不同Cd積累能力大白菜吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的差異性

杜志鵬，向丹，蘇德純

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193

大白菜（Brassica pekinensis L.）在中國(guó)蔬菜生產(chǎn)中占有重要地位，2016年中國(guó)白菜種植面積達(dá)2.6×106hm2，產(chǎn)量1.1×108t，約占中國(guó)蔬菜總種植面積和總產(chǎn)量的12%。由于土壤中Cd的生物有效性較高，一方面，與其他重金屬元素相比Cd更容易在農(nóng)產(chǎn)品中積累（徐建明等，2018），另一方面，與根莖菜類蔬菜和豆類蔬菜相比，葉菜類蔬菜積累Cd的能力更高（Alexander et al.，2006），其中，十字花科蕓薹屬植物具有較強(qiáng)的吸收累積Cd的能力（Liu et al.，2009；Wang et al.，2017）。蔬菜作為人類的主要食物之一，其對(duì)人體 Cd攝入量的貢獻(xiàn)率高達(dá)50%～70%（Ryan et al.，1982；Islam et al.，2007）。Cd被作物吸收后會(huì)經(jīng)由食物鏈被人體攝取，從而危害人類健康（Liu et al.，2013）。大白菜作為十字花科蕓薹屬葉類蔬菜，其Cd污染所帶來(lái)的食品安全隱患應(yīng)得到極大重視。

作物地上部對(duì)重金屬 Cd的積累主要受植株的Cd吸收能力和由根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力影響，Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配以及積累在不同作物品種間存在差異性（王美娥等，2015；辛艷衛(wèi)等，2017）。篩選低Cd積累品種是降低作物體內(nèi)Cd含量的一種經(jīng)濟(jì)有效的措施（李欣忱等，2017），通過(guò)生物和農(nóng)藝措施降低作物體內(nèi)Cd含量同樣也是保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人體健康的重要手段（遲克宇等，2016）。對(duì)于吸收Cd能力高的作物可通過(guò)降低土壤中Cd的生物有效性來(lái)減少作物對(duì)土壤中Cd的吸收（Rizwan et al.，2017）；對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn) Cd能力高的作物則可通過(guò)葉面阻控劑來(lái)降低Cd從植物根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)以達(dá)到降低農(nóng)作物地上部可食用部位Cd含量的目的（Wu et al.，2016）。了解不同 Cd積累能力大白菜品種吸收轉(zhuǎn)運(yùn) Cd能力的差異是進(jìn)行有效農(nóng)藝措施調(diào)控的依據(jù)。本研究通過(guò)水培和土培試驗(yàn)，研究比較篩選出的低積累Cd大白菜品種和高積累Cd大白菜品種對(duì)Cd的吸收和體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的差異，為減少Cd在大白菜可食部分的積累而進(jìn)行農(nóng)藝措施調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試大白菜品種為北京地區(qū)普遍種植的兩個(gè)白菜品種，高積累Cd大白菜——北京小雜55和低積累Cd大白菜——北京小雜60（姚會(huì)敏等，2006）。

供試土壤采自浙江嘉興，土壤類型為青紫泥，pH偏酸性，土壤Cd生物有效性較高，有利于觀察2個(gè)品種吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的差異。土壤的主要理化性質(zhì)和Cd含量見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 土培試驗(yàn)

供試土壤風(fēng)干后過(guò)4 mm篩，土壤投加3 mg·kg-1Cd，把相應(yīng)量的3CdSO4·8H2O配成溶液，分別與過(guò)4 mm篩的土壤反復(fù)混合均勻，然后在溫室下穩(wěn)定7 d，并施入底肥 N：0.15 g·kg-1，P2O5：0.10 g·kg-1，K2O：0.15 g·kg-1，施入形態(tài)分別為尿素、KH2PO4、KCl，每盆裝土500 g。分別種植大白菜北京小雜55和北京小雜60，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。白菜出苗后每盆保留4株，生長(zhǎng)42 d后收獲。

1.2.2 水培試驗(yàn)

大白菜種子用30%H2O2消毒30 min后用飽和CaSO4溶液浸泡過(guò)夜，第2天洗凈，播種于蛭石中，待幼苗長(zhǎng)出兩片真葉后，移至營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，營(yíng)養(yǎng)液配方為：5.79×10-3mol·L-1Ca(NO3)2·4H2O；8.02×10-3mol·L-1KNO3； 1.35×10-3mol·L-1NH4H2PO4； 4.17×10-3mol·L-1MgSO4·7H2O ；7.26×10-5mol·L-1Fe-EDTA ； 4.83×10-5mol·L-1H3BO3；8.90×10-6mol·L-1MnSO4·H2O；0.94×10-6mol·L-1ZnSO4·7H2O ； 0.20×10-6mol·L-1CuSO4·5H2O（王芳等，2009）。試驗(yàn)用1.5 L盆，每盆種植大白菜3株。每3天更換1次營(yíng)養(yǎng)液，營(yíng)養(yǎng)液 pH 為 6.2～6.5。Cd 處理濃度為 5 μmol·L-1（陸琳等，2012），以3CdSO4·8H2O的形式加入。每天光照14 h，全天連續(xù)通氣。

水培試驗(yàn)研究2個(gè)大白菜品種在水培條件下吸收積累Cd的差異，營(yíng)養(yǎng)液中停止供Cd后根中Cd向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)差異及體內(nèi) Cd再分配差異。水培試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：2個(gè)大白菜品種各設(shè)置3個(gè)處理，每個(gè)處理6次重復(fù)，其中3個(gè)重復(fù)地上部一起收獲，另外3個(gè)處理收獲時(shí)地上部按不同葉片部位分A、B、C、D 4個(gè)部分分別收獲，具體見(jiàn)1.3樣品收獲與處理。3個(gè)處理如下（培養(yǎng)48 d，大白菜未結(jié)球，葉片分散好收獲；培養(yǎng)48 d較培養(yǎng)38 d已長(zhǎng)出較為明顯的新葉）：

處理1：無(wú)Cd營(yíng)養(yǎng)液中預(yù)培養(yǎng)30 d，然后轉(zhuǎn)入加5 μmol·L-1Cd營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)18 d后收獲。

處理2：無(wú)Cd營(yíng)養(yǎng)液中預(yù)培養(yǎng)30 d，然后轉(zhuǎn)入加5 μmol·L-1Cd營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)8 d后收獲。

處理3：無(wú)Cd營(yíng)養(yǎng)液中預(yù)培養(yǎng)30 d，然后轉(zhuǎn)入加5 μmol·L-1Cd營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)8 d，再轉(zhuǎn)入無(wú)Cd營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)10 d后收獲。

1.3 樣品收獲與處理

土培大白菜樣品收獲與處理方法：收獲時(shí)用不銹鋼剪刀剪下地上部，分別經(jīng)自來(lái)水和去離子水洗多遍后，用吸水紙吸干。在 105 ℃烘箱中殺青 30 min后，70 ℃烘干，稱量干物質(zhì)質(zhì)量，用粉碎機(jī)粉碎備用。

水培試驗(yàn)其中3個(gè)重復(fù)大白菜樣品收獲與處理方法：先將收獲的植株分為地上部和根，分別經(jīng)自來(lái)水和去離子水洗多遍后，用吸水紙吸干。在105 ℃烘箱中殺青30 min后，70 ℃烘干，稱量干物質(zhì)質(zhì)量，用粉碎機(jī)粉碎備用。

水培試驗(yàn)另外3個(gè)重復(fù)大白菜樣品收獲與處理方法：先將收獲的植株分為地上部和根，收獲時(shí)地上部按不同葉片部位分A、B、C、D 4個(gè)部分分別收獲（見(jiàn)圖1和圖2），A葉段為老葉，B葉段為中新葉，C葉段為新葉，D葉段為新幼葉。根和葉片樣品分別經(jīng)自來(lái)水和去離子水洗多遍后，用吸水紙吸干。在105 ℃烘箱中殺青30 min后，70 ℃烘干，稱量干物質(zhì)質(zhì)量，用粉碎機(jī)粉碎備用。

圖1 處理1、處理3不同葉片示意圖Fig. 1 Treatment 1 and treatment 3 different leaves diagram

表1 供試土壤的主要的土壤理化性狀Table 1 Main soil physical and chemical properties of the tested soil

圖2 處理2不同葉片示意圖Fig. 2 Treatment 2 different leaves diagram

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用微波消解儀（MARS-5，CEMMicrowave Technology Ltd. USA）對(duì)粉碎的植株樣品進(jìn)行硝酸消解，ICP-MS（7500a，Agilent Technologies，USA）測(cè)定Cd含量（楊祥田等，2013）。使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)（GBW08510）進(jìn)行分析質(zhì)量控制。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Microsoft office Excel 2013和SPSS 20分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、作圖和差異顯著性分析（LSD法），以不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土培與水培條件下兩個(gè)大白菜品種地上部積累Cd差異

表2所示為2個(gè)大白菜品種在土培和水培條件下的地上部干質(zhì)量和地上部Cd含量。由表2可知，在土培和水培條件下，北京小雜55和北京小雜60地上生物量均無(wú)顯著差異，2個(gè)白菜品種在土培和水培Cd處理下均能正常生長(zhǎng)發(fā)育，生物量的差異對(duì)地上部Cd含量無(wú)顯著影響。從地上部分Cd含量來(lái)看，水培條件下北京小雜55與北京小雜60無(wú)顯著差異，土培條件下北京小雜55地上部Cd含量比北京小雜 60高出126%，差異顯著（P＜0.05）。雖然土培與水培條件均加入外源Cd，但土培條件下兩大白菜品種具有不同活化吸收土壤中Cd的能力，在生物量無(wú)差異條件下，不同白菜植株體內(nèi)Cd含量的差異反映了2個(gè)白菜品種吸收土壤中Cd能力的差異，北京小雜55地上部Cd含量比北京小雜60高，表明北京小雜 55根系在土壤中有較強(qiáng)的吸收土壤中Cd能力。在水培條件下，由于2個(gè)白菜品種根系都直接生長(zhǎng)在含Cd營(yíng)養(yǎng)液中，供給根系Cd的強(qiáng)度高且一致，2個(gè)品種地上部Cd含量則無(wú)顯著差異。

表2 兩個(gè)大白菜品種土培與水培Cd吸收差異Table 2 Differences in Cd uptake between soil and hydroponic culture of two Brassica pekinensis L. varieties

2.2 水培條件下2個(gè)白菜品種對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)差異

表3所示為水培條件下大白菜北京小雜55和北京小雜60地上部、根部生物量以及2個(gè)大白菜吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的差異，由表可知，兩個(gè)白菜品種均表現(xiàn)為根部Cd含量顯著高于地上部Cd含量。在連續(xù)供Cd 18天條件下（處理1），北京小雜55和北京小雜60地上部Cd含量無(wú)顯著差異，但北京小雜60根部Cd含量顯著高于北京小雜55，表明北京小雜60在水培條件下根部積累Cd的能力高于北京小雜55。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可反映出Cd在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，由表3可知，3個(gè)處理北京小雜55的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)比北京小雜60分別高0.09、0.05、0.19，說(shuō)明Cd在北京小雜 55體內(nèi)由根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力比北京小雜60高。對(duì)比只供Cd培養(yǎng)8 d（處理2）和供Cd培養(yǎng)18 d（處理1）的大白菜體內(nèi)Cd含量可知，本試驗(yàn)條件下，隨植物生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，北京小雜55地上部Cd含量顯著增加，根部Cd含量增加不明顯，而北京小雜60地上部、根部Cd含量均顯著增加，表明北京小雜 55隨植物生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)一直維持較高的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。比較停止供 Cd后，再無(wú) Cd培養(yǎng)10 d（處理3）與連續(xù)供Cd 18 d（處理1）的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，本試驗(yàn)條件下，停止供Cd后白菜的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均提高，表明根系停止供Cd后，提高了2個(gè)白菜品種根中Cd向地上部的轉(zhuǎn)移能力，但2個(gè)品種仍表現(xiàn)為北京小雜 55由根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力比北京小雜60高。

表3 水培條件下2個(gè)大白菜吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Cd差異Table 3 Differences in Cd absorption and transport of two Brassica pekinensis L. under hydroponic culture

由表3還可知，2個(gè)白菜品種均表現(xiàn)為地上部Cd吸收率顯著高于根部 Cd吸收率，北京小雜 55和北京小雜60地上部Cd吸收率平均比根部Cd吸收率分別高44.09%、20.27%，表明2個(gè)白菜品種吸收的Cd大部分累積在地上部。供Cd培養(yǎng)18 d（處理1）與供Cd培養(yǎng)8 d（處理2）相比，供Cd生長(zhǎng)期延長(zhǎng)了10 d，2個(gè)品種白菜地上部Cd含量和根部Cd含量均明顯增加，且地上Cd吸收率也隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

2.3 水培條件下2個(gè)白菜品種地上部Cd的分布及分配差異

表4所示為水培條件下，2個(gè)大白菜品種不同葉段葉片中Cd的積累和分配差異。從表4可知，在水培條件下，2個(gè)白菜品種植株體內(nèi)Cd呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律，均表現(xiàn)為 A葉段＞B葉段＞C葉段＞D葉段，即白菜葉片中 Cd含量由老葉向新葉逐級(jí)遞減。連續(xù)供Cd培養(yǎng)18 d（處理1）條件下，北京小雜55A葉、B葉、C葉和D葉中Cd含量均顯著高于北京小雜60對(duì)應(yīng)的A葉、B葉、C葉和D葉中Cd含量，表明北京小雜55從老葉到新葉各部位葉片積累Cd能力均高于北京小雜60。只供Cd培養(yǎng)8 d時(shí)（處理2），北京小雜55老葉A葉中Cd含量顯著高于北京小雜60 A葉中Cd含量，但中間葉片B葉和新葉C葉中Cd含量在2個(gè)品種間無(wú)顯著差異，表明北京小雜55葉片中Cd積累與其后期再分配有密切關(guān)系。先供Cd培養(yǎng)8 d，再無(wú)Cd培養(yǎng)10 d（處理3）北京小雜55 A葉和D葉Cd含量顯著高于北京小雜60，而中間的B葉和C葉Cd含量則無(wú)顯著差異，表明停止供Cd后，北京小雜55將Cd轉(zhuǎn)運(yùn)到新長(zhǎng)出葉片D葉中的能力高于北京小雜60。

表4 水培條件下2個(gè)大白菜品種不同葉片的Cd分配差異Table 4 Difference of Cd distribution between different leaves of twoBrassica pekinensis L. varieties under hydroponic culture mg·kg-1

圖3所示為水培條件下2個(gè)大白菜品種不同葉片Cd吸收率。由圖3可知，水培條件下3個(gè)不同處理北京小雜55的A葉段Cd吸收率分別為39.6%、53.6%和58.6%，均明顯高于北京小雜60的A葉段Cd吸收率（34.8%、45.1%和36.4%）。中葉B葉段則不同，3個(gè)不同處理北京小雜55的B葉段Cd吸收率分別為29.2%、37.3%和30.8%，均明顯低于北京小雜60的B葉段Cd吸收率（37.0%、45.9%和45.1%），表明北京小雜55吸收的Cd主要分配在老葉A葉段，北京小雜60則主要分配在中葉B葉段。供Cd培養(yǎng)18 d（處理1）與只供Cd培養(yǎng)8 d（處理2），北京小雜55A葉段（老葉）和B葉段（中葉）的Cd吸收率下降，C葉段（新葉）Cd吸收率上升了15.5%，北京小雜60表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，但C葉段（新葉）Cd吸收率上升了12.9%，表明隨著生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，2個(gè)大白菜品種地上部Cd均可以從老葉和中葉（A葉段、B葉段）向新葉（C葉段、D葉段）再分配，且北京小雜55的再分配能力較北京小雜60強(qiáng)。連續(xù)供Cd培養(yǎng)18 d（處理1）條件下，北京小雜55 C葉段Cd吸收率高于北京小雜60，表明隨著生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，北京小雜55 Cd分配在新葉的量高于北京小雜60。

圖3 水培條件下2個(gè)大白菜不同葉片Cd吸收率Fig. 3 Cd absorptivity in different leaves of two Brassica pekinensis L.under hydroponic culture

3 討論

3.1 兩個(gè)大白菜品種土培條件下地上部積累Cd差異

不同品種作物根部對(duì) Cd的吸收能力、耐性不同（趙首萍等，2015），作物根系對(duì)Cd的吸收及保留能力對(duì)作物可食用部分起著重要作用（張標(biāo)金等，2015）。本試驗(yàn)中，北京小雜55根系Cd含量高于北京小雜60，兩者根系Cd含量表現(xiàn)出顯著的差異性，可以推測(cè)其根部Cd含量的差異在于2個(gè)品種根表吸附的Cd進(jìn)入細(xì)胞并儲(chǔ)存的過(guò)程。北京小雜55根系在土壤中有較強(qiáng)吸收和活化土壤Cd能力，從而導(dǎo)致植株地上部Cd吸收量的顯著差異。Qiu et al.（2011）開展的7個(gè)白菜品種的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，菜心（Brassica parachinensis L.）容易積累Cd，不同品種的根部吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力有顯著差異；陳永勤等（2015）研究表明，黑麥草（Lolium perenne L.）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）及印度芥菜（Brassica juncea L.）等植物根系對(duì)土壤中Cd均具有較強(qiáng)的吸收能力，但其向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力均較弱。可見(jiàn)，不同作物以及不同品種根系Cd對(duì)Cd的吸收存在差異。作物可食用部分的Cd含量與土壤中Cd的有效性呈正相關(guān)（秦余麗等，2017），對(duì)于吸收土壤Cd能力高的作物，可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤 pH、施用重金屬鈍化劑等途徑降低土壤中Cd的生物有效性，以減少作物對(duì)土壤中Cd的吸收（Chang et al.，2014；Zhao et al.，2015）。

3.2 水培條件下2個(gè)大白菜品種水培條件下吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配Cd的差異

作物可食用部分Cd含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)除了根部Cd的吸收，還與根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)有密切關(guān)系（Rahman et al.，2014）。水培條件下，北京小雜55和北京小雜60的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)存在明顯差異，各處理下北京小雜55的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均比北京小雜60高，表明北京小雜55由根向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd在能力比北京小雜60高。李欣忱等（2017）發(fā)現(xiàn)辣椒（Capsicum annuum L.）品種PE3較辣椒品種PE0向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力差，Cd主要積累在根部。高積累型莧菜（Amaranthus mangostanus L.）品種Tianxingmi較低積累型莧菜品種Zibeixian有更強(qiáng)的Cd吸收和向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)與累積能力（遲克宇等，2016），因此，不同品種間積累Cd的能力與根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力密切相關(guān)。隨生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，2個(gè)白菜品種轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均增加，北京小雜 55無(wú)論是根部向地上部，還是老葉向新葉的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均強(qiáng)于北京小雜60。對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)Cd能力強(qiáng)的作物，可以通過(guò)降低作物的轉(zhuǎn)運(yùn)能力而限制Cd向地上部可食用部位的轉(zhuǎn)移，如通過(guò)施加 Si、Se等肥料降低其轉(zhuǎn)移速率（Wu et al.，2016）。崔曉峰等（2013）大田試驗(yàn)表明，在Cd污染土壤中，向小白菜（Brassica chinensis L.）葉面噴施不同濃度的硅溶膠、鈰溶膠及硅鈰復(fù)合溶膠均可降低小白菜地上部中Cd的含量及積累量。董如茵等（2015）研究表明，土施和噴施 Zn肥可以顯著降低油菜根部Cd凈吸收量和Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。Liu et al.（2009）在水稻生長(zhǎng)期噴施兩種硅溶膠，也可顯著降低水稻籽粒中的Cd含量。以上研究結(jié)果都表明，Si、Se等葉面阻控劑可顯著降低作物中的Cd積累量，對(duì)于葉類蔬菜來(lái)說(shuō)，由于其本身的生理結(jié)構(gòu)，這種作用可能更為明顯。

大白菜北京小雜55對(duì)Cd高積累，是因?yàn)槠涓课誄d能力以及根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd能力強(qiáng)。不同品種蔬菜積累 Cd差異的原因一方面是根部特性，根是決定植株吸收Cd的關(guān)鍵所在，根部特性主要決定于品種特性；另一方面是根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd能力，不同蔬菜品種吸收的重金屬?gòu)母虻厣喜康霓D(zhuǎn)移能力不同。了解蔬菜高積累Cd特性的原因，可為生產(chǎn)中采取相應(yīng)的阻Cd措施提供依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）高積累Cd大白菜品種北京小雜55對(duì)土壤中Cd的吸收能力和從根向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Cd能力均高于低積累Cd大白菜品種北京小雜60，且隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)增大。

（2）高積累 Cd大白菜北京小雜 55葉片中的Cd分配在老葉中的比例高，低積累Cd大白菜北京小雜60 Cd分配在中葉中的比例高，且北京小雜55將Cd分配到新葉的能力高于北京小雜60?？刂聘逤d積累白菜品種北京小雜55地上部Cd含量應(yīng)從控制其對(duì)土壤Cd吸收和由根向地上部轉(zhuǎn)移兩方面進(jìn)行。