镉对苹果生长发育和矿质元素含量的影响*

2021-02-05周江涛赵德英程存刚

中国果树 2021年1期

周江涛，赵德英，程存刚

（中国农业科学院果树研究所，农业农村部园艺作物种质资源利用重点实验室，辽宁省落叶果树矿质营养与肥料高效利用重点实验室，辽宁兴城 125100）

随着工农业的迅速发展，农田重金属污染问题日益突显。我国约有1/5 的耕地遭受不同程度的重金属污染[1]。全国土壤污染状况调查公报结果表明，镉是八大土壤无机污染物之首，我国土壤镉点位超标率达7.0%，严重影响了我国农业的可持续发展。镉是植物生长发育的非必需元素，但很容易被植物吸收，通过食物链进入人体，危害人类健康[2]。

果树作为多年生作物，土壤重金属容易积累，对果树生长发育造成影响[3]。目前，我国果园土壤镉超标越来越严重，如胶东半岛红富士苹果园采样区土壤普遍存在镉轻度污染现象[4]，葫芦岛钼矿区周边果园土壤镉污染严重[5]，广州万亩果园土壤镉含量已经达到国家土壤背景值的21.81 倍[6]。果园土壤镉的过度积累不仅破坏土壤结构和理化性能，还能抑制果树生长发育，影响其对营养元素的吸收[7]。苹果很容易吸收和富集镉[8]。Wang 等[9]研究发现，果肉中均未检测到镉，但有6.34%的果皮镉含量超标。因此，果园重金属污染越来越引起人们的关注。

镉能够影响植物生长发育，引起细胞膜脂过氧化，以及抗氧化系统发生改变[10]。目前，关于镉对苹果植株矿质元素的吸收分配的研究较少。我们以2 年生盆栽烟富3/T337 和王林/T337 为试材，研究了镉对苹果叶片光合参数和解剖结构，以及各组织镉含量和矿质营养的影响，为镉对苹果树养分吸收和转运的研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

试验以2 年生盆栽苹果烟富3/T337 和王林/T337 为试材。选择12 株长势一致的盆栽苹果树，盆土为20 kg，分成2 组：一组为镉处理（25 mg/kg），春季萌芽开始，每隔5 d 随水浇1 次，每次浇50 mg Cd2+水溶液；另一组为对照，浇水时不加Cd2+水溶液。坐果后每株树留2 个果，其他管理方式一致。

1.2 叶片光合参数测定和解剖结构观察

7 月中旬选择晴天9：00—11：00，利用CIRAS-2便携式光合测定仪（PP SYSTEMS，美国）测定苹果的光合参数。选择向阳处新梢中部第5～6 片成熟叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）。光合仪系统控制苹果叶片温度25 ℃，采用开放式气路，光强设定为1 000 μmol·m-2·s-1。

苹果叶片测定光合参数后，取样观察其解剖结构。叶片切成0.5 cm2的小块，立即投入FAA 固定液中，采用常规石蜡切片法制片。光学显微镜下随机选择10 个视野观测，并测定叶片厚度、叶片上表皮厚度、下表皮厚度、栅栏组织和海绵组织厚度。

1.3 取样及处理

果实成熟后取样。将植株用去离子水清洗干净，擦干后将植株分为根系、砧木茎、2 年生枝、1年生枝、当年生枝、叶片和果实，称重后记录各部分重量。将根、砧木茎和枝条切成5 mm 左右的小段，果实切成5 mm 左右的薄片，于105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘干至恒重。用不锈钢磨样机粉碎后过0.25 mm 筛，并于干燥器中保存备用。

1.4 测定方法

所有试验样品采用H2SO4-H2O2法进行消化。采用凯氏定氮法测定植株各组织氮含量；钒钼黄比色法测定磷含量；钾和钙含量采用原子吸收光谱仪（ZEENIT® 700P，德国）测定；镉、硼、铁、锌和铜采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定。

1.5 数据统计与分析

试验数据用Statgraphics（STN,St Louis,MO,USA）进行统计分析。数据在统计分析之前，均进行正态分布检测。

2 结果与分析

2.1 镉对苹果叶片光合参数和解剖结构的影响

图1 镉对苹果叶片光合参数的影响

镉能够影响苹果叶片的光合作用。由图1 可知，镉处理条件下叶片光合参数受到抑制，与对照相比，表现为净光合速率‘烟富3’降低62.46%，‘王林’降低46.04%；气孔导度‘烟富3’降低38.84%，‘王林’降低26.85%；蒸腾速率‘烟富3’降低32.84%，‘王林’降低44.51%。

镉处理条件下，‘烟富3’和‘王林’叶片上表皮遭到破坏（图2）。由表1 可知，镉处理条件下‘烟富3’和‘王林’叶片厚度减小，分别比对照厚度减小3.18%和8.34%。上表皮和下表皮均是由一层细胞排列组成的，镉处理条件下‘烟富3’叶片上表皮变厚，比对照增加28.05%，而‘王林’叶片上表皮厚度比对照减小7.26%；镉处理对‘烟富3’和‘王林’叶片下表皮细胞的影响较小。苹果叶片栅栏组织和海绵组织均有2～3 层细胞组成，镉处理下2 个品种叶片栅栏组织和海绵组织厚度均显著减小，‘烟富3’叶片栅栏组织和海绵组织厚度分别比对照减小6.60%和4.45%，‘王林’叶片分别比对照减小10.42%和9.94%。

图2 镉处理对苹果叶片解剖结构的影响

表1 镉对苹果叶片解剖结构的影响 μm

2.2 镉对苹果植株生物量的影响

由表2 可知，镉处理能够减小苹果果实质量，但与对照差异不显著。镉处理能够抑制苹果叶片和当年生枝条生物量，‘烟富3’和‘王林’叶片生物量分别比对照低25.38%和23.90%，当年生枝条生物量分别比对照低20.62%和29.84%。镉对2 个品种1 年生枝、2 年生枝、砧木茎和根系生物量的影响较小，与对照处理无显著差异。

表2 镉对苹果植株各组织生物量的影响 g

2.3 镉在苹果各组织中的积累

从表3 可以看出，‘烟富3’和‘王林’对照植株各组织中均未检测到镉，镉处理条件下各组织均检测到镉，但是不同组织间差异较大。‘烟富3’果实和当年生枝条中镉含量高于‘王林’，其他组织中镉含量差异不明显。各组织镉含量由高到低表现为根系＞砧木茎＞2 年生枝＞1 年生枝＞当年生枝＞叶片＞果实。

表3 苹果植株各组织镉含量 mg/kg

2.4 镉对苹果植株矿质元素含量的影响

由表4 可知，镉能够影响苹果植株对矿质元素的吸收和分配，不同组织和不同矿质元素之间存在差异。镉处理显著降低了‘烟富3’和‘王林’叶片氮含量，增加了‘烟富3’当年生枝氮含量；对‘烟富3’和‘王林’氮素含量的影响较小，与对照无显著差异。镉促进了‘烟富3’果实、当年生枝条、2 年生枝条、砧木茎和根系，以及‘王林’叶片、1 年生枝条和砧木茎磷含量积累，其他组织与对照无显著差异。镉处理显著降低了‘烟富3’叶片和‘王林’2 年生枝条钾含量，增加了‘王林’苹果果实和1 年生枝条钾含量；其他组织钾含量与对照无显著差异。镉显著抑制了‘烟富3’果实和根系钙含量，而促进了叶片、当年生枝条和砧木茎中钙含量的增加；与‘烟富3’变化相反，镉显著降低了‘王林’叶片钙含量。

表4 镉对苹果植株各组织氮、磷、钾和钙含量的影响 g/kg

由表5 可知，植株硼含量受到镉的影响，且不同苹果品种之间也存在差异，表现为：镉显著降低了‘烟富3’果实、砧木茎和根系硼含量，增加了‘烟富3’1 年生枝条硼含量；而镉显著增加了‘王林’果实、叶片和1 年生枝条硼含量，显著降低了砧木茎中硼含量。镉对苹果植株铜含量的影响也存在较大差异。镉处理条件下‘烟富3’砧木茎铜含量显著降低，而根系铜含量比对照增加33.84%；镉显著抑制了‘王林’叶片、2 年生枝条和砧木茎中铜含量。镉处理对2 个品种各组织铁含量的影响不同，‘烟富3’果实铁含量比对照降低20.91%；‘王林’果实和2 年生枝条铁含量显著高于对照，而叶片和当年生枝条铁含量显著低于对照。镉处理下2个品种锌含量差异很大，镉显著促进了‘烟富3’当年生枝条、1 年生枝条、2 年生枝条和砧木茎，以及‘王林’1 年生枝条、2 年生枝条和砧木茎锌的累积；抑制了‘烟富3’根系以及‘王林’叶片和根系锌含量。

表5 镉对苹果植株各组织硼、铜、铁和锌含量的影响 mg/kg

3 讨论

镉是植物生长的非必需元素，过量的镉能使植物叶片卷曲失绿、叶绿体降解、气孔关闭，导致叶片光合能力降低，从而抑制植株的生长发育，导致植株生物量增长量减少[11-12]。孙红艳等[13]研究发现，镉处理条件下大麻叶片SPAD 值显著降低，净光合速率、蒸腾速率和胞间二氧化碳浓度降低。本研究也有相同的结论，镉处理条件下‘烟富3’和‘王林’苹果叶片光合参数受到抑制，净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著低于对照。此外，镉还能导致植物叶片总厚度、栅栏组织和海绵组织厚度减小，抑制叶片生长发育[14]。本研究发现，镉处理条件下‘烟富3’和‘王林’叶片总厚度、栅栏组织和海绵组织厚度均显著低于对照，而‘烟富3’叶片上表皮厚度显著高于对照。史刚荣[15]发现200 mg/kg 以下的镉浓度处理能够增加植物叶片的上表皮厚度，可能是植物对镉胁迫引起根系吸收能力下降而导致的生理性干旱的一种适应机制。镉能够影响果树生长发育，Zhou 等[16]研究发现，镉抑制了苹果砧木幼苗各组织生物量的增加。本研究还发现，镉胁迫抑制苹果叶片和当年生枝条生物量的增加，这与沈潇等[17]的研究结果相一致。说明镉能够抑制苹果植株的生长发育。

植物根系吸收镉以后，一部分贮藏在根系中，一部分运输到地上部。本研究发现，根系镉含量高于地上部位，且多年生枝条镉含量高于新生枝条，这与张连忠等[18]的研究结果相一致。镉进入根系后能够影响根系对其他矿质元素的吸收，表现为根系中钾、钙、锌等元素含量降低[19]。本研究发现，镉胁迫下‘烟富3’根系钙、硼和锌，‘王林’根系锌含量显著低于对照，说明镉能抑制苹果对钙、硼和锌元素的吸收。这可能是镉的毒害作用削弱了植物细胞对矿质元素主动吸收的作用[20]。本研究还发现，镉胁迫下‘烟富3’根系磷和铜含量高于对照，可能是低质量镉可促进植物对磷的吸收[21]，苹果根系对铜的富集能力大于镉[22]。

镉随输导组织运输到植物地上部位并进入叶片，不仅能够影响叶片光合作用和叶片结构[23-24]，镉还能抑制叶片中钾、铁、锌和铜含量[25-27]。本研究发现，镉胁迫下苹果叶片氮、钾、铜、铁和锌含量显著降低。说明镉能抑制氮、钾、铜、铁和锌在苹果叶片中的积累。苹果叶片氮含量降低可能是因为镉抑制了硝酸还原酶的活性导致氮代谢受阻，导致氮的转运率降低[21]。本研究发现，镉处理条件下‘王林’叶片磷含量上升，可能是低质量镉可促进植物对磷的吸收，Cd-P 之间表现为协同作用[21]。钙是植株生长发育的必需元素，能够调节植物细胞代谢活动，影响镉的吸收和转运[28]。钙在保护植物地上部新生物质免受镉伤害方面具有积极作用，镉能抑制老叶钙含量，提高地上部新生组织钙含量[19]。而王丽香等[29]研究发现，植株钙含量随镉含量的增加呈现先增加后降低的趋势。本研究发现，镉胁迫下‘烟富3’叶片钙含量升高，而‘王林’叶片钙含量降低，说明不同苹果品种对土壤镉含量的适应能力有所差异。