宋拉拉，廖芳芳，張愛民，胡明文 ，藍(lán) 青 ，邢 丹

（1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州醫(yī)科大學(xué)神奇民族醫(yī)藥學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

土壤重金屬污染是人們所面臨且亟需解決的環(huán)境污染問題之一［1］。重金屬不僅影響植物的生長發(fā)育，且導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量降低，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對土壤環(huán)境造成了不同程度的污染［2］。其中鎘是毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，是人體、動物和植物的非必需元素。土壤鎘污染不僅影響植物的生長發(fā)育，而且會降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，并對動物和人體產(chǎn)生毒害作用，進(jìn)而危害人類健康，目前鎘污染問題已受到人們的高度重視［3-9］。當(dāng)鎘達(dá)到一定閾值時，通過阻礙植物根系生長、抑制水分和養(yǎng)分的吸收等引起一系列生理代謝紊亂，最終導(dǎo)致植物品質(zhì)下降和減產(chǎn)，甚至死亡［4］。進(jìn)入畜禽體的鎘排泄很慢，影響其造血和生殖功能，損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞，干擾鈣、磷、鐵等元素的吸收［5］。人如果食用含鎘的食物會導(dǎo)致各種病變，如骨痛病、細(xì)胞癌變、骨質(zhì)疏松、肝腎功能紊亂等［4,9］。

辣椒（Capsicum frutescensL.）是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，且屬于鎘易富集蔬菜［10］。有研究表明，低濃度的鎘脅迫處理可稍促進(jìn)植物生長，高濃度處理則抑制植物生長。在綠豆、豌豆［11］、小麥［12］及水稻［13］等作物均有相關(guān)研究，且鎘對植物生長的影響存在種間差異。鎘對辣椒生長有明顯的抑制作用，且植株的不同部位鎘積累量不同［14］。在鎘污染條件下辣椒果實(shí)產(chǎn)量、果實(shí)中維生素及糖含量均有所降低，且辣椒果實(shí)中鎘含量顯著升高［15］。隨著鎘濃度的增加，辣椒的根、莖、葉、籽粒和果皮中鎘含量均有所增加，但不同處理各部位的鎘含量不同［16］。研究發(fā)現(xiàn)，影響植物吸收土壤Cd的主要因素包括土壤pH、金屬螯合劑、有機(jī)質(zhì)以及作物種類、品種、耕作方式等［7］。鎘脅迫條件下，植物對鎘毒害的耐性因植物種類、鎘濃度、土壤類型等存在差異，為減少辣椒遭受Cd毒害，種植辣椒時需考慮Cd污染程度、辣椒品種及土壤類型等。但辣椒Cd抗性是一個復(fù)雜的綜合性狀，若直接利用某一指標(biāo)進(jìn)行辣椒抗Cd性評價會存在片面性和不穩(wěn)定性。本研究通過盆栽試驗(yàn)研究Cd脅迫對種植于黃壤和石灰土兩種土壤中辣椒幼苗生長及生理指標(biāo)的影響，掌握辣椒對Cd脅迫的生長及生理特性，建立辣椒在不同Cd污染程度和不同種植土壤中Cd抗性的綜合評價體系，以期為辣椒種植和土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2013年3～10月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所進(jìn)行。

供試?yán)苯菲贩N為朝天椒8024（屬于易富集Cd品種［16］），由貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所提供。

供試土壤采自貴州省清鎮(zhèn)市青龍街道辦事處石關(guān)村（26o34′N，106o30′E）的耕作黃壤和石灰土。隨機(jī)采集表層0～20 cm的混合土壤樣品，裝入干凈的編織袋中，自然風(fēng)干后，去除植物根系并過5 mm不銹鋼篩，保存?zhèn)溆谩２捎盟?酸度計法測試土壤的pH［17］，采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定有機(jī)質(zhì)含量［18］，采用HNO3-HF消化法測定Cd總量［17］，供試土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

育苗：按照《辣椒漂浮育苗基質(zhì)的制作方法》［19］準(zhǔn)備育苗基質(zhì)，采用辣椒漂浮育苗技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)［20］進(jìn)行育苗。

盆栽試驗(yàn)設(shè)計：在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所網(wǎng)室內(nèi)按土壤類型布置兩組盆栽試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)5個處理，添加Cd2+濃度依次為0.5、1.0、2.5、5.0 mg/kg，每個處理3次重復(fù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的預(yù)設(shè)濃度，將CdCl2·2.5H2O分析純?nèi)苡诔兯缓笠試婌F形式（每盆500 mL）將其均勻噴灑于自然風(fēng)干并過5 mm不銹鋼篩的土樣中，充分?jǐn)嚢韬髮⑼翗友b入經(jīng)稀酸浸泡并沖洗干凈的帶有托盤（接納滲漏出的土壤溶液，以便倒回盆缽防止Cd液淋溶損失影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性）的塑料盆缽（20 cm× 25 cm）中，每盆裝土3.5 kg。隨后，將盆缽移入室內(nèi)靜置兩周，保持土壤含水量在田間持水量的70%左右。

移栽與管理：待辣椒幼苗長至6片葉時，煉苗并挑選健壯、長勢一致的幼苗移至不同Cd濃度盆栽土壤中，每盆2株。辣椒生長期間用自來水（未檢出Cd含量）澆灌，并按常規(guī)管理方式施肥、防治病蟲害。

1.3 樣品采集與測定

辣椒移栽1個月后，測量辣椒株高及生物量，并采集植株第3、4層的葉片用于分析MDA含量、SOD和POD活性。參照植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［21］，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸（TBA）反應(yīng)法、SOD活性測定采用氮藍(lán)四唑光化還原法，POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS7.05統(tǒng)計分析軟件對進(jìn)行方差分析及主成分分析。采用隸屬函數(shù)法綜合評價不同土壤中辣椒的抗Cd性［22］，計算方法如下：

（1）計算單項(xiàng)指標(biāo)抗Cd系數(shù)

A（%）=(Cd脅迫處理測定值/對照測定值 )×100

（2）求隸屬函數(shù)值。對各單項(xiàng)指標(biāo)抗Cd系數(shù)進(jìn)行主成分分析后獲得新的綜合指標(biāo)，計算其隸屬函數(shù)值。

U(x)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin) (i=1, 2, ...n)

式中，U(x)為第i個綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xi為第i個綜合指標(biāo)得分值，Xmax、Xmin分別為第i個因子得分的最大值、最小值。

（3）確定權(quán)重。根據(jù)綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率大小計算各綜合指標(biāo)的權(quán)重。

Wi=Pi/∑Pi(i=1, 2, ..., n)

式中，Wi為第i個綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度，Pi為第i個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

（4）綜合評價。計算不同種植土壤條件下辣椒的綜合抗Cd能力計算公式如下。

D= ∑〔 U(x)×Wi〕 (i=1, 2, ...,n)

式中，D為辣椒在某種土壤Cd害條件下抗Cd性綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對辣椒株高和生物量的影響

不同Cd脅迫條件下，種植于兩種土壤中的辣椒幼苗生長均受到不同影響。由表2可知，Cd脅迫條件下黃壤中辣椒株高與對照差異顯著，并隨著Cd脅迫濃度增加呈下降趨勢，各處理辣椒株高分別比對照降低5.7%、18.4%、11.7%和15.6%；而石灰土中辣椒株高隨Cd濃度增大先升后降，在Cd濃度為1.0 mg/kg時達(dá)到最大值，較對照顯著升高13.6%，而Cd濃度為5 mg/kg時較對照顯著降低12.2%。同一處理?xiàng)l件下，種植于黃壤中的辣椒株高基本高于石灰土中辣椒株高，但Cd濃度為1.0 mg/kg時石灰土處理較黃壤略高2.6%。

由表2可知，兩種土壤處理下辣椒根、莖、葉生物量受Cd脅迫表現(xiàn)出不同的變化。與對照相比，低濃度Cd（0.5 mg/kg）處理黃壤中辣椒根、莖、葉生物量顯著升高1.5%、9.2%、8.3%，之后隨Cd濃度升高呈降低趨勢，重度Cd（5.0 mg/kg）脅迫下辣椒根、莖、葉生物量較對照分別降低28.9%、12.6%、16.9%；辣椒在石灰土中，僅根生物量表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，而莖、葉生物量隨Cd脅迫程度增加而降低，高濃度Cd（5.0 mg/kg）脅迫下，辣椒根、莖、葉生物量較對照分別降低6.4%、11.9%、18.4%。說明一定程度的Cd脅迫對辣椒根、莖、葉生長均造成了傷害。

表2 土壤鎘脅迫對辣椒幼苗株高、生物量的影響

2.2 Cd脅迫對辣椒膜脂過氧化作用和抗氧化系統(tǒng)的影響

MDA是細(xì)胞膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，其含量高低反映膜脂過氧化程度，可作為衡量細(xì)胞膜脂過氧化傷害水平的重要指標(biāo)。從表3可以看出，兩種土壤中，隨著Cd濃度的提高，辣椒MDA含量呈上升趨勢，說明Cd脅迫對辣椒細(xì)胞膜造成了傷害。在Cd脅迫下，黃壤和石灰土兩種土壤中辣椒MDA含量急劇上升，Cd濃度為2.5 mg/kg時分別比對照高50.3%、33.9%，而Cd濃度達(dá)5.0 mg/kg時分別比對照高94.5%、50.9%。由此可見，Cd濃度超過2.5 mg/kg時，種植于黃壤中的辣椒根系膜脂過氧化較為嚴(yán)重。

黃壤中，辣椒SOD活性表現(xiàn)為隨Cd濃度增加而先升后降，Cd濃度為2.5 mg/kg時達(dá)到最高、比對照高22.9%，Cd濃度為5.0 mg/kg時有所降低、仍比對照高10.2%；石灰土中，辣椒SOD活性隨著Cd濃度升高亦呈先升后降的變化趨勢，在0.5 mg/kg Cd脅迫下辣椒SOD活性比對照高13.1%，隨后1.0、2.5、5.0 mg/kg Cd脅迫下，分別比對照低10.8%、25.2%和32.4%。兩種土壤對比發(fā)現(xiàn)，石灰土中0.5 mg/kg低濃度Cd處理時SOD活性達(dá)到最大，而黃壤在Cd濃度為2.5 mg/kg時達(dá)到最高。

POD活性受辣椒種植環(huán)境影響而表現(xiàn)出不同的變化趨勢。黃壤處理?xiàng)l件下，辣椒體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)受到活性氧自由基的誘導(dǎo)，POD活性隨Cd濃度增加而明顯提高，在5.0 mg/kg Cd脅迫下POD活性達(dá)到最大，為對照的1.6倍；石灰土處理?xiàng)l件下，POD活性隨Cd濃度增加而顯著降低，與對照相比，在0.5、1.0、2.5、5.0 mg/kg Cd脅迫下分別降低9.2%、29.0%、34.9%和43.4%；Cd濃度達(dá)到5.0 mg/kg時，黃壤處理下辣椒POD活性明顯高于石灰土處理（高47.9%），說明辣椒種植于黃壤土中其Cd抗性高于石灰土。而正常條件下，種植于黃壤中的辣椒POD活性為234.99 U/g（FW），低于石灰土處理（344.54 U/g，F(xiàn)W）。

表3 土壤鎘脅迫對辣椒幼苗MDA含量、SOD和POD活性的影響

2.3 辣椒對典型土壤Cd脅迫抗性能力綜合評價

根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的測定值，計算不同脅迫處理各項(xiàng)指標(biāo)的抗Cd系數(shù)，結(jié)果（表4）顯示，辣椒各項(xiàng)指標(biāo)的抗Cd系數(shù)在不同處理?xiàng)l件下有的大于100%，有的小于100%，而且同一處理?xiàng)l件下不同指標(biāo)抗Cd系數(shù)變化也不同，因此用不同單項(xiàng)指標(biāo)的抗Cd系數(shù)評價辣椒抗Cd性則得到不同結(jié)果。

對各項(xiàng)指標(biāo)抗Cd系數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果（表5）表明，所有指標(biāo)的抗Cd系數(shù)間都有一定的相關(guān)性，有些系數(shù)間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平，如根生物量與株高呈顯著正相關(guān)（r=0.827），而與MDA、POD顯著負(fù)相關(guān)。但這種相關(guān)性使它們提供的信息發(fā)生重疊。通過分析辣椒抗Cd系數(shù)及其相關(guān)系數(shù)，說明其抗性是一個復(fù)雜的綜合性狀，若直接利用某一指標(biāo)進(jìn)行辣椒抗Cd性評價，存在片面性和不穩(wěn)定性，因此需要用多個指標(biāo)進(jìn)行綜合評價才較為可靠。

表4 黃壤和石灰土中辣椒不同指標(biāo)的抗Cd系數(shù)

表5 黃壤和石灰土中辣椒各項(xiàng)指標(biāo)抗Cd系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

利用DPS軟件對辣椒7個單項(xiàng)指標(biāo)的抗Cd系數(shù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表6。根據(jù)最少特征值大于1原則，選取前3個綜合指標(biāo)，它們的貢獻(xiàn)率分別為53.36%、24.27%、12.89%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)90.52%。由各綜合指標(biāo)的系數(shù)可知，第1綜合指標(biāo)（CI1）包括株高、根生物量、POD活性的抗Cd系數(shù)，第2綜合指標(biāo)（CI2）包括葉生物量的抗Cd系數(shù)，第3綜合指標(biāo)（CI3）包括莖生物量、MDA和SOD活性的抗Cd系數(shù)。由此把7個單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，并且代表了原來7個指標(biāo)90.52%的信息。

表6 各綜合指標(biāo)的系數(shù)及貢獻(xiàn)率

不同Cd污染程度、不同種植土壤中辣椒綜合抗Cd能力的大小見表7。D值能準(zhǔn)確判斷不同Cd的污染程度和不同種植土壤中辣椒對Cd的抗性。從表7可以看出，隨著Cd濃度增加，兩種土壤中D值均先降后升的趨勢，黃壤土壤種植條件下，Cd濃度為5 mg/kg時，D值比0.5、1.0、2.5 mg/kg Cd濃度處理分別增加39.7%、49.64%和44.25%。石灰土種植條件下，Cd濃度為5.0 mg/kg時，D值比0.5、1.0、2.5 mg/kg Cd濃度處理分別增加34.41%、61.64%和20.19%，且黃壤土比石灰土約高2倍。

表7 黃壤和石灰土中辣椒Cd抗性綜合評價

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)以易富集Cd辣椒品種朝天椒8024為材料，從辣椒幼苗株高、生物量及生理指標(biāo)等綜合分析，選擇相關(guān)指標(biāo)利用隸屬函數(shù)法對辣椒的Cd抗性進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，高濃度Cd抑制辣椒幼苗的生長，且在Cd脅迫條件下，種植于黃壤中的辣椒明顯比種植在石灰土中的抗Cd性強(qiáng)。

3.1 Cd脅迫對辣椒株高和生物量的影響

土壤Cd進(jìn)入植物并積累到一定程度，植物就會表現(xiàn)出一系列毒害效應(yīng)，通常會出現(xiàn)植株矮小、植物生物量和根系活力降低、生理代謝紊亂［6,23-24］。株高、生物量作為植物生長的重要指標(biāo)，能夠從形態(tài)上反映植物對Cd脅迫的響應(yīng)，表現(xiàn)出植物對重金屬的抗性［25-26］。Cd脅迫對植物的影響，最終體現(xiàn)在對植物生物量累積及其分配的影響，即表現(xiàn)在對根、莖、葉等生物量的影響，這是幼苗生長受Cd脅迫在外部特征上的反應(yīng)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，同一處理?xiàng)l件下，種植于兩種土壤中辣椒相比，黃壤中辣椒株高基本高于石灰土中辣椒株高。植物對鎘毒害的反應(yīng)因土壤類型不同存在差異，不同土壤中種植同一植物，植物體內(nèi)鎘含量富集程度不同，植物富集程度越高，耐鎘性越好。此外，低濃度Cd能夠加快細(xì)胞分裂，但高濃度Cd則抑制細(xì)胞分裂［27］，即植株生長應(yīng)對Cd脅迫表現(xiàn)為一種“低促高抑”的現(xiàn)象，如石竹［28］、皇竹草［29］、龍葵［26］等植物生長均表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象。本試驗(yàn)中辣椒的生物量受鎘脅迫表現(xiàn)出不同的變化，在黃壤和石灰土均表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，與陳世軍等［30］、陳惠等［14］研究得出中低濃度Cd（低于0.5 mg/kg）略促進(jìn)辣椒根和苗的生長、高濃度Cd（高于1.0 mg/kg）抑制根和苗生長的結(jié)果一致。以上現(xiàn)象均說明一定程度鎘脅迫對辣椒生物量造成了傷害。

3.2 Cd脅迫對辣椒膜脂過氧化作用和抗氧化系統(tǒng)的影響

Cd脅迫傷害的一個主要生理機(jī)制就是引起植物體內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）代謝平衡失調(diào)，當(dāng)ROS濃度超過一定閾值時植物細(xì)胞產(chǎn)生重要的脂質(zhì)過氧化物丙二醛，是植物細(xì)胞ROS累積水平和受損程度的判斷指標(biāo)［31］。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等能清除ROS自由基，減輕ROS對生物膜系統(tǒng)的傷害，是植物適應(yīng)逆境脅迫的重要酶類。Cd是質(zhì)膜過氧化的重要誘變劑。本試驗(yàn)結(jié)果表明，種植于黃壤和石灰土兩種土壤中，鎘脅迫下，辣椒的MDA含量急劇上升，且種植于黃壤中辣椒根系膜脂過氧化較為嚴(yán)重，與對小麥［32］、水稻［13］等作物研究表明MDA含量隨Cd濃度增大而上升的結(jié)果一致。通常情況下，SOD、POD在Cd脅迫條件下隨脅迫程度增加表現(xiàn)為先升后降或者持續(xù)增加，如野燕麥的SOD和POD活性隨Cd濃度增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢［33］。然而，龍葵的SOD活性隨Cd濃度增大而增大，其POD活性卻表現(xiàn)為先增后降的變化［26］。本試驗(yàn)中辣椒的SOD活性在黃壤和石灰土中均表現(xiàn)為隨脅迫增加而先升后降的變化趨勢，僅SOD活性最大時Cd濃度不一樣，說明辣椒SOD酶活性增加對于消除自由基的作用是黃壤強(qiáng)于石灰土；POD活性在黃壤土中表現(xiàn)為鎘濃度增加而上升趨勢，但在石灰土中隨Cd濃度增加而呈下降趨勢，說明在黃壤土中辣椒POD酶活對自由基及H2O2的清除強(qiáng)于石灰土。這表明，當(dāng)植物受Cd脅迫后，SOD和POD活性變化依土壤種類、植物種類及抗性不同而不同。

3.3 辣椒對典型土壤Cd脅迫抗性能力綜合評價

植物的抗逆性不僅僅是受多種因素影響的復(fù)雜的數(shù)量性狀，而且不同品種的抗逆機(jī)制也不盡相同。因而用單一指標(biāo)評價植物的抗逆性的強(qiáng)弱是不可靠、不全面的，應(yīng)使用多種指標(biāo)來綜合評價作物對逆境的適應(yīng)能力。但評價作物抗逆性的指標(biāo)較多，且指標(biāo)之間存在著一定的相關(guān)性，造成對抗逆性信息發(fā)生交叉和重疊，若直接使用這些指標(biāo)來綜合評價植物的抗逆性，結(jié)果可能造成偏差。目前在小麥［34］、竹［35］、造林幼苗［36］、草坪草［37］和牡丹［38］等植物的抗逆性評價已采用隸屬函數(shù)法綜合評價的方法。本研究選擇辣椒7個指標(biāo)綜合分析，其中株高、生物量及POD活性等指標(biāo)貢獻(xiàn)率高達(dá)53.36%，與MDA、SOD酶活綜合貢獻(xiàn)率高達(dá)90.52%，說明它們在一定程度上可以指示鎘脅迫的情況。采用隸屬函數(shù)法綜合評價不同Cd污染程度和不同種植土壤環(huán)境中辣椒對Cd的抗性，同一Cd濃度處理，種植于黃壤中辣椒的D值高于石灰土，表明不同Cd污染程度條件下，種植于黃壤中辣椒明顯比石灰土中的抗性強(qiáng)。隸屬函數(shù)法綜合評價能夠準(zhǔn)確、科學(xué)地評價不同Cd污染程度和不同種植土壤中辣椒對Cd抗性的差異，從而為辣椒種植和土壤改良提供理論依據(jù)。