不同濃度鎘污染土壤對獼猴桃的影響

鄭昌銳 唐運來 廖慧蘋 羅中魏 方莉 徐興柱

摘要：利用盆栽模擬試驗，設置3種濃度鎘（Cd）污染土壤處理和空白對照，探究不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃（Actinidia chinensis Planch.）生長的影響以及Cd在獼猴桃中的富集和轉移規(guī)律。結果表明，在低濃度Cd污染土壤中，獼猴桃的鮮重、根莖部直徑、根長、葉面積均無顯著影響，在中高濃度Cd污染土壤中，獼猴桃的生長發(fā)育被抑制，鮮重、根莖部直徑、根長、葉面積均下降，且濃度越高生長受到的抑制越嚴重；隨著土壤Cd濃度的增加，獼猴桃葉的吸收能力增加而富集能力不變、獼猴桃莖吸收能力增加而富集能力先減小后增加、獼猴桃根吸收能力增強而富集能力先下降后趨于穩(wěn)定；隨著土壤Cd濃度的增加，獼猴桃的轉移系數先下降后趨于穩(wěn)定，轉移系數均小于1，重金屬Cd主要富集在獼猴桃根部；在不同濃度Cd污染條件下，獼猴桃根、莖、葉的富集系數均表現(xiàn)為根>莖>葉。

關鍵詞：獼猴桃（Actinidia chinensis Planch.）； Cd； 富集系數； 轉移系數

中圖分類號：S663.4? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）04-0090-06

Effects of different concentrations of cadmium contaminated soil on kiwifruit

Abstract： The effects of cadmium（Cd） contaminated soil with different concentrations on the growth of kiwifruit（Actinidia chinensis Planch.） and the accumulation and transfer rule of Cd in kiwifruit were studied by pot simulation experiment. The results showed that the fresh weight， rhizomes diameter， root length and leaf area of kiwifruit were all not significantly affected in the soil polluted by low concentration Cd. In the soil polluted by medium and high concentration Cd， the growth and development of kiwifruit were inhibited， and the fresh weight， rhizomes diameter， root length and leaf area were all decreased， and the growth was more severely inhibited with the higher concentration Cd； with the increase of soil Cd concentration， the absorption capacity of kiwifruit leaves increased but the enrichment capacity remained unchanged， the absorption capacity of kiwifruit stems increased but the enrichment capacity first decreased and then increased， and the absorption capacity of kiwifruit roots increased but the enrichment capacity first decreased and then tended to be stable； with the increase of soil Cd concentration， the transfer coefficients of kiwifruit first decreased and then tended to be stable， and the transfer coefficients were all less than 1. The heavy metal Cd was mainly enriched in the roots of kiwifruit. Under the conditions of different concentrations of Cd pollution， the enrichment coefficients of the roots， stems and leaves of kiwifruit were root > stem > leaf.

Key words： kiwifruit（Actinidia chinensis Planch.）； cadmium（Cd）； enrichment coefficient； transfer coefficient

土壤中重金屬污染不僅會降低作物的產量與品質、影響作物生長與發(fā)育［1-3］，而且惡化環(huán)境，并通過食物鏈危及動物和人類的健康及生命安全［4，5］。有統(tǒng)計表明，中國有接近20%的土壤遭受鉛、鎘、鉻等重金屬的污染，其中鎘污染最嚴重達7%［6］。如何在重金屬污染土壤上生產出符合食品安全標準的農產品，一直是國內外科學家和廣大民眾高度關注的前沿熱點問題。關于土壤重金屬污染的來源［7］、重金屬污染的生物學效應［8，9］、重金屬在植物體內的遷移和在食物鏈的轉移［10，11］以及各種土壤重金屬污染的治理策略和技術［12，13］等已得到國內外同行的廣泛研究和報道。但至今關于重金屬在獼猴桃中的富集與遷移規(guī)律的研究較為鮮見，且結論不一致。黨華美［14］發(fā)現(xiàn)獼猴桃不同部位對重金屬的富集能力具有明顯差異，重金屬富集能力表現(xiàn)為莖>葉>果；李曉彤等［15］系統(tǒng)研究了陜西周至縣和眉縣獼猴桃果園的獼猴桃果樹與獼猴桃果實中Cd、Cr、Hg、Pb、As、Cu等重金屬的含量，發(fā)現(xiàn)獼猴桃果樹中Cr、Pb、As含量表現(xiàn)為根>莖>葉，且這3個重金屬地下部分的總含量大于地上部分，Cd含量表現(xiàn)為根>莖>葉，但地下部分總含量小于地上部分；Cu含量表現(xiàn)為莖>葉>根；Hg含量表現(xiàn)為葉>根>莖。因此，重金屬在獼猴桃中的富集情況及其對獼猴桃生長的影響研究具有重要的科學意義和實踐應用價值。

四川省是獼猴桃主要種植區(qū)［16-18］，其中龍門山脈沿線的什邡、綿竹等地是獼猴桃適宜種植區(qū)及主產區(qū)之一［19］，當地的獼猴桃產業(yè)是“5·12”地震災后重建重點產業(yè)，是四川省德陽市國家農業(yè)科技園區(qū)核心支柱產業(yè)，當地已培育出紅什1號、金什1號［20］、紅什2號［21］、寶貝星［22］等多個新品種，優(yōu)勢突出。但由于德陽市重工業(yè)發(fā)達，排污一直存在問題［23，24］，現(xiàn)有調查資料表明，該地區(qū)土壤的鉛、鎘、鉻等有害重金屬的含量明顯超標［25］。因此，本研究通過模擬試驗系統(tǒng)研究不同Cd濃度污染土壤對獼猴桃的生長影響以及Cd在獼猴桃體內的富集和轉移規(guī)律，便于后期探討影響重金屬Cd從土壤向獼猴桃根莖葉及果實轉移的因素和調控措施，對保障在重金屬污染土壤上生產出安全健康的獼猴桃具有深遠的意義。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試植物 供試獼猴桃幼苗為德陽市當地野生美味獼猴桃，具有抗病性好、長勢旺、根系發(fā)達等優(yōu)點，是當地主栽品種的砧木，由四川華勝農業(yè)股份有限公司提供。

1.1.2 供試土壤 采集四川華勝農業(yè)股份有限公司獼猴桃基地的土壤，風干去雜質，搗碎后過篩備用。供試土壤基本理化性質如表1所示。

1.1.3 外源重金屬試劑 試驗所選用的外源重金屬試劑為氯化鎘（CdCl2），相對分子質量為183.317，無色單斜晶體。

1.2 試驗設計

1.2.1 Cd污染土壤的配制 采取向供試土壤添加外源氯化鎘（CdCl2）來模擬不同濃度Cd污染土壤。模擬污染土壤采用遞進拌制法，用專業(yè)攪拌器將重金屬和供試土壤充分攪拌均勻。根據試驗要求結合當地土壤Cd含量，每組設置3個不同濃度Cd污染土壤，分別為1、5、10 mg/kg，分別對應低、中、高濃度污染，對照的空白試驗不加外源氯化鎘，待充分攪拌均勻后使供試土壤中的含水量為田間含水量的60%左右，靜置1個月備用。每盆定量稱取5.0 kg土壤裝至試驗花盆中（規(guī)格：直徑25 cm、高30 cm，底部有孔帶托盤），此工作于2019年11月上旬完成。

1.2.2 苗木栽培 于2019年12月上旬選取長勢一致、根莖部粗細一致、根系長度一致的正常健康獼猴桃一年生幼苗，經過一致修剪后（地上部分留2個芽，地下根系剪掉多余根系，留根長度為5 cm），定植到處理組中，每個處理重復5次，每盆定植1株，共20盆。定植后置于溫室大棚中，定期澆水調節(jié)土壤含水量至田間含水量的60%～70%，注意將花盆底盤中的瀝出物全部倒回到花盆中，2020年3月中旬對盆栽獼猴桃進行抹芽，用牽引繩進行牽引，5月對盆栽獼猴桃進行摘心，植株統(tǒng)一高度為60 cm，水肥管理正常進行，2020年10月對獼猴桃進行取樣，并測定相關指標。

1.3 取樣和測定方法

1.3.1 盆栽獼猴桃生長指標測定 2020年10月下旬測量盆栽獼猴桃根莖粗度（離地面10 cm處）后，將獼猴桃完整取樣，測量獼猴桃根系長度和葉片的葉面積，接著用清潔熟料剪刀分離獼猴桃根、莖、葉，用去離子水清洗干凈后自然晾干，稱取獼猴桃全部根系、莖干、葉片鮮重，隨后置于105 ℃恒溫殺青20 min，于80 ℃烘至恒重，用不銹鋼粉碎機粉碎，取出保存、貼上標簽備用。

1.3.2 盆栽獼猴桃根、莖、葉中重金屬Cd的測定 首先利用粉碎機將烘干后的獼猴桃根、莖、葉分別粉碎，用分析天平稱取0.300 g樣品，置于微波消解罐中，依次加5 mL硝酸（HNO3）以及2 mL氫氟酸（HF）后進行微波消解，待消解完成（以消解液為無殘渣溶液為宜）后，接著將消解液用3 mL硝酸（HNO3）轉移到聚四氟乙烯坩堝中，并加入1 mL高氯酸（HClO4）置于電熱板上加熱至冒濃白煙結束為止，消解完成后用0.22 μm的濾膜對消解液進行過濾，過濾完后轉移定容至10 mL，最后用原子吸收光譜儀測定重金屬Cd含量。

1.3.3 計算方法與數據處理 利用植物地上部分、地下部分及土壤全Cd含量（mg/kg）計算富集系數（Bio-accumulatiao factor，BCF）和轉移系數（Trans-location factor，TF）。利用Microsoft Excel 2010軟件進行平行樣平均值和標準差的計算，同時利用DPS 15.1軟件進行方差分析和LSD多重比較，檢驗處理間的差異程度。采用Origin 2021軟件制圖。

富集系數=植物地上部分Cd含量或地下部分Cd含量/土壤全Cd含量 ? （1）

轉移系數=植物地上部分Cd含量/植物地下部分Cd含量? ? （2）

2 結果與分析

2.1 不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃生長的影響

2.1.1 不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃根、莖、葉鮮重的影響 獼猴桃根、莖、葉的鮮重可以反映獼猴桃的生長情況，盆栽試驗中獼猴桃的根、莖、葉鮮重能反映重金屬Cd對獼猴桃植株生長發(fā)育的影響。

由圖1可以看出，在不同濃度Cd污染環(huán)境下，盆栽獼猴桃根、莖、葉的鮮重表現(xiàn)為對照>1 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理>10 mg/kg Cd處理，但對照與1 mg/kg Cd處理之間無顯著差異，同一部位其他各處理間均呈顯著差異，說明土壤中重金屬Cd在小于或等于1 mg/kg濃度下，對獼猴桃根、莖和葉的鮮重無顯著影響，當土壤Cd在中高濃度下，隨著土壤Cd濃度的增加，獼猴桃根、莖、葉的鮮重減??；在同一濃度下，獼猴桃根、莖、葉的鮮重不同，對照和1 mg/kg Cd處理的葉鮮重較大，莖鮮重最??；在5 mg/kg Cd處理中，鮮重表現(xiàn)為根>莖>葉，但三者之間差異不顯著；在10 mg/kg Cd處理中，鮮重表現(xiàn)為根>莖>葉，三者之間差異顯著。這說明土壤Cd在小于或等于1 mg/kg濃度環(huán)境下，獼猴桃葉片鮮重最高，當隨著土壤Cd濃度繼續(xù)增加，獼猴桃葉片鮮重急劇下降，葉鮮重最小。

2.1.2 不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃根系長度、根莖部直徑、葉面積的影響 獼猴桃根系長度、葉面積、根莖部直徑也是獼猴桃生長的重要指標，一般來說，獼猴桃生長越健康，根系越發(fā)達，葉面積越大，根莖部直徑越長。由圖2可知，在不同濃度Cd污染環(huán)境下，盆栽獼猴桃根系長度表現(xiàn)為對照>1 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理>10 mg/kg Cd處理，對照與? ? 1 mg/kg Cd處理之間無顯著差異，5 mg/kg Cd處理與10 mg/kg Cd處理之間無顯著差異，其他Cd濃度處理之間呈顯著差異，在小于或等于1 mg/kg Cd污染環(huán)境下，對獼猴桃的根系長度無顯著影響，在Cd污染程度大于或等于5 mg/kg時可顯著減少獼猴桃根系長度；盆栽獼猴桃根莖部直徑表現(xiàn)為對照>1 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理>10 mg/kg Cd處理，對照與1 mg/kg Cd處理、5 mg/kg Cd處理與10 mg/kg Cd處理之間無顯著差異，其他Cd濃度處理之間呈顯著差異，在相對輕度（低濃度）Cd污染環(huán)境下不會對獼猴桃根莖部直徑產生顯著影響，但隨著土壤Cd濃度繼續(xù)增加，獼猴桃根莖部直徑會顯著減??；盆栽獼猴桃葉面積表現(xiàn)為對照>1 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理>10 mg/kg Cd處理，對照與1 mg/kg Cd處理之間無顯著差異，其他Cd濃度處理之間呈顯著差異，在小于或等于1 mg/kg Cd污染環(huán)境不會對獼猴桃葉面積產生顯著影響，但隨著土壤Cd濃度繼續(xù)增加，獼猴桃葉面積會顯著減小。

2.2 不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃根、莖、葉中Cd含量的影響

從圖3可以看出，獼猴桃根中Cd含量表現(xiàn)為10 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理>1 mg/kg Cd處理>對照，各處理根中Cd含量之間呈顯著差異，說明在一定范圍內，隨著土壤中重金屬Cd濃度的增加，獼猴桃根系吸收土壤中重金屬Cd的能力增強；獼猴桃葉和莖中Cd含量也表現(xiàn)為10 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理>1 mg/kg Cd處理>對照，10 mg/kg Cd處理的獼猴桃葉和莖中Cd含量分別與5 mg/kg Cd處理、? ?1 mg/kg Cd處理、對照之間呈顯著差異，1 mg/kg Cd處理的獼猴桃葉和莖中Cd含量均與對照之間無顯著差異，說明土壤中Cd濃度小于或等于1 mg/kg時，不影響獼猴桃葉和莖對重金屬Cd的吸收能力，而當土壤Cd濃度高于5 mg/kg時，則會促進獼猴桃葉和莖對重金屬Cd的吸收。各處理獼猴桃根、莖、葉中Cd含量均表現(xiàn)為根>莖>葉，各處理之間均呈顯著差異，但對照的獼猴桃葉和莖中Cd含量差異不顯著，說明在土壤重金屬Cd含量小于1 mg/kg時，獼猴桃根系吸收重金屬Cd的能力最大，莖和葉吸收Cd的能力差異不大，當土壤Cd濃度繼續(xù)增加時，獼猴桃各器官中吸收重金屬Cd的能力表現(xiàn)為根>莖>葉。

2.3 不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃運轉能力及其根、莖、葉富集能力的影響

重金屬進入植物體內后通過各種運輸方式運轉到各個部位，轉移系數是植物地上部分與地下部分的比值，轉移系數大小可表示植物將重金屬運轉至各部位能力的強弱。富集系數是植物地上部分重金屬與土壤重金屬含量的比值，Cd的富集系數反映了植物富集Cd的能力。

由表2可知，各處理中獼猴桃的轉移系數表現(xiàn)為對照>1 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理>10 mg/kg Cd處理，5 mg/kg Cd處理與10 mg/kg Cd處理之間差異不顯著，其他各處理之間差異顯著，說明當土壤Cd濃度小于或等于10 mg/kg條件下隨著土壤Cd濃度的增加，獼猴桃運轉Cd的能力呈下降趨勢，當土壤Cd濃度大于5 mg/kg時，轉移系數趨于穩(wěn)定，各處理轉移系數都小于1，說明獼猴桃富集重金屬主要集中在根部。

由富集系數可知，對獼猴桃根而言，大田獼猴桃根系對Cd的富集系數比對照小，且呈顯著差異，說明盆栽提高了獼猴桃根系富集Cd的能力。從各處理來看，根的富集系數表現(xiàn)為對照>1 mg/kg Cd處理>10 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理，結合顯著性發(fā)現(xiàn)，土壤中Cd濃度相對較低（≤5 mg/kg）時，獼猴桃根對Cd的富集能力呈下降趨勢，隨著土壤中Cd濃度的增加，獼猴桃根系富集能力逐漸趨于穩(wěn)定。對獼猴桃莖而言，大田獼猴桃莖Cd的富集系數小于對照，說明盆栽促進了獼猴桃莖對Cd的富集，提高了對Cd的富集能力。從各處理來看，莖的富集系數表現(xiàn)為對照>1 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理>10 mg/kg Cd處理，5 mg/kg Cd處理與10 mg/kg Cd處理之間差異不顯著，其他各處理之間差異顯著，說明隨著土壤中重金屬Cd濃度的增加，獼猴桃莖對Cd的富集能力先減小后逐漸趨于穩(wěn)定。就獼猴桃葉片而言，大田獼猴桃葉片Cd的富集能力大于對照，但二者之間差異不顯著，說明盆栽不會促進獼猴桃葉片Cd的富集。各處理中葉片的富集系數表現(xiàn)為對照>10 mg/kg Cd處理>1 mg/kg Cd處理>5 mg/kg Cd處理，3個處理之間無顯著差異，說明隨著土壤Cd濃度的增加，獼猴桃葉片對Cd的富集能力不會顯著增加。

由圖4可以看出，對照和1 mg/kg Cd處理中根、莖的富集系數之間呈顯著差異，且富集系數表現(xiàn)為根>莖>葉，說明在土壤中重金屬Cd中低度污染時，獼猴桃各器官富集能力表現(xiàn)為根>莖>葉。5 mg/kg Cd處理和10 mg/kg Cd處理富集系數也表現(xiàn)為根>莖>葉，但莖與葉的富集系數之間差異不顯著，說明在重度（高濃度）Cd污染條件下，獼猴桃各器官中根的富集能力最強，莖和葉的富集能力相差不大。從數值角度來看，各處理根的富集系數均大于1，各處理莖在中低濃度Cd污染條件下富集系數大于1，在重度Cd污染條件下小于1，各處理葉片富集系數都小于1，所以獼猴桃的根系是主要的Cd吸收和富集部位。

3 討論

3.1 重金屬Cd對獼猴桃生長的影響

不同濃度的重金屬會對作物生長產生影響，通過盆栽模擬試驗，本研究發(fā)現(xiàn)，土壤在重金屬Cd中低濃度污染下，對獼猴桃的鮮重、根莖部粗度、根長、葉面積等沒有顯著的抑制作用，當土壤重金屬Cd濃度繼續(xù)增加，達到重度污染時，獼猴桃的這些生長指標下降，且土壤中Cd濃度越高，植株生長受到的抑制越嚴重。這與施志鶴［26］研究不同濃度重金屬對煙草生長的結果相似。

3.2 重金屬Cd對獼猴桃根、莖、葉中Cd含量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)土壤中重金屬Cd濃度相對較低時，不影響獼猴桃葉和莖對重金屬Cd的吸收能力，只有當濃度相對較高時才會促進獼猴桃葉和莖對重金屬Cd的吸收；就獼猴桃根系而言，隨著土壤重金屬Cd濃度的增加，獼猴桃根系吸收土壤中重金屬Cd的能力增強。當土壤重金屬Cd含量較低時，獼猴桃根系吸收重金屬Cd的能力最大，莖和葉吸收Cd的能力差異不大，當土壤Cd濃度增加時，獼猴桃各器官吸收重金屬Cd的能力表現(xiàn)為根>莖>葉，與李曉彤等［15］的研究相似。

3.3 重金屬Cd對獼猴桃轉移系數和富集系數的影響

在低濃度條件下，隨著土壤中重金屬Cd濃度的增加，獼猴桃轉運Cd的能力下降，當處于較高濃度時，轉運系數趨于穩(wěn)定，各處理轉運系數都小于1，說明獼猴桃富集重金屬主要集中在根部。各處理根的富集系數均大于1，莖在中低濃度Cd污染條件下富集系數大于1，在重度Cd污染條件下小于1，各處理葉片富集系數都小于1，富集系數表現(xiàn)為根>莖>葉，所以獼猴桃的根系是Cd主要的吸收、富集部位，其次是莖，最后是葉。隨著土壤中重金屬Cd濃度的增加，獼猴桃根系富集能力先下降再趨于穩(wěn)定，獼猴桃莖先增加后減小再趨于穩(wěn)定，而獼猴桃葉的富集系數一直較為穩(wěn)定。這是因為富集系數等于植物地上各部分重金屬的含量除以地下部分重金屬的含量，隨著重金屬濃度的增加，植物生長發(fā)育受到抑制，植物體內重金屬含量越高，植物受到脅迫越大，甚至會停止生長，體內吸收重金屬能力必然減弱，土壤剩余重金屬濃度越高，反而會導致富集系數減小，這就是植物各部分器官重金屬的含量在增加，富集系數反而下降了的原因。

4 小結

本研究利用盆栽試驗，探究不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃的生長發(fā)育和重金屬Cd在獼猴桃體內的富集和轉移規(guī)律的影響，主要研究結論如下。

1）不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃的生長發(fā)育的影響不同。低濃度Cd污染土壤對獼猴桃的鮮重、根莖部直徑、根長、葉面積均無顯著影響；中高濃度Cd污染條件下，獼猴桃的生長發(fā)育被抑制，鮮重、根莖部直徑、根長、葉面積均下降，且濃度越高生長受到的抑制越嚴重。

2）不同濃度Cd污染土壤對獼猴桃吸收、富集和轉移重金屬Cd的影響不同。隨著土壤中重金屬Cd濃度的增加，獼猴桃葉的吸收能力增加而富集能力不變、獼猴桃莖的吸收能力增加而富集能力先減小后趨于穩(wěn)定、獼猴桃根的吸收能力增強而富集能力先下降后趨于穩(wěn)定；隨著土壤Cd濃度的增加，獼猴桃的轉移系數下降后趨于穩(wěn)定，轉移系數均小于1，獼猴桃重金屬Cd主要富集在獼猴桃根部；在不同濃度下，獼猴桃根莖葉的富集系數均表現(xiàn)為根>莖>葉。

5 展望

本研究通過不同濃度土壤Cd污染揭示重金屬鎘在獼猴桃中的富集與轉移規(guī)律，促進鉛、鉻、汞、銅等其他重金屬在獼猴桃中富集和轉移規(guī)律的研究，再此基礎上促進研究因素對重金屬在獼猴桃體內富集和遷移的影響研究，便于研發(fā)出減少重金屬從土壤向獼猴桃植株轉移及減少重金屬從獼猴桃根、莖、葉向獼猴桃果實轉移的調控技術，研究成果將為在不同重金屬污染土壤上獼猴桃的安全生產技術方案提供理論依據。

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