镉胁迫下花生镉的分布特征及其对产量的影响

镉胁迫下花生镉的分布特征及其对产量的影响

花生是中国传统的出口农产品，也是中国罕见的大型农业品种。我国是世界最大的花生生产国和出口国,作为我国主要的油料作物、经济作物,花生在我国油料生产中占有举足轻重的地位。但据2003年我国北方产区花生普查结果显示,花生镉(Cd)含量平均为0.2～0.3mg/kg,已超过了WAO/WHO规定的镉限量标准(≤0.1mg/kg)。近年来,我国花生出口不断受到重金属镉超标的影响,致使我国花生出口创汇的能力受到了严重影响。镉是植物非必需营养元素,但易于在植物体内积累,并通过食物链进入人体,严重危害人体健康。土壤中镉主要来自于化学肥料、工业污泥、污水灌溉和大气污染物的沉积。我国有超过1.3万km2的农业用地被镉污染,每年有将近1.46亿kg的农产品受镉污染。最近,王珊珊等在辽宁调查发现,在没有污染的花生主产区(土壤镉含量低于0.3mg/kg),花生籽粒镉含量达到了0.21～0.75mg/kg。也有调查发现,在辽宁葫芦岛地区,即使土壤镉含量处于背景值水平(0.001mg/kg),花生籽粒镉含量仍达到了0.174～0.354mg/kg,平均0.26mg/kg。因而研究镉对花生作物的影响及其分布状况,对于合理加工利用受污染花生、切断重金属在食物链中的传递具有重要意义。关于镉对农作物的影响主要集中于大豆、水稻、小麦、玉米等作物,而关于镉对花生影响方面的研究很少,尤其是镉在花生作物中分布状况的研究鲜见报道。本文采用盆栽方式,通过模拟实际土壤栽培花生,然后测定五种花生根、叶、茎、柄以及籽实的镉含量和各品种植株不同镉水平处理下的产量,来研究镉处理对花生不同部位的含量及其对产量的影响,从而得出镉在花生作物中的分布状况,对于筛选出耐镉花生品种以及镉超标花生的合理利用和避免其通过食物链进入人体而危害人类健康具有一定的指导作用。1材料和方法1.1保压肥料及施料供试花生品种为多粒型KA100、珍珠豆型KB054、龙生型KC008、普通型KD079和中间型KE007,均由山东省花生研究所提供。盆栽所用肥料为中东高浓度复合肥料(常州中东化肥有限公司),其N+P2O5+K2O≥45%,未检测出镉。盆栽土壤选用山东省农业科学院实验地耕层土壤,先将土壤过1cm孔筛备用,供试土壤理化性状见表1。1.2种子处理及种子种的制备试验采用塑料盆(38cm×28cm,内径×高),每盆装10kg供试土壤。镉(CdCl2·2.5H2O)用量设定为每千克0、3mg/kg、6mg/kg、12mg/kg、24mg/kg处理,每个处理重复3次。先把相应量的CdCl2配成稀溶液,均匀浇于盆内(盆下放花盆蓄水垫盘,渗出液反复浇灌,直到镉离子与土壤均匀混合),平衡半个月备用。塑料盆编号并随机排列,置于网室(上覆阳光板防雨)中,每盆“品”字型播种3粒种子。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。1.3花生植株的制备收获期收获其荚果,自然风干,用于调查各处理水平每盘荚果数和每盆产量。取一定量发育一致的花生植株样品,依次用自来水、蒸馏水和去离子水清洗,用吸水纸吸干表面水分。植株取不同部位(根、茎、叶、柄和籽实),放于70℃烘至恒重,称重,磨碎,过100目筛。处理后样品放于干燥阴凉处贮存备用。1.4社会主义和谐社会分析镉含量的测定采用GB/T5009.15-2003方法。将待测样品经灰化,硝酸溶解后用Varian220火焰原子吸收分光光度计,在228.8nm(灯电流4.0mA)下分析镉含量。采用国家标准样品-西红柿叶标准品(GS-BZ51001-94)进行质量控制。以上所有数据均由“农业部食品质量监督检验测试中心(济南)”按照国家相关技术标准测定。1.4统计分析结果分析采用SPSS(13)统计分析软件。2结果与分析2.1花生茎中镉含量的变化植物根系是植物吸收重金属最主要的部位,土壤中溶解的镉可通过质外体或共质体途径进入根系,然后运输到植物体各部位。不同镉浓度处理对五种花生根中镉积累量的影响如图1所示。在镉处理浓度≤3mg/kg时,实验的五个品种花生根的镉积累量大体一致,而在镉处理浓度>3mg/kg时,不同花生品种根的镉积累量表现出差异。随土壤镉处理浓度增加,花生根系镉积累量表现出先增后减的趋势,各浓度间镉的积累量均具有显著差异(P<0.05),其中在镉处理浓度为12mg/kg下镉的积累量最高,此时不同品种中以KC008的镉积累最高,为15.013mg/kg,而KB054积累最低为11.226mg/kg。且品种KB054在土壤不同镉浓度处理下,其根系镉积累量均低于其他品种。茎和柄是植物传输营养元素的必经部位,当植物受镉污染后,通过根吸收传输到茎和柄再到叶和荚果籽仁。不同镉处理水平对花生茎和柄中镉含量变化如图2和图3所示。由图2可知,不同花生品种茎中的镉含量存在显著差异(P<0.05)。在镉处理浓度≤3mg/kg下,实验的5品种花生茎的镉含量变化大体一致,都是急剧增多,其中KB054增幅最大,而KA100增幅最小;当镉处理浓度达到6mg/kg时,品种KB054茎中镉含量下降,然后随处理水平增加而相对缓慢增加,其他品种均随处理水平增加,茎中镉含量递增。由图3可得,随镉处理水平增加,花生柄中镉含量呈递增趋势,五品种变化趋势大体一致,其中在低镉处理浓度(≤3mg/kg)和高镉处理浓度(≥12mg/kg),镉含量增长幅度较大。叶是植物进行光合作用的主要场所,当植物受重金属污染后,植物叶绿体受到严重影响。镉在植物叶片的积累量对其正常生长发育具有重要影响,花生叶片随土壤镉处理浓度下镉的积累量变化情况如图4所示。随着土壤镉处理浓度的增加,叶片中镉积累量也相应增加,且各浓度间镉积累量均具有显著差异性(P<0.05)。当镉处理浓度≤12mg/kg时,各品种叶中镉积累量的差异不大,而当大于该浓度达到24mg/kg后,品种KC008叶中镉的积累量明显大于其他品种,为16.617mg/kg,品种KD079叶中镉积累量最低为9.753。总体而言,镉胁迫下品种KD079表现出了相对较低的叶片镉积累量。植物种子中重金属的积累是植物体内重金属吸收与分配的结果,受许多生理过程的影响,如根系吸收、根系至地上部的运输以及地上部各器官间的再分配等。由表2可看出,在各个处理水平的镉胁迫下,花生籽实中的镉含量均有差异;品种KA100和KB054籽实中镉含量变化较小,说明这两个品种镉耐受能力较强;而且在6mg/kg、12mg/kg和24mg/kg镉处理水平下,各花生品种籽实中的镉含量均具有显著差异(P<0.05)。研究表明,花生籽实中镉的含量随镉处理水平的增加而增加(P<0.05),尤其在低镉水平下(<3mg/kg),花生籽实的镉积累能力较高。而且花生籽实对镉的吸收和积累在品种间也存在显著差异。根吸收的镉经木质部运输到茎、柄、叶、果实等器官中。在不同水平镉胁迫下,花生不同部位镉的含量具有极显著性差异(P<0.01)。由本次实验可得,大体分布趋势如下:在镉处理水平为0时,镉在花生不同部位的分布状况为:柄>根>茎>叶>籽实;当镉处理水平为3mg/kg时,镉在花生各部位分布状况为:茎>根>叶>籽实>柄;当镉处理水平增到12mg/kg时,镉在花生各部位的分布状况为:根>叶>茎>籽实>柄;而当镉处理水平增至24mg/kg时,镉在花生各部位的分布状况变为:叶>茎>根>柄>籽实。由该趋势可以得出,随着镉污染浓度增大,镉在花生中渐渐往叶茎积累,而根并非是最主要的积累部位。2.2花生产量在低镉处理的水平对镉的降解产量是反映镉处理后不同花生品种镉耐受性的最终指标。由表3可知,不同镉处理水平下,同一品种产量间存在显著差异性(P<0.05);不同品种间的产量也存在差异。随着镉处理水平增加,各品种花生产量均表现出先增后减的趋势,这可能和镉毒害对植物的“低促高抑”现象有关。除了品种KA100和KE007,其他品种的产量均在镉处理水平为3mg/kg时表现出最大值,且产量均值也最高。虽然各种花生产量在低镉处理水平(3mg/kg)时均比空白高,但由表1可知其花生籽实的镉含量均已超过1mg/kg,即已经超过国家GB15201-94中镉限量卫生标准。而表2可看出,其中品种KB054在镉浓度处理梯度下表现出较强的稳定性,受镉浓度影响较其他品种小,间接反应了该品种具有较强的耐镉性。3花生各部位中镉的含量镉能影响植物根系对土壤中营养元素的吸收,损伤根尖细胞核仁,抑制核糖核酸酶活性,改变RNA合成;抑制硝酸还原酶活性,减少根部对硝酸盐的吸收及向地上部转运;抑制根部Fe3+还原酶活性,引起Fe2+亏缺。研究发现,在Cd2+处理后,苏格兰松幼苗H2O2的产生增加,抗氧化系统活性及根的伸长受到抑制,根尖细胞加速老化。镉处理后,几种植物叶片内叶绿体含量降低,叶绿体结构发生明显变化,镉可破坏叶绿体膜系统,从而影响到植物的正常光合作用,故镉在根系中的积累严重影响了植物正常生长发育。对植株不同部位镉含量的研究,对于植株各部位的合理利用具有重要指导作用。本研究中,在低镉水平处理(≤3mg/kg)下,实验的五个品种花生各部位的镉含量变化一致,都呈递增趋势;而在镉处理水平在3～6mg/kg之间时,花生品种各部位的镉含量变化开始表现出差异,其中柄和茎的镉含量增速变缓;在镉处理水平达到12mg/kg时,花生根中镉含量达到最大值,而其他部位镉含量还随镉处理水平增加而增大。花生籽实中镉的含量随土壤镉含量的增加也显著增加(P<0.05),其中品种KA100和KB054籽实中镉含量和变化均相对较小。而当镉处理水平为3mg/kg,花生产量最多。根是重金属进入植物的最主要通道,籽实是植物作为食物的部位,而产量是衡量作物生长发育的最终指标,综合上述结果,品种KB054具有较强的耐镉性。研究不同花生品种对镉吸收的差异,不仅要研究其吸收总量,更重要的是要研究它们在植株不同器官间的迁移及运转规律,尤其是向经济器官的运转和分配规律,这可能与同化物的运输、籽粒接纳镉的能力、库的活性以及运输通道有关。本研究中,在不同镉处理水平下镉在花生各部位的含量大体分布趋势不尽相同,但随着镉污染浓度增大,镉在花生作物中渐渐往叶茎积累,而并非积累于根部。这与传统所认为大多数植物吸收的镉主要积累在根系,而地上部各组织中的含量一般较低,以及主要积累在新的根系中的结果不一致,但这可能是由于所做实验物种和浓度范围不同所致。Florijn等、Jalil等认为同一植物的不同部位,以及不同物种或品种间在镉含量方面存在较大差异,而且不同植物镉含量的差异不仅表现在营养器官,种子中也不同。国家镉标准GB15201-94中对食品镉限量卫生标准要求镉含量不得高于0.2mg/kg,未添加镉的土壤中花生籽实镉含量均符合国