周江濤，趙德英，程存剛

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省落葉果樹礦質(zhì)營養(yǎng)與肥料高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧興城 125100）

隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)田重金屬污染問題日益突顯。我國約有1/5 的耕地遭受不同程度的重金屬污染[1]。全國土壤污染狀況調(diào)查公報結(jié)果表明，鎘是八大土壤無機(jī)污染物之首，我國土壤鎘點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，嚴(yán)重影響了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。鎘是植物生長發(fā)育的非必需元素，但很容易被植物吸收，通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人類健康[2]。

果樹作為多年生作物，土壤重金屬容易積累，對果樹生長發(fā)育造成影響[3]。目前，我國果園土壤鎘超標(biāo)越來越嚴(yán)重，如膠東半島紅富士蘋果園采樣區(qū)土壤普遍存在鎘輕度污染現(xiàn)象[4]，葫蘆島鉬礦區(qū)周邊果園土壤鎘污染嚴(yán)重[5]，廣州萬畝果園土壤鎘含量已經(jīng)達(dá)到國家土壤背景值的21.81 倍[6]。果園土壤鎘的過度積累不僅破壞土壤結(jié)構(gòu)和理化性能，還能抑制果樹生長發(fā)育，影響其對營養(yǎng)元素的吸收[7]。蘋果很容易吸收和富集鎘[8]。Wang 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，果肉中均未檢測到鎘，但有6.34%的果皮鎘含量超標(biāo)。因此，果園重金屬污染越來越引起人們的關(guān)注。

鎘能夠影響植物生長發(fā)育，引起細(xì)胞膜脂過氧化，以及抗氧化系統(tǒng)發(fā)生改變[10]。目前，關(guān)于鎘對蘋果植株礦質(zhì)元素的吸收分配的研究較少。我們以2 年生盆栽煙富3/T337 和王林/T337 為試材，研究了鎘對蘋果葉片光合參數(shù)和解剖結(jié)構(gòu)，以及各組織鎘含量和礦質(zhì)營養(yǎng)的影響，為鎘對蘋果樹養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

試驗(yàn)以2 年生盆栽蘋果煙富3/T337 和王林/T337 為試材。選擇12 株長勢一致的盆栽蘋果樹，盆土為20 kg，分成2 組：一組為鎘處理（25 mg/kg），春季萌芽開始，每隔5 d 隨水澆1 次，每次澆50 mg Cd2+水溶液；另一組為對照，澆水時不加Cd2+水溶液。坐果后每株樹留2 個果，其他管理方式一致。

1.2 葉片光合參數(shù)測定和解剖結(jié)構(gòu)觀察

7 月中旬選擇晴天9：00—11：00，利用CIRAS-2便攜式光合測定儀（PP SYSTEMS，美國）測定蘋果的光合參數(shù)。選擇向陽處新梢中部第5～6 片成熟葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）。光合儀系統(tǒng)控制蘋果葉片溫度25 ℃，采用開放式氣路，光強(qiáng)設(shè)定為1 000 μmol·m-2·s-1。

蘋果葉片測定光合參數(shù)后，取樣觀察其解剖結(jié)構(gòu)。葉片切成0.5 cm2的小塊，立即投入FAA 固定液中，采用常規(guī)石蠟切片法制片。光學(xué)顯微鏡下隨機(jī)選擇10 個視野觀測，并測定葉片厚度、葉片上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織和海綿組織厚度。

1.3 取樣及處理

果實(shí)成熟后取樣。將植株用去離子水清洗干凈，擦干后將植株分為根系、砧木莖、2 年生枝、1年生枝、當(dāng)年生枝、葉片和果實(shí)，稱重后記錄各部分重量。將根、砧木莖和枝條切成5 mm 左右的小段，果實(shí)切成5 mm 左右的薄片，于105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒重。用不銹鋼磨樣機(jī)粉碎后過0.25 mm 篩，并于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 測定方法

所有試驗(yàn)樣品采用H2SO4-H2O2法進(jìn)行消化。采用凱氏定氮法測定植株各組織氮含量；釩鉬黃比色法測定磷含量；鉀和鈣含量采用原子吸收光譜儀（ZEENIT? 700P，德國）測定；鎘、硼、鐵、鋅和銅采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Statgraphics（STN,St Louis,MO,USA）進(jìn)行統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)在統(tǒng)計分析之前，均進(jìn)行正態(tài)分布檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘對蘋果葉片光合參數(shù)和解剖結(jié)構(gòu)的影響

圖1 鎘對蘋果葉片光合參數(shù)的影響

鎘能夠影響蘋果葉片的光合作用。由圖1 可知，鎘處理?xiàng)l件下葉片光合參數(shù)受到抑制，與對照相比，表現(xiàn)為凈光合速率‘煙富3’降低62.46%，‘王林’降低46.04%；氣孔導(dǎo)度‘煙富3’降低38.84%，‘王林’降低26.85%；蒸騰速率‘煙富3’降低32.84%，‘王林’降低44.51%。

鎘處理?xiàng)l件下，‘煙富3’和‘王林’葉片上表皮遭到破壞（圖2）。由表1 可知，鎘處理?xiàng)l件下‘煙富3’和‘王林’葉片厚度減小，分別比對照厚度減小3.18%和8.34%。上表皮和下表皮均是由一層細(xì)胞排列組成的，鎘處理?xiàng)l件下‘煙富3’葉片上表皮變厚，比對照增加28.05%，而‘王林’葉片上表皮厚度比對照減小7.26%；鎘處理對‘煙富3’和‘王林’葉片下表皮細(xì)胞的影響較小。蘋果葉片柵欄組織和海綿組織均有2～3 層細(xì)胞組成，鎘處理下2 個品種葉片柵欄組織和海綿組織厚度均顯著減小，‘煙富3’葉片柵欄組織和海綿組織厚度分別比對照減小6.60%和4.45%，‘王林’葉片分別比對照減小10.42%和9.94%。

圖2 鎘處理對蘋果葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

表1 鎘對蘋果葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響 μm

2.2 鎘對蘋果植株生物量的影響

由表2 可知，鎘處理能夠減小蘋果果實(shí)質(zhì)量，但與對照差異不顯著。鎘處理能夠抑制蘋果葉片和當(dāng)年生枝條生物量，‘煙富3’和‘王林’葉片生物量分別比對照低25.38%和23.90%，當(dāng)年生枝條生物量分別比對照低20.62%和29.84%。鎘對2 個品種1 年生枝、2 年生枝、砧木莖和根系生物量的影響較小，與對照處理無顯著差異。

表2 鎘對蘋果植株各組織生物量的影響 g

2.3 鎘在蘋果各組織中的積累

從表3 可以看出，‘煙富3’和‘王林’對照植株各組織中均未檢測到鎘，鎘處理?xiàng)l件下各組織均檢測到鎘，但是不同組織間差異較大?！疅煾?’果實(shí)和當(dāng)年生枝條中鎘含量高于‘王林’，其他組織中鎘含量差異不明顯。各組織鎘含量由高到低表現(xiàn)為根系＞砧木莖＞2 年生枝＞1 年生枝＞當(dāng)年生枝＞葉片＞果實(shí)。

表3 蘋果植株各組織鎘含量 mg/kg

2.4 鎘對蘋果植株礦質(zhì)元素含量的影響

由表4 可知，鎘能夠影響蘋果植株對礦質(zhì)元素的吸收和分配，不同組織和不同礦質(zhì)元素之間存在差異。鎘處理顯著降低了‘煙富3’和‘王林’葉片氮含量，增加了‘煙富3’當(dāng)年生枝氮含量；對‘煙富3’和‘王林’氮素含量的影響較小，與對照無顯著差異。鎘促進(jìn)了‘煙富3’果實(shí)、當(dāng)年生枝條、2 年生枝條、砧木莖和根系，以及‘王林’葉片、1 年生枝條和砧木莖磷含量積累，其他組織與對照無顯著差異。鎘處理顯著降低了‘煙富3’葉片和‘王林’2 年生枝條鉀含量，增加了‘王林’蘋果果實(shí)和1 年生枝條鉀含量；其他組織鉀含量與對照無顯著差異。鎘顯著抑制了‘煙富3’果實(shí)和根系鈣含量，而促進(jìn)了葉片、當(dāng)年生枝條和砧木莖中鈣含量的增加；與‘煙富3’變化相反，鎘顯著降低了‘王林’葉片鈣含量。

表4 鎘對蘋果植株各組織氮、磷、鉀和鈣含量的影響 g/kg

由表5 可知，植株硼含量受到鎘的影響，且不同蘋果品種之間也存在差異，表現(xiàn)為：鎘顯著降低了‘煙富3’果實(shí)、砧木莖和根系硼含量，增加了‘煙富3’1 年生枝條硼含量；而鎘顯著增加了‘王林’果實(shí)、葉片和1 年生枝條硼含量，顯著降低了砧木莖中硼含量。鎘對蘋果植株銅含量的影響也存在較大差異。鎘處理?xiàng)l件下‘煙富3’砧木莖銅含量顯著降低，而根系銅含量比對照增加33.84%；鎘顯著抑制了‘王林’葉片、2 年生枝條和砧木莖中銅含量。鎘處理對2 個品種各組織鐵含量的影響不同，‘煙富3’果實(shí)鐵含量比對照降低20.91%；‘王林’果實(shí)和2 年生枝條鐵含量顯著高于對照，而葉片和當(dāng)年生枝條鐵含量顯著低于對照。鎘處理下2個品種鋅含量差異很大，鎘顯著促進(jìn)了‘煙富3’當(dāng)年生枝條、1 年生枝條、2 年生枝條和砧木莖，以及‘王林’1 年生枝條、2 年生枝條和砧木莖鋅的累積；抑制了‘煙富3’根系以及‘王林’葉片和根系鋅含量。

表5 鎘對蘋果植株各組織硼、銅、鐵和鋅含量的影響 mg/kg

3 討 論

鎘是植物生長的非必需元素，過量的鎘能使植物葉片卷曲失綠、葉綠體降解、氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致葉片光合能力降低，從而抑制植株的生長發(fā)育，導(dǎo)致植株生物量增長量減少[11-12]。孫紅艷等[13]研究發(fā)現(xiàn)，鎘處理?xiàng)l件下大麻葉片SPAD 值顯著降低，凈光合速率、蒸騰速率和胞間二氧化碳濃度降低。本研究也有相同的結(jié)論，鎘處理?xiàng)l件下‘煙富3’和‘王林’蘋果葉片光合參數(shù)受到抑制，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率顯著低于對照。此外，鎘還能導(dǎo)致植物葉片總厚度、柵欄組織和海綿組織厚度減小，抑制葉片生長發(fā)育[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，鎘處理?xiàng)l件下‘煙富3’和‘王林’葉片總厚度、柵欄組織和海綿組織厚度均顯著低于對照，而‘煙富3’葉片上表皮厚度顯著高于對照。史剛榮[15]發(fā)現(xiàn)200 mg/kg 以下的鎘濃度處理能夠增加植物葉片的上表皮厚度，可能是植物對鎘脅迫引起根系吸收能力下降而導(dǎo)致的生理性干旱的一種適應(yīng)機(jī)制。鎘能夠影響果樹生長發(fā)育，Zhou 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，鎘抑制了蘋果砧木幼苗各組織生物量的增加。本研究還發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫抑制蘋果葉片和當(dāng)年生枝條生物量的增加，這與沈?yàn)t等[17]的研究結(jié)果相一致。說明鎘能夠抑制蘋果植株的生長發(fā)育。

植物根系吸收鎘以后，一部分貯藏在根系中，一部分運(yùn)輸?shù)降厣喜?。本研究發(fā)現(xiàn)，根系鎘含量高于地上部位，且多年生枝條鎘含量高于新生枝條，這與張連忠等[18]的研究結(jié)果相一致。鎘進(jìn)入根系后能夠影響根系對其他礦質(zhì)元素的吸收，表現(xiàn)為根系中鉀、鈣、鋅等元素含量降低[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下‘煙富3’根系鈣、硼和鋅，‘王林’根系鋅含量顯著低于對照，說明鎘能抑制蘋果對鈣、硼和鋅元素的吸收。這可能是鎘的毒害作用削弱了植物細(xì)胞對礦質(zhì)元素主動吸收的作用[20]。本研究還發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下‘煙富3’根系磷和銅含量高于對照，可能是低質(zhì)量鎘可促進(jìn)植物對磷的吸收[21]，蘋果根系對銅的富集能力大于鎘[22]。

鎘隨輸導(dǎo)組織運(yùn)輸?shù)街参锏厣喜课徊⑦M(jìn)入葉片，不僅能夠影響葉片光合作用和葉片結(jié)構(gòu)[23-24]，鎘還能抑制葉片中鉀、鐵、鋅和銅含量[25-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下蘋果葉片氮、鉀、銅、鐵和鋅含量顯著降低。說明鎘能抑制氮、鉀、銅、鐵和鋅在蘋果葉片中的積累。蘋果葉片氮含量降低可能是因?yàn)殒k抑制了硝酸還原酶的活性導(dǎo)致氮代謝受阻，導(dǎo)致氮的轉(zhuǎn)運(yùn)率降低[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，鎘處理?xiàng)l件下‘王林’葉片磷含量上升，可能是低質(zhì)量鎘可促進(jìn)植物對磷的吸收，Cd-P 之間表現(xiàn)為協(xié)同作用[21]。鈣是植株生長發(fā)育的必需元素，能夠調(diào)節(jié)植物細(xì)胞代謝活動，影響鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[28]。鈣在保護(hù)植物地上部新生物質(zhì)免受鎘傷害方面具有積極作用，鎘能抑制老葉鈣含量，提高地上部新生組織鈣含量[19]。而王麗香等[29]研究發(fā)現(xiàn)，植株鈣含量隨鎘含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下‘煙富3’葉片鈣含量升高，而‘王林’葉片鈣含量降低，說明不同蘋果品種對土壤鎘含量的適應(yīng)能力有所差異。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，鎘能夠抑制煙富3/T337 和王林/T337 蘋果葉片光合作用，降低葉片、柵欄組織和海綿組織厚度，減少葉片和當(dāng)年生枝條生物量，抑制蘋果根系對鉀、鈣、硼和鋅元素的吸收，促進(jìn)磷的吸收。不同蘋果品種之間存在差異，鎘處理下‘煙富3’葉片上表皮增厚，葉片鈣含量增加，‘王林’葉片上表皮變薄。