鉛鎘脅迫下蜀葵與油菜混作對(duì)油菜重金屬積累的影響

熊明彪，王 博，楊紹平，王乾鑫，張 恒，孫博文，紀(jì)丁愈，楊遠(yuǎn)祥*

(1.四川水利創(chuàng)新發(fā)展研究院，成都 611230；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611230；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，成都 611130；4.四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611830)

我國(guó)耕地土壤重金屬等污染物土壤點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%[1]重金屬污染形勢(shì)嚴(yán)峻。重金屬污染具有難降解、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、隱蔽性與滯后性等特點(diǎn)[2]，它們可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響[3]。同時(shí)，土壤重金屬污染也嚴(yán)重阻礙我國(guó)的糧食生產(chǎn)[4]。因此急需有效控制土壤中重金屬，尤其是鉛、鎘進(jìn)入蔬菜或農(nóng)作物可食用部分或降低土壤中鉛、鎘含量，達(dá)到有效提高食品安全、保證人體健康。油菜是我國(guó)廣泛種植的一種油料作物，種植面積約6.6×106hm2，產(chǎn)量占世界的20%[5-6]，但我國(guó)食用油自給率只有38.1%，不能滿足國(guó)家發(fā)展需求。鑒于油菜作物對(duì)國(guó)家發(fā)展的重要性，為了提升油菜產(chǎn)量與食用油自給率，我國(guó)需要重視油菜的種植，尤其是在重金屬污染土壤中如何保證產(chǎn)量與安全值得探討與研究。植物修復(fù)技術(shù)作為土壤重金屬修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而超富集植物為該技術(shù)的核心載體[7]。蜀葵作為一種超富集植物，對(duì)土壤重金屬具有良好的修復(fù)效果，有研究表明蜀葵對(duì)鉛、鎘元素存在較強(qiáng)富集的特性[8-9]。據(jù)研究，在重金屬污染條件下，不同植物混作會(huì)影響混種植物對(duì)重金屬的積累[10]。在牛膝菊與生菜混作[11]、花卉與葡萄混種的試驗(yàn)[12]中，富集植物與作物混種能有效降低作物對(duì)重金屬的富集。

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)油菜與蜀葵混作對(duì)土壤重金屬修復(fù)效果影響、對(duì)油菜品質(zhì)影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。鑒此，本研究選取全國(guó)廣泛種植的農(nóng)作物-油菜、四川地區(qū)原產(chǎn)花卉-蜀葵為材料，通過(guò)盆栽模擬重金屬污染的試驗(yàn)，探討在鉛、鎘污染條件下，農(nóng)作物與富集植物混作對(duì)油菜品質(zhì)、重金屬殘留的影響。希望能為土壤中鎘、鉛污染治理、農(nóng)作物品質(zhì)提升等提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：油菜種子“德5油33號(hào)”、蜀葵種子購(gòu)于成都市溫江區(qū)農(nóng)資公司。

供試土壤：取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地的水稻土。其基本理化性狀： pH 6.76、有機(jī)質(zhì)31.68g/kg、全氮3.53g/kg、全磷0.32g/kg、全鉀17.41g/kg、鎘0.06mg/kg、鉛45.26mg/kg、堿解氮194.00mg/kg、速效磷6.18mg/kg、速效鉀91.17mg/kg。

供試重金屬：鉛、鎘均為分析純(AR)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年12月至2020年5月進(jìn)行，地點(diǎn)在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地的人工大棚(103°51′39.72″E，30°42′21.87″N)，大棚內(nèi)通風(fēng)和透光良好。試驗(yàn)前，在稻田中取土樣，先將田塊均一分為4小塊，每小塊采取蛇形布設(shè)五點(diǎn)取樣進(jìn)行供試土樣的采集。每一個(gè)取樣點(diǎn)，先剝?nèi)ネ恋乇韺与s物，再取0～20cm的表土約20kg。將所有取樣點(diǎn)土樣混合均勻，去除石塊、根系等雜物后，將土壤裝入規(guī)格80cm×40cm×30cm的方形塑料盆，每個(gè)塑料盆的裝土需要達(dá)到約30kg。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)，每盆供試土壤鉛、鎘含量設(shè)置為700mg/kg、3.0mg/kg，為使供試土壤鉛、鎘含量達(dá)到要求值，根據(jù)計(jì)算稱取足量的Pb(NO3)2、CdCl2充分溶于去離子水中，然后將該溶液與土樣充分混勻、浸泡、靜置1個(gè)月。處理完成后備用。選用重量0.1kg的油菜、蜀葵種子，先晾曬2d，然后用水浸種10h，最后用0.1%～1%濃度的過(guò)氧化氫浸泡5h左右進(jìn)行消毒處理。采用普通培養(yǎng)皿發(fā)芽法，置于培養(yǎng)箱內(nèi)催芽后轉(zhuǎn)移至試驗(yàn)大棚無(wú)污染土壤中進(jìn)行幼苗培養(yǎng)約1個(gè)月。在培養(yǎng)出的幼苗中挑選大小形態(tài)類似的油菜、蜀葵幼苗，將其移栽至土壤重金屬處理后的塑料盆中，培養(yǎng)180d，培養(yǎng)過(guò)程中保證土壤含水量保持在70%左右。

每個(gè)塑料盆中種植的植株數(shù)量為8株，其中的蜀葵、油菜植株按照一定的數(shù)量比例進(jìn)行混作。根據(jù)蜀葵與油菜不同的混作比例，本試驗(yàn)分成5個(gè)是試驗(yàn)組，分別為CK、YH1、YH2、YH3、YH4。5個(gè)試驗(yàn)組中的蜀葵與油菜的混作比例見(jiàn)表1。

表1 不同混作比例

1.3 樣品采集

移栽培養(yǎng)70d時(shí)，取油菜、蜀葵新鮮葉片供酶活測(cè)定。采集的油菜、蜀葵葉片樣品先用自來(lái)水沖洗干凈，之后用20 mmol/L Na2-EDTA交換20min，再用去離子水洗凈，用吸水紙擦干，立即檢測(cè)相關(guān)指標(biāo)或者放入液氮速凍保存，保存于-75℃(ThermoFreezer 700，USA)超低溫冰箱以免鮮樣中酶失去活性。

移栽培養(yǎng)180d時(shí)，收割整株油菜、蜀葵。收割的油菜、蜀葵植物樣品，先105℃殺青30min，然后75℃烘干至恒重，稱植物干重，最后用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎樣品保存于干燥器中備用。

1.4 測(cè)定方法

對(duì)植物樣品分析測(cè)定，分析測(cè)定方法見(jiàn)表2。

表2 植物樣品指標(biāo)及分析測(cè)定方法

根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和耐性指數(shù)，用于判斷植物對(duì)Pb、Cd的吸附和轉(zhuǎn)運(yùn)能力[14]，公式如下：

富集系數(shù)(Bioconcentration coefficient，BCF)=植株體積累的重金屬濃度/土壤中重金屬濃度

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(Translocation coefficient，TF)=植物地上部重金屬濃度/植物地下部重金屬濃度

耐性指數(shù)(Tolerance index，TI)=處理組植物生物量/對(duì)照組植物生物量

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤來(lái)表示，采用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用SPSS20.0進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，最小顯著差異法(LSD)在α=0.05水平進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同混作比例對(duì)蜀葵和油菜生物量的影響

將單作蜀葵(YH4)作為對(duì)照，混作蜀葵地上、地下部分的生物量均下降。當(dāng)混作比例為蜀葵∶油菜=1∶3時(shí)，蜀葵地上、地下部分的生物量分別下降16.23%、23.85%；當(dāng)蜀葵∶油菜=2∶2時(shí)，蜀葵生物量分別下降8.30%、21.36%；當(dāng)蜀葵∶油菜=3∶1時(shí)，蜀葵生物量分別下降5.48%、11.26%。

圖1 混作蜀葵的生物量

將單作油菜(CK)作為對(duì)照，混作油菜地上、地下部分以及油菜籽的生物量是上升的。當(dāng)混作比例為蜀葵∶油菜=1∶3時(shí)，油菜的油菜籽與地上、地下部分生物量分別上升12.75%、11.97%、34.43%；當(dāng)蜀葵∶油菜=2∶2時(shí)，油菜生物量分別上升80.18%、76.75%、125.88%；當(dāng)間蜀葵∶油菜=3∶1時(shí)，油菜生物量分別上升94.86%、189.15%、248.34%。

圖2 混作油菜的生物量

蜀葵與油菜的耐性指數(shù)變化規(guī)律與生物量變化規(guī)律一致，與單作相比，混作蜀葵耐性指數(shù)下降，混作油菜耐性指數(shù)上升。但是在混作蜀葵、油菜中，蜀葵數(shù)量占比越高，兩者耐性指數(shù)越高。所以試驗(yàn)組YH1 、YH2、 YH3中，蜀葵的耐性指數(shù)比對(duì)照組YH4依次減少0.20、0.14、0.08，油菜的耐性指數(shù)比對(duì)照組CK依次增加0.14、0.82、1.96。

2.2 不同混作比例對(duì)蜀葵和油菜Pb、Cd含量的影響

蜀葵中的Pb、Cd主要積累在根部，與蜀葵的單作試驗(yàn)組YH4相比，混作蜀葵地上、地下部分的Pb、Cd含量是下降的，從YH1至YH3，地上部分Pb含量下降39.80%、30.83%、17.93%，Cd含量下降28.43%、19.52%、13.15%。地下部分Pb含量下降70.58%、41.38%、18.66%，Cd含量下降35.80%、23.33%、12.99%。油菜中的Pb、Cd也主要積累在根部，與油菜的單作試驗(yàn)組CK相比，混作油菜的地上、地下部分以及油菜籽的Pb、Cd含量也是下降的，從YH1至YH3，地上部分Pb含量下降19.72%、31.43%、42.52%，Cd含量下降32.72%、39.76%、50.15%。地下部分Pb含量下降13.68%、18.88%、31.45%，Cd含量下降3.15%、10.39%、26.53%。油菜籽Pb含量下降20.81%、31.98%、46.51%，Cd含量下降33.57%、40.56%、51.05%。

圖3 混作油菜與蜀葵的耐性指數(shù)

表3 不同混作比例對(duì)蜀葵、油菜鉛、鎘含量的影響

2.3 不同混作比例對(duì)蜀葵和油菜Pb、Cd富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

在不同混作比例中，隨著蜀葵的數(shù)量占比升高，蜀葵的Pb、Cd富集系數(shù)升高，而轉(zhuǎn)移系數(shù)下降。當(dāng)混作比例為蜀葵∶油菜=1∶3時(shí)，蜀葵的Pb、Cd富集系數(shù)最低而轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，與單作蜀葵的最高富集系數(shù)、最低轉(zhuǎn)移系數(shù)相比，Pb分別相差0.17、0.25，Cd分別相差0.07、0.06。而隨著蜀葵的數(shù)量占比升高，油菜的Pb、Cd富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)都隨之下降，當(dāng)混作比例為蜀葵∶油菜=3∶1時(shí)，油菜的Pb富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)最低，與單作油菜的最高富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)相比，Pb分別相差0.11、0.03，Cd分別相差0.06、0.20。

2.4 不同混作比例對(duì)蜀葵和油菜葉片抗氧化酶活性的影響

混作油菜抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)低于單作油菜，混作蜀葵除了POD活性高于單作蜀葵，SOD、CAT活性也低于單作蜀葵。在混作比例中，蜀葵的數(shù)量占比升高，混作蜀葵的抗氧化酶中POD呈下降趨勢(shì)，SOD、CAT為上升趨勢(shì)，而油菜的抗氧化酶呈下降趨勢(shì)。當(dāng)混作比例為蜀葵∶油菜=3∶1，與單作蜀葵相比，混作蜀葵的SOD含量下降3.50%、POD含量上升6.40%、CAT含量下降13.42%。與單作油菜相比，混作油菜的SOD下降16.79%、POD含量下降8.12%、CAT含量下降37.65%。

表4 不同混作比對(duì)蜀葵、油菜富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

表5 不同混作比例對(duì)蜀葵和油菜葉片抗氧化酶活性的影響

2.5 不同混作比例下油菜吸收Pb、Cd的相關(guān)性分析

根據(jù)表7數(shù)據(jù)所示，不同混作比例與油菜地上部分Cd含量、地下部分Cd含量、Cd富集系數(shù)具有負(fù)相關(guān)性，與地上生物量具有正相關(guān)性，與油菜地上部分Pb含量、油菜地下部分Pb含量、Pb富集系數(shù)具有顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.989*、-0.987*、-0.989*)，與油菜地下生物量有顯著正相關(guān)性(r=0.973*)。

表6 不同混作比例下油菜吸收Pb、Cd的相關(guān)性分析

3 討論

根據(jù)本次試驗(yàn)，混作油菜與單作(CK)相比，其生物量與耐性指數(shù)升高，且混作試驗(yàn)組中，蜀葵的數(shù)量占比越高，油菜的生物量與耐性指數(shù)越高。有研究表明，在土壤重金屬脅迫條件下，富集植物與普通植物混作能降低重金屬的生物有效性以及對(duì)普通植物的毒性[15]。與本次試驗(yàn)結(jié)果一致，蜀葵降低Pb、Cd的生物有效性以及毒性，對(duì)油菜起保護(hù)作用。根據(jù)徐彥紅[16]的試驗(yàn)，富集植物紫花苜蓿與其他植物混作時(shí)，生物量會(huì)降低。與本次試驗(yàn)蜀葵情況一致，說(shuō)明蜀葵與油菜間存在種間競(jìng)爭(zhēng)。

在植物體內(nèi)Pb、Cd的分布特征為地下>地上，說(shuō)明植物吸收的Pb、Cd主要積累在根部，與楊績(jī)?nèi)坏闹亟饘僭囼?yàn)結(jié)果一致[17]。富集植物與作物混作，富集植物能有效抑制作物對(duì)重金屬的吸收，與黃佳璟等人的試驗(yàn)結(jié)果一致[18]。因此，與單作油菜相比，混作油菜地上、地下部分與油菜籽的Pb、Cd含量都會(huì)下降，且隨著混作中的蜀葵數(shù)量比例增大，油菜地上、地下部分的Pb、Cd下降量增大。根據(jù)閆秀秀的研究，富集植物一方面通過(guò)活化土壤周圍的重金屬，促進(jìn)作物吸收重金屬，另一方面通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸收、化感等方式抑制作物吸收重金屬[19]。本次試驗(yàn)中，富集植物蜀葵地下部分的Pb、Cd含量相比單作是降低的，而作物油菜地上、地下部分的Pb、Cd含量相比單作也是下降的，這與歐發(fā)剛等人的試驗(yàn)結(jié)果一致[20]。說(shuō)明蜀葵、油菜的根系在Pb、Cd吸收的相互作用中，油菜與蜀葵相互抑制各自對(duì)Pb、Cd的吸收，但蜀葵在Pb、Cd的吸收方面比油菜更有優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而抑制油菜對(duì)Pb、Cd的吸收。在轉(zhuǎn)移系數(shù)方面，與陳建軍[21]等人的試驗(yàn)結(jié)果一致，混作蜀葵與單作相比轉(zhuǎn)移系數(shù)上升，而混作油菜與單作相比轉(zhuǎn)移系數(shù)下降。說(shuō)明蜀葵能一定程度上抑制了油菜的Pb、Cd污染物從地下向地上部分轉(zhuǎn)移，最終使油菜地上部分的Cd、Pb含量下降。

在重金屬脅迫下, 植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生 SOD、POD、CAT 等抗氧化的物質(zhì), 通過(guò)生化反應(yīng)來(lái)清除體內(nèi)活性氧等物質(zhì)[22]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，混作蜀葵、油菜的SOD含量比單作更低。根據(jù)朱秀紅[23]等人的試驗(yàn)結(jié)果，植物體內(nèi)SOD的活性基本會(huì)先隨重金屬濃度升高而升高，本次試驗(yàn)中，蜀葵與油菜相互抑制對(duì)Pb、Cd的吸收，使混作油菜、蜀葵體內(nèi)的重金屬含量減少，SOD活性也減少。不同植物體內(nèi)的抗氧化酶對(duì)重金屬能表現(xiàn)出不同的生態(tài)效應(yīng)[24]，本次與單作相比，混作蜀葵POD是下降的，CAT是上升的，而混作油菜的POD與CAT都是下降的。油菜與蜀葵抗氧化酶的變化，也說(shuō)明植物在重金屬脅迫下，混作可以改變植物自身酶的合成機(jī)制。

根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB2762-2017)，油菜屬于葉菜蔬菜，因此油菜的Pb、Cd安全標(biāo)準(zhǔn)分別為0.3mg/kg、0.2mg/kg。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，處理組油菜籽的Cd含量達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)混作以及Pb、Cd復(fù)合脅迫對(duì)油菜吸收Pb、Cd的影響[25]，油菜籽的Cd含量最終符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)。而由于土壤中的Pb含量過(guò)高，雖然混作使油菜籽Pb含量降低，但未降至安全標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

蜀葵與油菜混作能有效降低油菜地上部分的重金屬含量，增加油菜地上部分生物量，對(duì)油菜的安全質(zhì)量有積極作用。在本試驗(yàn)中，混作比例為油菜∶蜀葵=1∶3時(shí)，蜀葵對(duì)油菜在Pb、Cd積累的抑制作用最佳。