蜈蚣草中砷与磷/钾/钙等营养元素的交互作用

　　摘要砷污染对植物、动物和人体均产生毒害作用。研究砷元素与磷、钾、钙等元素的交互作用,结果表明:在蜈蚣草体内磷的浓度会随着培养液中砷浓度的增加而增加,两者并不存在拮抗关系;蜈蚣草羽叶表皮细胞中砷和钾浓度呈显著正相关;蜈蚣草中砷的累积量会同时受介质中砷水平和钙水平的限制。在提高介质中的砷浓度时,蜈蚣草根部的镁浓度逐渐降低,但对叶柄和羽叶中的镁浓度无显著影响。
　　关键词砷;营养元素;交互作用;蜈蚣草
　　AbstractArsenic pollution has poisoning effect on plant,animal and human being.The interaction between arsenic and phosphorus、potassium,calcium and other elements was studied.The results showed that:in Pteris vittata L.,phosphate concentration increased with the increasing of arsenic concentration of culture medium;there was no antagonism relationship between them,but there was significant positive correlation between the phosphate concentration of potassium concentralion in leaf epidermal cells;besides the phosphate accumulation was limited by the level of phosphate and calcium. The magnesium concentration of root decreased with the increaseing of phosphate concentration,but it had no infulence on the magnesium concentration of petiole and leaves.
　　Key wordsarsenic;nutrient element;interaction;Pteris vittata L.
　　
　　随着生活水平的提高,人们对环境、健康的要求逐步提高。但是,由于工农业的超载发展、“三废”的违规排放等,使得空气、水体、土壤等环境要素纷纷受到污染。砷(Arsenic,As)是自然界中普遍存在的一种有毒元素,是农药、医药和日用化工等的重要原料。由于人类活动和地质条件的影响,砷中毒事件时有报道,特别是在孟加拉和印度,有将近1亿人生活在砷污染区域[1],大面积的农田土壤因高砷水灌溉遭到污染,粮食作物中砷超标问题严重。我国某些地区的土壤砷污染问题也相当突出,严重影响了人民的生活质量[2],目前,砷污染环境问题已引起国内外的广泛关注,成为许多学者研究的热点。特别当砷的环境标准提高后,研究土壤环境与植物系统之间砷迁移转化关系极其迫切。
　　从土壤修复原理考虑砷污染土壤的修复可分为物理方法、化学方法和生物方法三大类。在生物方法中,植物修复是一种经济、有效、非破坏性的污染土壤修复方式,具有操作简单、成本低、绿化环境等特点,如今植物修复技术已被科学界和政府部门认可和选用[3]。如利用超积累植物或金属耐性植物可将土壤中或水中的重金属萃取出来,富集并搬运到植物根部以上可收割部分和植物地上枝条部分,再把收割的植物部分进行适当的安全处理[4]。李文学等[5]通过野外调查和栽培试验,发现蜈蚣草(Pteris vittata L.)对砷具有很强的富集作用,是一种生物量大的砷超富集植物(As.hyperaccumulator),在砷污染环境的修复方面具有良好的应用前景。
　　到目前为止,对蜈蚣草中砷与磷、钾、钙及其他营养元素之间交互作用的报到还很少。该文对蜈蚣草中砷与磷、钾、钙等营养元素之间的吸收、转运等交互作用进行研究,以为蜈蚣草用于植物修复时制定科学的施肥方案提供参考。
　　1蜈蚣草中砷与磷的交互作用
　　磷和砷在元素周期表中是同属于第五主族的元素,两元素有着相似的电子层结构,且在自然界中也能形成形态相似的磷酸盐和砷酸盐。砷可能是通过竞争磷酸盐的转运蛋白而进入植物体内,磷、砷在植物吸收转运过程中往往表现出拮抗效应[6]。
　　从砷对番茄植株在不同供磷水平下地上部和地下部生物量的测定中发现。砷对地上部生物量的抑制作用大于根系,说明砷一旦进入植物体后,就会对整个植株的生长产生影响。而就砷对番茄吸收磷的影响而言,外源砷的存在仅在低磷浓度时才显著降低植株体对磷素的吸收,在外界磷浓度偏高时无影响[6]。通过研究发现,蜈蚣草地上部的磷浓度同地下部的磷浓度一样,均随砷的添加量增加而增加;当砷添加浓度达到800 mg/kg时,蜈蚣草地上部含磷量为不添加砷对照处理的1.59倍[7]。一些添加砷的土培试验结果也表明,蜈蚣草地上部磷的浓度均高于不添加砷的对照[8]。在水培试验也发现,当培养液中砷的浓度不超过334 μmol/L时,蜈蚣草体内磷的浓度也会随着培养液中砷浓度的增加而增加[9]。在土壤蜈蚣草系统中,磷、砷之间表现为协同作用,使得蜈蚣草在含砷土壤中对磷依然具有较高的吸收能力。
　　通过这些实例研究表明[7-10],适量的施用磷肥可以明显得促进蜈蚣草的生长,提高其砷含量,增大作物中的砷累积量,也明显有利于砷污染土壤修复;但是以上研究也表明,过量的施磷不会进一步提高蜈蚣草产量,反而有降低砷含量和砷累积量的趋势,使修复效率有所下降。因此,施用磷肥可维持种植蜈蚣草的土壤中有效态砷的含量,从而保证下个生育期中植物对砷的吸收。施用磷肥是蜈蚣草应用在现场修复中的必要措施,改进施磷技术措施可以大幅度提高砷污染土壤的植物修复效率。
　　2蜈蚣草中砷与钾的交互作用
　　钾是蜈蚣草体内含量较高的一种阳离子,羽叶中钾浓度为14.9～25.4 g/kg[11]。在介质中砷的浓度高低对于蜈蚣草生长(根、叶柄和羽叶的生物量)无显著影响,而在营养液中砷浓度的提高对蜈蚣草体内任何部位的钾浓度也没有显著影响。通过这些可以看出,在蜈蚣草体内的钾营养不受介质和作物体内砷浓度的影响,同时,试验结果也显示砷对钾在蜈蚣草各部位含量的影响似乎没有很明显的规律。