不同Cd積累能力大白菜吸收轉運Cd的差異性

杜志鵬，向丹，蘇德純

中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室，北京 100193

大白菜（Brassica pekinensis L.）在中國蔬菜生產中占有重要地位，2016年中國白菜種植面積達2.6×106hm2，產量1.1×108t，約占中國蔬菜總種植面積和總產量的12%。由于土壤中Cd的生物有效性較高，一方面，與其他重金屬元素相比Cd更容易在農產品中積累（徐建明等，2018），另一方面，與根莖菜類蔬菜和豆類蔬菜相比，葉菜類蔬菜積累Cd的能力更高（Alexander et al.，2006），其中，十字花科蕓薹屬植物具有較強的吸收累積Cd的能力（Liu et al.，2009；Wang et al.，2017）。蔬菜作為人類的主要食物之一，其對人體 Cd攝入量的貢獻率高達50%～70%（Ryan et al.，1982；Islam et al.，2007）。Cd被作物吸收后會經由食物鏈被人體攝取，從而危害人類健康（Liu et al.，2013）。大白菜作為十字花科蕓薹屬葉類蔬菜，其Cd污染所帶來的食品安全隱患應得到極大重視。

作物地上部對重金屬 Cd的積累主要受植株的Cd吸收能力和由根向地上部的轉運能力影響，Cd的吸收、轉運、分配以及積累在不同作物品種間存在差異性（王美娥等，2015；辛艷衛等，2017）。篩選低Cd積累品種是降低作物體內Cd含量的一種經濟有效的措施（李欣忱等，2017），通過生物和農藝措施降低作物體內Cd含量同樣也是保障農產品質量安全和人體健康的重要手段（遲克宇等，2016）。對于吸收Cd能力高的作物可通過降低土壤中Cd的生物有效性來減少作物對土壤中Cd的吸收（Rizwan et al.，2017）；對于轉運 Cd能力高的作物則可通過葉面阻控劑來降低Cd從植物根部向地上部的轉運以達到降低農作物地上部可食用部位Cd含量的目的（Wu et al.，2016）。了解不同 Cd積累能力大白菜品種吸收轉運 Cd能力的差異是進行有效農藝措施調控的依據。本研究通過水培和土培試驗，研究比較篩選出的低積累Cd大白菜品種和高積累Cd大白菜品種對Cd的吸收和體內轉運Cd的差異，為減少Cd在大白菜可食部分的積累而進行農藝措施調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試大白菜品種為北京地區普遍種植的兩個白菜品種，高積累Cd大白菜——北京小雜55和低積累Cd大白菜——北京小雜60（姚會敏等，2006）。

供試土壤采自浙江嘉興，土壤類型為青紫泥，pH偏酸性，土壤Cd生物有效性較高，有利于觀察2個品種吸收、轉運Cd的差異。土壤的主要理化性質和Cd含量見表1。

1.2 試驗設計

1.2.1 土培試驗

供試土壤風干后過4 mm篩，土壤投加3 mg·kg-1Cd，把相應量的3CdSO4·8H2O配成溶液，分別與過4 mm篩的土壤反復混合均勻，然后在溫室下穩定7 d，并施入底肥 N：0.15 g·kg-1，P2O5：0.10 g·kg-1，K2O：0.15 g·kg-1，施入形態分別為尿素、KH2PO4、KCl，每盆裝土500 g。分別種植大白菜北京小雜55和北京小雜60，每個處理4個重復。白菜出苗后每盆保留4株，生長42 d后收獲。

1.2.2 水培試驗

大白菜種子用30%H2O2消毒30 min后用飽和CaSO4溶液浸泡過夜，第2天洗凈，播種于蛭石中，待幼苗長出兩片真葉后，移至營養液中進行培養，營養液配方為：5.79×10-3mol·L-1Ca(NO3)2·4H2O；8.02×10-3mol·L-1KNO3； 1.35×10-3mol·L-1NH4H2PO4； 4.17×10-3mol·L-1MgSO4·7H2O ；7.26×10-5mol·L-1Fe-EDTA ； 4.83×10-5mol·L-1H3BO3；8.90×10-6mol·L-1MnSO4·H2O；0.94×10-6mol·L-1ZnSO4·7H2O ； 0.20×10-6mol·L-1CuSO4·5H2O（王芳等，2009）。試驗用1.5 L盆，每盆種植大白菜3株。每3天更換1次營養液，營養液 pH 為 6.2～6.5。Cd 處理濃度為 5 μmol·L-1（陸琳等，2012），以3CdSO4·8H2O的形式加入。每天光照14 h，全天連續通氣。

水培試驗研究2個大白菜品種在水培條件下吸收積累Cd的差異，營養液中停止供Cd后根中Cd向地上部轉運差異及體內 Cd再分配差異。水培試驗設計如下：2個大白菜品種各設置3個處理，每個處理6次重復，其中3個重復地上部一起收獲，另外3個處理收獲時地上部按不同葉片部位分A、B、C、D 4個部分分別收獲，具體見1.3樣品收獲與處理。3個處理如下（培養48 d，大白菜未結球，葉片分散好收獲；培養48 d較培養38 d已長出較為明顯的新葉）：

處理1：無Cd營養液中預培養30 d，然后轉入加5 μmol·L-1Cd營養液中培養18 d后收獲。

處理2：無Cd營養液中預培養30 d，然后轉入加5 μmol·L-1Cd營養液中培養8 d后收獲。

處理3：無Cd營養液中預培養30 d，然后轉入加5 μmol·L-1Cd營養液中培養8 d，再轉入無Cd營養液中培養10 d后收獲。

1.3 樣品收獲與處理

土培大白菜樣品收獲與處理方法：收獲時用不銹鋼剪刀剪下地上部，分別經自來水和去離子水洗多遍后，用吸水紙吸干。在 105 ℃烘箱中殺青 30 min后，70 ℃烘干，稱量干物質質量，用粉碎機粉碎備用。

水培試驗其中3個重復大白菜樣品收獲與處理方法：先將收獲的植株分為地上部和根，分別經自來水和去離子水洗多遍后，用吸水紙吸干。在105 ℃烘箱中殺青30 min后，70 ℃烘干，稱量干物質質量，用粉碎機粉碎備用。

水培試驗另外3個重復大白菜樣品收獲與處理方法：先將收獲的植株分為地上部和根，收獲時地上部按不同葉片部位分A、B、C、D 4個部分分別收獲（見圖1和圖2），A葉段為老葉，B葉段為中新葉，C葉段為新葉，D葉段為新幼葉。根和葉片樣品分別經自來水和去離子水洗多遍后，用吸水紙吸干。在105 ℃烘箱中殺青30 min后，70 ℃烘干，稱量干物質質量，用粉碎機粉碎備用。

圖1 處理1、處理3不同葉片示意圖Fig. 1 Treatment 1 and treatment 3 different leaves diagram

表1 供試土壤的主要的土壤理化性狀Table 1 Main soil physical and chemical properties of the tested soil

圖2 處理2不同葉片示意圖Fig. 2 Treatment 2 different leaves diagram

1.4 測定項目與方法

采用微波消解儀（MARS-5，CEMMicrowave Technology Ltd. USA）對粉碎的植株樣品進行硝酸消解，ICP-MS（7500a，Agilent Technologies，USA）測定Cd含量（楊祥田等，2013）。使用國家標準參考物質（GBW08510）進行分析質量控制。

1.5 數據分析

運用Microsoft office Excel 2013和SPSS 20分析軟件對數據進行統計、作圖和差異顯著性分析（LSD法），以不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 土培與水培條件下兩個大白菜品種地上部積累Cd差異

表2所示為2個大白菜品種在土培和水培條件下的地上部干質量和地上部Cd含量。由表2可知，在土培和水培條件下，北京小雜55和北京小雜60地上生物量均無顯著差異，2個白菜品種在土培和水培Cd處理下均能正常生長發育，生物量的差異對地上部Cd含量無顯著影響。從地上部分Cd含量來看，水培條件下北京小雜55與北京小雜60無顯著差異，土培條件下北京小雜55地上部Cd含量比北京小雜 60高出126%，差異顯著（P＜0.05）。雖然土培與水培條件均加入外源Cd，但土培條件下兩大白菜品種具有不同活化吸收土壤中Cd的能力，在生物量無差異條件下，不同白菜植株體內Cd含量的差異反映了2個白菜品種吸收土壤中Cd能力的差異，北京小雜55地上部Cd含量比北京小雜60高，表明北京小雜 55根系在土壤中有較強的吸收土壤中Cd能力。在水培條件下，由于2個白菜品種根系都直接生長在含Cd營養液中，供給根系Cd的強度高且一致，2個品種地上部Cd含量則無顯著差異。

表2 兩個大白菜品種土培與水培Cd吸收差異Table 2 Differences in Cd uptake between soil and hydroponic culture of two Brassica pekinensis L. varieties

2.2 水培條件下2個白菜品種對Cd的吸收和轉運差異

表3所示為水培條件下大白菜北京小雜55和北京小雜60地上部、根部生物量以及2個大白菜吸收、轉運Cd的差異，由表可知，兩個白菜品種均表現為根部Cd含量顯著高于地上部Cd含量。在連續供Cd 18天條件下（處理1），北京小雜55和北京小雜60地上部Cd含量無顯著差異，但北京小雜60根部Cd含量顯著高于北京小雜55，表明北京小雜60在水培條件下根部積累Cd的能力高于北京小雜55。

轉運系數可反映出Cd在植物體內的轉運能力，由表3可知，3個處理北京小雜55的轉運系數比北京小雜60分別高0.09、0.05、0.19，說明Cd在北京小雜 55體內由根向地上部的轉運能力比北京小雜60高。對比只供Cd培養8 d（處理2）和供Cd培養18 d（處理1）的大白菜體內Cd含量可知，本試驗條件下，隨植物生長時間的延長，北京小雜55地上部Cd含量顯著增加，根部Cd含量增加不明顯，而北京小雜60地上部、根部Cd含量均顯著增加，表明北京小雜 55隨植物生長時間延長一直維持較高的轉運能力。比較停止供 Cd后，再無 Cd培養10 d（處理3）與連續供Cd 18 d（處理1）的轉運系數，本試驗條件下，停止供Cd后白菜的Cd轉運系數均提高，表明根系停止供Cd后，提高了2個白菜品種根中Cd向地上部的轉移能力，但2個品種仍表現為北京小雜 55由根向地上部的轉運能力比北京小雜60高。

表3 水培條件下2個大白菜吸收轉運Cd差異Table 3 Differences in Cd absorption and transport of two Brassica pekinensis L. under hydroponic culture

由表3還可知，2個白菜品種均表現為地上部Cd吸收率顯著高于根部 Cd吸收率，北京小雜 55和北京小雜60地上部Cd吸收率平均比根部Cd吸收率分別高44.09%、20.27%，表明2個白菜品種吸收的Cd大部分累積在地上部。供Cd培養18 d（處理1）與供Cd培養8 d（處理2）相比，供Cd生長期延長了10 d，2個品種白菜地上部Cd含量和根部Cd含量均明顯增加，且地上Cd吸收率也隨著生長時間的延長而增加。

2.3 水培條件下2個白菜品種地上部Cd的分布及分配差異

表4所示為水培條件下，2個大白菜品種不同葉段葉片中Cd的積累和分配差異。從表4可知，在水培條件下，2個白菜品種植株體內Cd呈現相同的分布規律，均表現為 A葉段＞B葉段＞C葉段＞D葉段，即白菜葉片中 Cd含量由老葉向新葉逐級遞減。連續供Cd培養18 d（處理1）條件下，北京小雜55A葉、B葉、C葉和D葉中Cd含量均顯著高于北京小雜60對應的A葉、B葉、C葉和D葉中Cd含量，表明北京小雜55從老葉到新葉各部位葉片積累Cd能力均高于北京小雜60。只供Cd培養8 d時（處理2），北京小雜55老葉A葉中Cd含量顯著高于北京小雜60 A葉中Cd含量，但中間葉片B葉和新葉C葉中Cd含量在2個品種間無顯著差異，表明北京小雜55葉片中Cd積累與其后期再分配有密切關系。先供Cd培養8 d，再無Cd培養10 d（處理3）北京小雜55 A葉和D葉Cd含量顯著高于北京小雜60，而中間的B葉和C葉Cd含量則無顯著差異，表明停止供Cd后，北京小雜55將Cd轉運到新長出葉片D葉中的能力高于北京小雜60。

表4 水培條件下2個大白菜品種不同葉片的Cd分配差異Table 4 Difference of Cd distribution between different leaves of twoBrassica pekinensis L. varieties under hydroponic culture mg·kg-1

圖3所示為水培條件下2個大白菜品種不同葉片Cd吸收率。由圖3可知，水培條件下3個不同處理北京小雜55的A葉段Cd吸收率分別為39.6%、53.6%和58.6%，均明顯高于北京小雜60的A葉段Cd吸收率（34.8%、45.1%和36.4%）。中葉B葉段則不同，3個不同處理北京小雜55的B葉段Cd吸收率分別為29.2%、37.3%和30.8%，均明顯低于北京小雜60的B葉段Cd吸收率（37.0%、45.9%和45.1%），表明北京小雜55吸收的Cd主要分配在老葉A葉段，北京小雜60則主要分配在中葉B葉段。供Cd培養18 d（處理1）與只供Cd培養8 d（處理2），北京小雜55A葉段（老葉）和B葉段（中葉）的Cd吸收率下降，C葉段（新葉）Cd吸收率上升了15.5%，北京小雜60表現出同樣的規律，但C葉段（新葉）Cd吸收率上升了12.9%，表明隨著生長時間延長，2個大白菜品種地上部Cd均可以從老葉和中葉（A葉段、B葉段）向新葉（C葉段、D葉段）再分配，且北京小雜55的再分配能力較北京小雜60強。連續供Cd培養18 d（處理1）條件下，北京小雜55 C葉段Cd吸收率高于北京小雜60，表明隨著生長時間延長，北京小雜55 Cd分配在新葉的量高于北京小雜60。

圖3 水培條件下2個大白菜不同葉片Cd吸收率Fig. 3 Cd absorptivity in different leaves of two Brassica pekinensis L.under hydroponic culture

3 討論

3.1 兩個大白菜品種土培條件下地上部積累Cd差異

不同品種作物根部對 Cd的吸收能力、耐性不同（趙首萍等，2015），作物根系對Cd的吸收及保留能力對作物可食用部分起著重要作用（張標金等，2015）。本試驗中，北京小雜55根系Cd含量高于北京小雜60，兩者根系Cd含量表現出顯著的差異性，可以推測其根部Cd含量的差異在于2個品種根表吸附的Cd進入細胞并儲存的過程。北京小雜55根系在土壤中有較強吸收和活化土壤Cd能力，從而導致植株地上部Cd吸收量的顯著差異。Qiu et al.（2011）開展的7個白菜品種的田間試驗發現，菜心（Brassica parachinensis L.）容易積累Cd，不同品種的根部吸收轉運Cd的能力有顯著差異；陳永勤等（2015）研究表明，黑麥草（Lolium perenne L.）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）及印度芥菜（Brassica juncea L.）等植物根系對土壤中Cd均具有較強的吸收能力，但其向地上部轉運Cd的能力均較弱。可見，不同作物以及不同品種根系Cd對Cd的吸收存在差異。作物可食用部分的Cd含量與土壤中Cd的有效性呈正相關（秦余麗等，2017），對于吸收土壤Cd能力高的作物，可通過調節土壤 pH、施用重金屬鈍化劑等途徑降低土壤中Cd的生物有效性，以減少作物對土壤中Cd的吸收（Chang et al.，2014；Zhao et al.，2015）。

3.2 水培條件下2個大白菜品種水培條件下吸收、轉運、分配Cd的差異

作物可食用部分Cd含量的關鍵環節除了根部Cd的吸收，還與根部向地上部的轉運有密切關系（Rahman et al.，2014）。水培條件下，北京小雜55和北京小雜60的Cd轉運系數存在明顯差異，各處理下北京小雜55的轉運系數均比北京小雜60高，表明北京小雜55由根向地上部轉運Cd在能力比北京小雜60高。李欣忱等（2017）發現辣椒（Capsicum annuum L.）品種PE3較辣椒品種PE0向地上部轉運Cd的能力差，Cd主要積累在根部。高積累型莧菜（Amaranthus mangostanus L.）品種Tianxingmi較低積累型莧菜品種Zibeixian有更強的Cd吸收和向地上部轉運與累積能力（遲克宇等，2016），因此，不同品種間積累Cd的能力與根部向地上部轉運Cd的能力密切相關。隨生長時間延長，2個白菜品種轉運系數均增加，北京小雜 55無論是根部向地上部，還是老葉向新葉的轉運能力均強于北京小雜60。對于轉運Cd能力強的作物，可以通過降低作物的轉運能力而限制Cd向地上部可食用部位的轉移，如通過施加 Si、Se等肥料降低其轉移速率（Wu et al.，2016）。崔曉峰等（2013）大田試驗表明，在Cd污染土壤中，向小白菜（Brassica chinensis L.）葉面噴施不同濃度的硅溶膠、鈰溶膠及硅鈰復合溶膠均可降低小白菜地上部中Cd的含量及積累量。董如茵等（2015）研究表明，土施和噴施 Zn肥可以顯著降低油菜根部Cd凈吸收量和Cd轉運系數。Liu et al.（2009）在水稻生長期噴施兩種硅溶膠，也可顯著降低水稻籽粒中的Cd含量。以上研究結果都表明，Si、Se等葉面阻控劑可顯著降低作物中的Cd積累量，對于葉類蔬菜來說，由于其本身的生理結構，這種作用可能更為明顯。

大白菜北京小雜55對Cd高積累，是因為其根部吸收Cd能力以及根部向地上部轉運Cd能力強。不同品種蔬菜積累 Cd差異的原因一方面是根部特性，根是決定植株吸收Cd的關鍵所在，根部特性主要決定于品種特性；另一方面是根部向地上部轉運Cd能力，不同蔬菜品種吸收的重金屬從根向地上部的轉移能力不同。了解蔬菜高積累Cd特性的原因，可為生產中采取相應的阻Cd措施提供依據。

4 結論

（1）高積累Cd大白菜品種北京小雜55對土壤中Cd的吸收能力和從根向地上部轉運Cd能力均高于低積累Cd大白菜品種北京小雜60，且隨著生長時間的延長，轉運系數增大。

（2）高積累 Cd大白菜北京小雜 55葉片中的Cd分配在老葉中的比例高，低積累Cd大白菜北京小雜60 Cd分配在中葉中的比例高，且北京小雜55將Cd分配到新葉的能力高于北京小雜60。控制高Cd積累白菜品種北京小雜55地上部Cd含量應從控制其對土壤Cd吸收和由根向地上部轉移兩方面進行。