不同程度鎘污染對棉花生長和鎘富集特征的影響

陳麗麗，李俊華，魯偉丹，羅 彤，田 爽

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】農(nóng)業(yè)土壤中的鎘污染及其對作物吸收[1]。鎘既容易積聚在植物體內(nèi)對生理過程有很強(qiáng)的抑制作用[2]。對棉花研究不同程度鎘污染土壤下棉花生長和鎘富集的特征?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植物修復(fù)技術(shù)是修復(fù)治理重金屬污染農(nóng)田的有效途徑之一，其中植物提取是利用富集或超富集植物吸收和轉(zhuǎn)運重金屬，并累積在植物地上部，隨后收獲地上部分并集中處理的技術(shù)[3]，該技術(shù)應(yīng)用廣泛，修復(fù)成本低、環(huán)境友好、對土壤破壞小，適用于修復(fù)大面積、中輕度重金屬污染的土壤[4]。新疆棉花產(chǎn)量占全國棉花生產(chǎn)總量的70%左右[5]。雜交棉湘雜棉15號在10 mg/L鎘處理下單株棉鎘富集量可達(dá)3 mg，有很強(qiáng)的鎘富集能力[6]。冀棉958在鎘為30 mg/kg時，棉花地上部吸鎘量最大，為74.83 μg，是對照組吸鎘量的5.02倍[7]。【本研究切入點】石河子墾區(qū)是新疆重要的棉花和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地[8]，土壤重金屬污染問題都需要引起重視[9]。目前，植物提取修復(fù)鎘污染土壤的研究主要集中在鎘重污染區(qū)，超富集植物對鎘污染土壤鎘吸收與積累之間的關(guān)系，而棉花對不同程度鎘污染土壤的修復(fù)研究鮮有報道。研究不同程度鎘污染對棉花生長和鎘富集特征的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取新疆北疆早熟棉花品種新陸早42號為材料，研究鎘脅迫下棉花植株各器官鎘的分布和積累，分析鎘在植株中的分布及其累積，為棉花對鎘污染耕地的修復(fù)應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站(86°01′E,44°26.5′N)進(jìn)行，當(dāng)?shù)責(zé)o霜期為168～171 d，年日照時數(shù)2 721～2 818 h，≥0℃的活動積溫為4 023～4 118℃，≥10℃的活動積溫為3 570～3 729℃，年降水量125.0～207.7 mm。供試土壤為灌耕灰漠土，土壤質(zhì)地為壤土。供試前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)堿解氮含量16.2 mg/kg、有效磷含量11.2 mg/kg、有效鉀含量130.1 mg/kg、有機(jī)質(zhì)含量14.2 g/kg、土壤全鎘含量0.89 mg/kg、 pH 為8.38。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

棉花品種為新陸早42號，以不添加鎘的自然土壤為對照，外源鎘采用CdCl2·2.5 H2O(分析純試劑)溶液的形式添加到土壤中，分別將試驗用土按處理數(shù)分為4堆，按照相應(yīng)濃度CdCl2配成溶液(對照噴清水)，用噴壺噴灑分別與過 2 mm 篩土壤反復(fù)混合均勻，第1周每天混合3次，1 d攪勻1次，共陳化30 d，裝盆前在混勻10次，稱重法按處理對應(yīng)裝入花盆。使土壤外源鎘添加量為0、1、5和10 mg/kg，分別記作Cd0(CK空白對照)、Cd1、Cd5、Cd10。于2019 年5 月1 日開始，為盆栽模擬試驗，用根際袋法采集不同處理的根際與非根際土壤，每盆裝入7.5 kg土，其中1.5 kg裝在300目的尼龍網(wǎng)袋中為根際土，尼龍網(wǎng)袋放在盆中央，袋周圍及底部為相同處理的6 kg非根際土，并保持袋內(nèi)外土壤高度相同。尼龍網(wǎng)袋上部開口用來種植棉花，棉花根系全部限制在尼龍網(wǎng)袋中。所有土壤過2 mm篩并施相同量的底肥，每組3盆作為重復(fù)，共12組。澆水500 mL待水土穩(wěn)定后，每盆播15粒，待棉花真葉長出后選擇長勢一致的將每盆定苗至3株。75 d后(花鈴期)分植株與土壤進(jìn)行樣品采集。

1.2.2 樣品采集與測定

每盆土壤分根際、非根際進(jìn)行樣品的采集，非根際部分充分混合均勻后，用“四分法”保留土壤，土樣風(fēng)干過1、0.15 mm篩，分析土壤理化性狀、鎘含量與有效態(tài)鎘含量。每盆將根袋取出，抖土加沖洗獲得根際土和完整的根，地上其它部分則分莖、葉、蕾分別采樣裝在信封袋中，帶回實驗室在105℃下殺青0.5 h后75℃烘干至恒重，烘干后用百分之一天平稱其干物質(zhì)重，稱重后用粉碎機(jī)粉碎待測鎘含量。鎘含量的測定則先用微波消解儀(安東帕)消解[9]，再用石墨爐-原子分光光度計(日立Z-2000)進(jìn)行土壤和棉花植株鎘含量的測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

轉(zhuǎn)移系數(shù)、富集系數(shù)和Cd積累量的計算，用以下公式計算。

計算公式為:轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部分 (莖葉蕾) 平均Cd含量/根部Cd含量；

富集系數(shù)=器官中 Cd含量/土壤中 Cd含量；

Cd積累量=作物各器官的干重×相應(yīng)的Cd含量；

試驗數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值，采用SPSS 21和Microsoft Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，單因素方差分析Duncun法多重比較各處理間的差異顯著性(P<0.05) ，Microsoft Excel 2016完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘處理下棉花種植對土壤pH和鎘含量的影響

研究表明，隨著鎘處理濃度的增加，根際與非根際土壤全鎘含量隨之增加，但非根際土壤增加的量高于根際土壤；各處理土壤全鎘含量相對于Cd0處理顯著升高，根際土壤增長了61.96%、436.95%和966.30%，非根際土壤增長了92.73%、384.54%和816.36%。圖1

注：R 根際土壤；NR 非根際土壤，圖中不同小寫字母表示同一土壤不同cd濃度比較差異顯著(P<0.05)，下同

研究表明，土壤有效態(tài)鎘含量為根際土壤>非根際土壤；各處理土壤有效態(tài)鎘含量相對于Cd0處理顯著上升，根際土壤上升了60.30%、338.33%和675.25%，非根際土壤上升了56.86%、346.08%和689.22%。圖2

圖2 種植棉花下土壤有效態(tài)鎘含量變化

研究表明，根際土壤pH值隨鎘處理濃度的增加逐漸升高，平均升高了0.13～0.28，Cd10處理顯著高于Cd0處理，平均高了0.28，Cd1與Cd5處理也顯著高于Cd0處理，平均高了0.13和0.14，但Cd1與Cd5處理之間差異不顯著。非根際土壤pH隨鎘處理濃度的增加逐漸降低，平均降低了0.17～0.31，Cd0處理顯著高于Cd5與Cd10處理，平均高了0.30～0.31，但Cd0處理與Cd1處理之間差異不顯著，Cd5與Cd10處理之間差異也不顯著。圖3

圖3 種植棉花下土壤pH變化

2.2 鎘處理對棉花生長的影響

研究表明，鎘處理下，棉花株高和地上部生物量均隨著鎘濃度的升高，顯著下降，株高和生物量的表現(xiàn)為Cd0處理>Cd1處理> Cd5處理> Cd10處理，與Cd0處理相比棉花株高和地上部干重分別顯著降低了4.93%、16.56%、20.76%和4.31%、11.96%、14.58%。地下部干重和根冠比變化情況則與之相反，與Cd0處理相比，Cd1處理地下部干重和根冠比分別升高了1.31%和9.1%，但差異不顯著，Cd5處理分別顯著增加了24.1%和45.5%，Cd10處理分別顯著增加了40.5%和63.6%促進(jìn)作用?？偵锪縿t隨著鎘濃度的升高而下降，與Cd0處理相比，Cd1處理下降了12.3%，各鎘濃度處理下總生物量之間差異不顯著。表1

表1 不同濃度鎘處理下棉花生長

2.3 鎘處理對棉花各器官鎘含量及鎘富集轉(zhuǎn)移能力的影響

研究表明，棉花根、莖、葉和蕾鎘含量均隨土壤鎘含量的增加而顯著提高，均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(根、莖、葉和蕾相關(guān)系數(shù)R2分別為0.735、0.975、0.967、0.953、P<0.05)，且各器官鎘含量表現(xiàn)為根>莖>葉≈蕾；根在Cd1處理下鎘含量提高了83.5%，Cd5處理下提高了118.9%，Cd10處理下提高了115.4%；莖在Cd1處理下鎘含量變化不顯著，Cd5處理下提高了615.5%，Cd10處理下提高了893.8%；葉在Cd1處理下鎘含量變化不顯著，Cd5處理下提高了100.0%，Cd10處理下提高了231.6%；蕾在Cd1處理下鎘含量提高了2 388.9%，Cd5處理下提高了3 555.6%，Cd10處理下提高了6 744.4%。圖4

圖4 不同濃度鎘處理下棉花各器官鎘含量

低濃度的鎘處理(1 mg/kg時)促進(jìn)了根系對鎘的生物富集能力，與對照相比，Cd5與Cd10處理對鎘的富集能力受到抑制，分別下降了60.2%和80.5%；各處理對莖的鎘富集能力無顯著影響，但在Cd5處理下，富集系數(shù)最大，為1.42；葉的富集能力隨鎘脅迫程度的增加，顯著降低，葉的富集系數(shù)分別下降了82.04%、91.84%、93.27%；蕾在鎘脅迫下，富集能力先增加后降低。在Cd1處理下，富集系數(shù)最大，為1.49。表2

表2 不同濃度鎘處理下棉花各器官富集系數(shù)

與Cd0處理相比，莖在Cd1處理下鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)降低了10.00%，在Cd5和Cd10處理時顯著升高了227.27%和354.54%；葉在Cd1處理時先降低了45.45%，Cd5處理與Cd0處理無顯著差異，Cd10處理有顯著提高，提高了54.54%；添加鎘使蕾的鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著升高，蕾的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別升高了1 300%、1 600%、3 100%。表3

表3 不同濃度鎘處理下棉花各器官轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.4 鎘處理對棉花鎘積累量的影響

研究表明，棉花地上、地下和總的鎘積累量均隨著鎘濃度的升高顯著增加，在Cd0與Cd1處理時地下部鎘積累量大于地上部，隨著鎘濃度的增加地上部鎘積累量大于地下部。與Cd0處理相比，地下部的鎘積累量分別顯著增加了86.10%、171.73%、203.18%；地上部的鎘積累量分別顯著增加了136.67%、413.44%、705.35%；總的鎘積累量分別顯著增加了106.01%、273.97%、400.87%。

將棉花地上部細(xì)分為莖、葉和蕾，其鎘積累量均隨土壤鎘含量的增加而顯著提高，呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(莖、葉和蕾相關(guān)系數(shù)R2分別為0.898，0.942，0.908，P<0.05)；與Cd0處理相比，莖的鎘積累量增加了6.04%、641.52%、670.14%；葉的鎘積累量增加了91.96%、160.21%；蕾的鎘積累量增加了2 561.69%、2 470.13%、6 303.90%。圖5

注：圖中不同小寫字母表示鎘積累量在不同Cd濃度比較下差異顯著(P<0.05)

2.5 鎘積累量與土壤pH和棉花生物量及鎘含量的關(guān)系

研究表明，棉花鎘的總積累量與根際土壤全鎘含量和根際土壤pH值呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.962*和0.944；與根際土壤有效態(tài)鎘含量和總生物量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.975*和-0.510。根際全鎘含量和根際pH之間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.914；根際pH與根際有效態(tài)鎘含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.71**；總生物量與根際有效態(tài)鎘含量、根際全鎘含量和根際pH之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.357、-0.328和-0.672。表4

表4 鎘積累量與根際土壤pH和鎘含量及棉花生物量和鎘含量相關(guān)性

3 討 論

研究通過外源均勻向土壤中添入不同量的鎘，發(fā)現(xiàn)種植棉花后土壤全鎘含量表現(xiàn)為根際土壤<非根際土壤，棉花可以吸收污染土壤中的鎘，而棉花根系比地上部吸收的鎘要多。土壤有效態(tài)鎘含量則表現(xiàn)為根際土壤>非根際土壤，這可能與土壤pH的變化有關(guān)，廉梅花等[10]研究發(fā)現(xiàn)隨土壤pH值升高，在種植東南景天植物后土壤有效態(tài)鎘含量下降；黃宇等[11]研究也發(fā)現(xiàn)土壤有效態(tài)鎘含量與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)。研究顯示，種植過棉花后根際土壤的pH小于非根際土壤的pH，這種根際的酸化作用，導(dǎo)致有效態(tài)鎘的含量根際>非根際，這與廉梅花、黃宇等[10-11]研究結(jié)果一致。

歐陽燕莎等[12]研究表明，棉花的株高和莖、葉的生物量隨著Cd濃度的增加而減??；陳浩東[6]研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比在高濃度(5和10 mg/kg)的鎘脅迫下，棉株的平均高度顯著降低，試驗同樣證實這一結(jié)論。根系是作物吸收養(yǎng)分和水分最活躍的器官，也是受外界影響最直接的部位[13]。研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度的鎘脅迫能促進(jìn)根系的發(fā)育，提高根系干物質(zhì)量，金美芳等[14]研究表明，在≤ 5 mg/kg鎘脅迫下能促進(jìn)油菜根系生長。而田曉鋒等[15]研究表明，長時間高濃度的Cd脅迫對梧桐幼苗的根系生長表現(xiàn)出強(qiáng)烈抑制作用；李希銘等[16]研究也表明，隨著Cd濃度增加，紫花苜蓿根系生物量下降，Cd濃度越高對生長產(chǎn)生的傷害越嚴(yán)重。這與研究有不同結(jié)果。

鎘在植物體內(nèi)的含量和分布，反映植物對鎘的耐性，會影響人類(進(jìn)入食物鏈或與人體接觸)健康[2]。研究表明，隨著鎘脅迫濃度的增加，地上部和地下部鎘積累量均呈現(xiàn)增加趨勢，且在高鎘脅迫下(5和10 mg/kg)，鎘積累量表現(xiàn)為：地上部>地下部，且棉花地上部的鎘積累主要在葉片內(nèi)，李玲等[17]和劉連濤等[18]研究也有相同結(jié)論。李玲等[17]研究還發(fā)現(xiàn)鎘在地上部非生殖器官中累積的鎘含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在根中的鎘含量。這可能與鎘在棉花中的存在形態(tài)和運輸機(jī)制有關(guān)。鎘在植物根中主要以氯化鈉提取態(tài)存在，所以鎘更容易由根向地上部轉(zhuǎn)移[19]。生物富集系數(shù)是用來衡量植物對元素吸收和貯存能力的指標(biāo)[7]，不同器官對鎘的富集系數(shù)也不同，大多數(shù)植物吸收的鎘主要積累在根系，而在地上部的含量較低[20]。

研究中棉花根系的鎘富集系數(shù)大于莖、葉和蕾，可能與鎘進(jìn)入根皮層細(xì)胞被多種有機(jī)物質(zhì)結(jié)合沉積相關(guān)[21]，而鎘積累在根部，阻止了其向地上部轉(zhuǎn)移，減輕了鎘對地上部器官的毒害作用[17]。轉(zhuǎn)移系數(shù)表示鎘從地下部向地上部轉(zhuǎn)運的效率[7]，在研究中，莖的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨鎘濃度升高而增加，10 mg/kg的鎘脅迫下轉(zhuǎn)移率達(dá)到了50%，棉花莖對鎘有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)移能力，促進(jìn)地上部對鎘的積累。但不同脅迫對棉花根中鎘存在形態(tài)和轉(zhuǎn)化的影響仍不明確，有待進(jìn)一步深入研究。

研究表明，根際全鎘含量和根際pH分別與棉花鎘積累量之間呈正相關(guān)關(guān)系。積累量是生物量與鎘含量的乘積，鎘脅迫下該品種棉花根系對鎘有較強(qiáng)的富集能力，緩解了鎘對地上部分的損害，地上部分又對鎘有一定的轉(zhuǎn)移能力，各器官鎘含量隨鎘脅迫濃度增加而上升，李玲等[17]和劉連濤等[18]研究也有相同結(jié)論。易亞科[22]和淡俊豪[23]等發(fā)現(xiàn)土壤pH值與植株鎘含量和鎘初級轉(zhuǎn)運系數(shù)間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；陸紅飛等[24]發(fā)現(xiàn)蘋果酸和酒石酸的施加，土壤pH和植株鎘含量也呈正相關(guān)，鎘富集與轉(zhuǎn)移促進(jìn)鎘積累，表現(xiàn)出根際pH與鎘積累量之間的正相關(guān)。

研究探討了不同鎘濃度對棉花種植后土壤鎘含量和有效性、pH變化以及棉花的生長、各器官鎘吸收，富集、轉(zhuǎn)移和積累鎘的影響。但試驗僅在特定的棉花品種與土壤類型條件下開展，棉花品種和土壤類型會直接影響棉花鎘耐性、土壤pH、鎘形態(tài)和有效性，進(jìn)而影響棉花生長和鎘積累。還需要進(jìn)一步開展不同pH值或不同外源添加物對棉花生長、光合作用、生理特性等全方位的研究。

4 結(jié) 論

4.1 在5和10 mg/kg鎘脅迫下棉花鎘積累量均表現(xiàn)為地上部>地下部。棉花種植后，根際土壤全鎘含量和pH值分別與棉花鎘積累量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.962*和0.944。土壤全鎘含量表現(xiàn)為根際土壤<非根際土壤；有效態(tài)鎘的含量表現(xiàn)為根際>非根際；土壤pH值表現(xiàn)為根際<非根際。

4.2 隨著鎘濃度的增加，棉花生長受到抑制；但各器官鎘含量吸收隨之提高，與不添加鎘處理相比根、莖、葉、蕾的鎘含量變化范圍分別為8.89～19.15、0.97～9.64、0.98～3.25和0.09～6.16 mg/kg。