鎘對不同硝酸鹽累積型小白菜及根際土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

王鵬程，胡承孝*，趙小虎，譚啟玲，孫學(xué)成

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院微量元素研究中心，湖北 武漢430070；2. 新型肥料湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070；3. 農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070

鎘對不同硝酸鹽累積型小白菜及根際土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

王鵬程1,2,3，胡承孝1,2,3*，趙小虎1,2,3，譚啟玲1,2,3，孫學(xué)成1,2,3

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院微量元素研究中心，湖北 武漢430070；2. 新型肥料湖北省工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070；3. 農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070

鎘污染是農(nóng)業(yè)生態(tài)和農(nóng)產(chǎn)品安全的重大威脅。采用盆栽方法，對比分析硝酸鹽高、低累積型品種的小白菜Brassica chinens（前者為品種H，抗病矮腳黃；后者為品種L，金夏時青梗菜）對鎘污染的響應(yīng)，探究不同鎘水平對小白菜-土壤系統(tǒng)氮素吸收和轉(zhuǎn)化效應(yīng)，以期為城郊蔬菜的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。結(jié)果表明，在土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.5 mg·kg-1時，小白菜生長不受影響，品種間氮素累積量為品種H>品種L。隨著鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，2個品種小白菜生物量均顯著降低，品種H單株鮮質(zhì)量最大降幅達(dá)20%，表現(xiàn)更為敏感。鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.5 mg·kg-1時，顯著降低了品種H的氮素吸收和利用，而對低累積品種影響不顯著。2個品種小白菜體內(nèi)硝酸鹽含量均在較低的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.5～1.0 mg·kg-1）處理下有所降低，而當(dāng)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5.0 mg·kg-1時有所增加，同樣是品種H表現(xiàn)更為敏感。隨著鎘污染水平的增加，小白菜體內(nèi)鎘積累量顯著增加，其中品種H在鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5.0 mg·kg-1時，累積速率明顯降低。通過一元二次模型擬合鎘和土壤無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以得出，鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.1 mg·kg-1時，2個品種小白菜土壤無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到最高，分別為34.83和23.73 mg·kg-1。不同品種小白菜在鎘污染水平較低時，均具有一定的抗性，而隨著鎘含量的增加，不同品種對鎘毒害響應(yīng)不同。因此，城郊土壤不同鎘污染區(qū)域小白菜的種植可依據(jù)其品種特性進(jìn)行選擇，從而為蔬菜的生長和土壤的改良提供保障。

鎘污染；小白菜；品種；硝酸鹽；氮素轉(zhuǎn)化

重金屬污染已成為城郊農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的威脅之一。鎘是農(nóng)田重金屬污染的主要元素。工業(yè)“三廢”的排放、城市生活垃圾不合理處置，導(dǎo)致了城郊土壤鎘污染加劇。鎘污染可使土壤養(yǎng)分有效性降低和植物營養(yǎng)失調(diào)（Arora等，2008；Deng等，2014），影響著氮素的吸收和利用，同時植物所吸收的鎘也會對植物體內(nèi)氮代謝造成直接影響。中國的氮肥用量逐年增加（FAO，2014），但作物氮素利用率較低，過量施氮和土壤氮素的盈余會引起蔬菜體內(nèi)硝酸鹽累積。而鎘和硝酸鹽大量積累的蔬菜經(jīng)人體攝入后，易對人體健康造成威脅，其中鎘對植物和人類健康均造成直接毒害。蔬菜是城郊土壤種植的主要作物，探究土壤鎘污染對蔬菜氮素吸收和利用的影響具有重要意義。

鎘污染對植物的毒害初期為抑制種子萌發(fā)，阻礙根系生長及植株生長，最終使生物量下降。對植物氮代謝的影響多表現(xiàn)為低濃度鎘促進(jìn)，而高濃度鎘抑制（Gill等，2012）。一定濃度的鎘刺激根中nrt1.8基因的表達(dá)，促進(jìn)根中硝酸鹽向地上部運(yùn)輸，影響植物硝酸鹽的再分配及耐鎘能力（Gojon和Gaymard，2010）。高濃度鎘通過影響植物體內(nèi)的硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶及谷氨酸脫氫酶活性，擾亂植物氮代謝過程（郭智等，2010）。此外，過量鎘會影響土壤中與氮循環(huán)相關(guān)的酶和微生物的特性，降低土壤供氮能力，影響植物對氮素的吸收利用（Wyszkowska等，2013；李素霞等，2010）。植物對鎘脅迫的響應(yīng)因基因型不同而有所不同（何俊瑜等，2009），通過向土壤添加不同濃度的外源鎘，對比分析硝酸鹽高、低累積型品種小白菜對鎘污染的反應(yīng)差異，探究鎘污染下不同品種小白菜對氮素的吸收和利用規(guī)律，以期為城郊農(nóng)業(yè)中蔬菜氮素的高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蔬菜為本課題組篩選獲得的硝酸鹽低累積型小白菜品種L（今夏時青梗菜）和硝酸鹽高累積型小白菜品種H（抗病矮腳黃）（湯亞芳，2014）。供試土壤為黃棕壤，取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地，基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分為全氮0.50 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)9.50 g·kg-1，堿解氮16.85 mg·kg-1，速效磷52.17 mg·kg-1，速效鉀185.23 mg·kg-1，全鎘0.19 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)方法

采用盆栽試驗(yàn)，每盆裝土6 kg，定植8株。共設(shè)置6個處理，分別為不加氮不加鎘（CK）處理，加氮不加鎘（Cd0）處理，和4個加氮加鎘處理，氮和鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平如表1所示，各處理重復(fù)4次，隨機(jī)排列。每千克土壤磷、鉀肥用量分別為0.15 g P2O5和 0.20 g K2O，并添加微肥 1 mL。鎘源為CdCl2，氮、磷、鉀肥和微肥依次為尿素、磷酸鉀、氯化鉀和阿農(nóng)營養(yǎng)液，所有元素均配成溶液一次性施入土壤，充分混勻，澆水至田間持水量的60%，平衡30 d。小白菜于2013年9月30日播種，11月5日收獲。全生長期以去離子水澆灌，玻璃鋼棚防雨。

表1 各個處理氮和鎘的施加量Table 1 Nitrogen and cadmium content applied to each pot of each treatment

1.3 測定項目與分析方法

小白菜于11月5日收獲后，測定植株地上部鮮重，分葉片和葉柄進(jìn)行硝酸鹽含量測定，剩余樣品洗凈后烘干，用于全氮及全鎘含量的測定；取土壤樣品進(jìn)行無機(jī)氮的測定，另取部分風(fēng)干，碾磨成20目和100目分開保存，用于鎘和氮的測定。

植株樣于105 ℃下殺青30 min、65 ℃烘至恒質(zhì)量后，測干物質(zhì)質(zhì)量；植株地上部全氮含量用H2SO4-H2O2消煮法，流動分析儀測定；植株葉片和葉柄硝酸鹽含量用水楊酸比色法測定；植株鎘含量用硝酸與高氯酸體積比為 4∶1的混酸消煮，原子吸收分光光度計測定；土壤全氮含量用濃硫酸消煮，半微量開氏法測定；土壤無機(jī)氮采用2 mol·L-1KCl浸提（鮑士旦，2000），流動分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

有關(guān)參數(shù)的計算：

氮素累積量(mg·plant-1)=植株全氮含量×干物質(zhì)質(zhì)量；

氮素利用率=(施氮處理作物吸氮量-不施氮處理作物吸氮量)/施氮量×100%。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的計算，SPSS 20軟件進(jìn)行方差分析，Origin 8.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鎘污染水平對小白菜生物量的影響

不同鎘處理對小白菜生物量的影響結(jié)果如表 2所示。品種間的生物量沒有顯著差異，但各品種的生物量對不同含量的鎘處理的響應(yīng)有所不同。Cd0.5處理使品種L的鮮質(zhì)量較Cd0處理均略有增加，對小白菜生長有一定刺激作用，但未達(dá)到顯著水平。隨著鎘含量的升高，小白菜鮮質(zhì)量逐漸降低，在Cd10.0處理時，下降達(dá)顯著水平，與Cd0相比，2個品種分別下降了12%和20%，品種H降幅較大；小白菜的干物質(zhì)質(zhì)量同樣隨鎘含量的升高而減少，品種L的下降并不顯著，品種H則在Cd1.0處理時顯著降低，在最高含量的鎘處理（Cd10.0）時下降了19%，達(dá)最低水平。結(jié)果表明，小白菜生長對較低含量的鎘表現(xiàn)出一定的抗性，而受到較高含量的鎘的抑制，抑制作用隨著鎘含量的升高而增強(qiáng)，這與Gill等（2012）研究結(jié)果一致（Gill等，2012）。不同品種小白菜對鎘的響應(yīng)有所差異，其中硝酸鹽高累積型品種表現(xiàn)更為敏感。

表2 鎘對不同品種小白菜生物量的影響Table 2 Effect of Cd on yield of two cabbage cultivars

2.2 小白菜氮素吸收和利用特征

表3顯示，在不施氮肥的條件下（CK），品種L的全氮含量和氮素累積量分別比品種H高9%和11%。而施加氮肥后，在沒有鎘脅迫（Cd0）和較低鎘處理（Cd0.5）時，品種H的全氮含量均比品種L高8%，氮素累積量分別高30%和19%，氮素利用率分別高34%和24%。隨著鎘脅迫加劇，品種L的氮素吸收利用能力反而更強(qiáng)。這表明，逆境下品種L對氮素的吸收與利用更有優(yōu)勢。外源氮素的添加顯著促進(jìn)了小白菜對氮素的吸收，如表3所示。不同品種小白菜氮素的吸收和利用對鎘污染的響應(yīng)有所差異。不同鎘污染水平下，小白菜全氮含量、氮素累積量和氮素利用率變幅分別為 4.81%～5.42%、37.25～50.95 mg·plant-1和 21.6%～32.0%，Cd0.5處理均比Cd0處理有所增加，其中氮素利用率在Cd0.5時達(dá)最高水平（品種L和H分別為25.8%和32.0%）。隨著鎘含量的升高，品種L的各指標(biāo)變化不顯著，而品種H則顯著降低。與Cd0相比，最高含量的鎘處理（Cd10.0）下，品種H全氮含量、氮素累積量和氮素利用率分別降低了 6%、24%和26%。表明較低含量的鎘增加了小白菜的氮素吸收，隨著鎘污染水平的提高，氮素的吸收明顯受到抑制，品種H降幅較大。

在Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0 mg·kg-1時，品種L小白菜氮素累積量和利用率均明顯小于品種H，隨著鎘污染水平的增加，品種間的氮素吸收和利用無顯著差異。此結(jié)果表明，與品種L相比，品種H的氮素吸收和利用受鎘污染水平影響更大，這與小白菜生長規(guī)律一致。鎘污染的加劇抑制小白菜的氮素吸收，導(dǎo)致小白菜-土壤系統(tǒng)氮素表觀盈余有所提高。

2.3 不同鎘污染水平對小白菜不同部位硝酸鹽含量的影響

葉柄是小白菜儲存硝酸鹽的主要器官（圖1），且同一處理下品種 H的葉柄硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于品種L，品種H的變幅較大，為1855.87～2205.45 mg·kg-1，可能原因是硝酸鹽低累積型品種L具有更強(qiáng)的地上部硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（Tang等，2013）。2個品種葉柄中硝酸鹽含量均在Cd1.0處理時最低，品種H達(dá)顯著水平。隨著鎘污染水平的增加，葉柄硝酸鹽含量在鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá) 5.0 mg·kg-1時有所升高，最高分別為1873.95和2205.45 mg·kg-1，隨后增幅有所降低。品種L的葉片硝酸鹽含量在各處理間無顯著差異，而品種H在Cd1.0時顯著下降。表明鎘污染引起小白菜體內(nèi)硝酸鹽富集的敏感部位是葉柄，品種H富集能力更強(qiáng)，且變化幅度更大。其原因可能是較低含量的鎘提高了植物中硝酸還原酶的活性，促進(jìn)了硝酸鹽向其他含氮化合物的轉(zhuǎn)化，而高含量的鎘造成了硝酸還原酶失活，導(dǎo)致植物體內(nèi)硝酸鹽一定程度的累積（賀遠(yuǎn)等，2014）。本實(shí)驗(yàn)中鎘對品種 H中的硝酸還原酶的影響表現(xiàn)得更明顯。

圖1 鎘對小白菜葉柄和葉片中硝酸鹽含量的影響Fig. 1 Effects of Cd on contents of NO3--N in leaves and petiole of two Chinese cabbage cultivars

表4 鎘對小白菜地上部鎘含量和積累量的影響Table 4 Effect of Cd on cadmium content and accumulation in the edible parts

2.4 小白菜地上部鎘含量和積累量

鎘污染顯著地增加了小白菜鎘毒害的風(fēng)險（表4），隨著鎘含量的升高，小白菜鎘含量和鎘累積量均逐漸增加，而鎘累積速率則有所降低，其中品種H在鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5.0 mg·kg-1時累積速率降低幅度較品種L大。

圖2 鎘對不同品種小白菜土壤無機(jī)氮含量影響Fig. 2 Effects of Cd on the soil inorganic nitrogen

2.5 鎘污染對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

小白菜收獲后土壤硝態(tài)氮含量隨著鎘污染水平的升高而增加（圖2），且品種L>品種H，土壤銨態(tài)氮則表現(xiàn)為隨鎘濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。通過一元二次模型擬合不同品種鎘濃度與土壤無機(jī)氮含量的關(guān)系得出，二者均達(dá)到顯著的正相相關(guān)關(guān)系（r2分別為0.81和0.87），且均在鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.1 mg·kg-1左右，種植品種L和H的土壤無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)最高值，分別為 34.83和23.73 mg·kg-1，此后土壤無機(jī)氮含量隨鎘污染水平的升高增幅有所降低。種植品種 L的土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在各處理下均比品種 H高，表明鎘脅迫下種植品種 L的土壤供應(yīng)氮素的能力較強(qiáng)，可能與植物根系對根際土壤的影響相關(guān)。

3 結(jié)論

在鎘污染水平為0.5 mg·kg-1時，2個品種小白菜生長均未受到毒害。隨著鎘污染的加劇，小白菜的生物量顯著降低，硝酸鹽高累積型比低累積型表現(xiàn)得更為敏感；品種 H的氮素吸收和利用顯著降低，而品種L變化不顯著，表明硝酸鹽低累積型品種耐鎘脅迫能力更強(qiáng)。2個品種小白菜葉片和葉柄硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在低含量的鎘（0.5～1.0 mg·kg-1）處理下有所降低，鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0 mg·kg-1時，硝酸鹽含量有所增加，主要儲存部位為葉柄，同樣是硝酸鹽高累積型品種較敏感；小白菜體內(nèi)鎘的累積隨鎘污染水平的增加而顯著提高，不同品種鎘累積速率為硝酸鹽低累積型品種>高累積型品種。對土壤鎘含量和土壤無機(jī)氮含量進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，2個品種小白菜均在鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.1 mg·kg-1左右時，土壤無機(jī)氮含量最高，硝酸鹽低累積型更高，其供應(yīng)氮素能力更強(qiáng)。

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Effect of Cadmium on Two Nitrate Accumulative Cabbages and Their Rhizospheric Nitrogen Transformation

WANG Pengcheng, HU Chengxiao, ZHAO Xiaohu, TAN Qiling, SUN Xuecheng
1. Microelement Research center，College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Hubei Provincial Engineering Laboratory for New-Type Fertilizer, Wuhan 430070, China 3. Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture, Wuhan 430070, China

Cadmium pollution is a major threat to agricultural ecosystems and safety of agricultural products. To determine the effect of elevated Cd on nitrogen cycling in cabbage-soil system, a pot cultivation experiment was conducted with two cabbage cultivars (L, and H) characterised by possessing lower and higher nitrate accumulating abilities, respectively. The results indicated that two cultivars were not notably impaired when they were applied with low concentration of Cd (0～0.5 mg·kg-1), and in this condition the nitrogen accumulation in cultivar H was higher than cultivar L. The fresh weight of both cultivars were significantly decreased with the increase of Cd. The cultivar H was more sensitive than cultivar L, and the maximum difference reached 20%. Moreover, the nitrogen absorption and utilization of cultivar H was significantly declined in treatments amended with cadmium above 0.5 mg·kg-1, but no significant reduction was detected in cultivar L. When Cd concentration was less than 1.0 mg·kg-1, the nitrate contents in both cultivars decreased, however, they were increased with higher Cd treatment (5.0～10.0 mg·kg-1). The nitrate content of Cultivar H was also sensitively responded to Cd. As the elevation of Cd in soil, Cd content in pakchoi was increased. The accumulated rate of cultivar H decreased slowly when Cd reached 5.0 mg·kg-1. Fitting the relationship of Cd concentration and soil inorganic nitrogen content by using polynomial, we found that soil inorganic nitrogen contents planted withboth cultivars reached the maximum (34.83, 23.73 mg·kg-1) with about 7.1 mg·kg-1Cd, and cultivar L was higher than H at each treatment. It can be seen that, the cabbage is resistant to low cadmium, but poisoned by higher cadmium, and the specific response differed from different cabbage species. The cultivar L with lower nitrate accumulation ability grew better under cadmium stress. Therefore, it is important to choose appropriate varieties of cabbage, which could help to increase the safety of vegetable production.

cadmium; cabbage; cultivar; nitrate; nitrogen transformation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.020

X171.5；S181

A

1674-5906（2015）04-0683-05

王鵬程，胡承孝，趙小虎，譚啟玲，孫學(xué)成. 鎘對不同硝酸鹽累積型小白菜及根際土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(4): 683-687.

WANG Pengcheng, HU Chengxiao, ZHAO Xiaohu, TAN Qiling, SUN Xuecheng. Effect of Cadmium on Two Nitrate Accumulative Cabbages and Their Rhizospheric Nitrogen Transformation [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 683-687.

國家自然科學(xué)基金項目（41271275）

王鵬程（1989年生），女，博士研究生，主要從事生態(tài)環(huán)境安全方面的研究。E-mail：wangpc@webmail.hzau.edu.cn *通信聯(lián)系人。E-mail：hucx@mail.hzau.edu.cn

2014-12-29