









摘 要:【目的】研究甜瓜不同生長階段5種重金屬在植株中富集分配的變化及其關聯性。
【方法】于2020年6月26日至7月25日,每間隔4 d分別采集甜瓜根、莖、葉、果實及對應根際土壤樣品,采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定樣品中銅Cu、鎘Cd、砷As、鉻Cr和鎳Ni 5種重金屬含量,定量分析植株各部位5種重金屬富集系數所占百分比,研究不同生長階段5種重金屬在甜瓜植株中富集分布及其關聯性。
【結果】6月26日至7月25日,甜瓜植株Cr、Ni、As的富集分配為根gt;葉gt;莖gt;果實;6月26日至7月25日Cu與6月26日至7月16日Cd的富集分配為葉gt;根gt;莖gt;果實;7月16日至7月25日,甜瓜植株Cd富集分配為根gt;莖gt;葉gt;果實;隨時間延長,甜瓜果實中Cr、As、Cd富集系數所占比例整體呈先升高后降低的趨勢,Ni和Cu富集系數所占比例整體呈降低趨勢;當甜瓜果實Cr、As、Cu、Ni富集分配增加時,植株根中該4種重金屬的富集分配有降低趨勢,葉中Cr、As、Ni的富集分配有升高趨勢,Cd和Cu有降低趨勢。
【結論】5種重金屬在甜瓜植株中的分配、富集占比變化、關聯部位因重金屬種類的不同而有所差異。
關鍵詞:甜瓜;重金屬;富集分布;關聯性
中圖分類號:S652 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4330(2024)04-0892-08
0 引 言
【研究意義】農田土壤中As、Cd、Cu、Cr和Ni含量高累積會影響作物生長[1],分析5種重金屬在新疆甜瓜植株不同部位中的分布及其富集分配的關聯性,對甜瓜果實中5種重金屬富集水平的差異研究有實際意義。【前人研究進展】張璐等[2]研究結果表明,孕穗期、成熟期水稻中Cd由根向作物莖葉和籽粒中遷移,導致莖葉和籽粒中Cd含量的升高;胡雨丹等[3]研究發現,不同生育期水稻累積Pb能力為孕穗期>拔節期>分蘗期>灌漿期>成熟期,植株分布為根系>莖>葉>穗軸>谷殼>糙米;譚建波等[4]研究結果顯示,玉米從拔節期到成熟期,各器官Cd含量呈下降趨勢,成熟期Cd的植株分布為根gt;莖gt;籽粒gt;葉。程海濤等[5]研究發現,林下人參中隨著生育期延長,根重金屬分布高于其他部位;裴亮等[6]試驗發現,蘿卜隨著時間的延長,其Ni、Cr、Cu增加明顯,As、Cd含量增加較緩慢;侯文煥等[7]研究發現,菜用黃麻采收期各部位有機Se含量依次為葉gt;根gt;莖,蒴果期依次為葉gt;根gt;蒴果gt;莖,且葉中含量顯著高于莖,根和葉中有機Se含量在蒴果期達最高值。【本研究切入點】不同作物重金屬含量累積分布的變化有所不同,目前還鮮見不同生長階段As、Cd、Cr、Ni、Cu 5種重金屬在甜瓜植株中富集分配變化及關聯性的系統研究報道。需要研究甜瓜不同生長階段5種重金屬在植株中富集分配的變化及其關聯性。【擬解決的關鍵問題】采集不同生長階段甜瓜根、莖、葉、果實及對應根際土壤樣品,采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定樣品中Cu、Cd、As、Cr和Ni 5種重金屬含量,定量分析植株各部位5種重金屬富集系數所占百分比,研究不同生長階段5種重金屬在甜瓜植株中富集分布的變化及其關聯性,為甜瓜安全種植技術提供前期數據。
1 材料與方法
1.1 材 料
1.1.1 甜 瓜
甜瓜品種:甜瓜品種黃蜜寶由新疆農業科學院哈密瓜研究中心提供,于2020年5月7日播種,測定時間為2020年6月26日~7月25日。
植株樣品:甜瓜的根、莖、葉、果實樣品經破碎、打漿混合均勻后置于-18℃冰柜中冷凍備用。參照NY/T 2342—2013《植物新品種特異性、一致性和穩定性測試指南 甜瓜》進行種植和田間管理,施用有機肥為雞糞,用量為225 kg/667m2,肥料來源于新疆農業科學院農作物品種資源研究所。
土壤樣品:在試驗田采集植株對應的根際土壤,采集深度為0~30 cm,混勻后,按照四分法,留取土壤樣品,去除樣品中的各種雜物,將土樣經自然陰干、過0.15 mm尼龍篩后,裝于潔凈的聚乙烯自封袋中,常溫儲存備用。
植株和土壤樣品于2020年12月前定量分析As、Cd、Cr、Ni、Cu含量。表1
1.1.2 試 劑
優級純硝酸、優級純氫氟酸來自德國Merck公司;GBW10022(蒜粉)、GBW10048(芹菜) 、GBW07426(新疆北部土) 、GBW08302(西藏土)來自地球物理地球化學勘察研究所;金元素(Au)溶液(1 000 mg/L)、內標溶液(鍺)、內標元素貯備液(1 000 mg/L) 來自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。
1.1.3 儀 器
電子天平(德國賽多利斯公司);超純水機(美國Millipore公司);微波消解儀、聚四氟乙烯消解內罐(美國CEM公司);趕酸儀(上海博通有限公司);電感耦合等離子體質譜儀iCAP(Qc型美國Thermo Sciemtific公司)。
1.2 方 法
1.2.1 試驗設計
設小區試驗,小區面積為50 m2,重復3次,每間隔4 d采集1次試驗樣品,每次采集3株。
1.2.2 測定指標
按照GB 5009.268-2016《食品中多元素的測定》[8]制備溶液,采用Mars5微波消解儀消解。
稱取甜瓜樣品1 g于消解罐中,同時做空白試驗,加入6 mL硝酸溶液和2 mL水;稱取土壤樣品0.1 g于消解罐中,加入7 mL硝酸溶液、2 mL氫氟酸溶液和2 mL水,在通風櫥中放置4 h預消解,預消解后放入Mars 5微波消解儀,待消解完畢,冷卻后取出,緩慢打開罐蓋進行排氣,將消解罐放入趕酸儀中趕酸至微量,待冷卻后取出,將消化液轉移至50 mL的容量瓶中,并用超純水少量多次的沖洗消解管內壁,合并洗滌液定容至刻度,搖勻備用供ICP-MS測定。表2
使用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定樣品中重金屬Cr、Ni、Cu、As與Cd含量。表3
1.2.3 儀器校正和精確度
對試劑進行空白監測,以校正儀器讀數;在檢測過程中GBW10022(蒜粉)和GBW10048(芹菜)為作物標準參考材料;GBW08302(西藏土壤)和GBW07426(新疆北部土壤)為土壤標準參考材料,試驗精度在10%的可變性內。
1.2.4 計算
按照GB 5009.268-2016《食品中多元素的測定》[8]計算樣品中重金屬Cr、Ni、Cu、As與Cd含量。
式中,X:待測樣品中元素含量(mg/kg);ρ:樣品溶液中元素質量濃度(μg/L);ρ0:空白樣品中元素質量濃度(μg/L);V:樣品消化液定容體積(mL);f:稀釋倍數 50;m:樣品稱樣量(g);1 000:換算系數。
1.2.5 富集系數
參照祁浩[9]計算重金屬富集富集系數。
BCFstem=Cstem/Csoil.
BCFleaf=Cleaf/Csoil.
BCFroot=Croot/Csoil.
BCFfruit=Cfruit/Csoil.(2)
式中,Cstem表示甜瓜中莖的重金屬含量;Cleaf表示甜瓜中葉的重金屬含量;Croot表示甜瓜中根的重金屬含量;Cfruit表示甜瓜中果實的重金屬含量;Csoil表示土壤中的重金屬含量(mg/kg)。
1.2.6 富集系數百分比
參照陳同斌等[10]計算重金屬富集富集系數根、莖、葉、果實分別百分比。
式中,BCFstem表示甜瓜中莖的富集系數;BCFleaf表示甜瓜中葉的富集系數;BCFroot表示甜瓜中根的富集系數;BCFfruit表示甜瓜中果實的富集系數。
1.3 數據處理
利用Excel 2019進行數據的初步整理與計算,采用Origin 2018進行作圖。
2 結果與分析
2.1 不同生長階段甜瓜植株各部位Cr富集系數百分比的變化
研究表明,各部位中,不同時期果實富集系數所占百分比最低,為2%~10%;其次為莖、葉和根,富集系數所占百分比分別是6%~24%、23%~52%、26%~66%,不同時期各部位Cr的富集能力由高至低依次為根gt;葉gt;莖gt;果實。
6月26日~7月25日,甜瓜植株各部位Cr富集系數所占比例的變化可以分為三類。第一類是果實和葉,隨著時間延長,Cr富集系數所占百分比整體呈先升高后降低的趨勢,果實和葉極大值出現時間為7月8日;第二類是莖,Cr富集系數所占百分比的變化趨勢為先升高后降低再波動升高,極大值出現時間早于果實,為7月4日;第三類是根,Cr富集系數所占百分比的變化整體呈先降低后升高的趨勢。7月4日和8日Cr
富集系數所占百分比低于其他時間段。果實中Cr富集分配增加時的表觀現象為根中Cr富集系數所占比例降低,莖中Cr富集系數所占比例提前激增,葉中Cr富集系數所占比例增加。圖1
2.2 不同生長階段甜瓜植株各部位Ni富集系數百分比的變化
研究表明,甜瓜植株各部位中,不同時期,果實Ni富集系數所占百分比為3%~10%,莖Ni富集系數所占百分比為7%~21%,葉Ni富集系數所占百分比為22%~51%,根Ni富集系數所占百分比為31%~67%,不同時期甜瓜植株各部位對Ni的富集能力表現為根gt;葉gt;莖gt;果實。
整個時間段內,甜瓜植株各部位Ni富集系數所占百分比變化整體可以分為兩類,第一類是果實、葉、莖,其特征為6月26日~7月8日Ni富集系數所占百分比整體高于7月12~25日;第二類是根,其特征與果實、葉、莖相反。果實中Ni富集分配增大時,根、葉與莖中Ni富集系數所占比例分別有降低和升高的趨勢。圖2
2.3 不同生長階段甜瓜植株各部位Cu富集系數百分比的變化
研究表明,甜瓜植株和部位中,不同時期,果實富集系數所占比例為2%~8%,莖富集系數所占比例為7%~18%,根富集系數所占比例12%~34%,葉富集系數所占比例為45%~79%,不同時期各部位Cu富集系數所占比由高到低為葉gt;根gt;莖gt;果實。
整個時間段內,甜瓜植株各部位Ni的富集系數所占比例變化可以分為兩類,第一類為果實、莖和根,該類的特點為6月26日、7月1日Cu富集系數所占比例高于7月4~16日;第二類為葉,6月26日、7月1日Cu富集系數所占比例低于7月4~16日。果實中Cu富集分配增大時,莖和根、葉Cu富集系數所占比例分別有升高和降低的趨勢。圖3
2.4 不同生長階段甜瓜植株各部位As富集系數百分比變化
研究表明,不同時期,果實富集系數所占百分比為1%~7%,葉富集系數所占百分比25%~55%,莖富集系數所占百分比6%~14%,根富集系數所占百分比31%~66%,各部位As的富集能力表現為根gt;葉gt;莖gt;果實。
6月26日~7月25日,果實As富集系數所占比例變化趨勢為先波動上升隨后降低的趨勢,極大值出現時間為7月8日;葉As富集系數所占比例變化與果實趨同,極大值出現時間也為7月8日;莖與果實中As富集系數所占比例變化趨同性不強;根As富集系數所占比例變化與果實整體相反,極小值出現時間為7月8日。果實中As富集分配增加時,葉和根中As富集系數所占比例分別有增加和降低的趨勢。圖4
2.5 不同生長階段甜瓜植株各部位Cd富集系數百分比的變化
研究表明,6月26日~7月16日,果實富集系數所占百分比為2%~14%,葉富集系數所占百分比為41%~46%,莖富集系數所占百分比為12%~26%,根富集系數所占百分比為28%~39%,在該時期各部位Cd的富集能力表現為葉gt;根gt;莖gt;果實;7月16~25日,果實富集系數所占百分比為4%~4%,葉富集系數所占百分比為21%~24%,莖富集系數所占百分比為24%~27%,根富集系數所占百分比為47%~49%,此時期各部位對Cd的富集能力表現為根gt;莖gt;葉gt;果實。
6月26日~7月25日間,果實Cd富集系數所占比例呈先升高后降低趨勢,極大值出現在7月8日,但葉和莖Cd富集系數所占比例低于相鄰時間段;根與果實Cd富集系數所占比例變化趨同性不強。果實 Cd富集分配增加時,葉和莖Cd富集系數所占比例有降低趨勢。圖5
3 討 論
3.1
6月26日~7月25日,甜瓜植株Cr、Ni、As的富集分配呈根gt;葉gt;莖gt;果實的趨勢,其中As的富集分配與王曉飛等[11]關于甘蔗中As分布的研究結果一致; 7月16~25日Cd在甜瓜植株的富集分配與水稻研究結果接近,由高至低為根、莖葉、果實或籽粒。作物中Cu富集分配報道存在分歧,如胡美鈴等[12]研究發現,小麥各部位Cu富集能力為根gt;莖葉/籽實;而孫芳立等[13]則認為Cu在小麥中分布為根>穗>莖葉,試驗研究結果顯示,甜瓜植株各部位對Cu富集能力表現為葉gt;根gt;莖gt;果實,與上述文獻報道也存在差異,主要是根部重金屬富集水平[14],重金屬進入根皮層細胞后,與根內蛋白質、多糖類、核糖類、核酸等化合成為穩定的大分子絡合物或不溶性有機大分子而沉積下來[15]。
3.2
葉、根、莖Cu富集能力大于果實的原因,隨著植物根部吸收Cu總量的增加,細胞壁上Cu的濃度也隨之增加,Cu大部分以離子形式存在或絡合到細胞壁結構如木質素、纖維素上[16],Cu被局限于細胞壁,從而避免了植株Cu上部運輸[17];同時,植株根細胞功能性的原生質膜和胞間連絲基因產生抗性機制,也可降低Cu的擴散和轉移[18-20];另外,作物莖葉中的Cu可通過韌皮部再一次循環至根部[21]。
3.3
試驗中6月26日~7月25日,果實中Cr、As、Cd富集系數所占比例整體呈先升高后降低的趨勢,極大值出現時間均為7月8日;而果實中Ni和Cu富集系數所占比例整體呈降低趨勢。重金屬在作物中的累積,并不隨成熟期的臨近而持續增加,如不同階段玉米植株Se富集的特征為乳熟期>成熟期>苗期等[22]。作物成熟期重金屬富集水平低于其他時期,主要是進入成熟期后,作物生長逐漸衰弱,導致重金屬富集能力降低[23];作物植株重金屬含量隨生育期的延長而降低,是由于干物質量增加而引起的稀釋效應[24]等,成熟期甜瓜5種重金屬富集能力低于其他時期的具體原因,還需進一步深入研究探討。
4 結 論
4.1
6月26日~7月25日,Cr、Ni、As的富集分配呈根gt;葉gt;莖gt;果實的趨勢;6月26日~7月25日Cu與6月26日~7月16日Cd的富集分配為葉gt;根gt;莖gt;果實; 7月16~25日,Cd在甜瓜植株的富集分配是根gt;莖gt;葉gt;果實,5種重金屬在甜瓜植株中的富集分配因重金屬種類和生長階段的不同而有所差異。
4.2
6月26日~7月25日,果實中Cr、As、Cd富集系數所占比例整體分別由5%上升至10%再下降到6%、2%上升到7%再下降至1%、4%上升到14%再下降至4%,整體呈先升高后降低的趨勢,極大值出現時間均為7月8日;而果實中Ni和Cu富集系數所占比例分別由7%~10%下降至3%和7%~8%下降到2%~3%,整體呈降低趨勢。不同生長階段,重金屬在甜瓜果實中的富集分配變化因重金屬種類的不同而有所差異。
4.3
當果實Cr、As、Cu、Ni富集分配增加時,根中4種重金屬的富集分配有降低趨勢,而根中Cd的富集分配則無顯著的協同或補償趨勢;當果實5種重金屬富集分配增加時,葉中Cr、As、Ni的富集分配有升高趨勢,而葉中Cd和Cu的富集分配則有降低趨勢。與果實中重金屬富集分配相關的植株部位因重金屬種類的不同而不同。
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