全 文 ：锌肥对不同基因型大麦吸收积累镉的影响 3
朱永官
(中国科学院生态环境研究中心土壤环境研究室 ,北京 100085)
【摘要】　对土壤添加不同 Zn、Cd 条件下两种基因型 (Sahara 和 Clipper) 大麦对 Zn、Cd 的吸收积累研究表
明 ,在本实验条件下土壤添加 Zn、Cd 对植物地上部生物量没有显著影响 ,但土壤添加 Zn 抑制植物根系生
长. 在土壤不缺 Zn 情况下添加 Zn < 20 mg·kg - 1时并没有对大麦体内 Cd 浓度产生显著影响 ;当土壤 Zn 添
加量达到 40 mg·kg - 1时 ,植物体内 Cd 浓度明显降低. 植物吸收 Cd 的总量随着土壤添加 Zn 的增加而显著
下降 ,这主要是由于根系生物量的下降所致. 两个基因型大麦品种 Zn 效率存在显著差异 ,但这一差异对植
物吸收 Cd 的总量没有影响. Zn 高效品种 Sahara 根部 Cd 浓度显著低于 Clipper.
关键词 　Cd 吸收 　Zn 效率 　基因型 　大麦 　Zn2Cd 交互作用
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 11 - 1985 - 04 　中图分类号 　X171. 5 　文献标识码 　A
Effect of zinc fertilization on cadmium uptake and accumulation in two barley ( Hordeum vulga re) cultivars.
Zhu Yongguan ( Research Cent re f or Eco2Envi ronmental Sciences , Chinese Academy of Sciences , Beijing
100085) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (11) :1985～1988.
A pot experiment was carried out in a greenhouse to investigate the interactive effects of Zn2Cd on the growth
and the uptake of Cd and Zn by two barley genotypes (Sahara and Clipper) . The results showed that under the
conditions of this experiment ,adding Cd and Zn had no significant effect on the shoot biomass of either cultivars ,
but applying Zn tended to reduce the root biomass of both cultivars. With the amount of less than 20 mg·kg - 1 ,
Zn addition did not affect Cd concentration in plant tissues ; while at 40 mg·kg - 1 ,it decreased Cd concentrations
significantly in plant tissues of both cultivars. Total Cd uptake by both cultivars decreased with increasing in Zn
application , mainly due to the decrease in root biomass. The two genotypes were significantly different in Zn up2
take , but this difference did not affect Cd uptake. Cd concentration in roots of Zn2efficient cultivar Sahara was
lower than that of Zn2inefficient cultivar Clipper.
Key words 　Cadmium uptake , Zinc efficiency , Genotype , Barley , Zn2Cd interaction
3 中国科学院“百人计划”资助项目和国家重点基础研究发展规划项
目 (2002CB410808) .
2002 - 09 - 20 收稿 ,2003 - 02 - 18 接受.
1 　引 　　言
磷肥的长期使用和工矿业活动 (污水、大气飘尘
等)可以导致农业土壤的 Cd 污染. 土壤中的 Cd 可
以通过农作物的根系吸收及其在可食部分的积累而
对人体健康产生严重危害. 土壤 Cd 污染引起区域
人群中毒和发病的例子很多 ,其中最著名的是发生
在日本富山县神通川流域的“痛痛病”. 在我国由于
土壤和水体 Cd 污染导致人体健康的危害也时有报
道[1 ,8 ] .据估计 ,我国农田 Cd 污染面积大约在 9333
～13333 hm2 之间[12 ] . Cd 污染土壤的主要治理途径
有 :物理和化学法、植 (生) 物修复、农作物种类及品
种选择和农田管理措施等. 根据土壤污染程度 ,土壤
性质和农业生态系统的不同 ,上述治理途径各有优
缺点. 通过调节土壤养分状况 (尤其是微量元素) 和
筛选或培育对 Cd 具有低吸收、低积累的农作物品
种对削减中低污染土壤中 Cd 向食物链的传递具有
现实意义.
Cd2Zn 交互作用一直受到国内外土壤学和植物 营养学界的关注. Cd2Zn 的交互作用可以是叠加、颉　或无直接相关[2 ,7 , 9 ,10 ,13 ] ,但是最为常见的研究结果是两者的颉 　作用. Cd2Zn 交互作用涉及土壤化学反应过程 (吸附2解吸)和根系吸收过程. 锌肥施用对植物吸收积累 Cd 的影响可能与土壤 p H、土壤供 Zn 状况、作物品种或种类、陪伴阴离子种类等因素有关. 为了进一步理解土壤2植物系统中 Cd2Zn 交互作用的机理 ,有必要研究不同基因型作物在不同Zn 水平下对土壤中 Cd 的吸收积累. 本实验选用两个大麦品种来研究不同土壤供 Zn 水平下植物对土壤中 Cd 吸收的基因型差异 ,以及土壤 Cd 污染对植物吸收积累 Zn 的影响.2 　材料与方法　　本实验所用土壤为采自澳大利亚南澳州的石灰性土壤 .该土壤 p H 为 8. 7 (土水比为 1∶5 ,0. 01 mol·L - 1 CaCl2 溶
应 用 生 态 学 报 　2003 年 11 月 　第 14 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2003 ,14 (11)∶1985～1988
液) ,土壤有机碳含量为 0. 78 % , NaHCO3 - 提取态磷为 25
mg·kg - 1 , 土壤总 Zn 含量为 12 mg·kg - 1 . 盆栽实验所用基
肥为硝酸氨 0. 3 g·kg - 1 ,硫酸钾 0. 174 g·kg - 1 . Cd 的添加量
为 0 或 20 mg·kg - 1 , Zn 的添加量为 0、2、8、20 和 40 mgg·
kg - 1 .所有药品均以溶液形式加入 ,并与土壤充分拌匀. 每盆
装土 1 kg ,每个处理设 3 个重复. 实验材料为两个基因型的
大麦品种 (Sahara 和 Clipper) .
　　实验在可控温温室进行 ,温度为 25 ±2 ℃. 植物在出苗
后 6 周收获. 植物根系和地上部在 70 ℃烘干 48 h. 植物样品
烘干后称重并记录干重. 植物烘干样经粉碎后用浓硝酸2高
氯酸混合液消解. 消解液用等离子发射光谱仪测定样品中
P、Zn、Cd 的含量.
3 　结果与分析
311 　植物生物量的积累
　　从表 1 可以看出 ,土壤添加 Cd 和 Zn 对大麦地
上部生物量没有显著影响. 土壤添加 Cd 后两个基
因型大麦根系生物量变化不一样 ,即 Clipper 有所增
加 ,而 Sahara 有所降低. 添加 Zn 则显著降低两个基
因型大麦的根系生物量. 两种基因型大麦的地上部
生物量没有显著差异 ,但是品种 Sahara 的根系生物
量明显高于 Clipper 的根系生物量 ,因此 Sahara 的
根/ 冠比显著高于 Clipper. 这一研究结果与过去砂
培实验的结果相一致[17 ] .
表 1 　盆栽条件下 Cd、Zn 交互作用对两种基因型大麦生长的影响
Table 1 Biomass production of t wo genotypes of barley grown in pot
culture with different application rates of Zn and Cd ( g·pot - 1)
处理
Treatment (mg·kg - 1)
Cd Zn
地上部 Shoot
Clipper Sahara
根 root
Clipper Sahara
0 0 1. 00 0. 99 0. 65 1. 02
0 2 0. 87 1. 00 0. 65 0. 91
0 8 1. 12 0. 88 0. 64 0. 76
0 20 1. 01 0. 90 0. 51 0. 72
0 40 0. 92 1. 12 0. 45 0. 65
20 0 0. 97 0. 84 0. 75 0. 72
20 2 0. 95 0. 87 0. 57 0. 74
20 8 0. 95 0. 88 0. 48 0. 72
20 20 1. 02 0. 90 0. 46 0. 64
20 40 1. 01 0. 95 0. 54 0. 66
ANOVA 统计分析结果 ANOVA analysis
Cd(C) NS P = 0. 017
基因型 Genotype ( G) NS P < 0. 001
Zn (Z) NS P < 0. 001
Cd ×基因型 C ×G NS NS
Cd ×Zn C ×Z NS NS
基因型×Zn G×Z NS NS
Cd×Zn ×基因型 C×Z×G NS NS
312 　大麦对 Cd 的吸收积累
　　在土壤未添加外源 Cd 的情况下 ,大麦体中 Cd
的浓度低于检测限 ,表明供试土壤没有受到 Cd 污
染. 从表 2 可以看出 ,在 Zn 添加量介于 0～20 mg·
kg - 1之间 ,增加供 Zn 量并没有显著影响植物体内
Cd 的浓度. 当土壤中 Zn 的添加量达到 40 mg·kg - 1
时 ,两种基因型大麦根和地上部的 Cd 浓度显著下
降. 图 1 显示了大麦体内 Cd 的积累总量 ,表明随着
土壤添加 Zn 的增加两种基因型大麦体内 Cd 的积
累量明显下降. 不同基因型大麦对土壤 Cd 的吸收
积累有一定差异 ,但未达显著水平.
表 2 　土壤施用锌肥对两种基因型大麦体内 Cd浓度的影响
Table 2 Effect of Zn application on Cd concentrations ( mg·kg - 1) in
t wo genotypes of barley plants
Zn 添加量
Zn addition
(mg·kg - 1soil)
地上部 Shoot
Clipper Sahara
根 Root
Clipper Sahara
0 55. 2 49. 0 192. 8 169. 7
2 47. 2 50. 5 177. 2 150. 8
8 50. 6 46. 3 201. 4 136. 0
20 54. 8 47. 4 210. 7 151. 9
40 37. 0 38. 0 147. 3 129. 2
统计分析结果 ANOVA analysis
Zn (Z) P < 0. 001 P = 0. 010
基因型 Genotype ( G) NS P < 0. 001
Zn ×基因型 Z×G NS NS
313 　植物对 Zn 的吸收积累
　　从表 3 可以看出 ,随着土壤 Zn 添加量的增加两
种基因型小麦体内 Zn 浓度均显著提高 ,最高浓度
高达 420 mg·kg - 1 . 品种 Sahara 体内 Zn 浓度明显高
于品种Clipper . 土壤添加Cd明显提高大麦地上部
图 1 　土壤添加 Zn 对大麦体内积累 Cd 的影响
Fig. 1 Effect of Zn application on the accumulation of Cd in barley
plants.
分 Zn 的浓度 ,Cd 的添加没有影响大麦根部 Zn 的浓
度. 从图 2 可以看出 ,土壤添加 Zn 显著增加大麦体
内 Zn 的积累. 在未添加 Cd 的情况下 ,品种 Sahara
Zn 吸收总量显著高于品种 Clipper ;当添加 20 mg·
kg - 1Cd 和 Zn 添加量为 0 和 2 mg·kg - 1时 ,两基因
型大麦对 Zn 的吸收积累量无显著差异 ,随着 Zn 添
加量的增加 , Sahara 对 Zn 的吸收积累显著高于
Clipper.
314 　大麦对磷的吸收积累
　　土壤添加 Cd、Zn 对植物地上部分 P 浓度没有
显著影响 (表 4) . 土壤添加 Cd 在一定程度上降低植
6891 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
表 3 　不同施 Cd、Zn 水平下两种基因型大麦体内的 Zn 浓度
Table 3 Zn concentrations ( mg·kg - 1) in tissues of t wo genotypes of
barley plants under different application rates of zn and Cd
处理 Treatment
(mg·kg - 1soil)
Cd Zn
地上部 Shoot
Clipper Sahara
根 root
Clipper Sahara
0 0 71. 5 90. 2 31. 1 45. 9
0 2 94. 8 128. 4 38. 5 53. 6
0 8 127. 8 190. 3 50. 3 102. 7
0 20 204. 1 243. 3 103. 0 190. 4
0 40 273. 3 300. 0 180. 8 280. 0
20 0 127. 9 127. 5 24. 3 34. 4
20 2 137. 6 175. 8 38. 3 50. 3
20 8 236. 7 266. 7 68. 2 106. 4
20 20 306. 7 353. 3 126. 5 189. 2
20 40 346. 7 420. 0 191. 6 290. 0
统计分析结果 ANOVA analysis
Cd (C) P < 0. 001 NS
基因型 Genotype ( G) P < 0. 001 P < 0. 001
Zn (Z) P < 0. 001 P < 0. 001
Cd ×基因型 C ×G NS NS
Cd ×Zn C ×Z P < 0. 001 NS
基因型×Zn G×Z P = 0. 003 P < 0. 001
Cd×Zn ×基因型 C×G×Z P = 0. 008 NS
图 2 　土壤添加 Zn、Cd 对两种基因型大麦积累 Zn 的影响
Fig. 2 Effects of Zn and Cd addition on plant uptake of Zn in two geno2
types of barley grown in pot culture.
表 4 　土壤添加不同 Cd、Zn 对两种基因型大麦体内 P浓度的影响
Table 4 Effects of cd and zn application on P concentrations ( g·kg - 1)
in t wo genotypes of barley plants
处理 Treatment
(mg·kg - 1 soil)
Cd Zn
地上部 Shoot
Clipper Sahara
根 root
Clipper Sahara
0 0 3. 07 2. 60 1. 72 1. 73
0 2 3. 20 2. 67 1. 75 1. 74
0 8 2. 80 2. 67 1. 55 1. 76
0 20 2. 97 2. 73 1. 69 1. 90
0 40 3. 30 2. 70 1. 87 1. 87
20 0 3. 00 2. 73 1. 42 1. 68
20 2 2. 87 2. 77 1. 40 1. 69
20 8 3. 20 2. 60 1. 62 1. 62
20 20 3. 17 2. 83 1. 59 1. 79
20 40 2. 87 2. 90 1. 53 1. 71
统计分析结果 ANOVA analysis
Cd(C) NS P < 0. 001
基因型 Genotype ( G) P < 0. 001 P = 0. 002
Zn (Z) NS NS
Cd ×基因型 C ×G NS NS
Cd ×Zn C ×Z NS NS
基因型×Zn G×Z NS NS
Cd×Zn ×基因型 C×Z×G NS NS
物地下部分 P 浓度. 植物体内 P 浓度存在明显的基
因型差异 :就地上部而言 ,除了在加 Cd 20 mg·kg - 1
和加 Zn 40 mg·kg - 1以外 ,Clipper 的 P 浓度明显高
于 Sahara ;就根部而言 ,在不同加 Cd 和加 Zn 条件
下 ,Sahara 的 P 浓度高于或不低于 Clipper.
4 　讨 　　论
　　影响作物吸收积累 Cd 的因子很多 ,主要包括
作物基因型差异[ ,11 ] 、土壤理化性质 (p H、盐碱化程
度和有机质等 ) 、养分交互作用 , 如 P、Zn 和 Fe
等[6 ,14 ,16 ]及土壤改良途径等. Cd 和 Zn 的交互作用
是影响植物吸收积累 Cd 的主要因子之一. 过去许
多研究表明土壤施用锌肥对植物吸收积累 Cd 的影
响是多方面和多途径的[4 ] ,但总的来说 , Zn 对土壤
植物系统中 Cd 的迁移积累的影响主要有两个方
面 :Zn 对土壤中 Cd 的解吸作用和 Zn 与 Cd 在植物
吸收与转运过程中的交互作用. 当土壤缺 Zn 时向
土壤添加 Zn 可以抑制植物对 Cd 的吸收[9 ] , Grant
和 Bailey[3 ]研究发现 ,亚麻种子中 Cd 和 Zn 的浓度
呈明显的负相关. 本实验所采用的土壤并没有缺
Zn ,因为在不施锌肥的情况下植物地上部 Zn 浓度
均超过 70 mg·kg - 1 . 在土壤不缺 Zn 的情况下提高
土壤中 Zn 的供应量并不影响植物地上部 Cd 的浓
度 ,只有当土壤中 Zn 的添加量为 40 mg·kg - 1时 ,大
麦植株体内 Cd 显著低于其它处理. 因此 ,可能只有
当植物出现 Zn 缺乏和过量时 Zn 对植物吸收 Cd 才
会产生一定的抑制作用. 值得注意的是 ,土壤添加
Cd 显著增加植物地上部 Zn 的积累 ,周启星等[15 ]的
研究也发现 Cd 的积累增加了大豆籽实中 Zn 的积
累. 但是这种“刺激”作用是否具有普遍意义是一个
需要进一步研究的问题.
　　不同基因型植物对 Zn 和 Cd 的吸收积累是常
常有差异的. 目前很少有报道关于植物吸收积累 Zn
的基因型差异对植物吸收积累 Cd 的影响. 研究结
果表明 ,尽管 Sahara 地上部分 Zn 浓度明显高于
Clipper ,但两者 Cd 浓度却没有显著差异 ;对根部 Cd
浓度而言 ,Sahara 显著低于 Clipper ,与 Zn 浓度的趋
势相反. 两个品种的 Zn 吸收总量也存在明显的基
因型差异 ,但 Cd 的吸收积累总量却没有显著差异.
所以植物 Zn 吸收积累的基因型差异可能影响 Cd
在植物体内的再分配. Sahara 根部较高的 Zn 浓度可
能促进 Cd 从根部向地上部迁移 ,从而导致根部 Cd
浓度的降低. 关于植物吸收积累 Zn 的基因型差异
对植物吸收积累 Cd 的影响及其相关机理的研究尚
789111 期 　　　　　　　　　　　　朱永官 :锌肥对不同基因型大麦吸收积累 Cd 的影响 　　　　　　　
待深入. 由于土壤 Zn 缺乏具有普遍性 ,因此在在农
业生产中人们通常希望选育 Zn 高效的品种. 如果
Zn 高效品种能同时降低植物体内 Cd 的浓度 ,培育
Zn 高效品种就可以一举两得.
5 　结 　　论
511 　在土壤不缺 Zn 情况下添加 Zn < 20 mg·kg - 1
时并没有对大麦体内 Cd 浓度产生显著影响 ,当土
壤 Zn 添加量达到 40 mg·kg - 1时 ,植物体内 Cd 浓度
明显降低.
512 　植物吸收 Cd 的总量随着土壤添加 Zn 的增加
而显著下降 ,这主要是由于根系生物量的下降.
513 　两个基因型大麦品种 Zn 效率存在显著差异 ,
但这一差异对植物吸收 Cd 的总量没有影响. Zn 高
效品种 Sahara 根部 Cd 浓度显著低于 Clipper.
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作者简介 　朱永官 ,男 ,1967 年生 ,1998 年获英国帝国理工
学院博士学位 ,研究员 ,博士生导师. 2001 入选中国科学院
“引进国外杰出人材计划”,2002 年获国家杰出青年基金 ,主
要从事土壤2植物相互作用与环境效应研究 ,发表论文 50 多
篇. E2mail :ygzhu @mail. rcees. ac. cn
8891 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷