辣椒對黃壤和石灰土中Cd抗性研究

宋拉拉，廖芳芳，張愛民，胡明文 ，藍 青 ，邢 丹

（1.貴州省農(nóng)業(yè)科學院辣椒研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州醫(yī)科大學神奇民族醫(yī)藥學院，貴州 貴陽 550005）

土壤重金屬污染是人們所面臨且亟需解決的環(huán)境污染問題之一［1］。重金屬不僅影響植物的生長發(fā)育，且導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量降低，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對土壤環(huán)境造成了不同程度的污染［2］。其中鎘是毒性最強的重金屬元素之一，是人體、動物和植物的非必需元素。土壤鎘污染不僅影響植物的生長發(fā)育，而且會降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，并對動物和人體產(chǎn)生毒害作用，進而危害人類健康，目前鎘污染問題已受到人們的高度重視［3-9］。當鎘達到一定閾值時，通過阻礙植物根系生長、抑制水分和養(yǎng)分的吸收等引起一系列生理代謝紊亂，最終導(dǎo)致植物品質(zhì)下降和減產(chǎn)，甚至死亡［4］。進入畜禽體的鎘排泄很慢，影響其造血和生殖功能，損傷血管內(nèi)皮細胞，干擾鈣、磷、鐵等元素的吸收［5］。人如果食用含鎘的食物會導(dǎo)致各種病變，如骨痛病、細胞癌變、骨質(zhì)疏松、肝腎功能紊亂等［4,9］。

辣椒（Capsicum frutescensL.）是我國重要的經(jīng)濟作物，且屬于鎘易富集蔬菜［10］。有研究表明，低濃度的鎘脅迫處理可稍促進植物生長，高濃度處理則抑制植物生長。在綠豆、豌豆［11］、小麥［12］及水稻［13］等作物均有相關(guān)研究，且鎘對植物生長的影響存在種間差異。鎘對辣椒生長有明顯的抑制作用，且植株的不同部位鎘積累量不同［14］。在鎘污染條件下辣椒果實產(chǎn)量、果實中維生素及糖含量均有所降低，且辣椒果實中鎘含量顯著升高［15］。隨著鎘濃度的增加，辣椒的根、莖、葉、籽粒和果皮中鎘含量均有所增加，但不同處理各部位的鎘含量不同［16］。研究發(fā)現(xiàn)，影響植物吸收土壤Cd的主要因素包括土壤pH、金屬螯合劑、有機質(zhì)以及作物種類、品種、耕作方式等［7］。鎘脅迫條件下，植物對鎘毒害的耐性因植物種類、鎘濃度、土壤類型等存在差異，為減少辣椒遭受Cd毒害，種植辣椒時需考慮Cd污染程度、辣椒品種及土壤類型等。但辣椒Cd抗性是一個復(fù)雜的綜合性狀，若直接利用某一指標進行辣椒抗Cd性評價會存在片面性和不穩(wěn)定性。本研究通過盆栽試驗研究Cd脅迫對種植于黃壤和石灰土兩種土壤中辣椒幼苗生長及生理指標的影響，掌握辣椒對Cd脅迫的生長及生理特性，建立辣椒在不同Cd污染程度和不同種植土壤中Cd抗性的綜合評價體系，以期為辣椒種植和土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2013年3～10月在貴州省農(nóng)業(yè)科學院辣椒研究所進行。

供試辣椒品種為朝天椒8024（屬于易富集Cd品種［16］），由貴州省農(nóng)業(yè)科學院辣椒研究所提供。

供試土壤采自貴州省清鎮(zhèn)市青龍街道辦事處石關(guān)村（26o34′N，106o30′E）的耕作黃壤和石灰土。隨機采集表層0～20 cm的混合土壤樣品，裝入干凈的編織袋中，自然風干后，去除植物根系并過5 mm不銹鋼篩，保存?zhèn)溆?。采用水浸?酸度計法測試土壤的pH［17］，采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定有機質(zhì)含量［18］，采用HNO3-HF消化法測定Cd總量［17］，供試土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

育苗：按照《辣椒漂浮育苗基質(zhì)的制作方法》［19］準備育苗基質(zhì)，采用辣椒漂浮育苗技術(shù)規(guī)程標準［20］進行育苗。

盆栽試驗設(shè)計：在貴州省農(nóng)業(yè)科學院辣椒研究所網(wǎng)室內(nèi)按土壤類型布置兩組盆栽試驗，每組試驗設(shè)5個處理，添加Cd2+濃度依次為0.5、1.0、2.5、5.0 mg/kg，每個處理3次重復(fù)。根據(jù)實驗的預(yù)設(shè)濃度，將CdCl2·2.5H2O分析純?nèi)苡诔兯?，然后以噴霧形式（每盆500 mL）將其均勻噴灑于自然風干并過5 mm不銹鋼篩的土樣中，充分攪拌后將土樣裝入經(jīng)稀酸浸泡并沖洗干凈的帶有托盤（接納滲漏出的土壤溶液，以便倒回盆缽防止Cd液淋溶損失影響試驗結(jié)果的準確性）的塑料盆缽（20 cm× 25 cm）中，每盆裝土3.5 kg。隨后，將盆缽移入室內(nèi)靜置兩周，保持土壤含水量在田間持水量的70%左右。

移栽與管理：待辣椒幼苗長至6片葉時，煉苗并挑選健壯、長勢一致的幼苗移至不同Cd濃度盆栽土壤中，每盆2株。辣椒生長期間用自來水（未檢出Cd含量）澆灌，并按常規(guī)管理方式施肥、防治病蟲害。

1.3 樣品采集與測定

辣椒移栽1個月后，測量辣椒株高及生物量，并采集植株第3、4層的葉片用于分析MDA含量、SOD和POD活性。參照植物生理學實驗指導(dǎo)［21］，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸（TBA）反應(yīng)法、SOD活性測定采用氮藍四唑光化還原法，POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用DPS7.05統(tǒng)計分析軟件對進行方差分析及主成分分析。采用隸屬函數(shù)法綜合評價不同土壤中辣椒的抗Cd性［22］，計算方法如下：

（1）計算單項指標抗Cd系數(shù)

A（%）=(Cd脅迫處理測定值/對照測定值 )×100

（2）求隸屬函數(shù)值。對各單項指標抗Cd系數(shù)進行主成分分析后獲得新的綜合指標，計算其隸屬函數(shù)值。

U(x)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin) (i=1, 2, ...n)

式中，U(x)為第i個綜合指標的隸屬函數(shù)值，Xi為第i個綜合指標得分值，Xmax、Xmin分別為第i個因子得分的最大值、最小值。

（3）確定權(quán)重。根據(jù)綜合指標貢獻率大小計算各綜合指標的權(quán)重。

Wi=Pi/∑Pi(i=1, 2, ..., n)

式中，Wi為第i個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度，Pi為第i個綜合指標的貢獻率。

（4）綜合評價。計算不同種植土壤條件下辣椒的綜合抗Cd能力計算公式如下。

D= ∑〔 U(x)×Wi〕 (i=1, 2, ...,n)

式中，D為辣椒在某種土壤Cd害條件下抗Cd性綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對辣椒株高和生物量的影響

不同Cd脅迫條件下，種植于兩種土壤中的辣椒幼苗生長均受到不同影響。由表2可知，Cd脅迫條件下黃壤中辣椒株高與對照差異顯著，并隨著Cd脅迫濃度增加呈下降趨勢，各處理辣椒株高分別比對照降低5.7%、18.4%、11.7%和15.6%；而石灰土中辣椒株高隨Cd濃度增大先升后降，在Cd濃度為1.0 mg/kg時達到最大值，較對照顯著升高13.6%，而Cd濃度為5 mg/kg時較對照顯著降低12.2%。同一處理條件下，種植于黃壤中的辣椒株高基本高于石灰土中辣椒株高，但Cd濃度為1.0 mg/kg時石灰土處理較黃壤略高2.6%。

由表2可知，兩種土壤處理下辣椒根、莖、葉生物量受Cd脅迫表現(xiàn)出不同的變化。與對照相比，低濃度Cd（0.5 mg/kg）處理黃壤中辣椒根、莖、葉生物量顯著升高1.5%、9.2%、8.3%，之后隨Cd濃度升高呈降低趨勢，重度Cd（5.0 mg/kg）脅迫下辣椒根、莖、葉生物量較對照分別降低28.9%、12.6%、16.9%；辣椒在石灰土中，僅根生物量表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，而莖、葉生物量隨Cd脅迫程度增加而降低，高濃度Cd（5.0 mg/kg）脅迫下，辣椒根、莖、葉生物量較對照分別降低6.4%、11.9%、18.4%。說明一定程度的Cd脅迫對辣椒根、莖、葉生長均造成了傷害。

表2 土壤鎘脅迫對辣椒幼苗株高、生物量的影響

2.2 Cd脅迫對辣椒膜脂過氧化作用和抗氧化系統(tǒng)的影響

MDA是細胞膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，其含量高低反映膜脂過氧化程度，可作為衡量細胞膜脂過氧化傷害水平的重要指標。從表3可以看出，兩種土壤中，隨著Cd濃度的提高，辣椒MDA含量呈上升趨勢，說明Cd脅迫對辣椒細胞膜造成了傷害。在Cd脅迫下，黃壤和石灰土兩種土壤中辣椒MDA含量急劇上升，Cd濃度為2.5 mg/kg時分別比對照高50.3%、33.9%，而Cd濃度達5.0 mg/kg時分別比對照高94.5%、50.9%。由此可見，Cd濃度超過2.5 mg/kg時，種植于黃壤中的辣椒根系膜脂過氧化較為嚴重。

黃壤中，辣椒SOD活性表現(xiàn)為隨Cd濃度增加而先升后降，Cd濃度為2.5 mg/kg時達到最高、比對照高22.9%，Cd濃度為5.0 mg/kg時有所降低、仍比對照高10.2%；石灰土中，辣椒SOD活性隨著Cd濃度升高亦呈先升后降的變化趨勢，在0.5 mg/kg Cd脅迫下辣椒SOD活性比對照高13.1%，隨后1.0、2.5、5.0 mg/kg Cd脅迫下，分別比對照低10.8%、25.2%和32.4%。兩種土壤對比發(fā)現(xiàn)，石灰土中0.5 mg/kg低濃度Cd處理時SOD活性達到最大，而黃壤在Cd濃度為2.5 mg/kg時達到最高。

POD活性受辣椒種植環(huán)境影響而表現(xiàn)出不同的變化趨勢。黃壤處理條件下，辣椒體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)受到活性氧自由基的誘導(dǎo)，POD活性隨Cd濃度增加而明顯提高，在5.0 mg/kg Cd脅迫下POD活性達到最大，為對照的1.6倍；石灰土處理條件下，POD活性隨Cd濃度增加而顯著降低，與對照相比，在0.5、1.0、2.5、5.0 mg/kg Cd脅迫下分別降低9.2%、29.0%、34.9%和43.4%；Cd濃度達到5.0 mg/kg時，黃壤處理下辣椒POD活性明顯高于石灰土處理（高47.9%），說明辣椒種植于黃壤土中其Cd抗性高于石灰土。而正常條件下，種植于黃壤中的辣椒POD活性為234.99 U/g（FW），低于石灰土處理（344.54 U/g，F(xiàn)W）。

表3 土壤鎘脅迫對辣椒幼苗MDA含量、SOD和POD活性的影響

2.3 辣椒對典型土壤Cd脅迫抗性能力綜合評價

根據(jù)各項指標的測定值，計算不同脅迫處理各項指標的抗Cd系數(shù)，結(jié)果（表4）顯示，辣椒各項指標的抗Cd系數(shù)在不同處理條件下有的大于100%，有的小于100%，而且同一處理條件下不同指標抗Cd系數(shù)變化也不同，因此用不同單項指標的抗Cd系數(shù)評價辣椒抗Cd性則得到不同結(jié)果。

對各項指標抗Cd系數(shù)進行相關(guān)分析，結(jié)果（表5）表明，所有指標的抗Cd系數(shù)間都有一定的相關(guān)性，有些系數(shù)間的相關(guān)性達到顯著水平，如根生物量與株高呈顯著正相關(guān)（r=0.827），而與MDA、POD顯著負相關(guān)。但這種相關(guān)性使它們提供的信息發(fā)生重疊。通過分析辣椒抗Cd系數(shù)及其相關(guān)系數(shù)，說明其抗性是一個復(fù)雜的綜合性狀，若直接利用某一指標進行辣椒抗Cd性評價，存在片面性和不穩(wěn)定性，因此需要用多個指標進行綜合評價才較為可靠。

表4 黃壤和石灰土中辣椒不同指標的抗Cd系數(shù)

表5 黃壤和石灰土中辣椒各項指標抗Cd系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

利用DPS軟件對辣椒7個單項指標的抗Cd系數(shù)進行主成分分析，結(jié)果見表6。根據(jù)最少特征值大于1原則，選取前3個綜合指標，它們的貢獻率分別為53.36%、24.27%、12.89%，累積貢獻率達90.52%。由各綜合指標的系數(shù)可知，第1綜合指標（CI1）包括株高、根生物量、POD活性的抗Cd系數(shù)，第2綜合指標（CI2）包括葉生物量的抗Cd系數(shù)，第3綜合指標（CI3）包括莖生物量、MDA和SOD活性的抗Cd系數(shù)。由此把7個單項指標轉(zhuǎn)換為3個新的相互獨立的綜合指標，并且代表了原來7個指標90.52%的信息。

表6 各綜合指標的系數(shù)及貢獻率

不同Cd污染程度、不同種植土壤中辣椒綜合抗Cd能力的大小見表7。D值能準確判斷不同Cd的污染程度和不同種植土壤中辣椒對Cd的抗性。從表7可以看出，隨著Cd濃度增加，兩種土壤中D值均先降后升的趨勢，黃壤土壤種植條件下，Cd濃度為5 mg/kg時，D值比0.5、1.0、2.5 mg/kg Cd濃度處理分別增加39.7%、49.64%和44.25%。石灰土種植條件下，Cd濃度為5.0 mg/kg時，D值比0.5、1.0、2.5 mg/kg Cd濃度處理分別增加34.41%、61.64%和20.19%，且黃壤土比石灰土約高2倍。

表7 黃壤和石灰土中辣椒Cd抗性綜合評價

3 結(jié)論與討論

本試驗以易富集Cd辣椒品種朝天椒8024為材料，從辣椒幼苗株高、生物量及生理指標等綜合分析，選擇相關(guān)指標利用隸屬函數(shù)法對辣椒的Cd抗性進行綜合評價。結(jié)果表明，高濃度Cd抑制辣椒幼苗的生長，且在Cd脅迫條件下，種植于黃壤中的辣椒明顯比種植在石灰土中的抗Cd性強。

3.1 Cd脅迫對辣椒株高和生物量的影響

土壤Cd進入植物并積累到一定程度，植物就會表現(xiàn)出一系列毒害效應(yīng)，通常會出現(xiàn)植株矮小、植物生物量和根系活力降低、生理代謝紊亂［6,23-24］。株高、生物量作為植物生長的重要指標，能夠從形態(tài)上反映植物對Cd脅迫的響應(yīng)，表現(xiàn)出植物對重金屬的抗性［25-26］。Cd脅迫對植物的影響，最終體現(xiàn)在對植物生物量累積及其分配的影響，即表現(xiàn)在對根、莖、葉等生物量的影響，這是幼苗生長受Cd脅迫在外部特征上的反應(yīng)。本試驗結(jié)果表明，同一處理條件下，種植于兩種土壤中辣椒相比，黃壤中辣椒株高基本高于石灰土中辣椒株高。植物對鎘毒害的反應(yīng)因土壤類型不同存在差異，不同土壤中種植同一植物，植物體內(nèi)鎘含量富集程度不同，植物富集程度越高，耐鎘性越好。此外，低濃度Cd能夠加快細胞分裂，但高濃度Cd則抑制細胞分裂［27］，即植株生長應(yīng)對Cd脅迫表現(xiàn)為一種“低促高抑”的現(xiàn)象，如石竹［28］、皇竹草［29］、龍葵［26］等植物生長均表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象。本試驗中辣椒的生物量受鎘脅迫表現(xiàn)出不同的變化，在黃壤和石灰土均表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，與陳世軍等［30］、陳惠等［14］研究得出中低濃度Cd（低于0.5 mg/kg）略促進辣椒根和苗的生長、高濃度Cd（高于1.0 mg/kg）抑制根和苗生長的結(jié)果一致。以上現(xiàn)象均說明一定程度鎘脅迫對辣椒生物量造成了傷害。

3.2 Cd脅迫對辣椒膜脂過氧化作用和抗氧化系統(tǒng)的影響

Cd脅迫傷害的一個主要生理機制就是引起植物體內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）代謝平衡失調(diào)，當ROS濃度超過一定閾值時植物細胞產(chǎn)生重要的脂質(zhì)過氧化物丙二醛，是植物細胞ROS累積水平和受損程度的判斷指標［31］。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等能清除ROS自由基，減輕ROS對生物膜系統(tǒng)的傷害，是植物適應(yīng)逆境脅迫的重要酶類。Cd是質(zhì)膜過氧化的重要誘變劑。本試驗結(jié)果表明，種植于黃壤和石灰土兩種土壤中，鎘脅迫下，辣椒的MDA含量急劇上升，且種植于黃壤中辣椒根系膜脂過氧化較為嚴重，與對小麥［32］、水稻［13］等作物研究表明MDA含量隨Cd濃度增大而上升的結(jié)果一致。通常情況下，SOD、POD在Cd脅迫條件下隨脅迫程度增加表現(xiàn)為先升后降或者持續(xù)增加，如野燕麥的SOD和POD活性隨Cd濃度增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢［33］。然而，龍葵的SOD活性隨Cd濃度增大而增大，其POD活性卻表現(xiàn)為先增后降的變化［26］。本試驗中辣椒的SOD活性在黃壤和石灰土中均表現(xiàn)為隨脅迫增加而先升后降的變化趨勢，僅SOD活性最大時Cd濃度不一樣，說明辣椒SOD酶活性增加對于消除自由基的作用是黃壤強于石灰土；POD活性在黃壤土中表現(xiàn)為鎘濃度增加而上升趨勢，但在石灰土中隨Cd濃度增加而呈下降趨勢，說明在黃壤土中辣椒POD酶活對自由基及H2O2的清除強于石灰土。這表明，當植物受Cd脅迫后，SOD和POD活性變化依土壤種類、植物種類及抗性不同而不同。

3.3 辣椒對典型土壤Cd脅迫抗性能力綜合評價

植物的抗逆性不僅僅是受多種因素影響的復(fù)雜的數(shù)量性狀，而且不同品種的抗逆機制也不盡相同。因而用單一指標評價植物的抗逆性的強弱是不可靠、不全面的，應(yīng)使用多種指標來綜合評價作物對逆境的適應(yīng)能力。但評價作物抗逆性的指標較多，且指標之間存在著一定的相關(guān)性，造成對抗逆性信息發(fā)生交叉和重疊，若直接使用這些指標來綜合評價植物的抗逆性，結(jié)果可能造成偏差。目前在小麥［34］、竹［35］、造林幼苗［36］、草坪草［37］和牡丹［38］等植物的抗逆性評價已采用隸屬函數(shù)法綜合評價的方法。本研究選擇辣椒7個指標綜合分析，其中株高、生物量及POD活性等指標貢獻率高達53.36%，與MDA、SOD酶活綜合貢獻率高達90.52%，說明它們在一定程度上可以指示鎘脅迫的情況。采用隸屬函數(shù)法綜合評價不同Cd污染程度和不同種植土壤環(huán)境中辣椒對Cd的抗性，同一Cd濃度處理，種植于黃壤中辣椒的D值高于石灰土，表明不同Cd污染程度條件下，種植于黃壤中辣椒明顯比石灰土中的抗性強。隸屬函數(shù)法綜合評價能夠準確、科學地評價不同Cd污染程度和不同種植土壤中辣椒對Cd抗性的差異，從而為辣椒種植和土壤改良提供理論依據(jù)。