李迪秦 王 青 胡亞杰 王 艷 王妍妮 鐘 儀 劉銘暉 丁春霞

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，410128，湖南長(zhǎng)沙；2廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，530001，廣西南寧）

鎘（Cd）是在自然界廣泛分布的植物非必需元素，由于工業(yè)“三廢”、化肥施用量和固體廢棄物日益增加，嚴(yán)重污染了土壤、水體及農(nóng)產(chǎn)品，因此降低Cd污染危害成了當(dāng)務(wù)之急[1]。我國(guó)植煙區(qū)域土壤中大約有12.4%的面積Cd含量超標(biāo)[1]，煙草是一種富集重金屬的作物，對(duì)有害金屬有一定的耐受性[2-5]，在Cd污染脅迫下煙株根系生長(zhǎng)受到抑制，煙株體內(nèi)光合色素受到破壞造成光合速率下降，丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量顯著增加，超氧化物歧化酶（superoxide dimutase，SOD）和過氧化氫酶（catalase，CAT）活性降低，質(zhì)膜透性增大，煙株生長(zhǎng)受到顯著抑制，影響正常生長(zhǎng)發(fā)育[5-6]；同時(shí)，煙葉產(chǎn)量[7]、主要化學(xué)成分含量[6]和香氣物質(zhì)含量[6-7]等指標(biāo)下降，影響煙葉及卷煙制品安全性[8-9]，我國(guó)烤煙中部葉Cd平均含量達(dá)2.95mg/kg，且49.1%的煙葉樣品Cd含量≥2.00mg/kg[1，9-10]。但前人關(guān)于烤煙品種對(duì)有害金屬耐受性的相關(guān)研究報(bào)道極少，本研究旨在通過探討烤煙品種對(duì)Cd的耐受性，為選擇適宜植煙區(qū)及煙葉安全優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及方法

試驗(yàn)于2018年在湖南省長(zhǎng)沙市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地進(jìn)行，使用水稻耕作土壤，經(jīng)風(fēng)干過篩后裝盆，每盆30kg。塑料盆缽直徑30cm，高40cm。供試土壤有效態(tài)Cd含量0.32mg/kg，pH值6.5。供試煙草品種為湘煙5號(hào)（種子由中國(guó)煙草總公司湖南省公司提供），于2017年12月26日播種，2018年3月28日移栽到塑料盆中。施用煙草專用基肥和追肥，施總氮 150kg/kg（N∶P2O5∶K2O=1.0∶0.8∶2.3），65%作基肥（磷肥全作基肥），其余在移栽后15和45d分2次施完，每次施用余量的50%。

試驗(yàn)設(shè)置A、B、C、D和E 5個(gè)處理，Cd濃度分別為0、2.0、4.0、6.0和8.0mg/kg，以處理A為對(duì)照。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)處理30盆，盆栽管理同大田規(guī)范管理。參照GB 15618-2018，各處理液于移栽后15d以模擬污灌方式一次性施入。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)測(cè)定 每個(gè)處理在栽后45、60、75、90d分別測(cè)定煙株最大葉的長(zhǎng)與寬、株高、莖圍和有效葉片數(shù)，并計(jì)算最大葉葉面積（長(zhǎng)×寬×0.6345），具體操作參照YC/T 142-2010。

1.2.2 煙葉主要生理生化指標(biāo)測(cè)定 在栽后30、45、60、75、90d進(jìn)行測(cè)定。用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定煙株最大葉的SPAD值，每個(gè)處理測(cè)定5株；每個(gè)重復(fù)取生長(zhǎng)一致的5株的最大葉，用剪刀或刀片取主脈兩邊中間位置4cm×4cm面積葉片，用液氮處理后置于冰盒帶回，在室內(nèi)測(cè)定其CAT、SOD和過氧化物酶（peroxidase，POD）活性及MDA、游離脯氨酸和可溶性糖含量，參照李合生[11]方法測(cè)定CAT活性，參照張憲政[12]方法測(cè)定SOD活性；參照鄒奇[13]方法測(cè)定POD活性、MDA以及脯氨酸含量；參照湯紹虎等[14]方法測(cè)定可溶性糖含量；余下的葉片用于測(cè)定主要化學(xué)成分含量及干物質(zhì)積累量。

1.2.3 干物質(zhì)積累量測(cè)定 于移栽后90d，每個(gè)處理取5株生長(zhǎng)發(fā)育基本一致的煙株，將根系全部挖出洗凈后，將根系、莖和葉分開剪下，同一個(gè)處理同一小區(qū)的根莖葉裝同一個(gè)袋，室內(nèi)105℃殺青60min，78℃烘干，稱取各部分（根系、莖稈和葉片）干物質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)煙草生長(zhǎng)發(fā)育的影響

由圖1可知，移栽后45～90d，植株主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)均表現(xiàn)為處理A＞B＞C＞D＞E。其中，處理E株高顯著低于處理A、B和C，處理D與E間、A與B和C間均無顯著差異；處理E莖圍和最大葉長(zhǎng)度顯著低于其余4個(gè)處理，處理A、B、C與D間無顯著差異；處理E最大葉寬顯著低于處理A、B和C，處理A、B和C間無顯著差異；最大葉面積在移栽后45～75d表現(xiàn)為處理E顯著低于其余4個(gè)處理，在移栽后90d表現(xiàn)為處理A＞B＞C＞D＞E，處理E顯著低于其余4個(gè)處理，處理A、B和C間、處理C與D間均無顯著差異。在同一時(shí)期內(nèi)，隨著有效態(tài)Cd濃度的增加，煙株主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)均表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)；同一指標(biāo)不同生育時(shí)期，株高和葉數(shù)表現(xiàn)出“低－高－低”的趨勢(shì)，其余指標(biāo)均表現(xiàn)出由低到高的變化趨勢(shì)。由此表明，Cd對(duì)煙株生長(zhǎng)發(fā)育有較強(qiáng)的抑制作用，煙株的有效態(tài)Cd最大耐受濃度為6.0mg/kg。

圖1 移栽后各處理主要農(nóng)藝性狀Fig.1 Agronomic indexes of different treatments after transplanting

2.2 對(duì)主要生理指標(biāo)的影響

2.2.1 對(duì)煙葉SPAD值的影響 由圖2分析可知，同一處理中隨著生育期的推進(jìn)，植株最大葉SPAD值呈下降趨勢(shì)，在同一時(shí)期內(nèi)隨著有效態(tài)Cd濃度的增加植株最大葉的SPAD值呈下降趨勢(shì)，其中在移栽后45和60d，處理E較其余4個(gè)處理顯著降低了11.99%～20.89%；移栽后75和90d，處理D顯著低于處理A與B，處理E顯著低于處理A、B與C。

圖2 移栽后各處理最大葉SPAD值Fig.2 SPAD values of the max-leaf of different treatments after transplanting

2.2.2 對(duì)主要保護(hù)性酶活性的影響 植物體內(nèi)CAT、POD和SOD是保護(hù)植物細(xì)胞免受氧自由基傷害的抗氧化酶，其活性高低與植物抗性強(qiáng)弱密切相關(guān)[15]。從圖3可知，相同處理間，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，煙株最大葉片的CAT、POD和SOD活性呈“低－高－低”的變化趨勢(shì)，移栽75d時(shí)達(dá)到最大值。同一生育期內(nèi)，CAT活性表現(xiàn)為各處理間均有顯著差異，處理A最大，處理E最小，隨著有效態(tài)Cd施用濃度的提高，CAT活性顯著降低，可見Cd對(duì)煙葉CAT活性具有較明顯的抑制作用；移栽后45、60和90d，各處理間POD活性有顯著差異；移栽后75d，處理A、B與C間無顯著差異；當(dāng)有效態(tài)Cd施用量超過處理D時(shí)，POD活性顯著低于處理A。同時(shí)期各處理間的SOD活性有顯著性差異，其中處理D最大，處理E最小。

圖3 移栽后各處理最大葉酶活性Fig.3 Enzyme activities of the max-leaf of different treatments after transplanting

2.3 對(duì)MDA、脯氨酸及可溶性糖含量的影響

從圖4可知，在移栽后45～90d，各處理間MDA含量有顯著性差異，且MDA含量隨著有效態(tài)Cd施用濃度的增加而增加。處理E各生長(zhǎng)時(shí)期脯氨酸含量均為最高，其次分別為處理D、C和B，處理A最小，各處理間有顯著差異，表明隨著有效態(tài)Cd濃度的增加，其對(duì)煙株的抑制作用和對(duì)細(xì)胞的損害程度增大。

圖4 移栽后各處理最大葉MDA和脯氨酸及可溶性糖含量Fig.4 MDA, proline, and soluble sugar contents of the max-leaf of different treatments after transplanting

相同濃度有效態(tài)Cd處理下，煙株最大葉可溶性糖含量隨著生育期的推進(jìn)呈“低－高－低”變化趨勢(shì)，在移栽后75d達(dá)到最大值，之后開始急速下降。不同濃度的有效態(tài)Cd處理，最大葉的可溶性糖含量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)同樣呈“低－高－低”變化趨勢(shì)。當(dāng)有效態(tài)Cd濃度為4.0mg/kg時(shí)，可溶性糖含量達(dá)到最高值；當(dāng)有效態(tài)Cd濃度超過6.0mg/kg，可溶性糖含量急劇下降，且低于處理A。

2.4 對(duì)煙株干物質(zhì)積累量的影響

由圖5可知，移栽后90d，隨著土壤中有效態(tài)Cd濃度的增加，煙株的根、莖、葉以及總干物質(zhì)量都呈下降趨勢(shì)，同處理不同部位干物質(zhì)量為葉＞莖＞根；同部位不同處理干物質(zhì)量均為處理A＞B＞C＞D＞E，且處理E顯著低于其他處理；與處理A相比，處理E的煙株根、莖、葉及總干物質(zhì)積累量分別下降27.8%、31.3%、21.7%和25.5%。

圖5 移栽后90d各處理根莖葉干物質(zhì)積累量Fig.5 Root, stem, leaf and total dry matter amounts of different treatments 90d after transplanting

3 討論

3.1 不同Cd濃度處理對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育特性的影響

煙草是易富集Cd等有害金屬的作物，Cd對(duì)煙株生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的影響。較低有效態(tài)Cd濃度環(huán)境有利于其生長(zhǎng)，但環(huán)境中較高的有效態(tài)Cd濃度則會(huì)強(qiáng)烈抑制其生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)為煙株的葉片數(shù)和葉面積降低，根系長(zhǎng)度下降，導(dǎo)致其生長(zhǎng)受到較大的抑制[16-18]。本研究表明，煙株葉片數(shù)、葉面積和株高等主要農(nóng)藝性狀隨著有效態(tài)Cd濃度增加而下降，當(dāng)土壤有效態(tài)Cd濃度超過6.0mg/kg時(shí)，生長(zhǎng)受到明顯抑制，表明此濃度為煙株保持正常生長(zhǎng)發(fā)育前提下對(duì)土壤環(huán)境有效態(tài)Cd的最大耐受濃度。

SOD和POD是生物體內(nèi)清除氧自由基和過氧化物、抑制自由基對(duì)膜脂的過氧化作用以及避免膜的損傷和破壞的重要酶，CAT是清除細(xì)胞內(nèi)過氧化氫的一種保護(hù)膜結(jié)構(gòu)的酶[16-17]，它們?cè)谥参锷L(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中起著重要的保護(hù)作用，有利于植物抵御不良環(huán)境影響。有研究表明，當(dāng)土壤有效態(tài)Cd濃度增加時(shí)，煙株CAT活性會(huì)受到較強(qiáng)抑制，影響葉綠素合成[3，18]；Cd脅迫下SOD活性呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)有效態(tài)Cd濃度超過一定量時(shí)，其活性會(huì)受到一定程度的抑制，導(dǎo)致活性下降[19]；POD活性、MDA和脯氨酸含量與有效態(tài)Cd濃度呈正相關(guān)，但葉綠素含量與其呈高度負(fù)相關(guān)，當(dāng)有效態(tài)Cd濃度超過一定范圍，會(huì)導(dǎo)致MDA含量顯著升高，表明葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)受到了嚴(yán)重破壞[19-20]。本研究也同樣表明，隨著土壤環(huán)境中有效態(tài)Cd濃度的增加，葉片SPAD值，CAT、POD和SOD活性下降，而MDA和脯氨酸含量上升；當(dāng)土壤有效態(tài)Cd濃度達(dá)6.0mg/kg時(shí)，植株細(xì)胞膜系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致酶等生理活性物質(zhì)發(fā)生顯著變化，生長(zhǎng)發(fā)育嚴(yán)重受阻。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，可能是Cd影響或干擾了MDA和脯氨酸形成，降低了POD、CAT和SOD的活性，導(dǎo)致細(xì)胞正常代謝受阻或抑制，相關(guān)生理生化指標(biāo)產(chǎn)生異常，從而影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育。

3.2 不同Cd濃度處理對(duì)烤煙干物質(zhì)積累量的影響

相關(guān)研究表明，Cd脅迫下作物生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到不同程度影響，導(dǎo)致作物生物量及干物質(zhì)積累量顯著降低[16，21]。本研究也進(jìn)一步證明，Cd對(duì)煙葉可溶性糖含量及根、莖、葉各部位干物質(zhì)積累量均有不同程度的影響，可溶性糖含量及干物質(zhì)積累量隨著有效態(tài)Cd濃度提高而顯著降低。這可能是因?yàn)镃d影響了煙株MDA和脯氨酸形成以及POD、CAT和SOD功能的正常發(fā)揮，抑制了煙葉的光合作用，導(dǎo)致干物質(zhì)積累量降低。

4 結(jié)論

Cd對(duì)煙草的生長(zhǎng)發(fā)育有較明顯的影響。隨著土壤中有效態(tài)Cd濃度的提高，湘煙5號(hào)主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)在同一時(shí)期均有不同程度的下降，葉片的SPAD值及CAT、SOD和POD活性顯著降低，MDA和脯氨酸含量顯著增加；盡管煙草屬于富集Cd作物，但當(dāng)土壤有效態(tài)Cd濃度大于6.0mg/kg時(shí)，細(xì)胞膜系統(tǒng)會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致煙草植株生長(zhǎng)發(fā)育嚴(yán)重受阻，受Cd脅迫癥狀較為明顯，即土壤中有效態(tài)Cd濃度6.0mg/kg為本試驗(yàn)材料對(duì)Cd的最大耐受濃度。