外源海藻酸鈉對鎘脅迫下黃瓜幼苗鎘吸收及生長的調控效應

王慶安 陳碧華 趙戴軍

摘要：土壤鎘的嚴重污染，使得食品安全生產受到嚴重威脅。目前，海藻酸鈉被穩定、無毒、廣泛地應用于農業領域，應用海藻酸鈉治理重金屬水污染的效果顯著，但用海藻酸鈉治理土壤鎘污染的研究鮮有報道。以黃瓜為試驗材料，研究添加外源海藻酸鈉條件下黃瓜對鎘脅迫的抵御響應。結果表明，當海藻酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液添加量為100 mL/kg時，對黃瓜幼苗鎘吸收的緩解效果最佳，黃瓜幼苗的株高、葉片數、總根長、根表面積、根尖數、地上部鮮質量、地上部干質量、地下部干質量分別較CK增加了20.63%、8.99%、15.79%、15.31%、16.24%、13.02%、33.26%、20.34%，黃瓜幼苗根、莖、葉中的Cd2+質量分數分別較CK減少了27.37%、26.78%、10.72%。研究結果說明，將海藻酸鈉水溶液和氯化鈣水溶液混合添加能夠通過限制Cd2+的運輸而減輕鎘脅迫的危害。

關鍵詞：海藻酸鈉;鎘脅迫;黃瓜;鎘吸收;氯化鈣;生長調控

中圖分類號： X53;S642.201? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）10-0145-06

當前我國鎘污染土壤面積已達2萬hm2，并有逐漸惡化的趨勢[1]。河南省新鄉市大棚菜田土壤中重金屬鎘污染達到了6級，已經構成了嚴重污染[2]。鎘是我國蔬菜的主要重金屬污染物，秦皇島市、上海市、長沙市、保定市、溫州市等地蔬菜中重金屬鎘超標率分別達到12.2%、13.3%、51.0%、89.0%、50.0%[3]。我國黃瓜中的重金屬鎘含量達到 0.43 mg/kg[4]，遠遠高于GB 2672—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中規定的蔬菜鎘限量指標0.2 mg/kg。由此可見，如何在鎘污染土壤上進行蔬菜的安全生產是當前亟待解決的關鍵問題。

海藻酸鈉是一種穩定、無毒、成膜性或成球性優良的材料[5]，被廣泛應用于食品、醫藥、紡織、農業等領域[6]。一方面，由于海藻酸鈉分子中含有 —COO- 基團，當向海藻酸鈉水溶液中添加二價陽離子時，G單元中的Na+會與這些二價陽離子發生交換[7]，使海藻酸鈉溶液向凝膠態轉變。另一方面，海藻酸鈉對重金屬離子有很強的吸附作用。田文等研究發現，改性海藻酸鈉纖維對水溶液中鎘離子（Cd2+）的最大吸附量為253.83 mg/g[8]。薛超等研究發現，海藻酸鈉與改性聚丙烯腈基碳纖維對水溶液中Cd2+的最大吸附量為162.8 mg/g[9]。李國清等研究發現，海藻酸鈉-腐殖酸鈉吸附法對Cd2+的去除率大于95.6%，對Cu2+的去除率大于99.6%[10]。

用海藻酸鈉治理重金屬水污染的報道較多，且效果顯著[11]，但目前鮮有將海藻酸鈉用于土壤鎘污染治理的研究報道。本研究以蔬菜種植面積較大的黃瓜為試驗材料，研究不同添加方式、不同添加量的海藻酸鈉對鎘脅迫下黃瓜幼苗鎘吸收的影響。旨在通過海藻酸鈉自身的吸附作用及其與氯化鈣的協同作用減少黃瓜幼苗對重金屬鎘的吸收利用，從而減緩鎘污染土壤對黃瓜幼苗的危害，達到土壤鎘污染修復治理的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜種子為新津春4號，由寧陽縣魯明種子有限公司提供。

海藻酸鈉，購自山東西亞化學股份有限公司;無水氯化鈣，購自天津市凱通化學試劑有限公司;氯化鎘，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗方法

本試驗于2019年3月在河南科技學院園藝園林學院進行，盆栽試驗采用基質栽培，基質按草炭、蛭石、珍珠巖體積比=3 ∶1 ∶1配制，基質用氯化鎘進行鎘脅迫，脅迫質量分數為20 mg/kg，詳見表1。將基質攪拌均勻，使其含水量達到70%，再將基質裝入規格為10 cm×9 cm的營養缽中。將黃瓜種子進行溫湯浸種，于55 ℃攪拌15 min后放置在常溫水中浸種4 h，然后將種子播種到營養缽中進行培養。

1.2.1 生長指標的測定 待黃瓜幼苗長至2張真葉時，分別用卷尺、游標卡尺、手持葉綠素儀（SPAD-502）測定每株黃瓜幼苗的株高、莖粗、葉片數及葉綠素含量，總根長、根表面積、根系平均直徑、根體積和根尖數等根系形態參數[12]。

1.2.2 黃瓜幼苗鎘含量的測定 用Optima 2100 DV電感耦合等離子體發射光譜儀測定樣品中的鎘含量[12]。

1.3 數據分析

數據采用Excel 2010、SPSS 21.0統計軟件分析。

2 結果與分析

2.1 外源海藻酸鈉對鎘脅迫下黃瓜幼苗株高、莖粗、葉片數及葉綠素含量的影響

由圖1-a可知，海藻酸鈉水凝膠處理對黃瓜幼苗株高的影響差異不顯著;在T100、T200、T300、T400的海藻酸鈉單施處理下，黃瓜幼苗株高均較CK顯著增加（P<0.05）;在T50、T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣混施處理下，黃瓜幼苗株高達到顯著增加水平（P<0.05）。由圖1-b可知，在T100、T200的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的莖粗分別較CK降低了12.46%、9.75%，且差異達到顯著水平（P<0.05）;在T100的海藻酸鈉單施處理下，黃瓜幼苗的莖粗達到最大值，較CK增加了7.93%，且差異達到顯著水平（P<0.05）;在T400的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗的莖粗達到最大值，較CK增加了9.35%，且差異達到顯著水平（P<0.05）。由圖1-c可知，在T50、T100的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的葉片數較CK分別增加了7.08%、3.54%;在各海藻酸鈉水溶液單施處理下，黃瓜幼苗葉片數的增加均達到顯著水平（P<0.05）;在T200海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗的葉片數達到最大值且與CK間的差異達到顯著水平（P<0.05）。圖1-d顯示，隨著海藻酸鈉水凝膠的增加，黃瓜幼苗中的葉綠素含量變化不顯著;在T50、T100、T200、T400的海藻酸鈉單施處理下，黃瓜幼苗葉綠素含量較CK均顯著增加（P<0.05）;T300的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗的葉綠素含量達到最大值，較CK增加了13.95%，差異達到顯著水平（P<0.05）。

2.2 外源海藻酸鈉對黃瓜幼苗根系形態的影響

由圖2-a可知，在T50的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的總根長較CK增加了27.88%;在T100的海藻酸鈉單施處理下，黃瓜幼苗的總根長較CK增加了49.91%，差異達到顯著水平（P<0.05）;在T200的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗的總根長達到最大值，較CK增加了22.61%，差異達到顯著水平（P<0.05）。由圖2-b可知，在T50的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的根表面積較CK增加了33.81%;在T100的海藻酸鈉水溶液單施處理下，黃瓜幼苗的根表面積較CK增加了66.11%，差異達到顯著水平（P<0.05）;在T100、T200的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗的根表面積較CK分別增加了15.31%、21.24%。由圖2-c可知，在T200的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的根系平均直徑達到最大值，較CK增加了4.46%;在T200的海藻酸鈉水溶液單施處理下，黃瓜幼苗的根系平均直徑較CK增

增加了11.98%，差異達到顯著水平（P<0.05）;各海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理間的差異均不顯著。由圖2-d可知，在T50的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的根體積較CK增加了40.37%;在T100的海藻酸鈉水溶液單施處理下，黃瓜幼苗的根體積較CK增加了84.26%，差異達到顯著水平（P<0.05）;在各海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗根體積的差異不顯著（P<0.05）。由圖2-e可知，在T50的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的根尖數達到最大值，較CK增加了10.65%;在T100的海藻酸鈉水溶液處理下，黃瓜幼苗的根尖數較CK增加了50.90%，差異達到顯著水平（P<0.05）。

2.3 外源海藻酸鈉對鎘脅迫下黃瓜幼苗地上部、地下部鮮質量及干質量的影響

由圖3-a可知，在T50、T100、T200、T400的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的地上部鮮質量較CK顯著降低（P<0.05）;在海藻酸鈉水溶液的各添加量處理下，黃瓜幼苗的地上鮮質量較CK有所降低，但差異不顯著;在T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗的地上部鮮質量達到最大值，但與CK間差異不顯著（P>0.05）。由圖3-b可知，在T50的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的地下部鮮質量較CK增加了11.33%;海藻酸鈉水溶液、海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液的各添加量處理的地下部鮮質量較CK都有所減少，海藻酸鈉水溶液在T50處理下地下部鮮質量達到最低值，與CK相比差異達到顯著水平（P<0.05）。由圖3-c可知，在T300的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗的地上部干質量較CK增加了31.94%，與CK相比差異達到顯著水平（P<0.05）;海藻酸鈉水溶液的各添加量處理的黃瓜幼苗地上部干質量較對照有所增加但是差異不顯著（P>0.05）;在T50、T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗地上部干質量分別較CK增加了41.38%、33.26%，差異均達到顯著水平（P<0.05）。由圖3-d可知，在海藻酸鈉水凝膠、海藻酸鈉水溶液及海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液的各添加量處理下，黃瓜幼苗的地下部干質量較CK均有一定的增加，但是差異不顯著（P>0.05）。

2.4 外源海藻酸鈉對鎘脅迫下黃瓜幼苗Cd2+積累的影響

由圖4-a可知，隨著海藻酸鈉水凝膠添加量的增加，黃瓜幼苗根中Cd2+的質量分數差異不顯著;在T400的海藻酸鈉水溶液處理下，黃瓜幼苗根中Cd2+的質量分數較CK增加了33.46%;在T300的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗根中Cd2+的質量分數最大，在T50和T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗根中Cd2+的質量分數較CK分別減少了22.06%、27.37%。由圖4-b可知，在T300的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗莖中的Cd2+質量分數達到最小值，與CK間的差異達到顯著水平（P<0.05）;在T300、T400的海藻酸鈉水溶液處理下，黃瓜幼苗莖中Cd2+的質量分數分別較CK增加了24.74%、19.31%，差異均達到顯著水平（P<0.05）;隨著海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液添加量的增加，黃瓜幼苗莖中Cd2+的質量分數呈現先下降后上升的趨勢，在T100處理下，黃瓜幼苗莖中Cd2+的質量分數達到最小值，在T50、T100、T200處理下，黃瓜幼苗莖中的Cd2+質量分數分別較CK降低了12.54%、26.78%、22.03%，且差異均達到顯著水平（P<0.05）。由圖4-c可知，在T200、T300、T400的海藻酸鈉水凝膠處理下，黃瓜幼苗葉中Cd2+的質量分數較CK分別減少了19.00%、42.78%、22.89%，差異均達到顯著水平（P<0.05）;在T100的海藻酸鈉水溶液處理下，黃瓜幼苗葉中Cd2+的質量分數達到最小值，T100、T200、T400處理下黃瓜幼苗葉中Cd2+的質量分數分別較CK減少了17.78%、16.94%、16.56%，且差異均達到顯著水平（P<0.05）;在T50的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗葉中Cd2+質量分數達到最小值，T50、T100處理下黃瓜幼苗葉中的Cd2+質量分數分別較CK減少了21.67%、10.72%，但是差異沒有達到顯著水平。

3 討論

在鹽脅迫條件下，植株相關生理指標的高低可直接反映植株耐鹽脅迫能力的強弱[13]。本試驗結果表明，在T50、T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗的株高相比于海藻酸鈉水凝膠和海藻酸鈉水溶液2種添加方式均有增加，表明在T50、T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，對黃瓜幼苗受到的鎘脅迫具有緩解作用。葉綠素含量能表示植物在脅迫條件下光合作用的強弱[14]，本研究結果表明，在添加海藻酸鈉水凝膠、添加海藻酸鈉水溶液和海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合添加3種添加方式下，黃瓜幼苗的葉綠素含量差異不顯著，表明葉綠素含量的高低并不能直接反映植株受到鎘脅迫后生長狀況的好壞。根系對地上部生長有重要影響，更能反映植物受到的鎘脅迫程度[15]。本試驗結果表明，在添加海藻酸鈉水凝膠、添加海藻酸鈉水溶液和海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合添加3種添加方式下，黃瓜幼苗的總根長、根表面積、根平均直徑、根體積和根尖數均呈現先上升后下降的趨勢，這與張瑛等的研究結果[16-18]基本一致，且除根系平均直徑外均在T50、T100、T200處理下達到最大值，表明海藻酸鈉的3種添加方式均能促進鎘脅迫下黃瓜幼苗根系的生長。生物量降低是鎘脅迫下植物最敏感的生理響應，本試驗結果表明，在T50、T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合的處理下，黃瓜幼苗的地上部鮮質量、地上部干質量、地下部干質量相比于海藻酸鈉水凝膠和海藻酸鈉水溶液2種添加方式均有所增加，表明T50、T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理能緩解黃瓜幼苗受到的鎘脅迫作用。

植物體內的重金屬含量和積累量是評價植物修復效果好壞的最直接指標[19]，本研究結果表明，在T50、T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液的混合處理下，黃瓜幼苗根、莖、葉中的Cd2+質量分數相比于海藻酸鈉水凝膠和海藻酸鈉水溶液2種添加方式均有減少，表明T50、T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理能緩解黃瓜幼苗受到的鎘脅迫作用。隨著海藻酸鈉和氯化鈣添加量的增加，黃瓜幼苗根系的Cd2+質量分數也逐漸提高，這與施辰陽等的研究結果[20]一致。

4 結論

綜合分析可知，外源海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合添加比海藻酸鈉水凝膠、海藻酸鈉水溶液2種添加方式能更有效地緩解黃瓜幼苗受到的鎘脅迫作用。在T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理下，黃瓜幼苗的株高、葉片數、根總長、根表面積、根尖數、地上部鮮質量、地上部干質量、地下部干質量分別較CK增加了20.63%、8.99%、15.79%、15.31%、16.24%、13.02%、33.26%、20.34%，黃瓜幼苗根中Cd2+質量分數、莖中Cd2+質量分數、葉中Cd2+質量分數分別較CK減少了27.37%、26.78%、10.72%。表明T100的海藻酸鈉水溶液與氯化鈣溶液混合處理能更好地緩解黃瓜幼苗受到的鎘脅迫作用。

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