镉胁迫下硫元素与肥料交互作用对镉在茭白各器官中积累的影响

黄凯丰，江解增

（1.贵州师范大学生命科学学院植物遗传育种研究所，贵州贵阳，550001；2.扬州大学水生蔬菜研究室）

镉胁迫下硫元素与肥料交互作用对镉在茭白各器官中积累的影响

黄凯丰1，2，江解增2

（1.贵州师范大学生命科学学院植物遗传育种研究所，贵州贵阳，550001；2.扬州大学水生蔬菜研究室）

以茭白（Zizania latifoliaTurcz.）的单季茭品种蒋墅茭和双季茭品种葑红早为材料，以土壤为栽培介质，研究了100 mg/L Cd2+胁迫下，不同浓度硫处理和不同种类肥料交互作用对茭白各器官中Cd2+积累的影响。研究结果表明，Cd2+在茭白不同器官的积累表现为根＞短缩茎＞叶＞肉质茎；不同肥料间，有机肥处理下茭白各器官中Cd2+的积累量同比均显著低于无机肥处理；品种间存在明显差异，葑红早各器官中Cd2+的积累量高于蒋墅茭；硫元素能促进茭白根系中的Cd2+向地上部转移。

茭白；Cd2+；硫；积累

随着工业的发展和人口数量的增加，环境问题越来越严重，其中重金属最具为害性，严重威胁人类健康[1，2]。 重金属进入人体主要是通过食物链[3，4]，因此重金属在植物中的积累越来越受到关注[5]。Mclauglin等[6]报道，高硫肥料（30～120 mm/L）施入土壤会增加甜菜地上部镉的累积，说明如果提高植物体内或植物生长环境中硫的含量，就有可能促进植物根系中的镉向地上部转移，增强植物根系对镉胁迫的抗性，但同时可能会造成植物地上部分食用器官镉含量超标，影响人类健康。目前硫对镉在植物体内的分布和积累研究较少。茭白（Zizania latifoliaTurcz.）是原产我国的特色水生蔬菜[7]，多生长在湖泊沼泽等多湿环境，受随水系扩散的重金属污染的可能性要大于其他农作物。因此，本试验以江苏省特色水生蔬菜茭白为材料，研究了Cd2+胁迫下，不同肥料处理和不同浓度的硫处理交互作用对Cd2+在茭白器官中积累的影响，旨在阐述硫在Cd2+对茭白胁迫伤害中的缓解作用，同时也为茭白无公害生产、生态和环境保护提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试重金属离子：Cd2+（CdCl2·2.5H2O，分析纯）；供试肥料：有机肥（菜籽饼）、无机肥（三元复合肥）；供试硫元素：Na2SO4，分析纯；供试茭白品种：单季茭品种蒋墅茭、双季茭品种葑红早。

1.2 种植管理

试验在扬州大学水生蔬菜试验水池中进行。2007年4月24日，将取自扬州大学水生蔬菜试验田的土壤（Cd2+含量0.16 mg/kg，pH值 7.54）按20 cm的厚度，铺设到每个水泥池中，每个水池长1.5 m，宽1 m，高0.5 m。有机肥处理的水池施入菜籽饼100 kg/667 m2作基肥，无机肥处理的水池施入与菜籽饼N，P，K含量相当的三元复合肥50 kg/667 m2作基肥。水池中灌水至30 cm，并在试验过程中通过不断灌自来水保持该水位。5月13日，选择大田中上年种植的、具有典型种性的蒋墅茭和葑红早茭墩，每墩带有3～5支新生分蘖并有少量老墩，分行种植于各池中，株行距为30 cm×35 cm，每个品种各6墩，品种间用滤网分隔。

待茭白植株返青成活、长出新叶后，于5月25日，按土壤和水的总体积为准设置重金属浓度，向池中均匀投放高浓度的100 mg/L Cd2+溶液，同时，分别按0，2，6，12 mmol/L的浓度均匀投放高浓度Na2SO4母液并搅拌均匀，设空白对照（CK），3次重复。在茭白返青期、分蘖期、孕茭期，分别分批施入15 kg/667m2三元复合肥和30 kg/667m2菜籽饼于无机肥和有机肥处理的水池中。管理过程中所有枯叶均混入水池中沤烂，以避免重金属的损失。水池上方2.5～3.5 m处覆盖塑料薄膜，以防止降雨。

1.3 试验方法

2007年秋季采收盛期（蒋墅茭为9月30日，葑红早为10月16日），从各处理中随机选取正常露白的肉质茎，并采收对应的根系、短缩茎、倒三片（以顶叶起）功能叶。将上述样品先用自来水冲洗干净，再用蒸馏水反复冲洗，最后用去离子水反复冲洗，洗净后用吸水纸吸干，分别测定其鲜质量，置105℃烘箱中杀青30 min，后在70℃烘干至恒重，称取干质量，计算干物质量，粉碎机粉碎后过100目（孔径 0.147 mm）筛，于干燥器中保存，测定前在75℃下烘至恒重。

重金属含量的测定：称取试样2.00 g经HNO3加H2O（2∶3，体积比）硝化后，参照GB18406.1-2001，用美国Thermo Elemental公司生产的SOLAAR S4型原子吸收光谱仪测定，折算为鲜样中的含量。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫下硫元素与肥料交互作用对Cd2+在茭白各器官中积累的影响

由表1可以看出，随硫处理浓度的增加，两茭白品种根中Cd2+的积累量呈明显下降的变化趋势，而短缩茎、叶、肉质茎中Cd2+的积累量逐渐上升，表明硫的使用能促进茭白地下部积累的Cd2+向地上部转移。Cd2+在茭白不同器官中的积累表现为根＞短缩茎＞叶＞肉质茎，但随硫处理浓度的增加，其差异程度逐步减小。不同肥料处理间，有机肥处理的茭白品种各器官中Cd2+的积累量显著低于无机肥处理。品种间则表现为葑红早各器官中Cd2+的积累量高于蒋墅茭。

2.2 不同处理下茭白根系对Cd2+的富集系数比较

富集系数（吸收系数，BCF）是衡量植物对重金属积累能力大小的一个重要指标，它是指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值，富集系数越大，说明富集能力越强[8]。由表2可以看出，随着硫处理浓度的增加，两品种茭白根系对Cd2+的富集系数呈明显下降的变化趋势，说明硫的施用能有效降低茭白根系对Cd2+的富集。无机肥处理时，茭白根系对Cd2+的富集系数显著大于有机肥处理，说明有机肥处理能有效降低茭白根系对Cd2+的富集。相同条件下不同品种间比较，葑红早对Cd2+的富集系数整体高于蒋墅茭。

表2 茭白根系对Cd2+的富集系数

3 小结与讨论

硫作为植物生长的必需营养元素，在较大的浓度范围内不会对植物生长有明显的抑制作用，Mclauglin等[6]研究发现，即使外界供硫浓度达到8～ 48 mmol/L时，仍不会显著影响甜菜的生长。在本试验中，供硫浓度2～12 mmol/L，虽然已经明显超过植物生长所需的硫浓度，但并未影响茭白植株生长，与前人研究一致。

表1 镉胁迫下硫元素与肥料处理对Cd2+在茭白各器官中积累的影响

Nocito等[9]发现在田间施入高量硫肥可导致镉在甜菜中的累积，但衣纯真等[10]却认为硫肥施用与水稻镉累积没有明显的关系。在本试验中，外源供硫水平的提高会降低镉在茭白根部的积累，增加镉在地上部等器官的积累，这可能是由于在镉胁迫环境下，外源硫含量的提高为促进植物体内GSH和PCs等物质的合成提供了丰富的硫源，增加了这些物质与镉形成的络合物数量，而镉在植物体内的转运是以PC-Cd络合物或Cd-GSHx络合物的形式运输[11]，所以导致根系中的镉向地上部运输，使得茭白地上部各器官中Cd2+的积累量增加，关于硫对镉向地上部运输的促进作用机制有待进一步研究。同时，由于含硫化肥的使用或酸雨的影响等会提高农田土壤中硫的含量，从而增加镉在植物食用器官中的积累，为害人类健康，对此应予以关注和研究。

[1]Swiergos-Kowalewska A,Bednarska A,Kafel A.Glutathione levels and enzyme activity in the tissues of bank vole Clethrionomys glareolus chronically exposed to a mixture of metal contaminants[J].Chemosphere,2006,65(6):963-974.

[2]蒋家焕，卢礼斌.重金属污染对水稻生长发育和稻米品质影响研究现状[J].福建稻麦科技，2002，20（4）：35-37.

[3]Rodríguez Martín J A,Arias M L,Grau Corbí J M.Heavy metals contents in agricultural topsoils in the Ebro basin (Spain).Application of the multivariate geoestatistical methods to study spatial variations[J].Environmental Pollution,2006, 3(144):1001-1012.

[4]吴启堂，陈卢，王广寿.水稻不同品种对Cd吸收累积的差异和机理研究[J].生态学报，1999，1（1）：104-107.

[5]江行玉，赵可夫.铅污染下芦苇体内铅的分布和铅胁迫相关蛋白[J].植物生理与分子生物学学报，2002，28（3）：169-174.

[6]Mclauglin M J,Lambrechts R M,Smolders E,et al.Effects of sulfate on cadmium uptake by Swiss chare:II.Effects due to sulfate addition to soil[J].Plant Soil,1998,202(2):217-222.

[7]赵有为.中国水生蔬菜[M].北京：中国农业出版社，1999.

[8]陈燕，刘晚苟，郑小林，等.玉米植株对重金属的富集与分布[J].玉米科学，2006，14（6）：93-95.

[9]Nocito F F,Pirovano L,Cocucci M,et al.Cadmium induced sulfate uptake in maize roots[J].Plant Physiol, 2002,129(4):1 872-1 879.

[10]衣纯真，傅桂平，张福锁.不同钾肥对水稻镉吸收和运移的影响[J].中国农业大学学报，1996，1（3）：65-70

[11]Guo Y,Marschner H.Uptake,distribution and binding of cadmium and nickel in different plant species[J].Plant Nutr, 1995,18:2 691-2 706.

Effects of Sulfate and Cadmium Interaction on Cadmium Accumulation of Zizania latifolia

HUANG Kaifeng,JIANG Jiezeng
(1.Institute of Plant Genetics and Breeding,School of Life Sciences,Guizhou Normal University,Guizhou 550001; 2.Institute of Aquatic Vegetable Research,Yangzhou University)

Change of the Cd2+accumulation in leaves,culms,roots and galls ofZizania latifoliawere studied on singleharvested cultivar Jiangshujiao and double-harvested cultivar Fenghongzao,which cultured with organic fertilizer and organic fertilizer in soil with different concentrations of sulfate and Cd2+100 mg·L-1interaction treatment.The results showed that,the Cd2+accumulation in different tissues ofZ.latifoliawere in the order of root>culm>leaf>gall.Accumulation of Cd2+in different tissues ofZ.latifoliawas lower when treated with organic fertilizer than with inorganic fertilizer. The Cd2+accumulation in Fenghongzao tissues was higher than those in Jiangshujiao.The Cd2+accumulation was transported from root to aboveground,treated with sulfate.

Zizania latifolia;Cd2+;Sulfate;Accumulation

10.3865/j.issn.1001-3547.2011.02.011

国土资源部与江苏省政府合作项目[（2003）019 -01]，江苏省农业三项工程项目[sx（2005）089]

黄凯丰（1979-），男，副教授，博士，研究方向为污染生态，E-mail：hkf1979@163.com

江解增（1964-），男，通信作者，教授，博士生导师，研究方向为蔬菜栽培，E-mail：jzjiang@yzu.edu.cn

2010-11-11