土壤中水分和鎘供應量對油菜器官中鎘分布特征的影響

史新杰 李 卓 莊文化,3 劉 超

(1四川省農業科學院作物研究所,四川 成都 610066;2四川大學水利水電學院/水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,四川 成都 610065;3南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室,四川 成都 610066)

近年來,農業化肥不合理施用和污水灌溉及工業金屬冶煉,導致土壤重金屬污染問題日益嚴重[1],特別是重金屬造成的農田土壤污染問題已成為國內外研究熱點[2-6]。 鎘(Cd)污染是最常見的重金屬污染之一。 Cd 污染除了具備重金屬污染的一般特點(隱蔽性、不可逆性和長期性)外,還具有移動性強、毒性高、難降解等特點,因而更易被作物的果實部分吸收與積累[7],通過食物鏈危害人體和動物的健康[8]。 因此,控制和減少土壤Cd 污染,對保證食品安全及農業可持續發展具有重要意義[9]。 植物修復技術是一項利用綠色植物清除土壤重金屬的環境友好型土壤修復技術[10],近年來得到迅速發展,土壤修復植物的選擇是土壤修復的關鍵。 經過長期的篩選研究,國內外學者發現十字花科蕓薹屬植物具有較強的Cd 吸收特性,而油菜(Brassica napus L.)作為最具代表性的十字花科蕓苔屬植物,在我國種植極為廣泛,其種植面積及總產量均居世界首位。 研究表明,油菜籽實經加工后,Cd 主要存在于餅粕部分,油中Cd 濃度不高,并不影響人類食用[11]。 因此,油菜在Cd 污染土壤的修復中具有十分廣闊的應用前景。

研究發現植物根系從土壤溶液中吸收Cd 后,根系中的Cd 經過根系細胞的固定及區室化、共質體運輸到中柱,最后經木質部裝載運輸到地上部[12],并經韌皮部向籽實進一步遷移[13]。 此運輸過程均為溶液狀態,而土壤水分的欠豐勢必會影響Cd 運輸介質溶液,即Cd 在植物體內吸收遷移累積過程與土壤水分密切相關,管理和控制土壤水分是Cd 污染土壤植物修復技術田間管理的重要措施。 目前,關于土壤水分對植物Cd 吸收及Cd 在植株體內分布影響的研究尚鮮見報道。 本研究采用盆栽試驗,探究不同土壤水分下油菜的吸Cd 特征,以期為Cd 污染土壤的植物修復提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及供試材料

試驗在四川省農業科學院新都試驗園區內的移動式防雨棚進行,供試土壤取自紫色農田的0 ～20 cm 表層壤土,基本理化性質:pH 值6.14、全磷4.2 mg·kg-1、有效磷2.8 mg·kg-1、全鉀0.0132 g·kg-1、有效鉀96.5 mg·kg-1、全氮73.4 mg·kg-1、有效氮42.9 mg·kg-1、有機質8 g·kg-1、全鎘0.13 mg·kg-1、有效鎘0.037 mg·kg-1。土壤經自然風干后,過5 mm 篩,室溫保存備用。

供試作物:在對成都平原地區各個油菜品種富集鎘含量的調查基礎上,供試油菜品種選擇四川省廣泛種植,且經前期研究[3]表明,其吸Cd 能力較強的徳油5 號(Brassica napus L.),屬甘藍型中熟兩系雜交種,全生育期約223 d。

1.2 試驗設計

于2015年9月-2016年5月進行盆栽試驗,采用直徑35 cm、高28 cm,下底自帶托盤的塑料盆,每盆盛過篩風干土10 kg。 各種肥料在油菜移栽前一次性施加,后期不再追肥,施加量分別為:氮肥0.1 g·kg-1(尿素)、磷肥0.15 g·kg-1(磷酸二氫鉀)、有機肥15 g·kg-1,與供試土壤充分混勻。 以分析純CdSO4(無結晶水)作為污染試劑,用去離子水配成母液,再逐級稀釋,分別按照土壤Cd 含量為0、5、15、30 mg·kg-1的水平設計,噴灑到盆栽試驗的土壤中,邊噴邊攪拌,以保證Cd 的均勻分布,在溫室中穩定7 d。

于2015年9月中下旬播種,油菜長出3 片真葉時定苗,于2015年10月15 號移入大小、性狀、長勢一致的幼苗。 盆栽定苗(每盆1 株),每處理設3 次重復。移入后,為保證油菜生長,充分灌水,苗期不做任何處理。 2015年12月18日起,對油菜進行水分處理,分別設置高水(high water content,HW)、中水(media water content,MW)、低水(low water content,LW)3 個處理,各處理水分控制標準依次為田間持水量的70%～80%、60%～70%和50%～60%。 試驗過程中采用稱重法控制土壤水分,用電子臺秤(精度為1 g)稱重,以土壤水分占干土重的田間持水量的百分數表示。 各水分處理均以土壤含水率降至試驗設計的灌水下限時開始灌水,達到試驗設計灌水上限時停止灌水,用量筒精準量取所需水量,并記錄各處理每次的灌水量。 補水間隔為1 ～2 d,按照天氣、植株、土壤水分狀況而定。生長過程中,收集落葉待測。 油菜成熟后,收獲植株,用蒸餾水洗凈整個植株,晾干,將油菜各器官(根、莖、葉、角果殼、籽粒)分開,70℃烘干至恒重,稱取各部分質量,烘干樣品粉碎過0.425 mm 篩,用于測定重金屬Cd 含量。

1.3 測定項目及分析方法

1.3.1 樣品處理及Cd 含量測定 將植株樣于70℃烘干,按照不同水分和Cd 濃度處理分別脫粒,分別將同一處理的根、莖、葉、角果殼粉碎后混合,同一處理的籽粒混合,用于測定各器官Cd 含量。

1)土壤全Cd 含量:利用900H 原子吸收光譜儀(美國PE 公司)采用石墨爐原子吸收光譜法(GB/T 17141-1997)[14]進行測定;2)土壤有效Cd 含量:采用0.1 mol·L-1HCl(酸性)和二乙三胺五乙酸(DTPA)(中堿性)侵提,然后采用石墨爐原子吸收光譜法(GB/T 23739-2009)[15]進行測定,在土壤全Cd 含量測定過程中采用國家標準土壤樣品(GSS-14)進行分析質量控制;3)油菜各器官Cd 含量:采用石墨爐原子吸收光譜法(GB 5009.15-2014[16])測定,加入國家標準植物樣品(GBW10015 菠菜)進行分析質量控制;4)土壤pH 值:采用電位計法進行測定(LY/T 1239-1999)[17];5)生物量為各器官干物質之和。

1.3.2 相關參數計算方法 富集系數(bioconcentration factors, BCF)指植物體中某元素含量與基質中該元素含量的比值,通常用來表征某種植物對元素的吸收、累積能力[18]。 富集系數在一定程度上反映了沉積物-植物系統中元素遷移的難易程度,說明重金屬在植物體內的富集情況。 富集系數計算公式如下:

遷移系數(translocation factors, TF)指植物體地上部某元含量與根中該含量元素的比值,遷移系數能夠反映重金屬在植物不同器官中的分配情況,通常遷移系數越大,植物修復該重金屬的能力越好。 遷移系數計算公式如下:

移除率指植物體內某元素含量占土壤中該元素的百分比,本研究以油菜地上部鎘含量來計算移除率。移除率計算公式如下:

1.3.3 數據處理 采用SPSS 17.0 和Microsoft Excel 2007 進行數據統計和相關性、顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同水Cd 處理對油菜生物量及其Cd 積累的影響

生物量是反映植物對重金屬修復效果的重要因素。 由圖1-A 可知,相同水分處理下,油菜生物量對不同土壤Cd 的響應并不明顯,且各處理間無顯著性差異,表明Cd 未對油菜產生毒害作用,同時也說明油菜對Cd 具備較好的耐受性。 土壤水分對油菜生物量的影響顯著,且隨著土壤水分的增加,油菜生物量顯著提高;當Cd 濃度為15 mg·kg-1時,不同土壤水分處理間均差異顯著,與中水和低水處理相比,高水處理油菜生物量增幅分別為93.3%和151.3%。 結果表明,在一定的土壤Cd 濃度范圍內,增加土壤水分可以顯著增加油菜生物量。

由圖1-B 可知,Cd 濃度為5 mg·kg-1時,隨著土壤水分的增加,油菜單株吸Cd 量分別為268.58、421.29、584.41 μg, 且 差 異 顯 著。 Cd 濃 度 為30 mg·kg-1時,油菜單株吸Cd 量達到最大,低水、中水、高水處理油菜單株吸Cd 量分別為1 242.96、1 345.93 和2 356.72 μg。 比較不同水分處理下不同Cd 濃度的油菜吸Cd 量可知,土壤Cd 濃度分別為15、30 mg·kg-1時,低水、中水處理的油菜吸Cd 量差異均不顯著,而高水處理的吸Cd 量顯著增加,與中水、低水相比,分別增加88.2%、121.1%和75.1%、89.6%。 結果表明,土壤水分和Cd 濃度對油菜吸Cd 影響顯著,且隨著土壤水分和Cd 濃度的增加,油菜對Cd 的吸收量顯著增加。

圖1 不同水分處理下不同Cd 濃度對油菜生物量及其Cd 積累的影響Fig.1 Effect on biomass and Cd accumulation of oilseed rape with different Cd concentrations under different water treatments

2.2 不同水Cd 處理下Cd 在油菜植株中的分布

由圖2-A 可知,隨著土壤Cd 含量的增加,根的Cd 含量顯著增加,而相同土壤Cd 濃度的不同水分處理下,油菜根部的Cd 含量均無顯著性差異,結果表明,土壤Cd 濃度是影響油菜根部Cd 富集量的主要原因。 在Cd 的吸收、轉運與儲藏過程中,莖是油菜吸收積累Cd 的中間轉運環節,而葉則是Cd 的主要儲存庫。 由圖2-B、C 可知,油菜莖、葉中Cd 含量的富集規律基本一致。 莖和葉中Cd 含量均隨著土壤水分和Cd濃度的增大而增加;Cd 濃度為30 mg·kg-1時,高水處理的莖和葉中Cd 含量均達到最大,分別為29.00 和61.35 mg·kg-1。 不同Cd 處理下,油菜莖和葉中Cd 含量均差異顯著,但受土壤水分的影響,其富集規律并不一致。 高水、中水處理下,不同Cd 濃度處理間差異顯著;低水處理下,土壤Cd 濃度為15、30 mg·kg-1時,油菜莖器官中Cd 含量均差異顯著;土壤Cd 濃度為5 mg·kg-1時,土壤水分對油菜莖、葉中Cd 含量影響明顯,但差異不顯著。 隨著土壤水分的增加,重金屬Cd 越易在油菜莖部和葉部積累。 Cd 濃度為15 mg·kg-1時,高水與低水處理下的莖和葉中Cd 含量差異顯著;Cd 濃度為30 mg·kg-1時,不同水分處理的莖和葉中Cd 含量存在顯著性差異。 由圖2-D 可知,油菜角果殼中Cd 含量隨著土壤Cd 濃度的增加而增大,且不同處理間存在差異;同-Cd 濃度處理不同水分處理間差異不顯著。 由圖2-E 可知,不同水分處理下,油菜籽粒中Cd 含量均隨著土壤Cd 濃度的增大而增加。高水處理下,土壤Cd 濃度為30 mg·kg-1時,油菜籽粒中Cd 含量顯著高于15 和15 mg·kg-1處理,但各水分處理下差異均不顯著。

研究表明,作物的不同器官之間因生長及功能不同,其結構與成分存在較大差異,從而導致器官間Cd積累的差異[19]。 土壤水分通過影響油菜植株水分運輸,進而影響Cd 從地下部部分到地上部分的運移,植株體內總體的分布依次為葉＞莖或根＞角果殼＞籽粒。中、高水分條件下,莖中Cd 含量大于根;低水條件下,根中Cd 含量大于莖。

圖2 Cd 在油菜各器官的分布Fig.2 Cd distribution in different organs of oilseed rape in different Cd concentrations under different water treatments

2.3 不同土壤含水量下油菜器官鎘分配比例

由圖3 可知,不同水分條件不同Cd 濃度處理下,以油菜葉中累積Cd 量百分比最大,占油菜植株總吸鎘的46.4%～72.6%,說明Cd 優先在油菜葉中積累,這與Patrick 等[20]的研究結論相似。 高水處理下,隨著土壤中Cd 濃度的增加,角果殼與籽粒中累積Cd 量百分比逐漸降低,而莖和根中累積鎘量百分比則呈先下降后上升趨勢(圖3-A)。 中水處理下,各器官Cd含量分配比例與高水處理基本一致(圖3-B)。 低水處理下,葉中累積Cd 含量百分比隨著土壤中Cd 濃度的增加而降低,而根中累積鎘量百分比則相反,角果殼和籽粒積累鎘含量百分比變化不明顯(圖3-C)。

圖3 不同土壤水分下油菜各器官鎘含量分配比例Fig.3 Dsitribution proportion of cadmium in different organs of oilseed rape in different Cd concentration under different water treatments

2.4 富集系數和遷移系數

由表1 可知,各處理的油菜富集系數與遷移系數均大于1,說明油菜對Cd 有較強的富集和轉運能力。相同土壤Cd 濃度下,不同水分處理的根部富集系數與地上部富集系數無顯著性差異;不同水分處理下,根部富集系數對土壤Cd 濃度的響應存在差異,其中高水處理的富集系數隨著土壤Cd 濃度的增加而逐漸下降;中水和低水處理的根部富集系數均隨著土壤Cd濃度的增大呈先減小后增加的趨勢;而相同水分條件下,地上部富集系數均隨著土壤Cd 濃度的增加而逐漸下降;與土壤Cd 濃度為5 mg·kg-1處理相比,高水、中水處理下,土壤Cd 濃度分別為15 和30 mg·kg-1的地上部富集系數差異顯著;低水處理下不同土壤Cd濃度處理的地上部富集系數無顯著性差異。 同一水分處理下,隨著土壤Cd 濃度的增加,遷移系數呈先增加后減小趨勢。 而同一土壤Cd 濃度下,遷移系數對土壤水分的響應規律則不明顯。 土壤Cd 濃度為15 mg·kg-1時,不同水分處理的遷移系數均達到最大值,分別為4.45、3.50、3.57,說明此土壤Cd 濃度下油菜對Cd 的遷移效率最佳。

2.5 移除潛力

由表2 可知,同一水分處理下,隨著土壤Cd 濃度的增加,油菜對土壤中Cd 的移除率呈逐漸減小趨勢;土壤Cd 濃度為30 mg·kg-1時,高水、中水和低水處理的Cd 移除率較Cd 濃度為5 mg·kg-1時分別降低了48.7%、44.3%和78.0%。 受土壤水分和Cd 濃度的影響,油菜移除潛力存在差異。 高水、中水處理下,當土壤Cd 濃度分別為5 和30 mg·kg-1時,移除率差異顯著;相同Cd 濃度處理下,高水和中水處理的移除率差異顯著;隨著土壤Cd 濃度的增加,高水處理的移除率分別為1.17%、0.89%和0.79%,分別為中水處理的1.80、1.90 和1.75 倍。 結果表明,隨著土壤水分的降低和Cd 濃度的增加,油菜對土壤Cd 的移除率逐漸下降,以土壤Cd 濃度為5 mg·kg-1的高水處理下移除效果最佳。

表1 不同水分條件不同Cd 濃度處理下油菜富集系數和遷移系數Table 1 BCF and of oilseed rape with different Cd concentration under different water treatments

表2 不同水分條件不同Cd 深度處理下油菜移除率Table 2 Shoot extraction rate of oilseed rape with different Cd concentrations under different water treatments /%

3 討論

土壤水分條件是控制土壤物理、化學及生物性質的重要因素,能夠影響土壤pH 值、氧化還原電位(Eh)、有機質含量等,進而影響土壤重金屬的活性[21]。 高茜蕾等[22]研究表明,高蒸騰強度和發達根系均能促進油菜地上部Cd 的累積量,且蒸騰速率、油菜根表面積、根體積均與油菜地上部Cd 濃度、吸Cd總量呈顯著正相關(P＜0.01)。 土壤pH 值的增大會使土壤膠體上的負電荷量增加,促進土壤膠體對Cd的吸附,同時也會促進CdCO3和Cd(OH)2沉淀的生成[23-24],減少土壤溶液中Cd 的釋放,進而減少植物對Cd 的吸收量,而土壤pH 值的降低有利于碳酸鹽和鐵錳結合態等作物難利用態Cd 的溶解和釋放,從而促進植物對重金屬的吸收[25]。 水淹環境下,兼性厭氧微生物和厭氧微生物將土壤中氧化物作為呼吸作用的電子受體,形成各種還原性物質,土壤Eh 迅速下降[26],進而導致土壤SO42-被還原為S2-,而S2-可將重金屬結合為難溶的硫化物沉淀[27]。 而當土壤處于漬水狀態時,由于物理、化學及生物的還原作用,使得土壤中Fe2+、Mn2+濃度急劇增加,在根系表面形成氧化物,并通過氧化物吸附土壤Cd2+,使其失去遷移能力[28],進一步影響根系的吸收[29]。 此外,土壤水分還會影響有機質的腐殖質化過程,從而使羧基、烯醇羧基、醇羧基等土壤功能團形成有機Cd 絡合物,降低植物對Cd 的吸收[30]。

土壤水分充足環境下,一方面有利于Cd 向土壤溶液中釋放,使土壤溶液中有效Cd 含量增加,另一方面植物根系代謝活動旺盛,有利于植物根系對土壤中Cd 的吸收。 研究表明,土壤Cd 濃度是影響植物吸收Cd 的主要因子,絕大多數植物體內的Cd 濃度與土壤中Cd 濃度呈顯著正相關[31]。 本研究結果也進一步證實了上述觀點。 本研究中,土壤水分和Cd 濃度對油菜Cd 分布特征影響明顯,隨著土壤水分和Cd 濃度的增加,油菜對Cd 的吸收量也隨之增大,且吸收量與Cd濃度呈顯著正相關。 土壤Cd 濃度為30 mg·kg-1時,高水處理的單株Cd 吸收量達到2 356.72 μg。 研究表明,根部吸收的Cd 在根壓和蒸騰作用下,經木質部薄壁細胞和導管向地上部轉移和運輸[32],但隨著土壤水分的降低以及植株蒸騰作用的減弱,蒸騰拉力逐漸減小,Cd 向地上部的運輸量減緩,促使Cd 在油菜地下部積累。 同一植物的不同部位,以及不同物種及品種間在Cd2+積累量方面存在較大差異[33]。 這與本研究結果一致。 本研究表明,隨著土壤Cd 濃度的增加,油菜器官的Cd 累積量顯著增加,植株體內總體的分布規律為葉＞莖或根＞角果殼＞籽粒。 植物對土壤Cd 的移除潛力不僅取決于其吸收能力,還取決于土壤中的全Cd 量和有效Cd 量。 本研究還發現不同水分條件下不同Cd 濃度處理的油菜地上部吸Cd 量占土壤總Cd 量的0.41%～1.17%,可以有效減少土壤中有效Cd 含量;與一些Cd 超富集植物相比(表3),油菜對土壤Cd的移除效果更好,具備一定的Cd 污染土壤修復潛力。此外,由于盆栽試驗的影響,油菜生物量(25.03 ～62.9 g)明顯低于大田生物量(約100 g),從而導致對土壤Cd 的移除率低于大田。

表3 Cd 超富集植物對土壤Cd 的移除率Table 3 Cd extraction rate of soil by hyperaccumulators

綜上,油菜對Cd 具有較強的耐受能力,土壤Cd濃度為30 mg·kg-1下也可以順利生長,生物量自然積累;同時,油菜對Cd 有較強的吸收能力,地上部Cd 含量高于地下部,更易于機械化收割;與一些Cd 超富集植物相比,移除率更高。 因此,油菜是重金屬Cd 污染修復較理想的植物。

4 結論

本研究結果表明,油菜對Cd 具有較強的耐受能力,可以在較高的Cd 污染環境中生長。 增加土壤Cd濃度與水分含量能夠顯著增強油菜吸Cd 能力。 土壤水分通過影響油菜植株水分運輸進而影響Cd 運移,提高土壤水分可促進Cd 向油菜地上部遷移,更易于機械化收割。 油菜對土壤Cd 的移除效果明顯高于報道較多的其他Cd 超富集植物,具備修復Cd 污染土壤的潛力。 本研究結果為利用油菜進行重金屬土壤綜合治理奠定了理論基礎。