镉胁迫对3种植物生长及镉吸收和积累的影响

陈丽丽，田 爽，鲁伟丹，李俊华 ，孙奔奔

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832000)

0 引 言

【研究意义】重金属镉由成土母质、矿石开采、污水灌溉和喷洒杀虫剂等存在于土壤中[1-2]。土壤镉污染不仅会退化土壤质量、降低农作物产量和品质，镉还会通过径流和淋溶作用污染地表及地下水[3]。镉在自然环境中常以化合态存在，相对于其他重金属而言，更易被植物吸收[4-5]。植物修复镉污染土壤成本低、高效且无二次污染，农田种植适宜的富集植物，可以“边生产边修复”[6]。【前人研究进展】何俊瑜等[7]研究发现，当镉浓度为1 μmol/L时，镉对植物生长表现出促进作用，镉浓度低于5 μmol/L时，镉对水稻的根长、根表面积、根体积、根干重和根系活力无显著影响，高于10 μmol/L明显受抑；Wei等[8]对龙葵进行不同浓度的镉处理，发现龙葵的根长、根表面积及根体积无显著降低，表明龙葵地下部对镉的响应不敏感，且龙葵对镉的耐受性与其根部特性显著相关。陈悦等[9]的盆栽试验结果表明，低浓度Cd能够促进棉花的生长发育，而高浓度Cd则对棉花的生长发育具有强烈的抑制作用。孙月美等[10]的研究同样证实这一结论，即低浓度镉的胁迫能刺激棉花及向日葵的生长，使其株高和鲜重达到最大值，但随着镉浓度的升高，棉花及向日葵生长受到抑制。【本研究切入点】土壤重金属镉污染问题受到重视[11]，植物修复是净化重金属污染土壤最有潜力的原位修复技术之一，且现已产生一定成效。但关于小白菜、棉花和龙葵对镉污染治理情况的对比研究鲜有报道。需研究镉胁迫对3种植物生长及镉吸收和积累的影响。【拟解决的关键问题】以小白菜、棉花和龙葵为材料。采用水培试验，人为模拟不同浓度镉胁迫环境，测定镉胁迫下3种植物生长和镉吸收情况，分析比较同一植物在不同浓度镉胁迫下镉积累效果及不同植物在同一浓度镉胁迫下的镉积累效果，筛选出每种植物最适宜修复镉污染的程度。

1 材料与方法

1.1 材 料

选取棉花(新陆早42号)、小白菜(德高)和龙葵(野生龙葵)作为供试植物，棉花及小白菜种子购于石河子市大转盘农资种子站，供试野生龙葵于2018年9月采自石河子大学试验站，采后用清水洗去果皮，将其种子籽粒晾干保藏以供使用。所用镉为CdCl2·2.5H2O，硝酸、盐酸、氢氟酸优级纯均购于石河子稼先科技有限公司，去离子水取自优普水纯化系统。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2019年5月16日至2019年7月25日在石河子大学农学院试验站温室与绿洲生态试验室进行，采用水培试验，所用水均为去离子水，其pH值在5.8～6.2。3种植物种子先播种于装有湿润蛭石与营养土混合基质的72穴穴盘中，待3种植物子叶出土并长至3～5片真叶(10～20 cm高)时，选择长势一致的幼苗移栽至清水中缓苗3 d，3 d后进行处理，处理时培养液中加入CdCl2·2.5H2O。每个处理设3个重复，每个重复设3株幼苗。处理时间为7 d，期间每日进行24h通气处理。处理结束后进行各指标的测定。表1

表1 水培3种植物镉胁迫浓度Table 1 Cadmium stress concentration of three plants in Hydroponics

1.2.2 测试指标

1.2.2.1 样品采集

处理结束后，3种植物幼苗分地上(叶)和地下(根)部进行采集，用Epson数字扫描仪对不同处理后的根系进行平面扫描；WinRHIZO专业版根系图像分析系统软件对根系长度、表面积、根体积和分形维数等指标进行定量分析，扫描结束后用去离子水将各部分冲洗干净后在75℃下烘干。将烘干样品磨碎后，准确称取0.100 0 g烘干样放入消煮管中，并加入5 mL硝酸3 mL盐酸混合液进行微波消解，消解结束后放入赶酸机并加入2 mL氢氟酸赶酸至管内只剩1 mL左右液体取出，冷却至室温后转移至10 mL离心管中，用去离子水进行定容，待测植株镉含量。镉含量使用日立Z-2000原子吸收分光光度计-石墨炉法进行测定，其具体含量代入镉标准曲线计算得出。

1.2.2.2 镉积累量

镉积累量参照相关文献的计算方法[10]。

镉积累量 = 作物各器官的干重 × 相应的Cd含量。

1.3 数据处理

试验数据为3次重复的平均值，采用SPSS 21和Microsoft Excel 2016软件对数据进行分析和处理，单因素方差分析Duncan法多重比较各处理间的差异显著性(P<0.05)，Microsoft Excel 2016完成制图。

2 结果与分析

2.1 镉对3种植物株高的影响

研究表明，T4处理下，小白菜株高达最大，其余各处理间小白菜株高无显著差异；与CK相比，龙葵在T5处理时株高显著降低，降低了26.72%；镉浓度大于3.5 mg/kg时，棉花株高生长受到显著抑制，与CK相比，T3处理棉花株高显著降低了13.54%。图1

注: 不同小写字母代表不同处理差异显著性(P<0. 05)，下同

2.2 镉对3种植物生物量的影响

研究表明，棉花和龙葵地下部生物量均随镉处理浓度的升高而降低，与CK相比，棉花地下部生物量下降最为显著，T5处理下，降低了35.61%；龙葵在镉浓度大于20 mg/kg后，地下部生物量下降较为显著，与CK相比，T2、T3、T4和T5处理分别降低了4.81%、4.07%、3.70%和8.15%；与CK相比，小白菜地下部生物量在T1处理下，升高了4.50%。

小白菜地上部生物量随镉处理浓度升高先升高后降低，与CK相比，T2处理下，小白菜地上部生物量升高了22.36%；棉花和龙葵地上部生物量则随镉浓度升高而降低，与CK相比，T5处理下，棉花和龙葵地上部生物量分别显著降低了44.03%和26.67%。表2

表2 3种植物地上部及地下部生物量变化Table 2 Aboveground and root biomass changes of three plants

2.3 3种植物体内镉含量的分布

研究表明，小白菜地上部镉含量在T1处理下达最低，显著低于其它处理，与CK相比，降低了21.02%，其它各处理间差异不显著；棉花地上部镉含量，随处理浓度的增加先增加后减小，T1处理时达最高，与CK相比，升高了21.81%；与CK相比，龙葵在不同浓度的镉处理下，镉浓度显著升高，T5处理下升高了85.36%。图2

图2 3种植物地上部位镉浓度变化Fig.2 Changes of cadmium concentration in the above ground parts of three plants

小白菜地下部镉含量在T3处理下达最高，显著高于其它处理，与CK相比，升高了17.31%；棉花在T3处理时，地下部位镉含量最高，与CK相比，显著升高32.01%；龙葵在T4处理下，地下部位镉含量最高，与CK相比，显著升高5 882.38%。图3

图3 3种植物地下部位镉浓度变化Fig.3 Cadmium concentration changes in the underground parts of three plants

2.4 3种植物体内镉积累量的变化

研究表明，3种植物的镉积累量均随镉处理浓度的升高，先增加后降低。小白菜体内镉积累量在T3处理下达到最大，为205.901 7 μg，与CK相比，增加了70.18%；龙葵体内镉积累量在T4处理下达到最高，为442.627 6 μg，与CK相比，增加了2 475.30%；棉花的镉积累量在T1处理下达到最大，为28.01 μg，与CK相比，增加了40.89%。图4

图4 3种植物体内镉积累量的变化Fig.4 The change of cadmium accumulation in plant

3 讨 论

株高和生物量作为植物生长指标，可简单用来判定植物对镉的耐受性，且植物由于耐受能力的不同，对镉的吸收强度有所不同；生物量大小直接影响到镉积累量的多少，进而影响到修复效果。已有研究表明龙葵[12]能在更大的镉胁迫浓度范围内生长，且生长受抑程度较低；小白菜[13]和棉花[10]耐受性则较差，镉胁迫下生长显著受抑。研究中，镉胁迫抑制了棉花株高生长；当镉浓度为10 mg/kg时，小白菜株高达到最大，此时，却小于龙葵，表明其耐受性小于龙葵，与前人[14-16]研究结果一致。

随镉处理浓度的增加，龙葵镉含量显著升高，地下部在镉浓度为50 mg/kg时，镉含量高达432 mg/kg，达到最大；小白菜地上部镉含量在T3(5 mg/kg)处理下最高；棉花地上部镉含量表现出“低促高抑”，在镉浓度大于3.5 mg/kg时，地上部镉吸收显著受到抑制。魏树和等[17]研究发现，当镉浓度大于25 mg/kg时，龙葵生长受抑，大于100 mg/kg时，地上部吸收能力减弱，其生长与吸收有浓度效应，刘可慧等[18]研究表明镉抑制小白菜株高生长，植株体内镉含量具有浓度效应；孙月美等[10]发现，棉花体内镉含量较低，且吸收的镉多集中在根系，各器官镉含量虽然具有浓度效应，但地上部各浓度处理间，含量差异在3种植物中最小。试验进一步证实了前人研究，也证明植物因种类与基因型的差异造成了如上差异[19]。

研究中，3种植物中小白菜幼苗生物量最大，镉处理下，其生物量无显著影响，棉花和龙葵则显著降低，孙月美[10]和Wang[20]等研究也表明，镉抑制了棉花和龙葵生物量，与研究验结果一致。5 mg/kg镉胁迫下小白菜镉积累量最大，大于该浓度，镉积累能力降低；3.5 mg/kg时棉花镉积累量增大，随后则减小；50 mg/kg处理下龙葵镉积累量为442.6 μg/盆，3种植物相比，达到最大。刘可慧等[18]研究表明，随镉处理浓度的升高，小白菜生物量显著下降，镉含量则显著升高，15 mg/kg镉处理下，地上部和根系镉含量与对照相比，显著增加3 984.4～5 734.5倍，因此，镉积累量也显著增加，此时小白菜生长受抑，而体内镉的吸收与积累则无显著影响；Lin[21]在极低浓度的镉胁迫下，研究发现小白菜体内镉含量也随处理浓度升高而增大；研究中，除T3处理(5 mg/kg)外，小白菜根系对镉吸收均受到胁迫，进而促使小白菜镉积累表现出先增大后减小的情况。对比发现，均在水培条件下时，影响小白菜镉吸收的关键因素为镉处理浓度和品种。盆栽试验中，棉花体内镉积累量随处理浓度的增加显著增加，水培试验里，较低浓度的镉胁迫下棉花体内镉积累量依旧随胁迫浓度增加而显著升高，但试验在缺少土壤缓冲性的条件下，棉花直接暴露在高浓度镉胁迫下，镉积累与前人[10,22]研究结果不同。刘柿良[23]的研究中，龙葵果实镉积累量随胁迫程度的增加显著增大，其余各器官镉积累量在大于40 mg/kg后，无显著变化；研究中龙葵根系镉含量在T4处理(50 mg/kg)下显著高于其它处理，进而使植株镉积累量表现出先增加后降低的趋势；Xu[24]的研究中镉含量随胁迫程度的增加也显著增加，可见，高浓度镉污染下，影响龙葵镉吸收的关键因素为培养方式，水培条件下，龙葵直接暴露在高镉环境，对其损害更加的直接，表现出镉吸收与积累上的差异。

小白菜作为常规蔬菜，对土壤中的镉具有良好的富集效果[25]。棉花作为重要的经济作物，其生物量大，且不易进入食物链[26]，因此，可作为不适宜种植水稻等粮食作物的中度和重度镉污染的农田，作为种植结构调整中的替代作物[27]。龙葵可以很好的治理被镉污染的土壤[28]。

4 结 论

4.1镉胁迫下，棉花生长最先受到抑制，其生物量下降最为显著，镉的耐受性最低；小白菜和龙葵均具备一定的耐性，两者相比，龙葵能在镉浓度较高的环境下生长，镉耐性更强。镉处理浓度分别为5、3.5和50 mg/kg时，对应的小白菜、棉花和龙葵镉积累量达到最大。3种植物对镉污染的修复能力表现为龙葵>小白菜>棉花。

4.2除棉花外，小白菜与龙葵均可用于镉污染的修复，镉胁迫浓度较低时，可选用小白菜进行修复，若镉浓度较高，可种植龙葵进行修复。