鎘砷低積累菜心品種的篩選

呂夢(mèng)婷，陳 雪，易忠惠，何 冰，王學(xué)禮，顧明華，韋燕燕

(廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育)，廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530004)

【研究意義】隨著工業(yè)化的發(fā)展，大量工業(yè)“三廢”的超標(biāo)排放及農(nóng)藥、化肥的大量施用導(dǎo)致重土壤和水體重金屬污染問題日趨嚴(yán)重[1]，其中，重金屬Cd和As污染極為普遍。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，我國(guó)受Cd、Cr、As等重金屬元素污染的農(nóng)業(yè)耕地面積約133.33 萬hm2[1]，Cd和As的污染對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，選育低Cd和As積累作物品種降低作物對(duì)Cd和As的吸收和積累，對(duì)保障食品質(zhì)量安全及人體健康具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】我國(guó)土壤重金屬污染多表現(xiàn)為復(fù)合污染，尤其以As、Cd復(fù)合超標(biāo)問題突出[2]。由于蔬菜對(duì)重金屬的富集系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他農(nóng)作物，因此蔬菜的重金屬污染問題更加突出。師榮光等[3]對(duì)天津市郊的21 個(gè)蔬菜品種進(jìn)行研究，結(jié)果顯示各類蔬菜主要受Cd和As污染，并且這兩種重金屬元素的變異系數(shù)相對(duì)于其他重金屬元素較大。李明德等[4]對(duì)長(zhǎng)沙市部分蔬菜進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受重金屬污染的均為葉菜類蔬菜，半數(shù)葉菜類蔬菜樣品Cd超標(biāo)，這些蔬菜地近2/3的土壤受到Cd污染。胡小玲等[5]對(duì)珠海市61份葉菜樣品的檢測(cè)結(jié)果顯示，Cd和Pb的超標(biāo)率分別達(dá)到24.6 %和8.2 %?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)植物對(duì)單一重金屬元素低積累品種篩選的研究較多，但是關(guān)于在復(fù)合污染土壤上進(jìn)行Cd、As低積累植物品種篩選的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】開展不同品種菜心在Cd和As復(fù)合污染土壤中的生長(zhǎng)能力及重金屬積累能力試驗(yàn)，篩選出在不同Cd和As污染濃度土壤上表現(xiàn)穩(wěn)定的低積累Cd和As的菜心品種，為低毒菜心品種的合理選育及保障食品安全提供科學(xué)參考。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 供試材料

采集廣西某Cd、As復(fù)合污染地區(qū)3 個(gè)不同污染濃度的表層土壤(深度0～20 cm)，經(jīng)風(fēng)干、磨碎、混勻后，過2 mm篩備用。土壤基本理化性質(zhì)見表1，L、M和H分別代表低、中、高As、Cd復(fù)合污染土壤；供試的10個(gè)菜心品種為，1：東莞50天柳葉油翠甜菜心王；2：青豐-四九菜心；3：香港菜場(chǎng)2號(hào)油青菜心；4：喜糧-澳洲特靚31號(hào)多芽油青甜菜心；5：喜糧-深圳四季尖葉油青甜菜心(改良368)；6：美甜3號(hào)菜心；7：馮子龍-新西蘭701多芽柳葉菜心王；8：矮腳45菜心；9：廣州-珍芯油青尖葉甜菜心；10：青豐紅菜苔。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用土培試驗(yàn)，盆栽采用高30 cm、直徑25 cm的塑料桶，每桶裝土8 kg，每品種重復(fù)3 次。

菜心種子用2 % NaClO消毒10 min，洗凈后用水浸泡過夜，然后放在濕潤(rùn)紗布上避光催芽3 天，挑選發(fā)芽的種子撒到土壤中，生長(zhǎng)至三葉一心期時(shí)對(duì)其進(jìn)行間苗，每盆留5 株，每天進(jìn)行水分管理，土壤相對(duì)含水量保持在70.00 %～80.00 %，生長(zhǎng)2 個(gè)月后收獲。

1.3 樣品采集與分析測(cè)定

成熟后收集菜心植株的可食用部分，先用自來水沖洗凈，然后用0.1 % HCl溶液浸洗10 min，再用去離子水洗凈，吸水紙吸干，稱鮮重。

土壤的理化性質(zhì)測(cè)定：參照常規(guī)分析法[6]，土壤全Cd和As的含量采用王水 (HNO3∶HCl=1∶3) 微波消解法，消解液中Cd和As含量采用ICP-MS (Agilient 7500a，USA) 測(cè)定。

菜心樣品Cd和As含量的測(cè)定：稱取約2.00 g的樣品，加入4 mL HNO3和1 mL H2O2，置于微波消解儀 (CEM Mars6) 中消解，消解液中Cd和As含量采用ICP-MS (Agilient 7500a, USA) 測(cè)定。

富集系數(shù)( Bioconcentration Factor, BCF) = 地上部重金屬質(zhì)量濃度/土壤重金屬平均質(zhì)量濃度[7]

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，SPSS 17.0進(jìn)行方差分析，采用Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同污染濃度土壤上不同菜心品種的生物量

供試的10 個(gè)菜心品種在L、M和H 3個(gè)土壤處理下地上部分生物量的平均值分別為57.82、53.47和50.47 g/pot，其隨著土壤Cd和As含量的增加而下降(表2)。3 個(gè)土壤處理下品種效應(yīng)和土壤處理效應(yīng)均極顯著相關(guān)(P<0.01，表3)。與處理L相比，處理M和H使大部分菜心品種的生物量明顯降低，平均值表現(xiàn)為處理L顯著高于處理H(P<0.05)。10 個(gè)菜心品種中生物量最高的是品種10，平均值為84.26 g/pot，最低的是品種1，平均值為20.87 g/pot。

聚類分析(圖1)表明，10 個(gè)菜心品種可分為高、中和低產(chǎn)3 種類型，其中在3 種不同污染濃度的土中表現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)的為品種8、品種10和品種9，表現(xiàn)穩(wěn)定低產(chǎn)的品種為品種2、品種1和品種3。

表2 不同污染濃度土壤上10 種不同菜心品種的生物量

注：同一列中不同小寫字母表示不同品種間差異顯著(P<0.05)。

Note： Different lowercase letters in the same column indicated that there were significant differences between different varieties(P<0.05).

表3品種、土壤處理、品種×處理的交互效應(yīng)對(duì)供試菜心品種生物量影響的雙因素方差分析結(jié)果

Table 3 Effects of cultivar, soil treatment and cultivar × treatment on the testedChinesefloweringcabbagecultivars biomass of two-way ANOVA results

變異來源Sourceofvariance地上部生物量(鮮樣)(g/pot)Shootbiomass(freshsample)方差SS均方MSF值Fvalue品種Cultivar49411 495490 17629 92??處理Treatment779 95389 9744 74??品種×處理Cultivar×Treatment206 9311 501 32??誤差Error522 948 72總變異Total312073 38

注：**表示在P<0.01水平具有顯著意義。

Note：**indicates significance atP<0.01 level.

2.2 不同污染濃度土壤上不同菜心品種對(duì)Cd積累能力

方差分析結(jié)果見表4。在3 個(gè)不同土壤處理下，莖葉中Cd含量的品種效應(yīng)差異極顯著(P<0.01)。10個(gè)品種在L、M和H 3個(gè)土壤處理水平下的Cd含量范圍分別為0.07～0.34 mg/kg FW(平均值為0.18 mg/kg FW)、0.19～0.92 mg/kg FW(平均值為0.51 mg/kg FW)和0.42～2.07 mg/kg FW(平均值為1.00 mg/kg FW)，品種間含量的最大差異分別達(dá)4.86、4.84、4.93倍，變異系數(shù)分別為54.63 %、38.99 %和54.98 %。不同土壤處理和不同品種之間對(duì)莖葉Cd含量的交互作用也達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

根據(jù)GB 2762-2012[8]，葉菜中Cd含量最高限值為0.2 mg/kg。在3 個(gè)不同土壤處理水平下，除L處理中品種1、品種4、品種5、品種7、品種10、品種9和M處理中品種10的莖葉Cd含量低于0.2 mg/kg外，其余處理下的菜心品種莖葉Cd含量均超過標(biāo)準(zhǔn)范圍(圖2)。

聚類分析(圖3)結(jié)果表明，10 個(gè)菜心品種可分為高、中和低Cd積累類型，其中在3 種不同污染濃度的土中表現(xiàn)穩(wěn)定高積累Cd的品種為品種3，表現(xiàn)穩(wěn)定低積累Cd的品種為品種10和品種9。

2.3 不同污染濃度土壤上不同菜心品種As的積累能力

在3 個(gè)不同土壤處理下，莖葉中As含量的品種效應(yīng)達(dá)到極顯著(P<0.01)(表5)。10 個(gè)品種在3 個(gè)土壤處理水平下的As含量范圍分別為0.01～0.04 mg/kg FW(平均值為0.02 mg/kg FW)、0.04～0.15 mg/kg FW(平均值為0.08 mg/kg FW)、0.09～0.57 mg/kg FW(平均值為0.26 mg/kg FW)，品種間的最大差異分別達(dá)4.00、3.75、6.33 倍，變異系數(shù)分別為47.32%、45.74 %、70.24 %。不同土壤處理和不同品種之間對(duì)莖葉As含量的交互作用也達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

圖1 低(L)、中(M)、高(H)污染濃度土壤上10 種不同菜心品種生物量聚類圖Fig.1 Biomasses clustering figure of the ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (L), medium (M) and high (H) polluted soil

表4 品種、土壤處理、品種×處理的交互效應(yīng)對(duì)供試菜心品種莖葉Cd含量影響雙因素方差分析的結(jié)果

注：**表示在P<0.0l水平具有顯著意義。

Note：**indicates significance atP<0.01 level.

根據(jù)GB2762-2012[8]，葉菜中As含量最高限值(0.5 mg/kg)，在3 個(gè)不同土壤處理水平下，除了H處理中品種3和品種6的莖葉As含量高于0.5 mg/kg外，其余的處理下菜心品種莖葉As含量均未超出標(biāo)準(zhǔn)范圍(圖4)。

聚類分析(圖5)表明，10 個(gè)菜心品種可分為高、中和低As積累類型，其中在3 種不同污染濃度的土中表現(xiàn)穩(wěn)定高積累As的品種為品種3和品種6，表現(xiàn)穩(wěn)定低積累As的品種為品種10。

2.4 不同污染濃度土壤上不同菜心品種對(duì)Cd的富集系數(shù)

如圖6所示，在L、M和H處理下，菜心Cd富集系數(shù)的范圍分別為6.60～32.34(平均為17.39)、5.86～28.77(平均為15.97)和6.60～32.24(平均為15.54)，表明在不同Cd污染濃度水平下，菜心Cd富集系數(shù)比較接近。

2.5 不同污染濃度土壤上不同菜心品種對(duì)As的富集系數(shù)

供試的菜心品種在不同土壤處理下的As的富集系數(shù)如圖7所示。在L、M和H處理下，菜心As富集系數(shù)較接近，其范圍分別為0.03～0.13(平均為0.07)、0.04～0.13(平均為0.07)和0.03～0.23(平均為0.10)。

圖2 低(A)、中(B)、高(C)污染濃度土壤上10 種不同種類菜心莖葉Cd的含量Fig.2 Stems and leaf cadmium concentrations in ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (A), medium (B) and high (C) polluted soil

圖3 低(L)、中(M)、高(H)污染濃度土壤上10 種不同種類菜心莖葉Cd含量聚類圖Fig.3 Stems and leaf cadmium concentrations clustering figure in ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (L), medium (M) and high (H) polluted soil

3 討 論

菜心是我國(guó)南方廣泛種植的葉類蔬菜。Cd和As不是植物生長(zhǎng)的必需元素，土壤中其含量到達(dá)一定程度后會(huì)對(duì)菜心生長(zhǎng)產(chǎn)生危害，濃度越高，危害越大。本試驗(yàn)中，不同品種菜心在Cd和As脅迫下生長(zhǎng)狀況響應(yīng)均存在差異，隨著Cd和As濃度的增加，青豐-四九菜心、東莞50天柳葉油翠甜菜心王、香港菜場(chǎng)2號(hào)油青菜心和馮子龍-新西蘭701多芽柳葉菜心王的生長(zhǎng)受到顯著抑制，說明這4個(gè)品種是Cd和As敏感型；而Cd和As濃度的增加對(duì)矮腳45菜心、青豐紅菜苔和廣州-珍芯油青尖葉甜菜心的生長(zhǎng)影響不顯著，說明這3個(gè)品種對(duì)Cd和As有很強(qiáng)的抗性，屬于Cd和As耐型。

表5品種、土壤處理、品種×處理的交互效應(yīng)對(duì)供試菜心品種莖葉As含量影響雙因素方差分析的結(jié)果

Table 5 Effects of cultivar, soil treatment and cultivar × treatment on the testedChinesefloweringcabbagecultivars stems and leaf arsenic concentrations of two-way ANOVA results

變異來源Sourceofvariance莖葉As含量(mg/kg)ShootAsconcentrations方差SS均方MSF值Fvalue品種Cultivar0 130 0295 13??處理Treatment0 170 09550 40??品種×處理Cultivar×Treatment0 130 0147 51??誤差Error0 010 00總變異Total1 00

注:**表示在P<0.0l水平具有顯著意義。

Note：**indicates significance atP<0.01 level.

圖4 低(A)、中(B)、高(C)污染濃度土壤上10 種不同種類菜心莖葉As的含量Fig.4 Stems and leaf arsenic concentrations in ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (A), medium (B) and high (C) polluted soil

從地上部生物量可以看出，隨著土壤污染濃度的升高，除廣州-珍芯油青尖葉甜菜心外的9個(gè)菜心品種的生長(zhǎng)均受到抑制作用。而菜心地上部分的Cd和As含量存在顯著的品種間差異，低、中、高污染條件下，青豐紅菜苔的As、Cd含量均最低，分別為0.01和0.07、0.05和0.19、0.09和0.42 mg/kg，相同污染濃度下其它幾個(gè)品種As和Cd含量分別為青豐紅菜苔的1～4和1～4 倍、1～3和1.5～5 倍、1.5～6和1～3 倍。由此可見，不同品種的菜心對(duì)重金屬的吸收存在差異，利用菜心品種間差異選育重金屬低積累品種已經(jīng)成為一種降低人們?nèi)粘Ｖ亟饘贁z食量的重要策略。黃志亮[11]的研究發(fā)現(xiàn)在同一Cd污染水平土壤中不同品種的大白菜和甘藍(lán)的品種地上部可食用部位積累的Cd含量是有差異的，分別為0.19～0.60 mg/kg FW、0.04～0.43 mg/kg FW，差異最大倍數(shù)分別為3 倍和10 倍左右。張海波[12]的研究發(fā)現(xiàn)在同一Cd污染水平土壤中不同辣椒品種地上部Cd含量差異最大約為2 倍；邱丘[13]的研究發(fā)現(xiàn)不同菜心品種可食用部位Cd含量差異在4～5 倍以上；Zheng等[14]研究發(fā)現(xiàn)不同品種蘿卜可食用部位Cd含量差異約為2.5 倍；安堃達(dá)[15]研究了不同品種黃瓜對(duì)As積累的差異，結(jié)果表明，黃瓜根部、葉部、莖部和果實(shí)As的含量差異分別為7.62、2.34、4.79和3.01 倍，且不同基因型之間差異顯著。Baker[16]根據(jù)植物對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)移和積累機(jī)制將植物分為積累型(超積累型)、指示型(敏感型)和排斥型等三類[17](根據(jù)含金屬積累植物的基因或基因組[18])。本研究的10 種供試菜心中，Cd和As耐型品種青豐紅菜苔的Cd、As積累濃度低于Cd、As敏感型青豐-四九菜心、香港菜場(chǎng)2號(hào)油青菜心和馮子龍-新西蘭701多芽柳葉菜心王，說明青豐紅菜苔是通過抑制Cd和As在植株內(nèi)的積累來抵抗Cd和As脅迫的，屬于排斥型機(jī)制。而矮腳45菜心的Cd積累濃度比較高，屬于積累型。

圖5 低(L)、中(M)、高(H)污染濃度土壤上10 種不同種類菜心莖葉As含量聚類圖Fig.5 Stems and leaf arsenic concentrations clustering figure in the ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (L), medium (M) and high (H) polluted soil

圖6 低(A)、中(B)、高(C)污染濃度土壤上10 種不同種類菜心莖葉Cd的富集系數(shù)Fig.6 Stems and leaf cadmium enrichment coefficient in ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (A), medium (B) and high (C) polluted soil

4 結(jié) 論

本研究條件下，青豐紅菜苔是生物量高、As、Cd低積累的品種，廣州-珍芯油青尖葉甜菜心是生物量高、Cd低積累的品種，青豐紅菜苔品種對(duì)Cd和As的生長(zhǎng)耐性強(qiáng)，且在不同Cd和As污染的土壤上都表現(xiàn)出穩(wěn)定的低積累Cd和As的特性，可在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

圖7 低(A)、中(B)、高(C)污染濃度土壤上10 種不同種類菜心莖葉As的富集系數(shù)Fig.7 Stems and leaf arsenic enrichment coefficient in the ten Chinese flowering cabbage cultivars under low (A), medium (B) and high (C) polluted soil

[1]顧繼光，周啟星，王 新. 土壤重金屬污染的治理途徑及其研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 11(2):143-151.

[2]劉小詩(shī). 砷鎘超標(biāo)農(nóng)田鈍化劑的篩選及調(diào)控效應(yīng)研究[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2015.

[3]師榮光，趙玉杰，高懷友,等.天津市郊蔬菜重金屬污染評(píng)價(jià)與特征分析[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2005 (S1): 169-173.

[4]李明德，湯海濤，湯 睿，等. 長(zhǎng)沙市郊蔬菜土壤和蔬菜重金屬污染狀況調(diào)查及評(píng)價(jià)[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005(3): 34-36.

[5]胡小玲，張 瑰，陳劍剛，等. 珠海市蔬菜重金屬污染的調(diào)查研究[J]. 中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志, 2006, 16(8): 980-981.

[6]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2005, 100-115.

[7]施 翔，陳益泰，王樹鳳，等. 廢棄尾礦庫(kù)15種植物對(duì)重金屬Pb、Zn的積累和養(yǎng)分吸收[J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(6): 2021-2027.

[8]中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 2762-2012.食品中污染物限量[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[9]黃志亮. 鎘低積累蔬菜品種篩選及其鎘積累與生理生化特性研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

[10]張海波. 不同辣椒品種鎘積累差異及外源物質(zhì)對(duì)鎘富集的調(diào)控效應(yīng)[D]. 成都：西南大學(xué), 2013.

[11]邱 丘. 菜心Cd積累的品種間差異及Cd污染控制方法研究[D]. 廣州：中山大學(xué), 2011.

[12]Zheng R L, Li H F, Jiang R F, et al. Cadmium accumulation in the edible parts of different cultivars of radish,RaphanussativusL, and carrot,Daucuscarotavar. Sativa, grown in a Cd-contaminated soil[J]. Bull. Environ. Contam. Toxicol, 2008, 81(1):75-79.

[13]安堃達(dá). 不同耐砷性蔬菜基因型的篩選及對(duì)砷脅迫的響應(yīng)研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[14]Baker A J. Accumulators and excluders-strategies in the response of plants to heavy metals[J]. J Plant Nutr, 1981(3): 643-654.

[15]鄭 進(jìn)，康 薇. 利用超積累植物修復(fù)銅綠山古銅礦重金屬污染土壤的潛力分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(4):1758-1759.

[16]駱永明. 金屬污染土壤的植物修復(fù)[J]. 土壤, 1999(5): 261-265, 280.