0-2 1,即富集系数(b i o c o n-c e n t r a t i o n f a c t o r)大于1同时能在重金属污染地正常完成生活史,且生物量不能明显减少,以往的富集植物筛选大部分都遵照这样的标准。随着筛选种类的日益增多,既要在实地修复中有较好的效果又要考虑富集植物的后处理,有必要采用一种新的方法来综合评价植物的重金属修复能力。迄今,建模分析在植物修复领域
22、应用得越来越多2 2-2 3,数学模型可以显著评估不同的场景,做出更具预见性的决策,还可以避免人为的偏见和错误2 4-2 6。唐玉情等2 7运用层次分析法构建筛选评价体系,筛选出适用于矿山排土场修复的植被;X u等2 8通过模型评估了近缘超积累植物对相似重金属的富集能力,发现除C d和P b外,密切相关的植物物种倾向于积累类似的金属。目前针对C d的富集植物筛选模型研究还较少,且还没有考虑后处理这一指标的筛选模型,建立科学的重金属修复能力综合评价模型对重金属富集植物筛选具有重要的理论意义和应用价值。本研究首次运用主成分分析法将C d积累量和生物量分离,使得富集植物生物量不断加大和后处理之间的矛
23、盾得以解决,对牧草的地上部C d积累量、地下部C d积累量、种植天数、耐性指数、植株C d含量、富集系数、转运量系数、单位积累量和生物量9个指标进行因子赋权,建立综合评价模型,计算各牧草在模型中的综合得分,分析比较各牧草的C d95117期 徐宇轩,等:不同品种(系)牧草镉修复能力综合评价修复综合能力,并筛选出最优的牧草,为C d富集的植物筛选提供新材料和新思路。1 材料和方法1.1 材料及处理1.1.1 供试植物 供试9份植物材料为来自3家公司的5种牧草。即北京金土地农业研究所的高丹草(S o r g h u m b i c o l o rS o r g h u m s u d a n e
24、n s e),简称为北京高丹(S SB J);江苏新天地种业有限公司的高丹草、苏丹草S o r g h u m s u d a n e n s e(P i p e r)S t a p f.、杂交狼尾草(P e n n i s e t u m a m e r i c a n u mP.p u r p u r e-u m)、一年生黑麦草(L o l i u m m u l t i f l o r u m L a m.)、多年生黑麦草(L o l i u m p e r e n n e L.),分别简称为江苏高丹(S SJ S)、江苏苏丹(S UJ S)、江苏杂狼(P PJ S)、一年黑麦(LMJ
25、S)、多年黑麦(L PJ S);郑州华丰草业有限公司的高丹草、苏丹草、杂交狼尾草,分别简称为华丰高丹(S SH F)、华丰苏丹(S UH F)和华丰杂狼(P PH F)。1.1.2 供试土壤 供试土壤采自四川省绵阳市龙门镇 香 社 村,C d背 景 值 为0.1 6 m g/k g,p H为7.2 8,有机质含量为2 1.3 0 m g/k g,碱解氮含量为5 1.7 4 m g/k g,有效磷含量为7.2 8 m g/k g,有效钾含量为2 1.2 8 m g/k g。1.1.3 盆栽试验 通过向供试土壤中外源添加C d(NO3)24 H2O来模拟C d污染土壤。试验共设置1 0,2 0 m
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- 不同 品种 28 29 牧草 修复 能力 综合 评价
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