刘书楷 王 铭 郑 毅

(1. 西南林业大学国家高原湿地研究中心，云南 昆明 650224；2. 西南林业大学环境与工程学院，云南 昆明 650224)

农药在控制农业害虫、杂草、疾病以及提高作物产量方面发挥着巨大作用，但大量且不合理使用不仅会对生态环境造成破坏，而且通过食物链会对人体健康产生一定程度的危害[1-4]。如扑草净 (4, 6-双异丙胺基-2-甲硫基-1, 3, 5-三嗪)，在水中溶解度较低 (25 ℃时，48 mg/L)，化学性质稳定，难降解[5]，可经过各种途径进入环境中，如经地表径流和渗透作用造成地表水和地下水的污染，通过食物链传递对水生生态环境中各级生物造成各种急性、慢性或遗传性毒性，引发水生态系统中生物种群结构和数量的变化[6]。扑草净对人类健康和生态环境造成的严重危害已引起世界各国的重视[7-10]，欧盟等国已禁止销售和使用扑草净，但我国在水产养殖和农作物的杂草去除中仍广泛使用[11-12]。目前，国外对去除农业径流中农药的研究已经十分活跃[13-14]。

植物作为农业径流中农药去除效果较好的方法之一，已经成为治理环境污染研究的一个热点[15-17]。近年的研究发现，香根草 (Vetiveriazizanioides) 已被广泛证明是一种抗性强的植物，它对贫瘠地、有机物、污水等都表现出了较强的抗性[18-22]。香根草根系扩展能力强于一般的人工湿地植物，对污水中的总氮、总磷的降解率显著高于黄菖蒲 (Irispseudacorus) 和其他挺水植物[23-24]。而氮作为植物生存的必要养分之一[25]，环境中的氮含量可直接影响植物的生长和生态功能。

目前氮素水平对植物吸收和去除农药的影响研究较少。本试验以香根草为研究对象，用盆栽种植的方式，在人工控制氮营养水平的条件下，研究香根草对扑草净的吸收、去除的动态变化规律，及扑草净在香根草的根、茎叶中的转移，探讨不同氮水平下香根草对扑草净的吸收特点，以期为日后植物的生态环境治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用香根草采自在澄江窑泥沟湿地公园 (东经102°49′～102°57′，北纬24°17′～24°37′，海拔1 720 m)，试验植物体选择高为0.8～1.2 m，长势良好的均匀株。于温室内统一进行管理，所处外部环境条件一致：气温25～35 ℃，相对湿度50%～60%，自然通风，自然光照。

1.2 实验设计

实验容器为口径10 cm的棕色玻璃瓶。统一使用常规单子叶营养液为培养液，培养液配置方法见表1。处理过程中用少量1 mol/L NaOH或者1 mol/L HCl将营养液的pH值控制在7.00 ± 0.02间。本次实验的主要研究目的是了解不同氮浓度 (低浓度氮：0.16 mg/L，中浓度氮：0.33 mg/L，高浓度氮：0.49 mg/L) 条件下香根草对扑草净的吸收效果。将成熟均匀的香根草直接植入装有常规单子叶植物营养液的棕色广口瓶内，每瓶营养液为2 L，将香根草根部均浸泡在营养液液面下，并按照设定浓度 (扑草净初始浓度均为0.5 mg/L) 添加扑草净所需量。样品的采样时间为植入植株第0天、第5天、第10天、第15天、第20天、第25天、第30天、第40天。每瓶种植4株香根草，植株总质量约为200 g，每种含氮浓度以未含氮体系的处理作为空白对照，所有处理和对照均重复3次。

表1 常规单子叶植物营养液配方Table 1 Nutrient solution formula of conventional monocotyledon

1.3 样品采集与处理

每瓶香根草根和茎叶各采集2 g，剪取成熟且长势良好的植物根系和茎叶，取不同部位，使样品具有代表性。将采集的样品剪成2～3 mm的碎片，转移到具塞锥形瓶中，加入40 mL乙腈，盖上瓶盖,超声提取40 min，滤入平底烧瓶中，再用20 mL乙腈重复提取1次，超声提取20 min，合并提取液于旋转蒸发瓶中，于60 ℃水浴中旋转蒸发至干，用3.0 mL正己烷溶解，过0.45 μm有机相滤膜，待测。

1.4 测定分析方法

植物体体内扑草净浓度用Agilent 7890B-5977MSD气相色谱-质谱联用仪测定。

1.4.1仪器工作条件

气相色谱-质谱联用仪采用 HP-5 MS毛细管色谱柱 (30 m × 0.32 mm i. d × 0.25 μm)；进样口温度260 ℃；不分流进样，进样量为1 μL；载气为氦气 (纯度不小于99.999%)，流量为 0.8 mL/min；柱程序升温：初始温度70 ℃，保持1 min；以 25 ℃/min速率升温至180 ℃；再以5 ℃/min速率升温至220 ℃；最后以20 ℃/min速率升至280 ℃，保持3 min。

质谱条件电子轰击离子源 (EI)，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃ ；接口温度280 ℃，四极杆温度150 ℃ ；溶剂延迟时间为3.75 min；扫描方式为全扫描模式与选择离子监测模式同时进行，SCAN 扫描范围 (m/z) 50～350，SIM监测离子为m/z 241、184、226、199；定量离子为气相色谱条件，柱温：230 ℃，进样口：280 ℃，加热器：200 ℃，电位计电压勾，进样量2 μL，分流进样，分流比2∶1。

1.4.2标准曲线

用正己烷逐级稀释扑草净的母液，配制质量浓度为0.01～10.0 mg/L的标准系列，然后按1.3.1中色谱条件进行测定。以样品质量浓度 (mg/L) 为横坐标 (x)，相应的峰面积为纵坐标 (y) 绘制工作曲线 (见图1)。工作曲线回归方程为y=35 180x-23.112，相关系数R2=0.999 8，表明0.01～10.0 mg/L的范围里线性关系良好。

图1扑草净工作曲线
Fig.1 The working curve of prometryn

1.4.3加标回收率

通过GC-MS仪器对香根草根、茎叶中扑草净的加标回收试验检测分析可知 (见表2)，扑草净在香根草的根、茎叶加标回收率均为93.47%～101.56%，扑草净在样品中的平均回收率大于99.13%，说明香根草对扑草净的提取具有可操作性，其相对误差较小，能达到扑草净测定的要求。

表2 扑草净在香根草茎叶及根中的加标回收率Fig.2 Recovery rate of prometryn in stems, leaves and roots of V.zizanioides

2 结果与分析

2.1 香根草根系中扑草净的动态变化

不同氮浓度条件下，香根草根系对扑草净的吸收动态及转移规律如图2所示。

图2香根草根中扑草净的浓度动态
Fig.2 The concentration dynamics of prometryn in the roots ofV.zizanioides

由图2可知，在氮浓度不同的条件下，随着时间的变化，香根草根系对扑草净的吸收呈先增大后减小并趋于平缓的趋势。其中高浓度、中浓度、低浓度氮素水平条件下，香根草根系对扑草净的吸收在第5天达到最大值，分别为5.787、4.449、1.572 mg/kg，高浓度氮条件下吸收效果最为显著；空白条件下，香根草根系对扑草净的吸收在第10天达到最大值，为2.220 mg/kg。添加氮素明显加快了香根草根系对扑草净的吸收速率，较对照相比，提前5 d达到了吸收峰值。但从第15～40天扑草净在植株根系内的浓度含量呈现不断下降并趋于平缓的趋势。分析其原因可能为氮素的存在促进了香根草的成长，从而促进了香根草对扑草净的吸收；同时由于植株自身的吸收、代谢、降解及转移等作用，使得植株根系内扑草净的浓度含量呈先增大后减小趋势。

2.2 香根草茎叶中扑草净的动态变化

不同氮浓度条件下，香根草茎叶对扑草净的动态转移规律如图3所示。

图3香根草茎叶中扑草净含量的动态变化
Fig.3 The concentration dynamics of prometryn in the shoots ofV.zizanioides

由图3可知，在氮浓度不同的条件下，随着时间的变化，香根草茎叶对扑草净的吸收呈先增大后减小随后又有所增大的趋势。其中高浓度、中浓度、低浓度氮素水平条件下，香根草茎叶对扑草净的吸收在第10天达到最大值，分别为1.104、3.156、3.326 mg/kg，低浓度氮条件下吸收效果最为显著；空白条件下，香根草茎叶对扑草净的吸收在第15天达到最大值，为0.192 mg/kg。添加氮素明显加快了香根草茎叶对扑草净的吸收速率，较对照相比，提前5 d达到了吸收峰值。中、低氮浓度条件下与高浓度氮条件相比呈现显著差异，究其原因，可能为氮素的存在在一定程度上促进了香根草对扑草净的吸收，高浓度氮浓度条件下反而抑制了扑草净由根到茎叶的转移。由于香根草体内可能发生生物富集等作用，所以自第30天以后扑草净在茎叶中的浓度有抬升现象。

2.3 扑草净由香根草根系到茎叶的转移规律

扑草净由香根草根系到茎叶的转移规律见表3。扑草净在香根草体内的转移系数 (TF) 等于茎叶中扑草净浓度与根系中扑草净浓度的比值。由表3可知，高浓度氮时转移系数最大为1.23，中浓度氮时转移系数最大为1.74，低浓度氮时转移系数最大为3.46。而低浓度氮时，扑草净的转移系数在第10天、第15天、第20天、第40天均大于高、中浓度氮转移系数的最大值。由此可知，低浓度氮不仅能促进香根草对扑草净的吸收，同时能促进溶液中扑草净由根系向茎叶的转移。可能原因为氮素既是香根草生长所需要的营养物质，同时也是抑制植物生长的污染物质，低浓度氮条件下可能更有利于香根草自身的生长，从而促进香根草体内扑草净的吸收与转移。

表3 扑草净由香根草根系到茎叶的转移系数Table 3 Transfer coefficient of prometryn in root and shoot of V.zizanioides

2.4 不同氮素水平下香根草对扑草净的去除效率

第40天时，不同氮素水平下香根草对扑草净的吸收、残留、去除率见表4。

表4 第40天不同氮水平下香根草对扑草净的吸收去除效率Table 4 Absorption and removal rate of prometryn under different nitrogen levels at the 40th day

由表4可知，在氮浓度不同的条件下香根草培养至第40天时，扑草净在溶液中的残留率最低值为中浓度氮条件下的1.80%，最高值为高浓度氮条件下的1.90%；香根草对扑草净的吸收率最高为高浓度氮素条件下的7.54%，吸收率最低值为中浓度氮条件下的4.78%；香根草对扑草净的去除效率表现为中浓度氮条件下的18.07% > 低浓度条件下的16.51% > 高浓度氮条件下的13.11%。由此可知，香根草在中、低浓度氮素水平下修复扑草净的最终效果更好。

3 结论与讨论

通过此次试验表明，氮素的存在能出促进香根草根部对单子叶溶液中扑草净的吸收，高浓度氮素含量下吸收扑草净效果作为显著。低浓度氮条件下，扑草净由根系向茎叶转移效果较好；高浓度条件下对扑草净从根部向茎叶的转化具有抑制作用；中浓度氮素水平条件下，香根草对扑草净的去除效率更高；添加氮素能促进香根草对溶液中扑草净的吸收，在低浓度氮含量的情况下，香根草较中、高氮浓度的生长长势好。且在pH为7.00 ± 0.02的条件下，通过改变氮的添加浓度对香根草在单子叶营养液中扑草净的吸收效果分析，培养液pH值在香根草正常生长值内，王青青等[26]研究表明：香根草在pH 4.0～9.0条件下，香根草基本可以正常生长。Truong[27]研究表明，在可交换性盐质量分数高达33%时香根草仍表现正常，在pH值3.8的酸性土壤中，Al3+质量分数高达68%情况下仍能生长 (一般作物Al3+质量分数15%就相当高了[28])，在质量分数含量高的砷、铅、镉、铝等状况下也能生长正常。香根草对重金属有较强的耐受能力，其耐受性遵循Zn > Pb > Cu规律[29]。徐世谦等[30]研究表明，扑草净作用机制是抑制植物的光合作用，妨碍糖分的形成和淀粉的积累是植物因缺乏养分而死亡。本实验水溶液中，扑草净初始浓度为0.5 mg/L，前期随着香根草中扑草净的浓度升高，香根草叶中叶绿素值也在减少；反之，香根草中扑草净浓度降低，其叶中叶绿素的值开始缓慢回升。后期，香根草中扑草净残留浓度降低时，即使香根草中扑草净残留有微小回升，香根草叶中叶绿素也在增大，但增大幅度较小。说明扑草净浓度在低于香根草致死浓度下，能抑制香根草光合作用，影响其正常生长。Marcacci等[31]等研究表明，香根草能吸收和转移阿特拉津的极性化合物，产物多数集中在叶片的顶端，阿特拉津在香根草中与谷胱甘肽结合失去其自身具有的毒性。阿特拉津和扑草净均属于三氮苯类除草剂，化学结构也类似，但二者在香根草中的吸收和代谢机制是否一致还有待进一步的研究证实。廖新弟等[32]研究发现，香根草对养猪场废水中N，P元素吸收效果明显，其对富营养化水体净化有很好的效果。若不同浓度的N，P素水平对香根草吸收和去除扑草净无明显影响，那香根草将是受扑草净污染和富营养化水体治理的优良植物选择。

综合分析可知，氮素的存在对香根草自身的生长、对溶液中扑草净的吸收均有较明显的影响，但低浓度氮素条件下不仅植株自身的生长长势好，而且对溶液中扑草净的吸收和降解效果较好。香根草在耐盐碱、重金属修复、农药的吸收与降解方面有待更深层次的研究，氮浓度对扑草净的影响机理还有待进一步研究。

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