【精品论文文献】不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究.pdf

华中农业大学 硕士学位论文 不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究 姓名：方华为 申请学位级别：硕士 专业：土壤学 指导教师：唐世荣；涂书新 201106 不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究 摘要 环境问题已经成为当今世界最受公众关注的问题之一，而土壤重金属污染是全 球面临的重大环境问题之一。土壤重金属因其特有的生物毒性和易积累性，对生态 系统和人类健康构成了严重的威胁，其中镉更易被作物吸收并通过食物链富集，进 而威胁食品安全并影响人类健康。目前应对土壤重金属污染的策略主要包括物理、 化学和生物的方法，其中植物修复的方法具有更多的优点，但这种方法对功能植物 筛选的依赖性很强。植物吸收和累积重金属存在显著的植物种间和种内差异，从而 为功能物种的筛选提供了可能。本研究采用盆栽实验的方法，利用方差分析和聚类 分析比较了7 1 种叶菜类蔬菜对土壤镉的吸收积累差异性，利用靶标危害系数法评价 了镉通过食物链积累对人类健康产生的生态风险，以及利用镉污染土壤上蔬菜根系 形态特征进行产地环境安全性评价，得出主要结论如下： 1 镉污染土壤( 1 6m g 蚝d ) 上空一l , 7 葬( ：( i p o m o e aa q u a t i c af o r s k ) 、油麦菜( l a c t u c a s a t i v a ，和生菜( l a c t u c as a l i v al v a r c a p i t a t a 三) 在营养生长期其地上部隔含量变化 规律是升高( 8 叶期卜平衡( 1 2 叶期卜升高( 1 6 叶期卜一平衡( 2 0 叶期) ，最高浓 度出现在营养生长期后期( 本试验中为1 6 叶期) 。 2 同一科属不同品种以及同一品种不同基因型蔬菜地上部生物量对镉的反应 均不同，按差异情况可以将其分成高敏感、敏感、高耐受、耐受和其他等5 类。 ； 3 同一科属不同品种以及同一品种不同基因型蔬菜对c d 的吸收能力也有较大 差异，7 1 种叶菜类蔬菜按地上部( 烘干样) c d 含量根据聚类结果可分为低、中、高、 较高、最高等五个级别，在土壤c d 为2 1 2m gk g 。1 时各级别蔬菜地上部c d 含量范 围：低0 4 5 1 1 6m gk g 、中1 2 7 2 2 9m gk g 一、高2 3 6 2 6 6m gk g 、较高1 4 9 4 1 1 m gk 9 1 和最高4 6 9 - 5 0 4m gk g 。7 1 种蔬菜地上部对c d 的生物富集系数可分为低、 中、高三大类，结果还表明不同浓度c d 对同一种蔬菜的转运系数能产生显著影响， 在土壤c d 为0 3 1 、1 2 0 和2 1 2m gk 9 1 时蔬菜转运系数的变化有依次递减、依次递 增、先增后减、先减后增和无影响等5 种类型，具体情况又因不同蔬菜品种而异。 4 本实验中叶菜类蔬菜对低c d 污染土壤的植物修复潜力不大，7 1 种叶菜类蔬 菜茎叶中最高c d 含量仅为5 0 4m g 蚝，最高c d 累积量仅为7 8 1 “gp o t l ，土壤中 c d 的最高净化率为o 7 4 ( 土壤c d 为2 1 2m gk g d 时) 。 5 在土壤c d 含量为2 1 2m gk g 。1 时，叶菜类蔬菜地上部镉平均含量依次为油麦 菜 生菜 菜薹( b r a s s i c ac a m p e s t r i s 厶s s p c h i n e n s i sv a r u t i l i st s e ne tl e e ) 莴苣 ( l a c t v c as a i v al 1 e t t u c e ) 空心菜 芹菜( a p i u mg r a v e o l e n sl c e l e r y ) 小白菜 ( b r a s s i c ac a m p e s t r i sl v a r c o m m u n i st s e ne tl e g ) 大白菜( b r a s s i c ac a m p e s t r i s 厶s s p p e k i n e n s i s ( l o u r 夕o l s s o n ) 芥菜( b r a s s i c a ，u n c e a ) 香菜( h e r b ac o r i a n d r is a t i v o 苦 苣( c i c h o r i u me n d i v i a l c o m m o n ) 香葱( a l l i u mp o r r u ml 1 e e k ) 甘蓝( b r a s s i c a 华中农业大学2 0 1l 届硕士研究生学位论文 o l e r a c e av a r c a p i t a t af r u b r a ) 木耳菜( g y n u r ac u s i m b u a 似d o 功m o o r e ) 茼蒿 ( c h r y s a n t h e m u ms o r o n a r i u m 三g a r l a n dc h r y s a n t h e m u m ) 苋菜( a m a r a n t h u s m a n g o s t a n u s 厶e d i b l ea m a r a n t h ) 韭菜阴t u b e r o s u mr o t t , e xs p r c h i n e s ec h i v e ) 。 蔬菜对土壤c d 吸收能力按科属分类结果表明，莴苣属蔬菜对c d 的吸收能力最 强，甘薯属、云姜属、芹属、菊苣属为中等吸收能力，而茼蒿属、葱属、落葵薯、 苋属对c d 吸收能力最低。 6 不同蔬菜对人体产生的健康风险因品种而异，试验中叶菜类蔬菜对城区居民 的风险性高于郊区居民。土壤c d 含量- - - - 2 1 2m gk 蛋1 时，油麦菜、生菜、莴苣、芹 菜、香菜和空心菜表现出高的风险性，甘蓝、茼蒿、韭菜、木耳菜和苋菜表现最为 安全。 7 镉对不同蔬菜总根长、根总表面积、根总体积、根平均直径和根尖数等形态 指标能产生显著影响，有刺激作用也有抑制作用，影响程度因品种和土壤c d 含量 不同而异，利用产地环境安全性辅助决策系统对产地环境安全性进行评估具有一定 的可行性，但仍需在原始数据积累和限制条件等方面进一步完善。 上述研究结果对中轻度污染土壤初级农产品安全生产、产地环境重金属污染评 价、植物修复等都具有一定的指导意义。 关键词：镉；蔬菜；品种筛选；靶标危害系数；根系形态 不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a li s s u eh a sb e c o m eo n eo ft h eg r e a t e s tc o n c e m si nt h i sw o r l dt o d a y m o r e o v e r ，h e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o ni ns o i l i so n eo ft h em o s ts e r i o u s g l o b a l e n v k o n r n e n tp r o b l e m s a st h e i ru n i q u eb i o l o g i c a lt o x i c i t ya n de a s ya c c u m u l a t i o n ，h e a v y m e t a l sp o s eas e r i o u st h r e a tt oe c o s y s t e ma n dh u m a nh e a l t h ，c a d m i u mi sm o r ee a s i l yt ob e a b s o r b e db yc r o p sa n de n r i c h e db yf o o dc h a i n ，a n dt h e nt h r e a t e nf o o ds e c u r i t ya n da f f e c t h u m a nh e a l t h t h e r ea r et w os t r a t e g i e st os o l v eh e a v ym e t a lp o l l u t i o np r o b l e m s o n ei s r e m e d i a t i o na n dt h eo t h e ri ss e l e c t i o na n db r e e d i n go fh e a v ym e t a lp o l l u t i o n s a f ec u l t i v a r s a sp l a n t su p t a k ea n da c c u m u l a t eh e a v ym e t a l sp r e s e n ts i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sa m o n ga n d w i t h i ns p e c i e s ，i t p r o v i d e st h ep o s s i b i l i t yo fs p e c i e ss e l e c t i o n i nt h i ss t u d yap o t e x p e r i m e n tw a su s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h r e ed e g r e e so fc dt o71u s u a l v e g e t a b l e s g r o w t h , a n dd i f f e r e n c e so fa b s o r p t i o na n da c c u m u l a t i o no fc a d m i u ma n d v e g e t a b l er o o tm o r p h o l o g yc h a r a c t e r s s t a t i s t i c a la n a l y s i sw a sc a r r i e do u tb ya n o v aa n d c l u s t e ra n a l y s i s m e a n w h i l e ，t a r g e th a z a r dq u o t i e n t ( t h q ) w a su s e dt oe v a l u a t et h e h e a l t hr i s k so fc di nt h e s ev e g e t a b l e s ，a n de n v i r o n m e n t a ls e c u r i t yd e c i s i o na s s i s t a n t s y s t e mw a sb u i l dt oe v a l u a t ef i e l de n v i r o n m e n t a ls e c u r i t y t h ep o te x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a t ： 1 c dc o n c e n t r a t i o ni nt h es h o o t so fi p o m o e aa q u a t i c a ( i p o m o e aa q u a t i c af o r s k ) 、 l e a f - u s e dl e t t u c e ( l a c t u c as a t i v al ) a n dr o m a i n e ( l a c t u c as a t i v al v a r c a p i t a t al ) c h a n g e sd u r i n gt h e i rv e g e t a t i v eg r o w t hg e n e r a l l yf o l l o w e dt h eo r d e r ：i n c r e a s e d ( 8l e a v e s s t a g e ) 瓯a b i l i z e d ( 12l e a v e ss t a g e ) i n c r e a s e d ( 16l e a v e ss t a g e ) s 缸l b i l i z e d ( 2 0l e a v e ss t a g e ) ，t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o na p p e a r si nt h el a t ev e g e t a t i v es t a g e ( 16l e a v e s s t a g ei nt h i ss t u d y ) ，n oo b v i o u si n j u r e ds y m p t o mw a so b s e r v e d 2 e f f e c t so fc do nt h ev e g e t a b l eb i o m a s ss h o w e ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sw i t h i na n d a m o n gs p e c i e s ，d i f f e r e n c e si nt h es i t u a t i o nc a nb ec l a s s i f i e di n t oh i g h l ys e n s i t i v e ，s e n s i t i v e ， t l i g ht o l e r a n t ，t o l e r a n t ，a n dt h eo t h e r 3 i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a td i f f e r e n tv e g e t a b l e sh a dd i f f e r e n ta c c u m u l a t i o na b i l i t i e s f o rc d a c c o r d i n gt ot h ec o n c e n t r a t i o no fc di nt h es h o o t s ，t h e s e7 1l e a f yv e g e t a b l e sc a n b ec l a s s i f i e di n t ol o w , m e d i u m ，h i g h ，h i g h e ra n dh i g h e s tc l u s t e r s u n d e r2 12m gk g 1 c d e x p o s u r e ，c o n c e n t r a t i o n so fc di nl o w - l e v e l w a si nar a n g eo f0 4 5 - 1 16m gk g ， m e d i u m l e v e1 1 2 7 2 2 9m gk g 一，h i g h - l e v e l2 3 6 - - 2 6 6m gk g ，h i g h e r - l e v e l1 4 9 4 1 1 m gk 分1 a n dh i g h e s t - l e v e l4 6 9 - 5 0 4m gk g 1 kb i o c o n c e n t r a t i o nf a c t o r so ft h e s e7 1 v e g e t a b l e sc a nb ed i v i d e di n t ol o w , m e d i u ma n dh i g hc a t e g o r i e s w ea l s of i n dt h a tc dc a n s i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h et r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h es a m ev e g e t a b l e w h e ne x p o s u r et o 0 31 ，1 2 0a n d2 12m gk g - 1o fc d ，t h et r a n s f e rc o e f f i c i e n to fv a r i o u sv e g e t a b l e sh a s d e c r e a s e di nt u r n , a s c e n d e di nt u r n ，f i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ，f i r s td e c r e a s e da n d t h e ni n c r e a s e d ，a n d1 1 0e f f e c tt o t a l l y5t y p e s ，c i r c u m s t a n c e sv a r yf o rd i f f e r e n tv a r i e t i e so f v e g e t a b l e s 4 i nt h i ss t u d y , i tw a sc o n c l u d e dt h a tl e a f yv e g e t a b l e sh a v el i t t l ep o t e n t i a lo nt h e i u 华中农业大学2 0 11 届硕士研究生学位论文 p h y t o r e m e d i a t i o no fc a d m i u mc o n t a m i n a t e ds o i l ，t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o no fc d i ns h o o t s o fv e g e t a b l e si s5 0 4m g k g 一，t h eh i g h e s ti n t a k eo fc db yv e g e t a b l ec u l t i v a r sw a s7 81 f - t g p o f l ，t h eh i g h e s tp u r i f i c a t i o nr a t i oo fc a d m i u mi ns o i lw a s0 7 4 ( s o i lc d ：2 1 2m g k g 。1 ) 5 u n d e r2 1 2m gk g c de x p o s u r e ，c dc o n c e n t r a t i o ni ns h o o t so ft h e s ev e g e t a b l e s w e r ew e a k e n i n gf o l l o w e dt h eo r d e r ：l e a f - u s e dl e t t u c e r o m a i n e f l o w e r i n gc h i n e s e c a b b a g e ( b r a s s i c ac a m p e s t r i s 厶s s p c h i n e n s i sv a r u t i l i st s e ne tl e e ) l e t t u c e ( l a c t v c a s a i v al 1 e t t u c e ) i p o m o e aa q u a t i c a c e l e r y ( a p i u mg r a v e o l e n sl c e l e r y ) c o l e ( b r a s s i c ac a m p e s t r i slv a t c o m m u n i st s e ne tl e e ) c h i n e s ec a b b a g e ( b r a s s i c a c a m p e s t r i s 厶s s p p e k i n e n s i s ( t o u r ) o l s s o n ) s h e p h e r d sp u r s e ( b r a s s i c aj u n c e a ) c o r i a n d e r ( h e r b ac o r i a n d r is a t i v 0 c o m m o ns o w t h i s t l e ( c i c h o r i u me n d i v i a l c o m m o n ) c h i v e ( a l l i u mp o r r u m 三1 e e k ) k a l e ( b r a s s i c ao l e r a c e av a r c a p i t a t af r u b r a ) m a l a b a r s p i n a c h ( g y n u r ac u s i m b u a ( nd o n ) sm o o r e ) c h r y s a n t h e m u m ( c h r y s a n t h e m u ms o r o n a r i u m 三g a r l a n dc h r y s a n t h e m u m ) a m a r a n t h ( a m a r a n t h u s m a n g o s t a n u s l e d i b l ea m a r a n t h ) l e e k 口t u b e r o s u mr o t t , e xs p r c h i n e s ec h i v e ) 。 6 d i f f e r e n tv e g e t a b l e sh a v ed i f f e r e n tr i s k sd u et od i f f e r e n tc u l t i v a r s ，u r b a nr e s i d e n t s h a v eh i g h e rr i s k st h a nr u r a lr e s i d e n t sb ye a t i n gt h es a m ev e g e t a b l e s u n d e r2 12m g k g c de x p o s u r e ，l e a f - u s e dl e t t u c e ，r o m a i n e ，l e t t u c e ，c e l e r y , c o r i a n d e ra n di p o m o e a a q u a t i c as h o w e dh i g hr i s k st oh u m a nh e a l t h ，h o w e v e r , k a l e ，c h r y s a n t h e m u m ，l e e k ， m a l a b a rs p i n a c ha n da m a r a n t hw e r es a f e rt h a no t h e r s 7 r o o tv o l u m e ，l e n g t h ，s u r f a c ea r e a , t i pn u m b e r sw e r es i g n i f i c a n t l ye f f e c t e db yt h e p r e s e n c eo fc d t h e yw e r ei n h i b i t e do rs t i m u l a t e d ，d e t e r m i n e db yc u l t i v a r sa n ds o i lc d c o n c e n t r a t i o n i tw a sf e a s i b l et oa s s e s sf i e l de n v i r o n m e n t a lb ye n v i r o n m e n t a ls e c u r i t y d e c i s i o na s s i s t a n ts y s t e m ，b u ti t sf u r t h e ra p p l i c a t i o nn e e dm o r er a wd a t aa c c u m u l a t i o n a n di m p r o v e m e n to fr e s t r i c t e dc o n d i t i o n s t h er e s u l t so ft h i ss t u d yc a r l _ p r o v i d ed e t a i l e di n f o r m a t i o nt ot h ep r i m a r yp r o d u c t i o n o fa g r i c u l t u r a ls o i l s ，a s s e s s m e n to fe n v i r o n m e n t a l h e a v y m e t a l p o l l u t i o n a n d p h y t o r e m e d i a t i o n k e yw o r d s ：c a d m i u m ；v e g e t a b l e ；s c r e e n i n go fc u l t i v a r s ；t h q ；r o o tm o r p h o l o g i c a l t r a i t s i v 不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究 v 不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究 第一章文献综述 1 镉污染现状 1 1 土壤镉污染现状 随着工业“三废”和城市生活垃圾的排放，矿物的开采和冶炼，含重金属废水灌 溉农田以及含重金属的农药、化肥的不合理使用，我国农田土壤中的重金属含量持 续增加，蔬菜地土壤受重金属的污染日益严重( 胡超等，2 0 0 7 ) 。我国每年因重金属 污染导致的粮食减产超过1 0 0 0 万吨，被重金属污染的粮食多达1 2 0 0 万吨，合计经 济损失至少2 0 0 亿元( 韦朝阳等，2 0 0 1 ) 。据农业部环境监测系统近年的调查，我国 2 4 个省( 市) 城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区的3 2 0 个重点污染区中， 污染超标的大田农作物种植面积为6 0 6 万耐，占调查总面积的2 0 。其中重金属 含量超标的农作物种植面积约占污染物超标农作物种植面积的8 0 以上，尤其是p b 、 c d 、h g 、c u 及其复合污染最为突出( 孙波等，2 0 0 3 ) 。 特别是2 0 世纪以来，随着全球工业化和城市化的飞速发展，许多国家相继出现 了菜地土壤重金属污染和超标问题，对蔬菜生产和品质安全带来了较大影响，并通 过食物链威胁到人类健康( k r i s h n a m u r t ie ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 在各种重金属污染中，镉由于生物毒性高且分布范围广，其污染显得尤为严重 ( 杨苏才等，2 0 0 6 ；杨志艺等，2 0 0 9 ) 。z e n g 等( 2 0 0 8 ) 广泛收集并整理了1 9 8 9 年以 来中国蔬菜地土壤重金属含量的数据和相关信息，结果显示，中国菜地土壤重金属 含量与全国土壤背景值相比出现了明显的富集累积，且以c d 和h g 的累积较为明显， 与国家土壤质量i i 级标准g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 ( 6 5 豆类和果菜类蔬菜( a l e x a n d e re ta 1 ，2 0 0 6 ；黄雅琴等，1 9 9 5 ；欧阳喜 辉等，2 0 0 8 ) 。汪雅谷等( 1 9 8 5 ) 用生物富集系数( 即植物中某污染物含量占土壤中该污 染物含量的百分率) 来对蔬菜吸收重金属c d 能力进行分类：第l 类是低富集蔬菜( 富 集系数 1 5 ) ，包括黄瓜、豇豆、冬瓜等，第2 类是中富集的蔬菜( 富集系数 4 5 ) ，包括 菠菜、芹菜、小白菜等。k u b o i 等( 1 9 8 6 ) 根据植物体内镉吸收含量将其分类为：1 低 镉积累植物( 豆科) ，2 中等镉积累植物( 禾本科、百合科、葫芦科和伞形科) ，3 高镉 积累植物( 藜科、十字花科、茄科、菊科) 。 3 2 3 镉在蔬菜不同部位积累的差异 不同蔬菜对重金属污染物在株体各器官内的迁移累积有差异，且具有一定分布 类型傍专雅琴等，1 9 9 5 ) 。有研究者认为大多数植物趋于将重金属限制在地下部，而 仅有少量重金属被转移至地上部( k i me ta 1 ，1 9 8 8 ；m o r e n o c a s e l l e se ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 c a t a l d o 等( 1 9 8 1 ) 研究发现大豆根系能强烈固定重金属镉，而仅有2 的镉被运送至叶 片。但其他的研究者得出的结论则不完全相同，y a r g h o l i 等( 2 0 0 8 ) 研究了7 种蔬菜不 同部位对镉的吸收积累差异，发现镉在这些蔬菜地上部( 茎和叶) 的积累量高于地下 部( 根系) ，并与其他研究结果相同( f a z e l ie ta 1 ，1 9 9 8 ；s a n i t ad it o p p ie ta 1 ，1 9 9 9 ) ，他 6 不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究 们认为镉作为高生物活性重金属，容易被植物吸收并根系及木质部转移至地上部。 而l i u 等( 2 0 0 9 ) 研究4 0 种小白菜对镉的吸收积累差异，发现其转运系数( t f ，即植物 地上部重金属含量和地下部含量之比) 差异极显著，在土壤镉浓度2 5m gk g 。1 时t f 从o 6 6 变化到1 9 6 。总之，不同蔬菜对重金属镉的吸收积累和体内分布因蔬菜种类 不同而有所差异。 总之，植物在吸收和富集重金属能力上，不仅表现出显著的种间差异，也表现 出了显著的种内差异即基因型差异，因此物种筛选已成为国际农业生物与环境科学 交叉的前沿领域，对解决我国大面积农田中轻度污染初级农产品( 如蔬菜) 安全生产 矛盾问题具有重大意义( 唐世荣，2 0 0 9 ；刘维涛，2 0 1 0 ) 。 4 镉污染的风险评价 4 1 镉污染蔬菜的风险评价 镉是一种生物有效性高、积累性强且剧毒的重金属元素，通过食物链积累，人 体某些器官中的镉含量随着年龄的增长而增加( 陈怀满，1 9 9 6 ) 。镉易通过农作物途 径进入人体并对人的健康造成毒害，联合国粮农组织( f a o ) 和世界卫生组织( w h o ) 专家委员会共同推荐的重金属日摄入限量值( p t d i ，p r o v i s i o n a lt o l e r a b l ed a i l yi n t a k e s ) 中推荐镉的p t d i 值为1l x g f f l k g 以b w 。然而，通过食物链进入人体的镉量受很多因素 的影响，如食物性质及镉含量、食物消费水平、暴露时间和目标群体等，因此评估 镉通过食物链对人体产生的健康风险具有一定的困难( 宋波等，2 0 0 6 ) ，目前应用较 为广泛的是利用靶标危害系数法( t a r g e th a z a r dq u o t i e n t s ，t h q ) ，靶标危害系数是一 种用于人体通过食物摄取重金属风险的评估方法，参考美国整合风险信息系统 ( i n t e g r a t e d 砌s ki n f o r m a t i o ns y s t e m ，u s e p a ，i r i s ，2 0 0 8 ) ，t h q 1 时认为人体负 荷的重金属对健康造成的影响不明显( w a n ge ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 4 2 镉污染土壤的风险评价 环境质量是影响农产品产品质量的基础因素之一，我国国家标准土壤环境质 量标准( g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 ) 和行业标准食用农产品产地环境质量评价标准 ( h j 3 3 2 2 0 0 6 ) 9 是土壤环境质量评价的主要依据，产品产地环境质量评价指标体系主 要包括空气、水和土壤等三类，一般选择相对毒性强、难于在环境中降解、对动植 物生产影响较大、对人体健康和生态系统危害较大的污染物，以及反映环境要素基 本性质的其它因子作为评价指标，评价方法一般采用单项质量指数和综合质量指数 法，根据食用农产品产地环境质量评价标准( h j 3 3 2 2 0 0 6 ) 9 之规定，食用农产品产 地环境质量评价中严格控制的项目，应依据各单项质量指数进行评定，随着土壤中 重金属尤其是镉污染的日益严重，镉已经被列为食用农产品产地环境质量评价中严 格控制的项目。 7 华中农业大学2 0 1 1 届硕士研究生学位论文 第二章选题依据和研究内容 弟一早迈赵愀惦不u 研氕州奋 1 选题依据 由于矿山开发、金属冶炼、工业三废排放、农田污水灌溉及大气沉降等诸多因 素的共同影响，目前在世界范围内，重金属污染问题相当严重，已经成为当今世界 最难解决的困难之一( b e n a v i d e se ta 1 ，2 0 0 5 ) 。其中c d 的污染情况尤为严重，过量的 c d 一旦进入环境和食物链，就会对整个生态环境和生物健康带来极大的危害，镉因 其较强的化学活性和生物毒性，更易通过食物链积累而损害人体健康( g r a n te ta 1 ， 2 0 0 8 ) 。人体中的镉大约7 0 来自于食品中的蔬菜，而蔬菜作物或其可食用部分中积 累的镉主要来源于菜园土壤( 刁维萍等，2 0 0 3 ) ，叶菜类蔬菜相对其他蔬菜对重金属 有更强的富集能力( 薛艳等，2 0 0 5 ) 。植物在吸收和富集重金属能力上，不仅表现出 显著的种间差异，也表现出了显著的种内差异即基因型差异，因此物种筛选己成为 国际农业生物与环境科学交叉的前沿领域，对解决我国大面积农田中轻度污染初级 农产品( 如蔬菜) 安全生产矛盾问题具有重大意义( 唐世荣等，2 0 0 9 ) 。 以高等植物根伸长抑制率进行土壤污染生态毒理效应研究，是从生态学角度衡 量土壤健康质量的重要方法之一，是对化学法评价土壤质量与土壤污染的重要补充 ( 宋玉芳等，2 0 0 2 ) 。目前关于重金属对蔬菜的单一和复合污染的研究较多，而这些 研究大多着眼于重金属含量和生理毒害方面，而在重金属对根系形态的影响差异和 根系形态图谱的建立方面较为缺乏。另外由于目前农用地土壤( 如天津市东丽区等) 重金属的污染情况较为广泛，如何安全开发利用这些低污染农田，建立重金属污染 农田场地环境评价体系，低污染农田毒性指示植物和功能物种的筛选以及作物种植 结构的调整等将越来越值得关注f 唐世荣，2 0 0 9 ) 。以往的蔬菜筛选实验大多在人工 污染土壤上进行，外源添加镉活性强，易积累，不能代表自然污染土壤实际环境， 且镉浓度梯度设定较为单一，并且前人筛选工作蔬菜品种较少，科属分布范围小， 不能概括不同种属和不同品种之间的差异情况。 鉴于此，本实验选取不同科属和同一科属不同基因型共计7 1 种常见蔬菜，于无 污染、中污染和高污染三种镉浓度土壤上进行处理，比较不同品种蔬菜吸收镉的差 异性及镉对蔬菜根系形态的影响，以期建立镉对不同品种蔬菜根系形态图谱影响的 数据库，为重金属污染农田场地环境评价标准提供参考，并为重金属污染农田毒性 指示植物库的构建提供原始数据，还可为重金属污染农田功能物种筛选、作物种植 结构调整、农业产地禁产区“边生产、边修复、边监测”的综合防治途径提供理论依 据。 8 不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究 2 研究内容 本研究以常见叶菜类蔬菜为对象，分析蔬菜对镉吸收的阶段性特征并判定蔬菜 体内镉含量达最大值的最佳取样时间，比较7 1 种叶菜类蔬菜对镉吸收、积累的差异 性及人类健康产生的风险，初步探索利用镉污染土壤上蔬菜根系形态特征进行产地 环境安全性评价，具体研究内容如下： ( 1 ) 镉污染土壤上蔬菜体内镉含量及其根系形态的阶段性特征 ( 2 ) 不同品种蔬菜对污染土壤上镉吸收含量的差异比较，包括根系含量、地上部含量 以及转运系数等的影响比较 ( 3 ) 镉对污染土壤上蔬菜根系形态的影响比较 ( 4 ) 筛选出镉胁迫最敏感和最不敏感植株 ( 5 ) 镉低污染土壤上蔬菜生态风险评价 ( 6 ) 利用蔬菜根系形态进行产地环境安全性评价 9 华中农业大学2 0 1 1 届硕士研究生学位论文 3 技术路线 图2 - 1 技术路线 f i g 2 - 1t h et e c h n o l o g yr o u t eo ft h i se x p e r i m e n t l o 不同品种蔬菜对镉的吸收及根系形态特征研究 第三章土壤镉污染条件下不同生长阶段蔬菜对镉的吸收 - “l 1 月i j 吾 随着社会经济的发展，粮食安全问题越来越受重视，如何有效规避重金属污染 受到了国内外学者的广泛关注。目前我国部分地区土壤中镉污染十分严重，污染面 积近10 0 0 万公顷( 徐应明等，2 0 0 3 ) ，在第二次全国污灌普查中，镉污染面积占重 金属污染超标土壤面积的5 6 9 ( 杨肖娥等，2 0 0 3 ) 。与其他重金属相比，镉更易被作 物吸收并通过食物链富集( b e n a v i d e se ta 1 ，2 0 0 5 ；b u r g e r ，2 0 0 8 ；w a g n e r ，1 9 9 3 ) ，进而威 胁食品安全并影响人类健康( z h u a n g e ta 1 ，2 0 0 9 ) 。研究表明，人体中的镉大约7 0 来 自于食品中的蔬菜，蔬菜作物或其可食用部分中积累的镉主要来源于菜园土壤( 刁维 萍等，2 0 0 3 ) 。 为缓解和修复土壤中的重金属污染，科学家们已经研究了物理、化学和生物等 不同的修复方法，植物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是利用绿色植物来转移、容纳或转化 污染物使其对环境无害的一种方法，是一种很有潜力、正在发展的清除环境污染的 绿色技术，其中植物萃取( p h y t o e x t r a e t i o n ) 是目前研究最多、最有发展前景的方法， 即利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并运移至植物地上部，通过收割地上 部物质带走土壤中污染物的一种方法( 唐世荣，2 0 0 6 ) 。植物修复的效率与修复植物 体内重金属含量、植株重金属积累量以及植物种植茬数等有关。 镉在作物中的吸收、迁移、运输、分配以及对作物的毒害阈值和机理等方面， 已取得了较大的研究进展( 丁园等，2 0 0 9 ) ，但是在不同生长阶段镉对植物的影响， 尤其是蔬菜对重金属镉吸收的阶段性特征等方面鲜有报道( p e r a l t a - v i d e ae ta 1 ， 2 0 0 4 ) 。探究不同生长阶段蔬菜对重金属镉吸收积累的情况，有利于证明蔬菜的安全 食用是否具有阶段性特征，即蔬菜不同的生长阶段其体内重金属镉含量也不同，可 以为低含量镉污染农田上蔬菜的生产收获提供理论参考，同时也能缩短修复植物的 种植时间和增加种植茬数，为提高农作物作为土壤重金属镉修复植物的修复效率提 供理论依据。 鉴于此，本文采用盆栽试验的方法，选取三种最常见叶菜类蔬菜，探讨土壤镉 污染条件下蔬菜对镉的吸收是否具有阶段性特征，主要是为了鉴定何时取样，使蔬 菜对镉的吸收达到最大值后再统一取样分析，以方便对比研究。 2 材料与方法 2 1 试验材料 试验用蔬菜种子为广东四季香油麦菜、兴运软尾生菜、大叶空心菜，由青县兴 运种苗蔬菜种子站生产，生长期均为4 5 天左右。 镉污染土壤采白天津市东丽区( 图3 1 ) ，土壤镉平均含量为1 6m gk g 1 ，高于土 华中农业大学2 0 11 届硕士研究生学位论文 壤环境质量国家标准g b l 5 6 1 8 - - 1 9 9 5 中规定的二级标准2 7 倍，采集后在室内风干， 磨细过2 m m ( 1 0 目) 筛，装盆待用。全氮、磷、钾含量分别为1 5 7 、0 5 8 、2 2 4 1gk g 一， 有机质含量3 9 6 8gk 9 1 ，c e c 为1 6 8 2c m o lk g ，p h 值( 水土比2 5 ：1 ) 为8 0 4 。 图3 - 1 实验用土采集地点 f i g 3 - 1l o c a t i o no ft h es o i lu s e di nt h i ss t u d y 2 2 试验设计 试验在农业部环境保护科研监测所生态毒理与环境修复研究中心( 天津) 的人工 气候室中进行( 图3 2 ) ，气候室控制温度为2 5 士5 ，湿度为6 0 士1 0 ，光强2 4 0 士2 6 1 t m o 蚶s ，每天光照时间1 6h 。试验采用盆栽方式进行( 塑料盆钵高9c m ，直径8e m ) ， 依照土壤含镉浓度设1 个镉浓度水平( 1 6m gk g 。1 ) ，每盆装土0 5k g ，按no 3 0gk g 、 p0 2gk g 1 和k0 3 0g 埏。1 的比例，分别以分析纯的c o ( n h 2 ) 2 、k h 2 p 0 4 和k 2 s 0 4 为肥源施加底肥。保持土壤水分为田间持水量的7 5 并平衡一周，梅花布点方式直 播，待植物长出3 片真叶时，定苗，每盆留1 株。3 种供试植物，分4 叶期、8 叶期、 1 2 叶期、1 6 叶期、2 0 叶期共5 个阶段采