生菜地上部鎘累積規律及其與礦質元素濃度的關系

唐希望 ，吉普輝 ，同延安 *，伊麗麗

（1.河北環境工程學院環境科學系，河北 秦皇島 066102；2.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100）

二十世紀五十年代爆發于日本的痛痛病事件使人們開始關注鎘（Cd）對人體的毒性作用[1]。人體過量富集鎘可以造成腎小管和骨骼的損害[2]，同時也會引起肺水腫、肝損傷、貧血以及高血壓等癥狀[3]。對非吸煙人群，食物是人體鎘的主要攝入途徑[2]。世界衛生組織和聯合國糧農組織規定人體日攝入鎘的最高限量是70μg[4]，正常情況下人體通過食物的日均鎘攝入量是8~25μg[2]，低于限量標準。但是生活垃圾和工業廢物的無序排放以及農業上磷肥的使用會造成土壤中鎘富集[5-6]。自然狀況下土壤中重金屬主要是難以被植物吸收的形態[7-8]，但人為活動輸入土壤中的重金屬很容易進入食物鏈，進而在人體中富集，危害人體健康。

生菜是一種在世界范圍內被廣泛消費的蔬菜，2010年生菜的全球消費量達到0.236億t[9]。生菜對土壤中有毒元素的存在非常敏感，并且這些有毒元素可以富集到生菜的可食部分中[10]。研究表明生長在15 mg·kg-1CdCl2基質中的生菜，其葉片中鎘的濃度可以超出蔬菜產品最高限量的100倍[11]。然而這些生長在鎘污染土壤中的生菜卻沒有表現出脫水，黃葉或者壞死等癥狀[11-12]，這表明生菜對鎘具有很高的耐受性，生菜受鎘污染不容易被發現。此外生菜也是研究植物富集的很好的模式植物，它可以被用來研究植物鎘的吸收以及在可食部分的富集問題[13]，因此生菜在土壤鎘污染研究中也經常作為供試作物[7，14-18]。

作物對鎘的吸收會受到礦質元素吸收的影響[5，19-24]。Nan等[21]在田間狀態下研究了春小麥和玉米中鋅和鎘的交互作用，發現鋅和鎘的吸收存在協同作用。然而Sarwar等[23]通過葉面噴施鋅的方法，有效降低了小麥籽粒中鎘的含量。Liu等[19-20]研究了不同品種水稻鎘與5種礦質元素吸收轉運的關系，發現鎘與鐵、錳、銅存在協同轉運關系。然而Sarwar等[22]通過綜述前人研究卻認為鈣、鋅、鐵、錳可以降低作物對鎘的吸收和累積。而王麗香等[24]采用盆栽試驗，發現鎘脅迫對花生籽粒礦質元素含量的影響不一致，隨著鎘濃度增加鉀、鎂、鈣、鐵、鋅元素呈現先增加后降低的趨勢。雖然很多關于礦質元素對植物鎘吸收影響的研究結果是矛盾的，但是利用礦質元素與鎘的相互作用來降低作物對鎘的吸收轉運是可行的。

在本試驗中，采用立生生菜作為供試品種，種植在一個年限超過20年的鎘污染日光溫室中，在生育期內不間斷采樣，測定生菜地上部鎘與礦質元素含量，以了解在整個生育期生菜地上部鎘累積規律及鎘與礦質元素吸收的關系。本研究結果對保障生菜等葉類菜的安全生產具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地和試驗材料

試驗地位于陜西楊凌五泉鎮的一個日光溫室里（34°17′28″N，108°00′27″E），田間試驗開展于 2014 年5月20日至8月10日。日光溫室土壤是塿土，質地為重壤土，具體理化性質見表1。本試驗地位于半濕潤地區，年均降水量595.9~732.9 mm，年均溫度13.6℃，年均輻射量440~544 kJ·cm-2[25-26]。供試生菜為立生生菜，商品名稱“立生二號”，單株生物量為300~500 g，生育期為70 d。

1.2 田間試驗方法

1.2.1 生菜種植

在日光溫室的中部選取一片試驗田塊，使用微耕機翻耕田塊表層土壤，最大可能使耕層土壤質地達到均一。將生菜種子密集而均勻的撒播在每一行，一共播種9行，每行長9 m，行間距30 cm。在種子出苗前，使用塑料薄膜覆蓋在田塊上以保持濕度，必要的時候噴灑水分，使土壤濕度保持在最大持水量的60%。為避免肥料對試驗結果的干擾，在田間試驗前后階段均不施入任何肥料。

1.2.2 采樣方法

播種后20 d開始對生菜地上部分進行采樣。每次隨機采取20株生菜地上部分作為一個樣品，重復三次。采樣時間分別為播種后第 20、25、27、30、32、33、34、35、36、38、40、42、44、46、48、51、53、57、59、61、67、70、73 d。所有采集的樣品均使用同一方法進行前處理。

表1 試驗場地土壤表層（0~20 cm）理化性質（n=3）Table 1 Propertiesof the 0~20 cmsoil layer in the experimental field（n=3）

1.3 樣品前處理及金屬元素的測定

1.3.1 樣品前處理

從田間采集的鮮樣抖盡泥土，先用自來水沖洗，再用去離子水清洗，最后用高純水清洗干凈。然后晾干，稱取鮮重。隨后放入烘箱中，105℃殺青1 h，80℃烘干至恒重后稱重。烘干樣品采用不銹鋼植物粉碎機（LD-Y500A，上海）進行粉碎混勻。所有樣品都采用相同處理方法。

1.3.2 重金屬分析

在耐高溫石英消煮管中加入1.000 0 g樣品，9 mL HNO3（GR）和3 mL HClO4（GR），敞口消解（160℃電熱板加熱）至近干，呈黃色或無色膿狀物，判定為消解完全。然后將消解后的液體轉移到25 mL容量瓶中，使用高純水定容[26]。使用日立Z-2000原子吸收儀（AAS）法測定樣品中 Cd、Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg 8 種元素，其中Ca、Mg測定以SrCl2為掩蔽劑。樣品分析過程中使用環境標準物質GBW10015（菠菜）進行質量控制，回收率為95%±5%，每批次兩個重復。

1.4 數據分析

數據分析采用 SigmaPlot 12.5（Systat Software Inc.）和Excel 2010軟件。采用Pearson相關性檢驗對生菜鎘濃度和礦質元素濃度相關性進行檢驗。顯著性水平為 0.01和 0.05。

2 結果與討論

2.1 生菜生長狀況

田間試驗從2014年5月20日開始到8月10日結束，相對應的采樣時間從播種后20 d到播種后73 d。圖1是在采樣周期內生菜地上部分單株生物量的變化情況。根據生菜生長情況將其分為苗期（播種后20~30 d），器官形成期（播種后 30~57 d）和抽薹期（播種后57~73 d）。從圖1a可以看出生菜地上部分鮮物質生物量呈“S”型曲線增加。在器官形成期初期，生菜單株鮮重迅速從2.8 g增加到88.1 g，隨后在74.7~92.9 g之間波動。在抽薹期之前，生菜地上部單株干重也符合“S”型增長曲線，從0.1 g增加到了6.4 g，然而在抽薹期生菜地上部分單株干重迅速從6.4 g增加到了 11.2 g（圖 1b）。

2.2 鎘累積狀況

圖1 采樣期（播種后20~73 d）生菜地上部生物量（n=3）Figure 1 Biomass of lettuce above-ground parts duringthe experimental period（day 20 to 73 after sowing，n=3）

2.2.1 鎘濃度

圖2是整個生育期生菜地上部分Cd含量。在苗期生菜地上部分Cd的濃度從2.70 mg·kg-1上升到3.62 mg·kg-1，然而在器官形成期生菜地上部Cd的濃度從 3.62 mg·kg-1波動下降到 2.40 mg·kg-1，而在抽薹階段生菜地上部Cd的濃度從2.40 mg·kg-1幾乎直線下降到1.64 mg·kg-1（圖2a）。基于Pearson相關性檢測數據表明生菜地上部Cd的濃度與生菜生長時間顯著負相關（r=-0.76，P<0.01）。

圖2 基于干重和鮮重的生菜地上部Cd濃度（n=3）Figure 2 Cd concentrationsin lettuce above-ground partsbased on dry weight and fresh weight（n=3）

由于蔬菜相關的Cd限量標準是基于鮮重的濃度，為便于分析比較生菜地上部Cd濃度與限量標準的關系，本試驗計算了基于鮮重的生菜地上部Cd濃度（圖2b）。根據圖2b，在抽薹期之前生菜地上部分Cd鮮重濃度非常接近可允許的最大限量值（0.2 mg·kg-1），在抽薹期高于生菜可允許的最大限量值。我國對于如生菜的葉類菜，可允許的Cd最高限量值為0.2 mg·kg-1（GB 2762—2012）。考慮到誤差，在抽薹期之前生菜Cd含量有可能超標，因此該日光溫室生產出的生菜對消費者來說是有健康風險的。

從圖2可以看出在整個生育期內生菜地上部Cd濃度的變化并沒有保持相同的趨勢。對于限定的土壤和限定的一株生菜，生菜組織中Cd濃度是由其生長狀況所決定的。植物的根和葉片都可以吸收Cd[27-28]，但根吸收是Cd的主要吸收途徑。植物根系吸收Cd的規律可以用Michaelise-Menten動力學模型（1）及其衍生模型來描述[29-31]。

式中：J是植物根部微量元素匯入率，mg·cm-1·d-1；C是土壤溶液中的微量元素濃度，mg·L-1；Jmax是J的最大值；Km是J=50%Jmax時C的值。

但是這個方程并不能直接用于描述田間試驗，因為在田間試驗狀態下根系不能被準確地測定。根的生長是和地上部生物量的累積高度相關的[17，32]，而地上部分生物量的累積趨勢遵循“S”型曲線方程（2）：

式中：B（t）是生菜地上部在生長時期t（d）的生物量，g·株-1；Bmax代表最大生物量，t1是 B（t）=50%Bmax時的生長時間，d；b1是生長速率的倒數，μg·d-1。

根據Chen等[33-34]和Molina等[17]的研究結果，田間狀態下微量元素根吸收模型可以用公式（3）描述：

式中：M（t）代表根吸收的微量元素量，μg·株-1；Rroot-shoot代表根冠比（根長/生物量），cm·kg-1。

根據公式（3），根冠比和地上部生物量決定著生菜地上部Cd的累積。在播種后57 d之前地上部生物量的增長趨勢符合“S”型曲線，而在此之后的抽薹期地上部生物量又開始迅速增長（圖1b）。在整個生育期，地上部生物量增長率符合低-高-低-高的趨勢。當生菜地上部生物量累積速率比Cd累積速率低時，地上部Cd濃度就會上升，反之則下降。假設在公式（3）中J值不變，則Cd濃度在苗期升高而在器官形成期和抽薹期下降。抽薹期Cd吸收速率的下降大于器官形成期。

2.2.2 鎘累積

根據圖3，生菜地上部Cd單株累計量可以用邏輯斯特方程（4）進行擬合。

式中：U（t）代表生菜地上部 Cd 單株累積總量，μg·株-1；Umax代表 U（t）的最大值，t2是當 U（t）的值等于 50%Umax的時間，d；b2是Cd吸收速率的倒數，d。在本研究中 Umax=19.35 μg·株-1，t2=40.64 d，b2=6.18 d。

在器官形成期生菜地上部累積的Cd總量為15.48 μg·株-1，遠高于抽薹期（表 2）。在器官形成期Cd的累積速率也是最高的，此階段累積的Cd占全部生長階段的80%，而抽薹期累積的Cd只占4.35%。由此可見，器官形成期是生菜地上部Cd累積的主要時期。抽薹期雖然生物量增長很快，其Cd累積速率卻是最低的。McKenna等[35]的研究結果表明在研究設置的所有Cd輸入水平下，都是生菜老葉Cd含量大于新葉，Moustakas等[36]的研究結果也表明生菜外葉Cd含量大于內葉Cd含量。這些研究結果與本研究結果可以相互印證，Cd在生菜各組織器官遷移性較低，但兩者均沒有比較新葉與老葉Cd累積速率。

圖3 生菜地上部Cd單株累積量的邏輯斯特擬合方程Figure 3 A logistic curve was used to fit the trend of cadmium accumulation in above-ground lettuce parts

在抽薹期，部分葉片枯萎脫落也可能造成部分累積Cd的減少。根據圖1，在抽薹期干鮮比的增加可能也降低了Cd從生菜根部到地上部的轉移速率。鑒于此，當把生菜作為Cd研究供試植物時應在抽薹期之前進行采摘。根據方程（3），根冠比是生菜地上部Cd累積的影響因素。使用生長素例如吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA）均可以調節根冠比[25，37]。生菜地上部累積Cd的途徑主要是根部的轉運，而根部到地上部的轉移速率在器官形成期最高。因此可以使用生長素在器官形成期對生菜Cd累積進行調節。

2.2.3 礦質元素濃度

圖4是生菜在整個生育期地上部礦質元素Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg含量的變化情況。從圖 4 可以看出，與生育期內生菜地上部Cd濃度的變化情況不同，Fe、Mn、Cu、Zn 4 種元素濃度的變化與生長時間呈顯著正相關（相關系數分別為r=0.71，P<0.01；r=0.58，P<0.01；r=0.42，P<0.05；r=0.39，P<0.05），即隨著生長時間的增加，生菜地上部Fe、Mn、Cu、Zn 4種元素的干物質濃度增加。而不同生育期內生菜地上部Ca和Mg元素含量變化則與生長時間沒有顯著相關性。這可能與研究區域土壤狀況有關，根據表1，該區域土壤Ca和Mg的含量較高，分別為5.2%和1.34%，而Ca和Mg是生菜體內的大量元素，其在生菜體內的濃度受外界因素影響較小，因此其在生育期內濃度基本保持恒定。

2.2.4 生菜鎘與其他元素含量的相關性

本文在2.1部分根據圖1將生菜生長分為苗期、器官形成期和抽薹期，根據生長規律可以進一步將苗期和器官形成期劃歸至生菜的營養生長階段，抽薹期劃歸至生菜的生殖生長階段。對生菜整個生育期內、營養生長階段以及生殖生長階段 Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg元素含量與Cd含量進行Pearson相關性分析，結果見表3。可以看出整個生長階段生菜地上部體內Cd濃度和Fe濃度變化呈極顯著負相關（r=-0.77，P<0.01），和Ca呈正相關（r=0.46，P<0.05）；在營養生長階段，Cd濃度和Ca濃度變化呈顯著正相關（r=0.56，P<0.05）；在生殖生長階段生菜Cd濃度變化和Fe濃度顯著負相關（r=-0.82，P<0.05），和 Zn、Ca顯著正相關（r=0.93，P<0.01；r=0.42，P<0.05）。

表2 不同生育期生菜地上部Cd累積Table 2 Cadmiumaccumulation in above-ground parts of lettuceplants during different growth stages

圖4 生菜地上部 Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg 的濃度（n=3）Figure 4 Fe，Mn，Cu，Zn，Ca and Mgconcentration in the above ground partsof lettuce（n=3）

表3 整個生育期、營養生長階段以及生殖生長階段生菜Cd含量與Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg元素含量的相關性Table 3 Pearson correlation analysis of lettuce Cd content with lettuce Fe，Mn，Cu，Zn，Ca and Mg content respectively，during the whole growth stage，vegetative stage and reproductivestage

在整個生育期以及生殖生長階段，生菜地上部Fe與Cd的濃度變化呈顯著負相關。Fe元素雖然與Cd在生物體內功能不同，但是Fe與Cd存在交互作用，Cd脅迫可以誘導植物缺Fe，而足量供Fe可以降低Cd的生理毒性，減少植物對Cd的吸收轉運[38-40]。在本研究中，生菜生育期內地上部Cd與Fe的濃度變化呈顯著負相關正是體現了這一點。不過需要指出的是，有研究表明對于Cd富集作物來說，植物對Fe和Cd的吸收是顯著正相關的[41]。表3結果表明生菜Cd濃度與Zn、Ca濃度變化呈正相關，而相關研究表明，在生物體內Cd和Zn、Ca兩種元素在生理上存在拮抗作用，后兩種元素可以緩解Cd對生物的毒害作用[42-43]，而Cd與Zn、Ca兩種元素存在生理拮抗是因為元素之間價態相同、性質相似，因此生菜對Cd、Zn、Ca吸收轉運路徑可能存在共同之處。根據圖1中生菜生長狀況，可以判斷出生菜的生長沒有受到Cd的脅迫，其對Cd的吸收未受到抑制。因此可以推測在本研究中這3種元素從根部到地上部的轉運沒有發生競爭，因而生菜地上部Cd濃度與Zn、Ca濃度變化呈正相關。

3 結論

（1）地上部Cd濃度的變化與地上部生物量的變化高度相關。Cd濃度在苗期增加，在器官形成期和抽薹期降低。

（2）單株生菜地上部Cd累積的速率可以用“S”型曲線進行描述，約15%的Cd累積發生在苗期，約80%的Cd累積發生在器官形成期，約5%的Cd累積發生在抽薹期，苗期、器官形成期和抽薹期Cd累積速率分別為 0.098、0.516、0.056 μg·株-1·d-1。

（3）整個生長階段生菜地上部Cd濃度和Fe濃度變化呈極顯著負相關，和Ca呈顯著正相關；在營養生長階段，生菜地上部Cd濃度和Ca濃度呈顯著正相關；在生殖生長階段生菜地上部Cd濃度變化和Fe顯著負相關，和Zn、Ca顯著正相關。

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