不同Cd积累能力大白菜吸收转运Cd的差异性

2018-12-05杜志鹏向丹苏德纯

生态环境学报 2018年11期

杜志鹏，向丹，苏德纯

中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，北京 100193

大白菜（Brassica pekinensis L.）在中国蔬菜生产中占有重要地位，2016年中国白菜种植面积达2.6×106hm2，产量1.1×108t，约占中国蔬菜总种植面积和总产量的12%。由于土壤中Cd的生物有效性较高，一方面，与其他重金属元素相比Cd更容易在农产品中积累（徐建明等，2018），另一方面，与根茎菜类蔬菜和豆类蔬菜相比，叶菜类蔬菜积累Cd的能力更高（Alexander et al.，2006），其中，十字花科芸薹属植物具有较强的吸收累积Cd的能力（Liu et al.，2009；Wang et al.，2017）。蔬菜作为人类的主要食物之一，其对人体 Cd摄入量的贡献率高达50%～70%（Ryan et al.，1982；Islam et al.，2007）。Cd被作物吸收后会经由食物链被人体摄取，从而危害人类健康（Liu et al.，2013）。大白菜作为十字花科芸薹属叶类蔬菜，其Cd污染所带来的食品安全隐患应得到极大重视。

作物地上部对重金属 Cd的积累主要受植株的Cd吸收能力和由根向地上部的转运能力影响，Cd的吸收、转运、分配以及积累在不同作物品种间存在差异性（王美娥等，2015；辛艳卫等，2017）。筛选低Cd积累品种是降低作物体内Cd含量的一种经济有效的措施（李欣忱等，2017），通过生物和农艺措施降低作物体内Cd含量同样也是保障农产品质量安全和人体健康的重要手段（迟克宇等，2016）。对于吸收Cd能力高的作物可通过降低土壤中Cd的生物有效性来减少作物对土壤中Cd的吸收（Rizwan et al.，2017）；对于转运 Cd能力高的作物则可通过叶面阻控剂来降低Cd从植物根部向地上部的转运以达到降低农作物地上部可食用部位Cd含量的目的（Wu et al.，2016）。了解不同 Cd积累能力大白菜品种吸收转运 Cd能力的差异是进行有效农艺措施调控的依据。本研究通过水培和土培试验，研究比较筛选出的低积累Cd大白菜品种和高积累Cd大白菜品种对Cd的吸收和体内转运Cd的差异，为减少Cd在大白菜可食部分的积累而进行农艺措施调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试大白菜品种为北京地区普遍种植的两个白菜品种，高积累Cd大白菜——北京小杂55和低积累Cd大白菜——北京小杂60（姚会敏等，2006）。

供试土壤采自浙江嘉兴，土壤类型为青紫泥，pH偏酸性，土壤Cd生物有效性较高，有利于观察2个品种吸收、转运Cd的差异。土壤的主要理化性质和Cd含量见表1。

1.2 试验设计

1.2.1 土培试验

供试土壤风干后过4 mm筛，土壤投加3 mg·kg-1Cd，把相应量的3CdSO4·8H2O配成溶液，分别与过4 mm筛的土壤反复混合均匀，然后在温室下稳定7 d，并施入底肥 N：0.15 g·kg-1，P2O5：0.10 g·kg-1，K2O：0.15 g·kg-1，施入形态分别为尿素、KH2PO4、KCl，每盆装土500 g。分别种植大白菜北京小杂55和北京小杂60，每个处理4个重复。白菜出苗后每盆保留4株，生长42 d后收获。

1.2.2 水培试验

大白菜种子用30%H2O2消毒30 min后用饱和CaSO4溶液浸泡过夜，第2天洗净，播种于蛭石中，待幼苗长出两片真叶后，移至营养液中进行培养，营养液配方为：5.79×10-3mol·L-1Ca(NO3)2·4H2O；8.02×10-3mol·L-1KNO3； 1.35×10-3mol·L-1NH4H2PO4； 4.17×10-3mol·L-1MgSO4·7H2O ；7.26×10-5mol·L-1Fe-EDTA ； 4.83×10-5mol·L-1H3BO3；8.90×10-6mol·L-1MnSO4·H2O；0.94×10-6mol·L-1ZnSO4·7H2O ； 0.20×10-6mol·L-1CuSO4·5H2O（王芳等，2009）。试验用1.5 L盆，每盆种植大白菜3株。每3天更换1次营养液，营养液 pH 为 6.2～6.5。Cd 处理浓度为 5 µmol·L-1（陆琳等，2012），以3CdSO4·8H2O的形式加入。每天光照14 h，全天连续通气。

水培试验研究2个大白菜品种在水培条件下吸收积累Cd的差异，营养液中停止供Cd后根中Cd向地上部转运差异及体内 Cd再分配差异。水培试验设计如下：2个大白菜品种各设置3个处理，每个处理6次重复，其中3个重复地上部一起收获，另外3个处理收获时地上部按不同叶片部位分A、B、C、D 4个部分分别收获，具体见1.3样品收获与处理。3个处理如下（培养48 d，大白菜未结球，叶片分散好收获；培养48 d较培养38 d已长出较为明显的新叶）：

处理1：无Cd营养液中预培养30 d，然后转入加5 µmol·L-1Cd营养液中培养18 d后收获。

处理2：无Cd营养液中预培养30 d，然后转入加5 µmol·L-1Cd营养液中培养8 d后收获。

处理3：无Cd营养液中预培养30 d，然后转入加5 µmol·L-1Cd营养液中培养8 d，再转入无Cd营养液中培养10 d后收获。

1.3 样品收获与处理

土培大白菜样品收获与处理方法：收获时用不锈钢剪刀剪下地上部，分别经自来水和去离子水洗多遍后，用吸水纸吸干。在 105 ℃烘箱中杀青 30 min后，70 ℃烘干，称量干物质质量，用粉碎机粉碎备用。

水培试验其中3个重复大白菜样品收获与处理方法：先将收获的植株分为地上部和根，分别经自来水和去离子水洗多遍后，用吸水纸吸干。在105 ℃烘箱中杀青30 min后，70 ℃烘干，称量干物质质量，用粉碎机粉碎备用。

水培试验另外3个重复大白菜样品收获与处理方法：先将收获的植株分为地上部和根，收获时地上部按不同叶片部位分A、B、C、D 4个部分分别收获（见图1和图2），A叶段为老叶，B叶段为中新叶，C叶段为新叶，D叶段为新幼叶。根和叶片样品分别经自来水和去离子水洗多遍后，用吸水纸吸干。在105 ℃烘箱中杀青30 min后，70 ℃烘干，称量干物质质量，用粉碎机粉碎备用。

图1 处理1、处理3不同叶片示意图Fig. 1 Treatment 1 and treatment 3 different leaves diagram

表1 供试土壤的主要的土壤理化性状Table 1 Main soil physical and chemical properties of the tested soil

图2 处理2不同叶片示意图Fig. 2 Treatment 2 different leaves diagram

1.4 测定项目与方法

采用微波消解仪（MARS-5，CEMMicrowave Technology Ltd. USA）对粉碎的植株样品进行硝酸消解，ICP-MS（7500a，Agilent Technologies，USA）测定Cd含量（杨祥田等，2013）。使用国家标准参考物质（GBW08510）进行分析质量控制。

1.5 数据分析

运用Microsoft office Excel 2013和SPSS 20分析软件对数据进行统计、作图和差异显著性分析（LSD法），以不同小写字母表示不同处理间的差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 土培与水培条件下两个大白菜品种地上部积累Cd差异

表2所示为2个大白菜品种在土培和水培条件下的地上部干质量和地上部Cd含量。由表2可知，在土培和水培条件下，北京小杂55和北京小杂60地上生物量均无显著差异，2个白菜品种在土培和水培Cd处理下均能正常生长发育，生物量的差异对地上部Cd含量无显著影响。从地上部分Cd含量来看，水培条件下北京小杂55与北京小杂60无显著差异，土培条件下北京小杂55地上部Cd含量比北京小杂 60高出126%，差异显著（P＜0.05）。虽然土培与水培条件均加入外源Cd，但土培条件下两大白菜品种具有不同活化吸收土壤中Cd的能力，在生物量无差异条件下，不同白菜植株体内Cd含量的差异反映了2个白菜品种吸收土壤中Cd能力的差异，北京小杂55地上部Cd含量比北京小杂60高，表明北京小杂 55根系在土壤中有较强的吸收土壤中Cd能力。在水培条件下，由于2个白菜品种根系都直接生长在含Cd营养液中，供给根系Cd的强度高且一致，2个品种地上部Cd含量则无显著差异。

表2 两个大白菜品种土培与水培Cd吸收差异Table 2 Differences in Cd uptake between soil and hydroponic culture of two Brassica pekinensis L. varieties

2.2 水培条件下2个白菜品种对Cd的吸收和转运差异

表3所示为水培条件下大白菜北京小杂55和北京小杂60地上部、根部生物量以及2个大白菜吸收、转运Cd的差异，由表可知，两个白菜品种均表现为根部Cd含量显著高于地上部Cd含量。在连续供Cd 18天条件下（处理1），北京小杂55和北京小杂60地上部Cd含量无显著差异，但北京小杂60根部Cd含量显著高于北京小杂55，表明北京小杂60在水培条件下根部积累Cd的能力高于北京小杂55。

转运系数可反映出Cd在植物体内的转运能力，由表3可知，3个处理北京小杂55的转运系数比北京小杂60分别高0.09、0.05、0.19，说明Cd在北京小杂 55体内由根向地上部的转运能力比北京小杂60高。对比只供Cd培养8 d（处理2）和供Cd培养18 d（处理1）的大白菜体内Cd含量可知，本试验条件下，随植物生长时间的延长，北京小杂55地上部Cd含量显著增加，根部Cd含量增加不明显，而北京小杂60地上部、根部Cd含量均显著增加，表明北京小杂 55随植物生长时间延长一直维持较高的转运能力。比较停止供 Cd后，再无 Cd培养10 d（处理3）与连续供Cd 18 d（处理1）的转运系数，本试验条件下，停止供Cd后白菜的Cd转运系数均提高，表明根系停止供Cd后，提高了2个白菜品种根中Cd向地上部的转移能力，但2个品种仍表现为北京小杂 55由根向地上部的转运能力比北京小杂60高。

表3 水培条件下2个大白菜吸收转运Cd差异Table 3 Differences in Cd absorption and transport of two Brassica pekinensis L. under hydroponic culture

由表3还可知，2个白菜品种均表现为地上部Cd吸收率显著高于根部 Cd吸收率，北京小杂 55和北京小杂60地上部Cd吸收率平均比根部Cd吸收率分别高44.09%、20.27%，表明2个白菜品种吸收的Cd大部分累积在地上部。供Cd培养18 d（处理1）与供Cd培养8 d（处理2）相比，供Cd生长期延长了10 d，2个品种白菜地上部Cd含量和根部Cd含量均明显增加，且地上Cd吸收率也随着生长时间的延长而增加。

2.3 水培条件下2个白菜品种地上部Cd的分布及分配差异

表4所示为水培条件下，2个大白菜品种不同叶段叶片中Cd的积累和分配差异。从表4可知，在水培条件下，2个白菜品种植株体内Cd呈现相同的分布规律，均表现为 A叶段＞B叶段＞C叶段＞D叶段，即白菜叶片中 Cd含量由老叶向新叶逐级递减。连续供Cd培养18 d（处理1）条件下，北京小杂55A叶、B叶、C叶和D叶中Cd含量均显著高于北京小杂60对应的A叶、B叶、C叶和D叶中Cd含量，表明北京小杂55从老叶到新叶各部位叶片积累Cd能力均高于北京小杂60。只供Cd培养8 d时（处理2），北京小杂55老叶A叶中Cd含量显著高于北京小杂60 A叶中Cd含量，但中间叶片B叶和新叶C叶中Cd含量在2个品种间无显著差异，表明北京小杂55叶片中Cd积累与其后期再分配有密切关系。先供Cd培养8 d，再无Cd培养10 d（处理3）北京小杂55 A叶和D叶Cd含量显著高于北京小杂60，而中间的B叶和C叶Cd含量则无显著差异，表明停止供Cd后，北京小杂55将Cd转运到新长出叶片D叶中的能力高于北京小杂60。

表4 水培条件下2个大白菜品种不同叶片的Cd分配差异Table 4 Difference of Cd distribution between different leaves of twoBrassica pekinensis L. varieties under hydroponic culture mg·kg-1

图3所示为水培条件下2个大白菜品种不同叶片Cd吸收率。由图3可知，水培条件下3个不同处理北京小杂55的A叶段Cd吸收率分别为39.6%、53.6%和58.6%，均明显高于北京小杂60的A叶段Cd吸收率（34.8%、45.1%和36.4%）。中叶B叶段则不同，3个不同处理北京小杂55的B叶段Cd吸收率分别为29.2%、37.3%和30.8%，均明显低于北京小杂60的B叶段Cd吸收率（37.0%、45.9%和45.1%），表明北京小杂55吸收的Cd主要分配在老叶A叶段，北京小杂60则主要分配在中叶B叶段。供Cd培养18 d（处理1）与只供Cd培养8 d（处理2），北京小杂55A叶段（老叶）和B叶段（中叶）的Cd吸收率下降，C叶段（新叶）Cd吸收率上升了15.5%，北京小杂60表现出同样的规律，但C叶段（新叶）Cd吸收率上升了12.9%，表明随着生长时间延长，2个大白菜品种地上部Cd均可以从老叶和中叶（A叶段、B叶段）向新叶（C叶段、D叶段）再分配，且北京小杂55的再分配能力较北京小杂60强。连续供Cd培养18 d（处理1）条件下，北京小杂55 C叶段Cd吸收率高于北京小杂60，表明随着生长时间延长，北京小杂55 Cd分配在新叶的量高于北京小杂60。

图3 水培条件下2个大白菜不同叶片Cd吸收率Fig. 3 Cd absorptivity in different leaves of two Brassica pekinensis L.under hydroponic culture

3 讨论

3.1 两个大白菜品种土培条件下地上部积累Cd差异

不同品种作物根部对 Cd的吸收能力、耐性不同（赵首萍等，2015），作物根系对Cd的吸收及保留能力对作物可食用部分起着重要作用（张标金等，2015）。本试验中，北京小杂55根系Cd含量高于北京小杂60，两者根系Cd含量表现出显著的差异性，可以推测其根部Cd含量的差异在于2个品种根表吸附的Cd进入细胞并储存的过程。北京小杂55根系在土壤中有较强吸收和活化土壤Cd能力，从而导致植株地上部Cd吸收量的显著差异。Qiu et al.（2011）开展的7个白菜品种的田间试验发现，菜心（Brassica parachinensis L.）容易积累Cd，不同品种的根部吸收转运Cd的能力有显著差异；陈永勤等（2015）研究表明，黑麦草（Lolium perenne L.）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）及印度芥菜（Brassica juncea L.）等植物根系对土壤中Cd均具有较强的吸收能力，但其向地上部转运Cd的能力均较弱。可见，不同作物以及不同品种根系Cd对Cd的吸收存在差异。作物可食用部分的Cd含量与土壤中Cd的有效性呈正相关（秦余丽等，2017），对于吸收土壤Cd能力高的作物，可通过调节土壤 pH、施用重金属钝化剂等途径降低土壤中Cd的生物有效性，以减少作物对土壤中Cd的吸收（Chang et al.，2014；Zhao et al.，2015）。

3.2 水培条件下2个大白菜品种水培条件下吸收、转运、分配Cd的差异

作物可食用部分Cd含量的关键环节除了根部Cd的吸收，还与根部向地上部的转运有密切关系（Rahman et al.，2014）。水培条件下，北京小杂55和北京小杂60的Cd转运系数存在明显差异，各处理下北京小杂55的转运系数均比北京小杂60高，表明北京小杂55由根向地上部转运Cd在能力比北京小杂60高。李欣忱等（2017）发现辣椒（Capsicum annuum L.）品种PE3较辣椒品种PE0向地上部转运Cd的能力差，Cd主要积累在根部。高积累型苋菜（Amaranthus mangostanus L.）品种Tianxingmi较低积累型苋菜品种Zibeixian有更强的Cd吸收和向地上部转运与累积能力（迟克宇等，2016），因此，不同品种间积累Cd的能力与根部向地上部转运Cd的能力密切相关。随生长时间延长，2个白菜品种转运系数均增加，北京小杂 55无论是根部向地上部，还是老叶向新叶的转运能力均强于北京小杂60。对于转运Cd能力强的作物，可以通过降低作物的转运能力而限制Cd向地上部可食用部位的转移，如通过施加 Si、Se等肥料降低其转移速率（Wu et al.，2016）。崔晓峰等（2013）大田试验表明，在Cd污染土壤中，向小白菜（Brassica chinensis L.）叶面喷施不同浓度的硅溶胶、铈溶胶及硅铈复合溶胶均可降低小白菜地上部中Cd的含量及积累量。董如茵等（2015）研究表明，土施和喷施 Zn肥可以显著降低油菜根部Cd净吸收量和Cd转运系数。Liu et al.（2009）在水稻生长期喷施两种硅溶胶，也可显著降低水稻籽粒中的Cd含量。以上研究结果都表明，Si、Se等叶面阻控剂可显著降低作物中的Cd积累量，对于叶类蔬菜来说，由于其本身的生理结构，这种作用可能更为明显。

大白菜北京小杂55对Cd高积累，是因为其根部吸收Cd能力以及根部向地上部转运Cd能力强。不同品种蔬菜积累 Cd差异的原因一方面是根部特性，根是决定植株吸收Cd的关键所在，根部特性主要决定于品种特性；另一方面是根部向地上部转运Cd能力，不同蔬菜品种吸收的重金属从根向地上部的转移能力不同。了解蔬菜高积累Cd特性的原因，可为生产中采取相应的阻Cd措施提供依据。