施用羟基磷灰石对镉污染土壤西瓜品质和镉积累的影响

李 涵 王志伟，3 闵子杨，3 戴思慧 邹 甜 孙 波 孙小武，2*

（1湖南农业大学园艺园林学院，湖南长沙 410128；2湖南省瓜类研究所，湖南邵阳 422001；3湖南省西瓜甜瓜研究所，湖南长沙 410125）

施用羟基磷灰石对镉污染土壤西瓜品质和镉积累的影响

李 涵1王志伟1，3闵子杨1，3戴思慧1邹 甜1孙 波1孙小武1，2*

（1湖南农业大学园艺园林学院，湖南长沙 410128；2湖南省瓜类研究所，湖南邵阳 422001；3湖南省西瓜甜瓜研究所，湖南长沙 410125）

以黄小玉、金鑫、黑马王子3个西瓜品种为试材，研究不同量的羟基磷灰石（HAP）对重金属镉中度污染土壤西瓜镉积累、分布规律和果实品质的影响，旨在验明西瓜在镉中度超标土壤生产时的安全性。结果表明：添加15 kg·（667 m2）-1HAP可以显著降低土壤中有效镉含量和西瓜不同部位镉的积累量；施用HAP对西瓜果实品质影响较小；西瓜植株中镉的分布规律为茎叶＞根系＞果实；不同西瓜品种对镉的吸收积累存在差异；适宜的西瓜品种在中度镉超标土壤仍能够生产出符合国家食品安全标准的西瓜。

西瓜；镉；羟基磷灰石；品质

随着矿产资源的开发，工业“三废”的排放、污水灌溉、污泥农用以及农药化肥的长期不合理施用，致使我国部分农田重金属超标比较严重（张亚丽 等，2001）。金属镉（Cd）是当前造成土壤快速、大面积污染的主要重金属元素之一，土壤镉含量过高会导致植物生长受到抑制，不仅降低作物品质，还会通过食物链影响人体健康（陈维新，1993；陈怀满，2002）。因此，治理重金属污染的农田，加快重金属污染地区农作物种植结构的调整，进行低积累农作物替代种植显得十分迫切。

湖南是有色重金属之乡，土壤镉污染问题比较严重，通常利用土壤改良剂羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）对镉污染土壤进行治理（陈杰华，2009）。西瓜是湖南重要的园艺作物，在湖南的年播种面积11万hm2左右，位于全国第四。然而，有关西瓜在重金属镉污染的农田中能否安全生产，西瓜吸收积累重金属镉的特点以及土壤改良剂对西瓜品质的影响研究甚少。本试验在镉中度超标土壤中种植西瓜，结合施用不同量HAP，研究西瓜不同部位重金属镉吸收、积累的特点及对西瓜果实品质的影响，以期为土壤重金属镉超标地区的西瓜安全生产和治理提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

湖南某矿区附近的稻田土，5 a内未种植西瓜，前茬作物为水稻。西瓜种植前的土壤理化性状为：pH值为5.6，速效氮含量79 mg·kg-1，速效磷10.4 mg·kg-1，速效钾91 mg·kg-1，有机质15 g·kg-1，镉0.842 mg·kg-1。根据国家土壤环境质量标准GB 15618—1995，该试验田土壤属重金属镉中度超标土壤。

1.2 试验方法

供试西瓜品种：黄小玉（小果型有籽西瓜）、金鑫（中果型有籽西瓜）、黑马王子（三倍体无籽西瓜），均由湖南雪峰种业有限责任公司提供。

试验于2014年4～8月进行，共设置4个处理，HAP施用量分别为Q10：10 kg·（667 m2）-1、Q15：15 kg·（667 m2）-1、Q20：20 kg·（667 m2）-1，以不添加HAP为对照（CK），周围设置保护行，HAP中不含镉元素。试验小区面积37.5 m2，随机区组排列，3次重复。将HAP条施于西瓜种植沟内与耕作层土壤混合均匀，覆盖地膜，4月6日选择生长整齐一致的二叶一心的西瓜幼苗进行定植，定植后正常栽培管理。西瓜成熟后，每个小区按5点取样法，每点选取3株西瓜进行根际土、根、上部茎叶（中部茎叶以上至生长点）、中部茎叶（结果节位前后各3节）、下部茎叶（根部以上至中部茎叶）和果实重金属镉含量的测定，并测定西瓜单果质量、果皮厚度、可溶性固形物含量、纵径、横径，计算果形指数。

1.3 测定方法

用直尺测量成熟果实纵径和横径的最大值，果皮厚度采用游标卡尺测定，可溶性固形物含量采用手持式折光仪测定，土壤中有效镉含量参照GB/T 23739—2009的方法进行测定，西瓜根、茎叶、果实中的镉含量参照GB/T 5009.15—2003的方法进行测定。

1.4 数据分析

采用SPSS 10.0统计软件，在5%水平下用LSD法分析所有处理与对照之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 HAP对西瓜植株根、茎叶中镉含量的影响

镉作为西瓜生长的一种非必需元素，主要积累于西瓜茎叶中，从图1可以看出，西瓜植株中镉分布规律为根部低于茎叶，下部茎叶＞中部茎叶＞上部茎叶。这可能是因为西瓜上部茎叶属于新生部位以及西瓜蔓较长，对镉的积累相对较少。添加HAP处理可以降低西瓜根部和茎叶中的镉含量，其中以Q15处理效果最为明显，与对照差异显著。Q15处理尤其对黄小玉下部茎叶镉含量的降幅影响最大，仅为对照镉含量的57.2%。

图1 HAP对西瓜植株不同部位镉含量的影响

2.2 HAP对西瓜果实中镉含量的影响

由表1可以看出，各西瓜品种果实中镉含量都明显低于国家标准（0.05 mg·kg-1），属于安全范围，可以放心食用。施用HAP可以不同程度地降低西瓜果实中的镉含量，其中Q15处理降低最多，黄小玉、金鑫和黑马王子分别比对照降低了28.8%、34.0%和24.6%，差异显著。

表1 HAP对西瓜果实中镉含量的影响mg·kg-1（FW）

2.3 HAP对西瓜果实品质的影响

由表2可以看出，施用HAP对镉中度污染土壤西瓜的果形指数、果皮厚度、可溶性固形物含量和单瓜质量影响较小，大多与对照差异不显著，说明施用HAP对西瓜果实品质基本无影响。

2.4 HAP对土壤中有效镉含量的影响

从表3可以看出，HAP各处理均可显著降低土壤中有效镉含量。其中Q15处理下的黄小玉和黑马王子土壤中有效镉含量最低，分别比对照降低了11.25%和16.29%；而Q20处理下的金鑫西瓜土壤中有效镉含量最低，比对照降低了14.32%。这说明HAP施用量对降低根际土壤中有效镉含量的作用可能与西瓜品种存在一定的关系。

表2 HAP对西瓜果实性状的影响

表3 HAP对土壤中有效镉含量的影响 mg·kg-1

3 讨论

3.1 西瓜植株内镉的分布规律

对不同品种西瓜根、茎叶和果实镉含量的分析表明，西瓜根系吸收镉之后主要转运到地上部茎叶中，而向果实中转移的较少。西瓜植株镉的积累规律为茎叶＞根系＞果实，这与葡萄镉含量根系＞茎叶＞果实的研究结果有一定差异（李小红 等，2010），可能是由于西瓜根系在土壤中的生长周期比葡萄根系短，加之庞大的地上部分以及旺盛的蒸腾作用，致使茎叶中镉含量比根系高。虽然西瓜茎叶镉含量相对较高，但向果实中转运重金属的量比较少，说明西瓜也有大多数植物所具有的一种对繁殖器官的保护机制，以避免对后代的毒害作用（Cao et al.，2001）。另外，西瓜不同部位茎叶中镉的分布也存在差异，下部茎叶镉含量明显比中部和上部要高，说明镉为西瓜植株生长的非必需元素，在一定条件下从土壤到达西瓜根部进而迁移至植株地上部尚需一些时间（Dong et al.，2006）。由于西瓜根和茎叶中镉含量相对较高，收获后的瓜蔓不宜还田，应带出田块进行农副产品深加工处理，延伸农业产业链，为西瓜产业增值的同时，实现清洁农业生产。

3.2 HAP对土壤、西瓜植株镉含量及果实品质的影响

HAP是一种新型磷酸盐类环境功能材料，它的晶体化学特性使其对多种重金属阳离子具有较强的吸附固定作用，而且不易造成二次污染。因此被广泛用于重金属污染土壤的原位修复，以有效地降低重金属的可利用性和植物毒性（商平和王丽娜，2005；宋勇 等，2010；王利 等，2011）。HAP是有效的Cd2+吸附剂，其机理主要有两类：① Cd2+与 Ca2+的交换，生成沉淀或矿物；② 表面络合（Nzihou & Sharrock，2010；马安良 等，2013）。

本试验结果表明，添加HAP后西瓜根际土壤中有效镉含量有所降低，西瓜植株和果实对镉的吸收也有所降低，以施用15 kg·（667 m2）-1的HAP处理效果最好，且在降低土壤有效镉离子浓度的同时对西瓜品质无不良影响。虽然添加HAP可以不同程度地降低西瓜植株中镉含量，但HAP的施用量并不是越多越好，超过一定范围之后，西瓜植株内重金属含量反而增加，这可能与HAP对镉离子的吸附机理有关，当吸附达到动态平衡之后，过量的HAP可能会打破这种平衡，从而降低了镉离子的吸附量。镉中度超标土壤中添加HAP可以降低西瓜植株内的镉含量，这与烟草（招启柏 等，2009）上的研究结果一致。综上，在施用HAP改良镉污染土壤时，应该注意两方面的问题：第一，HAP对土壤中生长的植物可能产生的作用；第二，HAP施用量对改良土壤镉污染的局限性。

3.3 土壤重金属镉超标地区西瓜安全生产的局限性

土壤重金属镉超标地区适宜推广的品种应具备以下特性：① 食用部位镉含量相对较低；② 镉含量递增率低于土壤镉含量递增率；③ 生物量积累基本不受影响（陈瑛 等，2009）。研究表明，蔬菜吸收重金属的能力为：茄果类＞叶菜类＞豆类＞瓜果类蔬菜（刘景红和陈玉成，2004），本试验也印证了西瓜是受镉污染程度较低的作物，这可能是因为西瓜属于葫芦科蔓生植物，具有植株较大、生理代谢快、成熟期短等特点，因而对镉的积累较少，符合重金属超标地区植物生产的要求。3个不同西瓜品种对镉的吸收和积累存在差异，说明不同西瓜品种对镉的吸收和积累能力存在差异性，这与井彩巧（2006）和焦洪静等（2013）对大白菜和茄子的研究结果类似。因此在镉污染环境中种植西瓜应该慎重选择品种。

本试验结果表明，在中度镉超标土壤中选择种植适宜的西瓜品种，果实中镉含量远低于国家食品安全限量标准，这对于指导蔬菜种植区划布局具有重要意义。而在镉重度超标土壤中西瓜生产的安全性以及不同品种间镉吸收和积累的差异性还有待研究。另外，本试验仅阐明了镉中度污染水平下，适量施用HAP对降低土壤中有效镉含量和西瓜植株中镉含量有一定效果，且对西瓜果实品质影响较小，但在重度镉超标地区种植西瓜，以及HAP联合利用对西瓜生产的影响仍需进一步深入研究。

4 结论

① 适量的HAP施用能显著降低中度镉污染根际土壤中有效镉含量，从而减少了西瓜植株和果实对镉的吸收积累，以15 kg·（667 m2）-1的HAP处理效果最好，且对西瓜的果实品质影响很小。

② 西瓜植株中镉的积累分配规律为：茎叶＞根系＞果实。不同西瓜品种对镉的吸收和积累存在差异。

③ 在不施用HAP的条件下，适宜的西瓜品种在中度镉超标土壤仍能够生产出符合国家食品安全标准的西瓜。

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Effects of Applying Hydroxyapatite on Watermelon Quality and Cadmium Accumulation in Cadmium Polluted Soil

LI Han1，WANG Zhi-wei1，3，MIN Zi-yang1，3，DAI Si-hui1，ZOU Tian1，Sun Bo1，SUN Xiao-wu1，2*
（1College of Horticulture，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，Hunan，China；2Melon Research Institute of Hunan Province，Shaoyang 422001，Hunan，China；3Watermelon and Melon Research Institute of Hunan Province，Changsha 410125，Hunan，China）

Taking 3 watermelon varieties ‘Huangxiaoyu’，‘Jinxin’and ‘Heimawangzi’ as material，this experiment studied the effects of different amount Hydroxyapatite （HAP） on cadmium accumulation，distribution law and fruit quality of watermelon grown in moderate cadmium polluted soils，so as to verify the safety of watermelon production. The results showed that applying 0.225 t·hm-2HAP could significantly reduce the content of available cadmium in soil and cadmium accumulation in different parts of watermelon. Applying of HAP had less influence on watermelon fruit quality. The cadmium distribution law in watermelon plant was leaf＞root＞fruit. There existed differences in cadmium absorption and accumulations between different watermelon varieties. Proper watermelon varieties could still produce watermelon in line with the national food safety standard，even in the moderate cadmium polluted soils.

Watermelon；Cadmium；Hydroxyapatite（HAP）；Quality

李涵，女，博士研究生，主要从事蔬菜栽培与生理生态方面的研究，E-mail：lhlihan001@163.com

*通讯作者（Corresponding author）：孙小武，男，教授，博士生导师，主要从事蔬菜遗传育种与栽培方面的研究，E-mail：sunxiaowu2007@126.com

2016-02-26；接受日期：2016-07-14

西甜瓜产业技术体系项目（CARS-26-09）