辣椒对黄壤和石灰土中Cd抗性研究

宋拉拉，廖芳芳，张爱民，胡明文 ，蓝 青 ，邢 丹

（1.贵州省农业科学院辣椒研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州医科大学神奇民族医药学院，贵州 贵阳 550005）

土壤重金属污染是人们所面临且亟需解决的环境污染问题之一［1］。重金属不仅影响植物的生长发育，且导致农作物产量与质量降低，随着工农业的发展，对土壤环境造成了不同程度的污染［2］。其中镉是毒性最强的重金属元素之一，是人体、动物和植物的非必需元素。土壤镉污染不仅影响植物的生长发育，而且会降低作物的产量和品质，并对动物和人体产生毒害作用，进而危害人类健康，目前镉污染问题已受到人们的高度重视［3-9］。当镉达到一定阈值时，通过阻碍植物根系生长、抑制水分和养分的吸收等引起一系列生理代谢紊乱，最终导致植物品质下降和减产，甚至死亡［4］。进入畜禽体的镉排泄很慢，影响其造血和生殖功能，损伤血管内皮细胞，干扰钙、磷、铁等元素的吸收［5］。人如果食用含镉的食物会导致各种病变，如骨痛病、细胞癌变、骨质疏松、肝肾功能紊乱等［4,9］。

辣椒（Capsicum frutescensL.）是我国重要的经济作物，且属于镉易富集蔬菜［10］。有研究表明，低浓度的镉胁迫处理可稍促进植物生长，高浓度处理则抑制植物生长。在绿豆、豌豆［11］、小麦［12］及水稻［13］等作物均有相关研究，且镉对植物生长的影响存在种间差异。镉对辣椒生长有明显的抑制作用，且植株的不同部位镉积累量不同［14］。在镉污染条件下辣椒果实产量、果实中维生素及糖含量均有所降低，且辣椒果实中镉含量显著升高［15］。随着镉浓度的增加，辣椒的根、茎、叶、籽粒和果皮中镉含量均有所增加，但不同处理各部位的镉含量不同［16］。研究发现，影响植物吸收土壤Cd的主要因素包括土壤pH、金属螯合剂、有机质以及作物种类、品种、耕作方式等［7］。镉胁迫条件下，植物对镉毒害的耐性因植物种类、镉浓度、土壤类型等存在差异，为减少辣椒遭受Cd毒害，种植辣椒时需考虑Cd污染程度、辣椒品种及土壤类型等。但辣椒Cd抗性是一个复杂的综合性状，若直接利用某一指标进行辣椒抗Cd性评价会存在片面性和不稳定性。本研究通过盆栽试验研究Cd胁迫对种植于黄壤和石灰土两种土壤中辣椒幼苗生长及生理指标的影响，掌握辣椒对Cd胁迫的生长及生理特性，建立辣椒在不同Cd污染程度和不同种植土壤中Cd抗性的综合评价体系，以期为辣椒种植和土壤修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2013年3～10月在贵州省农业科学院辣椒研究所进行。

供试辣椒品种为朝天椒8024（属于易富集Cd品种［16］），由贵州省农业科学院辣椒研究所提供。

供试土壤采自贵州省清镇市青龙街道办事处石关村（26º34´N，106º30´E）的耕作黄壤和石灰土。随机采集表层0～20 cm的混合土壤样品，装入干净的编织袋中，自然风干后，去除植物根系并过5 mm不锈钢筛，保存备用。采用水浸提-酸度计法测试土壤的pH［17］，采用重铬酸钾氧化外加热法测定有机质含量［18］，采用HNO3-HF消化法测定Cd总量［17］，供试土壤理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 试验方法

育苗：按照《辣椒漂浮育苗基质的制作方法》［19］准备育苗基质，采用辣椒漂浮育苗技术规程标准［20］进行育苗。

盆栽试验设计：在贵州省农业科学院辣椒研究所网室内按土壤类型布置两组盆栽试验，每组试验设5个处理，添加Cd2+浓度依次为0.5、1.0、2.5、5.0 mg/kg，每个处理3次重复。根据实验的预设浓度，将CdCl2·2.5H2O分析纯溶于超纯水，然后以喷雾形式（每盆500 mL）将其均匀喷洒于自然风干并过5 mm不锈钢筛的土样中，充分搅拌后将土样装入经稀酸浸泡并冲洗干净的带有托盘（接纳渗漏出的土壤溶液，以便倒回盆钵防止Cd液淋溶损失影响试验结果的准确性）的塑料盆钵（20 cm× 25 cm）中，每盆装土3.5 kg。随后，将盆钵移入室内静置两周，保持土壤含水量在田间持水量的70%左右。

移栽与管理：待辣椒幼苗长至6片叶时，炼苗并挑选健壮、长势一致的幼苗移至不同Cd浓度盆栽土壤中，每盆2株。辣椒生长期间用自来水（未检出Cd含量）浇灌，并按常规管理方式施肥、防治病虫害。

1.3 样品采集与测定

辣椒移栽1个月后，测量辣椒株高及生物量，并采集植株第3、4层的叶片用于分析MDA含量、SOD和POD活性。参照植物生理学实验指导［21］，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸（TBA）反应法、SOD活性测定采用氮蓝四唑光化还原法，POD活性测定采用愈创木酚法。

1.4 数据分析

试验数据采用DPS7.05统计分析软件对进行方差分析及主成分分析。采用隶属函数法综合评价不同土壤中辣椒的抗Cd性［22］，计算方法如下：

（1）计算单项指标抗Cd系数

A（%）=(Cd胁迫处理测定值/对照测定值 )×100

（2）求隶属函数值。对各单项指标抗Cd系数进行主成分分析后获得新的综合指标，计算其隶属函数值。

U(x)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin) (i=1, 2, ...n)

式中，U(x)为第i个综合指标的隶属函数值，Xi为第i个综合指标得分值，Xmax、Xmin分别为第i个因子得分的最大值、最小值。

（3）确定权重。根据综合指标贡献率大小计算各综合指标的权重。

Wi=Pi/∑Pi(i=1, 2, ..., n)

式中，Wi为第i个综合指标在所有综合指标中的重要程度，Pi为第i个综合指标的贡献率。

（4）综合评价。计算不同种植土壤条件下辣椒的综合抗Cd能力计算公式如下。

D= ∑〔 U(x)×Wi〕 (i=1, 2, ...,n)

式中，D为辣椒在某种土壤Cd害条件下抗Cd性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫对辣椒株高和生物量的影响

不同Cd胁迫条件下，种植于两种土壤中的辣椒幼苗生长均受到不同影响。由表2可知，Cd胁迫条件下黄壤中辣椒株高与对照差异显著，并随着Cd胁迫浓度增加呈下降趋势，各处理辣椒株高分别比对照降低5.7%、18.4%、11.7%和15.6%；而石灰土中辣椒株高随Cd浓度增大先升后降，在Cd浓度为1.0 mg/kg时达到最大值，较对照显著升高13.6%，而Cd浓度为5 mg/kg时较对照显著降低12.2%。同一处理条件下，种植于黄壤中的辣椒株高基本高于石灰土中辣椒株高，但Cd浓度为1.0 mg/kg时石灰土处理较黄壤略高2.6%。

由表2可知，两种土壤处理下辣椒根、茎、叶生物量受Cd胁迫表现出不同的变化。与对照相比，低浓度Cd（0.5 mg/kg）处理黄壤中辣椒根、茎、叶生物量显著升高1.5%、9.2%、8.3%，之后随Cd浓度升高呈降低趋势，重度Cd（5.0 mg/kg）胁迫下辣椒根、茎、叶生物量较对照分别降低28.9%、12.6%、16.9%；辣椒在石灰土中，仅根生物量表现出“低促高抑”现象，而茎、叶生物量随Cd胁迫程度增加而降低，高浓度Cd（5.0 mg/kg）胁迫下，辣椒根、茎、叶生物量较对照分别降低6.4%、11.9%、18.4%。说明一定程度的Cd胁迫对辣椒根、茎、叶生长均造成了伤害。

表2 土壤镉胁迫对辣椒幼苗株高、生物量的影响

2.2 Cd胁迫对辣椒膜脂过氧化作用和抗氧化系统的影响

MDA是细胞膜脂过氧化的主要产物，其含量高低反映膜脂过氧化程度，可作为衡量细胞膜脂过氧化伤害水平的重要指标。从表3可以看出，两种土壤中，随着Cd浓度的提高，辣椒MDA含量呈上升趋势，说明Cd胁迫对辣椒细胞膜造成了伤害。在Cd胁迫下，黄壤和石灰土两种土壤中辣椒MDA含量急剧上升，Cd浓度为2.5 mg/kg时分别比对照高50.3%、33.9%，而Cd浓度达5.0 mg/kg时分别比对照高94.5%、50.9%。由此可见，Cd浓度超过2.5 mg/kg时，种植于黄壤中的辣椒根系膜脂过氧化较为严重。

黄壤中，辣椒SOD活性表现为随Cd浓度增加而先升后降，Cd浓度为2.5 mg/kg时达到最高、比对照高22.9%，Cd浓度为5.0 mg/kg时有所降低、仍比对照高10.2%；石灰土中，辣椒SOD活性随着Cd浓度升高亦呈先升后降的变化趋势，在0.5 mg/kg Cd胁迫下辣椒SOD活性比对照高13.1%，随后1.0、2.5、5.0 mg/kg Cd胁迫下，分别比对照低10.8%、25.2%和32.4%。两种土壤对比发现，石灰土中0.5 mg/kg低浓度Cd处理时SOD活性达到最大，而黄壤在Cd浓度为2.5 mg/kg时达到最高。

POD活性受辣椒种植环境影响而表现出不同的变化趋势。黄壤处理条件下，辣椒体内抗氧化酶系统受到活性氧自由基的诱导，POD活性随Cd浓度增加而明显提高，在5.0 mg/kg Cd胁迫下POD活性达到最大，为对照的1.6倍；石灰土处理条件下，POD活性随Cd浓度增加而显著降低，与对照相比，在0.5、1.0、2.5、5.0 mg/kg Cd胁迫下分别降低9.2%、29.0%、34.9%和43.4%；Cd浓度达到5.0 mg/kg时，黄壤处理下辣椒POD活性明显高于石灰土处理（高47.9%），说明辣椒种植于黄壤土中其Cd抗性高于石灰土。而正常条件下，种植于黄壤中的辣椒POD活性为234.99 U/g（FW），低于石灰土处理（344.54 U/g，FW）。

表3 土壤镉胁迫对辣椒幼苗MDA含量、SOD和POD活性的影响

2.3 辣椒对典型土壤Cd胁迫抗性能力综合评价

根据各项指标的测定值，计算不同胁迫处理各项指标的抗Cd系数，结果（表4）显示，辣椒各项指标的抗Cd系数在不同处理条件下有的大于100%，有的小于100%，而且同一处理条件下不同指标抗Cd系数变化也不同，因此用不同单项指标的抗Cd系数评价辣椒抗Cd性则得到不同结果。

对各项指标抗Cd系数进行相关分析，结果（表5）表明，所有指标的抗Cd系数间都有一定的相关性，有些系数间的相关性达到显著水平，如根生物量与株高呈显著正相关（r=0.827），而与MDA、POD显著负相关。但这种相关性使它们提供的信息发生重叠。通过分析辣椒抗Cd系数及其相关系数，说明其抗性是一个复杂的综合性状，若直接利用某一指标进行辣椒抗Cd性评价，存在片面性和不稳定性，因此需要用多个指标进行综合评价才较为可靠。

表4 黄壤和石灰土中辣椒不同指标的抗Cd系数

表5 黄壤和石灰土中辣椒各项指标抗Cd系数间的相关系数

利用DPS软件对辣椒7个单项指标的抗Cd系数进行主成分分析，结果见表6。根据最少特征值大于1原则，选取前3个综合指标，它们的贡献率分别为53.36%、24.27%、12.89%，累积贡献率达90.52%。由各综合指标的系数可知，第1综合指标（CI1）包括株高、根生物量、POD活性的抗Cd系数，第2综合指标（CI2）包括叶生物量的抗Cd系数，第3综合指标（CI3）包括茎生物量、MDA和SOD活性的抗Cd系数。由此把7个单项指标转换为3个新的相互独立的综合指标，并且代表了原来7个指标90.52%的信息。

表6 各综合指标的系数及贡献率

不同Cd污染程度、不同种植土壤中辣椒综合抗Cd能力的大小见表7。D值能准确判断不同Cd的污染程度和不同种植土壤中辣椒对Cd的抗性。从表7可以看出，随着Cd浓度增加，两种土壤中D值均先降后升的趋势，黄壤土壤种植条件下，Cd浓度为5 mg/kg时，D值比0.5、1.0、2.5 mg/kg Cd浓度处理分别增加39.7%、49.64%和44.25%。石灰土种植条件下，Cd浓度为5.0 mg/kg时，D值比0.5、1.0、2.5 mg/kg Cd浓度处理分别增加34.41%、61.64%和20.19%，且黄壤土比石灰土约高2倍。

表7 黄壤和石灰土中辣椒Cd抗性综合评价

3 结论与讨论

本试验以易富集Cd辣椒品种朝天椒8024为材料，从辣椒幼苗株高、生物量及生理指标等综合分析，选择相关指标利用隶属函数法对辣椒的Cd抗性进行综合评价。结果表明，高浓度Cd抑制辣椒幼苗的生长，且在Cd胁迫条件下，种植于黄壤中的辣椒明显比种植在石灰土中的抗Cd性强。

3.1 Cd胁迫对辣椒株高和生物量的影响

土壤Cd进入植物并积累到一定程度，植物就会表现出一系列毒害效应，通常会出现植株矮小、植物生物量和根系活力降低、生理代谢紊乱［6,23-24］。株高、生物量作为植物生长的重要指标，能够从形态上反映植物对Cd胁迫的响应，表现出植物对重金属的抗性［25-26］。Cd胁迫对植物的影响，最终体现在对植物生物量累积及其分配的影响，即表现在对根、茎、叶等生物量的影响，这是幼苗生长受Cd胁迫在外部特征上的反应。本试验结果表明，同一处理条件下，种植于两种土壤中辣椒相比，黄壤中辣椒株高基本高于石灰土中辣椒株高。植物对镉毒害的反应因土壤类型不同存在差异，不同土壤中种植同一植物，植物体内镉含量富集程度不同，植物富集程度越高，耐镉性越好。此外，低浓度Cd能够加快细胞分裂，但高浓度Cd则抑制细胞分裂［27］，即植株生长应对Cd胁迫表现为一种“低促高抑”的现象，如石竹［28］、皇竹草［29］、龙葵［26］等植物生长均表现出相似的现象。本试验中辣椒的生物量受镉胁迫表现出不同的变化，在黄壤和石灰土均表现出“低促高抑”现象，与陈世军等［30］、陈惠等［14］研究得出中低浓度Cd（低于0.5 mg/kg）略促进辣椒根和苗的生长、高浓度Cd（高于1.0 mg/kg）抑制根和苗生长的结果一致。以上现象均说明一定程度镉胁迫对辣椒生物量造成了伤害。

3.2 Cd胁迫对辣椒膜脂过氧化作用和抗氧化系统的影响

Cd胁迫伤害的一个主要生理机制就是引起植物体内活性氧（reactive oxygen species，ROS）代谢平衡失调，当ROS浓度超过一定阈值时植物细胞产生重要的脂质过氧化物丙二醛，是植物细胞ROS累积水平和受损程度的判断指标［31］。超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等能清除ROS自由基，减轻ROS对生物膜系统的伤害，是植物适应逆境胁迫的重要酶类。Cd是质膜过氧化的重要诱变剂。本试验结果表明，种植于黄壤和石灰土两种土壤中，镉胁迫下，辣椒的MDA含量急剧上升，且种植于黄壤中辣椒根系膜脂过氧化较为严重，与对小麦［32］、水稻［13］等作物研究表明MDA含量随Cd浓度增大而上升的结果一致。通常情况下，SOD、POD在Cd胁迫条件下随胁迫程度增加表现为先升后降或者持续增加，如野燕麦的SOD和POD活性随Cd浓度增加呈现先升后降的趋势［33］。然而，龙葵的SOD活性随Cd浓度增大而增大，其POD活性却表现为先增后降的变化［26］。本试验中辣椒的SOD活性在黄壤和石灰土中均表现为随胁迫增加而先升后降的变化趋势，仅SOD活性最大时Cd浓度不一样，说明辣椒SOD酶活性增加对于消除自由基的作用是黄壤强于石灰土；POD活性在黄壤土中表现为镉浓度增加而上升趋势，但在石灰土中随Cd浓度增加而呈下降趋势，说明在黄壤土中辣椒POD酶活对自由基及H2O2的清除强于石灰土。这表明，当植物受Cd胁迫后，SOD和POD活性变化依土壤种类、植物种类及抗性不同而不同。

3.3 辣椒对典型土壤Cd胁迫抗性能力综合评价

植物的抗逆性不仅仅是受多种因素影响的复杂的数量性状，而且不同品种的抗逆机制也不尽相同。因而用单一指标评价植物的抗逆性的强弱是不可靠、不全面的，应使用多种指标来综合评价作物对逆境的适应能力。但评价作物抗逆性的指标较多，且指标之间存在着一定的相关性，造成对抗逆性信息发生交叉和重叠，若直接使用这些指标来综合评价植物的抗逆性，结果可能造成偏差。目前在小麦［34］、竹［35］、造林幼苗［36］、草坪草［37］和牡丹［38］等植物的抗逆性评价已采用隶属函数法综合评价的方法。本研究选择辣椒7个指标综合分析，其中株高、生物量及POD活性等指标贡献率高达53.36%，与MDA、SOD酶活综合贡献率高达90.52%，说明它们在一定程度上可以指示镉胁迫的情况。采用隶属函数法综合评价不同Cd污染程度和不同种植土壤环境中辣椒对Cd的抗性，同一Cd浓度处理，种植于黄壤中辣椒的D值高于石灰土，表明不同Cd污染程度条件下，种植于黄壤中辣椒明显比石灰土中的抗性强。隶属函数法综合评价能够准确、科学地评价不同Cd污染程度和不同种植土壤中辣椒对Cd抗性的差异，从而为辣椒种植和土壤改良提供理论依据。