張玉坤, 高夕彤, 王小敏, 2, 段亞軍, 呂 詩, 王 雪, 路倩影, 馮圣東, 楊志新, 2**

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 保定 071000; 2. 省部共建華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 保定 071000;3. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場 保定 071000)

據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示, Cd點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%, 土壤Cd污染較為突出, 導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯下降。蔬菜作為日常生活中必不可少的食物, Cd通過根系進(jìn)入莖、葉、果實(shí)并吸收積累, 經(jīng)食物鏈對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。重金屬在環(huán)境中一般以多種形態(tài)存在, 尤其是有效態(tài)在很大程度上決定了其生物有效性和富集風(fēng)險(xiǎn)。土壤中難溶態(tài)Cd有效性或活化差異直接影響了蔬菜的吸收積累, 其影響因素主要包括化合物組成、土壤pH、土壤可溶性有機(jī)質(zhì)、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物以及植物根系分泌物等。研究證實(shí), 2種生態(tài)型東南景天()能夠活化難溶態(tài)的ZnO、ZnCO和Zn(PO), 而對難溶態(tài)ZnS卻沒有明顯的活化作用, 活化效果截然不同。同樣地, 關(guān)于難溶態(tài)Cd的有效性差異也可能受到自身組成結(jié)構(gòu)的影響。然而, 文獻(xiàn)研究中更多地揭示了CdCO的活化效果, 有關(guān)土壤中兩種常見難溶態(tài)CdS和CdCO的活化差異并沒有相關(guān)的數(shù)據(jù)資料佐證。

不同植物品種根系分泌物種類和含量有較大差異, 導(dǎo)致其活化與吸收重金屬的能力也存在差異。Cd高積累油菜() 品種‘新4號(hào)’對土壤中難溶性Cd的溶解能力較強(qiáng), 增加了Cd吸收。水稻()品種活化效果也得出了類似的結(jié)論, 雜交稻和高鎘水稻品種對難溶性Cd的吸收率均高于常規(guī)和低Cd水稻品種, 水稻品種活化差異顯著。這些研究結(jié)果均說明不同植物品種對重金屬存在一定的活化作用, 且活化特性差異明顯。課題組前期也發(fā)現(xiàn)了番茄()品種對難溶態(tài)Cd的吸收積累特性, 在難溶性CdS處理下, 高積累性番茄品種地上部和地下部的積累量分別是低積累品種的1.39倍和1.97倍。但不同積累型番茄品種對不同難溶態(tài)Cd的活化差異尚不清楚。深入揭示不同番茄品種對不同難溶態(tài)Cd的活化效果, 對于蔬菜Cd吸收積累調(diào)控以及土壤Cd污染農(nóng)藝修復(fù)具有重要的意義。

本研究以兩種Cd積累型番茄品種幼苗為研究對象, 以土壤中存在的兩種常見難溶態(tài)Cd?CdS和CdCO為污染物, 通過水培試驗(yàn), 研究兩個(gè)番茄品種對難溶性Cd的活化效果及其吸收差異, 以期為Cd輕度污染土壤中合理選擇番茄品種進(jìn)行安全生產(chǎn)以及保證食物鏈安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)植物與營養(yǎng)液

供試番茄品種為課題組前期篩選出的兩種積累型品種: ‘普羅旺斯’(Cd低積累型)和‘合作8’(Cd高積累型)。供試營養(yǎng)液為霍格蘭德營養(yǎng)液, 用KOH或HNO調(diào)節(jié)pH至6.5。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)于2017年10月在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)光照實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在石英砂中先培養(yǎng)‘普羅旺斯’和‘合作8’番茄幼苗, 之后選擇長勢良好且生長均勻的植株, 用去離子水浸洗除去根部營養(yǎng)土, 將其移栽至直徑×高=11 cm×16 cm的PVC罐中進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)。Cd源為難溶性的CdS和CdCO, 純Cd添加量均為0.58 g?L。試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)處理, 分別為: 不添加Cd+低積累型番茄(CK)、不添加Cd+高積累型番茄(CK1)、添加CdS+不種植番茄(S)、添加CdCO+不種植番茄(C)、添加CdS+低積累型番茄(PS)、添加CdS+高積累型番茄(HS)、添加CdCO+低積累型番茄(PC)、添加CdCO+高積累型番茄(HC), 每個(gè)處理3次重復(fù), 共24罐。每個(gè)PVC罐中裝有1 L霍格蘭德營養(yǎng)液, 在25 ℃溫室下培養(yǎng), 每天光照12～14 h, 進(jìn)行完全隨機(jī)放置, 每天對水培罐的擺放位置隨機(jī)調(diào)整, 以避免光照強(qiáng)度造成的較大差異。培養(yǎng)10 d后測定溶液中有效態(tài)Cd含量、植株地上部與根部Cd含量以及植物生長指標(biāo)。

1.3 樣品的采集與測定

培養(yǎng)10 d后, 收獲所有植株樣品, 立即將溶液轉(zhuǎn)移至塑料瓶中, 低溫密封保存, 用于溶液中有效態(tài)Cd濃度的測定。用10 mmol?L的EDTA浸泡除去樣品根系表面吸附的Cd后, 再用蒸餾水洗凈擦干, 量取株高和根長, 分離地上部和根系。一部分樣品經(jīng)液氮速凍后保存于?20 ℃冰箱備用; 其余樣品105 ℃殺青30 min后于65 ℃下烘干后稱取干重并粉碎, 用于Cd含量分析測定。

溶液中有效態(tài)Cd含量、植株地上部與根部的Cd含量測定采用雙氧水-硝酸微波消解-原子吸收分光光度法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行整理和制圖, 相關(guān)性分析采用SPSS 24.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 低積累和高積累型番茄品種對溶液中兩種難溶性Cd活化的效果

圖1反映了添加2種難溶性Cd培養(yǎng)植株幼苗10 d后溶液中有效態(tài)Cd濃度變化規(guī)律。在添加難溶性CdS溶液中, 高積累型‘合作8’處理(HS)的溶液有效態(tài)Cd濃度為1.45 mg?L, 比未種植番茄處理S(0.96 mg?L) 高51.0% (0.05); 低積累型‘普羅旺斯’處理(PS)的溶液有效態(tài)Cd濃度為1.08 mg?L, 未種植處理為0.96 mg?L, 兩者差異未達(dá)顯著水平。在添加難溶性CdCO的溶液中, 種植‘普羅旺斯’ (PC)和‘合作8’ (HC) 10 d后溶液有效態(tài)Cd濃度分別為1.84 mg?L和2.14 mg?L, 與未種植番茄幼苗的處理C(1.32 mg?L)相比, 分別提高39.4%和62.1% (0.05), 其中, ‘合作8’對CdCO的活化效果顯著高于‘普羅旺斯’(0.05)?！献?’的這一結(jié)果與添加CdS處理的結(jié)論基本一致, 而對于‘普羅旺斯’品種來說，只有在添加CdCO處理時(shí)才有顯著性差異。

圖1 不同番茄品種對兩種難溶性Cd處理溶液中有效態(tài)Cd含量的影響Fig.1 Concentrations of available Cd in solution of different insoluble Cd planting with different tomato varieties

此外, 從同一番茄品種對兩種難溶態(tài)Cd的活化效果比較看, ‘合作8’對CdCO的活化效果比CdS顯著提高47.6%(<0.05), ‘普羅旺斯’對CdCO的活化效果比CdS顯著提高70.4% (<0.05), 兩種積累型番茄幼苗對CdCO的活化效果均顯著高于CdS。

綜上, 在溶液介質(zhì)下, ‘合作8’和‘普羅旺斯’對難溶性CdCO均具有顯著促進(jìn)活化溶解的作用; 而對難溶性CdS的活化兩個(gè)品種卻表現(xiàn)出極大的差異, 高積累型‘合作8’顯著高效促進(jìn)了CdS的溶解, 提高了CdS的生物有效性, 而‘普羅旺斯’對CdS未表現(xiàn)出活化溶解的效果。同時(shí), 高積累型‘合作8’對CdS和CdCO的活化作用均顯著高于低積累型品種‘普羅旺斯’, 且兩種植株對CdCO的活化效果遠(yuǎn)高于CdS。

2.2 兩種積累型番茄對難溶性Cd的吸收差異特征

由圖2可知, 在添加難溶性CdS的溶液中培養(yǎng)10 d后, 低積累型‘普羅旺斯’地上部與根部Cd吸收量分別為1.31 mg?kg和4.36 mg?kg, 分別比未添加CdS處理提高20.83倍和8.48倍(<0.05); 高積累型‘合作8’地上部與根部Cd吸收量分別為2.36 mg?kg和9.23 mg?kg, 比未添加CdS處理提高32.71倍和18.23倍(<0.05)。此外, ‘合作8’地上部與根部Cd吸收量分別是‘普羅旺斯’的1.80和2.12倍, 差異顯著(<0.05)。說明不同積累型番茄品種對難溶態(tài)CdS的活化及吸收存在明顯差異, 高積累型‘合作8’顯著強(qiáng)于低積累型‘普羅旺斯’。

圖2 不同番茄品種在兩種難溶性Cd處理溶液中地上部和根部的Cd含量Fig.2 Cd contents in shoots and roots of different tomato varieties planting in solution of different insoluble forms of Cd

在添加難溶性CdCO的溶液中培養(yǎng)10 d后, 低積累型‘普羅旺斯’地上部與根部Cd吸收量分別為2.33 mg?kg和6.02 mg?kg, 比未添加CdCO處理分別提高37.83倍和12.09倍(<0.05); 高積累型‘合作8’地上部和根部Cd吸收量分別為4.78 mg?kg和15.28 mg?kg, 比未添加CdCO處理分別提高67.29倍和30.83倍(<0.05); 此外, ‘合作8’地上部和根部Cd吸收量比‘普羅旺斯’提高1.05倍和1.54倍, 差異均達(dá)顯著水平(<0.05), 與添加CdS處理的規(guī)律相一致。

綜上所述, 在溶液介質(zhì)下, ‘普羅旺斯’和‘合作8’與未添加Cd的對照相比均顯著提高了Cd生物有效性, 而高積累型‘合作8’對難溶態(tài)CdS和CdCO的吸收均顯著高于低積累型‘普羅旺斯’, 使二者的吸收量表現(xiàn)出顯著差異性。

2.3 難溶性Cd條件下兩種積累型番茄幼苗生長的差異分析

圖3反映了溶液中添加2種難溶性Cd對兩種積累型番茄幼苗株高、根長和生物量的影響。在難溶性CdS處理下, 低積累型‘普羅旺斯’株高為27.2 cm, 顯著高于未添加CdS處理(CK)和高積累型‘合作8’處理(<0.05); 而高積累型‘合作8’與對照相比無顯著性差異。在難溶性CdCO處理下, 低積累型‘普羅旺斯’株高與未添加CdCO處理差異不顯著, 而高積累型‘合作8’株高(16.5 cm)卻顯著低于未添加CdCO處理(CK1)和低積累‘普羅旺斯’處理, 分別降低8.8%和30.5%。該結(jié)果反映出不同積累型番茄品種由于對不同難溶性Cd的活化效果不同, 溶液中有效態(tài)Cd含量使高積累型‘合作8’地上部吸收量顯著高于低積累型‘普羅旺斯’, 由此可能對植株株高產(chǎn)生了顯著影響, 表現(xiàn)出添加CdCO對‘合作8’株高有顯著的抑制作用, 而CdS對‘普羅旺斯’株高卻有顯著的刺激作用。

圖3 不同番茄品種對兩種難溶性Cd處理溶液中植株幼苗生長指標(biāo)的影響Fig.3 Growth indicators in solution of different insoluble Cd planting with different tomato varieties

在添加CdS處理下, 低積累型‘普羅旺斯’根長為18.1 cm, 比未添加CdS (CK)和高積累型‘合作8’處理分別提高10.1%和47.2% (<0.05), 高積累型‘合作8’根長比未添加CdS處理(CK1)降低9.8% (<0.05)。添加難溶性CdCO, ‘合作8’根長顯著低于其他處理, 降幅為24.3%～49.9%。

在添加CdS處理下, 低積累型‘普羅旺斯’的生物量為3.37 g, 顯著高于未添加CdS處理(CK)和高積累型‘合作8’ (<0.05); 高積累型‘合作8’的生物量則顯著低于未添加CdS處理(CK1)。在添加CdCO處理下, 高積累型‘合作8’的生物量顯著低于其他處理。生物量的變化與植株株高和根長的變化規(guī)律相吻合。

以無污染處理的番茄植株生長指標(biāo)作為參照, 進(jìn)一步計(jì)算了難溶態(tài)Cd處理下每種番茄植株生長指標(biāo)的變化幅度, 如表1所示。結(jié)果表明, 4個(gè)處理的株高、根長、生物量變化增幅度均表現(xiàn)為PS>PC>HS>HC, 差異顯著(<0.05)。從株高增幅來看, 添加難溶性CdS和CdCO條件下, ‘普羅旺斯’分別增加15.0%和0.7%, 均顯著高于‘合作8’ (<0.05)。從根長增幅來看, 添加難溶性CdS對低積累‘普羅旺斯’有促進(jìn)作用, 根長提高10.14%, 而其余3個(gè)處理均受到顯著抑制, 降幅為0.8%～19.6%。而對于品種‘合作8’來說, CdS和CdCO條件下, 根長均受抑制。從生物量增幅來看, 依然是 添加CdS的‘普羅旺斯’處理增幅最高, 達(dá)15.5%, 顯著高于其余3個(gè)處理。可見, 難溶性CdS處理顯著提高了低積累型‘普羅旺斯’的生長, 而其余處理基本上對植株生長呈抑制作用。

表1 兩種難溶態(tài)Cd處理下番茄植株生長指標(biāo)比無污染對照的變化幅度Table1 Increase range of growth indexes in two tomato varieties under different treatments %

綜上, 不論是在添加難溶性CdS還是CdCO處理下, 低積累型品種‘普羅旺斯’株高、根長和生物量均顯著高于高積累型‘合作8’, 說明添加難溶性Cd對品種‘普羅旺斯’植株生長具有顯著的促進(jìn)作用, 而對‘合作8’生長有顯著的抑制作用。

3 討論

本研究利用課題組前期篩選出的Cd高積累型‘合作8’和低積累‘普羅旺斯’, 通過水培試驗(yàn)明確了2種番茄品種對難溶性CdCO均具有顯著活化溶解作用, 對難溶性CdS, ‘合作8’表現(xiàn)了明顯的促溶效果, ‘普羅旺斯’卻無明顯作用, 且高積累型‘合作8’對CdS和CdCO的活化作用均顯著高于低積累型‘普羅旺斯’。兩個(gè)品種對難溶性Cd活化效果的差異可能與不同品種的根系分泌物存在顯著差異有關(guān)。相關(guān)研究表明, 植物根系通過根系分泌物以及根際pH的變化促進(jìn)土壤中氧化物態(tài)Cd的溶解, 從而釋放不同形態(tài)的Cd, 且與根系分泌物發(fā)生作用, 從而改變土壤中Cd的存在形態(tài)。吳志超研究證實(shí), 不同品種油菜品種由于根系分泌能力不同, 對重金屬Cd的生物有效性影響不同。龔玉蓮等對不同基因型蕹菜()的研究發(fā)現(xiàn), 兩種基因型蕹菜對Cd的響應(yīng)差異與各低分子量有機(jī)酸的分泌量有關(guān)。鄒素敏和肖亞濤的研究發(fā)現(xiàn)不同積累型葉用芥菜()和小麥()品種植株體內(nèi)及根系分泌物中成分的檢出情況存在顯著差異。這些研究均表明植物不同品種的根系分泌物存在著明顯差異, 這可能是影響Cd生物有效性的重要因素。另有一些研究還證實(shí), 根系分泌的有機(jī)酸可以促進(jìn)難溶態(tài)重金屬溶解, 能夠和重金屬離子形成比較易溶的配合物而使Cd活化, 但不同有機(jī)酸對Cd的活化能力不同, 魏佳等通過試驗(yàn)證實(shí), 有機(jī)酸的種類和濃度會(huì)影響對難溶態(tài)碳酸Cd的活化, 低分子量有機(jī)酸對碳酸鎘的活化作用強(qiáng)于酚酸和氨基酸, 且各種酸對土壤中Cd的活化量隨濃度的升高而增大, 有機(jī)酸對土壤難溶態(tài)Cd的活化能力差異顯著。然而, 目前對于番茄植株根系分泌物種類以及對Cd生物有效性的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步深入研究。除根系分泌物外, 土壤pH也是影響重金屬生物有效性的重要因子, 廉梅花研究了不同pH對東南景天()根際土壤Cd分子形態(tài)的影響, 結(jié)果表明, 根際土壤為酸性時(shí), Cd主要以腐殖酸絡(luò)合態(tài)和土壤無機(jī)礦物的外層配合物形態(tài)為主, 當(dāng)土壤pH為中性或堿性時(shí), Cd形態(tài)以內(nèi)層絡(luò)合物或沉積態(tài)為主。

本研究中高積累型‘合作8’植株地上部與根部的Cd吸收量顯著高于低積累型‘普羅旺斯’, 同時(shí)‘合作8’的株高、根長和生物量均顯著低于‘普羅旺斯’, 這一結(jié)果與‘合作8’對難溶性Cd的活化效果強(qiáng), 提高植株對有效態(tài)Cd吸收, 導(dǎo)致植株體內(nèi)大量Cd積累會(huì)抑制植株生長的結(jié)論相吻合; 而添加難溶性CdS處理下, ‘普羅旺斯’對其活化無明顯效果, 對植株生長表現(xiàn)出刺激作用。蘇德純等表明, 印度芥菜()可以活化、吸收難溶態(tài)Cd, 且隨著印度芥菜對CdCO活化的增加, 植株地上部和根系中的Cd含量顯著增加。劉文菊等證實(shí)缺鐵水稻、小麥的根分泌物能有效活化難溶性Cd (CdS), 促進(jìn)植株對活化后Cd的吸收和運(yùn)輸。這些研究結(jié)果均與本文的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

1)高積累型番茄品種‘合作8’使難溶性CdS和CdCO溶液中有效態(tài)Cd含量增加51.0%和62.1%, 活化效果顯著; 低積累型番茄品種‘普羅旺斯’只顯著促進(jìn)了難溶性CdCO的溶解, 比對照增加39.4%, 對CdS無顯著活化作用?！献?’對難溶性Cd活化的促進(jìn)效果遠(yuǎn)高于‘普羅旺斯’。

2)在難溶性CdS處理下, ‘合作8’地上部與根部的Cd吸收量分別比 ‘普羅旺斯’提高80.2%和111.7%;在難溶性CdCO處理下‘合作8’地上部和根部的Cd吸收量分別比‘普羅旺斯’高105.2%和153.8%, 差異均達(dá)顯著水平。

3)與未添加難溶性Cd處理相比, 添加難溶性CdS對低積累型番茄品種‘普羅旺斯’植株生長具有顯著的促進(jìn)作用, 株高、根長和生物量分別提高15.0%、10.1%和15.5%, 難溶性CdCO對‘普羅旺斯’植株生長未產(chǎn)生顯著影響; 難溶性CdS和CdCO對高積累型番茄品種‘合作8’生長均產(chǎn)生了顯著的抑制作用, 株高、根長和生物量分別降低5.0%、9.8%和11.3%。2種難溶性Cd處理下‘合作8’的株高、根長和生物量均顯著低于‘普羅旺斯’。