重金属锌、镉对蔬菜胁迫的研究进展

陈小军 向成丽

摘    要：随着工业的发展和农业化肥的过度使用，耕地土壤重金属污染日益严重，给我国的发展造成了严重的经济损失。综述了重金属锌、镉单一胁迫及其交互作用对蔬菜种子萌发、幼苗生长及生理特性等方面的研究进展。同时，对其存在的问题进行讨论，并对其未来的研究方向进行了展望。

关键词：土壤;重金属;锌;镉;蔬菜

随着金属矿山开采、工业生产以及农药化肥的过度使用，重金属污染已成为我国主要的土壤环境污染问题。被污染的耕地面积不断扩大，每年因重金属污染造成的直接经济损失达200余亿元[1-2]。其中，镉（Cd）的点位超标率高达7.0%，是主要的土壤重金属污染来源之一，且因其水溶态和可交换态均能被植物吸收，Cd极易通过食物链进入人体造成危害[3]。而锌（Zn）和Cd为同族元素，具有相似的化学性质，二者在生物体中存在复杂的交互影响关系[4]，因此，利用Zn来调控Cd对生物毒害的研究越来越多[12-14]。目前，人们在重金属锌镉及其交互作用对蔬菜种子萌发、生长发育等方面的研究取得了一定的进展[5-14]。鉴于此，对重金属锌镉污染下蔬菜生长发育所受影响的研究现状进行综述，并对后续相关的治理、缓解措施进行展望，以期为重金属锌镉污染下蔬菜的安全生产提供可能的参考依据。

1   重金属锌对蔬菜的影响

Zn是人体所必需的一种微量元素，研究表明：动、植物体内的Zn可以比无机的Zn更容易、更安全地被人体吸收，在通过食疗补Zn来改善人体营养方面具有重要的实际意义[5]。Zn对蔬菜的影响首先表现在种子萌发方面，刘玲丽等[6]以不同Zn2+浓度（0、0.05、0.5、5、10、50、100、200mg/L）的ZnSO4溶液处理青花菜种子，结果表明：青花菜种子的发芽指标随着Zn2+浓度的增加均表现出先升高后降低的变化趋势，不同指标对Zn2+浓度的敏感程度不同，当Zn2+浓度大于100mg/L時，对青花菜种子萌发和生长起到抑制作用。Zn对蔬菜的生长发育也有一定的影响，王慧先等[7]采用盆栽试验研究了白菜对不同浓度Zn的响应，结果表明：白菜的生物量及体内锌含量随锌水平的增加而增加;但白菜品种对锌营养反应的敏感性不同。另外，研究锌胁迫对甜瓜幼苗生理活性影响的结果显示，随着锌浓度的增加，过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性先上升后下降;丙二醛（MDA）含量呈逐渐上升趋势;叶绿素含量呈逐渐下降趋势;在Zn2+浓度较低时（50mmol/L）对甜瓜的影响较少，与对照间无差异，而当Zn2+浓度大于100mmol/L时，Zn2+对甜瓜的毒害较大[8]。以上研究结果均表明低浓度的Zn2+能够对蔬菜生长发育产生一定的积极促进效应。

2   重金属镉对蔬菜的影响

Cd是典型的土壤重金属污染物之一，能使植物组织细胞产生活性氧，引起膜脂过氧化，进而影响植株生长。种子萌发是作物对外界适应的开始，随着Cd浓度的升高，生菜种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均表现为不同程度的降低，其中高于10mg/L胁迫使生菜种子发芽率明显降低，而高于5mg/L胁迫使发芽指数和活力指数明显降低[9]。幼苗生长也是作物对外界环境最敏感的时期之一，刘思妹等[10]对萝卜幼苗的试验结果表明：Cd胁迫下，萝卜幼苗根、茎、叶生长均受到抑制，其中根、茎受到的影响最为严重;MDA含量、可溶性蛋白质含量、CAT及POD活性均随处理浓度的增加而增加;抗氧化活性随Cd浓度的升高而降低。张静等[11]在Cd胁迫影响水芹生理特性的研究中发现，在低浓度Cd2+处理下，试验组与对照组株高和根数无区别（P>0.05），而在高浓度处理下，水芹株高和根数都显著减少，鲜重生物量也明显降低，叶绿素总量、叶绿素a和可溶性蛋白总体也均呈现下降趋势。总体而言，重金属Cd胁迫对蔬菜的影响表现为低促高抑的效应。

3   重金属锌镉互作对蔬菜的影响

Zn、Cd在元素周期表中同属于ⅡB族元素，在元素地球化学分类中被列为亲硫元素。由于Zn、Cd化学性质相似，人们已经注意到Cd与Zn在自然土壤或污泥中的伴生状况和在植物体内的交互作用。由于Zn-Cd交互作用对蔬菜的影响十分复杂，各学者对其效应的研究结果也不尽相同[12-14]。马兰等[12]在研究Zn-Cd复合污染对芹菜养分吸收的影响中发现：茎叶中P的含量没有显著变化;K的含量随着处理Cd浓度的增加而增加，表明Cd在一定程度上促进了茎叶对K的吸收，Zn抑制了茎叶对K的吸收;Cd和Zn均不同程度地促进了芹菜茎叶对Fe的吸收。这可能与营养元素、植物基因类型、部位以及植物的生长阶段等诸因素都有关。史凯丽[13]通过非损伤微测试验认为，Zn显著降低了小白菜根系内Cd2+流速率，且抑制程度随Zn浓度的增加而加大。田间试验结果也表明，施Zn有降低2个小白菜品种地上部和根中Cd含量的趋势。Zn对小白菜抗氧化酶活性的影响也主要体现在根中，加Zn能稳定或提高小白菜根中抗氧化酶的活性。 同时，王林等[14]对油菜采用溶液培养和体外消化实验得出结论：喷施Zn肥可显著降低油菜地上部Cd、Zn的生物可给性，有效减少人体食用油菜摄入Cd的量，提高摄入Zn的量，其中喷施 ZnSO4处理的效果最佳。

4     问题与展望

重金属Zn-Cd互作相对于其二者单一胁迫对蔬菜复合污染的研究来说较为滞后，目前，Zn、Cd单一胁迫对蔬菜的研究可大致分为种子萌发、幼苗生长及生理特性等方面[5-11]，而Zn-Cd交互作用的研究则主要集中在对其养分吸收、重金属分布和积累以及生物可给性等方面[12-14]，且相关研究相对较少。同时，Zn-Cd交互作用对蔬菜的影响是协同还是拮抗作用，尚未有一致定论。此外，由于不同品种对重金属的耐受程度以及敏感度不同、重金属的浓度不同等因素影响，Zn和Cd对蔬菜生长发育及生理特性等方面所产生的效应也有较大差异。因此，笔者认为后续研究可以从以下3个方面展开：①加大Zn-Cd交互作用对不同品种蔬菜的研究力度。Zn、Cd对植物生长影响的研究主要集中于水稻、小麦等谷类作物，研究烟草的也不在少数，而对食用蔬菜的研究也主要以小白菜、青菜等为主，其他日常蔬菜尚未见过多报道。蔬菜富含各种人体所需维生素，其种植与安全生产也成为大众所关心的热点问题之一。对更多蔬菜品种进行研究将为蔬菜的安全生产提供一定的科学依据。②加强Zn-Cd影响蔬菜生长的分子细胞学研究。重金属Zn、Cd作为外源刺激信号可以启动植物体如增加细胞壁多糖组分、诱导细胞膜和液泡膜上金属转运子的过表达等一系列应答反应，其分子机理有待研究[15]。因此，弄清楚Zn-Cd影响蔬菜的分子机理，从分子细胞生物学的角度探究出可供良好解决Zn、Cd影响蔬菜安全生产的方法是亟待解决的重要问题。③拓展相关的重金属缓解剂方面的研究。已有研究表明，生物炭[16]、硅[17]等的添加可以显著降低土壤中重金属的有效性，降低重金属在植物体中的积累量;显著提高了植物地上部和地下部的生物量。基于此，开展更多的治理、缓解措施（如重金属缓解剂）等相关方面的研究在蔬菜安全生产上具有重要的指导意义。

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