鎘脅迫對茶園綠肥槐葉決明“茶肥1號”的生長及吸收積累的影響

向 芬,李 維,劉紅艷,周凌云,丁 玎,曾 振

(湖南省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所，湖南 長沙 410125)

鎘(Cd)是植物生長發(fā)育的非必需元素，較低濃度即可對作物產(chǎn)生較大危害[1]。Cd在環(huán)境和植物中的遷移性和生物毒性較強，由于其穩(wěn)定、積累和不易清除等特性，進入土壤中易被植物吸收，并通過食物鏈進入人體，可在人體內(nèi)不斷富集，嚴重威脅人們身體健康與生命安全，與其相關(guān)的致病、致畸、致癌等報道日益增多[2-4]。研究表明，排到環(huán)境中的Cd有82%～94%進入土壤，其中包括農(nóng)作物的耕地土壤[5]。在我國，因Cd含量超標大面積的耕地被迫棄耕與轉(zhuǎn)型[6]。茶葉作為我國的一種重要的經(jīng)濟作物，因具有較強的保健功能而深受廣大人民喜愛。但近年來，隨著生活水平的不斷提高，包括茶葉在內(nèi)的食品安全問題越來越受到人們關(guān)注，因此，茶園中的重金屬污染問題目前已受到高度重視。前人研究表明，隨著時間的推移和社會經(jīng)濟的發(fā)展，茶葉中Cd含量增加了近一倍，Cd含量超標問題呈顯著升高趨勢[7-8]。因而，研究茶園土壤Cd污染的修復與治理具有重要的理論和實踐意義。

在眾多植物中，豆科植物如花生(Arachishypogaea)[9]、大豆(Glycinemax)[10]等對重金屬Cd具有較強的耐受性和較高的富集能力，而且不同品種間的耐受性和富集能力差異明顯?；比~決明(Cassiasophera)“茶肥1號”為湖南省茶葉研究所自主選育的一種旱地夏季綠肥植物，為豆科決明屬一年生亞灌木草本植物，耐酸性，適合在茶園中種植，由于其氮含量，產(chǎn)草量較決明屬綠肥圓葉決明高等特點[11]，已在我國茶區(qū)廣泛種植?！安璺?號”對礦質(zhì)元素P、K的吸收能力較強[12]。決明屬綠肥圓葉決明(Chamaecristarotundifolia)能忍耐2 mg·kg-1以下的Cd脅迫，可作為南方紅壤地區(qū)礦山Cd污染土壤的生態(tài)修復植物類型[13]。因此決明屬的“茶肥1號”可能對鎘離子等重金屬具有富集作用，該植物能否降低重金屬污染的土壤或者茶園中Cd的含量，目前研究較少。為此，本研究擬通過高濃度Cd處理盆栽“茶肥1號”植株，通過“茶肥1號”生長及Cd含量的積累情況來探討“茶肥1號”Cd累積特性，為Cd污染茶園及其他農(nóng)作物種植地區(qū)土壤治理與修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以“茶肥1號”為供試材料，于2016年4月在湖南省茶葉研究所長沙市馬坡嶺試驗基地布置盆栽試驗。盆缽直徑40 cm，高度35 cm，土壤取自長沙市馬坡嶺茶葉試驗基地(113°07.476′ E，28°20.511′ N)，砂質(zhì)紅壤，有機質(zhì)9.65 mg·kg-1，pH 5.46，堿解氮64.73 mg·kg-1，速效磷4.6 mg·kg-1，速效鉀109.1 mg·kg-1，總Cd含量0.46 mg·kg-1。土壤經(jīng)風干、去雜質(zhì)、壓碎后過2 mm孔徑篩，每盆按14.5 kg 稱重裝盆。采用田間常規(guī)管理“茶肥1號”，2016年11月結(jié)束試驗，歷時8個月。

1.2 試驗設(shè)計

“茶肥1號”于4月20日播種，選取長勢一致的5葉齡幼苗于5月27日移栽于盆缽中，每盆栽種3株，6月7日按 0(CK)、5、10、20、40、80、120、160 mg·kg-1進行Cd處理，分別記為 CK、Cd1、Cd2、Cd3、Cd4、Cd5、Cd6、Cd7，共8個處理，每處理4盆。以硝酸鎘[Cd(NO3)2·4H2O]溶于水作為Cd供源，CK、Cd1、Cd2、Cd3、Cd4、Cd5、Cd6、Cd7分別補充尿素0.45、0.44、0.42、0.39、0.34、0.23、0.11和0 g平衡氮元素含量。

1.3 取樣及測定方法

取樣：在Cd脅迫50 d(2016年7月27日)時，取出植株清洗后，按根、莖、葉片分別取樣。各樣品經(jīng)蒸汽殺青固定后，置于烘箱中80 ℃干燥后稱重，測定各處理的生長量，再粉碎過篩備測。在Cd脅迫163 d(2016年11月17日)時，收獲果莢，取出植株的根清洗后，分別經(jīng)蒸汽殺青固定后，于80 ℃烘箱中干燥后，分選出種子，再把種子、根粉碎過篩備測。同時取各處理土壤樣品風干碾碎后過篩備用。

測定：“茶肥1號”各器官及土壤中有效態(tài)Cd含量的測定參照GB/5009.15-2014，將各樣品經(jīng)硝酸、高氯酸消解后用原子吸收光譜儀(島津 AA-6300C)測定。然后計算吸收系數(shù)[14-15](absorbtion coefficient,AC)和富集系數(shù)[16]。

AC= 某器官中Cd元素含量/根系Cd元素含量。

富集系數(shù)=植物體或某器官中Cd元素的含量/Cd元素在土壤中的含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用DPS14.5軟件對所測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析，用平均值和標準誤表示測定結(jié)果，對各處理測定結(jié)果采用Duncan新復極差法進行多重比較分析。采用線性回歸對“茶肥1號”各器官的Cd累積量與Cd處理濃度間、土壤有效Cd含量的相關(guān)性進行分析，利用Excel 2010軟件進行制圖。

2 結(jié)果

2.1 Cd脅迫對“茶肥1號”生物量的影響

研究結(jié)果表明，在處理后2個月內(nèi)，隨著處理濃度的增加，“茶肥1號”逐漸出現(xiàn)植株矮小、分枝減少的中毒癥狀。隨著脅迫時間的延長，120和160 mg·kg-1Cd處理出現(xiàn)死苗現(xiàn)象，其他處理生長基本正常，但生長勢明顯弱于對照。Cd脅迫對“茶肥1號”的葉、根影響較莖大，20 mg·kg-1(Cd3)處理時，根系、葉片生長量顯著(P<0.05)低于對照組；40 mg·kg-1(Cd4)處理時，莖的生長量較對照組顯著降低(P<0.05)，表明“茶肥1號”生長已受到明顯的抑制(表1)。“茶肥1號”對外源Cd較敏感，隨Cd脅迫濃度的增加，“茶肥1號”各器官生長量均受抑制，160 mg·kg-1(Cd7)處理組受到的抑制作用最強，與對照組比較，其根、莖和葉片的生長量分別下降了69.42%、45.47%和47.96%。

表1 不同濃度Cd脅迫對“茶肥1號”生物量的影響Table 1 Effects of different levels of Cd treatments on Chafei 1# biomass

數(shù)值為平均值±標準差(n=3)，同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。CK,control; Cd1,5 mg·kg-1; Cd2, 10 mg·kg-1; Cd3, 20 mg·kg-1; Cd4, 40 mg·kg-1; Cd5, 80 mg·kg-1;Cd6, 120 mg·kg-1;Cd7, 160 mg·kg-1;下同。

Values are mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters within the same column indicate significant differences among diffferent Cd treatments at the 0.05 level.similarly for the following tables.

2.2 “茶肥1號”各部位對Cd的吸收積累特性

“茶肥1號”根、莖、葉的Cd積累量均隨Cd處理濃度的增加呈現(xiàn)升高趨勢(表2)。Cd處理濃度達160 mg·kg-1時，根、莖和葉片的Cd含量分別是對照的91.08、36.63、14.00倍。各器官Cd積累量高低順序為根>莖>葉。根對Cd的吸收積累量為莖的2～6倍、葉片的3～16倍，與根系的積累量相比，Cd向地上部分遷移的量相對較少。

表2 Cd處理對“茶肥1號”各器官Cd含量的影響Table 2 Accumulation and distribution of Cd in Chafei 1#

吸收系數(shù)AC反映了“茶肥1號”各器官對Cd的相對吸收程度。以根為參比器官，AC值呈先升高再下降趨勢，Cd濃度按梯度逐漸升高至10 mg·kg-1，葉的AC值逐漸升高，20～160 mg·kg-1時，葉的AC值又逐漸降低(表3)；當Cd質(zhì)量濃度按梯度逐漸升高至40 mg·kg-1時，莖的AC值逐漸升高，80～160 mg·kg-1時，莖的AC值又逐漸降低。表明Cd脅迫濃度達到一定值后，隨著濃度的進一步加大，“茶肥1號”各器官對Cd的相對吸收能力明顯變?nèi)酢?/p>

表3 “茶肥1號”各器官的Cd吸收系數(shù)ACTable 3 Coefficient AC of Cd absorption in different organs of Chafei 1#

AC, absorbtion coefficient.

2.3 Cd處理茶肥1號后土壤Cd含量的變化

隨著Cd脅迫處理濃度增加，土壤中有效Cd含量顯著增加(圖1)?！安璺?號”不同器官對Cd的吸收存在明顯差異，各器官的生物富集系數(shù)表現(xiàn)為根>莖>葉，“茶肥1號”根、莖、葉分別在處理濃度為Cd4(40 mg·kg-1)、Cd2(10 mg·kg-1)、Cd1(5 mg·kg-1)時，富集系數(shù)分別為0.835、0.868和0.967，表明向地上部分輸送的Cd多(表4)。

圖1 不同Cd濃度處理后土壤Cd含量的變化Fig. 1 Changes in Cd content in soil treated with Cd

*代表Cd脅迫處理與對照在0.05水平顯著性差異。表5同。

* indicate the difference between untreated and cadmium treated at 0.05 level.

“茶肥1號”各器官Cd含量(y)與Cd脅迫濃度(x1)、土壤有效態(tài)Cd含量(x2)均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，表明土壤中有效態(tài)Cd向“茶肥1號”遷移是各器官所積累Cd的主要來源(表5)。擬合曲線的斜率反映了“茶肥1號”對土壤中Cd吸收程度的大小，各器官Cd含量與Cd脅迫濃度和土壤有效態(tài)Cd含量的濃縮系數(shù)均為根>莖>葉。綜合可知，“茶肥1號”根對Cd的吸收能力最強，且其增強趨勢穩(wěn)定。

表4 不同Cd濃度處理的“茶肥1號”不同器官的生物富集系數(shù)比較Table 4 Comparison of bioconcentration factors in differentorgans of Chafei 1# treated with Cd

2.4 收獲后不同Cd濃度處理茶肥1號根、種子中的Cd含量累積特性

為了研究“茶肥1號”種子對Cd是否具有積累效應，能否在Cd污染地進行“茶肥1號”種子繁育，對收獲后“茶肥1號”的種子Cd含量進行了測定。當處理濃度達到Cd2(10 mg·kg-1) 時，收獲后“茶肥1號”根、種子中的Cd含量較對照顯著增加，但種子中的Cd含量在處理濃度Cd5(80 mg·kg-1)以上后累積量增加減緩，處理濃度達160 mg·kg-1時，種子的Cd含量增加了30.3%，而根部Cd含量增加了2.49倍，同一濃度處理，“茶肥1號”根中Cd含量是種子的2.7～35.9倍(P<0.05)(見表6)。

表5 “茶肥1號”各器官Cd含量(y)與Cd脅迫濃度(x1)、土壤有效態(tài)Cd含量(x2)的相關(guān)性分析Table 5 Correlations between the Cd content in different parts of Chafei 1#(y) and Cd concentrations (x1)，soil (x2)

表6 收獲后不同濃度處理“茶肥1號”根、種子中的Cd含量Table 6 Cd content in roots and seeds treated with Cd after harvest of Chafei 1#

3 討論與結(jié)論

Cd是重金屬污染中較危險的元素之一，易于被植物吸收、富集，過量的Cd嚴重影響植物的生長發(fā)育[17-18]。研究表明，Cd脅迫會對植物的株高、生物量等性狀指標產(chǎn)生一定的抑制作用[19-21]。本研究結(jié)果表明，與對照比較，土壤中施入5～160 mg·kg-1的外源Cd，當Cd濃度為5～80 mg·kg-1時，“茶肥1號”無明顯的Cd過量癥狀出現(xiàn)，120 mg·kg-1濃度以上處理“茶肥1號”出現(xiàn)死苗，可能由于少部分“茶肥1號”幼苗在移栽時根部受損，濃度過高導致其死苗。植物根系是重金屬富集最高的部位[22]，本研究發(fā)現(xiàn)Cd處理后各器官生長量顯著下降，其中對根的影響最大(表1)，當Cd濃度達到160 mg·kg-1時，根的生物量下降了69.42%。

本研究結(jié)果表明，在較高的Cd脅迫濃度條件下，“茶肥1號”在較短的時期內(nèi)對Cd具有明顯的富集作用?！安璺?號”各器官Cd含量與Cd脅迫濃度、土壤有效態(tài)Cd含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。各器官Cd積累量高低順序為根>莖>葉(表2)；吸收系數(shù)與生物富集系數(shù)亦表現(xiàn)為根>莖>葉(表4)。這主要是由于根系對Cd的富集作用較強，Cd在植物根部的大量積累且大部分被固定，向地上部分運輸比例較低，可減輕Cd對整個植株的毒害，這是植物對Cd脅迫的一種耐受方式[22]。因此莖、葉中Cd含量與吸收系數(shù)顯著低于根部，同時也導致其受到Cd脅迫的影響也最大。這與王春梅等[15]、趙魯?shù)萚16]對茶樹(Camelliasinensis)進行的研究結(jié)果一致。隨著生育期的延長，各處理組根的Cd累積量穩(wěn)定增加，Cd6(120 mg·kg-1)濃度處理組在收獲時根的Cd積累量較生物量測量時增加最多，達61.78%，而Cd7(160 mg·kg-1)濃度處理組只增加了30.52%。該結(jié)果一方面可能是Cd6處理濃度較Cd7濃度低，Cd6處理組的生長勢較Cd7組好(表1)，并且Cd6處理組的富集系數(shù)較Cd7大(表4)，使得Cd6處理組生長后期能夠吸收的Cd較多；另一方面可能是由于Cd7處理組的濃度較高，“茶肥1號”在生長前期根積累Cd較多，更接近其本身潛在的Cd富集飽和量，其吸收速率下降從而使得后續(xù)吸收減慢。

本研究中各處理種子的Cd累積量較葉片低，Cd濃度處理160 mg·kg-1時，其累積量僅為4.3 mg·kg-1(表6)，對于Cd污染較嚴重的地區(qū)，“茶肥1號”能正常生長，其繁育的種子可用于污染地的連年種植以修復土壤。對于Cd污染較輕的荒地，可以通過連續(xù)幾年種植“茶肥1號”改善土壤后再種植茶樹或者其它作物?！安璺?號”產(chǎn)草量高，是決明屬綠肥圓葉決明的5倍，本研究經(jīng)Cd處理之后，其產(chǎn)草量仍然可觀。因此，“茶肥1號”可像Shit和Cai[9]的研究結(jié)果一樣，在Cd污染地區(qū)種植，一方面可用來改良土壤地力，另一方面可用于對污染地區(qū)土壤修復與環(huán)境治理。