土壤中水分和镉供应量对油菜器官中镉分布特征的影响

史新杰 李 卓 庄文化,3 刘 超

(1四川省农业科学院作物研究所,四川 成都 610066;2四川大学水利水电学院/水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065;3南方丘区节水农业研究四川省重点实验室,四川 成都 610066)

近年来,农业化肥不合理施用和污水灌溉及工业金属冶炼,导致土壤重金属污染问题日益严重[1],特别是重金属造成的农田土壤污染问题已成为国内外研究热点[2-6]。 镉(Cd)污染是最常见的重金属污染之一。 Cd 污染除了具备重金属污染的一般特点(隐蔽性、不可逆性和长期性)外,还具有移动性强、毒性高、难降解等特点,因而更易被作物的果实部分吸收与积累[7],通过食物链危害人体和动物的健康[8]。 因此,控制和减少土壤Cd 污染,对保证食品安全及农业可持续发展具有重要意义[9]。 植物修复技术是一项利用绿色植物清除土壤重金属的环境友好型土壤修复技术[10],近年来得到迅速发展,土壤修复植物的选择是土壤修复的关键。 经过长期的筛选研究,国内外学者发现十字花科芸薹属植物具有较强的Cd 吸收特性,而油菜(Brassica napus L.)作为最具代表性的十字花科芸苔属植物,在我国种植极为广泛,其种植面积及总产量均居世界首位。 研究表明,油菜籽实经加工后,Cd 主要存在于饼粕部分,油中Cd 浓度不高,并不影响人类食用[11]。 因此,油菜在Cd 污染土壤的修复中具有十分广阔的应用前景。

研究发现植物根系从土壤溶液中吸收Cd 后,根系中的Cd 经过根系细胞的固定及区室化、共质体运输到中柱,最后经木质部装载运输到地上部[12],并经韧皮部向籽实进一步迁移[13]。 此运输过程均为溶液状态,而土壤水分的欠丰势必会影响Cd 运输介质溶液,即Cd 在植物体内吸收迁移累积过程与土壤水分密切相关,管理和控制土壤水分是Cd 污染土壤植物修复技术田间管理的重要措施。 目前,关于土壤水分对植物Cd 吸收及Cd 在植株体内分布影响的研究尚鲜见报道。 本研究采用盆栽试验,探究不同土壤水分下油菜的吸Cd 特征,以期为Cd 污染土壤的植物修复提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及供试材料

试验在四川省农业科学院新都试验园区内的移动式防雨棚进行,供试土壤取自紫色农田的0 ～20 cm 表层壤土,基本理化性质:pH 值6.14、全磷4.2 mg·kg-1、有效磷2.8 mg·kg-1、全钾0.0132 g·kg-1、有效钾96.5 mg·kg-1、全氮73.4 mg·kg-1、有效氮42.9 mg·kg-1、有机质8 g·kg-1、全镉0.13 mg·kg-1、有效镉0.037 mg·kg-1。土壤经自然风干后,过5 mm 筛,室温保存备用。

供试作物:在对成都平原地区各个油菜品种富集镉含量的调查基础上,供试油菜品种选择四川省广泛种植,且经前期研究[3]表明,其吸Cd 能力较强的徳油5 号(Brassica napus L.),属甘蓝型中熟两系杂交种,全生育期约223 d。

1.2 试验设计

于2015年9月-2016年5月进行盆栽试验,采用直径35 cm、高28 cm,下底自带托盘的塑料盆,每盆盛过筛风干土10 kg。 各种肥料在油菜移栽前一次性施加,后期不再追肥,施加量分别为:氮肥0.1 g·kg-1(尿素)、磷肥0.15 g·kg-1(磷酸二氢钾)、有机肥15 g·kg-1,与供试土壤充分混匀。 以分析纯CdSO4(无结晶水)作为污染试剂,用去离子水配成母液,再逐级稀释,分别按照土壤Cd 含量为0、5、15、30 mg·kg-1的水平设计,喷洒到盆栽试验的土壤中,边喷边搅拌,以保证Cd 的均匀分布,在温室中稳定7 d。

于2015年9月中下旬播种,油菜长出3 片真叶时定苗,于2015年10月15 号移入大小、性状、长势一致的幼苗。 盆栽定苗(每盆1 株),每处理设3 次重复。移入后,为保证油菜生长,充分灌水,苗期不做任何处理。 2015年12月18日起,对油菜进行水分处理,分别设置高水(high water content,HW)、中水(media water content,MW)、低水(low water content,LW)3 个处理,各处理水分控制标准依次为田间持水量的70%～80%、60%～70%和50%～60%。 试验过程中采用称重法控制土壤水分,用电子台秤(精度为1 g)称重,以土壤水分占干土重的田间持水量的百分数表示。 各水分处理均以土壤含水率降至试验设计的灌水下限时开始灌水,达到试验设计灌水上限时停止灌水,用量筒精准量取所需水量,并记录各处理每次的灌水量。 补水间隔为1 ～2 d,按照天气、植株、土壤水分状况而定。生长过程中,收集落叶待测。 油菜成熟后,收获植株,用蒸馏水洗净整个植株,晾干,将油菜各器官(根、茎、叶、角果壳、籽粒)分开,70℃烘干至恒重,称取各部分质量,烘干样品粉碎过0.425 mm 筛,用于测定重金属Cd 含量。

1.3 测定项目及分析方法

1.3.1 样品处理及Cd 含量测定 将植株样于70℃烘干,按照不同水分和Cd 浓度处理分别脱粒,分别将同一处理的根、茎、叶、角果壳粉碎后混合,同一处理的籽粒混合,用于测定各器官Cd 含量。

1)土壤全Cd 含量:利用900H 原子吸收光谱仪(美国PE 公司)采用石墨炉原子吸收光谱法(GB/T 17141-1997)[14]进行测定;2)土壤有效Cd 含量:采用0.1 mol·L-1HCl(酸性)和二乙三胺五乙酸(DTPA)(中碱性)侵提,然后采用石墨炉原子吸收光谱法(GB/T 23739-2009)[15]进行测定,在土壤全Cd 含量测定过程中采用国家标准土壤样品(GSS-14)进行分析质量控制;3)油菜各器官Cd 含量:采用石墨炉原子吸收光谱法(GB 5009.15-2014[16])测定,加入国家标准植物样品(GBW10015 菠菜)进行分析质量控制;4)土壤pH 值:采用电位计法进行测定(LY/T 1239-1999)[17];5)生物量为各器官干物质之和。

1.3.2 相关参数计算方法 富集系数(bioconcentration factors, BCF)指植物体中某元素含量与基质中该元素含量的比值,通常用来表征某种植物对元素的吸收、累积能力[18]。 富集系数在一定程度上反映了沉积物-植物系统中元素迁移的难易程度,说明重金属在植物体内的富集情况。 富集系数计算公式如下:

迁移系数(translocation factors, TF)指植物体地上部某元含量与根中该含量元素的比值,迁移系数能够反映重金属在植物不同器官中的分配情况,通常迁移系数越大,植物修复该重金属的能力越好。 迁移系数计算公式如下:

移除率指植物体内某元素含量占土壤中该元素的百分比,本研究以油菜地上部镉含量来计算移除率。移除率计算公式如下:

1.3.3 数据处理 采用SPSS 17.0 和Microsoft Excel 2007 进行数据统计和相关性、显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同水Cd 处理对油菜生物量及其Cd 积累的影响

生物量是反映植物对重金属修复效果的重要因素。 由图1-A 可知,相同水分处理下,油菜生物量对不同土壤Cd 的响应并不明显,且各处理间无显著性差异,表明Cd 未对油菜产生毒害作用,同时也说明油菜对Cd 具备较好的耐受性。 土壤水分对油菜生物量的影响显著,且随着土壤水分的增加,油菜生物量显著提高;当Cd 浓度为15 mg·kg-1时,不同土壤水分处理间均差异显著,与中水和低水处理相比,高水处理油菜生物量增幅分别为93.3%和151.3%。 结果表明,在一定的土壤Cd 浓度范围内,增加土壤水分可以显著增加油菜生物量。

由图1-B 可知,Cd 浓度为5 mg·kg-1时,随着土壤水分的增加,油菜单株吸Cd 量分别为268.58、421.29、584.41 μg, 且 差 异 显 著。 Cd 浓 度 为30 mg·kg-1时,油菜单株吸Cd 量达到最大,低水、中水、高水处理油菜单株吸Cd 量分别为1 242.96、1 345.93 和2 356.72 μg。 比较不同水分处理下不同Cd 浓度的油菜吸Cd 量可知,土壤Cd 浓度分别为15、30 mg·kg-1时,低水、中水处理的油菜吸Cd 量差异均不显著,而高水处理的吸Cd 量显著增加,与中水、低水相比,分别增加88.2%、121.1%和75.1%、89.6%。 结果表明,土壤水分和Cd 浓度对油菜吸Cd 影响显著,且随着土壤水分和Cd 浓度的增加,油菜对Cd 的吸收量显著增加。

图1 不同水分处理下不同Cd 浓度对油菜生物量及其Cd 积累的影响Fig.1 Effect on biomass and Cd accumulation of oilseed rape with different Cd concentrations under different water treatments

2.2 不同水Cd 处理下Cd 在油菜植株中的分布

由图2-A 可知,随着土壤Cd 含量的增加,根的Cd 含量显著增加,而相同土壤Cd 浓度的不同水分处理下,油菜根部的Cd 含量均无显著性差异,结果表明,土壤Cd 浓度是影响油菜根部Cd 富集量的主要原因。 在Cd 的吸收、转运与储藏过程中,茎是油菜吸收积累Cd 的中间转运环节,而叶则是Cd 的主要储存库。 由图2-B、C 可知,油菜茎、叶中Cd 含量的富集规律基本一致。 茎和叶中Cd 含量均随着土壤水分和Cd浓度的增大而增加;Cd 浓度为30 mg·kg-1时,高水处理的茎和叶中Cd 含量均达到最大,分别为29.00 和61.35 mg·kg-1。 不同Cd 处理下,油菜茎和叶中Cd 含量均差异显著,但受土壤水分的影响,其富集规律并不一致。 高水、中水处理下,不同Cd 浓度处理间差异显著;低水处理下,土壤Cd 浓度为15、30 mg·kg-1时,油菜茎器官中Cd 含量均差异显著;土壤Cd 浓度为5 mg·kg-1时,土壤水分对油菜茎、叶中Cd 含量影响明显,但差异不显著。 随着土壤水分的增加,重金属Cd 越易在油菜茎部和叶部积累。 Cd 浓度为15 mg·kg-1时,高水与低水处理下的茎和叶中Cd 含量差异显著;Cd 浓度为30 mg·kg-1时,不同水分处理的茎和叶中Cd 含量存在显著性差异。 由图2-D 可知,油菜角果壳中Cd 含量随着土壤Cd 浓度的增加而增大,且不同处理间存在差异;同-Cd 浓度处理不同水分处理间差异不显著。 由图2-E 可知,不同水分处理下,油菜籽粒中Cd 含量均随着土壤Cd 浓度的增大而增加。高水处理下,土壤Cd 浓度为30 mg·kg-1时,油菜籽粒中Cd 含量显著高于15 和15 mg·kg-1处理,但各水分处理下差异均不显著。

研究表明,作物的不同器官之间因生长及功能不同,其结构与成分存在较大差异,从而导致器官间Cd积累的差异[19]。 土壤水分通过影响油菜植株水分运输,进而影响Cd 从地下部部分到地上部分的运移,植株体内总体的分布依次为叶＞茎或根＞角果壳＞籽粒。中、高水分条件下,茎中Cd 含量大于根;低水条件下,根中Cd 含量大于茎。

图2 Cd 在油菜各器官的分布Fig.2 Cd distribution in different organs of oilseed rape in different Cd concentrations under different water treatments

2.3 不同土壤含水量下油菜器官镉分配比例

由图3 可知,不同水分条件不同Cd 浓度处理下,以油菜叶中累积Cd 量百分比最大,占油菜植株总吸镉的46.4%～72.6%,说明Cd 优先在油菜叶中积累,这与Patrick 等[20]的研究结论相似。 高水处理下,随着土壤中Cd 浓度的增加,角果壳与籽粒中累积Cd 量百分比逐渐降低,而茎和根中累积镉量百分比则呈先下降后上升趋势(图3-A)。 中水处理下,各器官Cd含量分配比例与高水处理基本一致(图3-B)。 低水处理下,叶中累积Cd 含量百分比随着土壤中Cd 浓度的增加而降低,而根中累积镉量百分比则相反,角果壳和籽粒积累镉含量百分比变化不明显(图3-C)。

图3 不同土壤水分下油菜各器官镉含量分配比例Fig.3 Dsitribution proportion of cadmium in different organs of oilseed rape in different Cd concentration under different water treatments

2.4 富集系数和迁移系数

由表1 可知,各处理的油菜富集系数与迁移系数均大于1,说明油菜对Cd 有较强的富集和转运能力。相同土壤Cd 浓度下,不同水分处理的根部富集系数与地上部富集系数无显著性差异;不同水分处理下,根部富集系数对土壤Cd 浓度的响应存在差异,其中高水处理的富集系数随着土壤Cd 浓度的增加而逐渐下降;中水和低水处理的根部富集系数均随着土壤Cd浓度的增大呈先减小后增加的趋势;而相同水分条件下,地上部富集系数均随着土壤Cd 浓度的增加而逐渐下降;与土壤Cd 浓度为5 mg·kg-1处理相比,高水、中水处理下,土壤Cd 浓度分别为15 和30 mg·kg-1的地上部富集系数差异显著;低水处理下不同土壤Cd浓度处理的地上部富集系数无显著性差异。 同一水分处理下,随着土壤Cd 浓度的增加,迁移系数呈先增加后减小趋势。 而同一土壤Cd 浓度下,迁移系数对土壤水分的响应规律则不明显。 土壤Cd 浓度为15 mg·kg-1时,不同水分处理的迁移系数均达到最大值,分别为4.45、3.50、3.57,说明此土壤Cd 浓度下油菜对Cd 的迁移效率最佳。

2.5 移除潜力

由表2 可知,同一水分处理下,随着土壤Cd 浓度的增加,油菜对土壤中Cd 的移除率呈逐渐减小趋势;土壤Cd 浓度为30 mg·kg-1时,高水、中水和低水处理的Cd 移除率较Cd 浓度为5 mg·kg-1时分别降低了48.7%、44.3%和78.0%。 受土壤水分和Cd 浓度的影响,油菜移除潜力存在差异。 高水、中水处理下,当土壤Cd 浓度分别为5 和30 mg·kg-1时,移除率差异显著;相同Cd 浓度处理下,高水和中水处理的移除率差异显著;随着土壤Cd 浓度的增加,高水处理的移除率分别为1.17%、0.89%和0.79%,分别为中水处理的1.80、1.90 和1.75 倍。 结果表明,随着土壤水分的降低和Cd 浓度的增加,油菜对土壤Cd 的移除率逐渐下降,以土壤Cd 浓度为5 mg·kg-1的高水处理下移除效果最佳。

表1 不同水分条件不同Cd 浓度处理下油菜富集系数和迁移系数Table 1 BCF and of oilseed rape with different Cd concentration under different water treatments

表2 不同水分条件不同Cd 深度处理下油菜移除率Table 2 Shoot extraction rate of oilseed rape with different Cd concentrations under different water treatments /%

3 讨论

土壤水分条件是控制土壤物理、化学及生物性质的重要因素,能够影响土壤pH 值、氧化还原电位(Eh)、有机质含量等,进而影响土壤重金属的活性[21]。 高茜蕾等[22]研究表明,高蒸腾强度和发达根系均能促进油菜地上部Cd 的累积量,且蒸腾速率、油菜根表面积、根体积均与油菜地上部Cd 浓度、吸Cd总量呈显著正相关(P＜0.01)。 土壤pH 值的增大会使土壤胶体上的负电荷量增加,促进土壤胶体对Cd的吸附,同时也会促进CdCO3和Cd(OH)2沉淀的生成[23-24],减少土壤溶液中Cd 的释放,进而减少植物对Cd 的吸收量,而土壤pH 值的降低有利于碳酸盐和铁锰结合态等作物难利用态Cd 的溶解和释放,从而促进植物对重金属的吸收[25]。 水淹环境下,兼性厌氧微生物和厌氧微生物将土壤中氧化物作为呼吸作用的电子受体,形成各种还原性物质,土壤Eh 迅速下降[26],进而导致土壤SO42-被还原为S2-,而S2-可将重金属结合为难溶的硫化物沉淀[27]。 而当土壤处于渍水状态时,由于物理、化学及生物的还原作用,使得土壤中Fe2+、Mn2+浓度急剧增加,在根系表面形成氧化物,并通过氧化物吸附土壤Cd2+,使其失去迁移能力[28],进一步影响根系的吸收[29]。 此外,土壤水分还会影响有机质的腐殖质化过程,从而使羧基、烯醇羧基、醇羧基等土壤功能团形成有机Cd 络合物,降低植物对Cd 的吸收[30]。

土壤水分充足环境下,一方面有利于Cd 向土壤溶液中释放,使土壤溶液中有效Cd 含量增加,另一方面植物根系代谢活动旺盛,有利于植物根系对土壤中Cd 的吸收。 研究表明,土壤Cd 浓度是影响植物吸收Cd 的主要因子,绝大多数植物体内的Cd 浓度与土壤中Cd 浓度呈显著正相关[31]。 本研究结果也进一步证实了上述观点。 本研究中,土壤水分和Cd 浓度对油菜Cd 分布特征影响明显,随着土壤水分和Cd 浓度的增加,油菜对Cd 的吸收量也随之增大,且吸收量与Cd浓度呈显著正相关。 土壤Cd 浓度为30 mg·kg-1时,高水处理的单株Cd 吸收量达到2 356.72 μg。 研究表明,根部吸收的Cd 在根压和蒸腾作用下,经木质部薄壁细胞和导管向地上部转移和运输[32],但随着土壤水分的降低以及植株蒸腾作用的减弱,蒸腾拉力逐渐减小,Cd 向地上部的运输量减缓,促使Cd 在油菜地下部积累。 同一植物的不同部位,以及不同物种及品种间在Cd2+积累量方面存在较大差异[33]。 这与本研究结果一致。 本研究表明,随着土壤Cd 浓度的增加,油菜器官的Cd 累积量显著增加,植株体内总体的分布规律为叶＞茎或根＞角果壳＞籽粒。 植物对土壤Cd 的移除潜力不仅取决于其吸收能力,还取决于土壤中的全Cd 量和有效Cd 量。 本研究还发现不同水分条件下不同Cd 浓度处理的油菜地上部吸Cd 量占土壤总Cd 量的0.41%～1.17%,可以有效减少土壤中有效Cd 含量;与一些Cd 超富集植物相比(表3),油菜对土壤Cd的移除效果更好,具备一定的Cd 污染土壤修复潜力。此外,由于盆栽试验的影响,油菜生物量(25.03 ～62.9 g)明显低于大田生物量(约100 g),从而导致对土壤Cd 的移除率低于大田。

表3 Cd 超富集植物对土壤Cd 的移除率Table 3 Cd extraction rate of soil by hyperaccumulators

综上,油菜对Cd 具有较强的耐受能力,土壤Cd浓度为30 mg·kg-1下也可以顺利生长,生物量自然积累;同时,油菜对Cd 有较强的吸收能力,地上部Cd 含量高于地下部,更易于机械化收割;与一些Cd 超富集植物相比,移除率更高。 因此,油菜是重金属Cd 污染修复较理想的植物。

4 结论

本研究结果表明,油菜对Cd 具有较强的耐受能力,可以在较高的Cd 污染环境中生长。 增加土壤Cd浓度与水分含量能够显著增强油菜吸Cd 能力。 土壤水分通过影响油菜植株水分运输进而影响Cd 运移,提高土壤水分可促进Cd 向油菜地上部迁移,更易于机械化收割。 油菜对土壤Cd 的移除效果明显高于报道较多的其他Cd 超富集植物,具备修复Cd 污染土壤的潜力。 本研究结果为利用油菜进行重金属土壤综合治理奠定了理论基础。