植物吸收Sr、Cs与其他元素的相关性研究
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摘要：用高浓度的Sr或Cs处理土壤，采用X射线荧光光谱仪（XRF）测定植物地上部分各元素的相对含量，研究植物吸收sr、cs 与其他元素的相关性。结果表明，高浓度Sr 处理下，植物吸收Sr 与Ca、Mg 呈极显著正相关，与S、Na 呈显著正相关，与P、Si、Fe、Zn 呈极显著负相关，与K、Al 呈显著负相关；高浓度Cs 处理下，植物吸收Cs与其他元素的相关性均不显著，但与K的相关系数较大，为0.661 4；不施核素处理下，植物吸收微量的Sr，吸收Sr与Ca、Cl、Mg、Na、Fe、Al、Zn呈正相关，但只与Ca显著相关。因此，植物吸收Sr、Cs与其他元素有不同的相关性，在土壤核素污染的植物修复中值得注意。
关键词：植物；吸收；Sr；Cs；X射线荧光光谱仪；相关性
中图分类号：X591；Q948.116 文献标识码：A 文章编号：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
随着核工业和核技术的广泛应用和发展，放射性核素污染也越来越常见。利用植物修复法来治理土壤放射性核素污染具有安全、有效、绿色、廉价的独特优点[1]。植物不仅能从土壤中吸收钾、钙、镁等矿质元素，而且能够通过根系吸收水分和养分的过程吸收重金属元素（含放射性核素），并在植物体内各部位累积[2]。学者们在利用植物吸收土壤中锶（Sr）、铯（Cs）方面做了大量研究[3-9]。Маракушин等[10]利用同位素的比例关系研究了90Sr和Ca从土壤进入植物体的规律，认为Ca的物理、化学特性在某种程度上包括生物学特性与Sr相似；Cs与K为同族元素，二者在化学性质上具有相似性[11]，富K植物被认为对Cs有较好的吸收能力[12-14]。
目前，国内外关于Sr和Ca、Cs和K的相互关系研究较多[15]，但对植物吸收Sr、Cs与其他元素之间的相关性研究鲜见报道。本研究选用9种十字花科植物、2种禾本科植物及1种豆科植物，用高浓度Sr或Cs处理土壤，通过测定植物地上部分各元素的含量分析植物吸收Sr、Cs与其他元素的相关性，为土壤核素污染的植物修复提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
以硝酸锶（Sr（NO3）2）为Sr源，硝酸铯（CsNO3）为Cs源，所用药品均为分析纯。试验用土壤为农田黄壤土，pH 8.0，有机质含量为22.1 g/kg，有效氮、磷、钾含量分别为95.2、27.0、78.3 mg/kg，全氮、磷、钾含量分别为1.64、0.85、19.10 g/kg。供试植物共12种，分别为9种十字花科植物：芥菜型油菜[Brassica juncea（L.） Czern. et Coss. var. gracilis Tsen et Lee]、大叶芥[B. juncea （L.） Czern. et Coss. var. foliosa L. H. Bailey]、分蘖芥[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]、不结球白菜（B. campestris L. ssp. chinensis Makino）、结球白菜[B. campestris L. ssp. pekinensis （Lour.） Olsson]、结球甘蓝（B. oleracea L. var. capitata L.）、甘蓝型油菜（B. napus L.），2种禾本科植物小麦（Triticum aestivum L.）、大麦（Hordeum vulgare L.）以及豆科植物蚕豆（Vicia faba L.）。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 采取盆栽方式，每盆装1 kg干土，分别设置Sr处理、Cs处理及对照处理（CK），每个处理5个重复，每个重复均种植12种植物。其中，Sr处理和Cs处理每盆浇施350 mL核素溶液，分别含500 mg Sr、500 mg Cs，对照处理不施核素，浇施350 mL自来水，使土壤刚好达到饱和持水量。为防止渗漏污染，在盆底套小一个型号的无孔塑料盆。测定土壤水分含量后，按照每千克干土拌10 g饼肥（油枯）和5 g复合肥[有效氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）含量均为25%]，混合均匀后装盆。
9种十字花科植物于2010年10月20日育苗，芥菜型油菜、大叶芥、分蘖芥、抱子芥、卷心芥、结球甘蓝和甘蓝型油菜于2010年11月21日（即核素处理后2周）移栽，芥菜型油菜、结球甘蓝和甘蓝型油菜每盆2株，大叶芥、分蘖芥、抱子芥、卷心芥每盆1株；不结球白菜、结球白菜于2010年12月15日移栽，每盆6株。小麦、大麦和蚕豆于2010年11月6日播种，小麦每盆5粒，大麦每盆4粒，蚕豆每盆2粒。12种植物均于2010年11月7日进行1次核素处理，2011年2月16日收获。
试验说明：试验分别对12种植物进行不同处理（即不施核素、Sr处理、Cs处理），但由于在Sr和Cs单一处理的5个重复中，部分植物在播种和移栽过程中死亡或仅有少于一半的植株成活，因此舍弃这些植物，仅对5个重复均生长很好的植物进行元素含量测定和分析。
1.2.2 元素含量测定及相关性分析 将收获的植物地上部分烘干、粉碎，采用荷兰Axios X射线荧光光谱仪（XRF）测定植物样品。XRF能够测定元素周期表从氟（F）到铀（U）的80多种元素，不能测定元素序号小于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射线的强度与该元素在试样中的原子数量（即含量）成正比，以所测元素或化合物百分含量总和为100%。由于不能测定C、H、O、N等元素，无法计算出样品中各元素的绝对含量。本研究测定了植物样品中元素序号在9-92的元素的含量，在进行数据分析时仅对Ca、Cl、K、S、P、Mg、Si、Na、Fe、Al、Zn、Sr、Cs共13种元素进行分析，以所测得元素的相对含量为依据，计算植物样品中Sr、Cs含量与其他各元素含量的相关系数（R2），并进行相关性分析。
2 结果与分析
2.1 高浓度Sr处理下植物吸收Sr与其他元素的相关性
由表1可知，高浓度Sr处理下，十字花科植物对Sr的吸收明显高于禾本科植物，对Ca、S、Mg的吸收与Sr类似，而对K（不结球白菜除外）、P、Si、Fe、Al、Zn的吸收与Sr恰好相反。表1中的9种植物对Sr和其他元素的吸收具有不同程度的相关性：Sr含量与Ca、Mg含量均呈极显著正相关；与S、Na含量呈显著正相关，与P、Si、Fe、Zn含量呈极显著负相关，与K、Al含量呈显著负相关。
2.2 高浓度Cs处理下植物吸收Cs与其他元素的相关性
由表2可知，高浓度Cs处理下，卷心芥和结球白菜对Cs的吸收高于其他植物，卷心芥、不结球白菜、结球白菜对K的吸收较其他植物吸收要多。因此，表2中的8种植物对K的吸收与Cs相似，对Cs与其他元素的吸收相关性均不显著，Cs含量与K含量的相关系数较大，为0.661 4。
2.3 不施核素处理下植物吸收Sr与其他元素的相关性
在不施核素处理（CK）下，收获的植物样品中检测到少量的Sr，未检测到Cs。由表3可知，十字花科和豆科植物样品中Sr的含量比禾本科植物高，对Ca的吸收与Sr基本一致；而十字花科和豆科植物样品中K（结球白菜除外）、Si的含量低于禾本科植物，与Sr相反。在不施核素处理下，植物对Sr与其他元素的吸收也有一定的相关性：Sr含量与Ca、Cl、Mg、Na、Fe、Al、Zn含量呈正相关，但只与Ca含量呈显著相关；与K、S、P、Si含量呈负相关，但均未达到显著水平。
3 小结与讨论
高浓度Sr处理下，植物样品中Sr含量与Ca、Mg含量呈极显著正相关，与S、Na含量呈显著正相关，与P、Si、Fe、Zn含量呈极显著负相关，与K、Al 含量呈显著负相关。在高浓度Cs处理下，植物对Cs的吸收与其他元素的吸收相关性均不显著，但Cs含量与K含量的相关系数较大，相关系数为0.661 4。在不施核素处理（CK）下，植物样品中检测到少量的Sr，未检测到Cs，Sr含量与Ca、Cl、Mg、Na、Fe、Al、Zn含量呈正相关，但仅与Ca含量相关性达显著水平。
朱永懿等[16]认为，土壤中的Ca含量是影响植物吸收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肥会减少植物对137Cs的吸收[17]。Roca等[18]研究表明，在K和Cs同时存在时，植物偏向吸收K，这种偏向随K浓度的降低而增加；在土壤中Ca浓度较高时，植物偏向吸收Sr，在土壤中Ca浓度较低时，Sr和Ca的吸收率相同。汤泽平等[19]认为，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属同族元素，它们的化学性质较接近，植物吸收大量Ca和K的同时，也会吸收Sr和Cs元素。许多研究表明，植物吸收Sr与Ca、Cs与K呈显著正相关[11-14，19，20]，本研究也得到了相似的结果。此外，本研究还发现，植物吸收Sr与Mg也呈极显著正相关，其原因可能是Sr和Mg为同族元素，具有相同的化学性质；Sr含量与P、Si、Fe、Zn呈极显著负相关，这与P会抑制植物对90Sr吸收的结论类似[19]。
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收稿日期：2011-12-24
作者简介：江世杰（1985-），男，甘肃庆阳人，在读硕士研究生，研究方向为生物修复，（电话）13681242798（电子信箱）。