茄子苗對鎘積累和耐性的品種間差異

焦洪靜，牛明芬，魏樹和 ，李云萌，王姍姍，朱建功

1．沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，沈陽110168

2．中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所污染生態(tài)與環(huán)境工程重點實驗室，沈陽110016

3．中國科學院大學，北京100094

重金屬是一類性質(zhì)獨特的污染物質(zhì)，其最大的特點就是不能為生物所分解，大多數(shù)也不能通過焚燒的方法從土壤中去除，相反地可以在生物體內(nèi)富集，有些還會轉(zhuǎn)化為毒性更大的甲基化合物，對人體危害極大［1］。從20世紀50年代，日本開始出現(xiàn)“水俁病”和“骨痛病”，并查明這些人類疾病分別系汞(Hg)和鎘(Cd)污染引起，自此，重金屬污染環(huán)境問題普遍受到世界各國的重視，并采用了相應(yīng)的防治措施［2］。然而，隨著人類對資源需求水平的不斷提高以及生產(chǎn)強度的日益加大，含有重金屬的廢棄物不斷地輸入環(huán)境，對環(huán)境造成的污染仍在加劇。其中，農(nóng)田土壤受重金屬污染程度越來越大，僅西歐約140萬個污染土壤位點中，重金屬污染便占有絕大多數(shù)，而我國受重金屬污染的耕地面積已達20多萬km2，每年出產(chǎn)重金屬污染的糧食約1 200萬t，修復(fù)污染土壤和采取必要措施保證重金屬污染土壤上的糧食安全生產(chǎn)已顯得非常迫切［1-3］。

目前，土壤重金屬污染的修復(fù)方法總體上可分為異位修復(fù)和原位修復(fù)技術(shù)［2］。異位修復(fù)技術(shù)是將受污染土壤從場地挖走，送到污染土壤處理工廠，經(jīng)修復(fù)符合標準后再回填，或者直接用未受污染的土壤回填。這種方法對污染場地修復(fù)似乎最為徹底，但該項技術(shù)的明顯缺點就是工程耗資巨大，對于污染較輕且面積巨大的場地更是從經(jīng)濟上難以接受，甚至根本無法實施。因而，人們致力于尋求耗資較少的原位修復(fù)方法。原位修復(fù)的技術(shù)路線大體上可分為2種途徑:一是改變重金屬在土壤中的形態(tài)，即降低或消除其在土壤中的可移動性和生物可利用性，從而減少或消除其對生物的危害;另一條途徑就是直接從土壤中去除重金屬，這包括玻璃化技術(shù)、電動力學方法、水力淋濾法及植物修復(fù)方法等。由于玻璃化技術(shù)、電動力學方法、水力淋濾法等物理或化學修復(fù)方法存在不同程度的破壞土壤理化性質(zhì)、引起二次污染、耗資巨大等缺點，在重金屬污染土壤原位修復(fù)中應(yīng)用較為有限。而植物修復(fù)技術(shù)具有投資少、不破壞場地結(jié)構(gòu)、能有效地控制污染土壤風蝕與水蝕、不引起二次污染且能永久解決土壤重金屬污染等特點，既能夠保護和改善土壤生態(tài)環(huán)境，又能保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的可持續(xù)利用，因而被認為是修復(fù)土壤重金屬污染最有前途的技術(shù)，近年來已逐漸成為世界各國研究的熱點。但總的來看，植物修復(fù)技術(shù)在短期內(nèi)還難以直接應(yīng)用于修復(fù)實踐［1-2］。因此，利用低積累作物品種在重金屬污染農(nóng)田上生長，使其農(nóng)產(chǎn)品完全符合國家食品衛(wèi)生標準，同時，再采取一些鈍化措施，以構(gòu)建重金屬污染土壤的綠色生產(chǎn)技術(shù)才是當務(wù)之急，也是最切實可行的辦法。但不同的作物種類品種眾多，不同的品種之間對重金屬的積累是否存在差異將是這一辦法得以有效實施的必要條件。

我國對于城郊菜地土壤和蔬菜重金屬污染情況已進行了較為廣泛的調(diào)查研究，但多側(cè)重于調(diào)查取樣分析和不同蔬菜品種對重金屬吸收富集及其相關(guān)機制的初步研究，而有關(guān)蔬菜不同品種對重金屬吸收富集差異的研究還相對較少，尤其是茄子對Cd積累的品種間差異的研究鮮見報道［4-6］。通過室內(nèi)盆栽實驗方法，比較13種茄子幼苗對土壤中Cd的積累與耐性的品種間差異，以期在茄子生長的早期篩選出具有Cd低積累特征的茄子品種。

1 材料與方法(M aterials and methods)

1．1 盆栽土壤基本情況

盆栽實驗土壤取至中國科學院沈陽生態(tài)實驗站表層土壤(0～20 cm)。該實驗站周圍沒有污染源，是重金屬未污染區(qū)。土壤類型為草甸棕壤，土壤的理化條件為:pH 值 6．65，陽離子交換量 0．24 cmol·kg-1，含沙量 34．5%(質(zhì)量分數(shù))，全 N 0．76 g·kg-1，有效 P 14．22 mg·kg-1，速效 K 87．26，總有機碳 1．52%(質(zhì)量分數(shù))，總 Cd 0．15 mg·kg-1。

1．2 實驗方法

13種供試茄子種子購自沈陽市種子市場，為當前在沈陽地區(qū)種植較為普遍的品種。具體品種名及標號見表1。參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995)，將供試土壤風干過2 mm篩后，與一定量的重金屬CdCl2·2．5H2O以溶液形式混合得到處理CK(不加Cd)、T1(加2 mg·kg-1Cd)和T2(加4 mg·kg-1Cd)，裝入塑料盆(直徑20 cm，高度15 cm)中，平衡2周后備用。將13種茄子種子經(jīng)消毒后分別播入CK、T1和T2處理的盆中。待植株長到2 cm高時，每盆各保留10棵苗，重復(fù)3次。溫室內(nèi)培養(yǎng)，室內(nèi)溫度保持在25℃ ～27℃，光照時間為8 h。根據(jù)盆栽土壤缺水情況，不定期澆自來水(水中未檢測出Cd)，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的80%左右。待植物生長25 d株高約10 cm時收獲植物。

1．3 樣品分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

收獲的植物樣品分為根和地上部2部分，分別用自來水充分沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后再用去離子水沖洗，瀝去水分，之后在烘干前先在105℃下殺青30min，然后在70℃下于烘箱中烘至恒重。烘干后的植物樣，采用HNO3-HClO4法消化、原子吸收分光光度計測定其中的重金屬含量。

用Microsoft Excel進行平均值和標準差(SD)的計算，并利用最低顯著性差異法(least significant difference，LSD)進行差異顯著性測驗，顯著水平P ＜0．05。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2．1 茄子根及地上部Cd含量的品種間差異

由表1可知，品種間Cd含量差異達顯著水平(P＜0．05)。在土壤中添加 2 mg·kg-1Cd 時(處理T1)，13 種茄子根部 Cd 含量為 34．04 ～69．77 mg·kg-1，地上部 Cd 含量為 20．65 ～48．73 mg·kg-1，Cd含量最高的分別為最低的2．1和2．4倍。當土壤中Cd添加量為4mg·kg-1時(處理T2)，Cd含量最高的分別是最低的1．5倍(根)和1．6倍(地上)。其中，遼茄三號的Cd含量在不同Cd處理組中均為最低。

2．2 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的品種間差異

富集系數(shù)(enrichment factors，EFs)是指植物體內(nèi)某種重金屬含量與土壤中該種重金屬含量的比值，是衡量植物對重金屬積累能力的一個重要指標［7］。富集系數(shù)越高說明植物對重金屬的富集能力越強。由表2可知，13種茄子地上部富集系數(shù)間差異也達到顯著水平(P＜0．05)。在2種Cd處理條件下(T1、T2)，所有品種的地上部分對Cd的富集系數(shù)均大于1，表明可能茄子這一作物種類對Cd的富集能力較強［8-9］。

表1 13種茄子根及地上部Cd含量Table 1 Cd concentrations in roots and shoots of 13 eggplants(mg·kg-1)

轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factors，TFs)是指地上部某種重金屬含量與其根部重金屬含量的比值，主要用來評價植物將重金屬從地下向地上運輸?shù)哪芰ΓD(zhuǎn)運系數(shù)越大，則重金屬從根部向地上部器官轉(zhuǎn)運能力越強［9］。從表2可知，不同Cd處理條件下，各品種的轉(zhuǎn)運系數(shù)差異顯著(P＜0．05)。但所有品種的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，表明茄子這一作物種類對Cd的轉(zhuǎn)移能力較弱［8-9］。綜合評價，遼茄三號的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均為最低(表2)。

2．3 不同茄子品種對Cd的耐性差異

從外觀上看，13種茄子隨土壤中Cd含量的增加基本都能正常生長，未表現(xiàn)出萎黃、缺綠等受脅迫癥狀，但地上部生物量有明顯變化。由圖1可以看出，當土壤中Cd施加量為2 mg·kg-1時，綠龍長茄(9號)地上部生物量與對照相比顯著下降(P＜0．05)，說明其耐性較弱［7，9］。當土壤中 Cd 施加量增加到4 mg·kg-1時，白花綠冠王(2號)、精選西安綠罐茄(3號)、綠罐(4號)、油綠王子(5號)、保豐綠茄(6號)、綠龍長茄(9號)和特選綠長茄(10號)6個品種對Cd表現(xiàn)出較弱的耐性，地上部生物量有顯著下降(P＜0．05)。但品種遼茄三號(12號)對Cd 耐性較強［7，9］。

表2 13種茄子對Cd的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 2 Cd enrichment factor and translocation factor in 13 eggplants

圖1 Cd對13種茄子地上部生物量的影響

2．4 不同茄子品種Cd含量與其生物量的關(guān)系

對植物地上部生物量與地上部Cd含量進行相關(guān)分析表明，當Cd添加量為2和4 mg·kg-1時，植物地上部干重質(zhì)量與地上部Cd含量之間的相關(guān)系數(shù)分別為-0．2066和-0．0785，其絕對值均未超過差異顯著性標準值，即差異不顯著(P＞0．05)。這說明不同茄子品種間對Cd積累的差異并不是其生物量的高低引起的。

3 討論(Discussion)

關(guān)于不同品種作物對重金屬以及其他元素積累的差異的研究已有一些報道。趙秀蘭和李彥娥［10］通過盆栽實驗研究了16種煙草對Cd積累與耐性的品種間差異，結(jié)果表明，煙草葉片Cd含量較根和莖部Cd含量高，不同品種煙草根、莖、葉中Cd含量差異均顯著。彭俊杰［11］通過盆栽實驗，研究了4個葉菜類(23個品種)對砷的累積差異，結(jié)果表明，不同葉菜對砷的累積不同，同種葉菜不同品種對As的累積也不同。類似的，有學者采用水培實驗方法，研究了28個常規(guī)水稻品種在較低硅素濃度條件下，不同水稻品種間莖蘗數(shù)、根系和地上部的干物質(zhì)質(zhì)量、硅素含量和吸收硅總量的差異，結(jié)果表明，水稻品種間對硅素及鎘的吸收積累存在顯著或極顯著差異［12-13］。這些研究雖然并沒有從機理上揭示造成不同品種對重金屬及其他元素積累差異的原因，但都毫無例外地得出品種間對重金屬或其他元素在作物中的積累確實存在顯著差異這一結(jié)論。而這樣的一種現(xiàn)象就為重金屬低積累品種的選育奠定了實踐基礎(chǔ)。很有必要對這一現(xiàn)象機理進行深入的理論探討。

綜上，在13個茄子品種中，遼茄三號根及地上部Cd含量最低，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)也最低，對Cd具有較強的耐性，是一種具有Cd低積累特征的品種。

［1］ 孫鐵珩，周啟星，李培軍．污染生態(tài)學［M］．北京:科學出版社，2001:265-298

［2］ 周啟星，宋玉芳．污染土壤修復(fù)原理與方法［M］．北京:科學出版社，2004:112-129

［3］ 周東美，鄧昌芬．重金屬污染土壤的電動修復(fù)技術(shù)研究進展［J］．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2003，22(4):505-508 Zhou D M，Deng C F．Review:Electrokinetic remediation of heavy metal contaminated soil［J］．Journal of Agro-Environment Science，2003，22(4):505-508(in Chinese)

［4］ 劉維濤，周啟星，孫約兵，等．大白菜(Brassica pekinensisL．)對鎘富集基因差異的研究［J］．應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報，2010，18(2):226-236 Liu W T，Zhou Q X，Sun Y B，etal．Genotypic variation of cadmium accumulation in Chinese cabbage(Brassica pekinensisL．)［J］．Journal of Basic Science and Engineering，2010，18(2):226-236(in Chinese)

［5］ 趙小虎，王富華，張沖，等．南方菜地重金屬污染狀況及蔬菜安全生產(chǎn)調(diào)控措施［J］．農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2007，24(3):91-94 Zhao X H，Wang FH，Zhang C，et al．Vegetable pollution status of heavymetals and safety controlmeasures in the south［J］．Agro-Environment＆ Development，2007，24(3):91-94(in Chinese)

［6］ Liu W T，Zhou Q X，Sun Y B，et al．Identification of Chinese cabbage genotypeswith low cadmium accumulation for food safety ［J］．Environmental Pollution，2009，157(6):1961-1967

［7］ 魏樹和，周啟星，王新．18種雜草對重金屬的超積累特性研究［J］．應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報，2003，11(2):152-160 Wei SH，Zhou Q X，Wang X．Characteristics of18 species ofweed hyperaccumulating heavymetals in contaminated soils［J］．Journal of Applied Basic and Engineering Sciences，2003，11(2):152-160(in Chinese)

［8］ 曾希柏，李蓮芳，梅旭榮．中國蔬菜土壤重金屬含量及來源分析［J］．中國農(nóng)業(yè)科學，2007，40(11):2507-2517 Zeng X B，Li L F，Mei X R．Heavy metal content in soils of vegetable-growing lands in China and source analysis ［J］．Scientia Agricultura Sinica，2007，40(11):2507-2517(in Chinese)

［9］ 魏樹和，楊傳杰，周啟星．三葉鬼針草等7種常見菊科雜草植物對重金屬的超富集特征［J］．環(huán)境科學，2008，29(10):2912-2918 Wei S H，Yang C J，Zhou Q X．Hyperaccumulative characteristics of7 weed species in composite family especially Bidens pilosato heavymetals［J］．Environmental Science，2008，29(10):2912-2918(in Chinese)

［10］ 趙秀蘭，李彥娥．煙草積累與忍耐鎘的品種差異［J］．西南大學學報:自然科學版，2007，29(3):110-114 Zhao X L，Li Y E．Variation of cadmium tolerance and accumulation in different tobacco cultivars［J］．Journal of SouthwestUniversity:Natural Science Edition，2007，29(3):110-114(in Chinese)

［11］ 彭俊杰．不同葉菜對砷的累積差異研究［J］．環(huán)境科技，2011，24(1):19-21 Peng J J．Differences in accumulation of arsenic among leaf vegetables［J］．Environmental Science＆ Technology，2011，24(1):19-21(in Chinese)

［12］ 劉輝，張靜，杜彥修，等．水稻苗期吸收積累硅素的品種差異研究［J］．植物遺傳資源學報，2009，10(2):278-282 Liu H，Zhang J，Du Y X，et al．Differences in silicon uptake and accumulate ability among different rice cultivars at tillering stage［J］．Journal of Plant Genetic Resources，2009，10(2):278-282(in Chinese)

［13］ Yu H，Wang JL，F(xiàn)angW，et al．Cadmium accumulation in different rice cultivars and screening for pollution-safe cultivars of rice［J］．Science of the Total Environment，2006，370(2-3):302-309◆