张 茹， 赵宝平*， 王永宁， 乔志刚， 米俊珍， 刘景辉

(1.内蒙古农业大学农学院， 内蒙古 呼和浩特 010020； 2. 内蒙古农牧业生态与资源保护中心， 内蒙古 呼和浩特 010020)

近年随着我国工业化和城镇化快速发展，以及含重金属农药及肥料用量的需求日益增大[1-2]，各类重金属通过地表径流、大气沉降等方式进入土壤[3-4]，造成土壤重金属污染。我国受重金属污染农田面积约占全国耕地总面积的1/5左右[5]，土壤重金属污染可导致土壤肥力下降，降低农产品产量和质量，我国每年因土壤重金属污染问题造成的粮食减产及安全问题逐渐突出[6]，其中以镉污染农田最为普遍，在土壤污染调查报告中表明，镉的点位超标率达7.0%，在无机污染物位居首位[7]。

镉浓度在抑制作物生长的同时，造成作物光合系统与叶绿素荧光随着镉浓度的增加呈现显著降低[8-9]，地上部和地下部富集系数均呈现升高趋势[10]，不同作物对镉的耐性表现不同，同一作物不同品种耐镉程度也有不同，研究主要集中在玉米(ZeamaysL.)[11]、水稻(OryzasativaL.)[12]、小麦(TriticumaestivumL.)[13]等作物中，而在镉浓度下不同品种燕麦(AvenasativaL.)生理响应特性与籽粒富集关系的研究却鲜有报道。燕麦为一年生禾本科(Gramineae)燕麦属[14]，是一种粮饲兼用作物，主要种植于内蒙古、河北、山西等地[15]，因其具有较强抗逆性[16]，常被种植在土质较差或重金属污染农田上[17]，因此研究不同品种饲用燕麦在镉污染农田的种植情况具有良好的应用前景。本研究通过室内试验分析镉浓度对燕麦生长、植株光合作用、镉累积特性和产量的影响，并计算燕麦植株对金属镉的富集系数及植株体内转移系数，明确镉在燕麦体内的富集转运及分布规律，对合理利用农田土壤重金属，估算裸燕麦植株各部分金属含量具有指导作用。以期筛选出低镉积累燕麦品种，为保障农产品质量安全提供有效参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试燕麦品种：‘坝莜1号’(河北省高寒作物研究所培育，生育期86～95 d)、‘燕科2号’(内蒙古自治区农牧业科学院培育，生育期98 d)、‘白燕2号’(吉林省白城市农业科学院培育，生育期80～90 d)，施用肥料为尿素、磷酸二铵；盆栽土为黑炭土与沙子1∶1混合。

1.2 试验设计

试验于2019年8月14日于在内蒙古农业大学燕麦产业研究中心温室进行盆栽试验，播种前对土壤进行不同镉浓度处理，设置0 mg·kg-1，20 mg·kg-1，40 mg·kg-1，60 mg·kg-1，100 mg·kg-15个不同镉浓度处理，镉溶液以CdCl2·5H2O配制相应浓度溶液，将配制好的镉溶液倒入准备盆栽土中，搅拌均匀后装盆(直径18 cm、高25 cm，盆外底部放有托盘防止土壤及水分流失)，每盆土壤重量设置5 kg，再分别加入2 g磷酸二铵、4 g复合肥(N-P2O5-K2O∶15-15-10)作为底肥，稳定半个月于9月1号播种。种子选取健康饱满均匀一致的不同品种种子，首先用1% 次氯酸钠消毒浸泡20 min，再用蒸馏水反复多次冲洗，9月1日播种，9月17日全部出苗后每盆定苗20株，11月7日抽穗期取样，12月16日收获。共15个处理，重复6次。

1.3 测定指标及方法

形态学指标：抽穗期每盆取3株长势均匀的植株，用直尺量取各株株高(cm)，最上部叶面积(cm2)。

产量测定：成熟期取整盆穗部进行手工脱粒，风干后测定种子质量。

干物质测定：成熟期取整盆燕麦植株，采集的燕麦植株用去离子水清洗，吸水纸吸干，样品分为根系、茎秆、叶。放置在105℃烘箱中杀青30 min，65℃烘干至恒重称取干重重量。

植株镉含量测定：成熟期取样后将各部位样品用植物粉碎机粉碎后，称取0.2500 g左右样品，采用HNO3体系消解，采用石墨炉原子吸收分光光度法测定[18]，在整个测定过程中植物样品采用标准样品和空白样品进行全程质量控制。

土壤镉含量测定：收获燕麦的同时，每盆分别用四分法采集表层20 cm土壤样品，自然风干后分别过20 mm尼龙筛，用于测定土壤镉含量。称0.300 0 g于消解罐中，采用HNO3-H2O2-HF微波消解，定容后过滤，用石墨炉原子吸收分光光度法[19]测定溶液镉浓度。

生理指标：在燕麦抽穗期测定光合特性、叶绿素相对值(Soil and plant analyzer develotrnent，SPAD)、叶绿素荧光参数。叶片净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、蒸腾速率(Transpiration rate，Tr)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration，Ci)[20]，选取晴天的上午于9:00—11:00时在红蓝外加光源下测定。每个处理选取3片生长一致的旗叶测定，观测仪器为美国LI-COR公司生产的LI- 6400便携式光合作用测定仪。

叶绿素荧光参数：每盆选取3株长势均匀的最上部叶暗处理20 min后用FMS-2便携式脉冲调制式荧光仪测定[21]。

叶绿素相对值(SPAD)：每盆选取3株长势均匀的最上部叶，用SPAD-502叶绿素测定仪进行测定[20]。

1.4 数据处理

镉的各部位富集系数(Bioconcentration factor，BCF)=作物某部位Cd含量/土壤Cd含量；

镉的各部位转运系数(Translocation factor，TF)=作物某部位Cd含量/作物前一部位Cd含量[22]。

数据采用Microsoft Excel 2016、Origin 9.1软件进行数据处理及图与表的制作，采用IBM SPSS 20统计分析软件进行数据分析，采用LSD法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同镉浓度对燕麦品种形态指标的影响

不同镉浓度与品种两因素对燕麦株高影响差异显著(P<0.01)(表1)。由图1所示，不同镉浓度对燕麦株高影响不同，随着镉浓度的增加，株高呈现先升高后降低趋势，各处理均在20 mg·kg-1镉浓度下达到最高，在20 mg·kg-1镉浓度下，3个品种株高较各对照增加了0.6%～5.8%，高浓度的镉对植物株高有显著抑制作用，100 mg·kg-1镉浓度下株高降幅最大，较对照降低5.0%～9.3%。在不同镉浓度处理下，各品种株高均表现为‘坝莜1号’>‘燕科2号’>‘白燕2号’。除对照外，同一镉浓度处理下的‘坝莜1号’与‘燕科2号’、‘白燕2号’均差异显著(P<0.05)。

表1 品种和浓度对燕麦形态指标的方差分析Table 1 Analysis of variance of oat morphological indexes by variety and concentration

图1 不同镉浓度处理对燕麦形态指标的影响Fig.1 Effects of different cadmium concentration treatments on morphological indices of oat注：图中不同字母表示差异显著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

不同镉浓度与品种两因素对燕麦叶面积影响差异显著(P<0.01)。在20 mg·kg-1镉浓度下3个品种较对照均有所升高，随着镉浓度的增加，叶面积呈现下降趋势，各品种间表现一致。在20 mg·kg-1镉浓度下‘坝莜1号’的叶面积在3个品种中最大，较对照增加3.6%，且高于其他2个品种32.7%，34.4%，在同一镉浓度处理下，‘坝莜1号’与‘燕科2号’、‘白燕2号’均差异显著(P<0.05)。

2.2 不同镉浓度对燕麦品种产量及生物量的影响

不同镉浓度与品种两因素对作物产量影响差异极显著(P<0.01)(表2)。由图2所示，3个品种间镉浓度处理下籽粒产量变化范围在3.13～5.13 g之间，以镉浓度为20 mg·kg-1时产量最高，3个品种间较各对照产量增加2.6%～21.1%，在100 mg·kg-1镉处理下籽粒产量最低。在5种不同镉浓度下，‘坝莜1号’产量较‘燕科2号’增加17.4%，2.5%，18.1%，12.2%，11.7%，较‘白燕2号’增加18.6%，9.0%，22.3%，18.5%，20.4%，且‘坝莜1号’在40 mg·kg-1～100 mg·kg-1镉浓度下与‘白燕2号’籽粒产量差异显著(P<0.05)。

表2 品种和浓度对燕麦产量及生物量的方差分析Table 2 Variance analysis of varieties and concentrations on yield and biomass of oat

图2 不同镉浓度处理对燕麦产量及生物量的影响Fig.2 Effects of different cadmium concentrations on yield and biomass of oat注：图中不同字母表示差异显著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

不同镉浓度与品种两因素对生物量差异极显著(P<0.01)。3个品种变化趋势一致，均在20 mg·kg-1处理下最高，‘坝莜1号’、‘燕科2号’、‘白燕2号’较对照分别增加6.6%，4.6%，3.7%，且均与100 mg·kg-1下生物量差异显著。同一镉浓度下3个品种间生物量均表现为‘坝莜1号’>‘燕科2号’>‘白燕2号’。

2.3 不同镉浓度对燕麦品种光合系统的影响

由表3可知，随着镉浓度的升高，净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度均呈现先升高后降低趋势，3个品种间受镉浓度的影响变化一致但程度不同，均在20 mg·kg-1时达到最大值，在100 mg·kg-1时达到最小。3个品种在20 mg·kg-1镉浓度下净光合速率较各对照增加了1.7%～5.6%，之后随着镉浓度的增大表现下降趋势，在100 mg·kg-1镉浓度下降幅度较各对照达到16.6%～34.9%，且‘坝莜1号’高于‘白燕2号’48.0%，差异显著(P<0.05)；‘坝莜1号’、‘燕科2号’、‘白燕2号’在20 mg·kg-1下蒸腾速率较对照分别增加18.1%，4.7%，5.4%，当镉浓度达到100 mg·kg-1时，‘坝莜1号’、‘燕科2号’、‘白燕2号’蒸腾速率较对照下降6.0%，16.3%，32.4%。在镉浓度为40～100 mg·kg-1下，随着镉浓度的增加，3个品种蒸腾速率较对照下降幅度均增大，但‘坝莜1号’降幅较其他2个品种不明显，‘白燕2号’降幅最大；各品种间气孔导度均在镉浓度为20 mg·kg-1时达到最大，其中‘坝莜1号’在20 mg·kg-1较对照增加3.4%，较‘燕科2号’、‘白燕2号’分别增加1.6%，21.7%；3个品种胞间CO2浓度在20 mg·kg-1镉浓度下均达到最大值，较各对照增加0.4%～3.7%，之后随着镉浓度的增加呈现下降趋势。3个燕麦品种下各镉浓度处理下胞间CO2浓度变化不同，镉浓度为20 mg·kg-1时‘坝莜1号’胞间CO2浓度较‘燕科2号’、‘白燕2号’增加0.1%，10.7%，镉浓度为100 mg·kg-1时‘坝莜1号’胞间CO2浓度仍较‘燕科2号’、‘白燕2号’增加0.6%，7.1%。

表3 不同镉浓度对燕麦光合特性的影响Table 3 Effects of different cadmium stress treatments on photosynthetic characteristics of oat

不同镉浓度和品种处理两因素对燕麦净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度的影响均为极显著水平(P<0.01)，同时两因素的交互作用对蒸腾速率差异显著(P<0.05)。

2.4 不同镉浓度对燕麦品种叶绿素荧光参数的影响

Fv/Fm反应了最大PSII的光能转化效率，在20 mg·kg-1镉浓度下Fv/Fm值达到最大，说明低浓度镉均能促进各品种光合作用PSII中心光能的转化效率，之后随着镉浓度的继续增大Fv/Fm值逐渐降低，在100 mg·kg-1较对照降幅达到0.4%～1.9%。3个品种间‘坝莜1号’较其他2个品种表现较优。

PI为光合性能指数，不同镉浓度对与品种两因素PI影响差异显著(P<0.01)(表4)。在Fv/Fm值受到胁迫还未表现时，PI值已经出现明显变化。随镉浓度的变化3个品种间变化趋势一致，20 mg·kg-1镉浓度下PI值达到最大值，较对照增加0.8%～12.7%，在100 mg·kg-1镉浓度下PI值达到最小值，较对照降低11.5%～25.7%。在20 mg·kg-1和100 mg·kg-1镉浓度下PI值的变化过程中，‘坝莜1号’表现为增幅最大、降幅最少，‘白燕2号’表现为增幅最少、降幅最大的品种。

图3 不同镉浓度处理对燕麦荧光参数的影响Fig.3 Effects of different cadmium stress treatments on Fluorescence parameters of oat注：图中不同字母表示差异显著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

表4 品种和浓度对燕麦荧光参数的方差分析Table 4 Variance analysis of fluorescence parameters of oat by variety and concentration

2.5 不同镉浓度对燕麦品种SPAD值的影响

不同镉浓度与品种两因素对燕麦叶片SPAD值的影响差异极显著(P<0.01)(表5)。由图4可知，随着镉浓度的增加，叶绿素的含量呈先上升后降低趋势，3个品种在20 mg·kg-1镉浓度下SPAD值较各对照增加1.0%～2.1%，之后镉浓度的继续增加导致叶绿素值低于对照，表明随着镉在燕麦植株内的积累，对燕麦的伤害逐渐显现。燕麦品种对不同镉浓度下叶绿素值的变化表现为‘坝莜1号’>‘燕科2号’>‘白燕2号’，在100 mg·kg-1镉浓度下，‘白燕2号’降幅最大，较对照下降2.8%，在同一镉浓度下‘坝莜1号’与‘白燕2号’差异显著(P<0.05)，‘燕科2号’与‘白燕2号’在除0,40 mg·kg-1镉浓度下叶绿素值差异不显著外均存在显著差异(P<0.05)。

表5 品种和浓度对燕麦SPAD的方差分析Table 5 Variance analysis of varieties and concentrations on SPAD of oat

图4 不同镉浓度处理对燕麦SPAD值的影响Fig.4 Effects of different cadmium stress treatments on SPAD value of oat注：图中不同字母表示差异显著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

2.6 不同镉浓度对燕麦品种土壤镉及各部位镉含量的影响

不同镉浓度对土壤镉及燕麦品种镉含量的影响如表6所示，不同部位对土壤中镉的吸收量不同且在3个品种之间存在差异。3个品种在100 mg·kg-1镉浓度下土壤镉含量是各自对照的13.58～14.80倍，在20 mg·kg-1镉浓度下‘坝莜1号’土壤镉含量高于其他2个品种7.9%～11.9%；随着土壤镉浓度的增加各器官对镉的吸收量也不断增加，当镉浓度达到100 mg·kg-1时，3个品种根、茎、叶、籽粒镉含量是各自对照的3.19～3.28倍、3.28～4.02倍、3.52～4.21倍、18.26～25.64倍。‘坝莜1号’各器官在不同镉浓度下吸收量较其他2个品种均为最少且随着镉浓度的增加，籽粒镉含量增加幅度最小，在100 mg·kg-1镉浓度下籽粒镉含量为0.8948 mg·kg-1，较其他2个品种降低了11.2%～38.6%，且与‘白燕2号’差异显著(P<0.05)。

表6 不同镉处理对土壤镉及燕麦各部位镉含量的影响Table 6 Effects of different cadmium treatments on cadmium content in soil and various parts of oat

不同镉浓度和品种处理两因素对燕麦茎、叶、籽粒镉含量的影响均为极显著水平(P<0.01)，同时两因素的交互作用对茎、叶、籽粒镉含量的影响为极显著水平(P<0.01)。

2.7 不同镉浓度对燕麦品种富集系数及转运系数的影响

富集系数反映了土壤重金属-作物系统中不同器官的富集情况，由表7可知，3个品种均表现为在20 mg·kg-1镉浓度下籽粒富集系数最小，且根部是作物镉富集最高部位，其次为茎和叶，最后为籽粒，‘坝莜1号’根、茎、叶、籽粒富集系数较其他两品种降低10.9%～18.6%，37.6%～43.3%，51.9%～60.2%，17.9%～36.3%；转运系数是评价植物器官间运输和富集能力的一种指标，由表8可知，各处理下的转运系数均表现为茎-叶>根-茎>叶-籽粒，且茎-叶转运系数大于1，表明在植株体内时茎向叶的转运最为明显。不同镉浓度对各部位镉富集系数及不同品种对茎、叶、籽粒镉富集系数的影响均达到极显著水平(P<0.01)；不同镉浓度与品种两因素对根-茎及各部位到籽粒转运系数的影响、均达到极显著水平(P<0.01)，且不同镉浓度和品种的交互作用对茎-叶、根-籽粒、茎-籽粒、叶-籽粒均达到极显著水平(P<0.01)。

表7 不同镉处理对燕麦各部位镉富集系数的影响Table 7 Effects of different Cadmium treatments on cadmium enrichment coefficient in different parts of oat

表8 不同镉处理对燕麦各部位镉转运系数的影响Table 8 Effects of different Cadmium treatments on cadmium transport coefficient in Different parts of oat

2.8 燕麦各部位镉富集转运及产量之间的相关性分析

通过相关性分析可知，籽粒镉含量与燕麦产量、根、茎、叶富集系数呈极显著负相关关系，与籽粒镉富集、各部位向籽粒转运系数呈极显著正相关关系(P<0.01)，与光合特性呈极显著或显著负相关关系。净光合速率、蒸腾速率、气孔导度与籽粒镉富集、根-籽粒转运呈极显著负相关关系，与茎-籽粒、叶-籽粒转运呈显著负相关关系。

表9 光合作用与燕麦各部位镉富集转运及产量之间相关性分析Table 9 Correlation analysis between photosynthesis,cadmium enrichment,transport and yield of oats

3 讨论

镉是作物生长中非必需元素，不同镉浓度对作物生长影响不同。适宜的镉添加剂量能增加植株株高、叶长、茎粗[23]，而高浓度的镉添加量会造成燕麦植株矮小、生物量显著降低、株高分蘖减少、叶片发黄等毒害作用[24]。这与本试验研究结果一致，本试验中低量的镉浓度能促进植株的生长，表现在株高、叶面积指标，这可能是植物应激反应造成的[25]，刺激了叶绿素的合成，进而影响光合作用[26]，促进了燕麦生长。在镉含量为高量时各品种下的株高、叶面积均较对照有所下降，这与Obata等[27]研究结果一致。在刘建新等[17]试验中表明，燕麦在50 mg·kg-1镉浓度下株高降低12.0%，本试验中在镉浓度为100 mg·kg-1下株高仅降低9.3%，这可能与土壤类型有关。

本试验结果表明随着镉浓度的增加，燕麦叶绿素含量呈现先升高后降低的趋势。这与张利红[28]等人的研究一致。叶绿素含量降低的原因在于一方面镉可以与相关酶作用导致叶绿素前体合成受到影响，加快叶绿素的降解[29]，另一方面镉使叶绿体微结构遭到破坏，进而降低合成酶的活性，最终减少叶绿素含量[30]。叶绿体色素是植物进行光合作用的重要物质，其含量的多少直接影响光合作用的快慢[31]。因此在本试验中叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳(Ci)光合指标与叶绿素变化趋势一致，其中光合速率下降的原因可能是随着镉添加量的升高，影响了抗氧化酶活性，使酶结构发生改变，丧失活性导致Pn下降，光合作用同化CO2也随之减少，这为非气孔因素；也可能是随着胁迫程度的增加导致气孔关闭增强[32]，为气孔因素。本试验中随着Pn的下降，Gs与Ci值均减少，说明气孔因素是降低Pn的主要因素，这与刘建新等[17]人研究结果一致。镉胁迫使光合作用受到影响同时还表现在叶绿素荧光参数的变化，较高浓度的镉破坏了光系统间的电子传递[33]，导致PSII的光能转换效率受阻，Fv/Fm值降低，这与王瑞波等[34]人研究结果一致。本试验中燕麦在镉不同镉浓度处理下，‘坝莜1号’较‘燕科2号’和‘白燕2号’具有较强光合能力，其主要是由于不同燕麦品种的基因型不同，进而导致对镉的耐性不同[35]。

高浓度的镉浓度不仅会影响植株正常生长，还会影响作物对镉的吸收，最终对可食部位造成污染。前人有关小麦镉富集转运研究中的结果表明，根部富集系数最高，其次为节间叶片及籽粒[36-37]，这与本研究中成熟期燕麦不同部位对镉的吸收规律表现相同，表面重金属在作物体内运输过程中发生阻隔[38]。具体表现为根部是直接接触土壤的部位，对镉的吸收能力较强[39-40]，因此为镉含量最高的器官，之后随着镉在向茎叶转运过程中会在细胞壁上残留[41]，且在木质部运输过程中会与有机物及无机配体结合，最终使向可食部位运输的镉含量逐步减少[42]，导致籽粒为镉含量最低的器官。不同燕麦品种下各部位含镉量也存在差异，前人研究表明，作物对重金属的吸收主要由于外界环境与自身遗传因素共同决定[43]，本试验在温室进行，环境条件保持一致，因此燕麦品种对镉的吸收主要由遗传因素决定，随着镉浓度的增加，‘坝莜1号’表现出较‘燕科2号’和‘白燕2号’更强的稳定性，表明其对镉的耐受程度更强。

4 结论

本研究表明，燕麦镉富集能力在不同部位表现顺序为根>茎>叶>籽粒，其中根部向籽粒转运系数与籽粒镉含量相关系数最大，是籽粒镉含量的主要来源。

品种间主要表现为在镉胁迫下的生理响应及对镉的吸收存在差异，在40～100 mg·kg-1镉浓度下，燕麦各项指标均下降，‘坝莜1号’较‘燕科2号’和‘白燕2号’仍有较强的光合作用促进产量的形成，并且各部位对镉的吸收能力较弱，从而减少籽粒中镉含量，因此品种间耐性强弱表现为‘坝莜1号’>‘燕科2号’>‘白燕2号’。