高氯酸盐是一种内分泌干扰剂，较低浓度即可干扰甲状腺的正常功能，从而影响人体正常的新陈代谢，阻碍人体正常的生长和发育，尤其是对孕妇和儿童的危害更大^{[1, 2, 3]}，美国EPA推荐其口服摄入安全剂量(RFD)为每天每千克体重0.7 μg^[4]。高氯酸盐来源广泛，自然源主要为大气(光)化学反应而形成ClO^-₄，且环境中存在大气来源的高氯酸根的背景值较高，如在智利北部的阿塔卡马沙漠的砂土中检测到了浓度高达250mg/L的ClO^-₄^{[5, 6, 7]}。人工合成的高氯酸盐广泛应用于皮革加工、橡胶制造、涂料生产、润滑油添加剂、烟花炮竹生产、电镀等行业，并且是固体火箭推进剂的主要成分，也作为一种实验药品被大量使用，同时高氯酸钾还广泛应用于临床治疗免疫系统缺陷造成的甲状腺机能亢进，以及在临床实验中，用以检验甲状腺激素(TSH,TS 和T4) 的分泌情况^{[8, 9]}。高氯酸盐的广泛使用与排放带来了严重的污染。美国早期测定受人为污染地区的地下水中ClO^-₄浓度可达几百甚至上千mg/L，如内华达州Henderson 地下水中ClO^-₄浓度高达3700 mg/L^[10]，在此地检测到某些陆生植物体内的ClO^-₄浓度最高平均值为645000 μg/kg干重^[11] ；美国德州MacGregor地区土壤中ClO^-₄浓度高达1.8×10⁶ μg/kg，德州东部中心地带的Longhorn 军队的弹药厂周围的一些植被体内高氯酸盐浓度范围为555—5560000 μg/kg干重^[12]。美国对其境内的高氯酸盐污染现状的普查较为彻底，而其他国家相关的调查工作开展较少。不过，近年来，也陆续报道了在日本、韩国、印度等国家的水体、土壤、植物和食品(如牛奶、蔬菜、水果、婴儿配方奶粉乃至营养品等)以及体液(母乳、唾液和尿液)等介质中都检测出了不同浓度水平的ClO^-₄^{[13, 14, 15, 16, 17]}。我国学者^{[18, 19, 20, 21, 22]}近年来的研究也表明高氯酸盐污染在中国是普遍存在的，我们的前期调查工作也表明某些化工厂周边的环境已受到严重的高氯酸盐的污染。

水稻是世界上最主要的粮食作物之一，高水溶性、低吸附性和高流动扩散性的高氯酸盐可通过灌溉用水进入农田，从而对粮食安全构成潜在的威胁。我们的前期研究表明，不同品种的水稻对高氯酸盐的耐性差异很大，稻米中高氯酸盐的积累量也不同，说明高氯酸盐在水稻体内的代谢与积累存在着品种间的差异。本文以两个对高氯酸盐抗性不同的水稻品种为材料，研究不同水平高氯酸盐处理对水稻生长发育和吸收主要养分元素氮、磷、钾的影响，旨在探讨水稻对高氯酸盐胁迫响应的品种差异，以期为进一步分析高氯酸盐可能的植物毒理作用提供基础。

选用华南农业大学农学院农场水稻土作为盆栽基质，土样风干过筛后并充分混匀，每盆(30cm(直径)× 50cm(高))装土7 kg(干重)。水稻土的基本理化性质见下表 1。

本试验选用本实验室前期试验中筛选出来的对-ClO^-₄耐性较高的水稻品种赣糯香(籼稻，来自中国。在本文以代号W17表示)和对ClO^-₄-敏感品种IR65598-112-2(粳稻，来自菲律宾。在本文以代号W21表示)作为植物材料。水稻种子由广东省植物分子育种中心提供。

挑选饱满籽粒，先用清水浸泡几分钟，去除不实籽粒，再用10%H₂O₂浸泡30min，用去离子水漂洗数遍。放置于30°C培养箱暗处浸种48 h，期间换水4次，待水稻露白后种植于沙盘中进行幼苗培养。

每个水稻品种设对照(不加高氯酸盐)、0.2、2.0和4.0mmol/kg高氯酸钾处理组(以ClO^-₄计算浓度)，每个处理设3个重复，一共24盆。每盆种植3穴，每穴2株。待水稻幼苗长至3叶1心时选择长势一致的幼苗进行移栽种植。移栽前每个盆各加5g复合肥。试验地点位于华南农业大学农场温室大棚。

待水稻幼苗返青、生长正常后，将含有相应浓度的高氯酸盐的水溶液一次性加入到盆内。水稻按常规方法进行灌溉、施肥等管理,分别在苗期、分蘖期和抽穗期测量水稻株高，在移栽后约4周后水稻分蘖时进行分蘖数调查。待水稻完全成熟后收割，并进行相关指标的测定。

实验结束后用去离子水反复冲洗干净水稻植株，将根、茎、叶和谷分开，105℃下杀青30min，并在65—70℃下烘干至恒重后称重。将植株干样粉碎，用H₂SO₄-H₂O₂消煮后进行N、P和K的测定。N测定采用蒸馏-滴定法，P的测定采用钼蓝比色法，K的测定采用火焰分光光度计法^[23]。

所有数据均采用Microsoft Excel 和SPSS14.0 进行计算和统计分析。并用Duncan 检验法对显著性差异(P<0.05)进行多重比较。

为了比较不同污染物处理水平对两个品种水稻各生长指标的影响，按以下方法计算其抑制率(Ri)：

Ri=(1-T/C)×100

式中，C为对照值，T为处理值。

当Ri≥0 时，表示处理组与对照组相比具有抑制作用；

当Ri<0 时，表示处理组与对照组相比具有促进作用。

在中、高浓度的高氯酸盐的影响下，两种水稻的外观形态发生了很明显的变化，主要表现出叶片泛黄、枯萎等受害症状，水稻明显比对照组的矮，而低浓度的高氯酸盐对水稻外观形态没有造成明显的毒害影响。

不同浓度的高氯酸盐处理对两种水稻株高的影响见表 2。结果表明，各处理组加入高氯酸盐1周后对W17的生长无明显影响，但高浓度高氯酸盐处理对W21有显著抑制生长的作用，抑制率为15.81%，说明W21品种比W17品种对污染物表现出更早的反应。

在水稻分蘖期(加入污染物2周后)，2.0和4.0 mmol/kg处理组对W17品种水稻有显著抑制生长的作用，0.2mmol/kg处理组对W17无明显影响，而3个浓度处理组都对W21品种水稻的生长都有明显的抑制作用，表明较低浓度的高氯酸盐胁迫即可抑制W21品种水稻的生长，进一步说明W21品种水稻对高氯酸盐的胁迫较为敏感。3个处理组对W17水稻株高生长的抑制率分别为3.08%、33.39%和39.03%，对W21水稻株高生长的抑制率分别为9.18%、21.07%和34.97%。

到水稻抽穗期时即加入污染物45天后，污染物对水稻生长的抑制作用有所减弱，0.2和2.0 mmol/kg处理组对W17没有明显抑制作用，但4.0mmol/kg处理组对W17的生长仍然有显著抑制效应；0.2 mmol/kg处理组对W21没有明显抑制作用，但2.0和4.0mmol/kg处理组对W21的生长仍然有显著的抑制效应。

水稻的分蘖情况不仅直接反映水稻的长势，还影响水稻的产量。各处理组对两个水稻品种的分蘖数的影响结果见表 3。

由表 3可看出，W17品种2.0和和4.0mmol/kg处理组的分蘖数明显少于对照组，而0.2mmol/kg处理组与对照组相比无明显差异；3个浓度处理组的W21品种的分蘖数都明显少于对照组。说明低浓度处理组即可显著抑制W21的分蘖数，表明W21品种对高氯酸盐的胁迫比W17更为敏感。

低温、药害、病虫害、灌溉条件等都可能造成水稻抽穗延迟的现象发生。本试验中不同处理组的水稻的始穗日期有所不同，具体见表 4。

从表 4中可看出，各浓度处理组的水稻抽穗都比对照组有所延迟，而且在同一处理组中的不同植株的始穗时间也不一致。尤其是高浓度处理组，其生育期差不多延迟了1个月，水稻的始穗时间也参差不齐。

在高氯酸盐的影响下，两种水稻的根系形态及其颜色发生了很明显的变化，主要表现出水稻根部腐烂、须根比对照组少且短、颜色变黑等受害症状，而且随着浓度的增加，其受害症状越明显。具体根长见表 5。

由表 5可看出随着高氯酸盐处理浓度的增加，水稻的根长也显著降低，而且W21降低的幅度都比相应浓度下的W17大，这也一定程度上表明高氯酸盐对W21水稻根系的伤害更严重。

不同浓度的高氯酸盐处理对两种水稻根、茎、叶、谷干重的影响见表 6。结果表明，所有高氯酸盐处理组的水稻根干重和谷干重(产量)显著少于对照组，2.0和4.0 mmol/kg高氯酸盐处理组的茎叶干重显著少于对照组，而0.2 mmol/kg高氯酸盐处理组的茎叶干重与对照组无显著差异，说明高氯酸盐对地下部的伤害更严重。

试验结束后两个品种水稻各器官中的全氮含量见下表 7。研究结果显示不同水平高氯酸盐处理下两品种水稻的根中全氮含量与对照组相比无显著差异，而叶中全氮含量随着污染物处理浓度的增加而显著增加，这可能与高氯酸盐处理使水稻生育期延后，结束实验采样时中高浓度处理组的水稻还没完全进入收获的腊黄成熟期有关。高氯酸盐处理对水稻茎和谷中的全氮含量的影响两品种间不同，其中W17水稻茎和谷的全氮含量各处理间无显著差异，而W21水稻茎中全氮含量随着污染物浓度增加而显著增加，W21水稻谷中低、中浓度处理组显著高于对照组，而高浓度处理组与对照组比无显著差异。

根据水稻各器官的生物量(表 6)和全氮含量(表 7)可以计算出两品种水稻各器官的全氮累积量，结果见图 1。统计分析结果表明，各处理组的水稻茎、叶对氮素的总累积量无显著性差异，但根和谷中营养元素氮的总积累量显著减少，这主要是因为高氯酸盐处理使水稻根部生物量和水稻产量显著减少。

图 1 不同浓度高氯酸盐处理下水稻各器官中的全氮累积量 Fig. 1 Effect of perchlorate on the accumulated nitrogen in different organs of rice 图中小写字母的不同表示同一水稻品种同一器官之间有显著性差异

图选项

试验结束后两个品种水稻各器官中的全磷含量见下表 8。研究结果显示不同水平高氯酸盐处理下两品种水稻各器官中的全磷含量与对照组相比无显著差异。但由于高氯酸盐处理使水稻各器官的生物量显著减少，使得各处理组水稻各器官中磷素的累积量随着高氯酸盐浓度增加有明显下降趋势，而且谷和根的下降幅度比叶多，叶又比茎下降略多(见图 2)。经方差分析显示：浓度之间差异和器官敏感性差异都达到了非常显著的水平。

图 2 不同浓度高氯酸盐处理下水稻各器官中的全磷的累积量 Fig. 2 Effect of perchlorate on the accumulated phosphorus in different organs of rice

图选项

试验结束后两个品种水稻各器官中的全钾含量见下表 9。研究结果表明高浓度处理组水稻茎、叶、 谷中全钾的含量明显高于对照组，分析产生原因主要有两个方面：一方面是因为本试验中加入的污染物是高氯酸钾，所以土壤中K离子浓度相应增加了；另一方面可能是因为盐胁迫下水稻对K离子的选择性吸收能力增强，以利于维持相对较好的体内离子平衡和细胞中的离子稳态。

两品种水稻各器官的全钾累积量结果见图 3。统计分析结果表明，高氯酸盐处理对两品种水稻茎和叶中全钾的累积量无明显影响，但根和谷中钾的总积累量与对照比显著减少，说明虽然污染物使植物体内全钾含量提高了，但由于污染胁迫严重降低了水稻根部生物量和水稻产量，使得根、谷中钾的总累积量相应减少。

图 3 不同浓度高氯酸盐处理下水稻各器官中全钾的累积量 Fig. 3 Effect of perchlorate on the accumulated potassium in different organs of rice

图选项

高氯酸盐易溶于水，具有非挥发性、低吸附性、高流动性和高稳定性等特点，因而被认为是一种具有高度扩散性和持久性的有毒污染物质。植物对高氯酸盐胁迫响应最敏感的生理现象是生长发育受到抑制，谢寅峰等的研究表明：高氯酸盐处理会导致空心莲子草光合系统的损伤及光化学效率的下降，抑制植物生长，并使叶片产生明显伤害，其影响程度与ClO^-₄处理浓度及时间呈正相关^[24]。Raj等的研究认为浓度低于25mg/L的高氯酸盐对番茄(Lycopersicum esculentum )、 黑吉豆(Vigna mungo)、红豆(Vigna radiate )和玉米(Zea mays)四种植物的种子萌发和根伸长无毒性效应，而浓度高于50mg/L时呈现出抑制效应，对玉米的植物毒性大于其他3种植物^[25]。杨杰锋等研究发现高氯酸盐对水稻幼苗株高有抑制作用，且抑制作用呈现出明显的浓度-效应关系和时间-效应关系，浓度越高，处理时间越长，抑制率越高^[26]。本实验结果发现，不同浓度的ClO^-₄ 处理均不同程度地抑制了两种水稻的生长，延迟了水稻的发育，降低了各器官的生物量，其影响程度随ClO^-₄处理浓度的增高而加重，且与处理时间长短及水稻品种有关。在试验过程中发现各处理组加入高氯酸盐1周后，W17品种水稻仍可正常生长，但高浓度高氯酸盐处理后的W21品种水稻的生长已经显著滞后于其对照组，表现出叶缘枯萎变黑等症状，说明W21品种比W17品种对污染物表现出更早的反应。 随着时间的推移，水稻的受害症状越来越明显，到分蘖期时水稻对高氯酸盐植物毒性的响应最为明显，除0.2mmol/kg处理组的W17水稻品种外，其他处理组的生长高度都显著低于对照组。但到了水稻抽穗期，这时距离加入污染物已有45d，测定结果表明污染物对水稻生长的抑制作用有所缓解，可能原因：一方面是随着植物的生长，水稻本身可通过保护酶系统对伤害有一定的适应和抵抗能力^[26]，另一方面，现有研究表明高氯酸盐降解菌在环境中是普遍存在的，其种类多样，在变形菌门的各亚纲都有涉及，其绝大多数呈革兰氏阴性，且厌氧(兼性厌氧或严格厌)^[9]，而水稻生长的土壤环境基本处于厌氧状态，因此高氯酸盐降解菌很容易富集，导致土壤中的高氯酸盐发生降解而转化为对水稻无明显毒害作用的Cl^-。

众多研究表明，水稻不同生育期干物质积累量与氮、磷、钾等主要营养元素的吸收利用关系密切。水稻产量的高低与成熟期氮素累积量关系密切，在不同的栽培条件下，水稻单位面积产量与成熟期氮素累积量的关系一般呈抛物线型曲线，其氮素的累积量与水稻品种也有关系^{[27, 28, 29]}。已有的研究表明，重金属的胁迫引起植物体对氮、磷、钾等大量营养元素吸收和再运输效率的下降，从而导致它们参与体内物质和代谢的异常，而这种胁迫效应的大小依不同的重金属离子而不同，不同的植物种类也有不同的重金属忍耐能力，因而，营养元素的施用也可以缓解重金属对植物的胁迫毒害作用^[30]。目前关于植物吸收高氯酸盐的机制尚不清楚，由于该污染物不易挥发、水溶性强等特点，许多学者^{[31, 32]}试图从植物蒸腾作用及各种阴离子等角度研究环境因素对植物吸收高氯酸盐的影响，进而探讨植物吸收、转化高氯酸盐的机制。如Seyfferth等研究了土壤中的阴离子浓度如NO^-₃、Cl^-、SO^2-₄和pH等因素对莴苣吸收高氯酸盐的影响，发现营养液内的NO^-₃及H⁺浓度与莴苣叶内的高氯酸盐累积量成负相关，因此他们认为植物吸收硝酸根离子与高氯酸根离子可能是同一个通道^[31]。本文通过测定水稻收获后各器官中主要营养元素的含量，发现除了高浓度处理组水稻叶片中总氮含量高于其对照组外，其他处理组无显著差异；各处理组的水稻中磷素含量也差异不显著，但由于污染胁迫使水稻减重明显，因而水稻对N、P、K营养元素的总积累量显著减少。研究表明，高氯酸盐胁迫抑制了水稻的生长，延迟了水稻的发育，但是对水稻不同生育期吸收营养元素有何影响？植物养分是否或者如何促使土壤中高氯酸盐降解菌的富集，从而加快高氯酸盐的根际降解，减少污染物向植物可食部分转运？这些问题有待进一步的深入研究。