土壤类型对花生籽实镉积累特性的影响

土壤类型对花生籽实镉积累特性的影响

0花生籽实对cd累积的影响近年来，随着中国工业的发展，污染问题越来越受到重视，尤其是污染重金属。在众多重金属中,镉(Cd)是毒性最强、危害最大的元素之一。土壤中Cd可以通过作物根系的吸收最终在农产品中累积,通过食物链传递对人体健康造成潜在的危害。据统计,中国目前受Cd污染的农田已超过20万hm2,每年生产Cd含量超标的农产品达14.6亿kg。因而,有关农产品对环境Cd积累的研究备受关注。花生是世界四大油料作物之一。中国既是世界上最重要的花生生产国,又是最大的花生出口国。自1996年以来,中国出口花生屡次因为Cd含量超标的问题而被退货或销毁,这不仅影响了中国花生品质在国际上的声誉,也给出口企业造成了巨大的经济损失。因而,开展花生籽实对Cd的积累特征研究对有效控制花生籽实Cd含量具有重要的理论和现实意义。植物对环境Cd的累积受环境和作物基因型双重因素的影响。而目前,众多有关花生籽实对Cd累积特性的研究主要集中在基因型差异方面。鉴于Cd对植物的生物有效性与土壤类型有密切的关系,且有关土壤类型对花生籽实积累Cd的差异特性研究鲜有报道。因而,笔者采用盆栽培养的方式,开展不同土壤类型对花生籽实Cd积累特性的影响研究,旨在明确花生籽实对Cd累积的环境差异,为花生的安全种植提供基础数据。1材料和方法1.1土壤及激发物试验于2010年5—9月在中国科学院沈阳生态站的温室大棚中进行。供试花生品种‘白沙1016’由中国农科院油料所提供,其蛋白质含量为28.69%,脂肪含量为49.08%,是中国北方种植面积最大的花生品种。供试土壤潮土采自河南省花生主产区,棕壤采自辽宁省花生主产区,皆为农田表层0~20cm土壤,基本的理化性质见表1。花生盆栽所用肥料为有机钾肥,由沈阳八奇农业科技有限公司提供。其中N+K≥16%、有机质≥16%,未检测出Cd。1.2有效态cd-dtpa-cd含量测定试验采用塑料盆(Ф35cm×35cm),每盆装土12.50kg。土壤中Cd(CdCl2·2.5H2O)的浓度处理为CK(对照)、0.15、0.30、1.50、5.00、10.00mg/kg,每个处理重复3次。CdCl2用水溶解后均匀的加入土壤中,平衡15天后测得的有效态Cd(DTPA-Cd)含量见表2。花生整个生育期适时浇水,分别在播种期和开花期进行施肥,生长期为130天。1.3土壤环境和理化性质的测定于成熟期收获花生果荚,人工剥壳,获得花生籽实。将其置于80℃烘箱中72h,烘至恒重,测定其生物量。而后用粉碎机将样本磨碎,置于干燥器中备用。花生样本中Cd含量的分析采用微波消解(Microwave,CEM,MARS-Xpress),石墨炉原子吸收分光光度计(AAS,PE,Analyst800)测定。对分析方法的准确性采用国家标准样品-西红柿叶标准品(GSBZ51001—94)进行质量控制。土壤理化性质的测定参照《土壤农化分析》。土壤中全镉含量参照GB/T17141—1997的方法,HNO3-HF-HClO3(1:2:1)消解。土壤有效态镉(DTPA-Cd)参照GB/T23739—2009的方法,DTPA(0.005mol/LDTPA-0.1mol/LTEA-0.01mol/LCaCl2)提取,土液比为5:1。Cd含量的测定均采用原子吸收分光光度计(PE,Analyst800)。1.4el3软件的分析数据处理分析采用SPSS17.0和Excel2003软件进行。试验结果采用均值±标准偏差的形式表示。方差显著性分析采用t检验和LSD多重比较法,以P<0.05形式表示。2结果与分析2.1潮土和土壤介质中花生籽实生物量的比较由图1可知,在不同类型土壤条件下,花生籽实生物量随土壤Cd处理浓度的增加变化趋势相似,均表现出“低促高抑”的现象。土壤Cd处理浓度为1.5mg/kg时,花生籽实生物量在2种土壤类型下均达到最大值,其中,潮土介质下的花生籽实生物量为23.3g/盆,棕壤介质下花生籽实生物量为25.6g/盆,分别比对照提高了63.86%(P<0.05)和47.39%(P<0.05)。当土壤Cd处理高达10.0mg/kg时,潮土和棕壤介质上的花生籽实生物量分别比对照降低了6.63%(P>0.05)和54.52%(P<0.05)。统计分析表明,在土壤Cd处理浓度低于1.5mg/kg时,棕壤介质上花生生物量显著高于潮土(P<0.05),而土壤Cd浓度高于1.5mg/kg时,潮土介质上花生生物量显著高于棕壤(P<0.05)。2.2土壤中的花生籽实cd含量由图2可知,不同土壤类型条件下,花生籽实Cd含量均随土壤Cd处理浓度的增加而显著增加(P<0.05)。当土壤Cd处理浓度为1.5mg/kg时,潮土介质上的花生籽实Cd含量比对照增加了4.62倍(P<0.05),棕壤介质上的花生籽实Cd含量比对照增加了4.95倍(P<0.05),而当土壤Cd处理浓度为10.0mg/kg时,花生籽实Cd含量分别比对照增加了24.61倍和19.45倍。对2种土壤类型的花生籽实Cd含量进行比较可以看出,在未加入外源Cd,即在土壤环境背景条件下,潮土的花生籽实Cd含量为0.150mg/kg,棕壤中花生籽实Cd含量为0.236mg/kg,均未超出国家《食品中镉限量标准》(GB2762—2005)中规定的0.5mg/kg。除土壤Cd为0.15mg/kg处理外,其余各土壤Cd处理条件下的花生籽实Cd含量在棕壤介质上均显著高于潮土(P<0.05)。2.3外源cd对花生籽实cd富集的影响生物富集系数可以反映植物对土壤中重金属富集程度的高低或富集能力的强弱。土壤中能被植物吸收利用的Cd主要是有效态Cd。因而,花生籽实对土壤镉的富集系数可定义为籽实Cd含量与相应的土壤有效态镉含量的比值。从图3可以看出,在2种土壤介质中,花生籽实Cd富集系数均随土壤Cd处理浓度的增加呈显著下降趋势(P<0.05)。在未加入外源Cd时,棕壤中花生籽实Cd富集系数为3.724,潮土中花生Cd的富集系数为5.074,两者之间存在显著差异(P<0.05)。当外源Cd处理浓度低于5.0mg/kg条件下,2种土壤介质中的花生籽实Cd富集系数均大于1,说明花生在土壤低Cd处理下的Cd富集能力较强。统计分析表明,在土壤相同Cd处理条件下,当土壤Cd处理浓度低于0.15mg/kg时,2种土壤条件下的花生籽实Cd富集系数间存在显著差异(P<0.05),而当土壤Cd处理浓度高于0.15mg/kg时,差异不显著(P>0.05)。2.4种氮源利用对花生籽实cd生物富集的影响生物富集量可用来说明植物对环境中重金属元素的累积总量。本研究中,花生籽实对土壤中Cd的生物富集量可用花生籽实中Cd含量与其生物量的乘积来表示。如图4所示,在2种不同土壤介质中,当土壤Cd处理浓度低于0.3mg/kg时,花生籽实Cd的生物富集量随土壤Cd处理浓度的增加均不显著(P>0.05);而当土壤Cd处理浓度为1.5mg/kg时,花生籽实Cd的生物富集量呈现出较大的增加,分别为对照的8.21倍和8.76倍,差异均达到了显著水平(P<0.05)。当土壤Cd浓度大于1.5mg/kg时,花生籽实Cd的生物富集量在棕壤上的变化趋于平缓,而在潮土中的变化显著(P<0.05)。对2种土壤介质中花生Cd的生物富集量进行比较可以看出,除土壤中Cd为0.15mg/kg和10.0mg/kg处理外,在相同的土壤Cd处理条件下,花生籽实Cd的生物富集量在棕壤上均显著高于潮土(P<0.05)。3不同类型花生籽实cd富集系数的比较花生籽粒Cd含量和生物富集量随土壤Cd含量增加呈递增趋势;当土壤Cd处理浓度≤0.3mg/kg时,花生籽实的Cd富集系数存在土壤类型间的差异;花生籽实生物量及对Cd的积累均存在显著的土壤类型间的差异,且在棕壤条件下籽实Cd含量和生物富集量均高于潮土。因此,选择适宜不同品种花生种植的土壤介质是降低花生籽实Cd积累的有效手段之一。鉴于对花生籽实Cd积累的膳食安全方面的考虑,本研究选用的花生品种‘白沙1016’更适宜种植于潮土环境。4土壤对花生籽实cd含量的影响生物量可作为植物对外源重金属胁迫的耐性评价指标。Cd是农作物的非必需元素,环境中的低浓度Cd对农作物的生长具有促进作用,而高浓度Cd对农作物具有毒害作用,造成作物减产。笔者在研究中发现,在各土壤Cd处理水平下,花生籽实生物量在2种土壤介质中存在显著差异(P<0.05),其随土壤Cd处理浓度的增加均表现出“低促高抑”的现象,当Cd浓度处理水平为1.5mg/kg时花生籽实生物量达到最大值。范仲学等采用盆栽试验,研究了土壤Cd处理对5种不同基因型的花生籽实积累Cd的差异时发现,在土壤Cd处理范围内(≤24.0mg/kg),其中3个基因型的花生籽实生物量在土壤Cd处理为3.0mg/kg时达最高值,而另外2个基因型的花生籽实生物量在土壤Cd处理分别为6.0mg/kg和12.0mg/kg时达到最大。分析其可能性原因在于:低浓度的Cd促进植物细胞分裂,刺激RNA和蛋白酶的活性进而促进植物生长,而高浓度的Cd导致细胞分裂不正常或使细胞分裂周期延长,从而抑制植物生长。植物可吸收的主要是土壤中的有效态Cd。而土壤类型不同,其有效态Cd含量亦不同。本研究发现,在各土壤Cd处理水平下,棕壤中Cd有效态含量均大于潮土,这可能是导致土壤低Cd处理浓度下,棕壤介质中的花生籽实生物量大于潮土,高Cd处理水平下,棕壤中花生籽实生物量小于潮土的原因之一。而一般在世界范围内土壤中Cd含量为0.01~2.00mg/kg,在此Cd含量范围内,品种‘白沙1016’在棕壤介质中生物量较大。近些年,花生籽实及其制品的Cd含量超标的问题受到人们的广泛关注。植物对Cd的积累能力可用植物Cd含量和富集系数来说明。本研究发现,在各土壤Cd处理水平下,棕壤介质中的花生籽实Cd含量显著高于潮土(P<0.05),且随土壤Cd浓度增加,差异越大,这说明土壤Cd浓度越高花生籽实对Cd吸收的土壤类型间差异越大。龚伟群等对2种杂交水稻在乌栅土和红沙泥田2种土壤介质中Cd的积累进行研究表明,两基因型水稻在红沙泥田条件下的籽粒Cd含量显著高于乌栅土。这与土壤环境中pH、Eh等因素的不同有直接关系。在土壤环境中,土壤pH越低,H+越多,被胶体和粘土矿物颗粒吸附的Cd2+与H+发生交换,Cd2+被解析下来的就越多,因而土壤中有效态Cd含量也越多。在土壤还原条件下(Eh低),Cd2+易与硫化物结合形成难溶性CdS沉淀,而在土壤氧化条件下,硫化物不稳定,就会使Cd等重金属元素释放出来。笔者的研究结果表明,棕壤pH呈弱酸性(pH6.03),潮土pH呈弱碱性(pH7.42),且棕壤中Eh高于潮土,因而棕壤中的有效态Cd含量高于潮土,进而表现出棕壤条件下花生籽粒Cd含量高于潮土。花生籽粒对Cd的积累主要来自根和扎入土壤中的针对土壤中有效态Cd的吸收,但2种途径对花生籽粒Cd积累量的贡献率还有待于进一步研究。本研究还发现,花生籽实Cd的富集系数随土壤Cd浓度的增加而减小,并在土壤低Cd浓度处理范围内富集能力较强,这与王姗姗等的研究结果一致。花生籽实Cd的富集系数在2种土壤间差异不显著,说明花生籽实对土壤Cd的富集能力受土壤类型影响不大。花生籽实对土壤Cd的生物富集量随着土壤Cd浓度的增加而显著增加(P<0.05)。除土壤Cd0.15mg/kg和10.0mg/kg处理外,在相同土壤Cd浓度处理下,花生籽实对土壤Cd的生物富集量在棕壤介质中显著高于潮土(P<0.05),且在土壤Cd处理浓度为5.0mg/kg时棕壤条件下的花生籽实Cd生物富集量达到最大值,土壤Cd处理浓度为10.0mg/kg时潮土条件下的花生籽实Cd生物富集量达到最大值。范中亮等对水稻籽粒在2种土壤类型下对Cd富集的研究表明,水稻土条件下水稻籽粒富集重金属能力高于潮土。生物富集量是