Pb、Cd单一及复合胁迫在小麦幼苗中的富集特征

摘要：为促进粮食安全生产，以小麦为受试植物，采用盆栽试验研究不同浓度下Pb、Cd单一以及复合作用下在小麦幼苗中的富集特征。结果表明，Pb单一胁迫下，叶片中金属的富集浓度与胁迫浓度成中度负相关，Pb、Cd在根部和叶片中的其他作用情况下，富集浓度与胁迫浓度均成正相关；Pb、Cd在不同形式下，在小麦幼苗中的富集主要集中在根系，即地下部分>地上部分；根部和叶片对金属Pb、Cd主要富集特征均为复合作用>单一作用，金属Pb、Cd复合作用于小麦幼苗时表现为相互促进吸收效应。

关键词：Pb；Cd；复合胁迫；小麦幼苗；富集特征

中图分类号： Q945.78文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0344-03

收稿日期：2014-05-07

基金项目：国家自然科学基金（编号：51374208）。

作者简介：闫磊（1989—），男，江苏徐州人，硕士研究生，现主要从事土壤学和环境毒理学方面的研究工作。

通信作者：肖昕，副教授，主要研究方向为环境化学、环境毒理学。E-mail：passerxx@163.com。随着我国经济的发展、化石燃料及有色金属的开采、工农业产品的大量开发，土壤重金属污染日益严重，进一步加剧了我国土地资源短缺。我国大多数城市郊区土壤也受到了不同程度的重金属污染，许多地方的蔬菜、水果和粮食等食物中Pb、Cd、Cr等重金属含量接近或超过临界值[1]。土壤重金属污染具有长期累积性、隐蔽滞后性及不可逆性等特点，因而备受关注[2]。重金属在土壤中的累积，不仅直接影响土壤物理化学性状、降低土壤中微生物的活性、阻碍养分的运输，还会通过食物链而逐级富集，通过多种途径直接或间接地威胁人类的生命安全和健康[3-4]。

目前关于土壤-植物系统中重金属的研究很多[5-9]，肖昕等研究发现，重金属Cd在小麦中大部分富集在小麦根部，在不同生长时期小麦不同部位中重金属Cd的含量有很大差异[10]；张义贤等采用室内培养法，研究了重金属Cd、Pb及复合污染对大麦幼苗叶片部分生理指标的影响，不同浓度的 Cd+Pb 复合处理对叶细胞膜的损伤均大于单一处理，单一处理中Cd对大麦幼苗的毒性比Pb大，而复合处理（Cd+Pb）对大麦幼苗的损伤和毒害作用比单一处理更为严重[11]。但关于重金属复合作用下室外盆栽试验研究尚少。目前，复合污染已成为人们研究的热点。因此，研究重金属Pb与Cd复合作用在小麦幼苗中的富集特征是有实际意义的。

1材料与方法

1.1供试材料

试剂Pb（NO3）2、CdCl2·2.5H2O，为分析纯。供试作物为徐州地区广泛种植的烟农19小麦种子，购于徐州市种子公司。供试土壤取自中国矿业大学南湖校区。供试土壤理化性质为总氮9.26 g/kg、总磷9.95 g/kg、总钾17.00 g/kg、总铜49.75 mg/kg、总镉4.275 mg/kg、总铅72.575 mg/kg、总锌212.675 mg/kg。

1.2试验方法

配制含250 g/L Pb2+和25 g/L Cd2+储备液各2 L，采用逐层喷洒、翻土混合的方式加入铅、镉。为研究中低浓度重金属对小麦幼苗的毒理效应，考虑到徐州市土壤重金属污染现实状况，确定Pb2+不高于500 mg/kg，而Cd2+含量则在0～50 mg/kg之间，每个试验处理设3个平行样，同时设置空白对照组（表1）。每个花盆中播种100粒麦种，自然环境中培育。

1.3测试方法

在小麦幼苗期进行采集，采用梅花形布点法，用水将样品根部的土壤洗净，将采集回来的样品进行登记编号，并在通风且干燥处风干。将小麦的根和叶碾碎备用，浓硝酸-高氯酸消解后用原子吸收分光光度计（TAS-990型）测试各部位中重金属浓度[12-13]。

2结果与分析

2.1Pb、Cd在小麦幼苗根部的富集

由表2可知，金属Pb单一作用时在小麦根部的富集量与金属胁迫浓度均呈极高正相关关系（r=0.98）。金属Pb-Cd复合作用时，在25、200 mg/kg胁迫浓度下，金属Pb复合作用下的累积峰值为单一作用下峰值的2倍以上，表现为明显的促进作用，复合作用下金属Pb的累积量均大于单一作用，说明金属Cd促进了小麦根部对金属Pb的吸收，金属Pb在小麦根部的富集量与金属胁迫浓度呈极高正相关关系（r=0.94）。

Pb在根中的富集浓度均随土壤胁迫浓度升高先降低再升高，因此，金属Pb单一作用及与金属Cd的复合作用结果既有相似性又有差异性。

Cd单一作用与Pb-Cd复合作用时，小麦根部对金属Cd的富集趋势相似，均随金属Cd胁迫浓度升高而升高。金属Cd单一作用时，金属Cd在小麦根部的富集量与金属胁迫浓度呈极高正相关关系（r=0.99）。Pb-Cd复合作用时，除 1 mg/kg 胁迫浓度下金属Cd的富集浓度小于单一作用时的富集浓度，其他处理胁迫浓度水平下金属Pb均在一定程度上促进了幼苗小麦根部对Cd的吸收累积，当土壤胁迫浓度为 200+10 mg/kg 时到达累积高峰，说明在较高浓度处理水平下促进吸收作用更加显著，且金属Cd在小麦根部的富集量与金属胁迫浓度呈极高正相关关系（r=0.95）。

2.2Pb、Cd在小麦幼苗叶片的富集

由表3可知，金属Pb单一作用及与金属Pb-Cd复合作用下，小麦幼苗叶片对金属Pb的富集状况差异较大。金属Pb单一作用时，在胁迫浓度25 mg/kg作用下，小麦幼苗叶片中金属含量略低于空白值，这可能是低浓度下植物对金属抗性作用的结果；50 mg/kg时，叶片对金属Pb的吸收累积缓慢升高并达到吸收峰值；而在200 mg/kg时，叶片对金属Pb的富集浓度迅速下降，金属Pb在小麦叶片的富集量与金属胁迫浓度呈中度负相关（r=-0.5）。这可能是因为金属Pb主要集中在根部，向叶片的迁移速度降低。金属Pb-Cd复合作用下，在较低胁迫浓度时，叶片中金属Pb富集浓度缓慢升高，而在200+10 mg/kg时迅速增大并到达累积高峰 68.18 mg/kg，是金属Pb单一作用时峰值的4倍多，这说明在此浓度下金属Cd的影响使叶片对Pb的吸收累积显著提高；此时，金属Pb在小麦叶片的富集量与金属胁迫浓度呈极高正相关关系（r=0.99）。endprint

金属Cd单一作用及与金属Pb-Cd复合作用时，小麦幼苗叶片对Cd的富集量随胁迫浓度升高而升高，但各浓度水平下吸收情况存在差异：金属Cd单一作用时，金属Cd在小麦叶片的富集量与其胁迫浓度成极高正相关（r= 0.99）。Pb-Cd复合作用时，在土壤中低胁迫浓度条件下，金属Pb的存在促进了金属Cd的活化而增加向叶片中的迁移，而在高浓度条件下与金属Cd单一作用时效应相似。因此金属Pb在中低浓度条件下对Cd的促进活化作用更加明显。Pb-Cd复合作用时，金属Cd在小麦叶片的富集量与金属胁迫浓度呈高度正相关关系（r=0.88）。

2.3Pb、Cd单一胁迫在小麦幼苗中的富集

由图1可以看出，对照组叶片中金属Pb的含量大于根中的含量，而在25 mg/kg胁迫浓度下，叶片中Pb含量下降，根中Pb含量增加并略大于叶片中的含量；50 mg/kg胁迫浓度下，根中金属Pb含量下降，叶片中含量升高且略大于根中的含量。在中低胁迫浓度下，根叶中金属Pb含量均在 18.00 mg/kg 以下，且根、叶中的含量差异较小。土壤金属Pb胁迫浓度升高至200 mg/kg时，根中的累积量迅速加大并达到累积峰值194.00 mg/kg，而小麦幼苗叶片中的累积量反而下降，此时根和叶片中的Pb含量差异显著，根中Pb含量是叶片的47倍，因此土壤金属Pb高胁迫浓度下，Pb的富集主要集中在根部，只有很少量的金属向地上部分的叶片迁移。

由图2可知，金属Cd在小麦幼苗根部、叶片中的富集规律相似：金属Cd在根部和叶片中的累积量均随土壤胁迫浓度水平的提高而增大，最大值分别为37.73、17.65 mg/kg，即根部的最大累积量是叶片最大累积量的2倍多，说明金属Cd在小麦幼苗中的累积主要在根部。在50 mg/kg Pb 和 2 mg/kg Cd分别作用时，金属Cd在根中的累积量比Pb的累积量还要大，说明小麦幼苗根对金属Cd的富集能力大于对金属Pb的能力。环境中金属Cd主要以游离态存在，而金属Pb主要以络合态存在，这可能与金属在土壤及植物体内的赋存形态有关。

2.4Pb-Cd复合作用在小麦幼苗根叶中的富集

如图3所示，金属铅Pb-Cd复合作用条件下小麦根部对Pb的吸收显著比叶片的吸收量大。在复合胁迫浓度25+1 mg/kg和200+10 mg/kg作用下 金属Pb在根部累积量远

大于叶片中的累积量；50+2 mg/kg复合胁迫浓度下，根部与叶片的累积量均最低，根部累积量仍然是叶片近2倍。说明大部分金属Pb富集在小麦根系，只有少量向地面部分迁移的Pb量较少的规律。

金属铅Pb-Cd复合作用条件下小麦根部和叶片对Cd的富集趋势与对金属Pb的富集趋势相似（图4）。各浓度处理水平下，小麦根部对Cd的吸收累积量均比叶片的吸收累积量大。小麦幼苗根和叶片中金属Cd累积量与土壤中金属Cd的胁迫浓度呈极高正相关，同时也存在大部分金属Cd 富集在小麦根系中，较少的Cd 含量累积在小麦幼苗叶片中，但其转移能力较金属Pb强，这与金属Cd的存在形式有关。

总体而言，重金属Pb、Cd在小麦幼苗中的富集主要集中在根系，少量重金属可以转移到地上部分叶片，因此小麦幼苗的根部可以从污染的土壤上有效渗透与提取重金属，从而增加对重金属离子的吸收与累积，前人也有类似的研究结果[14]。

3结论

Pb单一胁迫下，叶片中金属的富集浓度与胁迫浓度成中

度负相关，Pb、Cd在根部和叶片中的其他作用情况下，富集浓度与胁迫浓度均成正相关；其中Pb-Cd复合作用下，金属Cd在叶片中的富集浓度与胁迫浓度成高度正相关，Pb单一作用下在根中的富集、Cd单一作用下在根叶中的富集以及复合作用下的Pb在根叶中的富集均成极高正相关关系。

同一金属在不同作用形式下的富集特征均为：根部和叶片对金属的富集均是复合作用>单一作用。在复合作用下，2种金属在小麦幼苗根部和叶片中的富集浓度均比单一作用时高，说明金属Pb、Cd复合作用于小麦幼苗时表现为相互促进的吸收效应。

同一金属同一作用形式下在小麦幼苗不同部位的富集特征均为根部>叶片，即地下部分>地上部分。这说明重金属Pb、Cd在小麦幼苗中的富集主要集中在根系，只有少量金属可以转移到地上部分叶片。

Pb、Cd复合作用下在不同处理水平其相互促进吸收强度不同：在小麦幼苗根部，金属Cd在1、10 mg/kg浓度作用下促进了小麦根部对金属Pb的吸收，并且在10 mg/kg时达到富集峰值；金属Pb在200 mg/kg对金属Cd的促进吸收作用最为显著。小麦幼苗叶片中，金属镉（Cd）在10 mg/kg时对金属铅（Pb）的活化吸收促进作用最显著；而金属铅（Pb）在 25 mg/kg 时对金属镉（Cd）的促进吸收作用最为显著。在中浓度处理水平即Pb浓度50 mg/kg、Cd浓度2 mg/kg时，两金属均无明显的促进或抑制作用。小麦作为籽实性农作物，其秸秆和果实都将进入食物链循环，重金属在期内的富集势必存在影响人类健康与安全的风险，所以我们一定要给与足够的重视和关注。

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