摘 要:【目的】研究甜瓜不同生長階段5種重金屬在植株中富集分配的變化及其關(guān)聯(lián)性。
【方法】于2020年6月26日至7月25日,每間隔4 d分別采集甜瓜根、莖、葉、果實(shí)及對(duì)應(yīng)根際土壤樣品,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定樣品中銅Cu、鎘Cd、砷As、鉻Cr和鎳Ni 5種重金屬含量,定量分析植株各部位5種重金屬富集系數(shù)所占百分比,研究不同生長階段5種重金屬在甜瓜植株中富集分布及其關(guān)聯(lián)性。
【結(jié)果】6月26日至7月25日,甜瓜植株Cr、Ni、As的富集分配為根gt;葉gt;莖gt;果實(shí);6月26日至7月25日Cu與6月26日至7月16日Cd的富集分配為葉gt;根gt;莖gt;果實(shí);7月16日至7月25日,甜瓜植株Cd富集分配為根gt;莖gt;葉gt;果實(shí);隨時(shí)間延長,甜瓜果實(shí)中Cr、As、Cd富集系數(shù)所占比例整體呈先升高后降低的趨勢,Ni和Cu富集系數(shù)所占比例整體呈降低趨勢;當(dāng)甜瓜果實(shí)Cr、As、Cu、Ni富集分配增加時(shí),植株根中該4種重金屬的富集分配有降低趨勢,葉中Cr、As、Ni的富集分配有升高趨勢,Cd和Cu有降低趨勢。
【結(jié)論】5種重金屬在甜瓜植株中的分配、富集占比變化、關(guān)聯(lián)部位因重金屬種類的不同而有所差異。
關(guān)鍵詞:甜瓜;重金屬;富集分布;關(guān)聯(lián)性
中圖分類號(hào):S652 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4330(2024)04-0892-08
0 引 言
【研究意義】農(nóng)田土壤中As、Cd、Cu、Cr和Ni含量高累積會(huì)影響作物生長[1],分析5種重金屬在新疆甜瓜植株不同部位中的分布及其富集分配的關(guān)聯(lián)性,對(duì)甜瓜果實(shí)中5種重金屬富集水平的差異研究有實(shí)際意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】張璐等[2]研究結(jié)果表明,孕穗期、成熟期水稻中Cd由根向作物莖葉和籽粒中遷移,導(dǎo)致莖葉和籽粒中Cd含量的升高;胡雨丹等[3]研究發(fā)現(xiàn),不同生育期水稻累積Pb能力為孕穗期>拔節(jié)期>分蘗期>灌漿期>成熟期,植株分布為根系>莖>葉>穗軸>谷殼>糙米;譚建波等[4]研究結(jié)果顯示,玉米從拔節(jié)期到成熟期,各器官Cd含量呈下降趨勢,成熟期Cd的植株分布為根gt;莖gt;籽粒gt;葉。程海濤等[5]研究發(fā)現(xiàn),林下人參中隨著生育期延長,根重金屬分布高于其他部位;裴亮等[6]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),蘿卜隨著時(shí)間的延長,其Ni、Cr、Cu增加明顯,As、Cd含量增加較緩慢;侯文煥等[7]研究發(fā)現(xiàn),菜用黃麻采收期各部位有機(jī)Se含量依次為葉gt;根gt;莖,蒴果期依次為葉gt;根gt;蒴果gt;莖,且葉中含量顯著高于莖,根和葉中有機(jī)Se含量在蒴果期達(dá)最高值?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】不同作物重金屬含量累積分布的變化有所不同,目前還鮮見不同生長階段As、Cd、Cr、Ni、Cu 5種重金屬在甜瓜植株中富集分配變化及關(guān)聯(lián)性的系統(tǒng)研究報(bào)道。需要研究甜瓜不同生長階段5種重金屬在植株中富集分配的變化及其關(guān)聯(lián)性。【擬解決的關(guān)鍵問題】采集不同生長階段甜瓜根、莖、葉、果實(shí)及對(duì)應(yīng)根際土壤樣品,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定樣品中Cu、Cd、As、Cr和Ni 5種重金屬含量,定量分析植株各部位5種重金屬富集系數(shù)所占百分比,研究不同生長階段5種重金屬在甜瓜植株中富集分布的變化及其關(guān)聯(lián)性,為甜瓜安全種植技術(shù)提供前期數(shù)據(jù)。
1 材料與方法
1.1 材 料
1.1.1 甜 瓜
甜瓜品種:甜瓜品種黃蜜寶由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心提供,于2020年5月7日播種,測定時(shí)間為2020年6月26日~7月25日。
植株樣品:甜瓜的根、莖、葉、果實(shí)樣品經(jīng)破碎、打漿混合均勻后置于-18℃冰柜中冷凍備用。參照NY/T 2342—2013《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 甜瓜》進(jìn)行種植和田間管理,施用有機(jī)肥為雞糞,用量為225 kg/667m2,肥料來源于新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所。
土壤樣品:在試驗(yàn)田采集植株對(duì)應(yīng)的根際土壤,采集深度為0~30 cm,混勻后,按照四分法,留取土壤樣品,去除樣品中的各種雜物,將土樣經(jīng)自然陰干、過0.15 mm尼龍篩后,裝于潔凈的聚乙烯自封袋中,常溫儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>
植株和土壤樣品于2020年12月前定量分析As、Cd、Cr、Ni、Cu含量。表1
1.1.2 試 劑
優(yōu)級(jí)純硝酸、優(yōu)級(jí)純氫氟酸來自德國Merck公司;GBW10022(蒜粉)、GBW10048(芹菜) 、GBW07426(新疆北部土) 、GBW08302(西藏土)來自地球物理地球化學(xué)勘察研究所;金元素(Au)溶液(1 000 mg/L)、內(nèi)標(biāo)溶液(鍺)、內(nèi)標(biāo)元素貯備液(1 000 mg/L) 來自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。
1.1.3 儀 器
電子天平(德國賽多利斯公司);超純水機(jī)(美國Millipore公司);微波消解儀、聚四氟乙烯消解內(nèi)罐(美國CEM公司);趕酸儀(上海博通有限公司);電感耦合等離子體質(zhì)譜儀iCAP(Qc型美國Thermo Sciemtific公司)。
1.2 方 法
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
設(shè)小區(qū)試驗(yàn),小區(qū)面積為50 m2,重復(fù)3次,每間隔4 d采集1次試驗(yàn)樣品,每次采集3株。
1.2.2 測定指標(biāo)
按照GB 5009.268-2016《食品中多元素的測定》[8]制備溶液,采用Mars5微波消解儀消解。
稱取甜瓜樣品1 g于消解罐中,同時(shí)做空白試驗(yàn),加入6 mL硝酸溶液和2 mL水;稱取土壤樣品0.1 g于消解罐中,加入7 mL硝酸溶液、2 mL氫氟酸溶液和2 mL水,在通風(fēng)櫥中放置4 h預(yù)消解,預(yù)消解后放入Mars 5微波消解儀,待消解完畢,冷卻后取出,緩慢打開罐蓋進(jìn)行排氣,將消解罐放入趕酸儀中趕酸至微量,待冷卻后取出,將消化液轉(zhuǎn)移至50 mL的容量瓶中,并用超純水少量多次的沖洗消解管內(nèi)壁,合并洗滌液定容至刻度,搖勻備用供ICP-MS測定。表2
使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定樣品中重金屬Cr、Ni、Cu、As與Cd含量。表3
1.2.3 儀器校正和精確度
對(duì)試劑進(jìn)行空白監(jiān)測,以校正儀器讀數(shù);在檢測過程中GBW10022(蒜粉)和GBW10048(芹菜)為作物標(biāo)準(zhǔn)參考材料;GBW08302(西藏土壤)和GBW07426(新疆北部土壤)為土壤標(biāo)準(zhǔn)參考材料,試驗(yàn)精度在10%的可變性內(nèi)。
1.2.4 計(jì)算
按照GB 5009.268-2016《食品中多元素的測定》[8]計(jì)算樣品中重金屬Cr、Ni、Cu、As與Cd含量。
式中,X:待測樣品中元素含量(mg/kg);ρ:樣品溶液中元素質(zhì)量濃度(μg/L);ρ0:空白樣品中元素質(zhì)量濃度(μg/L);V:樣品消化液定容體積(mL);f:稀釋倍數(shù) 50;m:樣品稱樣量(g);1 000:換算系數(shù)。
1.2.5 富集系數(shù)
參照祁浩[9]計(jì)算重金屬富集富集系數(shù)。
BCFstem=Cstem/Csoil.
BCFleaf=Cleaf/Csoil.
BCFroot=Croot/Csoil.
BCFfruit=Cfruit/Csoil.(2)
式中,Cstem表示甜瓜中莖的重金屬含量;Cleaf表示甜瓜中葉的重金屬含量;Croot表示甜瓜中根的重金屬含量;Cfruit表示甜瓜中果實(shí)的重金屬含量;Csoil表示土壤中的重金屬含量(mg/kg)。
1.2.6 富集系數(shù)百分比
參照陳同斌等[10]計(jì)算重金屬富集富集系數(shù)根、莖、葉、果實(shí)分別百分比。
式中,BCFstem表示甜瓜中莖的富集系數(shù);BCFleaf表示甜瓜中葉的富集系數(shù);BCFroot表示甜瓜中根的富集系數(shù);BCFfruit表示甜瓜中果實(shí)的富集系數(shù)。
1.3 數(shù)據(jù)處理
利用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理與計(jì)算,采用Origin 2018進(jìn)行作圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同生長階段甜瓜植株各部位Cr富集系數(shù)百分比的變化
研究表明,各部位中,不同時(shí)期果實(shí)富集系數(shù)所占百分比最低,為2%~10%;其次為莖、葉和根,富集系數(shù)所占百分比分別是6%~24%、23%~52%、26%~66%,不同時(shí)期各部位Cr的富集能力由高至低依次為根gt;葉gt;莖gt;果實(shí)。
6月26日~7月25日,甜瓜植株各部位Cr富集系數(shù)所占比例的變化可以分為三類。第一類是果實(shí)和葉,隨著時(shí)間延長,Cr富集系數(shù)所占百分比整體呈先升高后降低的趨勢,果實(shí)和葉極大值出現(xiàn)時(shí)間為7月8日;第二類是莖,Cr富集系數(shù)所占百分比的變化趨勢為先升高后降低再波動(dòng)升高,極大值出現(xiàn)時(shí)間早于果實(shí),為7月4日;第三類是根,Cr富集系數(shù)所占百分比的變化整體呈先降低后升高的趨勢。7月4日和8日Cr
富集系數(shù)所占百分比低于其他時(shí)間段。果實(shí)中Cr富集分配增加時(shí)的表觀現(xiàn)象為根中Cr富集系數(shù)所占比例降低,莖中Cr富集系數(shù)所占比例提前激增,葉中Cr富集系數(shù)所占比例增加。圖1
2.2 不同生長階段甜瓜植株各部位Ni富集系數(shù)百分比的變化
研究表明,甜瓜植株各部位中,不同時(shí)期,果實(shí)Ni富集系數(shù)所占百分比為3%~10%,莖Ni富集系數(shù)所占百分比為7%~21%,葉Ni富集系數(shù)所占百分比為22%~51%,根Ni富集系數(shù)所占百分比為31%~67%,不同時(shí)期甜瓜植株各部位對(duì)Ni的富集能力表現(xiàn)為根gt;葉gt;莖gt;果實(shí)。
整個(gè)時(shí)間段內(nèi),甜瓜植株各部位Ni富集系數(shù)所占百分比變化整體可以分為兩類,第一類是果實(shí)、葉、莖,其特征為6月26日~7月8日Ni富集系數(shù)所占百分比整體高于7月12~25日;第二類是根,其特征與果實(shí)、葉、莖相反。果實(shí)中Ni富集分配增大時(shí),根、葉與莖中Ni富集系數(shù)所占比例分別有降低和升高的趨勢。圖2
2.3 不同生長階段甜瓜植株各部位Cu富集系數(shù)百分比的變化
研究表明,甜瓜植株和部位中,不同時(shí)期,果實(shí)富集系數(shù)所占比例為2%~8%,莖富集系數(shù)所占比例為7%~18%,根富集系數(shù)所占比例12%~34%,葉富集系數(shù)所占比例為45%~79%,不同時(shí)期各部位Cu富集系數(shù)所占比由高到低為葉gt;根gt;莖gt;果實(shí)。
整個(gè)時(shí)間段內(nèi),甜瓜植株各部位Ni的富集系數(shù)所占比例變化可以分為兩類,第一類為果實(shí)、莖和根,該類的特點(diǎn)為6月26日、7月1日Cu富集系數(shù)所占比例高于7月4~16日;第二類為葉,6月26日、7月1日Cu富集系數(shù)所占比例低于7月4~16日。果實(shí)中Cu富集分配增大時(shí),莖和根、葉Cu富集系數(shù)所占比例分別有升高和降低的趨勢。圖3
2.4 不同生長階段甜瓜植株各部位As富集系數(shù)百分比變化
研究表明,不同時(shí)期,果實(shí)富集系數(shù)所占百分比為1%~7%,葉富集系數(shù)所占百分比25%~55%,莖富集系數(shù)所占百分比6%~14%,根富集系數(shù)所占百分比31%~66%,各部位As的富集能力表現(xiàn)為根gt;葉gt;莖gt;果實(shí)。
6月26日~7月25日,果實(shí)As富集系數(shù)所占比例變化趨勢為先波動(dòng)上升隨后降低的趨勢,極大值出現(xiàn)時(shí)間為7月8日;葉As富集系數(shù)所占比例變化與果實(shí)趨同,極大值出現(xiàn)時(shí)間也為7月8日;莖與果實(shí)中As富集系數(shù)所占比例變化趨同性不強(qiáng);根As富集系數(shù)所占比例變化與果實(shí)整體相反,極小值出現(xiàn)時(shí)間為7月8日。果實(shí)中As富集分配增加時(shí),葉和根中As富集系數(shù)所占比例分別有增加和降低的趨勢。圖4
2.5 不同生長階段甜瓜植株各部位Cd富集系數(shù)百分比的變化
研究表明,6月26日~7月16日,果實(shí)富集系數(shù)所占百分比為2%~14%,葉富集系數(shù)所占百分比為41%~46%,莖富集系數(shù)所占百分比為12%~26%,根富集系數(shù)所占百分比為28%~39%,在該時(shí)期各部位Cd的富集能力表現(xiàn)為葉gt;根gt;莖gt;果實(shí);7月16~25日,果實(shí)富集系數(shù)所占百分比為4%~4%,葉富集系數(shù)所占百分比為21%~24%,莖富集系數(shù)所占百分比為24%~27%,根富集系數(shù)所占百分比為47%~49%,此時(shí)期各部位對(duì)Cd的富集能力表現(xiàn)為根gt;莖gt;葉gt;果實(shí)。
6月26日~7月25日間,果實(shí)Cd富集系數(shù)所占比例呈先升高后降低趨勢,極大值出現(xiàn)在7月8日,但葉和莖Cd富集系數(shù)所占比例低于相鄰時(shí)間段;根與果實(shí)Cd富集系數(shù)所占比例變化趨同性不強(qiáng)。果實(shí) Cd富集分配增加時(shí),葉和莖Cd富集系數(shù)所占比例有降低趨勢。圖5
3 討 論
3.1
6月26日~7月25日,甜瓜植株Cr、Ni、As的富集分配呈根gt;葉gt;莖gt;果實(shí)的趨勢,其中As的富集分配與王曉飛等[11]關(guān)于甘蔗中As分布的研究結(jié)果一致; 7月16~25日Cd在甜瓜植株的富集分配與水稻研究結(jié)果接近,由高至低為根、莖葉、果實(shí)或籽粒。作物中Cu富集分配報(bào)道存在分歧,如胡美鈴等[12]研究發(fā)現(xiàn),小麥各部位Cu富集能力為根gt;莖葉/籽實(shí);而孫芳立等[13]則認(rèn)為Cu在小麥中分布為根>穗>莖葉,試驗(yàn)研究結(jié)果顯示,甜瓜植株各部位對(duì)Cu富集能力表現(xiàn)為葉gt;根gt;莖gt;果實(shí),與上述文獻(xiàn)報(bào)道也存在差異,主要是根部重金屬富集水平[14],重金屬進(jìn)入根皮層細(xì)胞后,與根內(nèi)蛋白質(zhì)、多糖類、核糖類、核酸等化合成為穩(wěn)定的大分子絡(luò)合物或不溶性有機(jī)大分子而沉積下來[15]。
3.2
葉、根、莖Cu富集能力大于果實(shí)的原因,隨著植物根部吸收Cu總量的增加,細(xì)胞壁上Cu的濃度也隨之增加,Cu大部分以離子形式存在或絡(luò)合到細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)如木質(zhì)素、纖維素上[16],Cu被局限于細(xì)胞壁,從而避免了植株Cu上部運(yùn)輸[17];同時(shí),植株根細(xì)胞功能性的原生質(zhì)膜和胞間連絲基因產(chǎn)生抗性機(jī)制,也可降低Cu的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移[18-20];另外,作物莖葉中的Cu可通過韌皮部再一次循環(huán)至根部[21]。
3.3
試驗(yàn)中6月26日~7月25日,果實(shí)中Cr、As、Cd富集系數(shù)所占比例整體呈先升高后降低的趨勢,極大值出現(xiàn)時(shí)間均為7月8日;而果實(shí)中Ni和Cu富集系數(shù)所占比例整體呈降低趨勢。重金屬在作物中的累積,并不隨成熟期的臨近而持續(xù)增加,如不同階段玉米植株Se富集的特征為乳熟期>成熟期>苗期等[22]。作物成熟期重金屬富集水平低于其他時(shí)期,主要是進(jìn)入成熟期后,作物生長逐漸衰弱,導(dǎo)致重金屬富集能力降低[23];作物植株重金屬含量隨生育期的延長而降低,是由于干物質(zhì)量增加而引起的稀釋效應(yīng)[24]等,成熟期甜瓜5種重金屬富集能力低于其他時(shí)期的具體原因,還需進(jìn)一步深入研究探討。
4 結(jié) 論
4.1
6月26日~7月25日,Cr、Ni、As的富集分配呈根gt;葉gt;莖gt;果實(shí)的趨勢;6月26日~7月25日Cu與6月26日~7月16日Cd的富集分配為葉gt;根gt;莖gt;果實(shí); 7月16~25日,Cd在甜瓜植株的富集分配是根gt;莖gt;葉gt;果實(shí),5種重金屬在甜瓜植株中的富集分配因重金屬種類和生長階段的不同而有所差異。
4.2
6月26日~7月25日,果實(shí)中Cr、As、Cd富集系數(shù)所占比例整體分別由5%上升至10%再下降到6%、2%上升到7%再下降至1%、4%上升到14%再下降至4%,整體呈先升高后降低的趨勢,極大值出現(xiàn)時(shí)間均為7月8日;而果實(shí)中Ni和Cu富集系數(shù)所占比例分別由7%~10%下降至3%和7%~8%下降到2%~3%,整體呈降低趨勢。不同生長階段,重金屬在甜瓜果實(shí)中的富集分配變化因重金屬種類的不同而有所差異。
4.3
當(dāng)果實(shí)Cr、As、Cu、Ni富集分配增加時(shí),根中4種重金屬的富集分配有降低趨勢,而根中Cd的富集分配則無顯著的協(xié)同或補(bǔ)償趨勢;當(dāng)果實(shí)5種重金屬富集分配增加時(shí),葉中Cr、As、Ni的富集分配有升高趨勢,而葉中Cd和Cu的富集分配則有降低趨勢。與果實(shí)中重金屬富集分配相關(guān)的植株部位因重金屬種類的不同而不同。
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