鎘脅迫對3種植物生長及鎘吸收和積累的影響

陳麗麗，田 爽，魯偉丹，李俊華 ，孫奔奔

(石河子大學農(nóng)學院/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子832000)

0 引 言

【研究意義】重金屬鎘由成土母質、礦石開采、污水灌溉和噴灑殺蟲劑等存在于土壤中[1-2]。土壤鎘污染不僅會退化土壤質量、降低農(nóng)作物產(chǎn)量和品質，鎘還會通過徑流和淋溶作用污染地表及地下水[3]。鎘在自然環(huán)境中常以化合態(tài)存在，相對于其他重金屬而言，更易被植物吸收[4-5]。植物修復鎘污染土壤成本低、高效且無二次污染，農(nóng)田種植適宜的富集植物，可以“邊生產(chǎn)邊修復”[6]。【前人研究進展】何俊瑜等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當鎘濃度為1 μmol/L時，鎘對植物生長表現(xiàn)出促進作用，鎘濃度低于5 μmol/L時，鎘對水稻的根長、根表面積、根體積、根干重和根系活力無顯著影響，高于10 μmol/L明顯受抑；Wei等[8]對龍葵進行不同濃度的鎘處理，發(fā)現(xiàn)龍葵的根長、根表面積及根體積無顯著降低，表明龍葵地下部對鎘的響應不敏感，且龍葵對鎘的耐受性與其根部特性顯著相關。陳悅等[9]的盆栽試驗結果表明，低濃度Cd能夠促進棉花的生長發(fā)育，而高濃度Cd則對棉花的生長發(fā)育具有強烈的抑制作用。孫月美等[10]的研究同樣證實這一結論，即低濃度鎘的脅迫能刺激棉花及向日葵的生長，使其株高和鮮重達到最大值，但隨著鎘濃度的升高，棉花及向日葵生長受到抑制?！颈狙芯壳腥朦c】土壤重金屬鎘污染問題受到重視[11]，植物修復是凈化重金屬污染土壤最有潛力的原位修復技術之一，且現(xiàn)已產(chǎn)生一定成效。但關于小白菜、棉花和龍葵對鎘污染治理情況的對比研究鮮有報道。需研究鎘脅迫對3種植物生長及鎘吸收和積累的影響。【擬解決的關鍵問題】以小白菜、棉花和龍葵為材料。采用水培試驗，人為模擬不同濃度鎘脅迫環(huán)境，測定鎘脅迫下3種植物生長和鎘吸收情況，分析比較同一植物在不同濃度鎘脅迫下鎘積累效果及不同植物在同一濃度鎘脅迫下的鎘積累效果，篩選出每種植物最適宜修復鎘污染的程度。

1 材料與方法

1.1 材 料

選取棉花(新陸早42號)、小白菜(德高)和龍葵(野生龍葵)作為供試植物，棉花及小白菜種子購于石河子市大轉盤農(nóng)資種子站，供試野生龍葵于2018年9月采自石河子大學試驗站，采后用清水洗去果皮，將其種子籽粒晾干保藏以供使用。所用鎘為CdCl2·2.5H2O，硝酸、鹽酸、氫氟酸優(yōu)級純均購于石河子稼先科技有限公司，去離子水取自優(yōu)普水純化系統(tǒng)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗于2019年5月16日至2019年7月25日在石河子大學農(nóng)學院試驗站溫室與綠洲生態(tài)試驗室進行，采用水培試驗，所用水均為去離子水，其pH值在5.8～6.2。3種植物種子先播種于裝有濕潤蛭石與營養(yǎng)土混合基質的72穴穴盤中，待3種植物子葉出土并長至3～5片真葉(10～20 cm高)時，選擇長勢一致的幼苗移栽至清水中緩苗3 d，3 d后進行處理，處理時培養(yǎng)液中加入CdCl2·2.5H2O。每個處理設3個重復，每個重復設3株幼苗。處理時間為7 d，期間每日進行24h通氣處理。處理結束后進行各指標的測定。表1

表1 水培3種植物鎘脅迫濃度Table 1 Cadmium stress concentration of three plants in Hydroponics

1.2.2 測試指標

1.2.2.1 樣品采集

處理結束后，3種植物幼苗分地上(葉)和地下(根)部進行采集，用Epson數(shù)字掃描儀對不同處理后的根系進行平面掃描；WinRHIZO專業(yè)版根系圖像分析系統(tǒng)軟件對根系長度、表面積、根體積和分形維數(shù)等指標進行定量分析，掃描結束后用去離子水將各部分沖洗干凈后在75℃下烘干。將烘干樣品磨碎后，準確稱取0.100 0 g烘干樣放入消煮管中，并加入5 mL硝酸3 mL鹽酸混合液進行微波消解，消解結束后放入趕酸機并加入2 mL氫氟酸趕酸至管內只剩1 mL左右液體取出，冷卻至室溫后轉移至10 mL離心管中，用去離子水進行定容，待測植株鎘含量。鎘含量使用日立Z-2000原子吸收分光光度計-石墨爐法進行測定，其具體含量代入鎘標準曲線計算得出。

1.2.2.2 鎘積累量

鎘積累量參照相關文獻的計算方法[10]。

鎘積累量 = 作物各器官的干重 × 相應的Cd含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)為3次重復的平均值，采用SPSS 21和Microsoft Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行分析和處理，單因素方差分析Duncan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 結果與分析

2.1 鎘對3種植物株高的影響

研究表明，T4處理下，小白菜株高達最大，其余各處理間小白菜株高無顯著差異；與CK相比，龍葵在T5處理時株高顯著降低，降低了26.72%；鎘濃度大于3.5 mg/kg時，棉花株高生長受到顯著抑制，與CK相比，T3處理棉花株高顯著降低了13.54%。圖1

注: 不同小寫字母代表不同處理差異顯著性(P<0. 05)，下同

2.2 鎘對3種植物生物量的影響

研究表明，棉花和龍葵地下部生物量均隨鎘處理濃度的升高而降低，與CK相比，棉花地下部生物量下降最為顯著，T5處理下，降低了35.61%；龍葵在鎘濃度大于20 mg/kg后，地下部生物量下降較為顯著，與CK相比，T2、T3、T4和T5處理分別降低了4.81%、4.07%、3.70%和8.15%；與CK相比，小白菜地下部生物量在T1處理下，升高了4.50%。

小白菜地上部生物量隨鎘處理濃度升高先升高后降低，與CK相比，T2處理下，小白菜地上部生物量升高了22.36%；棉花和龍葵地上部生物量則隨鎘濃度升高而降低，與CK相比，T5處理下，棉花和龍葵地上部生物量分別顯著降低了44.03%和26.67%。表2

表2 3種植物地上部及地下部生物量變化Table 2 Aboveground and root biomass changes of three plants

2.3 3種植物體內鎘含量的分布

研究表明，小白菜地上部鎘含量在T1處理下達最低，顯著低于其它處理，與CK相比，降低了21.02%，其它各處理間差異不顯著；棉花地上部鎘含量，隨處理濃度的增加先增加后減小，T1處理時達最高，與CK相比，升高了21.81%；與CK相比，龍葵在不同濃度的鎘處理下，鎘濃度顯著升高，T5處理下升高了85.36%。圖2

圖2 3種植物地上部位鎘濃度變化Fig.2 Changes of cadmium concentration in the above ground parts of three plants

小白菜地下部鎘含量在T3處理下達最高，顯著高于其它處理，與CK相比，升高了17.31%；棉花在T3處理時，地下部位鎘含量最高，與CK相比，顯著升高32.01%；龍葵在T4處理下，地下部位鎘含量最高，與CK相比，顯著升高5 882.38%。圖3

圖3 3種植物地下部位鎘濃度變化Fig.3 Cadmium concentration changes in the underground parts of three plants

2.4 3種植物體內鎘積累量的變化

研究表明，3種植物的鎘積累量均隨鎘處理濃度的升高，先增加后降低。小白菜體內鎘積累量在T3處理下達到最大，為205.901 7 μg，與CK相比，增加了70.18%；龍葵體內鎘積累量在T4處理下達到最高，為442.627 6 μg，與CK相比，增加了2 475.30%；棉花的鎘積累量在T1處理下達到最大，為28.01 μg，與CK相比，增加了40.89%。圖4

圖4 3種植物體內鎘積累量的變化Fig.4 The change of cadmium accumulation in plant

3 討 論

株高和生物量作為植物生長指標，可簡單用來判定植物對鎘的耐受性，且植物由于耐受能力的不同，對鎘的吸收強度有所不同；生物量大小直接影響到鎘積累量的多少，進而影響到修復效果。已有研究表明龍葵[12]能在更大的鎘脅迫濃度范圍內生長，且生長受抑程度較低；小白菜[13]和棉花[10]耐受性則較差，鎘脅迫下生長顯著受抑。研究中，鎘脅迫抑制了棉花株高生長；當鎘濃度為10 mg/kg時，小白菜株高達到最大，此時，卻小于龍葵，表明其耐受性小于龍葵，與前人[14-16]研究結果一致。

隨鎘處理濃度的增加，龍葵鎘含量顯著升高，地下部在鎘濃度為50 mg/kg時，鎘含量高達432 mg/kg，達到最大；小白菜地上部鎘含量在T3(5 mg/kg)處理下最高；棉花地上部鎘含量表現(xiàn)出“低促高抑”，在鎘濃度大于3.5 mg/kg時，地上部鎘吸收顯著受到抑制。魏樹和等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當鎘濃度大于25 mg/kg時，龍葵生長受抑，大于100 mg/kg時，地上部吸收能力減弱，其生長與吸收有濃度效應，劉可慧等[18]研究表明鎘抑制小白菜株高生長，植株體內鎘含量具有濃度效應；孫月美等[10]發(fā)現(xiàn)，棉花體內鎘含量較低，且吸收的鎘多集中在根系，各器官鎘含量雖然具有濃度效應，但地上部各濃度處理間，含量差異在3種植物中最小。試驗進一步證實了前人研究，也證明植物因種類與基因型的差異造成了如上差異[19]。

研究中，3種植物中小白菜幼苗生物量最大，鎘處理下，其生物量無顯著影響，棉花和龍葵則顯著降低，孫月美[10]和Wang[20]等研究也表明，鎘抑制了棉花和龍葵生物量，與研究驗結果一致。5 mg/kg鎘脅迫下小白菜鎘積累量最大，大于該濃度，鎘積累能力降低；3.5 mg/kg時棉花鎘積累量增大，隨后則減??；50 mg/kg處理下龍葵鎘積累量為442.6 μg/盆，3種植物相比，達到最大。劉可慧等[18]研究表明，隨鎘處理濃度的升高，小白菜生物量顯著下降，鎘含量則顯著升高，15 mg/kg鎘處理下，地上部和根系鎘含量與對照相比，顯著增加3 984.4～5 734.5倍，因此，鎘積累量也顯著增加，此時小白菜生長受抑，而體內鎘的吸收與積累則無顯著影響；Lin[21]在極低濃度的鎘脅迫下，研究發(fā)現(xiàn)小白菜體內鎘含量也隨處理濃度升高而增大；研究中，除T3處理(5 mg/kg)外，小白菜根系對鎘吸收均受到脅迫，進而促使小白菜鎘積累表現(xiàn)出先增大后減小的情況。對比發(fā)現(xiàn)，均在水培條件下時，影響小白菜鎘吸收的關鍵因素為鎘處理濃度和品種。盆栽試驗中，棉花體內鎘積累量隨處理濃度的增加顯著增加，水培試驗里，較低濃度的鎘脅迫下棉花體內鎘積累量依舊隨脅迫濃度增加而顯著升高，但試驗在缺少土壤緩沖性的條件下，棉花直接暴露在高濃度鎘脅迫下，鎘積累與前人[10,22]研究結果不同。劉柿良[23]的研究中，龍葵果實鎘積累量隨脅迫程度的增加顯著增大，其余各器官鎘積累量在大于40 mg/kg后，無顯著變化；研究中龍葵根系鎘含量在T4處理(50 mg/kg)下顯著高于其它處理，進而使植株鎘積累量表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢；Xu[24]的研究中鎘含量隨脅迫程度的增加也顯著增加，可見，高濃度鎘污染下，影響龍葵鎘吸收的關鍵因素為培養(yǎng)方式，水培條件下，龍葵直接暴露在高鎘環(huán)境，對其損害更加的直接，表現(xiàn)出鎘吸收與積累上的差異。

小白菜作為常規(guī)蔬菜，對土壤中的鎘具有良好的富集效果[25]。棉花作為重要的經(jīng)濟作物，其生物量大，且不易進入食物鏈[26]，因此，可作為不適宜種植水稻等糧食作物的中度和重度鎘污染的農(nóng)田，作為種植結構調整中的替代作物[27]。龍葵可以很好的治理被鎘污染的土壤[28]。

4 結 論

4.1鎘脅迫下，棉花生長最先受到抑制，其生物量下降最為顯著，鎘的耐受性最低；小白菜和龍葵均具備一定的耐性，兩者相比，龍葵能在鎘濃度較高的環(huán)境下生長，鎘耐性更強。鎘處理濃度分別為5、3.5和50 mg/kg時，對應的小白菜、棉花和龍葵鎘積累量達到最大。3種植物對鎘污染的修復能力表現(xiàn)為龍葵>小白菜>棉花。

4.2除棉花外，小白菜與龍葵均可用于鎘污染的修復，鎘脅迫濃度較低時，可選用小白菜進行修復，若鎘濃度較高，可種植龍葵進行修復。