普通商陆耐锰特性研究及除锰能力评估.pdf

《普通商陆耐锰特性研究及除锰能力评估.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《普通商陆耐锰特性研究及除锰能力评估.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、土壤肥料 资源环境普通商陆耐锰特性研究及除锰能力评估罗为桂，刘四喜，段海风，刘会珍，苏益（湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128）摘要：以采自普通土壤生长的商陆为研究对象，对商陆的耐锰特性和锰在商陆体内的积累特征进行了研究。结果表明：（1）普通商陆对锰亦具有较强的耐受性。当土壤中锰离子含量低于 24 mmol/L 时，锰离子对商陆的生长都具有促进作用，在 18 mmol/L左右达到最大促进效果；当土壤中锰离子含量超过 24 mmol/L 时，商陆的生长受到明显的抑制。（2）锰主要在商陆叶中积累，商陆的除锰能力约为 3 40085 600 g/hm2。关键词：商陆；锰；耐锰；超积

2、累中图分类号：X173文献标识码：A文章编号：1006-060X（2012）23-0042-03Characteristics of Manganese Tolerance of Normal Phytolacca acinosa Roxb.and Its Capacity of Removing Manganese from SoilLUO Wei-gui,LIU Si-xi,DUAN Hai-feng,LIU Hui-Zhen,SU Yi(College of Bioscience and Biotechnology,HNAU,Changsha 410128,PRC)Abstract:Ta

3、king Phytolacca acinosa Roxb grew in normal soil as studying subject to study characteristics of themanganese-tolerance and the accumulation characteristics of manganese in it.The results showed that(1)Phytolaccaacinosa Roxb grew in normal soil had strong tolerance to manganese.When Mn2+content was

4、lower than 24 mmol/Lcould promote the growth of Phytolacca acinosa Roxb,and the promoting effect reached the maximum when Mn2+contentwas around 18 mmol/L;when Mn2+content in soil exceeded 24 mmol/L,the growth of Phytolacca acinosa Roxb wasinhibited significantly.(2)Manganese mainly accumulated in le

5、aves of Phytolacca acinosa Roxb,and the capacity ofremoving manganese of Phytolacca acinosa Roxb was around 3 40085 600 g/hm2.Key words:Phytolacca acinosa Roxb;manganese;manganese tolerance;hyper-accumulate锰是维持植物正常生理活动的必需元素之一，对植物起着不可替代的作用1-2，但过量的锰会污染土壤和毒害植物。锰毒已经被确认为酸性土壤中仅次于铝毒的植物生长限制因素3。国际上已报道的锰超积累植物

6、仅 12 种，2003 年在我国锰尾矿区发现了锰超积累植物美洲商陆（Phytolaccaacinosa Roxb.）4。美洲商陆属商陆科多年生草本植物，具有生物量大、生长快、地理分布广、适应性强等优点5-6，克服了以往锰超积累植物不易用于环境修复的许多缺点，成为近年来颇受关注的土壤和水体锰污染修复植物7-10。许多学者对商陆的锰吸收和富集特性以及耐受机制进行了较为详细的研究11-15。但是，大多数学者主要关注的对象是在锰矿区废弃的尾矿区经过了自然选择的商陆，而高耐锰和锰超积累特性是不是所有商陆的基本特性还需要进一步研究确认。因此，该试验采用未受锰污染区域的野生商陆为材料，拟进一步研究商陆锰积累

7、和耐受方面的普遍特性并评估普通商陆的去锰毒的能力，为商陆在治理重金属锰污染方面提供参考。1材料与方法1.1试验材料商陆种子采自湖南农业大学校园空地。1.2材料培养为了除去商陆种子的坚实种皮，首先用 98%浓硫酸浸泡 1015 min 并立即冲洗干净，然后暗培养34 d（25），待发芽后转入沙土中，并以 Hoagland营养液浇灌。14 d 后选择长势一致的商陆幼苗移栽至装有 1.4 kg 营养土的塑料盘中，每盘 8 株；同时收稿日期：2012-10-30基金项目：国家自然科学基金项目（30900099）；湖南农业大学自然科学基金青年项目（10QN19）；湖南农业大学大学生研究性学习和创新性试验

8、计划项目（XCX1109）作者简介：罗为桂（1990-），女，湖南衡南县人，硕士研究生，主要研究方向为植物学。通讯作者：苏益湖南农业科学2012，（23）：4244，48Hunan Agricultural Sciences商陆种植区拟南芥种植区图 1植物种植方案140120100806040200生长高度（cm）0369121518212427锰离子处理浓度（mmol/L）图 2不同锰浓度对商陆生长高度的影响6040200商陆总鲜重（g）0369121518212427锰离子处理浓度（mmol/L）图 3不同锰浓度对商陆生物产量的影响120100806040200高度差（mm）0369121

9、518212427锰离子处理浓度（mmol/L）图 4不同锰浓度对商陆的 10 d 净增高量的影响后 10 d中间 10 d前 10 d在每盘中种 8 株 14 d 龄的拟南芥幼苗，如图 1 所示。待移栽植株全部恢复正常生长后，每 3 d 在各盘土壤中分别浇灌 0、3、6、924、27 mmol/L 的MnCl2溶液 100 mL，共培养 30 d。每隔 3 d 测一次商陆株高，并拍照记录其生长状况。1.3取样及锰含量测定材料培养 30 d 后，将商陆根、茎、叶分开收集，拟南芥则按地上部分与地下部分分别取材（因受胁迫严重，长势差）。植物材料经 105杀青 10 min，80烘干至恒重。然后充分

10、磨碎，置于马弗炉灰粉化：200碳化 30 min，再将温度调至 550灰化直至恒重（隔 30 min 再次称量，两质量之差小于0.000 3 g）。灰粉化完成后用 1.25 mL 热的 50的浓盐酸溶解，再用 0.5稀盐酸定容至 25 mL。参考马立英等16和苏冰霞等17的方法，用 IRISInterpid XPS 全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪（美国热电公司）测定样品溶液中各金属离子的含量。2结果与分析2.1商陆的锰耐受性拟南芥属于锰敏感植物，用9 mmol/L 的MnCl2仅仅处理 3 次就出现了重金属胁迫症状，即生长缓慢，叶片边缘开始出现枯黄。随着进一步的锰处理，锰胁迫症状加剧，最终

11、15 mmol/L 的MnCl2处理组拟南芥全部死亡。只有在6 mmol/L的情况下，拟南芥才能完成整个生育期。美洲商陆具有明显的锰耐受性。用 015 mmol/L 的 MnCl2处理商陆，30 d 后依然没有出现锰胁迫症状，其中在 15 mmol/L 的 MnCl2处理下土壤中的锰含量最高接近 1.979 g/kg。当用 18、21、24 和 27mmol/L 的 MnCl2处理时，分别在培养 24、20、17 和15 d 时开始出现轻度的锰胁迫症状。培养结束时，经 27 mmol/L 的 MnCl2处理过的商陆出现了较多的枯黄叶片，但未有死亡或具有死亡趋势的植株出现。2.2不同浓度锰离子对

12、商陆生长的影响不同浓度的锰会对商陆的生长产生不同的影响（图 2、图 3）。在较低浓度处理下（9 mmol/L），商陆的生长受 Mn2+的影响较小；当 Mn2+处理浓度在918 mmol/L 之间，随着浓度的增加，商陆的平均高度逐渐增加，说明一定量的锰处理能够促进商陆的生长，在 1518 mmol/L 处理浓度下生长速度最快，最快生长速度可达正常生长速度的 1.5 倍。当 Mn2+的处理浓度高于 24 mmol/L 时，商陆的平均高度低于空白实验，说明高浓度的 Mn2+抑制商陆的生长。从生物产量（总鲜重）看，其变化规律与生长高度基本一致，当 Mn2+15 mmol/L 时，锰促进商陆的生长；当

13、Mn2+处理浓度高于 21 mmol/L 时则会产生胁迫并抑制商陆的生长。另外，试验统计了每 10 d 的商陆净增高量，结果如图 4 所示。由图 4 可知，无论是在哪个浓度锰离子的处理条件下，1120 d 的净增高总是最大，1第 23 期罗为桂等：普通商陆耐锰特性研究及除锰能力评估430369121518212427锰浓度（mmol/L）商陆中锰含量拟南芥中锰含量根417.65.1714.08.21 320.98.91 430.311.21 491.49.21 580.613.51 780.611.61 868.314.71 929.117.22 089.815.3茎297.96.5726.5

14、7.41 454.99.31 904.57.82 098.120.42 111.616.32 281.721.43 073.415.73 575.218.43 632.616.9叶17.81.3713.47.31 637.05.54 206.916.95 070.917.37 268.818.311 137.923.620 651.125.824 963.239.426 137.437.3地上部分89.62.51 019.65.92 164.56.42 728.07.94 621.57.5-地下部分491.03.21 041.54.21 867.34.91 784.05.32 879.76.4

15、-表 1商陆和拟南芥的锰含量（mg/kg）10 d 和 2130 d 的生长量相差不大，且无明显规律。1120 d 的净增高与前后 10 d 净增高之间的差值与试验处理所用的锰离子浓度存在明显的关联：在 1218 mmol/L 的 Mn2+处理下，中间 10 d 的净增高明显高于前后 10 d，说明商陆在 1218 mmol/L的 Mn2+处理刺激下，中间 10 d 的生长速度比其他任何时候、任何浓度都要快。2.3锰在商陆植物体内的积累特性用 ICP 法测定商陆和拟南芥各个部位锰元素含量（干重），结果见表 1。表 1 显示：高锰浓度处理时，商陆叶中锰含量远远大于茎和根，商陆茎大于根；拟南芥地上

16、部分锰含量大于地下部分。由表 1 可知，在低浓度锰（3 mmol/L 以下）处理情况下，商陆吸收的锰首先在根和茎中累积，而叶中含量较低。随着处理浓度的增大，各器官中锰离子量的积累有所增加，但是在根和茎中增长缓慢，一直处于一个较低水平；而在叶中呈近似指数增长。商陆叶中的锰离子积累最大值为根茎中的数倍，说明商陆积累锰元素的区域主要是叶片。这一结果与锰矿区商陆的锰积累特性一致，说明了高锰耐受性和锰超积累特性是商陆的基本特性。在拟南芥中，各部位锰离子含量大致随锰离子处理浓度的增加而增加，但是都较商陆叶低很多。2.4普通商陆的除锰能力评价商陆为多年生植物，具有生长快速、生物产量较大的特点，人工种植约可产

17、鲜茎叶 45 00060 000 kg/hm2，其肉质根可产根（干重）为 6 0009 000 kg/hm218。鲜草的含水量在 90%左右，茎叶比约为 12。将各组织的锰离子积累能力相加，粗略计算，商陆去除锰的能力为 3 40085 600 g/hm2。3小结与讨论锰矿区土壤锰含量很高，高达 81.6 g/kg，约为普通土壤背景值（459 mg/kg）的 200 倍19，能够在锰矿区正常生长的商陆经历了很强的自然选择压力，可能正是这种选择压力造就了这类商陆对锰的高耐受性和锰超积累特性。然而，以试验选用生长在锰背景值较低（不足 400 mg/kg）的普通土壤中的商陆为研究对象，却仍然得到了与前

18、人一致的结果：用不同浓度的锰处理商陆，商陆表现出了远远高于拟南芥的锰耐受性，商陆根和茎所累积的锰元素始终处于一个相对较低的状态，吸收的锰离子主要转移并贮存在地上部分，主要是叶片19-20。测定的最高锰含量达到 26 000 mg/kg 左右，这大大超过了 Baker 和Brooks21定义的 Mn 超积累植物的参考值（干物质中含 Mn 超过 10 000 mg/kg）。由此可以推测，对锰的高耐受性和超积累特性是商陆的共同特性，而非局部环境选择的结果，商陆的高耐锰和锰超积累特性是由其本身对锰的吸收、转运及其他生理生化响应机制决定并与基因表达调控直接相关。因此，研究商陆锰耐受和超积累分子机理将是以

19、后的发展方向。试验中取材于普通土壤的商陆在高浓度的Mn2+处理下仍然能较正常生长，说明了商陆的高耐锰特性；测定的商陆叶片最高锰含量达到 26 000mg/kg，超过了锰矿区生长的商陆叶片锰的最高值19.3 g/kg20，这是由于试验中直接用可溶的 MnCl2浇灌，商陆根实际可吸收的锰元素含量高于锰矿区。另外，综合评价商陆的生长情况、对锰的响应和积累特性，研究者普遍认为商陆是一种优良的锰污染土壤修复植物。在利用商陆治理锰污染时，应着重收集商陆的叶器官，一方面可以利用其多年生的特性来达到持续修复锰污染土壤的目的，另一方面可以更加高效的回收锰元素资源并加以利用。参考文献：1施益华，刘鹏.锰在植物体内

20、生理功能研究进展J.江西林业科技，2003，3：26-28.2张玉秀，李林峰，柴团耀，等.锰对植物毒害及植物耐锰机理研究进展J.植物学报，2010，（4）：506-520.3El-Jaoual T,Cox D A.Manganese toxicity in plants J.Journal ofPlant Nutrition,1998,21（2）:353-386.4薛生国，陈英旭，林琦，等.中国首次发现的锰超积累植物商陆J.生态学报，2003，23（5）：935-937.5Xue S G,Wang J,Zhou X H,et a1.A critical reappraisal ofPhytol

21、acca acinosa Roxb.（Phytolaccaceae）-a manganese-hyperaccumulating plant J.Acta Ecologica Sinica,2010,30（6）:335-338.（下转第 48 页）第 23 期湖南农业科学44!（上接第 44 页）6豆长明，陈新才，施积炎，等.超积累植物美洲商陆根中锰的累积与解毒J.土壤学报，2010，（1）：168-171.7Xue S G,Chen Y X,Reeves R D,et al.Manganese uptake andaccumulation by the hyperaccumulator pl

22、ant Phytolacca acinosaRoxb.（Phytolaccaceae）J.Environmental Pollution,2004,131（3）:393-399.8Peng K J,Luo C L,You W X,et al.Manganese uptake andinteraction with cadmium in the hyperaccumulator-PhytolaccaAmericana J.Journal of Hazardous Materials,2008,154（1-3）:674-681.9Min Y,Tie B Q,Tang M Z,et al.Accum

23、ulation and uptake ofmanganeseinahyperaccumulatorPhytolaccaamericana J.Minerals Engineering,2007,20（2）:188-190.10 Xue S G,Chen Y X,Baker A J M,et al.Manganese uptake andaccumulation by two populations of Phytolacca acinosa Roxb.（Phytolaccaceae）J.Water,Air,and Soil Pollution,2005,160:3-14.11 薛生国，周晓花，

24、刘恒，等.垂序商陆对污染水体重金属去除潜力的研究J.中南大学学报（自然科学版），2011，42（4）：1156-1160.12 王楠，邓云锋，崔丽，等.商陆幼苗的解剖学及其对锰的耐受性J.贵州农业科学，2011，39（5）：75-78.13 徐根娣，孙文良，刘鹏，等.美洲商陆营养器官的解剖结构与其耐锰的关系J.浙江师范大学学报（自然科学版），2008，31（4）：452-456.14 Xu X H,Shi J Y,Chen X C,et al.Chemical forms of manganesein the leaves of manganese hyperaccumulator Phyto

25、lacca acinosaRoxb.（Phytolaccaceae）J.Plant Soil,2009,318:197-204.15 Xu X H,Shi J Y,Chen X C,et al.Distribution and mobility ofmanganese in the hyperaccumulator plant Phytolacca acinosaRoxb.（Phytolaccaceae）J.Plant Soil,2006,285:323-331.16 马立英，苏益，郭志强，等.商陆钾离子吸收特性研究J.湖南农业大学学报（自然科学版），2011，37（6）：621-623.17

26、 苏冰霞，刘洪生，冯信平.ICP-AES 法同时测定天然植物中金属元素的研究J.微量元素与健康研究，2009，1（26）：44-46.18 吴双桃，吴晓芙，胡曰利 铅锌冶炼厂土壤污染及重金属富集植物的研究J 生态环境：2004，13（2）：156-157，160.19 薛生国，陈英旭，骆永明，等.商陆（Phytolacca acinosa Roxb.）的锰耐性和超积累J.土壤学报，2004，41（6）：889-895.20 薛生国，刘丰豪，吴川，等.超富集植物垂序商陆的锰吸收动态研究J.中南大学学报（自然科学版），2012，43（2）：424-428.21Baker A J M,Brooks

27、R R.Terrestrial higher plants whichhyperaccumulate metallic elements a review of their distributionJ.Ecology and Phytochemistry Biorecovery,1989,1:81-126.（责任编辑：卢红玲）施用 K、Zn、Mg 肥均能显著提高烟叶的 K、Zn、Mg 含量。K、Zn、Mg 之间存在交互作用，K 对 Zn 存在协同作用，但土壤中 Mg 含量过高时，Zn 与 Mg存在拮抗作用。试验结果表明，处理 Zn2Mg2K3的平均产量和中上等烟平均比例均优于其他处理，其叶片具

28、有较高的 K 含量和适宜的 Zn、Mg 含量，能够促进烤烟植株的生长，使烟株提早进入旺长期，其茎围能在全生育期保持较高水平，株高表现出较高的增长态势，糖/碱比和施木克值均在优质烟范围之内，均表现出较好的品质。因此，在烤烟大田生产时，K、Zn、Mg 施用比例应控制在 30035100 之间比较适宜。参考文献：1胡中松，曹志洪，周如秀，等.烤烟化学组分与抽吸品质的关系研究初报A.曹志洪.优质烤烟生产的 K 素与微素G.北京：中国农业出版社，1995.11-17.2李永忠，蒋志宏，刘雅婷，等.供 Mg 水平对烤烟累积 N、K、Ca、Mg 的影响J.福建农业大学学报（自然科学版），2002，31（3）

29、：294-296.3张新.K、Ca 和 Mg 对烟草品质及烟草对它们的吸收规律A.曹志洪.优质烤烟生产的 K 素与微素G.北京：中国农业出版社，1995.63-68.4唐丽娜，熊德中.酸性土壤施石灰对土壤性质与烟草品质的影响J.中国生态学报，2003，11（3）：81-83.5罗鹏涛，邵岩.镁对烤烟产量、质量、几个生理指标的影响J.云南农业大学学报，1992，7（3）：129-133.6李春英，高伟民，陈腊梅，等.福建烟区土壤镁营养状况及其施用效果研究J.河南农业大学学报，2000，34（1）：63-66.7田士明，王梅芳，张韶华，等.锌锰肥对玉米吸收氮磷钾及干物质积累的影响J.土壤肥料.19

30、99，（l）：44-45.8杨利华，郭丽敏，傅万鑫.施锌对玉米氮磷钾肥料利用率、产量及籽粒品质的影响 J.中国生态农业学报，2003，11（2）：41-43.9李芳贤，王金林，李玉兰，等.锌对夏玉米生长发育及产量影响的研究J.玉米科学，1999，（7）：72-77.10 蔡晓布.磷锌肥配合施用对青裸产量与品质的影响J.植物营养与肥料学报，2000，6（l）：117-120.11 胡国松，郑伟，王震东，等.烤烟营养原理M.北京：科学出版社，2000.12 韩锦峰.烟草栽培生理M.北京：中国农业出版社，2003.229-230.13 王瑞新.烟草化学M.北京：中国农业科技出版社，2003.245-275.14 南京农学院.土壤农业化学分析M.北京：中国农业出版社，1982.15 陈江华，刘建利，龙怀玉.中国烟叶矿质营养及主要化学成分含量特征研究J.中国烟草学报，2004，10（5）：20-27.（责任编辑：卢红玲）第 23 期湖南农业科学48