不同浓度镉污染土壤对猕猴桃的影响

郑昌锐 唐运来 廖慧苹 罗中魏 方莉 徐兴柱

摘要：利用盆栽模拟试验，设置3种浓度镉（Cd）污染土壤处理和空白对照，探究不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃（Actinidia chinensis Planch.）生长的影响以及Cd在猕猴桃中的富集和转移规律。结果表明，在低浓度Cd污染土壤中，猕猴桃的鲜重、根茎部直径、根长、叶面积均无显著影响，在中高浓度Cd污染土壤中，猕猴桃的生长发育被抑制，鲜重、根茎部直径、根长、叶面积均下降，且浓度越高生长受到的抑制越严重；随着土壤Cd浓度的增加，猕猴桃叶的吸收能力增加而富集能力不变、猕猴桃茎吸收能力增加而富集能力先减小后增加、猕猴桃根吸收能力增强而富集能力先下降后趋于稳定；随着土壤Cd浓度的增加，猕猴桃的转移系数先下降后趋于稳定，转移系数均小于1，重金属Cd主要富集在猕猴桃根部；在不同浓度Cd污染条件下，猕猴桃根、茎、叶的富集系数均表现为根>茎>叶。

关键词：猕猴桃（Actinidia chinensis Planch.）； Cd； 富集系数； 转移系数

中图分类号：S663.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）04-0090-06

Effects of different concentrations of cadmium contaminated soil on kiwifruit

Abstract： The effects of cadmium（Cd） contaminated soil with different concentrations on the growth of kiwifruit（Actinidia chinensis Planch.） and the accumulation and transfer rule of Cd in kiwifruit were studied by pot simulation experiment. The results showed that the fresh weight， rhizomes diameter， root length and leaf area of kiwifruit were all not significantly affected in the soil polluted by low concentration Cd. In the soil polluted by medium and high concentration Cd， the growth and development of kiwifruit were inhibited， and the fresh weight， rhizomes diameter， root length and leaf area were all decreased， and the growth was more severely inhibited with the higher concentration Cd； with the increase of soil Cd concentration， the absorption capacity of kiwifruit leaves increased but the enrichment capacity remained unchanged， the absorption capacity of kiwifruit stems increased but the enrichment capacity first decreased and then increased， and the absorption capacity of kiwifruit roots increased but the enrichment capacity first decreased and then tended to be stable； with the increase of soil Cd concentration， the transfer coefficients of kiwifruit first decreased and then tended to be stable， and the transfer coefficients were all less than 1. The heavy metal Cd was mainly enriched in the roots of kiwifruit. Under the conditions of different concentrations of Cd pollution， the enrichment coefficients of the roots， stems and leaves of kiwifruit were root > stem > leaf.

Key words： kiwifruit（Actinidia chinensis Planch.）； cadmium（Cd）； enrichment coefficient； transfer coefficient

土壤中重金屬污染不仅会降低作物的产量与品质、影响作物生长与发育［1-3］，而且恶化环境，并通过食物链危及动物和人类的健康及生命安全［4，5］。有统计表明，中国有接近20%的土壤遭受铅、镉、铬等重金属的污染，其中镉污染最严重达7%［6］。如何在重金属污染土壤上生产出符合食品安全标准的农产品，一直是国内外科学家和广大民众高度关注的前沿热点问题。关于土壤重金属污染的来源［7］、重金属污染的生物学效应［8，9］、重金属在植物体内的迁移和在食物链的转移［10，11］以及各种土壤重金属污染的治理策略和技术［12，13］等已得到国内外同行的广泛研究和报道。但至今关于重金属在猕猴桃中的富集与迁移规律的研究较为鲜见，且结论不一致。党华美［14］发现猕猴桃不同部位对重金属的富集能力具有明显差异，重金属富集能力表现为茎>叶>果；李晓彤等［15］系统研究了陕西周至县和眉县猕猴桃果园的猕猴桃果树与猕猴桃果实中Cd、Cr、Hg、Pb、As、Cu等重金属的含量，发现猕猴桃果树中Cr、Pb、As含量表现为根>茎>叶，且这3个重金属地下部分的总含量大于地上部分，Cd含量表现为根>茎>叶，但地下部分总含量小于地上部分；Cu含量表现为茎>叶>根；Hg含量表现为叶>根>茎。因此，重金属在猕猴桃中的富集情况及其对猕猴桃生长的影响研究具有重要的科学意义和实践应用价值。

四川省是猕猴桃主要种植区［16-18］，其中龙门山脉沿线的什邡、绵竹等地是猕猴桃适宜种植区及主产区之一［19］，当地的猕猴桃产业是“5·12”地震灾后重建重点产业，是四川省德阳市国家农业科技园区核心支柱产业，当地已培育出红什1号、金什1号［20］、红什2号［21］、宝贝星［22］等多个新品种，优势突出。但由于德阳市重工业发达，排污一直存在问题［23，24］，现有调查资料表明，该地区土壤的铅、镉、铬等有害重金属的含量明显超标［25］。因此，本研究通过模拟试验系统研究不同Cd浓度污染土壤对猕猴桃的生长影响以及Cd在猕猴桃体内的富集和转移规律，便于后期探讨影响重金属Cd从土壤向猕猴桃根茎叶及果实转移的因素和调控措施，对保障在重金属污染土壤上生产出安全健康的猕猴桃具有深远的意义。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试植物 供试猕猴桃幼苗为德阳市当地野生美味猕猴桃，具有抗病性好、长势旺、根系发达等优点，是当地主栽品种的砧木，由四川华胜农业股份有限公司提供。

1.1.2 供试土壤 采集四川华胜农业股份有限公司猕猴桃基地的土壤，风干去杂质，捣碎后过筛备用。供试土壤基本理化性质如表1所示。

1.1.3 外源重金属试剂 试验所选用的外源重金属试剂为氯化镉（CdCl2），相对分子质量为183.317，无色单斜晶体。

1.2 试验设计

1.2.1 Cd污染土壤的配制 采取向供试土壤添加外源氯化镉（CdCl2）来模拟不同浓度Cd污染土壤。模拟污染土壤采用递进拌制法，用专业搅拌器将重金属和供试土壤充分搅拌均匀。根据试验要求结合当地土壤Cd含量，每组设置3个不同浓度Cd污染土壤，分别为1、5、10 mg/kg，分别对应低、中、高浓度污染，对照的空白试验不加外源氯化镉，待充分搅拌均匀后使供试土壤中的含水量为田间含水量的60%左右，静置1个月备用。每盆定量称取5.0 kg土壤装至试验花盆中（规格：直径25 cm、高30 cm，底部有孔带托盘），此工作于2019年11月上旬完成。

1.2.2 苗木栽培 于2019年12月上旬选取长势一致、根茎部粗细一致、根系长度一致的正常健康猕猴桃一年生幼苗，经过一致修剪后（地上部分留2个芽，地下根系剪掉多余根系，留根长度为5 cm），定植到处理组中，每个处理重复5次，每盆定植1株，共20盆。定植后置于温室大棚中，定期浇水调节土壤含水量至田间含水量的60%～70%，注意将花盆底盘中的沥出物全部倒回到花盆中，2020年3月中旬对盆栽猕猴桃进行抹芽，用牵引绳进行牵引，5月对盆栽猕猴桃进行摘心，植株统一高度为60 cm，水肥管理正常进行，2020年10月对猕猴桃进行取样，并测定相关指标。

1.3 取样和测定方法

1.3.1 盆栽猕猴桃生长指标测定 2020年10月下旬测量盆栽猕猴桃根茎粗度（离地面10 cm处）后，将猕猴桃完整取样，测量猕猴桃根系长度和叶片的叶面积，接着用清洁熟料剪刀分离猕猴桃根、茎、叶，用去离子水清洗干净后自然晾干，称取猕猴桃全部根系、茎干、叶片鲜重，随后置于105 ℃恒温杀青20 min，于80 ℃烘至恒重，用不锈钢粉碎机粉碎，取出保存、貼上标签备用。

1.3.2 盆栽猕猴桃根、茎、叶中重金属Cd的测定 首先利用粉碎机将烘干后的猕猴桃根、茎、叶分别粉碎，用分析天平称取0.300 g样品，置于微波消解罐中，依次加5 mL硝酸（HNO3）以及2 mL氢氟酸（HF）后进行微波消解，待消解完成（以消解液为无残渣溶液为宜）后，接着将消解液用3 mL硝酸（HNO3）转移到聚四氟乙烯坩埚中，并加入1 mL高氯酸（HClO4）置于电热板上加热至冒浓白烟结束为止，消解完成后用0.22 μm的滤膜对消解液进行过滤，过滤完后转移定容至10 mL，最后用原子吸收光谱仪测定重金属Cd含量。

1.3.3 计算方法与数据处理 利用植物地上部分、地下部分及土壤全Cd含量（mg/kg）计算富集系数（Bio-accumulatiao factor，BCF）和转移系数（Trans-location factor，TF）。利用Microsoft Excel 2010软件进行平行样平均值和标准差的计算，同时利用DPS 15.1软件进行方差分析和LSD多重比较，检验处理间的差异程度。采用Origin 2021软件制图。

富集系数=植物地上部分Cd含量或地下部分Cd含量/土壤全Cd含量   （1）

转移系数=植物地上部分Cd含量/植物地下部分Cd含量    （2）

2 结果与分析

2.1 不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃生长的影响

2.1.1 不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃根、茎、叶鲜重的影响 猕猴桃根、茎、叶的鲜重可以反映猕猴桃的生长情况，盆栽试验中猕猴桃的根、茎、叶鲜重能反映重金属Cd对猕猴桃植株生长发育的影响。

由图1可以看出，在不同浓度Cd污染环境下，盆栽猕猴桃根、茎、叶的鲜重表现为对照>1 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理>10 mg/kg Cd处理，但对照与1 mg/kg Cd处理之间无显著差异，同一部位其他各处理间均呈显著差异，说明土壤中重金属Cd在小于或等于1 mg/kg浓度下，对猕猴桃根、茎和叶的鲜重无显著影响，当土壤Cd在中高浓度下，随着土壤Cd浓度的增加，猕猴桃根、茎、叶的鲜重减小；在同一浓度下，猕猴桃根、茎、叶的鲜重不同，对照和1 mg/kg Cd处理的叶鲜重较大，茎鲜重最小；在5 mg/kg Cd处理中，鲜重表现为根>茎>叶，但三者之间差异不显著；在10 mg/kg Cd处理中，鲜重表现为根>茎>叶，三者之间差异显著。这说明土壤Cd在小于或等于1 mg/kg浓度环境下，猕猴桃叶片鲜重最高，当随着土壤Cd浓度继续增加，猕猴桃叶片鲜重急剧下降，叶鲜重最小。

2.1.2 不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃根系长度、根茎部直径、叶面积的影响 猕猴桃根系长度、叶面积、根茎部直径也是猕猴桃生长的重要指标，一般来说，猕猴桃生长越健康，根系越发达，叶面积越大，根茎部直径越长。由图2可知，在不同浓度Cd污染环境下，盆栽猕猴桃根系长度表现为对照>1 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理>10 mg/kg Cd处理，对照与    1 mg/kg Cd处理之间无显著差异，5 mg/kg Cd处理与10 mg/kg Cd处理之间无显著差异，其他Cd浓度处理之间呈显著差异，在小于或等于1 mg/kg Cd污染环境下，对猕猴桃的根系长度无显著影响，在Cd污染程度大于或等于5 mg/kg时可显著减少猕猴桃根系长度；盆栽猕猴桃根茎部直径表现为对照>1 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理>10 mg/kg Cd处理，对照与1 mg/kg Cd处理、5 mg/kg Cd处理与10 mg/kg Cd处理之间无显著差异，其他Cd浓度处理之间呈显著差异，在相对轻度（低浓度）Cd污染环境下不会对猕猴桃根茎部直径产生显著影响，但随着土壤Cd浓度继续增加，猕猴桃根茎部直径会显著减小；盆栽猕猴桃叶面积表现为对照>1 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理>10 mg/kg Cd处理，对照与1 mg/kg Cd处理之间无显著差异，其他Cd浓度处理之间呈显著差异，在小于或等于1 mg/kg Cd污染环境不会对猕猴桃叶面积产生显著影响，但随着土壤Cd浓度继续增加，猕猴桃叶面积会显著减小。

2.2 不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃根、茎、叶中Cd含量的影响

从图3可以看出，猕猴桃根中Cd含量表现为10 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理>1 mg/kg Cd处理>对照，各处理根中Cd含量之间呈显著差异，说明在一定范围内，随着土壤中重金属Cd浓度的增加，猕猴桃根系吸收土壤中重金属Cd的能力增强；猕猴桃叶和茎中Cd含量也表现为10 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理>1 mg/kg Cd处理>对照，10 mg/kg Cd处理的猕猴桃叶和茎中Cd含量分别与5 mg/kg Cd处理、   1 mg/kg Cd處理、对照之间呈显著差异，1 mg/kg Cd处理的猕猴桃叶和茎中Cd含量均与对照之间无显著差异，说明土壤中Cd浓度小于或等于1 mg/kg时，不影响猕猴桃叶和茎对重金属Cd的吸收能力，而当土壤Cd浓度高于5 mg/kg时，则会促进猕猴桃叶和茎对重金属Cd的吸收。各处理猕猴桃根、茎、叶中Cd含量均表现为根>茎>叶，各处理之间均呈显著差异，但对照的猕猴桃叶和茎中Cd含量差异不显著，说明在土壤重金属Cd含量小于1 mg/kg时，猕猴桃根系吸收重金属Cd的能力最大，茎和叶吸收Cd的能力差异不大，当土壤Cd浓度继续增加时，猕猴桃各器官中吸收重金属Cd的能力表现为根>茎>叶。

2.3 不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃运转能力及其根、茎、叶富集能力的影响

重金属进入植物体内后通过各种运输方式运转到各个部位，转移系数是植物地上部分与地下部分的比值，转移系数大小可表示植物将重金属运转至各部位能力的强弱。富集系数是植物地上部分重金属与土壤重金属含量的比值，Cd的富集系数反映了植物富集Cd的能力。

由表2可知，各处理中猕猴桃的转移系数表现为对照>1 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理>10 mg/kg Cd处理，5 mg/kg Cd处理与10 mg/kg Cd处理之间差异不显著，其他各处理之间差异显著，说明当土壤Cd浓度小于或等于10 mg/kg条件下随着土壤Cd浓度的增加，猕猴桃运转Cd的能力呈下降趋势，当土壤Cd浓度大于5 mg/kg时，转移系数趋于稳定，各处理转移系数都小于1，说明猕猴桃富集重金属主要集中在根部。

由富集系数可知，对猕猴桃根而言，大田猕猴桃根系对Cd的富集系数比对照小，且呈显著差异，说明盆栽提高了猕猴桃根系富集Cd的能力。从各处理来看，根的富集系数表现为对照>1 mg/kg Cd处理>10 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理，结合显著性发现，土壤中Cd浓度相对较低（≤5 mg/kg）时，猕猴桃根对Cd的富集能力呈下降趋势，随着土壤中Cd浓度的增加，猕猴桃根系富集能力逐渐趋于稳定。对猕猴桃茎而言，大田猕猴桃茎Cd的富集系数小于对照，说明盆栽促进了猕猴桃茎对Cd的富集，提高了对Cd的富集能力。从各处理来看，茎的富集系数表现为对照>1 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理>10 mg/kg Cd处理，5 mg/kg Cd处理与10 mg/kg Cd处理之间差异不显著，其他各处理之间差异显著，说明随着土壤中重金属Cd浓度的增加，猕猴桃茎对Cd的富集能力先减小后逐渐趋于稳定。就猕猴桃叶片而言，大田猕猴桃叶片Cd的富集能力大于对照，但二者之间差异不显著，说明盆栽不会促进猕猴桃叶片Cd的富集。各处理中叶片的富集系数表现为对照>10 mg/kg Cd处理>1 mg/kg Cd处理>5 mg/kg Cd处理，3个处理之间无显著差异，说明随着土壤Cd浓度的增加，猕猴桃叶片对Cd的富集能力不会显著增加。

由图4可以看出，对照和1 mg/kg Cd处理中根、茎的富集系数之间呈显著差异，且富集系数表现为根>茎>叶，说明在土壤中重金属Cd中低度污染时，猕猴桃各器官富集能力表现为根>茎>叶。5 mg/kg Cd处理和10 mg/kg Cd处理富集系数也表现为根>茎>叶，但茎与叶的富集系数之间差异不显著，说明在重度（高浓度）Cd污染条件下，猕猴桃各器官中根的富集能力最强，茎和叶的富集能力相差不大。从数值角度来看，各处理根的富集系数均大于1，各处理茎在中低浓度Cd污染条件下富集系数大于1，在重度Cd污染条件下小于1，各处理叶片富集系数都小于1，所以猕猴桃的根系是主要的Cd吸收和富集部位。

3 讨论

3.1 重金属Cd对猕猴桃生长的影响

不同浓度的重金属会对作物生长产生影响，通过盆栽模拟试验，本研究发现，土壤在重金属Cd中低浓度污染下，对猕猴桃的鲜重、根茎部粗度、根长、叶面积等没有显著的抑制作用，当土壤重金属Cd浓度继续增加，达到重度污染时，猕猴桃的这些生长指标下降，且土壤中Cd浓度越高，植株生长受到的抑制越严重。这与施志鹤［26］研究不同浓度重金属对烟草生长的结果相似。

3.2 重金属Cd对猕猴桃根、茎、叶中Cd含量的影响

本研究发现土壤中重金属Cd浓度相对较低时，不影响猕猴桃叶和茎对重金属Cd的吸收能力，只有当浓度相对较高时才会促进猕猴桃叶和茎对重金属Cd的吸收；就猕猴桃根系而言，随着土壤重金属Cd浓度的增加，猕猴桃根系吸收土壤中重金属Cd的能力增强。当土壤重金属Cd含量较低时，猕猴桃根系吸收重金属Cd的能力最大，茎和叶吸收Cd的能力差异不大，当土壤Cd浓度增加时，猕猴桃各器官吸收重金属Cd的能力表现为根>茎>叶，与李晓彤等［15］的研究相似。

3.3 重金属Cd对猕猴桃转移系数和富集系数的影响

在低浓度条件下，随着土壤中重金属Cd浓度的增加，猕猴桃转运Cd的能力下降，当处于较高浓度时，转运系数趋于稳定，各处理转运系数都小于1，说明猕猴桃富集重金属主要集中在根部。各处理根的富集系数均大于1，茎在中低浓度Cd污染条件下富集系数大于1，在重度Cd污染条件下小于1，各处理叶片富集系数都小于1，富集系数表现为根>茎>叶，所以猕猴桃的根系是Cd主要的吸收、富集部位，其次是茎，最后是叶。随着土壤中重金属Cd浓度的增加，猕猴桃根系富集能力先下降再趋于稳定，猕猴桃茎先增加后减小再趋于稳定，而猕猴桃叶的富集系数一直较为稳定。这是因为富集系数等于植物地上各部分重金属的含量除以地下部分重金属的含量，随着重金属浓度的增加，植物生长发育受到抑制，植物体内重金属含量越高，植物受到胁迫越大，甚至会停止生长，体内吸收重金属能力必然减弱，土壤剩余重金属浓度越高，反而会导致富集系数减小，这就是植物各部分器官重金属的含量在增加，富集系数反而下降了的原因。

4 小结

本研究利用盆栽试验，探究不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃的生长发育和重金属Cd在猕猴桃体内的富集和转移规律的影响，主要研究结论如下。

1）不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃的生长发育的影响不同。低浓度Cd污染土壤对猕猴桃的鲜重、根茎部直径、根长、叶面积均无显著影响；中高浓度Cd污染条件下，猕猴桃的生长发育被抑制，鲜重、根茎部直径、根长、叶面积均下降，且浓度越高生长受到的抑制越严重。

2）不同浓度Cd污染土壤对猕猴桃吸收、富集和转移重金属Cd的影响不同。随着土壤中重金属Cd浓度的增加，猕猴桃叶的吸收能力增加而富集能力不变、猕猴桃茎的吸收能力增加而富集能力先减小后趋于稳定、猕猴桃根的吸收能力增强而富集能力先下降后趋于稳定；随着土壤Cd浓度的增加，猕猴桃的转移系数下降后趋于稳定，转移系数均小于1，猕猴桃重金属Cd主要富集在猕猴桃根部；在不同浓度下，猕猴桃根茎叶的富集系数均表现为根>茎>叶。

5 展望

本研究通过不同浓度土壤Cd污染揭示重金属镉在猕猴桃中的富集与转移规律，促进铅、铬、汞、铜等其他重金属在猕猴桃中富集和转移规律的研究，再此基础上促进研究因素对重金属在猕猴桃体内富集和迁移的影响研究，便于研发出减少重金属从土壤向猕猴桃植株转移及减少重金属从猕猴桃根、茎、叶向猕猴桃果实转移的调控技术，研究成果将为在不同重金属污染土壤上猕猴桃的安全生产技术方案提供理论依据。

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