李 涵 王志偉，3 閔子楊，3 戴思慧 鄒 甜 孫 波 孫小武，2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南長沙 410128；2湖南省瓜類研究所，湖南邵陽 422001；3湖南省西瓜甜瓜研究所，湖南長沙 410125）

施用羥基磷灰石對鎘污染土壤西瓜品質(zhì)和鎘積累的影響

李 涵1王志偉1，3閔子楊1，3戴思慧1鄒 甜1孫 波1孫小武1，2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南長沙 410128；2湖南省瓜類研究所，湖南邵陽 422001；3湖南省西瓜甜瓜研究所，湖南長沙 410125）

以黃小玉、金鑫、黑馬王子3個西瓜品種為試材，研究不同量的羥基磷灰石（HAP）對重金屬鎘中度污染土壤西瓜鎘積累、分布規(guī)律和果實品質(zhì)的影響，旨在驗明西瓜在鎘中度超標(biāo)土壤生產(chǎn)時的安全性。結(jié)果表明：添加15 kg·（667 m2）-1HAP可以顯著降低土壤中有效鎘含量和西瓜不同部位鎘的積累量；施用HAP對西瓜果實品質(zhì)影響較??；西瓜植株中鎘的分布規(guī)律為莖葉＞根系＞果實；不同西瓜品種對鎘的吸收積累存在差異；適宜的西瓜品種在中度鎘超標(biāo)土壤仍能夠生產(chǎn)出符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)的西瓜。

西瓜；鎘；羥基磷灰石；品質(zhì)

隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，工業(yè)“三廢”的排放、污水灌溉、污泥農(nóng)用以及農(nóng)藥化肥的長期不合理施用，致使我國部分農(nóng)田重金屬超標(biāo)比較嚴(yán)重（張亞麗 等，2001）。金屬鎘（Cd）是當(dāng)前造成土壤快速、大面積污染的主要重金屬元素之一，土壤鎘含量過高會導(dǎo)致植物生長受到抑制，不僅降低作物品質(zhì)，還會通過食物鏈影響人體健康（陳維新，1993；陳懷滿，2002）。因此，治理重金屬污染的農(nóng)田，加快重金屬污染地區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，進(jìn)行低積累農(nóng)作物替代種植顯得十分迫切。

湖南是有色重金屬之鄉(xiāng)，土壤鎘污染問題比較嚴(yán)重，通常利用土壤改良劑羥基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）對鎘污染土壤進(jìn)行治理（陳杰華，2009）。西瓜是湖南重要的園藝作物，在湖南的年播種面積11萬hm2左右，位于全國第四。然而，有關(guān)西瓜在重金屬鎘污染的農(nóng)田中能否安全生產(chǎn)，西瓜吸收積累重金屬鎘的特點以及土壤改良劑對西瓜品質(zhì)的影響研究甚少。本試驗在鎘中度超標(biāo)土壤中種植西瓜，結(jié)合施用不同量HAP，研究西瓜不同部位重金屬鎘吸收、積累的特點及對西瓜果實品質(zhì)的影響，以期為土壤重金屬鎘超標(biāo)地區(qū)的西瓜安全生產(chǎn)和治理提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

湖南某礦區(qū)附近的稻田土，5 a內(nèi)未種植西瓜，前茬作物為水稻。西瓜種植前的土壤理化性狀為：pH值為5.6，速效氮含量79 mg·kg-1，速效磷10.4 mg·kg-1，速效鉀91 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)15 g·kg-1，鎘0.842 mg·kg-1。根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—1995，該試驗田土壤屬重金屬鎘中度超標(biāo)土壤。

1.2 試驗方法

供試西瓜品種：黃小玉（小果型有籽西瓜）、金鑫（中果型有籽西瓜）、黑馬王子（三倍體無籽西瓜），均由湖南雪峰種業(yè)有限責(zé)任公司提供。

試驗于2014年4～8月進(jìn)行，共設(shè)置4個處理，HAP施用量分別為Q10：10 kg·（667 m2）-1、Q15：15 kg·（667 m2）-1、Q20：20 kg·（667 m2）-1，以不添加HAP為對照（CK），周圍設(shè)置保護(hù)行，HAP中不含鎘元素。試驗小區(qū)面積37.5 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。將HAP條施于西瓜種植溝內(nèi)與耕作層土壤混合均勻，覆蓋地膜，4月6日選擇生長整齊一致的二葉一心的西瓜幼苗進(jìn)行定植，定植后正常栽培管理。西瓜成熟后，每個小區(qū)按5點取樣法，每點選取3株西瓜進(jìn)行根際土、根、上部莖葉（中部莖葉以上至生長點）、中部莖葉（結(jié)果節(jié)位前后各3節(jié)）、下部莖葉（根部以上至中部莖葉）和果實重金屬鎘含量的測定，并測定西瓜單果質(zhì)量、果皮厚度、可溶性固形物含量、縱徑、橫徑，計算果形指數(shù)。

1.3 測定方法

用直尺測量成熟果實縱徑和橫徑的最大值，果皮厚度采用游標(biāo)卡尺測定，可溶性固形物含量采用手持式折光儀測定，土壤中有效鎘含量參照GB/T 23739—2009的方法進(jìn)行測定，西瓜根、莖葉、果實中的鎘含量參照GB/T 5009.15—2003的方法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 10.0統(tǒng)計軟件，在5%水平下用LSD法分析所有處理與對照之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 HAP對西瓜植株根、莖葉中鎘含量的影響

鎘作為西瓜生長的一種非必需元素，主要積累于西瓜莖葉中，從圖1可以看出，西瓜植株中鎘分布規(guī)律為根部低于莖葉，下部莖葉＞中部莖葉＞上部莖葉。這可能是因為西瓜上部莖葉屬于新生部位以及西瓜蔓較長，對鎘的積累相對較少。添加HAP處理可以降低西瓜根部和莖葉中的鎘含量，其中以Q15處理效果最為明顯，與對照差異顯著。Q15處理尤其對黃小玉下部莖葉鎘含量的降幅影響最大，僅為對照鎘含量的57.2%。

圖1 HAP對西瓜植株不同部位鎘含量的影響

2.2 HAP對西瓜果實中鎘含量的影響

由表1可以看出，各西瓜品種果實中鎘含量都明顯低于國家標(biāo)準(zhǔn)（0.05 mg·kg-1），屬于安全范圍，可以放心食用。施用HAP可以不同程度地降低西瓜果實中的鎘含量，其中Q15處理降低最多，黃小玉、金鑫和黑馬王子分別比對照降低了28.8%、34.0%和24.6%，差異顯著。

表1 HAP對西瓜果實中鎘含量的影響mg·kg-1（FW）

2.3 HAP對西瓜果實品質(zhì)的影響

由表2可以看出，施用HAP對鎘中度污染土壤西瓜的果形指數(shù)、果皮厚度、可溶性固形物含量和單瓜質(zhì)量影響較小，大多與對照差異不顯著，說明施用HAP對西瓜果實品質(zhì)基本無影響。

2.4 HAP對土壤中有效鎘含量的影響

從表3可以看出，HAP各處理均可顯著降低土壤中有效鎘含量。其中Q15處理下的黃小玉和黑馬王子土壤中有效鎘含量最低，分別比對照降低了11.25%和16.29%；而Q20處理下的金鑫西瓜土壤中有效鎘含量最低，比對照降低了14.32%。這說明HAP施用量對降低根際土壤中有效鎘含量的作用可能與西瓜品種存在一定的關(guān)系。

表2 HAP對西瓜果實性狀的影響

表3 HAP對土壤中有效鎘含量的影響 mg·kg-1

3 討論

3.1 西瓜植株內(nèi)鎘的分布規(guī)律

對不同品種西瓜根、莖葉和果實鎘含量的分析表明，西瓜根系吸收鎘之后主要轉(zhuǎn)運到地上部莖葉中，而向果實中轉(zhuǎn)移的較少。西瓜植株鎘的積累規(guī)律為莖葉＞根系＞果實，這與葡萄鎘含量根系＞莖葉＞果實的研究結(jié)果有一定差異（李小紅 等，2010），可能是由于西瓜根系在土壤中的生長周期比葡萄根系短，加之龐大的地上部分以及旺盛的蒸騰作用，致使莖葉中鎘含量比根系高。雖然西瓜莖葉鎘含量相對較高，但向果實中轉(zhuǎn)運重金屬的量比較少，說明西瓜也有大多數(shù)植物所具有的一種對繁殖器官的保護(hù)機(jī)制，以避免對后代的毒害作用（Cao et al.，2001）。另外，西瓜不同部位莖葉中鎘的分布也存在差異，下部莖葉鎘含量明顯比中部和上部要高，說明鎘為西瓜植株生長的非必需元素，在一定條件下從土壤到達(dá)西瓜根部進(jìn)而遷移至植株地上部尚需一些時間（Dong et al.，2006）。由于西瓜根和莖葉中鎘含量相對較高，收獲后的瓜蔓不宜還田，應(yīng)帶出田塊進(jìn)行農(nóng)副產(chǎn)品深加工處理，延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，為西瓜產(chǎn)業(yè)增值的同時，實現(xiàn)清潔農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.2 HAP對土壤、西瓜植株鎘含量及果實品質(zhì)的影響

HAP是一種新型磷酸鹽類環(huán)境功能材料，它的晶體化學(xué)特性使其對多種重金屬陽離子具有較強的吸附固定作用，而且不易造成二次污染。因此被廣泛用于重金屬污染土壤的原位修復(fù)，以有效地降低重金屬的可利用性和植物毒性（商平和王麗娜，2005；宋勇 等，2010；王利 等，2011）。HAP是有效的Cd2+吸附劑，其機(jī)理主要有兩類：① Cd2+與 Ca2+的交換，生成沉淀或礦物；② 表面絡(luò)合（Nzihou & Sharrock，2010；馬安良 等，2013）。

本試驗結(jié)果表明，添加HAP后西瓜根際土壤中有效鎘含量有所降低，西瓜植株和果實對鎘的吸收也有所降低，以施用15 kg·（667 m2）-1的HAP處理效果最好，且在降低土壤有效鎘離子濃度的同時對西瓜品質(zhì)無不良影響。雖然添加HAP可以不同程度地降低西瓜植株中鎘含量，但HAP的施用量并不是越多越好，超過一定范圍之后，西瓜植株內(nèi)重金屬含量反而增加，這可能與HAP對鎘離子的吸附機(jī)理有關(guān)，當(dāng)吸附達(dá)到動態(tài)平衡之后，過量的HAP可能會打破這種平衡，從而降低了鎘離子的吸附量。鎘中度超標(biāo)土壤中添加HAP可以降低西瓜植株內(nèi)的鎘含量，這與煙草（招啟柏 等，2009）上的研究結(jié)果一致。綜上，在施用HAP改良鎘污染土壤時，應(yīng)該注意兩方面的問題：第一，HAP對土壤中生長的植物可能產(chǎn)生的作用；第二，HAP施用量對改良土壤鎘污染的局限性。

3.3 土壤重金屬鎘超標(biāo)地區(qū)西瓜安全生產(chǎn)的局限性

土壤重金屬鎘超標(biāo)地區(qū)適宜推廣的品種應(yīng)具備以下特性：① 食用部位鎘含量相對較低；② 鎘含量遞增率低于土壤鎘含量遞增率；③ 生物量積累基本不受影響（陳瑛 等，2009）。研究表明，蔬菜吸收重金屬的能力為：茄果類＞葉菜類＞豆類＞瓜果類蔬菜（劉景紅和陳玉成，2004），本試驗也印證了西瓜是受鎘污染程度較低的作物，這可能是因為西瓜屬于葫蘆科蔓生植物，具有植株較大、生理代謝快、成熟期短等特點，因而對鎘的積累較少，符合重金屬超標(biāo)地區(qū)植物生產(chǎn)的要求。3個不同西瓜品種對鎘的吸收和積累存在差異，說明不同西瓜品種對鎘的吸收和積累能力存在差異性，這與井彩巧（2006）和焦洪靜等（2013）對大白菜和茄子的研究結(jié)果類似。因此在鎘污染環(huán)境中種植西瓜應(yīng)該慎重選擇品種。

本試驗結(jié)果表明，在中度鎘超標(biāo)土壤中選擇種植適宜的西瓜品種，果實中鎘含量遠(yuǎn)低于國家食品安全限量標(biāo)準(zhǔn)，這對于指導(dǎo)蔬菜種植區(qū)劃布局具有重要意義。而在鎘重度超標(biāo)土壤中西瓜生產(chǎn)的安全性以及不同品種間鎘吸收和積累的差異性還有待研究。另外，本試驗僅闡明了鎘中度污染水平下，適量施用HAP對降低土壤中有效鎘含量和西瓜植株中鎘含量有一定效果，且對西瓜果實品質(zhì)影響較小，但在重度鎘超標(biāo)地區(qū)種植西瓜，以及HAP聯(lián)合利用對西瓜生產(chǎn)的影響仍需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

① 適量的HAP施用能顯著降低中度鎘污染根際土壤中有效鎘含量，從而減少了西瓜植株和果實對鎘的吸收積累，以15 kg·（667 m2）-1的HAP處理效果最好，且對西瓜的果實品質(zhì)影響很小。

② 西瓜植株中鎘的積累分配規(guī)律為：莖葉＞根系＞果實。不同西瓜品種對鎘的吸收和積累存在差異。

③ 在不施用HAP的條件下，適宜的西瓜品種在中度鎘超標(biāo)土壤仍能夠生產(chǎn)出符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)的西瓜。

陳懷滿．2002．土壤中化學(xué)物質(zhì)的行為與環(huán)境質(zhì)量．北京：科學(xué)出版社．

陳杰華．2009．納米羥基磷灰石在重金屬污染土壤治理中的應(yīng)用研究〔碩士論文〕．重慶：西南大學(xué)．

陳維新．1993．農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社．

陳瑛，李廷強，楊肖娥，金葉飛．2009．不同品種小白菜對鎘的吸收積累差異．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，20（3）：736-740．

焦洪靜，牛明芬，魏樹和，李云萌，王姍姍，朱建功．2013．茄子苗對鎘積累和耐性的品種間差異．生態(tài)毒理學(xué)報，8（3）：413-418．

井彩巧．2006．不同基因型大白菜鎘和鉛含量差異研究．園藝學(xué)報，33（2）：402-404．

李小紅，陶建敏，陳劍東，胡鋒，李輝信．2010．鎘脅迫對不同砧穗組合葡萄植株鎘吸收規(guī)律和果實品質(zhì)的影響．生態(tài)環(huán)境學(xué)報，19（5）：1082-1086．

劉景紅，陳玉成．2004．中國主要城市蔬菜重金屬污染格局的初步分析研究．微量元素與健康研究，21（5）：42-49．

馬安良，張琛琛，吳柳明．2013．納米碳羥基磷灰石對Cd2+的吸附．濟(jì)南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，27（1）：67-70．

商平，王麗娜．2005．環(huán)境礦物材料治理鎘（Cd2+）污染研究進(jìn)展．巖石礦物學(xué)雜志，24（6）：681-685．

宋勇，何談，劉明月，曾敏，廖柏寒．2010．羥基磷灰石對Cd污染土壤中馬鈴薯生長及品質(zhì)的影響．環(huán)境科學(xué)，31 （9）：2240-2247．

王利，李永華，姬艷芳，楊林生，李海蓉，張秀武，虞江萍．2011．羥基磷灰石和氯化鉀聯(lián)用修復(fù)鉛鋅礦區(qū)鉛鎘污染土壤的研究．環(huán)境科學(xué)，32（7）：2114-2118．

張亞麗，沈其榮，姜洋．2001．有機(jī)肥料對鎘污染土壤的改良效應(yīng)．土壤學(xué)報，38（2）：212-218．

招啟柏，朱衛(wèi)星，胡鐘勝，王宏武，劉艷杰，王廣志，曹志洪．2009．改良劑對土壤重金屬（Cd、Pb）的固定以及對烤煙生長影響．中國煙草學(xué)報，15（4）：26-32．

Cao Z H，Wang X C，Yao D H，Zhang X L，Ming H W．2001． Selenium geochemistry of paddy soils in Yangtze River Delta．Environment International，26：335-339．

Dong J，Wu F B，Zhang G P．2006．Influence of cadmium on antioxidant capacity and four microelement concentrations in tomato seedlings（Lycopersicon esculentum）．Chemosphere，64：1659-1666．

Nzihou A，Sharrock P．2010．Role of phosphate in the remediation and reuse of heavy metal polluted wastes and sites．Waste and Biomass Valorization，1：163-174．

Effects of Applying Hydroxyapatite on Watermelon Quality and Cadmium Accumulation in Cadmium Polluted Soil

LI Han1，WANG Zhi-wei1，3，MIN Zi-yang1，3，DAI Si-hui1，ZOU Tian1，Sun Bo1，SUN Xiao-wu1，2*
（1College of Horticulture，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，Hunan，China；2Melon Research Institute of Hunan Province，Shaoyang 422001，Hunan，China；3Watermelon and Melon Research Institute of Hunan Province，Changsha 410125，Hunan，China）

Taking 3 watermelon varieties ‘Huangxiaoyu’，‘Jinxin’and ‘Heimawangzi’ as material，this experiment studied the effects of different amount Hydroxyapatite （HAP） on cadmium accumulation，distribution law and fruit quality of watermelon grown in moderate cadmium polluted soils，so as to verify the safety of watermelon production. The results showed that applying 0.225 t·hm-2HAP could significantly reduce the content of available cadmium in soil and cadmium accumulation in different parts of watermelon. Applying of HAP had less influence on watermelon fruit quality. The cadmium distribution law in watermelon plant was leaf＞root＞fruit. There existed differences in cadmium absorption and accumulations between different watermelon varieties. Proper watermelon varieties could still produce watermelon in line with the national food safety standard，even in the moderate cadmium polluted soils.

Watermelon；Cadmium；Hydroxyapatite（HAP）；Quality

李涵，女，博士研究生，主要從事蔬菜栽培與生理生態(tài)方面的研究，E-mail：lhlihan001@163.com

*通訊作者（Corresponding author）：孫小武，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事蔬菜遺傳育種與栽培方面的研究，E-mail：sunxiaowu2007@126.com

2016-02-26；接受日期：2016-07-14

西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（CARS-26-09）