田间条件下小白菜对外源Cd的动态吸收特征

摘要[目的]探究田间条件下小白菜对外源Cd的动态吸收特征，为Cd污染土壤上蔬菜安全生产提供理论依据。[方法]采用田间微区试验，共设4个Cd浓度处理，即0（CK）、1、2、5 mg/kg，每处理3次重复，研究外源Cd对小白菜生长的影响及小白菜对外源Cd的動态吸收特征。[结果]随着外源Cd浓度的升高及生长时期的延长，Cd对小白菜生长的抑制加重。5 mg/kg处理55 d时，小白菜的根长、株高、生物量较CK下降幅度均达到最大。任一Cd浓度下小白菜的Cd含量在前45 d快速增加，45 d后增速放缓，地下部Cd含量在55 d达到最大值，地下部平均Cd含量是地上部的1.62倍。[结论]Cd对小白菜的生长作用受Cd污染浓度、生长时期双重影响，且不同外源Cd浓度下小白菜各部位对Cd的吸收在不同生长时期呈现动态差异。

关键词田间条件；外源镉；小白菜；动态吸收

中图分类号S634.3；X173文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）10-0067-04

Study on the Dynamic Accumulation of Exogenous Cadmium in Brassica chinensis L. under Field Conditions

YANG Shiyan（College of Resource，Sichuan Agriculture University，Chengdu，Sichuan 611130）

Abstract[Objective]To investigate the dynamic absorption characteristics of Brassica chinensis L. under field conditions，and to provide the theoretical basis for the safe production of vegetables on Cd contaminated soil.[Method]Set 4 Cd concentration treatments，namely，0（CK），1，2，5 mg/kg，each treatment for 3 times.The Cd effects on the growth of Brassica chinensis L. and the dynamic accumulation of exogenous Cd in Brassica chinensis L. was studied by field microplot experiments.[Result]The results showed that with the increase of exogenous Cd concentration and the extension of growth period，Cd inhibited the growth of Brassica chinensis L..The root length，plant height and biomass of Brassica chinensis L. reached the maximum value at 55 d under treatment of 5 mg/kg.The Cd content in Brassica chinensis L. increased rapidly at the first 45th days，while the rising tendency slowed down after the 45th days.However，the root was 1.62 times the Cd absorption of aboveground parts signally.[Conclusion]The Cd effects on the growth of Brassica chinensis L. were affected by the different concentrations of Cd and the growth stages of Brassica chinensis L.，also the accumulation of Cd in different parts of Brassica chinensis L. appeared dynamic discrepancy on account of different growth stages under varied concentrations of Cd.

Key wordsField conditions；Exogenous cadmium；Brassica chinensis L.；Dynamic accumulation

土壤作为环境的重要载体，残留在土壤中的重金属会导致土壤质量恶化，严重影响农作物生长及品质安全[1-3]。曾希柏等[4]研究发现，我国约93%的菜地受重金属污染且各省均有分布。相较于其他重金属元素，Cd的生物毒性更强，更易为蔬菜所富集，进而通过食物链威胁人类健康[5]。曹仁林等[6]研究表明，我国污灌区受Cd污染菜地面积占所有重金属超标土地面积的56.90%，且蔬菜Cd超标率高达10.23%，降低蔬菜可食部分Cd含量，实现蔬菜安全生产已引发广泛关注。一般，低浓度Cd对植物生长有适当刺激作用，高浓度Cd对植物生长有明显毒害作用[7-8]。已有研究表明，Cd对蔬菜生长影响较大，可显著减少蔬菜株高、根长、地下部和地上部的干重、鲜重[9]，且叶菜类蔬菜吸收Cd的能力高于果菜类[10]。此外，蔬菜对Cd的吸收因其生长期、吸收部位差异呈现动态变化特征[11]。有研究发现，不同Cd污染浓度下小白菜各部位对Cd的富集与其生长时间呈显著相关，其叶部受重金属危害的风险大于根部[12]。

目前，Cd对植物的生长毒害效应及植物对Cd的吸收研究一般采用盆栽试验的方法[13]，对田间研究较少，且现有研究多探讨不同Cd浓度下植物对Cd的吸收规律，对植物不同生育期Cd吸收动态特征研究较少。普通白菜作为原产于我国的一种大众化蔬菜，在蔬菜供應中具有重要地位[14]。笔者以小白菜作为试验材料，研究田间条件下土壤Cd污染对小白菜生长的影响及小白菜对Cd的动态吸收特征，旨在为减少蔬菜体内重金属的累积及实现蔬菜安全生产提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试土壤：由灰色冲积物发育而成的潮土，采自四川省都江堰市蒲阳镇双柏村，采用多点取样法采集0～20 cm表土，基本理化性质：阳离子交换量（CEC）16.37 cmol/kg，有机质含量14.29 g/kg，全氮0.52 g/kg，有效氮67.38 mg/kg，有效磷8.26 mg/kg，有效钾6.71 mg/kg，全Cd含量0.13 mg/kg，有效Cd含量0.02 mg/kg。

供试作物：小白菜（Brassica chinensis L），品种为快客35，购自四川省成都市温江区公平镇农资店。

供试肥料：尿素（N 46%）；有机肥，720 g/小区。

1.2试验设计

采用田间微区试验，微区埋设方式采用半埋式，即0.3 m埋于地下，0.4 m露于地面。每个微区由长×宽×高为1.5 m×1.0 m×0.7 m的砖混结构构成。微区与微区之间由长1.0 m、宽0.1 m、高0.7 m的水泥埂隔开，在距离微区底部0.4 m处设有排水管口用于排出田间渗漏水。

试验设4个Cd浓度处理，分别为Cd0（CK）：0 mg/kg，Cd1：1 mg/kg，Cd2：2 mg/kg，Cd5：5 mg/kg，每处理3次重复，共计12个微区。土壤风干后磨碎过1 cm筛，外源添加Cd形态为CdCl2·2.5H2O（分析纯），以溶液形式加入0～20 cm土壤中，将外源Cd溶液、基肥与土壤充分混匀，混匀后回填入池中。

待土壤稳定150 d后播种小白菜，植物样收获后，釆集土壤样品供分析用。每个微区播种20穴，每穴4粒种子，在2叶1心期进行间苗，每穴定苗2株。

1.3样品采集与处理分别于小白菜间苗后的15、25、35、45、55 d进行样品采集，每小区随机选取5株作为1个重复，每处理3次重复。小白菜植株根系经20 mmol/L Na2-EDTA浸泡15 min后用自来水冲洗，然后用去离子水润洗，分别测量地下部和地上部的根长和株高。然后于105 ℃杀青30 min，75 ℃烘至恒重，称重，粉碎备用。

1.4测定项目与方法

（1）将收获的小白菜样品研碎，经 HNO3-HClO4法消煮，用原子吸收分光光度计（AASnovAA400P，Germany）测定大白菜Cd含量。

（2）土壤有效态Cd含量采用DTPA提取，用原子吸收分光光度计（AASnovAA400P，Germany）测定；土壤全Cd含量经HNO3-HCl-HF法消化，用原子吸收分光光度计（AASnovAA400P，Germany）测定；土壤理化性质参照常规方法测定[15]。

（3）小白菜对Cd的吸收速率采用下式计算：

小白菜Cd吸收量占土壤Cd总量百分率=（小白菜Cd含量×生物量）/（土壤Cd含量×土壤质量）×100%

1.5数据处理与分析

采用 Microsoft Excel 2013软件进行数据处理及相关分析；采用Origin 9.0进行图表的制作；采用SPSS 16.0进行统计分析。

2结果与分析

2.1不同外源Cd浓度对小白菜不同时期生物量的影响

从图1可以看出，Cd胁迫下任一时期小白菜地上部、地下部生物量较CK均表现出明显的下降趋势（P<0.05）。随着外源Cd浓度的升高，小白菜地上部、地下部生物量较CK的下降幅度逐渐增大。以55 d为例，Cd1处理小白菜地上部、地下部生物量分别较CK仅下降9.10%、5.73%，而Cd5处理小白菜地上部、地下部生物量较CK的下降幅度分别是Cd1的5.46倍、8.41倍。

此外，不同的生长阶段，小白菜生物量受Cd的影响不同。图1表明，各处理下小白菜地上部、地下部的生物量均在前45 d快速增大，此后增速逐渐变缓。至小白菜生长的55 d，其地上部、地下部的生物量较CK的减小幅度显著大于前45 d（P<0.05）。Cd5处理55 d时，小白菜地上部、地下部的生物量较CK的下降幅度Cd最大，分别达49.75%、48.23%。

2.2不同外源Cd浓度对小白菜不同时期根长、株高的影响从图2可以看出，任一生长阶段，Cd胁迫下小白菜的根长、株高均较CK下降，Cd5处理55 d时，与CK相比株高下降28.11%，根长下降20.18%，是Cd1处理55 d时下降幅度的3.72倍、6.81倍。

在不同生长时期，外源Cd对小白菜的根长、株高影响不同。图2显示，各处理下，小白菜的根长与株高均在前45 d快速增长，45 d后增速放缓。以Cd5处理为例，45 d时，小白菜的根长、株高分别较CK下降19.72%、27.89%，而在55 d，其根长与株高分别较CK下降20.18%、28.11%，表现出小白菜生长的45 d后，其根长、株高较CK的下降幅度逐渐变大，Cd胁迫下生长期的延长加重了外源Cd对根长、株高的抑制。

2.3不同外源Cd浓度下小白菜各部位在各时期对Cd的吸收动态变化

由图3可知，随着Cd浓度的升高和生长时期的延长，小白菜地上部、地下部的Cd含量均呈现总体增加略有波动的趋势。同时，Cd在小白菜体内的分布也有所不同，其地下部对Cd的吸收比地上部更强。

图3显示，在任一生长时期，外源添加Cd浓度与小白菜体内Cd含量呈极显著正相关关系。高Cd处理（Cd5）下小白菜体内平均Cd含量是低Cd处理（Cd1）的2.5倍。此外，小白菜地上部、地下部Cd含量因生长时期变化而变化，其地上部、地下部Cd含量均在前45 d快速增加，45～55 d则增速放缓，地下部Cd含量在55 d达到最大值。

从图3还可以看出，小白菜地下部对不同浓度Cd吸收量在25 d后显著高于地上部（P<0.05）。以55 d为例，Cd5处理下，小白菜地上部Cd含量为7.07 mg/kg，地下部Cd含量为12.97 mg/kg。整个生长期内，小白菜地上部平均Cd含量为5.43 mg/kg ，地下部平均Cd含量为8.82 mg/kg， 即地下部Cd含量是地上部的1.62倍。

2.4不同时期小白菜对Cd的吸收速率

为进一步说明小白菜不同时期对Cd的吸收动态变化，用小白菜Cd吸收量占土壤Cd总量的百分比来表征小白菜对Cd的吸收速率。从图4可以看出，随着生长时间的延长小白菜对Cd的吸收速率也逐渐增加。任一生长阶段，小白菜对Cd的吸收速率从大到小依次为Cd1、Cd2、Cd5，且随着生长时间的延长，低浓度Cd处理下小白菜对Cd的吸收速率远大于高浓度Cd处理。

55 d时，Cd1处理下小白菜对Cd的吸收速率为0.15%，而Cd5处理下小白菜对Cd吸收速率为0.04%，低Cd处理下Cd的吸收速率比高Cd处理多出0.11百分点。

45卷10期杨湜烟田间条件下小白菜对外源Cd的动态吸收特征

3讨论

于方明等[16]、任艳芳等[17]研究Cd对小白菜、莴苣生长的影响发现，其株高、叶长、叶宽、茎粗、干质量等随着Cd浓度的升高而明显下降。陈春乐等[18]研究认为，随着外源Cd浓度的升高，芥菜的生长受Cd抑制加重。此外，玉米、西葫芦、黄瓜、西红柿等多种植物也会随着Cd浓度的升高而出现不同程度的生长迟缓、产量下降等现象[19]。这与笔者的研究结果一致，随着土壤外源Cd浓度的升高，Cd对小白菜根长、株高、生物量的抑制逐渐增强，这主要是由于高Cd污染下植物的吸收代谢过程严重紊乱，植物组织体内Cd浓度到达一定程度便表现出明显的受害症状。但随着外源Cd浓度的升高，不同时期小白菜的根长、株高及生物量受抑制程度不同。屈应明[20]研究田间条件下不同时期外源Cd对小白菜生长的影响发现，无论在高Cd浓度下还是在低Cd浓度下，21 d后小白菜较CK下降幅度显著增加，生长时期的延长加重了外源Cd对小白菜根长、株高、植株鲜重的抑制。刘莉[21]研究也发现，随着外源Cd浓度的升高及生长时期的延长，番茄幼苗的生长受Cd毒害愈明显。该试验中同样观察到小白菜在前45 d根长、株高、生物量快速增加，45 d后增速减缓且较CK下降幅度更显著。这可能是由于前45 d是小白菜的快速生长时期，其生长指标普遍增大，但45 d后小白菜体内的Cd含量已积累到一定浓度，因而在生长后期Cd对小白菜的抑制作用更明显。由此可见，Cd对小白菜的生长作用受到Cd污染浓度、生长时期的双重影响，随着外源Cd浓度的升高及生长时期的延长一定程度会加重Cd对小白菜的毒害。

一般地，随着生长时期的延长，植物对Cd的吸收速率不断增加，其体内Cd积累总量也不断增加，但植物对Cd的吸收因不同生长阶段而表现出不同特征。李正文[22]研究发现，随着水稻的生长，其体内积累的Cd含量呈逐渐增加趋势，具体过程为前期快速积累、中期相对稳定，后期继续上升直至最大值。李勤锋等[23]在研究红蛋植物对Cd的动态吸收规律中也发现，在低Cd（5 mg/L）及高Cd（15 mg/L）浓度处理下，红蛋地上部和地下部Cd含量均随着培养时间的延长而持续增大。长时间培养下（27 d），红蛋植物对Cd的吸收整体呈现前期快速增加，后期增速放缓的情况。该试验中不同生长时期的小白菜对Cd的吸收动态特征表现为前45 d快速增加，45～55 d后吸收减缓，地下部Cd含量达到最大值，这一方面是由于植物生长后期土壤供Cd能力下降，植物对Cd的吸收趋于稳定，另一方面则是生长时期的延长，植物受Cd抑制加重所致[24-25]。綜合证明，小白菜对Cd的吸收随时间延长与外源Cd浓度升高而增加，但不同时期存在动态差异。

进一步研究表明，植物不同部位对Cd的吸收存在显著差异。梁称福等[26]研究表明，对Cd的富集能力最强的是蔬菜的根部。Yargholi等[27]研究发现，7种不同蔬菜地上部（茎、叶）对Cd的富集量均大于地下部（根系），原因在于Cd作为一种高生物活性重金属，更容易为根系吸收继而转运到地上部累积。但大多数研究认同植物根系重金属积累高于地上部[28]，该试验结果中小白菜地下部Cd含量显著大于地上部（P<0.05），符合植物将大部分Cd限制在地下部的说法，这可能是由于蔬菜主要通过根系吸收重金属，重金属首先在根中累积，然后再由根系向地上部转运[29]。随着外源Cd浓度的升高及生长时期的延长，小白菜受害加重并抑制了根系向地上部运输Cd。

4结论

（1）田间条件下，外源Cd对小白菜生长的抑制受Cd浓度及生长时期的双重影响。外源Cd浓度的升高显著抑制小白菜的生长，Cd胁迫下小白菜生长的前45 d根长、株高、生物量快速增加，45 d后则增速缓慢，至55 d较CK下降幅度达到最大，生长时期的延长加重了Cd对小白菜的抑制作用。

（2）不同外源Cd浓度下小白菜不同生长时期、不同部位对Cd的吸收呈现明显动态差异。小白菜体内Cd总量随外源添加Cd浓度与生长时间增加而增加，但在其生长的前45 d，小白菜体内Cd含量快速增加，45～55 d后增速放缓，至55 d地下部Cd含量达到最大值，其地下部对Cd的吸收能力强于地上部。

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