唐希望 ，吉普輝 ，同延安 *，伊麗麗

（1.河北環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)系，河北 秦皇島 066102；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

二十世紀(jì)五十年代爆發(fā)于日本的痛痛病事件使人們開始關(guān)注鎘（Cd）對(duì)人體的毒性作用[1]。人體過量富集鎘可以造成腎小管和骨骼的損害[2]，同時(shí)也會(huì)引起肺水腫、肝損傷、貧血以及高血壓等癥狀[3]。對(duì)非吸煙人群，食物是人體鎘的主要攝入途徑[2]。世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織規(guī)定人體日攝入鎘的最高限量是70μg[4]，正常情況下人體通過食物的日均鎘攝入量是8~25μg[2]，低于限量標(biāo)準(zhǔn)。但是生活垃圾和工業(yè)廢物的無序排放以及農(nóng)業(yè)上磷肥的使用會(huì)造成土壤中鎘富集[5-6]。自然狀況下土壤中重金屬主要是難以被植物吸收的形態(tài)[7-8]，但人為活動(dòng)輸入土壤中的重金屬很容易進(jìn)入食物鏈，進(jìn)而在人體中富集，危害人體健康。

生菜是一種在世界范圍內(nèi)被廣泛消費(fèi)的蔬菜，2010年生菜的全球消費(fèi)量達(dá)到0.236億t[9]。生菜對(duì)土壤中有毒元素的存在非常敏感，并且這些有毒元素可以富集到生菜的可食部分中[10]。研究表明生長(zhǎng)在15 mg·kg-1CdCl2基質(zhì)中的生菜，其葉片中鎘的濃度可以超出蔬菜產(chǎn)品最高限量的100倍[11]。然而這些生長(zhǎng)在鎘污染土壤中的生菜卻沒有表現(xiàn)出脫水，黃葉或者壞死等癥狀[11-12]，這表明生菜對(duì)鎘具有很高的耐受性，生菜受鎘污染不容易被發(fā)現(xiàn)。此外生菜也是研究植物富集的很好的模式植物，它可以被用來研究植物鎘的吸收以及在可食部分的富集問題[13]，因此生菜在土壤鎘污染研究中也經(jīng)常作為供試作物[7，14-18]。

作物對(duì)鎘的吸收會(huì)受到礦質(zhì)元素吸收的影響[5，19-24]。Nan等[21]在田間狀態(tài)下研究了春小麥和玉米中鋅和鎘的交互作用，發(fā)現(xiàn)鋅和鎘的吸收存在協(xié)同作用。然而Sarwar等[23]通過葉面噴施鋅的方法，有效降低了小麥籽粒中鎘的含量。Liu等[19-20]研究了不同品種水稻鎘與5種礦質(zhì)元素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鎘與鐵、錳、銅存在協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)系。然而Sarwar等[22]通過綜述前人研究卻認(rèn)為鈣、鋅、鐵、錳可以降低作物對(duì)鎘的吸收和累積。而王麗香等[24]采用盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鎘脅迫對(duì)花生籽粒礦質(zhì)元素含量的影響不一致，隨著鎘濃度增加鉀、鎂、鈣、鐵、鋅元素呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。雖然很多關(guān)于礦質(zhì)元素對(duì)植物鎘吸收影響的研究結(jié)果是矛盾的，但是利用礦質(zhì)元素與鎘的相互作用來降低作物對(duì)鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)是可行的。

在本試驗(yàn)中，采用立生生菜作為供試品種，種植在一個(gè)年限超過20年的鎘污染日光溫室中，在生育期內(nèi)不間斷采樣，測(cè)定生菜地上部鎘與礦質(zhì)元素含量，以了解在整個(gè)生育期生菜地上部鎘累積規(guī)律及鎘與礦質(zhì)元素吸收的關(guān)系。本研究結(jié)果對(duì)保障生菜等葉類菜的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地和試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于陜西楊凌五泉鎮(zhèn)的一個(gè)日光溫室里（34°17′28″N，108°00′27″E），田間試驗(yàn)開展于 2014 年5月20日至8月10日。日光溫室土壤是塿土，質(zhì)地為重壤土，具體理化性質(zhì)見表1。本試驗(yàn)地位于半濕潤(rùn)地區(qū)，年均降水量595.9~732.9 mm，年均溫度13.6℃，年均輻射量440~544 kJ·cm-2[25-26]。供試生菜為立生生菜，商品名稱“立生二號(hào)”，單株生物量為300~500 g，生育期為70 d。

1.2 田間試驗(yàn)方法

1.2.1 生菜種植

在日光溫室的中部選取一片試驗(yàn)田塊，使用微耕機(jī)翻耕田塊表層土壤，最大可能使耕層土壤質(zhì)地達(dá)到均一。將生菜種子密集而均勻的撒播在每一行，一共播種9行，每行長(zhǎng)9 m，行間距30 cm。在種子出苗前，使用塑料薄膜覆蓋在田塊上以保持濕度，必要的時(shí)候噴灑水分，使土壤濕度保持在最大持水量的60%。為避免肥料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，在田間試驗(yàn)前后階段均不施入任何肥料。

1.2.2 采樣方法

播種后20 d開始對(duì)生菜地上部分進(jìn)行采樣。每次隨機(jī)采取20株生菜地上部分作為一個(gè)樣品，重復(fù)三次。采樣時(shí)間分別為播種后第 20、25、27、30、32、33、34、35、36、38、40、42、44、46、48、51、53、57、59、61、67、70、73 d。所有采集的樣品均使用同一方法進(jìn)行前處理。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地土壤表層（0~20 cm）理化性質(zhì)（n=3）Table 1 Propertiesof the 0~20 cmsoil layer in the experimental field（n=3）

1.3 樣品前處理及金屬元素的測(cè)定

1.3.1 樣品前處理

從田間采集的鮮樣抖盡泥土，先用自來水沖洗，再用去離子水清洗，最后用高純水清洗干凈。然后晾干，稱取鮮重。隨后放入烘箱中，105℃殺青1 h，80℃烘干至恒重后稱重。烘干樣品采用不銹鋼植物粉碎機(jī)（LD-Y500A，上海）進(jìn)行粉碎混勻。所有樣品都采用相同處理方法。

1.3.2 重金屬分析

在耐高溫石英消煮管中加入1.000 0 g樣品，9 mL HNO3（GR）和3 mL HClO4（GR），敞口消解（160℃電熱板加熱）至近干，呈黃色或無色膿狀物，判定為消解完全。然后將消解后的液體轉(zhuǎn)移到25 mL容量瓶中，使用高純水定容[26]。使用日立Z-2000原子吸收儀（AAS）法測(cè)定樣品中 Cd、Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg 8 種元素，其中Ca、Mg測(cè)定以SrCl2為掩蔽劑。樣品分析過程中使用環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10015（菠菜）進(jìn)行質(zhì)量控制，回收率為95%±5%，每批次兩個(gè)重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用 SigmaPlot 12.5（Systat Software Inc.）和Excel 2010軟件。采用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)對(duì)生菜鎘濃度和礦質(zhì)元素濃度相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。顯著性水平為 0.01和 0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 生菜生長(zhǎng)狀況

田間試驗(yàn)從2014年5月20日開始到8月10日結(jié)束，相對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間從播種后20 d到播種后73 d。圖1是在采樣周期內(nèi)生菜地上部分單株生物量的變化情況。根據(jù)生菜生長(zhǎng)情況將其分為苗期（播種后20~30 d），器官形成期（播種后 30~57 d）和抽薹期（播種后57~73 d）。從圖1a可以看出生菜地上部分鮮物質(zhì)生物量呈“S”型曲線增加。在器官形成期初期，生菜單株鮮重迅速?gòu)?.8 g增加到88.1 g，隨后在74.7~92.9 g之間波動(dòng)。在抽薹期之前，生菜地上部單株干重也符合“S”型增長(zhǎng)曲線，從0.1 g增加到了6.4 g，然而在抽薹期生菜地上部分單株干重迅速?gòu)?.4 g增加到了 11.2 g（圖 1b）。

2.2 鎘累積狀況

圖1 采樣期（播種后20~73 d）生菜地上部生物量（n=3）Figure 1 Biomass of lettuce above-ground parts duringthe experimental period（day 20 to 73 after sowing，n=3）

2.2.1 鎘濃度

圖2是整個(gè)生育期生菜地上部分Cd含量。在苗期生菜地上部分Cd的濃度從2.70 mg·kg-1上升到3.62 mg·kg-1，然而在器官形成期生菜地上部Cd的濃度從 3.62 mg·kg-1波動(dòng)下降到 2.40 mg·kg-1，而在抽薹階段生菜地上部Cd的濃度從2.40 mg·kg-1幾乎直線下降到1.64 mg·kg-1（圖2a）?；赑earson相關(guān)性檢測(cè)數(shù)據(jù)表明生菜地上部Cd的濃度與生菜生長(zhǎng)時(shí)間顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.76，P<0.01）。

圖2 基于干重和鮮重的生菜地上部Cd濃度（n=3）Figure 2 Cd concentrationsin lettuce above-ground partsbased on dry weight and fresh weight（n=3）

由于蔬菜相關(guān)的Cd限量標(biāo)準(zhǔn)是基于鮮重的濃度，為便于分析比較生菜地上部Cd濃度與限量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，本試驗(yàn)計(jì)算了基于鮮重的生菜地上部Cd濃度（圖2b）。根據(jù)圖2b，在抽薹期之前生菜地上部分Cd鮮重濃度非常接近可允許的最大限量值（0.2 mg·kg-1），在抽薹期高于生菜可允許的最大限量值。我國(guó)對(duì)于如生菜的葉類菜，可允許的Cd最高限量值為0.2 mg·kg-1（GB 2762—2012）?？紤]到誤差，在抽薹期之前生菜Cd含量有可能超標(biāo)，因此該日光溫室生產(chǎn)出的生菜對(duì)消費(fèi)者來說是有健康風(fēng)險(xiǎn)的。

從圖2可以看出在整個(gè)生育期內(nèi)生菜地上部Cd濃度的變化并沒有保持相同的趨勢(shì)。對(duì)于限定的土壤和限定的一株生菜，生菜組織中Cd濃度是由其生長(zhǎng)狀況所決定的。植物的根和葉片都可以吸收Cd[27-28]，但根吸收是Cd的主要吸收途徑。植物根系吸收Cd的規(guī)律可以用Michaelise-Menten動(dòng)力學(xué)模型（1）及其衍生模型來描述[29-31]。

式中：J是植物根部微量元素匯入率，mg·cm-1·d-1；C是土壤溶液中的微量元素濃度，mg·L-1；Jmax是J的最大值；Km是J=50%Jmax時(shí)C的值。

但是這個(gè)方程并不能直接用于描述田間試驗(yàn)，因?yàn)樵谔镩g試驗(yàn)狀態(tài)下根系不能被準(zhǔn)確地測(cè)定。根的生長(zhǎng)是和地上部生物量的累積高度相關(guān)的[17，32]，而地上部分生物量的累積趨勢(shì)遵循“S”型曲線方程（2）：

式中：B（t）是生菜地上部在生長(zhǎng)時(shí)期t（d）的生物量，g·株-1；Bmax代表最大生物量，t1是 B（t）=50%Bmax時(shí)的生長(zhǎng)時(shí)間，d；b1是生長(zhǎng)速率的倒數(shù)，μg·d-1。

根據(jù)Chen等[33-34]和Molina等[17]的研究結(jié)果，田間狀態(tài)下微量元素根吸收模型可以用公式（3）描述：

式中：M（t）代表根吸收的微量元素量，μg·株-1；Rroot-shoot代表根冠比（根長(zhǎng)/生物量），cm·kg-1。

根據(jù)公式（3），根冠比和地上部生物量決定著生菜地上部Cd的累積。在播種后57 d之前地上部生物量的增長(zhǎng)趨勢(shì)符合“S”型曲線，而在此之后的抽薹期地上部生物量又開始迅速增長(zhǎng)（圖1b）。在整個(gè)生育期，地上部生物量增長(zhǎng)率符合低-高-低-高的趨勢(shì)。當(dāng)生菜地上部生物量累積速率比Cd累積速率低時(shí)，地上部Cd濃度就會(huì)上升，反之則下降。假設(shè)在公式（3）中J值不變，則Cd濃度在苗期升高而在器官形成期和抽薹期下降。抽薹期Cd吸收速率的下降大于器官形成期。

2.2.2 鎘累積

根據(jù)圖3，生菜地上部Cd單株累計(jì)量可以用邏輯斯特方程（4）進(jìn)行擬合。

式中：U（t）代表生菜地上部 Cd 單株累積總量，μg·株-1；Umax代表 U（t）的最大值，t2是當(dāng) U（t）的值等于 50%Umax的時(shí)間，d；b2是Cd吸收速率的倒數(shù)，d。在本研究中 Umax=19.35 μg·株-1，t2=40.64 d，b2=6.18 d。

在器官形成期生菜地上部累積的Cd總量為15.48 μg·株-1，遠(yuǎn)高于抽薹期（表 2）。在器官形成期Cd的累積速率也是最高的，此階段累積的Cd占全部生長(zhǎng)階段的80%，而抽薹期累積的Cd只占4.35%。由此可見，器官形成期是生菜地上部Cd累積的主要時(shí)期。抽薹期雖然生物量增長(zhǎng)很快，其Cd累積速率卻是最低的。McKenna等[35]的研究結(jié)果表明在研究設(shè)置的所有Cd輸入水平下，都是生菜老葉Cd含量大于新葉，Moustakas等[36]的研究結(jié)果也表明生菜外葉Cd含量大于內(nèi)葉Cd含量。這些研究結(jié)果與本研究結(jié)果可以相互印證，Cd在生菜各組織器官遷移性較低，但兩者均沒有比較新葉與老葉Cd累積速率。

圖3 生菜地上部Cd單株累積量的邏輯斯特?cái)M合方程Figure 3 A logistic curve was used to fit the trend of cadmium accumulation in above-ground lettuce parts

在抽薹期，部分葉片枯萎脫落也可能造成部分累積Cd的減少。根據(jù)圖1，在抽薹期干鮮比的增加可能也降低了Cd從生菜根部到地上部的轉(zhuǎn)移速率。鑒于此，當(dāng)把生菜作為Cd研究供試植物時(shí)應(yīng)在抽薹期之前進(jìn)行采摘。根據(jù)方程（3），根冠比是生菜地上部Cd累積的影響因素。使用生長(zhǎng)素例如吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA）均可以調(diào)節(jié)根冠比[25，37]。生菜地上部累積Cd的途徑主要是根部的轉(zhuǎn)運(yùn)，而根部到地上部的轉(zhuǎn)移速率在器官形成期最高。因此可以使用生長(zhǎng)素在器官形成期對(duì)生菜Cd累積進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.3 礦質(zhì)元素濃度

圖4是生菜在整個(gè)生育期地上部礦質(zhì)元素Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg含量的變化情況。從圖 4 可以看出，與生育期內(nèi)生菜地上部Cd濃度的變化情況不同，F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn 4 種元素濃度的變化與生長(zhǎng)時(shí)間呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為r=0.71，P<0.01；r=0.58，P<0.01；r=0.42，P<0.05；r=0.39，P<0.05），即隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，生菜地上部Fe、Mn、Cu、Zn 4種元素的干物質(zhì)濃度增加。而不同生育期內(nèi)生菜地上部Ca和Mg元素含量變化則與生長(zhǎng)時(shí)間沒有顯著相關(guān)性。這可能與研究區(qū)域土壤狀況有關(guān)，根據(jù)表1，該區(qū)域土壤Ca和Mg的含量較高，分別為5.2%和1.34%，而Ca和Mg是生菜體內(nèi)的大量元素，其在生菜體內(nèi)的濃度受外界因素影響較小，因此其在生育期內(nèi)濃度基本保持恒定。

2.2.4 生菜鎘與其他元素含量的相關(guān)性

本文在2.1部分根據(jù)圖1將生菜生長(zhǎng)分為苗期、器官形成期和抽薹期，根據(jù)生長(zhǎng)規(guī)律可以進(jìn)一步將苗期和器官形成期劃歸至生菜的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，抽薹期劃歸至生菜的生殖生長(zhǎng)階段。對(duì)生菜整個(gè)生育期內(nèi)、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段以及生殖生長(zhǎng)階段 Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg元素含量與Cd含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見表3?？梢钥闯稣麄€(gè)生長(zhǎng)階段生菜地上部體內(nèi)Cd濃度和Fe濃度變化呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.77，P<0.01），和Ca呈正相關(guān)（r=0.46，P<0.05）；在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，Cd濃度和Ca濃度變化呈顯著正相關(guān)（r=0.56，P<0.05）；在生殖生長(zhǎng)階段生菜Cd濃度變化和Fe濃度顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.82，P<0.05），和 Zn、Ca顯著正相關(guān)（r=0.93，P<0.01；r=0.42，P<0.05）。

表2 不同生育期生菜地上部Cd累積Table 2 Cadmiumaccumulation in above-ground parts of lettuceplants during different growth stages

圖4 生菜地上部 Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg 的濃度（n=3）Figure 4 Fe，Mn，Cu，Zn，Ca and Mgconcentration in the above ground partsof lettuce（n=3）

表3 整個(gè)生育期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段以及生殖生長(zhǎng)階段生菜Cd含量與Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg元素含量的相關(guān)性Table 3 Pearson correlation analysis of lettuce Cd content with lettuce Fe，Mn，Cu，Zn，Ca and Mg content respectively，during the whole growth stage，vegetative stage and reproductivestage

在整個(gè)生育期以及生殖生長(zhǎng)階段，生菜地上部Fe與Cd的濃度變化呈顯著負(fù)相關(guān)。Fe元素雖然與Cd在生物體內(nèi)功能不同，但是Fe與Cd存在交互作用，Cd脅迫可以誘導(dǎo)植物缺Fe，而足量供Fe可以降低Cd的生理毒性，減少植物對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)[38-40]。在本研究中，生菜生育期內(nèi)地上部Cd與Fe的濃度變化呈顯著負(fù)相關(guān)正是體現(xiàn)了這一點(diǎn)。不過需要指出的是，有研究表明對(duì)于Cd富集作物來說，植物對(duì)Fe和Cd的吸收是顯著正相關(guān)的[41]。表3結(jié)果表明生菜Cd濃度與Zn、Ca濃度變化呈正相關(guān)，而相關(guān)研究表明，在生物體內(nèi)Cd和Zn、Ca兩種元素在生理上存在拮抗作用，后兩種元素可以緩解Cd對(duì)生物的毒害作用[42-43]，而Cd與Zn、Ca兩種元素存在生理拮抗是因?yàn)樵刂g價(jià)態(tài)相同、性質(zhì)相似，因此生菜對(duì)Cd、Zn、Ca吸收轉(zhuǎn)運(yùn)路徑可能存在共同之處。根據(jù)圖1中生菜生長(zhǎng)狀況，可以判斷出生菜的生長(zhǎng)沒有受到Cd的脅迫，其對(duì)Cd的吸收未受到抑制。因此可以推測(cè)在本研究中這3種元素從根部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)沒有發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，因而生菜地上部Cd濃度與Zn、Ca濃度變化呈正相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）地上部Cd濃度的變化與地上部生物量的變化高度相關(guān)。Cd濃度在苗期增加，在器官形成期和抽薹期降低。

（2）單株生菜地上部Cd累積的速率可以用“S”型曲線進(jìn)行描述，約15%的Cd累積發(fā)生在苗期，約80%的Cd累積發(fā)生在器官形成期，約5%的Cd累積發(fā)生在抽薹期，苗期、器官形成期和抽薹期Cd累積速率分別為 0.098、0.516、0.056 μg·株-1·d-1。

（3）整個(gè)生長(zhǎng)階段生菜地上部Cd濃度和Fe濃度變化呈極顯著負(fù)相關(guān)，和Ca呈顯著正相關(guān)；在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，生菜地上部Cd濃度和Ca濃度呈顯著正相關(guān)；在生殖生長(zhǎng)階段生菜地上部Cd濃度變化和Fe顯著負(fù)相關(guān)，和Zn、Ca顯著正相關(guān)。

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