土壤重金属污染是当今世界面临的主要环境问 题之一，其中镉（Cadmium，Cd）是人体非必需且生物 毒性最强的重金属元素之一，极易被植物吸收并积 累^[1]。有研究表明，早在20世纪90 年代初，中国镉污 染耕地已达1.3×10⁴ hm²，而且还有继续显著增加的趋 势^[2]。近年来，由于农业生产中使用含镉的肥料，灌溉含 镉的污水及大气中漂浮的镉在土壤表面发生沉积，农 产品镉污染现象时有发生^{[3, 4]}。大白菜（B.rassica cam pestris L.var. pekinensis）是我国南方地区广泛栽培和 食用的叶类蔬菜，极易受到土壤中镉的毒害，表现出 生长缓慢、植株矮小、退绿等症状，严重影响产量，同 时通过食物链进一步危害人类健康^[5]。目前对大白菜 与镉的相关研究主要集中在基因型差异和吸收机制 上，对大白菜植株如何解镉毒害的研究特别是抗氧 化系统如SOD、POD、CAT 等如何消除镉胁迫的研究 较少^[4]。钾是植物生长所必需的营养元素，同时施用钾 肥也是重要的农业增产措施之一^[6]。施用钾肥能增加 蔬菜产量及提高品质，但增施钾肥对大白菜生理特性 及重金属吸收的影响报道较少^[7]。本试验研究了不同 镉污染水平土壤上增施钾肥及其用量对大白菜产量、 生理特性、食用品质及重金属含量的影响，旨在为发 展安全优质蔬菜生产的科学施肥提供理论依据。 1 材料和方法 1.1 供试材料

试验于2013 年10 月—2014 年1 月采用温室土 壤盆栽的方式在西南大学一号玻璃温室中进行，供试 土壤为中性紫色土，其基本农化性状：pH（H₂O）6.35， 有机质14.9 g·kg^-1，碱解氮79.5 mg·kg^-1，有效磷28.61 mg·kg^-1，速效钾148.7 mg·kg^-1；供试土壤重金属含量： 全镉0.158 mg·kg^-1，全铅15.0 mg·kg^-1，全铬22.9 mg· kg^-1，全汞0.041 5 mg·kg^-1，全砷2.53 mg·kg^-1（供试土 壤重金属含量均在国家规定的限量标准GB 15612— 1995 范围内）；供试品种：大白菜品种为‘华新抗70 一代杂交’。供试肥料为尿素（N，46%）、磷酸二氢铵 （P₂O₅，52%；N，12%）、硫酸钾（分析纯）；外源重金属添 加剂为二水合氯化镉（CdCl₂·2H₂O，分析纯）。 1.2 试验方案及方法

盆栽试验共设11 个处理，分别为：（1）CK（没有 添加Cd，不施钾肥）；（2）2 种Cd 添加浓度：2 mg·kg^-1 （G1）和10 mg·kg^-1（G2）；（3）K₂SO₄肥浓度为0、100、 200、400、600 mg·kg^-1（以K₂O 计）分别为J0、J1、J2、J3、 J4。每个处理7次重复，随机排列。试验采用17 cm× 25 cm 的塑料盆，将添加的镉与2.5 kg 供试土壤混匀 装在盆中，平衡4周。各处理均施N 200 mg·kg^-1、P₂O₅ 100 mg·kg^-1。试验时磷肥全部和氮肥的40%一次性施 入，剩余氮肥分2 次追施；钾肥按预设的浓度一次性 施用。在60%的田间持水量下平衡15 d后播种，三叶 期每盆定苗3株。根据土壤水分状况每1~2 d浇灌1 次去离子水，以保持土壤达到田间持水量的80%左 右。并进行常规栽培管理。

采样在试验进行60 d时进行，收获大白菜的地 上部及地下部。将收获的地下部用水洗净，擦干称重。 用去离子水快速将收获地上部分（可食用部分）的泥 土冲洗干净，滤纸吸干，记录大白菜的生物量。取每个 处理中长势有代表性的大白菜同一位置叶片样品，用 不锈钢剪刀剪碎混匀待测大白菜生理活性及食用品 质。同时另取代表性大白菜样品用不锈钢剪刀剪碎， 混匀，80~90 ℃杀青10 min后，于65 ℃烘箱中干燥。植 株烘干样品用不锈钢粉碎机粉碎待测重金属含量。 1.3 测定内容和方法

供试土壤基本理化性状的测定：土壤碱解氮采用 碱解扩散法测定，速效磷采用NaHCO₃法测定，速效 钾采用NH₄OAc 浸提，火焰光度法测定^[8]。大白菜生长 生理指标的测定：叶绿素a、叶绿素b 及叶绿素总量 采用80%丙酮提取，分光光度法测定；过氧化氢酶 （CAT）活性用高锰酸钾滴定法测定；过氧化物酶 （POD）活性用愈创木酚法测定；超氧化物歧化酶 （SOD）活性用氮蓝四唑（Nitrobluetetrazolium，NBT）光 化还原法测定。大白菜还原糖采用3，5-二硝基水杨 酸比色法测定，维生素C 采用2，6-二氯靛酚滴定法 测定，游离氨基酸采用水合茚三酮溶液显色法测定， 硝酸盐含量采用紫外分光光度法测定^{[9, 10]}。土壤和大 白菜重金属含量的测定：土壤采用V_HCl:V_HNO3:V_HClO4=3:1: 2 消解，大白菜采用V_HNO3:V_HClO4=4:1 消解，都采用原子 吸收分光光度计法测定^[8]。 1.4 数据处理

试验测得数据采用SAS（Statistical analysis system）软件，方差分析的差异显著性用新复极差法（SSR 法，即Duncan 法）进行平均数的多重比较，并进行相 关分析^[11]。 2 结果与讨论 2.1 钾肥对镉污染土壤大白菜生物量的影响

由表 1 可见，未施钾肥条件下与CK 相比，土壤 镉胁迫使大白菜地上部及地下部鲜重均显著（P<0.05）下降，低镉胁迫不施钾肥大白菜地上部及地下 部鲜重分别降低2.6%和19.8%；高镉胁迫分别降低 7.1%和45.5%。低镉污染土壤增施钾肥，大白菜地上部 鲜重显著增加，增幅为0.3%~34.0%，且在施钾浓度为 400 mg·kg^-1 时增幅最大；大白菜地下部鲜重降低 1.2%~7.4%，以施钾浓度为200 mg·kg^-1 时降幅最大。 高镉污染土壤增施钾肥，大白菜地上部鲜重显著增加 7.6%~30.8%；与低镉胁迫相反，高镉污染土壤增施钾 肥后大白菜地下部鲜重显著增加，增幅为41.8%~ 87.3%。由此可见低镉胁迫土壤增施钾肥对大白菜地 上部与地下部生长影响作用相反，根冠比显著降低； 高镉胁迫土壤增施钾肥对大白菜地上部与地下部生 长影响作用相同，根冠比显著升高。

表 1 镉污染土壤不同钾肥处理大白菜生物量 Table 1 Fresh weight of cabbage in different treatments in cadmium polluted soil

表选项

叶绿素含量是植物生长重要的生理参数之一，其高低表征了植物的生产能力。Perronnet 等^[4]报道，叶 绿素含量降低是植物受镉毒害的最先症状，他们认为 抑制叶绿素合成是镉抑制植物光合作用的第一步。表 2 表明，与CK 相比，低镉土壤上不施钾肥大白菜中叶 绿素a 含量略有升高（2.7%），施钾肥量在100~400 mg·kg^-1时，能明显提高大白菜中叶绿素a 含量，增幅 为2.7%~13.1%，施钾量达到100~200 mg·kg^-1时，叶 绿素b 含量升高0.4%~3.3%，施钾浓度达400 mg·kg^-1 时大白菜叶片中叶绿素b含量反而降低。高镉胁迫大 白菜叶绿素a 和叶绿素b 含量均显著减低，与CK 相 比，降幅分别为5.9%~19.5%和13.5%~17.5%，高镉胁 迫下增施钾肥叶绿素a 含量升高，但对叶绿素b 含量 影响不大。

表 2 镉污染土壤不同钾肥处理大白菜叶绿素含量 Table 2 Chlorophyll content of cabbage in different treatments in cadmium polluted soil

表选项

叶绿素a/叶绿素b 值是衡量叶片感受重金属胁 迫相对敏感的一个生理指标，从表 2 中可以看出，各 处理条件下，叶绿素a/叶绿素b 的值基本稳定在3:1，高镉污染土壤上不施钾肥处理大白菜叶绿素a/叶绿 素b的值小于3:1，从植物外部形态上来看，植株叶片 明显较其他处理系列偏黄，表现出明显的受毒害现 象。 2.2.2 抗氧化活性酶活性

植物体内的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）和过氧化物酶 （Peroxidase，POD）是一类重要的保护酶，在清除重金 属等诱导产生的氧自由基和过氧化物、抑制膜脂过 氧化、保护细胞免遭伤害等方面起着重要作用^{[12, 13, 14]}。 SOD 和CAT 共同作用能把·O^2-和H₂O₂ 转化成O₂ 和 H₂O，抑制高活性的·OH 等的形成；POD 和CAT 则可 催化H₂O₂形成H₂O，从而有效阻止·O^2-和H₂O₂的积 累，限制这些自由基对膜脂过氧化的启动^{[13, 14, 15]}。

低镉污染土壤上增施钾肥明显提高CAT 的活 性，增幅为3.6%~10.0%，当施钾量达到400 mg·kg^-1 时大白菜中CAT活性最高。高镉污染土壤上大白菜 叶片中CAT 活性较低，增施钾肥后CAT 活性提高 6.1%~17.7%，施钾量为200 mg·kg^-1时提高效果最优 （图 1）。

图 1 钾肥对镉污染土壤大白菜叶片中CAT活性的影响 Figure 1 Effect of potassium treatments on the CAT activity in the leaves of B.rassica campestris L.var. pekinensis. growing in Cd contaminated soil

图选项

由图 2 可知，低镉胁迫大白菜对逆境做出适应性 反应，大白菜叶片中SOD 活性提高1.9%，当土壤中 镉含量过高时，大白菜受镉毒害严重，叶片中SOD 活 性降低13.7%。与不施钾肥相比，2 种镉浓度胁迫下 增施钾肥浓度为100 mg·kg^-1和200 mg·kg^-1 时，大白 菜叶片中SOD 活性增强，增幅分别为3.5%~4.2%和 3.0%~5.7%，施钾浓度达400 mg·kg^-1 时，大白菜叶片 中SOD 活性开始降低。

图 2 钾肥对镉污染土壤大白菜叶片中SOD 活性的影响 Figure 2 Effect of potassium treatments on the SOD activity in the leaves of B.rassica campestris L.var. pekinensis. growing in Cd contaminated soil

图选项

低镉胁迫下大白菜叶片中POD 活性升高 11.7%，增施钾肥浓度为100~400 mg·kg^-1 时叶片中 POD 活性提高，增幅为5.8%~11.0%，当施钾浓度达 600 mg·kg^-1时，POD活性降低6.8%；高镉胁迫下，大 白菜叶片中POD 活性降低19.8%，增施钾肥后，叶片 中POD 活性提高18.6%~20.2%，以施钾浓度为200 mg·kg^-1效果最优（图 3）。

图 3 钾肥对镉污染土壤大白菜叶片中POD 活性的影响 Figure 3 Effect of potassium treatments on the POD activity in the leaves of B.rassica campestris L.var. pekinensis. growing in Cd contaminated soil

图选项

维生素C 是一种还原剂，它能使植物体内SOD酶 活性增强，从而提高机体的免疫力，对人类防癌和抗 衰老有重要作用^[6]。与对照相比（表 3），低镉污染大白菜 维生素C含量升高12.8%，高镉污染大白菜维生素C含 量升高5.1%。与不施钾肥相比，低镉污染土壤增施钾 肥大白菜维生素C含量略有提高，增幅为4.3%~9.9%， 施钾量为600 mg·kg^-1时效果最优。与不施钾肥相比， 高镉污染土壤增施钾肥大白菜中维生素C 含量提高0.5%~13.0%，施钾量为400 mg·kg^-1时效果最优。

表 3 镉污染土壤不同钾肥处理大白菜食用品质指标含量 Table 3 The concentration of nutrition quality index of cabbage in different treatments in cadmium polluted soil

表选项

与对照相比（表 3），低镉胁迫显著提高大白菜中 游离氨基酸含量（增幅为33.4%），高镉胁迫对大白菜 中游离氨基酸含量的影响作用不明显。与不施钾肥相 比，低镉污染土壤上增施钾肥大白菜中游离氨基酸含 量显著降低，降幅为8.5%~29.0%，钾肥施用量为400 mg·kg^-1时大白菜中游离氨基酸含量最低。与不施钾 肥相比，高镉污染土壤上增施钾肥对大白菜中游离氨 基酸含量的影响作用不一致，施钾量为100 mg·kg^-1 时大白菜中游离氨基酸含量升高，施钾量达到200 mg·kg^-1时大白菜中游离氨基酸含量开始降低，降幅 为4.5%~24.9%，施钾量为200 mg·kg^-1时大白菜中游 离氨基酸含量最低。 2.3.3 还原糖

与对照相比（表 3），低镉胁迫显著提高大白菜中 还原糖含量（增加9.9%），高镉胁迫下大白菜中还原 糖也略有升高（升高5.9%）。与不施钾肥相比，低镉污 染土壤上增施钾肥对大白菜中还原糖含量的影响作 用不一致，低施钾量（钾肥用量100~200 mg·kg^-1）下 大白菜中还原糖含量升高1.9%~3.2%，高施钾量（钾肥 用量400~600 mg·kg^-1）时大白菜中还原糖含量降低 4.5%~12.6%，最佳施钾量为100 mg·kg^-1。与不施钾肥 相比，高镉污染土壤上施钾肥大白菜中还原糖含量显 著提高，增幅为4.0%~8.3%，最佳施钾量为400mg·kg^-1。 2.3.4 粗蛋白

从表 3中可以看出，在镉污染土壤上增施钾肥能 显著提高大白菜粗蛋白含量。与对照相比，在低镉污染土壤上不施钾肥大白菜中粗蛋白含量略有降低（降 低4.0%），增施钾肥后大白菜粗蛋白含量升高4.9%~ 13.4%，钾肥施用量为100~200 mg·kg^-1时大白菜中粗 蛋白的含量最高；在高镉污染土壤上各处理大白菜中 粗蛋白含量均有所增加，增幅为4.0%~17.5%，达到最 高时所需钾肥施用量为400 mg·kg^-1。 2.4 钾肥对镉污染土壤大白菜重金属含量的影响 2.4.1 镉

由表 4可知，镉污染胁迫下大白菜中镉含量急剧 上升，增幅为46.3%~271.5%。可见，大白菜是一种易 富集镉的蔬菜，对人体健康存在潜在危害。低镉胁迫 增施钾肥浓度为100 mg·kg^-1和400 mg·kg^-1时，大白 菜中镉含量比不施钾肥处理分别降低了6.4%和 7.8%；高镉胁迫下钾肥施用量为100 mg·kg^-1 和200 mg·kg^-1时，大白菜中镉含量比不施钾肥处理分别降 低了5.3%和1.3%。由此说明，镉污染土壤上施钾量为 100~200 mg·kg^-1时能有效降低大白菜对镉的吸收。

表 4 镉污染土壤不同钾肥处理大白菜重金属含量 Table 4 Heavy metal content of cabbage in different treatments in cadmium polluted soil

表选项

从表 4 可以看出，与CK 相比，镉污染土壤大白 菜中铅含量显著降低，低镉污染各处理降幅为7.1%~ 28.7%，高镉污染各处理降幅为3.1%~23.3%。镉胁迫 下降低了大白菜对铅的吸收，表明大白菜对镉和铅的 吸收存在一定的竞争相关性，增施钾肥后，大白菜中 铅含量显著降低，并且在相同镉浓度胁迫下，大白菜 中铅含量与钾肥用量成反比，由此表明在镉胁迫下增 施钾肥能有效降低大白菜对铅的吸收。 2.4.3 铬

与CK 相比，镉胁迫降低了大白菜对铬的吸收，这与镉污染土壤上大白菜对铅吸收的影响作用相似。 与不施钾肥相比，低镉污染土壤上增施钾肥大白菜中 铬含量显著升高，增幅为7.1%~29.7%，高镉胁迫下， 除了G2J1 处理外，其余各处理均提高大白菜中铬含 量。由此认为，镉污染土壤上增施钾肥可能导致大白 菜对镉和铬的协同吸收。 2.4.4 汞

镉胁迫下钾肥对大白菜中汞含量的影响作用不 一致。与对照相比在低镉胁迫下钾肥用量为200 mg· kg^-1时大白菜中汞含量最低，降幅为5.4%；在高镉胁 迫下钾肥用量为200 mg·kg^-1 和400 mg·kg^-1 时大白 菜中汞含量显著降低，降幅为14.8%和14.7%。同时 从表 4还可看出，高镉污染土壤降低大白菜对汞的吸 收所需钾肥施用量要高于低镉污染土壤。 2.4.5 砷

低、高镉污染土壤上大白菜叶片对砷的吸收显著 升高，增幅分别为29.8%和25.4%。低镉污染增施钾 肥浓度为400~600 mg·kg^-1时大白菜叶片中砷含量降 低2.8%~18.0%，最佳施钾量为400 mg·kg^-1。高镉污 染土壤增施钾肥浓度为100~400 mg·kg^-1时大白菜叶 片中砷含量降低2.9%~5.5%，最佳施钾量为400 mg· kg^-1，各处理间差异不显著。 3 讨论 3.1 钾肥对镉污染土壤上大白菜生长的影响

大量研究表明，镉对植物生理生化的影响有2 个 方面：小剂量时，可提高或加速某些生理生化反应，即 镉在低浓度时对植物有积极的“刺激作用”；大剂量时则对植物产生抑制和毒害^{[16, 17, 18, 19]}。由于植物根系是重金 属的最先接纳者，且重金属在根部明显富集，因此根 系往往是最直接、最严重的受害器官之一。本研究结 果表明，镉胁迫大白菜地上部及地下部鲜重显著降 低，低镉污染土壤增施钾肥对大白菜地上部及地下部 生长影响作用相反，大白菜地上部鲜重提高0.3%~ 34.0%，地下部鲜重降低1.2%~7.4%；高镉污染土壤 增施钾肥对大白菜地上部及地下部生长影响作用相 同，大白菜地上部鲜重提高7.6%~30.8%，地下部鲜重 提高41.8%~87.3%。Arduini 等^[20]也发现不同浓度的 Cd 处理对Miscanthus的生物量影响不同，对于钾肥 影响Cd 污染土壤上大白菜根系生长的原因，可能与 K+影响Cd 超级化细胞原生质膜，提高细胞跨膜电位， 从而提高植物对离子的吸收有关。 3.2 钾肥对镉污染土壤大白菜生理特性的影响

叶绿素含量是植物生长重要生理参数，其高低水 平表征了植物的生产能力，叶绿素含量降低，光合作 用减弱，会导致植物生长受抑制，生物量下降^[17]。本试 验研究表明，低镉胁迫大白菜中叶绿素a 和叶绿素b 含量略有升高，这可能是因为低浓度重金属离子是细 胞分裂素代谢中酶的触媒剂^{[18, 19, 21, 22, 23]}，可以刺激生长， 从而增加了大白菜体内叶绿素含量的积累；高镉胁迫 大白菜中叶绿素a 和叶绿素b 含量显著降低，可能的 原因是高浓度重金属被植物吸收后，细胞内的重金属 离子与叶绿素合成的原叶绿素酯还原酶、氨基乙酰丙 酸合成酶、胆色素原脱氨酶等肽链富含-SH 的部分结 合，影响这些酶的合成或抑制酶的活性，从而阻碍了 叶绿素的合成^{[24, 25]}。低镉污染土壤施钾浓度为100~400 mg·kg^-1时大白菜叶片中叶绿素a 和叶绿素b 含 量明显提高，表明镉污染土壤上增施钾肥能有效刺激 细胞生长，提高大白菜叶片中叶绿素含量；高镉污染 土壤上增施钾肥，大白菜叶片中叶绿素a 含量略有提 高，对叶绿素b 含量的影响作用不同，显示出高镉污 染土壤上大白菜受镉毒害严重，增施钾肥对促进大白 菜叶片中叶绿素a、叶绿素b合成的作用不大，但增施 钾肥使大白菜叶片叶绿素a/叶绿素b 值稳定在3 左 右，增强叶片光合作用，有利于抵抗镉毒害。

镉作为毒性最强的重金属污染元素之一，尽管是 非氧化还原活性的重金属，但已被证实能诱导植物组 织产生活性氧^{[26, 27]}，从而导致植物细胞生理功能紊乱。 低镉污染土壤上增施钾肥对提高大白菜中抗氧化酶 的活性的效果不显著，过量增施钾肥反而降低大白菜 中抗氧化酶的活性。这说明在低镉胁迫下，大白菜对 逆境作出适应性反应，增施钾肥能够在一定范围内提 高抗氧化酶活性，协助大白菜抵抗外界重金属毒害。 与对照相比，高镉胁迫下各处理大白菜抗氧化酶活性 均降低，说明偏酸性紫色土镉污染达到10 mg·kg^-1 时，已经不适合大白菜生长。增施钾肥并不能有效改 善大白菜长势，过量施钾反而使镉毒害加重。 3.3 钾肥对镉污染土壤大白菜食用品质的作用

钾是公认的“品质元素”，因为它是生物体中很多 酶的活化剂，与植物体内的许多代谢过程，如光合作 用、呼吸作用及碳水化合物、脂肪和蛋白质的合成等 密切相关，缺钾会扰乱叶片的新陈代谢，因此钾肥 不仅对产量的提高有显著作用，而且亦可改善产品品 质^{[27, 28]}。镉污染土壤上增施钾肥大白菜中维生素C的 含量明显升高，增幅为6.8%~23.9%；钾肥施用量大于 200 mg·kg^-1 时大白菜中游离氨基酸的含量明显降 低，从而促进大白菜中游离氨基酸转化为蛋白质；增 施钾肥对大白菜中还原糖含量的影响作用不一致。 3.4 钾肥对镉污染土壤上大白菜重金属含量的影响

当土壤中施入钾肥，可改变土壤的性质如pH 值 和表面电荷或与重金属离子直接作用，从而导致重金 属形态的变化，最终影响其活性。一方面主要表现在 钾和金属离子在土壤表面的交换性竞争，降低了土壤 交换态镉的含量，另一方面钾肥伴随阴离子影响重金 属形态、吸附解吸过程及其生物有效性等方面^{[21, 22, 23, 24, 25]}。在 自然状态下，土壤溶液中SO₄^2-的含量很少，一般只有 10 mg·L^-1。一般情况下，在硫酸根浓度低时，土壤对硫 酸根离子的吸附为专性吸附，专性吸附结果使土壤胶 体所带的净负电荷增加，溶液的pH 值升高，增强了 土壤对镉的吸持。增施钾肥后，SO₄^2-的加入增加了可 变电荷土壤对镉的吸附，主要因为其增加了土壤负电 荷密度和负电势，从而影响大白菜对土壤中重金属的 吸收^{[29, 30]}。 4 结论

（1）镉胁迫土壤上大白菜地上部及地下部鲜重显 著降低，低镉污染土壤增施钾肥对大白菜地上部及地 下部生长影响作用相反，高镉污染土壤增施钾肥对大 白菜地上部及地下部生长影响作用相同。

（2）镉污染土壤上增施钾肥浓度在100~200 mg· kg^-1时，大白菜叶片中各抗氧化系统酶活性升高，对 镉毒害的耐性增强。

（3）两种镉污染土壤上增施钾肥均能显著提高 大白菜的营养品质，在低镉污染土壤中适合施用低量 （<400 mg·kg^-1）的钾肥，在高污染土壤中适合施用高 量（>400 mg·kg^-1）的钾肥。

（4）镉污染土壤增施钾肥能有效降低大白菜叶片 对5种重金属的吸收，低镉污染土壤上最佳施钾量为 200 mg·kg^-1，高镉污染土壤上最佳施钾量为400 mg· kg^-1。