重度镉污染农田蚕豆对镉的富集与转运效率

王艳兰，李基光，向兰舟，王利群，王素华，汤 睿

（湖南省作物研究所，湖南 长沙 410125）

我国土壤重金属污染严重，镉（Cd）是常见的农田重金属污染之一[1]。农田的Cd 被作物吸收累积，经食物链进入人体积累过量时会严重危害人体健 康[2-3]。湖南省是全国土壤镉污染最严重的省份之一，面积大，范围广、程度重，严重妨碍了农业的可持续发展[4-5]。在典型的重金属污染区开展替代种植修复，是一种绿色经济高效的重金属污染土壤修复方法[6]。

蚕豆籽粒营养丰富，含有蛋白质、糖类、膳食纤维以及钙、铁、胡萝卜素、维生素B1、B2等人体必需元素[7]，既可做粮食又可做鲜食蔬菜用[8]，其秸秆还可做饲料用；同时，蚕豆根系固氮能力强，有助于提升土壤地力。近年来，蚕豆越来越受到广大消费者的青睐。因此，开展蚕豆作物Cd 安全性研究具有重要的现实意义。

目前，国内外关于水稻等主要农作物镉富集和转运效率的研究报道较多[9-11]，而对蚕豆与Cd 污染的研究主要集中在Cd 对蚕豆种子萌发及幼苗生长的影 响[12]以及对根尖细胞染色体畸变的影响[13]等方面，且大部分是通过盆栽试验开展研究，大田自然Cd 污染条件下开展蚕豆品种Cd 富集及转运效率的研究报道较少见。因此，笔者以蚕豆为材料，在重度Cd 污染农田开展大田试验，研究蚕豆的Cd 富集、转运特征，分析影响蚕豆Cd 富集及转运的主要因素，以期筛选适宜在Cd 污染土壤中种植的替代作物。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验布置在重度Cd 污染水稻田。重度Cd 污染农田Ⅰ区位于长沙市宁乡市某镇农田，用Cd1 表示，土壤全Cd 含量1.29 mg/kg，有效Cd 含量0.79 mg/kg，pH 值6.12，土壤有机质含量39.6 g/kg。重度Cd 污染农田Ⅱ区位于湘潭县某镇农田，用Cd2 表示：土壤全Cd 含量1.33 mg/kg，有效Cd 含量0.87 mg/kg，pH 值5.96，土壤有机质含量34.6 g/kg。

1.2 试验材料

供试材料为湘蚕鲜1 号，来自湖南省作物研究所资源课题组。

1.3 试验设计

2018—2019 年10 月20 日播种，随机区组排列，重复3 次。小区设计规格为2 m× 5 m，穴播，穴距为20～25 cm，行距为30～35 cm，每穴播足2 粒种子，留苗1 株。田间栽培管理操作按常规措施进行。在蚕豆鼓粒期、成熟期取其根、秸秆、豆荚、籽粒，分别装袋，风干待测。

土壤和植物样品中重金属元素测定：土壤样品风干后磨细过2 mm 网筛备用。称取0.5 g 土壤样品采用HCl-HNO3-HF·H2O-HClO4全消解的方法，用原子吸收分光光度计（Z2310，Hitachi）进行Cd 含量的测定。植物样品采用HNO3-HClO4消解，植物样品中的Cd 元素采用石墨炉原子吸收分光光度法（Z2000，Hitachi）测定。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007 和DPS 软件进行数据整理及相关性分析。

镉富集系数（BF）=蚕豆植株各部位Cd 含量/土壤Cd 含量

土壤-根Cd 的转移系数（TF）=根的Cd 含量／土壤的Cd 含量

根-秸秆Cd 的转移系数（TF）=秸秆的Cd 含量／根的Cd 含量

秸秆-豆荚Cd 的转移系数（TF）=豆荚的Cd含量／秸秆的Cd 含量

豆荚-籽粒Cd 的转移系数（TF）=籽粒的Cd含量／豆荚的Cd 含量

富集系数越大，表示蚕豆积累重金属能力越强；转运系数越高，表示镉的转运能力越强。

2 结果与分析

2.1 Cd1、Cd2 条件下不同时期蚕豆植株各器官Cd 含量差异

由表1 可以看出，在相同Cd 背景下，成熟期蚕豆各器官Cd 含量均高于鼓粒期；鼓粒期蚕豆各器官镉含量为根＞秸秆＞籽粒＞豆荚，成熟期蚕豆各器官Cd 含量为根＞秸秆＞豆荚＞籽粒。Cd2 的蚕豆各器官Cd 含量均高于Cd1。Cd1、Cd2 鼓粒期籽粒Cd 含量分别为0.063、0.074 mg/kg，成熟期籽粒（干重）Cd含量分别为0.116、0.127 mg/kg，均低于GB 2762—2017，食品安全国家标准食品中污染物限量中食品的Cd 限量标准（鲜豆为0.1 mg/kg，干豆为0.2 mg/kg）。

2.2 Cd1、Cd2 条件下不同时期蚕豆Cd 的富集系数

表 1 不同时期蚕豆籽粒、豆荚、秸轩、根镉含量 （mg/kg）

由图1、图2 可知，Cd1、Cd2 条件下蚕豆不同部位对土壤中Cd 的吸收积累能力差异不大，Cd2 的蚕豆不同发育时期各器官Cd 富集系数略高于Cd1。蚕豆各器官Cd 富集系数随着时间的推移而增加，秸秆增加了3 倍以上，豆荚增加近7 倍，籽粒增加了近2 倍。蚕豆根系表现出较高的Cd 富集能力，成熟期Cd1 和Cd2 条件下蚕豆根对Cd 的富集系数接近或超过1。在2 种Cd 污染水平下蚕豆根系、秸秆、荚、籽粒的Cd 富集效率高低顺序相同，鼓粒期表现为根系＞秸秆＞籽粒＞豆荚，成熟期表现为根系＞秸秆＞豆荚＞籽粒，且根部Cd 富集系数远高于秸秆和籽粒。图1、图2 显示，Cd1、Cd2 鼓粒期根富集系数在0.767～0.839，均值为0.803；秸秆富集系数在0.195～0.201，均值为0.198；豆荚富集系数在0.041～0.0.44，均值为0.042；籽粒富集系数在0.049～0.051，均值为0.050；Cd1、Cd2 成熟期根富集系数在0.974～1.015，均值为0.995；秸秆富集系数在0.346～0.379，均值为0.725；豆荚富集系数在0.252～0.301，均值为0.277；籽粒富集系数在0.090～0.096，均值为0.093。

图1 Cd1 条件下蚕豆不同器官中Cd 的富集系数

图2 Cd2 条件下蚕豆不同器官中Cd 的富集系数

2.3 Cd1、Cd2 条件下不同时期蚕豆Cd 的转运系数

如图3、图4 所示，在2 种Cd 污染水平下，蚕豆Cd 转运能力相当，Cd2 略高于Cd1；蚕豆各时期Cd 转运系数均小于1，证明Cd 主要累积在根系；成熟期的镉转运能力强于鼓粒期。根系、秸秆、豆荚、籽粒的Cd 转运效率高低顺序是一致的，Cd2 各部位转运系数高于Cd1。不同Cd 水平、不同时期、不同环节间Cd 转运效率差异明显。鼓粒期Cd 转运系数为豆荚-籽粒＞土壤-根＞根-秸秆＞秸秆-豆荚；成熟期Cd 转运系数为土壤-根＞秸秆-豆荚＞根-秸秆＞豆荚-籽粒。由图3、图4 可知，Cd1、Cd2 鼓粒期Cd 的转运系数土壤-根在0.767～0.839，均值为0.803；根-秸秆在0.238～0.255，均值为0.247；秸秆-豆荚在0.211～0.219，均值为0.215；豆荚-籽粒在1.194～1.263，均值为1.23；Cd1、Cd2 成熟期Cd的转运系数土壤-根在0.974～1.015，均值为0.994；根-秸秆在0.356～0.375，均值为0.367；秸秆-豆荚在0.729～0.813，均值为0.771；豆荚-籽粒在0.319～0.359，均值为0.339。

图3 Cd1 条件下蚕豆不同器官中Cd 的转运系数

图4 Cd2 条件下蚕豆不同器官中Cd 的转运系数

3 讨 论

Cd 是作物生长的非必需元素，当它在作物体内积累一定量时，就会对作物产生毒害，从而影响作物的产量和质量。有研究表明，植物对Cd 的吸收量与土壤中Cd 呈正相关性[14]。此外，有研究发现，进入植物体中的Cd 主要富集于根部，且根部Cd 的积累一般大于茎叶等其他组织，多数植物65%～90%的Cd存在于根部[15]。该研究中，在Cd1、Cd2 镉污染水平下，蚕豆各器官鼓粒期Cd 累积量为根系＞秸秆＞籽粒＞豆荚，但是成熟期Cd 累积量为根系＞秸秆＞豆荚＞籽粒。

富集系数在一定程度上反映了土壤-植物系统中重金属迁移的难易程度，说明重金属在植物体内的积累能力[16]。该研究中，在Cd1 和Cd2 镉污染水平下，蚕豆根系、秸秆、荚、籽粒的Cd 富集效率高低顺序相同，鼓粒期均为根系＞秸秆＞籽粒＞豆荚，成熟期均为根系＞秸秆＞豆荚＞籽粒。随着时间的推移，各器官Cd 富集系数均有增加，尤其是豆荚，增加了近7 倍，但无论是鼓粒期还是成熟期，豆荚和籽粒的镉富集系数均较低，大部分Cd 被截留在根茎叶部分。蚕豆根系表现出较高的Cd 富集能力，在镉污染区收获蚕豆时，根系应被移除。

转运系数越高，表示重金属从根转运到地上部位的能力越强[17]。该研究中，不同镉污染水平、不同时期、不同环节间Cd 转运效率差异明显。鼓粒期Cd转运系数为豆荚-籽粒＞土壤-根＞根-秸秆＞秸秆-豆荚；成熟期镉转运系数为土壤-根＞秸秆-豆荚＞根-秸秆＞豆荚-籽粒，说明重金属Cd 从土壤转运到籽粒的含量很低，大部分Cd 被截留在根茎叶部分。

由于蚕豆根和秸秆对Cd 的富集能力较强，在Cd污染严重地区种植后将其秸秆和根系移除，可起到一定土壤修复的作用。蚕豆作为Cd 累积作物修复Cd污染农田是可行的，但常规人工移除蚕豆根系的方法工作量较大，需进一步研究高效移除蚕豆根系的方法。另外，蚕豆生物量与Cd 富集量的关系以及Cd 对蚕豆营养品质的影响也需进一步深入研究。