不同程度镉污染对棉花生长和镉富集特征的影响

陈丽丽，李俊华，鲁伟丹，罗 彤，田 爽

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】农业土壤中的镉污染及其对作物吸收[1]。镉既容易积聚在植物体内对生理过程有很强的抑制作用[2]。对棉花研究不同程度镉污染土壤下棉花生长和镉富集的特征。【前人研究进展】植物修复技术是修复治理重金属污染农田的有效途径之一，其中植物提取是利用富集或超富集植物吸收和转运重金属，并累积在植物地上部，随后收获地上部分并集中处理的技术[3]，该技术应用广泛，修复成本低、环境友好、对土壤破坏小，适用于修复大面积、中轻度重金属污染的土壤[4]。新疆棉花产量占全国棉花生产总量的70%左右[5]。杂交棉湘杂棉15号在10 mg/L镉处理下单株棉镉富集量可达3 mg，有很强的镉富集能力[6]。冀棉958在镉为30 mg/kg时，棉花地上部吸镉量最大，为74.83 μg，是对照组吸镉量的5.02倍[7]。【本研究切入点】石河子垦区是新疆重要的棉花和畜牧业生产基地[8]，土壤重金属污染问题都需要引起重视[9]。目前，植物提取修复镉污染土壤的研究主要集中在镉重污染区，超富集植物对镉污染土壤镉吸收与积累之间的关系，而棉花对不同程度镉污染土壤的修复研究鲜有报道。研究不同程度镉污染对棉花生长和镉富集特征的影响。【拟解决的关键问题】选取新疆北疆早熟棉花品种新陆早42号为材料，研究镉胁迫下棉花植株各器官镉的分布和积累，分析镉在植株中的分布及其累积，为棉花对镉污染耕地的修复应用和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验在石河子大学农学院试验站(86°01′E,44°26.5′N)进行，当地无霜期为168～171 d，年日照时数2 721～2 818 h，≥0℃的活动积温为4 023～4 118℃，≥10℃的活动积温为3 570～3 729℃，年降水量125.0～207.7 mm。供试土壤为灌耕灰漠土，土壤质地为壤土。供试前土壤基础理化性质碱解氮含量16.2 mg/kg、有效磷含量11.2 mg/kg、有效钾含量130.1 mg/kg、有机质含量14.2 g/kg、土壤全镉含量0.89 mg/kg、 pH 为8.38。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

棉花品种为新陆早42号，以不添加镉的自然土壤为对照，外源镉采用CdCl2·2.5 H2O(分析纯试剂)溶液的形式添加到土壤中，分别将试验用土按处理数分为4堆，按照相应浓度CdCl2配成溶液(对照喷清水)，用喷壶喷洒分别与过 2 mm 筛土壤反复混合均匀，第1周每天混合3次，1 d搅匀1次，共陈化30 d，装盆前在混匀10次，称重法按处理对应装入花盆。使土壤外源镉添加量为0、1、5和10 mg/kg，分别记作Cd0(CK空白对照)、Cd1、Cd5、Cd10。于2019 年5 月1 日开始，为盆栽模拟试验，用根际袋法采集不同处理的根际与非根际土壤，每盆装入7.5 kg土，其中1.5 kg装在300目的尼龙网袋中为根际土，尼龙网袋放在盆中央，袋周围及底部为相同处理的6 kg非根际土，并保持袋内外土壤高度相同。尼龙网袋上部开口用来种植棉花，棉花根系全部限制在尼龙网袋中。所有土壤过2 mm筛并施相同量的底肥，每组3盆作为重复，共12组。浇水500 mL待水土稳定后，每盆播15粒，待棉花真叶长出后选择长势一致的将每盆定苗至3株。75 d后(花铃期)分植株与土壤进行样品采集。

1.2.2 样品采集与测定

每盆土壤分根际、非根际进行样品的采集，非根际部分充分混合均匀后，用“四分法”保留土壤，土样风干过1、0.15 mm筛，分析土壤理化性状、镉含量与有效态镉含量。每盆将根袋取出，抖土加冲洗获得根际土和完整的根，地上其它部分则分茎、叶、蕾分别采样装在信封袋中，带回实验室在105℃下杀青0.5 h后75℃烘干至恒重，烘干后用百分之一天平称其干物质重，称重后用粉碎机粉碎待测镉含量。镉含量的测定则先用微波消解仪(安东帕)消解[9]，再用石墨炉-原子分光光度计(日立Z-2000)进行土壤和棉花植株镉含量的测定。

1.3 数据处理

转移系数、富集系数和Cd积累量的计算，用以下公式计算。

计算公式为:转移系数=地上部分 (茎叶蕾) 平均Cd含量/根部Cd含量；

富集系数=器官中 Cd含量/土壤中 Cd含量；

Cd积累量=作物各器官的干重×相应的Cd含量；

试验数据为3次重复的平均值，采用SPSS 21和Microsoft Excel 2016软件对数据进行分析和处理，单因素方差分析Duncun法多重比较各处理间的差异显著性(P<0.05) ，Microsoft Excel 2016完成制图。

2 结果与分析

2.1 镉处理下棉花种植对土壤pH和镉含量的影响

研究表明，随着镉处理浓度的增加，根际与非根际土壤全镉含量随之增加，但非根际土壤增加的量高于根际土壤；各处理土壤全镉含量相对于Cd0处理显著升高，根际土壤增长了61.96%、436.95%和966.30%，非根际土壤增长了92.73%、384.54%和816.36%。图1

注：R 根际土壤；NR 非根际土壤，图中不同小写字母表示同一土壤不同cd浓度比较差异显著(P<0.05)，下同

研究表明，土壤有效态镉含量为根际土壤>非根际土壤；各处理土壤有效态镉含量相对于Cd0处理显著上升，根际土壤上升了60.30%、338.33%和675.25%，非根际土壤上升了56.86%、346.08%和689.22%。图2

图2 种植棉花下土壤有效态镉含量变化

研究表明，根际土壤pH值随镉处理浓度的增加逐渐升高，平均升高了0.13～0.28，Cd10处理显著高于Cd0处理，平均高了0.28，Cd1与Cd5处理也显著高于Cd0处理，平均高了0.13和0.14，但Cd1与Cd5处理之间差异不显著。非根际土壤pH随镉处理浓度的增加逐渐降低，平均降低了0.17～0.31，Cd0处理显著高于Cd5与Cd10处理，平均高了0.30～0.31，但Cd0处理与Cd1处理之间差异不显著，Cd5与Cd10处理之间差异也不显著。图3

图3 种植棉花下土壤pH变化

2.2 镉处理对棉花生长的影响

研究表明，镉处理下，棉花株高和地上部生物量均随着镉浓度的升高，显著下降，株高和生物量的表现为Cd0处理>Cd1处理> Cd5处理> Cd10处理，与Cd0处理相比棉花株高和地上部干重分别显著降低了4.93%、16.56%、20.76%和4.31%、11.96%、14.58%。地下部干重和根冠比变化情况则与之相反，与Cd0处理相比，Cd1处理地下部干重和根冠比分别升高了1.31%和9.1%，但差异不显著，Cd5处理分别显著增加了24.1%和45.5%，Cd10处理分别显著增加了40.5%和63.6%促进作用。总生物量则随着镉浓度的升高而下降，与Cd0处理相比，Cd1处理下降了12.3%，各镉浓度处理下总生物量之间差异不显著。表1

表1 不同浓度镉处理下棉花生长

2.3 镉处理对棉花各器官镉含量及镉富集转移能力的影响

研究表明，棉花根、茎、叶和蕾镉含量均随土壤镉含量的增加而显著提高，均呈显著的正相关关系(根、茎、叶和蕾相关系数R2分别为0.735、0.975、0.967、0.953、P<0.05)，且各器官镉含量表现为根>茎>叶≈蕾；根在Cd1处理下镉含量提高了83.5%，Cd5处理下提高了118.9%，Cd10处理下提高了115.4%；茎在Cd1处理下镉含量变化不显著，Cd5处理下提高了615.5%，Cd10处理下提高了893.8%；叶在Cd1处理下镉含量变化不显著，Cd5处理下提高了100.0%，Cd10处理下提高了231.6%；蕾在Cd1处理下镉含量提高了2 388.9%，Cd5处理下提高了3 555.6%，Cd10处理下提高了6 744.4%。图4

图4 不同浓度镉处理下棉花各器官镉含量

低浓度的镉处理(1 mg/kg时)促进了根系对镉的生物富集能力，与对照相比，Cd5与Cd10处理对镉的富集能力受到抑制，分别下降了60.2%和80.5%；各处理对茎的镉富集能力无显著影响，但在Cd5处理下，富集系数最大，为1.42；叶的富集能力随镉胁迫程度的增加，显著降低，叶的富集系数分别下降了82.04%、91.84%、93.27%；蕾在镉胁迫下，富集能力先增加后降低。在Cd1处理下，富集系数最大，为1.49。表2

表2 不同浓度镉处理下棉花各器官富集系数

与Cd0处理相比，茎在Cd1处理下镉转移系数降低了10.00%，在Cd5和Cd10处理时显著升高了227.27%和354.54%；叶在Cd1处理时先降低了45.45%，Cd5处理与Cd0处理无显著差异，Cd10处理有显著提高，提高了54.54%；添加镉使蕾的镉转移系数显著升高，蕾的转移系数分别升高了1 300%、1 600%、3 100%。表3

表3 不同浓度镉处理下棉花各器官转移系数

2.4 镉处理对棉花镉积累量的影响

研究表明，棉花地上、地下和总的镉积累量均随着镉浓度的升高显著增加，在Cd0与Cd1处理时地下部镉积累量大于地上部，随着镉浓度的增加地上部镉积累量大于地下部。与Cd0处理相比，地下部的镉积累量分别显著增加了86.10%、171.73%、203.18%；地上部的镉积累量分别显著增加了136.67%、413.44%、705.35%；总的镉积累量分别显著增加了106.01%、273.97%、400.87%。

将棉花地上部细分为茎、叶和蕾，其镉积累量均随土壤镉含量的增加而显著提高，呈显著的正相关关系(茎、叶和蕾相关系数R2分别为0.898，0.942，0.908，P<0.05)；与Cd0处理相比，茎的镉积累量增加了6.04%、641.52%、670.14%；叶的镉积累量增加了91.96%、160.21%；蕾的镉积累量增加了2 561.69%、2 470.13%、6 303.90%。图5

注：图中不同小写字母表示镉积累量在不同Cd浓度比较下差异显著(P<0.05)

2.5 镉积累量与土壤pH和棉花生物量及镉含量的关系

研究表明，棉花镉的总积累量与根际土壤全镉含量和根际土壤pH值呈正相关关系，相关系数分别为0.962*和0.944；与根际土壤有效态镉含量和总生物量呈负相关关系，相关系数分别为-0.975*和-0.510。根际全镉含量和根际pH之间呈正相关关系，相关系数为0.914；根际pH与根际有效态镉含量之间呈显著负相关，相关系数为-0.71**；总生物量与根际有效态镉含量、根际全镉含量和根际pH之间均呈负相关关系，相关系数分别为-0.357、-0.328和-0.672。表4

表4 镉积累量与根际土壤pH和镉含量及棉花生物量和镉含量相关性

3 讨 论

研究通过外源均匀向土壤中添入不同量的镉，发现种植棉花后土壤全镉含量表现为根际土壤<非根际土壤，棉花可以吸收污染土壤中的镉，而棉花根系比地上部吸收的镉要多。土壤有效态镉含量则表现为根际土壤>非根际土壤，这可能与土壤pH的变化有关，廉梅花等[10]研究发现随土壤pH值升高，在种植东南景天植物后土壤有效态镉含量下降；黄宇等[11]研究也发现土壤有效态镉含量与pH值呈极显著负相关。研究显示，种植过棉花后根际土壤的pH小于非根际土壤的pH，这种根际的酸化作用，导致有效态镉的含量根际>非根际，这与廉梅花、黄宇等[10-11]研究结果一致。

欧阳燕莎等[12]研究表明，棉花的株高和茎、叶的生物量随着Cd浓度的增加而减小；陈浩东[6]研究发现，与对照相比在高浓度(5和10 mg/kg)的镉胁迫下，棉株的平均高度显著降低，试验同样证实这一结论。根系是作物吸收养分和水分最活跃的器官，也是受外界影响最直接的部位[13]。研究发现，一定浓度的镉胁迫能促进根系的发育，提高根系干物质量，金美芳等[14]研究表明，在≤ 5 mg/kg镉胁迫下能促进油菜根系生长。而田晓锋等[15]研究表明，长时间高浓度的Cd胁迫对梧桐幼苗的根系生长表现出强烈抑制作用；李希铭等[16]研究也表明，随着Cd浓度增加，紫花苜蓿根系生物量下降，Cd浓度越高对生长产生的伤害越严重。这与研究有不同结果。

镉在植物体内的含量和分布，反映植物对镉的耐性，会影响人类(进入食物链或与人体接触)健康[2]。研究表明，随着镉胁迫浓度的增加，地上部和地下部镉积累量均呈现增加趋势，且在高镉胁迫下(5和10 mg/kg)，镉积累量表现为：地上部>地下部，且棉花地上部的镉积累主要在叶片内，李玲等[17]和刘连涛等[18]研究也有相同结论。李玲等[17]研究还发现镉在地上部非生殖器官中累积的镉含量远远高于在根中的镉含量。这可能与镉在棉花中的存在形态和运输机制有关。镉在植物根中主要以氯化钠提取态存在，所以镉更容易由根向地上部转移[19]。生物富集系数是用来衡量植物对元素吸收和贮存能力的指标[7]，不同器官对镉的富集系数也不同，大多数植物吸收的镉主要积累在根系，而在地上部的含量较低[20]。

研究中棉花根系的镉富集系数大于茎、叶和蕾，可能与镉进入根皮层细胞被多种有机物质结合沉积相关[21]，而镉积累在根部，阻止了其向地上部转移，减轻了镉对地上部器官的毒害作用[17]。转移系数表示镉从地下部向地上部转运的效率[7]，在研究中，茎的转移系数随镉浓度升高而增加，10 mg/kg的镉胁迫下转移率达到了50%，棉花茎对镉有较强的转移能力，促进地上部对镉的积累。但不同胁迫对棉花根中镉存在形态和转化的影响仍不明确，有待进一步深入研究。

研究表明，根际全镉含量和根际pH分别与棉花镉积累量之间呈正相关关系。积累量是生物量与镉含量的乘积，镉胁迫下该品种棉花根系对镉有较强的富集能力，缓解了镉对地上部分的损害，地上部分又对镉有一定的转移能力，各器官镉含量随镉胁迫浓度增加而上升，李玲等[17]和刘连涛等[18]研究也有相同结论。易亚科[22]和淡俊豪[23]等发现土壤pH值与植株镉含量和镉初级转运系数间呈现正相关关系；陆红飞等[24]发现苹果酸和酒石酸的施加，土壤pH和植株镉含量也呈正相关，镉富集与转移促进镉积累，表现出根际pH与镉积累量之间的正相关。

研究探讨了不同镉浓度对棉花种植后土壤镉含量和有效性、pH变化以及棉花的生长、各器官镉吸收，富集、转移和积累镉的影响。但试验仅在特定的棉花品种与土壤类型条件下开展，棉花品种和土壤类型会直接影响棉花镉耐性、土壤pH、镉形态和有效性，进而影响棉花生长和镉积累。还需要进一步开展不同pH值或不同外源添加物对棉花生长、光合作用、生理特性等全方位的研究。

4 结 论

4.1 在5和10 mg/kg镉胁迫下棉花镉积累量均表现为地上部>地下部。棉花种植后，根际土壤全镉含量和pH值分别与棉花镉积累量呈正相关关系，相关系数为0.962*和0.944。土壤全镉含量表现为根际土壤<非根际土壤；有效态镉的含量表现为根际>非根际；土壤pH值表现为根际<非根际。

4.2 随着镉浓度的增加，棉花生长受到抑制；但各器官镉含量吸收随之提高，与不添加镉处理相比根、茎、叶、蕾的镉含量变化范围分别为8.89～19.15、0.97～9.64、0.98～3.25和0.09～6.16 mg/kg。