砷是自然界中的一种元素,广泛存在于无机环境和有机物中。砷因自然作用或者人为活动而进入陆地以及水环境中。在我国的湖北、湖南、山西等地方一些土壤中因为煤炭燃烧以及金属冶炼等原因砷的含量较高,给粮食安全生产、人们生活和健康带来了威胁。冬小麦和油菜是我国广泛种植的大田作物,在砷污染地区有不同程度的种植。本文在总结了国内外砷对植物生物有效性研究的基础上,通过土壤培养和营养液培养试验相结合,以冬小麦和油菜两种作物为材料,应用生理生化研究法并结合砷的在线形态分离技术,深入研究了冬小麦和油菜两种作物对砷的不同反应。主要研究结果如下:1.研究了冬小麦、油菜生长及产量对砷污染的反应。结果表明:当砷浓度为30 mg/L以上时,冬小麦根系和茎叶停止生长,趋于死亡而油菜仍能生长。30 mg/L砷处理时,冬小麦茎叶和根系生物量较对照分别降低了66.7%和78.3%;而相同浓度处理下,油菜的茎叶和根系生物量较对照却分别降低了47.5%和27.8%,这说明油菜较小麦对砷有较高耐性。土培条件下,低浓度的砷促进小麦生长,高浓度的砷抑制小麦生长和产量。油菜对砷有较高的耐性,不同砷浓度处理没有显著影响油菜的生长和产量。两种作物的可食用部分砷含量都没有超过安全标准,可以食用。比较油菜和小麦两种作物对砷污染的不同反应以及砷的累积情况,可知在土壤砷浓度小于60 mg/kg时,油菜、小麦都适合种植;当土壤砷浓度为80—100 mg/kg时,适合种植油菜。2.研究了冬小麦、油菜光合作用特性对砷污染的反应。结果表明:较低的砷水平显著提高冬小麦、油菜叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量。不同砷处理显著降低了冬小麦叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr),影响小麦光合作用的主要因子是气孔限制。不同的砷水平提高了油菜叶片的Pn、Gs、Ci和Tr,促进了油菜的光合作用。这可能是砷显著提高了叶片中叶绿素的含量,同时油菜对砷的吸收较少,砷的毒害作用小使叶片的光合作用能力升高。不同砷水平处理下,冬小麦、油菜光合作用的不同反应说明砷对二者光合作用的影响机理不同,具体原因需进一步研究。在不同的生育期,随着土壤中砷浓度的增加,冬小麦的光合作用在低砷浓度处理时增加,高砷处理时显著降低;而油菜光合作用受砷影响不显著,证明油菜较小麦对砷有更高耐性。3.研究了冬小麦、油菜养分吸收对砷污染的反应。结果表明:砷主要累积在冬小麦和油菜的根系,转移到地上部分的量比较少只有根系砷浓度的1%—5%。溶液培养中,砷促进了小麦茎叶中Ca、Mg的含量,降低了K和P的含量;而根系中Ca、Mg、K、P的含量逐渐降低。油菜茎叶中养分元素受砷的影响比较小,但是Ca、Mg含量有不同程度提高。砷不同程度影响小麦、油菜根系中Fe、Mn、Cu和Zn等含量。油菜吸收和转移养分元素到茎叶中的能力要强于小麦,尤其油菜将P、Fe元素从根系转移到茎叶的能力很强,这可能是油菜较小麦对砷有较高耐性的原因之一。两种作物根系中Fe和P是营养元素中最容易受到砷影响的两种元素。4.研究了砷污染下不同磷肥浓度对冬小麦、油菜生长的影响。结果表明:缺磷时,高砷处理对油菜的毒害程度要比小麦严重;施入适当的磷肥后,油菜表现出对砷污染有较高的耐性,生长和产量不容易受到影响,磷肥显著降低了砷对油菜毒害。砷污染下,小麦受磷的影响不大,磷肥的施用对降低砷对小麦的毒害有一定作用,但效果不十分明显。在200 mg/kg砷污染的土壤中,适当施用磷肥,对小麦和油菜的生长有利,但是过高的磷肥会加重砷对小麦的毒害。在砷高度污染的土壤中,更适合种植油菜。5.研究了冬小麦、油菜体内砷含量和形态的变化。结果表明:冬小麦能够积累较高浓度的砷在体内。相较于冬小麦,油菜吸收累积砷的浓度要比冬小麦低。进入植物体内的砷,主要存在于冬小麦和油菜的根系,转移到地上部分的砷含量很低,为根系砷浓度的0.2%—1.5%。砷主要以无机三价态和五价态存在于冬小麦和油菜的根系和叶片中,且三价态的砷含量高于五价态砷的含量。随着溶液中砷浓度的提高,三价态的砷含量显著提高,而五价态砷含量变化不大。6.研究了冬小麦、油菜酶系统和非酶系统对砷污染的反应。结果表明:砷胁迫下,两种作物通过酶系统(SOD、CAT和POD)和非酶系统(Vc、-SH、GSH和PCs)的反应抵抗或降低砷对作物体本身的伤害。小麦酶系统在其抵抗砷毒害过程中发挥的作用不明显,它主要是通过非酶系统的作用来降低砷对自身的毒害;而油菜在较低砷浓度处理(0—8 mg/L)时,酶系统和非酶系统均非常活跃,二者共同作用来抵抗砷的毒害;在8-16 mg/L砷处理时,油菜通过非酶系统的作用来实现对自身的保护。