近年来,工业矿产的开发与冶炼,农田的污水灌溉和化肥、农药的施用使镉胁迫成为我国农业土壤污染的重要来源。镉移动性大、毒性高,在土壤中具有较强的化学活性,与其它重金属相比,易被植物吸收,存留在植物的可食用部分,并通过食物链富集在人体中,从而危害人体健康。土壤镉胁迫也会对作物的生长构成威胁,严重影响蔬菜的品质及产量[1,2,3]。据报道,中国受镉胁迫的农田面积已达2万hm2,并有逐渐恶化的趋势。中国菜地土壤镉含量与全国土壤背景值(0.097mg·kg-1)相比出现了明显的富集累积,与国家土壤质量II级标准GB15618-1995(6.5<pH<7.5)相比,镉超标的问题较为突出[2,3,4]。

水分不仅是植物生长发育的必需条件,土壤水分更是控制土壤物理、化学和生物特性的重要因子,可以通过影响土壤环境改变土壤镉的迁移和分配,进一步影响镉的植物有效性[4,5,6,7,8]。所以土壤水分是影响植物生长和体内镉积累的关键因素,如何通过水分调控技术降低植物对镉的积累成为当前需要迫切解决的关键科学问题。关于镉胁迫对植物的影响,前人已经做了一些研究,但土壤水分对镉胁迫下黄瓜的影响等方面的探索还远远不够。因此,该研究以黄瓜为试材进行盆栽试验,探究在镉胁迫下的不同土壤水分处理对黄瓜生理与镉积累的影响,以期为黄瓜的镉毒害防治提供参考依据。

1、材料与方法

1.1试验材料

供试黄瓜品种为“澳奇007”,购于哈尔滨亚奇种苗公司。常规无污染土壤基本理化性质:pH6.8,速效磷23.07mg·kg-1,速效钾113mg·kg-1,全氮1.03g·kg-1。

1.2试验方法

试验采用盆栽方式于2018年6月在东北农业大学向阳试验基地棚室内进行。

模拟镉胁迫土壤:将无污染土壤过5mm筛,在风干后装入直径为270mm、高190mm的塑料盆内,每盆盛土3kg。设置向土壤添加镉的浓度为1.8mg·kg-1,配置相应浓度的CdCl2·2.5H2O溶液,喷洒到土壤中并搅拌,使其与土壤充分混匀,经预试验测定镉各形态基本稳定之后开始控制土壤水分。

设定3个土壤水分含量分别为最大持水量(WHC)的50%～65%(T1)、65%～80%(T2,CK)、80%～95%(T3),以T2为对照。各水分处理均以土壤含水量降至试验设计的灌水下限时开始灌水,达到试验设计灌水上限时停止灌水,其余田间管理照常进行。

黄瓜于2018年6月上旬开始育苗,采取常规无镉方式育苗,苗龄30d时,选取长势相同,大小基本一致的健康幼苗定植于盆中,每盆1株,以65%～80%WHC为对照,黄瓜每个处理各种植10株,重复3次。

在黄瓜定植20、30、40、50、60d时取样,测定叶绿素含量;CAT、SOD、POD活性;脯氨酸含量;丙二醛含量;可溶性蛋白质含量;叶片、根部镉含量;在采收期取样测定株高、茎粗、单株产量及果实、叶片、根部镉含量。

1.3项目测定

土壤最大持水量采用环刀法测定,土壤实时含水量采用土壤水分速测仪测定,叶绿素含量采用乙醇丙酮混合液法测定;SOD活性采用NBT法测定;POD活性采用愈创木酚法测定;CAT活性采用高锰酸钾滴定法测定;脯氨酸采用茚三酮法测定;丙二醛含量采用TBA法测定;可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250法测定;植株体内镉含量采用HNO3-HCl-HClO4消煮法测定[9,10]。

1.4数据分析

采用SPSS23.0和MicrosoftExcel软件进行主要统计数据的相关性及显著性检验。

2、结果与分析

2.1镉胁迫下土壤水分对黄瓜生长的影响

由表1可知,镉胁迫下黄瓜株高随土壤水分的增加而增加,并且不同水分处理间差异显著,而茎粗没有随土壤水分的变化表现出明显趋势,对照处理的黄瓜茎粗较水分亏缺或过量有明显增加。在镉胁迫下,土壤水分增加黄瓜的单株产量也随之增加,水分过量处理显著高于其它处理,说明土壤水分80%～95%WHC时有利于黄瓜生长,提高镉胁迫下黄瓜的产量。

2.2镉胁迫下土壤水分对黄瓜叶绿素含量的影响

从图1可以看出,镉胁迫下的黄瓜叶绿素含量随水分的增加而增加。20～40d时T3显著高于T2、T1。50d时T3、T2显著高于T1,但是T2、T3间差异不显著。60d时T3显著高于T1、T2,T1、T2间无显著差异。除此之外,在土壤水分衡定下,随着黄瓜的生长,植株体内叶绿素含量均表现出先升高后降低的趋势,在40d时达到最大值。T3处理的黄瓜叶绿素含量最高,说明水分过量与其它处理相比,可以促进叶绿素的合成,提高叶绿素含量。

2.3镉胁迫下土壤水分对黄瓜抗氧化酶系统的影响

2.3.1镉胁迫下土壤水分对黄瓜SOD、POD活性的影响

从图2～3可以看出,随着土壤水分的增加,黄瓜SOD与POD活性逐渐降低。20～50d,水分过量处理显著低于对照,水分亏缺处理显著高于对照;60d时水分亏缺处理SOD、POD活性显著高于其它处理,但水分过量处理与对照差异并不显著。并且土壤在黄瓜整个生长发育期内,各处理SOD、POD活性呈先升高后降低的趋势,并在30d时达到最高值。

表1镉胁迫下土壤水分对黄瓜株高、茎粗及产量的影响

图1镉胁迫下土壤水分对黄瓜叶绿素含量的影响

图2镉胁迫下土壤水分对黄瓜SOD活性的影响

图3镉胁迫下土壤水分对黄瓜POD活性的影响

2.3.2镉胁迫下土壤水分对黄瓜CAT活性的影响

由图4可知,黄瓜CAT活性随土壤水分的增加而降低,20～30d水分亏缺处理CAT活性无明显变化并显著高于水分过量处理及对照,而水分过量及对照CAT活性呈上升趋势。30～60d,水分亏缺处理下黄瓜CAT活性随试验天数的增加而降低,而水分过量(T3)处理黄瓜CAT活性表现为先下降后趋于平稳,60d时水分过量处理CAT活性显著低于水分亏缺及对照。

图4镉胁迫下土壤水分对黄瓜CAT活性的影响

2.4镉胁迫下土壤水分对黄瓜脯氨酸含量的影响

由图5可知,黄瓜脯氨酸含量随土壤水分的增加而降低,20～60d中均表现为水分亏缺处理显著高于水分过量及对照处理,40～50d时水分过量处理脯氨酸含量显著低于其它处理。各处理脯氨酸含量在整个测定时期内均呈先升高后降低的趋势,并在50d时达到最大值。

图5镉胁迫下土壤水分对黄瓜脯氨酸含量的影响

2.5镉胁迫下土壤水分对黄瓜丙二醛含量的影响

由图6可知,黄瓜MDA含量随土壤水分的增加而降低,20～60d中均表现为水分亏缺处理显著高于水分过量处理,50～60d时水分过量处理MDA含量显著低于其它处理。各处理MDA含量在整个测定时期内均呈先升高后降低的趋势,并在40d时达到最大值。

图6镉胁迫下土壤水分对黄瓜丙二醛含量的影响

2.6镉胁迫下土壤水分对黄瓜可溶性蛋白质含量的影响

由图7可知,随土壤水分的上升,黄瓜可溶性蛋白质含量也表现为上升,40d时表现出显著差异。水分亏缺处理可溶性蛋白质含量随天数的增加先上升后下降,在50d时达到最大值,而水分过量处理可溶性蛋白质含量也表现为先升高后下降,但是在40d时达到最高。

图7镉胁迫下土壤水分对黄瓜可溶性蛋白质含量的影响

2.7镉胁迫下土壤水分对黄瓜植株镉含量的影响

由表2可知,土壤水分对镉胁迫下黄瓜植株镉含量影响较大。黄瓜叶片镉含量随土壤水分的增加而减少,水分亏缺处理镉含量显著高于对照和水分过量处理。黄瓜根部镉的积累相比叶片有明显的增多,水分过量处理下的黄瓜根镉含量显著低于对照,而水分亏缺处理根部镉含量显著高于对照。土壤镉胁迫下黄瓜果实镉含量表现为随土壤水分的增加而减少,并且不同水分处理间有显著性差异,黄瓜果实在整个采收期的镉含量均处于较低水平,没有出现镉超标(>0.05mg·kg-1)现象。

表2镉胁迫下土壤水分对黄瓜叶、根、果实镉含量的影响

3、讨论与结论

在镉胁迫下黄瓜的生长会受到抑制,表现为长势降低、产量减少,还会影响植株的光合作用[11]。该研究中,土壤水分过量时会使镉胁迫下黄瓜的株高及产量增加,叶绿素含量增多,并显著高于其它水分处理,说明过量灌溉可以缓解1.8mg·kg-1浓度的镉对黄瓜造成的毒害作用,促进黄瓜进行光合作用,提高产量。镉胁迫对植株的毒害作用存在于整个生长周期内,当植株体内镉积累到一定程度时,会影响抗氧化酶活性和细胞渗透作用[11,12]。抗氧化酶的活性可以反映细胞在镉胁迫下的受损程度,SOD、POD和CAT均是植物受逆境胁迫时起抵御作用的重要保护酶,酶活性越高说明植株受害越严重[12,13]。前人研究表明,随着镉浓度升高,黄瓜幼苗中的抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性整体呈现先增后降的趋势[14]。该试验结果表明,土壤水分亏缺下黄瓜SOD、POD、CAT活性均较水分过量有显著降低,说明在镉浓度为1.8mg·kg-1时,土壤水分亏缺状态会加重镉胁迫对黄瓜植株的伤害,而过量灌溉土壤水分保持在80%～95%WHC可以缓解该浓度下镉对黄瓜植株产生的胁迫作用。

为了更好的适应外界环境的变化,脯氨酸、MDA及可溶性蛋白质均参与了细胞的渗透调节[15]。在逆境条件下,植株脯氨酸含量会大量累积,除了作为细胞渗透调节物质之外,还能稳定生物大分子结构,在调节细胞氧化还原势等方面起到重要作用[16,17]。MDA作为植物体细胞膜脂过氧化的主要产物,在植物体受到外界环境胁迫时,其含量会升高[18]。重金属离子进入植物体内后,能够与其它化合物结合成为金属络合物或者螯合物,抑制植物的各种代谢活动,尤其是蛋白质的合成,因此可溶性蛋白质含量也是衡量植株在镉胁迫下受害的重要指标。高浓度的镉离子溶液可以导致植株体内可溶性蛋白质含量下降,主要有2个方面原因:一是镉进入细胞后,促进了蛋白水解酶的活性,加强了原本蛋白质的水解;二是镉对参与蛋白质合成的酶产生了毒害作用,并使蛋白质合成场所受损,从而抑制了蛋白质的合成,镉胁迫下植株可溶性蛋白质含量的提高有利于细胞的渗透调节和增加功能蛋白的数量[19]。有研究表明,随着土壤镉浓度增加,生菜幼苗根和芽的丙二醛含量在一定时期内逐渐增加[20],与该研究结果有共同之处。该试验研究表明,土壤水分亏缺下黄瓜脯氨酸、MDA含量升高,可溶性蛋白质含量降低;水分过量条件下黄瓜脯氨酸、MDA含量降低,而可溶性蛋白质含量升高,说明土壤水分80%～95%WHC状态下能缓解镉胁迫对黄瓜植株的伤害,有利于黄瓜的生长。

该研究表明,黄瓜对镉的积累主要在根系之中,叶片与果实中含量较少,并且随土壤水分的增加,植株体内的镉积累逐渐降低,在镉浓度为1.8mg·kg-1时果实并未超标,仍安全可食用。前人研究表明,植株根、茎、叶镉含量与土壤有效态镉含量呈显著相关,随土壤有效态镉的含量增加而增加,随着土壤水分的增加,植株根、茎、叶镉含量均显著下降,并且在同一镉浓度处理下,有效态镉对芦蒿不同部位镉累积的影响存在差异[21]。武振中[22]研究表明,当灌水量为70%时,小桐子植株体内的镉含量达到最大,小桐子各器官累积镉的顺序为:根系>茎杆>叶片。所以该研究中土壤过量灌溉引起了土壤镉有效形态的变化,降低了土壤中有效态镉的含量从而降低了黄瓜植株对镉的积累,达到了减少镉对黄瓜伤害的效果。但是过量灌溉比水分适宜条件下植株镉积累减少的原因还可能有2个方面:一方面,适宜的土壤水分形成了更为适宜的根区微环境,这使得土壤系统整体环境状况较为优质,这种土壤环境促进了根系活力的提高,增强了土壤微生物活性,因此提高了土壤微生物活化镉的能力,最终影响植株根系,促进根部从土壤吸收更多的镉。另一方面,适宜的土壤水分促进了植物根部的水分传导,这一效应使得根系能够从根际土壤中获取更多的营养成分,这也会提高植株根系从土壤中吸收镉的能力。

综上所述,土壤水分为80%～95%WHC处理下,镉胁迫下黄瓜株高产量增加,叶绿素含量增加,SOD、POD、CAT活性降低,脯氨酸、丙二醛含量降低,可溶性蛋白质含量升高,过量灌溉有利于降低黄瓜植株对镉的积累,促进镉胁迫下黄瓜光合作用,提高黄瓜产量,缓解黄瓜镉胁迫。

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基金:国家重点研发计划子课题资助项目(2017YFD0801104-4);国家大宗蔬菜产业技术体系岗位专家资助项目(CARS-23-C10)