砷与复合金属污染胁迫对水稻（Oryza sativa L.）生长的影响及其积累转运机理的研究

摘要

随着工农业的快速发展，各种砷(As)化物被排放到环境当中，造成全球范围内的As污染问题。据报道，中国、阿根廷、智利、印度、墨西哥、台湾、泰国等等许多国家都发现较为严重的As污染问题，As污染被认为是东南业地区的一个新的灾难。在自然环境中，土壤的污染通常不是单一元素的污染，而是多种元素的污染物共同存在，联合作用。在我国广东韶关的某些矿区，As污染问题严重，据测定某些As污染土壤中As含量高达344.11mg/kg，同时也伴随着Fe、Cu、Zn、Pb、Cd等元素的污染问题。多金属元素污染作用机理复杂，对植物的危害更大。据调查许广东许多矿区周边受到重金属污染的土壤中仍种植有大面积的水稻。研究金属元素在水稻体内的机理转运机理，选则低积累、高耐性的水稻品种变得尤为重要。 植物根际是受根系活动影响的特殊土壤微生态区域。水稻作为湿地植物，根系具有不同于旱生植物的渗氧功能，根际的物理、化学和生物学特性不同于原土体，是植物-土壤-微生物及其环境条件相互作用的场所。水稻独特的根际效应造成了根际特殊的微生态系统。这可能是造成水稻具有不同于旱生植物的重(类)金属耐性机理的重要原因之一。本文通过试验室模拟试验——包括琼脂培养基培养和土培试验，以及野外大田试验，研究了单元As污染和Fe、Cu、Zn、Pb、Cd及As的复合污染对水稻生长的影响，对金属在米粒-谷壳-稻草-根-ROL-铁膜-根际土壤-非根际土壤系统中的积累转运规律进行了系统的研究，探讨了金属在水稻体内的积累转运机理。本研究表明： (1)在琼脂培养基培养条件下，不同浓度(0～4.0mg／L)的As对供试水稻品系根部干物质积累无显著影响(P＞0.05)。杂交稻与糯稻的地上部干物质积累随基质中As浓度的增加呈减小趋势，但低剂量的As(0.5 mg／L)促进常规稻的生长。水稻地上部的As积累量随基质中As浓度的升高总体均呈增加趋势。水稻根系对As具有较强的吸收与累积能力。水稻根部．As的积累量为156.31～504.03mg／kg，占总As含量的63.40～81.90％，远远高于其地上部As的积累量。供试21各水稻品种间渗氧量差异极其显著(P=0.002)。不同水稻品种的ROL值在0.43～1.63μmol／株·天之间。不同品系的ROL值由高到低排序为：糯稻＞常规稻＞杂交稻。ROL值与地上部干重正相关性显著，与耐性指数正相关性极显著，与根部干重也呈正相关趋势，ROL值与根部As含量呈显著负相关关系。 (2)试验室根际袋土培试验结果表明，不同品种水稻地上部分对As的积累量(2.11～7.47mg／kg)差异并不显著(P＞0.05)。根部As含量差异极显著(P=0.001)。根部．As含量在48.06～157.45mg／kg之间，远远高于地上部As含量(P＜0.001)。水稻各品种地上部分对As的积累占水稻植株As吸收总量的百分比为均值为11％，根部为89％。不同水稻品系根长、株高的高低排序均为：杂交稻＞常规稻＞糯稻，生物量的排序为杂交稻>常规稻≈常规稻。这与As在不同水稻品系体内的含量排序正好相反。 根际土的pH值比非根际土高约0.3～1.0，Eh值则为非根际土高于根际土。根际土中，不同形态的As含量排序为：残渣态＞Ca．As≈Fe-As＞Al-As＞WE-As。非根际土中AS的不同形态含量由高到低排序为：残渣态＞Ca-As＞Fe-As＞＞Al-As＞WE-As。根际土中各形态的As含量除Al-As外，WE-As、Fe-As和Ca-As均为根际土＞非根际土。根际土中。WE-As与Al-As呈极显著正直线性相关关系，但与Fe-As呈负的直线性相关关系。根际土中的WE-As与非根际土中的WE-As呈极显著的正直线性关系。 根际土中各形态的As与水稻的根长和根部干重线性回归方程拟合效果显著(P＜0.05)，与株高和茎叶干重线性回归方程拟合效果极其显著(P＜0.001)。非根际土中各形态的As与水稻的生长指标：根长、株高、根部干重、茎叶干重及整株干重的线性回归方程拟和效果均不显著。 根际土中WE-As、Fe-As、Ca-As和Al-As对根长、株高、根部干重、茎叶干重和整株干重的作用由强到弱排序分别如下：WE-As>Al-As>Fe-As>Ca-As；Al-As>WE-As>Fe-As>Ca-As；Al-As>WE-As>Ca-As>Fe-As；WE-As>Al-As>Ca-As>Fe-As；Al-As>WE-As>Ca-As>Fe-As。 WE-As对根长、根部干重、茎叶干重及整株干重均起着促进的作用。WE-As对水稻的株高起着负面的影响作用。WE-As，Fe-As和Ca-As对水稻的生长大多起到的是促进作用，只有Al-As对水稻起着绝对的抑制作用。 (3)在DBS(复合污染)和Adding(单元As污染)两种土壤中种植的各水稻品种，根部干重和整株干重均具有DBS>Adding土壤的趋势，各水稻品种，根部对As、Fe、Cu、Zn、Pb五种元素的积累量大于其在茎叶部的积累量。两种土壤中各水稻品种茎叶和根部对Cu和Pb的积累仍趋向于DBS>Adding。两种土壤中，Zn在水稻体内的积累情况却有不同：茎叶趋向于DBS>Adding，根部则有5个品种(供试水稻品种共有8个)为Adding>DBS。As、Fe、Cu、Zn、Pb五种元素在供试水稻根部及茎叶的富集系数均为根部>茎叶。As和Fe的富集系数为DBS>Adding，Cu、Zn和Pb则为Adding>DBS。 (4)大田试验结果表明，各金属元素在水稻不同部位含量高低顺序如下：米粒为Fe>Zn>Cu>Cd>Pb>As；谷壳为Zn>Fe>Cu>Pb>As>Cd；稻草为Fe>Zn>Cu>Pb>As>Cd；根为 Fe>Cu>Pb>Zn>As>Cd；铁膜为Fe>As>Zn>Pb>Cu>Cd；根系为Fe>As>Zn>Pb>Cu>Cd。金属元素在水稻体内含量均为地下部(根系)>地上部。各水稻品种体内各金属元素含量基本遵循如下规律：根系>>谷壳>米粒，谷壳和米粒中金属元素含量相差不多。不同品系米粒中金属元素含量排序为：As：杂交稻>常规稻>糯稻；Fe：糯稻>杂交稻>常规稻；Cu：常规稻>糯稻>杂交稻；Zn：糯稻>常规稻>杂交稻：Pb：糯稻>常规稻>杂交稻；Cd：常规稻>糯稻>杂交稻。 As、Zn和Pb在水稻不同部位的富集系数为根系>稻草>谷壳>稻米，Fe、Cu和Cd的富集系数为根系>稻草>稻米>谷壳。Cd在水稻的各部位都极容易富集，且迁移能力较强。As较易在根系富集，但不易向地上部迁移。Pb在水稻各部位的富集能力均较弱。根部对Fe的富集能力最弱，且Fe在地上部分的富集能力也小于其它金属元素。除Cu外，其余金属元素在铁膜的富集系数均高于根部。即根系吸收金属后，主要被固定于根表铁膜中，且铁膜对不同金属的富集能力不同，由高到低排序为：Cd>As>Fe>Zn>Pb>Cu。米粒中Cd超标现象严重，21个供试品种全部超标。米粒中Pb含量达到食品卫生标准的有6个品种：二优804、优优998、五丰优128、秋优166、两优培九和丰富占，其余15个品种均超过我国食品卫生标准。米粒中As含量超标的品种有2个，分别为优优998和耘糯。Cu含量超标的仅有耘糯一个品种，其余20个品种均达到我国食品卫生标准。 (5)ROL与水稻生长及金属积累相关性分析结果表明：ROL与根中的As、Fe、Cd均呈显著负相关关系，与Zn呈极显著负相关关系。这说明ROL的增强的确使得水稻根部(仅是根部组织，不包括根表铁膜)对一些金属元素的吸收减少。ROL与稻草中的Zn、Pb、Cd的含量呈极显著负相关性，与As含量呈显著负相关性，说明水稻ROL的增强减弱了Zn、Pb、Cd和As由根部向地上部的转运。ROL与谷壳中的Fe含量，与稻米中的Pb含量均呈显著正相关性，说明ROL的增强促进了谷壳对Fe的吸收和稻米对Pb的吸收。尽管铁膜对金属从根部向地上部转移的抑制作用并非绝对的，但ROL的增强确实使得水稻根部对某些金属元素吸收减少，并且阻碍了其向地上部茎叶的转运。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2水稻及As概述

1.2.1水稻

1.2.2砷(As)及重金属概述

1.2.3土壤中As的形态分类

1.2.4 As、P与重金属的结合特征及研究现状

1.2.5 As矿及其引起的复合污染问题

1.3水稻的重(类)金属耐性特征及其机理的研究现状

1.3.1重金属及As对植物的毒性效应及植物的耐性机理

1.3.2水稻对湿地环境的适应

1.3.3水稻的根际效应

1.4 小结

1.5本研究的意义、主要内容与技术路线

1.5.1研究意义

1.5.2主要研究内容

1.5.3技术路线与数据处理

第二章As在水稻幼苗中的积累转运与根部渗氧相关关系的研究

2.1材料和方法

2.1.1试验材料

2.1.2试验方案

2.2结果与分析

2.2.1不同水稻品种的渗氧量

2.2.2不同As浓度对水稻幼苗生长的影响

2.2.3不同浓度As在供试水稻品系体内的积累

2.2.4 As由供试水稻根部向地上部的转运

2.3讨论

2.3.1 As对水稻生长的影响

2.3.2水稻对As的积累、转运特性

2.3.3渗氧与水稻生长及As的积累转运的相关关系

第三章不同形态的As在水稻根际与非根际的积累转运特性

3.1材料和方法

3.1.1试验材料

3.1.2试验设计

3.2结果与分析

3.2.1 As污染土壤对不同水稻品种(品系)生长的影响

3.2.2 As在不同水稻品种(品系)根部及地上部分的积累

3.2.3根迹土与非根迹土的pH与Eh的变化

3.2.4根迹土与非根迹土中As的形态分类

3.2.5根迹土与非根迹土中不同形态的As与水稻生长及As积累量的回归分析

3.3讨论

3.3.1 As在水稻体内的积累特性

3.3.2根迹土与非根际土中不同形态As与水稻生长及水稻体内As积累量的相关关系

3.3.3根迹土与非根迹土中各形态的As与氧化还原电位、pH值的相关性

第四章As等复合金属污染土壤中金属在水稻-根迹土壤-非根迹土壤系统的积累转运

4.1材料和方法

4.1.1试验材料

4.1.2试验设计

4.1.3数据分析

4.2结果

4.2.1不同金属在各水稻品种体内的积累

4.2.2 As、Fe、Cu、Pb、Zn在水稻茎叶及根部积累量的分配比例

4.2.3不同金属在不同水稻茎叶及根部的富集能力

4.2.4土壤根迹土和非根迹土中有效态金属含量

4.2.5根迹土与非根迹土中有效态金属与水稻生长和金属积累的回归分析

4.3讨论

4.3.1 As等金属元素在水稻体内的积累特性及迁移规律

4.3.2根迹与非根迹土壤中有效态As等金属元素之间的交互作用及其对水稻生长和茎叶、根系金属含量的影响

第五章单元As与复合污染土壤中As等金属在水稻体内的积累、转运规律

5.1材料和方法

5.1.1试验材料

5.1.2试验设计

5.2结果

5.2.1 DBS土壤和Adding土壤中不同水稻品种生物量

5.2.2 DBS土壤和Adding土壤中不同水稻品种茎叶、根部As含量及As在水稻各部位的富集系数

5.2.3 DBS土壤和Adding土壤中不同水稻品种茎叶及根部的几种重金属(Fe、Cu、Pb、Zn)含量及其富集系数

5.3讨论

5.3.1 DBS和Adding土壤水稻生物量比较

5.3.2 DBS和Adding土壤水稻对金属的积累和转运比较

第六章大田试验条件下As等金属元素在水稻体内的积累转运

6.1材料和方法

6.1.1试验材料

6.1.2试验方案

6.1.3数据处理

6.2结果

6.2.1供试水稻各部位生物量

6.2.2 As、Fe、Cu、Pb、Zn、Cd在水稻体内的积累转运

6.2.3 As、Fe、Cu、Zn、Pb、Cd在不同水稻品系中的积累转运

6.3讨论

6.3.1不同金属元素在水稻各部位的积累转运及富集能力

6.3.2 As、Fe、Cu、Zn、Pb、Cd在水米粒粒中积累的比较

6.3.3水稻生长与金属积累的相关关系

6.3.4渗氧与水稻生物量及不同金属元素的积累量的相关性

6.3.5用水稻对金属污染土壤进行植物修复的可行性探讨

第七章结论与展望

7.1研究结论

7.2主要创新之处

7.3展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的主要论文

致谢