污染土壤中水稻吸收重金属的高温影响

论文总字数：13285字

目 录

1 引言 5

2 材料与方法 5

2.1 仪器、试剂与试验材料 5

2.2试验设计 6

2.3取样与样品处理 6

2.4生物量测定 7

2.5根际土壤溶液pH和EC的测定 7

2.6水稻叶片光合速率的测定 7

2.7 重金属含量的测定 7

2.8 数据分析 8

3结果与讨论 8

3.1污染土壤水稻盆栽中高温对根际土壤溶液的影响 8

3.2高温对污染土壤中水稻生长的影响 10

3.3高温对污染土壤中水稻元素积累的影响 12

4结论 18

参考文献 18

致谢 20

污染土壤中水稻吸收重金属的高温影响

钱璟珊

, China

Abstract: Under the background of global warming, extreme weathers such as high temperature take place more frequently, while heavy metals contamination caused by human activities is increasing. These dual factors may adversely affect the yield and quality of rice. Pot experiments were conducted to study the impacts of different warming amplitude and time on the absorption of heavy metals by rice, and analyze the differences of the physicochemical characters and heavy metal concentrations in rhizosphere soil solution, and heavy metal contents in rice grain, husk and straw and its biomass in field environment, cultivating with heavy metal polluted field soil from Hunan, stimulated heat injury by artificial climate chamber in flowering stage. Results showed that enhanced temperature had no significant influence on the pH value of soil solution, but its EC value increased in warming treatment, and the concentration of most metals (Ca, Fe, Mg, Mn, Ni, Cr, Sr, Co and Pb) in soil solution decreased; the content of most metals (Ca, Fe, Mg, Ba, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sr and Zn) in rice improved; and the yield of rice reduced.

Key words: Enhanced temperature; Metal; Climate change; Rice

1引言

自20世纪中期以来，全球和区域土地表面温度有明显上升。1850年至今的每个三十年里地球表面明显增温，陆地和海洋平均温度呈线性增加，1880至2012年增加了0.85°C。全球气候变暖，将伴随着更多的温度波动和极端温度事件的发生。^1,2在全球气候变化的背景下，温度对植物金属元素吸收的影响从宏观角度看将关系到生态系统对全球气候变化的效应，从农业耕地已经受到不同程度地多种矿质胁迫影响的现实角度来看，这种影响一定程度上还将影响到食品品质、人类营养，甚至事关一些随气候变化而暴露出新的环境污染问题。³研究高温对水稻重金属吸收的影响具有重要的实际意义。

温度对植物生长发育，土壤中矿质元素的溶解沉淀及移动性，土壤微生物的活动都有重大的影响。研究表明，水温可影响水化学过程、金属溶解度、植物对金属的吸收以及植物的生长。高温促进植物的生长，尤其是伸长生长。而大多数情况下，生物质的减少伴随着金属浓度和积累量的增加，生物质影响植物对金属元素的吸收，低生物质植物具有更高的金属浓度和积累量。⁴大多苔原植物的营养生长伴随着温度升高显著增加。⁵温度升高促进了地中海灌木对Al、Cr、Ni 、Cu、As、Cd，部分还可对Pb等微量元素的吸收和地上部的积累，其吸收和积累与灌木种类也有一定的关系。⁶土壤温度明显影响了根的特性（生长、形态、寿命、呼吸和膜流动性）影响植物营养（或微量元素）的吸收效率。⁷温度升高导致了土壤中Cd、Pb、Fe、Zn和Cu的溶解度发生显著变化，并显著影响了小麦中Cd、Cu、Fe和Zn的富集水平。³

研究表明，土壤中重金属对植物生长有促进作用⁸，并影响土壤动物活动和微生物活性⁹。而植物对土壤中重金属吸收量过高时，对植物会产生极大的毒害作用。Cd能降低植物细胞中ATP酶的活性，妨碍K向根内输导，降低植物对K的吸收。而重金属中的Cu、Mn、Mo和Zn是植物必需的微量元素，这些元素对植物生长发育起到了不可或缺的作用，而重金属中的Pb和Ni是有益元素，它们对某些植物的生长发育具有良好的刺激作用，或为某些植物种类、在某些特定条件下所必需。

人类活动导致的重金属污染问题日益严峻。20世纪50年代以来，中国发生了严重的重金属污染事件，近年来发生的更加频繁。^10,11目前重金属已成为植物生长环境中一个重要的胁迫因子，植物体对重金属胁迫的响应也很可能会受到全球温度变化的影响。¹²本研究通过重金属污染农田土壤水稻盆栽的不同温度和时间的高温处理试验，考察土壤污染下水稻生长和吸收重金属的高温热害影响，探寻高温热害与粮食安全的关系。

2 材料与方法

2.1 仪器、试剂与试验材料

仪器：RXZ人工气候箱(宁波市科技园区新江南仪器有限公司)，LI-6400XT(北京力高泰科技有限公司)，LD5-10（Ⅰ）型低速离心机(北京雷勃尔医疗器械有限公司)，EHD36电热消解仪（Lab Tech公司），微波消解仪（APL仪器有限公司），赶酸仪（APL仪器有限公司），Optima 8000电感耦合等离子原子发射光谱仪（PerkinElmer）。

试剂：硝酸（优级纯南京化学试剂有限公司），高氯酸（优级纯上海华谊集团华原化工有限公司），5%硝酸由65%硝酸（进口分析纯德国默克公司)配制，成分分析标准物质：辽宁大米（GSB-21）、芹菜（GSB-26）（地球物理地球化学勘察研究所）。

受试土壤和作物：实验用土为实地农田土壤，采自湖南省长沙县。土壤pH 4.43为酸性，Cd浓度为0.35 mg kg^-1属中度污染，其它主要重金属元素含量如图1。水稻选用品种为南粳45。

图1盆栽用土主要重金属元素含量

2.2 试验设计

本研究采用大田环境下的盆栽试验，使用湖南重金属污染农田土壤栽培水稻，在栽培水稻时在水稻根部附近埋入聚丙烯纤维管，盆栽水稻在开花期放入人工气候箱中进行不同温度和时间的增温处理。实验于2015.5开始进行，野外实地土壤风干过5目筛，每盆3 kg，大田育秧后移栽，每盆2株。设置以下7个处理：①未做增温处理的对照（CK）；②在35°C下培养3天（35°C3d）；③在35°C下培养5天（35°C5d）；④在35°C下培养7天（35°C7d）；⑤在37°C下培养3天（37°C3d）；⑥在37°C下培养5天（37°C5d）；⑦在37°C下培养7天（37°C5d）。实验设置2个重复。测定处理后光合速率；抽取处理前和处理后根际土壤溶液，测量其pH，EC和重金属含量；采集35°C、37°C培养7天后的植物样，测其重金属含量；在水稻成熟后，收获水稻，测其生物量和籽粒、谷壳及秸秆中重金属含量。

2.3 取样与样品处理

在水稻放入人工气候箱前，在早上10点时抽取土壤根际溶液（其中处理35°C3d、35°C5d、37°C3d的抽样管在种植水稻期间被拨出，导致无法抽样，样品缺失），使用25 mm × 0.22 μm的水系针头过滤器过滤抽取的土壤根际溶液，得到的土壤溶液样品置于冰箱中在4°C条件下恒温保存待测。

在水稻开花期，剪取37°C7d处理下水稻的地上部分；在水稻成熟后，剪取地上部分，分离茎穗，使用蒸馏水洗干净，放入烘箱中，105°C杀青半小时，75°C烘干至恒重。剥离水稻籽粒和谷壳，谷壳保留，将籽粒和适量的秸秆分别用家用的粉碎机粉碎，待测。

2.4 生物量的测定

水稻成熟后，只收获地上部分，分离穗和茎秆，分别称其鲜重。用蒸馏水洗干净后烘干，分别称其干重。

2.5 根际土壤溶液pH和EC的测定

对土壤根际溶液，采用安莱立思仪器科技（上海）有限公司生产的pH400型pH计测定土壤根际溶液的pH和EC，测定土壤EC（pH）时将pH计调至mV(pH)档，连接复合电极，插入溶液中测定。

2.6 水稻叶片光合速率的测定

LI-6400开机预热20分钟，选择大小、生长相对一致的叶片进行测量，每个温度处理测三个重复。测量结束后保存数据文件，将数据导入电脑生成Excel表，分析数据。选择的参数：净光合速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度和蒸腾速率。

2.7 重金属含量的测定

将水稻脱粒，籽粒、秸秆粉碎，用于测定重金属含量。分别取约0.5g籽粒，0.3g秸秆于玻璃消解管中，向其中加入9mL硝酸，1mL高氯酸，摇匀。放入电热消解仪中，于75°C条件下加热0.5小时，而后升温至100°C加热0.5小时，之后升温至130°C加热1小时，而后升温至150°C加热1小时，最后升温至190°C将酸赶尽，消解管干后立即取出。待消解管冷却后，准确加入10mL5%硝酸，摇晃，静置5分钟使消解产物完全溶入硝酸中，转移至离心管中待测。取约0.3g谷壳于聚丙烯消解管中，向其中加入10mL硝酸，摇匀。放入微波消解仪中，设置程序：120°C，升温时间5分钟，维持时间5分钟，功率8瓦；160°C，升温时间5分钟，维持时间25分钟，功率8瓦，运行程序，程序结束后冷却至100°C以下取出。开盖，放入赶酸仪中赶酸，于120°C条件下加热1小时，而后升温至130°C加热1小时，最后升温至160°C至剩余液体3-5mL，冷却，加超纯水定容至10mL待测。

将消解液过滤后，转移至自动进样器上，采用电感耦合等离子原子发射光谱仪测定水稻籽粒、秸秆和谷壳中金属元素含量。

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