重度鎘污染農(nóng)田蠶豆對鎘的富集與轉(zhuǎn)運效率

王艷蘭，李基光，向蘭舟，王利群，王素華，湯 睿

（湖南省作物研究所，湖南 長沙 410125）

我國土壤重金屬污染嚴重，鎘（Cd）是常見的農(nóng)田重金屬污染之一[1]。農(nóng)田的Cd 被作物吸收累積，經(jīng)食物鏈進入人體積累過量時會嚴重危害人體健 康[2-3]。湖南省是全國土壤鎘污染最嚴重的省份之一，面積大，范圍廣、程度重，嚴重妨礙了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。在典型的重金屬污染區(qū)開展替代種植修復，是一種綠色經(jīng)濟高效的重金屬污染土壤修復方法[6]。

蠶豆籽粒營養(yǎng)豐富，含有蛋白質(zhì)、糖類、膳食纖維以及鈣、鐵、胡蘿卜素、維生素B1、B2等人體必需元素[7]，既可做糧食又可做鮮食蔬菜用[8]，其秸稈還可做飼料用；同時，蠶豆根系固氮能力強，有助于提升土壤地力。近年來，蠶豆越來越受到廣大消費者的青睞。因此，開展蠶豆作物Cd 安全性研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于水稻等主要農(nóng)作物鎘富集和轉(zhuǎn)運效率的研究報道較多[9-11]，而對蠶豆與Cd 污染的研究主要集中在Cd 對蠶豆種子萌發(fā)及幼苗生長的影 響[12]以及對根尖細胞染色體畸變的影響[13]等方面，且大部分是通過盆栽試驗開展研究，大田自然Cd 污染條件下開展蠶豆品種Cd 富集及轉(zhuǎn)運效率的研究報道較少見。因此，筆者以蠶豆為材料，在重度Cd 污染農(nóng)田開展大田試驗，研究蠶豆的Cd 富集、轉(zhuǎn)運特征，分析影響蠶豆Cd 富集及轉(zhuǎn)運的主要因素，以期篩選適宜在Cd 污染土壤中種植的替代作物。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗布置在重度Cd 污染水稻田。重度Cd 污染農(nóng)田Ⅰ區(qū)位于長沙市寧鄉(xiāng)市某鎮(zhèn)農(nóng)田，用Cd1 表示，土壤全Cd 含量1.29 mg/kg，有效Cd 含量0.79 mg/kg，pH 值6.12，土壤有機質(zhì)含量39.6 g/kg。重度Cd 污染農(nóng)田Ⅱ區(qū)位于湘潭縣某鎮(zhèn)農(nóng)田，用Cd2 表示：土壤全Cd 含量1.33 mg/kg，有效Cd 含量0.87 mg/kg，pH 值5.96，土壤有機質(zhì)含量34.6 g/kg。

1.2 試驗材料

供試材料為湘蠶鮮1 號，來自湖南省作物研究所資源課題組。

1.3 試驗設(shè)計

2018—2019 年10 月20 日播種，隨機區(qū)組排列，重復3 次。小區(qū)設(shè)計規(guī)格為2 m× 5 m，穴播，穴距為20～25 cm，行距為30～35 cm，每穴播足2 粒種子，留苗1 株。田間栽培管理操作按常規(guī)措施進行。在蠶豆鼓粒期、成熟期取其根、秸稈、豆莢、籽粒，分別裝袋，風干待測。

土壤和植物樣品中重金屬元素測定：土壤樣品風干后磨細過2 mm 網(wǎng)篩備用。稱取0.5 g 土壤樣品采用HCl-HNO3-HF·H2O-HClO4全消解的方法，用原子吸收分光光度計（Z2310，Hitachi）進行Cd 含量的測定。植物樣品采用HNO3-HClO4消解，植物樣品中的Cd 元素采用石墨爐原子吸收分光光度法（Z2000，Hitachi）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2007 和DPS 軟件進行數(shù)據(jù)整理及相關(guān)性分析。

鎘富集系數(shù)（BF）=蠶豆植株各部位Cd 含量/土壤Cd 含量

土壤-根Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）=根的Cd 含量／土壤的Cd 含量

根-秸稈Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）=秸稈的Cd 含量／根的Cd 含量

秸稈-豆莢Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）=豆莢的Cd含量／秸稈的Cd 含量

豆莢-籽粒Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）=籽粒的Cd含量／豆莢的Cd 含量

富集系數(shù)越大，表示蠶豆積累重金屬能力越強；轉(zhuǎn)運系數(shù)越高，表示鎘的轉(zhuǎn)運能力越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd1、Cd2 條件下不同時期蠶豆植株各器官Cd 含量差異

由表1 可以看出，在相同Cd 背景下，成熟期蠶豆各器官Cd 含量均高于鼓粒期；鼓粒期蠶豆各器官鎘含量為根＞秸稈＞籽粒＞豆莢，成熟期蠶豆各器官Cd 含量為根＞秸稈＞豆莢＞籽粒。Cd2 的蠶豆各器官Cd 含量均高于Cd1。Cd1、Cd2 鼓粒期籽粒Cd 含量分別為0.063、0.074 mg/kg，成熟期籽粒（干重）Cd含量分別為0.116、0.127 mg/kg，均低于GB 2762—2017，食品安全國家標準食品中污染物限量中食品的Cd 限量標準（鮮豆為0.1 mg/kg，干豆為0.2 mg/kg）。

2.2 Cd1、Cd2 條件下不同時期蠶豆Cd 的富集系數(shù)

表 1 不同時期蠶豆籽粒、豆莢、秸軒、根鎘含量 （mg/kg）

由圖1、圖2 可知，Cd1、Cd2 條件下蠶豆不同部位對土壤中Cd 的吸收積累能力差異不大，Cd2 的蠶豆不同發(fā)育時期各器官Cd 富集系數(shù)略高于Cd1。蠶豆各器官Cd 富集系數(shù)隨著時間的推移而增加，秸稈增加了3 倍以上，豆莢增加近7 倍，籽粒增加了近2 倍。蠶豆根系表現(xiàn)出較高的Cd 富集能力，成熟期Cd1 和Cd2 條件下蠶豆根對Cd 的富集系數(shù)接近或超過1。在2 種Cd 污染水平下蠶豆根系、秸稈、莢、籽粒的Cd 富集效率高低順序相同，鼓粒期表現(xiàn)為根系＞秸稈＞籽粒＞豆莢，成熟期表現(xiàn)為根系＞秸稈＞豆莢＞籽粒，且根部Cd 富集系數(shù)遠高于秸稈和籽粒。圖1、圖2 顯示，Cd1、Cd2 鼓粒期根富集系數(shù)在0.767～0.839，均值為0.803；秸稈富集系數(shù)在0.195～0.201，均值為0.198；豆莢富集系數(shù)在0.041～0.0.44，均值為0.042；籽粒富集系數(shù)在0.049～0.051，均值為0.050；Cd1、Cd2 成熟期根富集系數(shù)在0.974～1.015，均值為0.995；秸稈富集系數(shù)在0.346～0.379，均值為0.725；豆莢富集系數(shù)在0.252～0.301，均值為0.277；籽粒富集系數(shù)在0.090～0.096，均值為0.093。

圖1 Cd1 條件下蠶豆不同器官中Cd 的富集系數(shù)

圖2 Cd2 條件下蠶豆不同器官中Cd 的富集系數(shù)

2.3 Cd1、Cd2 條件下不同時期蠶豆Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)

如圖3、圖4 所示，在2 種Cd 污染水平下，蠶豆Cd 轉(zhuǎn)運能力相當，Cd2 略高于Cd1；蠶豆各時期Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，證明Cd 主要累積在根系；成熟期的鎘轉(zhuǎn)運能力強于鼓粒期。根系、秸稈、豆莢、籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運效率高低順序是一致的，Cd2 各部位轉(zhuǎn)運系數(shù)高于Cd1。不同Cd 水平、不同時期、不同環(huán)節(jié)間Cd 轉(zhuǎn)運效率差異明顯。鼓粒期Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)為豆莢-籽粒＞土壤-根＞根-秸稈＞秸稈-豆莢；成熟期Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)為土壤-根＞秸稈-豆莢＞根-秸稈＞豆莢-籽粒。由圖3、圖4 可知，Cd1、Cd2 鼓粒期Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)土壤-根在0.767～0.839，均值為0.803；根-秸稈在0.238～0.255，均值為0.247；秸稈-豆莢在0.211～0.219，均值為0.215；豆莢-籽粒在1.194～1.263，均值為1.23；Cd1、Cd2 成熟期Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)土壤-根在0.974～1.015，均值為0.994；根-秸稈在0.356～0.375，均值為0.367；秸稈-豆莢在0.729～0.813，均值為0.771；豆莢-籽粒在0.319～0.359，均值為0.339。

圖3 Cd1 條件下蠶豆不同器官中Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)

圖4 Cd2 條件下蠶豆不同器官中Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)

3 討 論

Cd 是作物生長的非必需元素，當它在作物體內(nèi)積累一定量時，就會對作物產(chǎn)生毒害，從而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。有研究表明，植物對Cd 的吸收量與土壤中Cd 呈正相關(guān)性[14]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，進入植物體中的Cd 主要富集于根部，且根部Cd 的積累一般大于莖葉等其他組織，多數(shù)植物65%～90%的Cd存在于根部[15]。該研究中，在Cd1、Cd2 鎘污染水平下，蠶豆各器官鼓粒期Cd 累積量為根系＞秸稈＞籽粒＞豆莢，但是成熟期Cd 累積量為根系＞秸稈＞豆莢＞籽粒。

富集系數(shù)在一定程度上反映了土壤-植物系統(tǒng)中重金屬遷移的難易程度，說明重金屬在植物體內(nèi)的積累能力[16]。該研究中，在Cd1 和Cd2 鎘污染水平下，蠶豆根系、秸稈、莢、籽粒的Cd 富集效率高低順序相同，鼓粒期均為根系＞秸稈＞籽粒＞豆莢，成熟期均為根系＞秸稈＞豆莢＞籽粒。隨著時間的推移，各器官Cd 富集系數(shù)均有增加，尤其是豆莢，增加了近7 倍，但無論是鼓粒期還是成熟期，豆莢和籽粒的鎘富集系數(shù)均較低，大部分Cd 被截留在根莖葉部分。蠶豆根系表現(xiàn)出較高的Cd 富集能力，在鎘污染區(qū)收獲蠶豆時，根系應(yīng)被移除。

轉(zhuǎn)運系數(shù)越高，表示重金屬從根轉(zhuǎn)運到地上部位的能力越強[17]。該研究中，不同鎘污染水平、不同時期、不同環(huán)節(jié)間Cd 轉(zhuǎn)運效率差異明顯。鼓粒期Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)為豆莢-籽粒＞土壤-根＞根-秸稈＞秸稈-豆莢；成熟期鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)為土壤-根＞秸稈-豆莢＞根-秸稈＞豆莢-籽粒，說明重金屬Cd 從土壤轉(zhuǎn)運到籽粒的含量很低，大部分Cd 被截留在根莖葉部分。

由于蠶豆根和秸稈對Cd 的富集能力較強，在Cd污染嚴重地區(qū)種植后將其秸稈和根系移除，可起到一定土壤修復的作用。蠶豆作為Cd 累積作物修復Cd污染農(nóng)田是可行的，但常規(guī)人工移除蠶豆根系的方法工作量較大，需進一步研究高效移除蠶豆根系的方法。另外，蠶豆生物量與Cd 富集量的關(guān)系以及Cd 對蠶豆營養(yǎng)品質(zhì)的影響也需進一步深入研究。