植物吸收Sr、Cs與其他元素的相關性研究

摘要：用高濃度的Sr或Cs處理土壤，采用X射線熒光光譜儀（XRF）測定植物地上部分各元素的相對含量，研究植物吸收Sr、Cs 與其他元素的相關性。結果表明，高濃度Sr 處理下，植物吸收Sr 與Ca、Mg 呈極顯著正相關，與S、Na 呈顯著正相關，與P、Si、Fe、Zn 呈極顯著負相關，與K、Al 呈顯著負相關；高濃度Cs 處理下，植物吸收Cs與其他元素的相關性均不顯著，但與K的相關系數較大，為0.661 4；不施核素處理下，植物吸收微量的Sr，吸收Sr與Ca、Cl、Mg、Na、Fe、Al、Zn呈正相關，但只與Ca顯著相關。因此，植物吸收Sr、Cs與其他元素有不同的相關性，在土壤核素污染的植物修復中值得注意。

關鍵詞：植物；吸收；Sr；Cs；X射線熒光光譜儀；相關性

中圖分類號：X591；Q948.116 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4752-04

Correlated Absorbtion between Sr or Cs and other Elements of Plants

JIANG Shi-jie，TANG Yong-jin，ZHAO Ping

（School of Life Science and Engineering， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， Sichuan， China）

Abstract：Under treatment of high concentration Sr or Cs， the correlation between Sr， Cs and other elements absorbtion of plants was studied using X-ray fluorescence spectrometer determining the relative content of various elements of aerial parts of plants. The results showed that there was very significant positive correlation between Sr and Ca， Mg， significant correlation betwwen S and Na under the treatment of high concentration Sr； there was also very significant negative correlation between Sr and P， Si， Fe， Zn， and significant negative correlation between Sr and K， Al in plants. Under the treatment of high concentration Cs， no significant absorbtion correlation was showed between Cs and other elements， and the correlation between Cs and K was the highest with correlation cofficient 0.661 4. Without treatment of Sr and Cs， a little of Sr was absorbed by plants and there were positive correlations between Sr and Ca， Cl， Mg， Na， Fe， Al， Zn， but only the correlation between Sr and Ca was significant. Therefore， the correlation between Sr or Cs and other elements absorbed by plants was different， which was noteworthy in phytoremediation.

Key words：plants； absorbtion； Sr； Cs； XRF； correlation

隨著核工業和核技術的廣泛應用和發展，放射性核素污染也越來越常見。利用植物修復法來治理土壤放射性核素污染具有安全、有效、綠色、廉價的獨特優點[1]。植物不僅能從土壤中吸收鉀、鈣、鎂等礦質元素，而且能夠通過根系吸收水分和養分的過程吸收重金屬元素（含放射性核素），并在植物體內各部位累積[2]。學者們在利用植物吸收土壤中鍶（Sr）、銫（Cs）方面做了大量研究[3-9]。Маракушин等[10]利用同位素的比例關系研究了90Sr和Ca從土壤進入植物體的規律，認為Ca的物理、化學特性在某種程度上包括生物學特性與Sr相似；Cs與K為同族元素，二者在化學性質上具有相似性[11]，富K植物被認為對Cs有較好的吸收能力[12-14]。

目前，國內外關于Sr和Ca、Cs和K的相互關系研究較多[15]，但對植物吸收Sr、Cs與其他元素之間的相關性研究鮮見報道。本研究選用9種十字花科植物、2種禾本科植物及1種豆科植物，用高濃度Sr或Cs處理土壤，通過測定植物地上部分各元素的含量分析植物吸收Sr、Cs與其他元素的相關性，為土壤核素污染的植物修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

以硝酸鍶（Sr（NO3）2）為Sr源，硝酸銫（CsNO3）為Cs源，所用藥品均為分析純。試驗用土壤為農田黃壤土，pH 8.0，有機質含量為22.1 g/kg，有效氮、磷、鉀含量分別為95.2、27.0、78.3 mg/kg，全氮、磷、鉀含量分別為1.64、0.85、19.10 g/kg。供試植物共12種，分別為9種十字花科植物：芥菜型油菜[Brassica juncea（L.） Czern. et Coss. var. gracilis Tsen et Lee]、大葉芥[B. juncea （L.） Czern. et Coss. var. foliosa L. H. Bailey]、分蘗芥[B. juncea （L.） Czern. et Coss. var. multiceps Tsen et Lee、抱子芥（Brassica juncea （L.） Czern. et Coss. var. gemmifera]、卷心芥[B. juncea （L.） Czern. et Coss. var. involuta Yang et Chen]、不結球白菜（B. campestris L. ssp. chinensis Makino）、結球白菜[B. campestris L. ssp. pekinensis （Lour.） Olsson]、結球甘藍（B. oleracea L. var. capitata L.）、甘藍型油菜（B. napus L.），2種禾本科植物小麥（Triticum aestivum L.）、大麥（Hordeum vulgare L.）以及豆科植物蠶豆（Vicia faba L.）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 采取盆栽方式，每盆裝1 kg干土，分別設置Sr處理、Cs處理及對照處理（CK），每個處理5個重復，每個重復均種植12種植物。其中，Sr處理和Cs處理每盆澆施350 mL核素溶液，分別含500 mg Sr、500 mg Cs，對照處理不施核素，澆施350 mL自來水，使土壤剛好達到飽和持水量。為防止滲漏污染，在盆底套小一個型號的無孔塑料盆。測定土壤水分含量后，按照每千克干土拌10 g餅肥（油枯）和5 g復合肥[有效氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）含量均為25%]，混合均勻后裝盆。

9種十字花科植物于2010年10月20日育苗，芥菜型油菜、大葉芥、分蘗芥、抱子芥、卷心芥、結球甘藍和甘藍型油菜于2010年11月21日（即核素處理后2周）移栽，芥菜型油菜、結球甘藍和甘藍型油菜每盆2株，大葉芥、分蘗芥、抱子芥、卷心芥每盆1株；不結球白菜、結球白菜于2010年12月15日移栽，每盆6株。小麥、大麥和蠶豆于2010年11月6日播種，小麥每盆5粒，大麥每盆4粒，蠶豆每盆2粒。12種植物均于2010年11月7日進行1次核素處理，2011年2月16日收獲。

試驗說明：試驗分別對12種植物進行不同處理（即不施核素、Sr處理、Cs處理），但由于在Sr和Cs單一處理的5個重復中，部分植物在播種和移栽過程中死亡或僅有少于一半的植株成活，因此舍棄這些植物，僅對5個重復均生長很好的植物進行元素含量測定和分析。

1.2.2 元素含量測定及相關性分析 將收獲的植物地上部分烘干、粉碎，采用荷蘭Axios X射線熒光光譜儀（XRF）測定植物樣品。XRF能夠測定元素周期表從氟（F）到鈾（U）的80多種元素，不能測定元素序號小于9和大于92的元素；XRF既可做定性分析，也可定量分析，元素特征X射線的強度與該元素在試樣中的原子數量（即含量）成正比，以所測元素或化合物百分含量總和為100%。由于不能測定C、H、O、N等元素，無法計算出樣品中各元素的絕對含量。本研究測定了植物樣品中元素序號在9-92的元素的含量，在進行數據分析時僅對Ca、Cl、K、S、P、Mg、Si、Na、Fe、Al、Zn、Sr、Cs共13種元素進行分析，以所測得元素的相對含量為依據，計算植物樣品中Sr、Cs含量與其他各元素含量的相關系數（R2），并進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 高濃度Sr處理下植物吸收Sr與其他元素的相關性

由表1可知，高濃度Sr處理下，十字花科植物對Sr的吸收明顯高于禾本科植物，對Ca、S、Mg的吸收與Sr類似，而對K（不結球白菜除外）、P、Si、Fe、Al、Zn的吸收與Sr恰好相反。表1中的9種植物對Sr和其他元素的吸收具有不同程度的相關性：Sr含量與Ca、Mg含量均呈極顯著正相關；與S、Na含量呈顯著正相關，與P、Si、Fe、Zn含量呈極顯著負相關，與K、Al含量呈顯著負相關。

2.2 高濃度Cs處理下植物吸收Cs與其他元素的相關性

由表2可知，高濃度Cs處理下，卷心芥和結球白菜對Cs的吸收高于其他植物，卷心芥、不結球白菜、結球白菜對K的吸收較其他植物吸收要多。因此，表2中的8種植物對K的吸收與Cs相似，對Cs與其他元素的吸收相關性均不顯著，Cs含量與K含量的相關系數較大，為0.661 4。

2.3 不施核素處理下植物吸收Sr與其他元素的相關性

在不施核素處理（CK）下，收獲的植物樣品中檢測到少量的Sr，未檢測到Cs。由表3可知，十字花科和豆科植物樣品中Sr的含量比禾本科植物高，對Ca的吸收與Sr基本一致；而十字花科和豆科植物樣品中K（結球白菜除外）、Si的含量低于禾本科植物，與Sr相反。在不施核素處理下，植物對Sr與其他元素的吸收也有一定的相關性：Sr含量與Ca、Cl、Mg、Na、Fe、Al、Zn含量呈正相關，但只與Ca含量呈顯著相關；與K、S、P、Si含量呈負相關，但均未達到顯著水平。

3 小結與討論

高濃度Sr處理下，植物樣品中Sr含量與Ca、Mg含量呈極顯著正相關，與S、Na含量呈顯著正相關，與P、Si、Fe、Zn含量呈極顯著負相關，與K、Al 含量呈顯著負相關。在高濃度Cs處理下，植物對Cs的吸收與其他元素的吸收相關性均不顯著，但Cs含量與K含量的相關系數較大，相關系數為0.661 4。在不施核素處理（CK）下，植物樣品中檢測到少量的Sr，未檢測到Cs，Sr含量與Ca、Cl、Mg、Na、Fe、Al、Zn含量呈正相關，但僅與Ca含量相關性達顯著水平。

朱永懿等[16]認為，土壤中的Ca含量是影響植物吸收Sr的主要因素，Ca含量越高，植物吸收Sr 越少。在137Cs污染的土壤中，大量施用K肥會減少植物對137Cs的吸收[17]。Roca等[18]研究表明，在K和Cs同時存在時，植物偏向吸收K，這種偏向隨K濃度的降低而增加；在土壤中Ca濃度較高時，植物偏向吸收Sr，在土壤中Ca濃度較低時，Sr和Ca的吸收率相同。湯澤平等[19]認為，能富集放射性Cs的植物往往能富集K，能吸收Ca的植物就能吸收土壤中的放射性Sr，其原因可能是Sr和Ca、Cs和K屬同族元素，它們的化學性質較接近，植物吸收大量Ca和K的同時，也會吸收Sr和Cs元素。許多研究表明，植物吸收Sr與Ca、Cs與K呈顯著正相關[11-14，19，20]，本研究也得到了相似的結果。此外，本研究還發現，植物吸收Sr與Mg也呈極顯著正相關，其原因可能是Sr和Mg為同族元素，具有相同的化學性質；Sr含量與P、Si、Fe、Zn呈極顯著負相關，這與P會抑制植物對90Sr吸收的結論類似[19]。

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收稿日期：2011-12-24

作者簡介：江世杰（1985-），男，甘肅慶陽人，在讀碩士研究生，研究方向為生物修復，（電話）13681242798（電子信箱）liuyingfeishi@sina.com。