鎘脅迫下花生鎘的分布特征及其對產(chǎn)量的影響

鎘脅迫下花生鎘的分布特征及其對產(chǎn)量的影響

花生是中國傳統(tǒng)的出口農(nóng)產(chǎn)品，也是中國罕見的大型農(nóng)業(yè)品種。我國是世界最大的花生生產(chǎn)國和出口國,作為我國主要的油料作物、經(jīng)濟作物,花生在我國油料生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。但據(jù)2003年我國北方產(chǎn)區(qū)花生普查結(jié)果顯示,花生鎘(Cd)含量平均為0.2～0.3mg/kg,已超過了WAO/WHO規(guī)定的鎘限量標(biāo)準(zhǔn)(≤0.1mg/kg)。近年來,我國花生出口不斷受到重金屬鎘超標(biāo)的影響,致使我國花生出口創(chuàng)匯的能力受到了嚴(yán)重影響。鎘是植物非必需營養(yǎng)元素,但易于在植物體內(nèi)積累,并通過食物鏈進入人體,嚴(yán)重危害人體健康。土壤中鎘主要來自于化學(xué)肥料、工業(yè)污泥、污水灌溉和大氣污染物的沉積。我國有超過1.3萬km2的農(nóng)業(yè)用地被鎘污染,每年有將近1.46億kg的農(nóng)產(chǎn)品受鎘污染。最近,王珊珊等在遼寧調(diào)查發(fā)現(xiàn),在沒有污染的花生主產(chǎn)區(qū)(土壤鎘含量低于0.3mg/kg),花生籽粒鎘含量達到了0.21～0.75mg/kg。也有調(diào)查發(fā)現(xiàn),在遼寧葫蘆島地區(qū),即使土壤鎘含量處于背景值水平(0.001mg/kg),花生籽粒鎘含量仍達到了0.174～0.354mg/kg,平均0.26mg/kg。因而研究鎘對花生作物的影響及其分布狀況,對于合理加工利用受污染花生、切斷重金屬在食物鏈中的傳遞具有重要意義。關(guān)于鎘對農(nóng)作物的影響主要集中于大豆、水稻、小麥、玉米等作物,而關(guān)于鎘對花生影響方面的研究很少,尤其是鎘在花生作物中分布狀況的研究鮮見報道。本文采用盆栽方式,通過模擬實際土壤栽培花生,然后測定五種花生根、葉、莖、柄以及籽實的鎘含量和各品種植株不同鎘水平處理下的產(chǎn)量,來研究鎘處理對花生不同部位的含量及其對產(chǎn)量的影響,從而得出鎘在花生作物中的分布狀況,對于篩選出耐鎘花生品種以及鎘超標(biāo)花生的合理利用和避免其通過食物鏈進入人體而危害人類健康具有一定的指導(dǎo)作用。1材料和方法1.1保壓肥料及施料供試花生品種為多粒型KA100、珍珠豆型KB054、龍生型KC008、普通型KD079和中間型KE007,均由山東省花生研究所提供。盆栽所用肥料為中東高濃度復(fù)合肥料(常州中東化肥有限公司),其N+P2O5+K2O≥45%,未檢測出鎘。盆栽土壤選用山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院實驗地耕層土壤,先將土壤過1cm孔篩備用,供試土壤理化性狀見表1。1.2種子處理及種子種的制備試驗采用塑料盆(38cm×28cm,內(nèi)徑×高),每盆裝10kg供試土壤。鎘(CdCl2·2.5H2O)用量設(shè)定為每千克0、3mg/kg、6mg/kg、12mg/kg、24mg/kg處理,每個處理重復(fù)3次。先把相應(yīng)量的CdCl2配成稀溶液,均勻澆于盆內(nèi)(盆下放花盆蓄水墊盤,滲出液反復(fù)澆灌,直到鎘離子與土壤均勻混合),平衡半個月備用。塑料盆編號并隨機排列,置于網(wǎng)室(上覆陽光板防雨)中,每盆“品”字型播種3粒種子。花生整個生育期適時澆水,分別在播種期和開花期進行施肥。1.3花生植株的制備收獲期收獲其莢果,自然風(fēng)干,用于調(diào)查各處理水平每盤莢果數(shù)和每盆產(chǎn)量。取一定量發(fā)育一致的花生植株樣品,依次用自來水、蒸餾水和去離子水清洗,用吸水紙吸干表面水分。植株取不同部位(根、莖、葉、柄和籽實),放于70℃烘至恒重,稱重,磨碎,過100目篩。處理后樣品放于干燥陰涼處貯存?zhèn)溆谩?.4社會主義和諧社會分析鎘含量的測定采用GB/T5009.15-2003方法。將待測樣品經(jīng)灰化,硝酸溶解后用Varian220火焰原子吸收分光光度計,在228.8nm(燈電流4.0mA)下分析鎘含量。采用國家標(biāo)準(zhǔn)樣品-西紅柿葉標(biāo)準(zhǔn)品(GS-BZ51001-94)進行質(zhì)量控制。以上所有數(shù)據(jù)均由“農(nóng)業(yè)部食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(濟南)”按照國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)測定。1.4統(tǒng)計分析結(jié)果分析采用SPSS(13)統(tǒng)計分析軟件。2結(jié)果與分析2.1花生莖中鎘含量的變化植物根系是植物吸收重金屬最主要的部位,土壤中溶解的鎘可通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進入根系,然后運輸?shù)街参矬w各部位。不同鎘濃度處理對五種花生根中鎘積累量的影響如圖1所示。在鎘處理濃度≤3mg/kg時,實驗的五個品種花生根的鎘積累量大體一致,而在鎘處理濃度>3mg/kg時,不同花生品種根的鎘積累量表現(xiàn)出差異。隨土壤鎘處理濃度增加,花生根系鎘積累量表現(xiàn)出先增后減的趨勢,各濃度間鎘的積累量均具有顯著差異(P<0.05),其中在鎘處理濃度為12mg/kg下鎘的積累量最高,此時不同品種中以KC008的鎘積累最高,為15.013mg/kg,而KB054積累最低為11.226mg/kg。且品種KB054在土壤不同鎘濃度處理下,其根系鎘積累量均低于其他品種。莖和柄是植物傳輸營養(yǎng)元素的必經(jīng)部位,當(dāng)植物受鎘污染后,通過根吸收傳輸?shù)角o和柄再到葉和莢果籽仁。不同鎘處理水平對花生莖和柄中鎘含量變化如圖2和圖3所示。由圖2可知,不同花生品種莖中的鎘含量存在顯著差異(P<0.05)。在鎘處理濃度≤3mg/kg下,實驗的5品種花生莖的鎘含量變化大體一致,都是急劇增多,其中KB054增幅最大,而KA100增幅最小;當(dāng)鎘處理濃度達到6mg/kg時,品種KB054莖中鎘含量下降,然后隨處理水平增加而相對緩慢增加,其他品種均隨處理水平增加,莖中鎘含量遞增。由圖3可得,隨鎘處理水平增加,花生柄中鎘含量呈遞增趨勢,五品種變化趨勢大體一致,其中在低鎘處理濃度(≤3mg/kg)和高鎘處理濃度(≥12mg/kg),鎘含量增長幅度較大。葉是植物進行光合作用的主要場所,當(dāng)植物受重金屬污染后,植物葉綠體受到嚴(yán)重影響。鎘在植物葉片的積累量對其正常生長發(fā)育具有重要影響,花生葉片隨土壤鎘處理濃度下鎘的積累量變化情況如圖4所示。隨著土壤鎘處理濃度的增加,葉片中鎘積累量也相應(yīng)增加,且各濃度間鎘積累量均具有顯著差異性(P<0.05)。當(dāng)鎘處理濃度≤12mg/kg時,各品種葉中鎘積累量的差異不大,而當(dāng)大于該濃度達到24mg/kg后,品種KC008葉中鎘的積累量明顯大于其他品種,為16.617mg/kg,品種KD079葉中鎘積累量最低為9.753。總體而言,鎘脅迫下品種KD079表現(xiàn)出了相對較低的葉片鎘積累量。植物種子中重金屬的積累是植物體內(nèi)重金屬吸收與分配的結(jié)果,受許多生理過程的影響,如根系吸收、根系至地上部的運輸以及地上部各器官間的再分配等。由表2可看出,在各個處理水平的鎘脅迫下,花生籽實中的鎘含量均有差異;品種KA100和KB054籽實中鎘含量變化較小,說明這兩個品種鎘耐受能力較強;而且在6mg/kg、12mg/kg和24mg/kg鎘處理水平下,各花生品種籽實中的鎘含量均具有顯著差異(P<0.05)。研究表明,花生籽實中鎘的含量隨鎘處理水平的增加而增加(P<0.05),尤其在低鎘水平下(<3mg/kg),花生籽實的鎘積累能力較高。而且花生籽實對鎘的吸收和積累在品種間也存在顯著差異。根吸收的鎘經(jīng)木質(zhì)部運輸?shù)角o、柄、葉、果實等器官中。在不同水平鎘脅迫下,花生不同部位鎘的含量具有極顯著性差異(P<0.01)。由本次實驗可得,大體分布趨勢如下:在鎘處理水平為0時,鎘在花生不同部位的分布狀況為:柄>根>莖>葉>籽實;當(dāng)鎘處理水平為3mg/kg時,鎘在花生各部位分布狀況為:莖>根>葉>籽實>柄;當(dāng)鎘處理水平增到12mg/kg時,鎘在花生各部位的分布狀況為:根>葉>莖>籽實>柄;而當(dāng)鎘處理水平增至24mg/kg時,鎘在花生各部位的分布狀況變?yōu)?葉>莖>根>柄>籽實。由該趨勢可以得出,隨著鎘污染濃度增大,鎘在花生中漸漸往葉莖積累,而根并非是最主要的積累部位。2.2花生產(chǎn)量在低鎘處理的水平對鎘的降解產(chǎn)量是反映鎘處理后不同花生品種鎘耐受性的最終指標(biāo)。由表3可知,不同鎘處理水平下,同一品種產(chǎn)量間存在顯著差異性(P<0.05);不同品種間的產(chǎn)量也存在差異。隨著鎘處理水平增加,各品種花生產(chǎn)量均表現(xiàn)出先增后減的趨勢,這可能和鎘毒害對植物的“低促高抑”現(xiàn)象有關(guān)。除了品種KA100和KE007,其他品種的產(chǎn)量均在鎘處理水平為3mg/kg時表現(xiàn)出最大值,且產(chǎn)量均值也最高。雖然各種花生產(chǎn)量在低鎘處理水平(3mg/kg)時均比空白高,但由表1可知其花生籽實的鎘含量均已超過1mg/kg,即已經(jīng)超過國家GB15201-94中鎘限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。而表2可看出,其中品種KB054在鎘濃度處理梯度下表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性,受鎘濃度影響較其他品種小,間接反應(yīng)了該品種具有較強的耐鎘性。3花生各部位中鎘的含量鎘能影響植物根系對土壤中營養(yǎng)元素的吸收,損傷根尖細(xì)胞核仁,抑制核糖核酸酶活性,改變RNA合成;抑制硝酸還原酶活性,減少根部對硝酸鹽的吸收及向地上部轉(zhuǎn)運;抑制根部Fe3+還原酶活性,引起Fe2+虧缺。研究發(fā)現(xiàn),在Cd2+處理后,蘇格蘭松幼苗H2O2的產(chǎn)生增加,抗氧化系統(tǒng)活性及根的伸長受到抑制,根尖細(xì)胞加速老化。鎘處理后,幾種植物葉片內(nèi)葉綠體含量降低,葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,鎘可破壞葉綠體膜系統(tǒng),從而影響到植物的正常光合作用,故鎘在根系中的積累嚴(yán)重影響了植物正常生長發(fā)育。對植株不同部位鎘含量的研究,對于植株各部位的合理利用具有重要指導(dǎo)作用。本研究中,在低鎘水平處理(≤3mg/kg)下,實驗的五個品種花生各部位的鎘含量變化一致,都呈遞增趨勢;而在鎘處理水平在3～6mg/kg之間時,花生品種各部位的鎘含量變化開始表現(xiàn)出差異,其中柄和莖的鎘含量增速變緩;在鎘處理水平達到12mg/kg時,花生根中鎘含量達到最大值,而其他部位鎘含量還隨鎘處理水平增加而增大?；ㄉ褜嵵墟k的含量隨土壤鎘含量的增加也顯著增加(P<0.05),其中品種KA100和KB054籽實中鎘含量和變化均相對較小。而當(dāng)鎘處理水平為3mg/kg,花生產(chǎn)量最多。根是重金屬進入植物的最主要通道,籽實是植物作為食物的部位,而產(chǎn)量是衡量作物生長發(fā)育的最終指標(biāo),綜合上述結(jié)果,品種KB054具有較強的耐鎘性。研究不同花生品種對鎘吸收的差異,不僅要研究其吸收總量,更重要的是要研究它們在植株不同器官間的遷移及運轉(zhuǎn)規(guī)律,尤其是向經(jīng)濟器官的運轉(zhuǎn)和分配規(guī)律,這可能與同化物的運輸、籽粒接納鎘的能力、庫的活性以及運輸通道有關(guān)。本研究中,在不同鎘處理水平下鎘在花生各部位的含量大體分布趨勢不盡相同,但隨著鎘污染濃度增大,鎘在花生作物中漸漸往葉莖積累,而并非積累于根部。這與傳統(tǒng)所認(rèn)為大多數(shù)植物吸收的鎘主要積累在根系,而地上部各組織中的含量一般較低,以及主要積累在新的根系中的結(jié)果不一致,但這可能是由于所做實驗物種和濃度范圍不同所致。Florijn等、Jalil等認(rèn)為同一植物的不同部位,以及不同物種或品種間在鎘含量方面存在較大差異,而且不同植物鎘含量的差異不僅表現(xiàn)在營養(yǎng)器官,種子中也不同。國家鎘標(biāo)準(zhǔn)GB15201-94中對食品鎘限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求鎘含量不得高于0.2mg/kg,未添加鎘的土壤中花生籽實鎘含量均符合國