近年来，工业的矿产开发与冶炼，农业的污水灌溉和化肥、农药的施用，导致重金属污染日益严重^[1-3]。其中，镉（Cd）污染是最常见的重金属污染之一，镉污染除了具备重金属污染的一般特点（隐蔽性、不可逆性和长期性）外，还具有移动性强、毒性高和难降解等自身特点，因此镉易被植物吸收，并通过食物链，危害动物和人体健康^[4]。20世纪60年代，日本富山县出现的骨痛病，就是由重金属镉引起的^[5]。

植物修复技术是近几年发展起来的利用绿色植物清除土壤中重金属的一种环境友好型技术。现已报道筛选出较好的镉超积累植物主要有遏蓝菜（Thlaspi caerulescens）^[6]、印度芥菜（Brassica junica）^[7]和甘蓝型油菜（Brassica junica）^[8]等。油菜是我国主要的油料作物，其种植面积和总产量均居世界首位，其生物量较大，有较强的吸镉能力，且镉不溶于油脂，不影响菜籽油食用安全。关于镉污染对油菜生长的影响，前人已经做了一些研究。当镉浓度小于5 mg·kg^-1时，能够促进油菜生长，对株高和生物量都有一定的促进作用；当镉浓度大于5 mg·kg^-1时，阻碍油菜生长，抑制株高，叶片失绿，生物量降低^[9-12]，且随着浓度的增加，抑制作用增强。研究表明，水分亏缺会导致作物叶片气孔关闭、光合速率下降，使叶片光合能力快速减弱，并影响碳同化物转运，使其生长受到抑制，进而降低作物产量^[13-14]；当亏水度加剧时，作物叶水势与叶面积均呈减小趋势，并抑制新生梢生长，且亏水时间越长影响越显著^[15]。

目前，关于镉对油菜影响的研究主要涉及种子、幼苗期的生长变化，关于镉对油菜全生育生长生理及产量的影响鲜有报道。为此，本文通过在不同镉含量土壤上的油菜全生育期试验，并设置不同土壤水分，模拟不同土壤水分情况下镉对油菜生长特性的影响，深入研究不同土壤镉浓度在不同的水分条件下对油菜生长、生理及产量的影响，为油菜修复镉污染土壤以及镉污染农田土壤安全生产提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 供试材料

实验在四川省农业科学院新都试验园区内的移动式防雨棚开展，供试土样取自紫色土农田的0~20 cm表层壤土，pH 6.14，基本化学性质如表 1所示，土壤经自然风干后，过5 mm筛，室温保存备用。

供试作物：在对成都平原地区各个油菜品种富集Cd含量的调查基础下，供试油菜品种选择四川省广泛种植的品种川油36（Brassica napus L.），属甘蓝型中熟两系杂交种，全生育期约223 d左右。

1.2 试验方法

盆栽试验于2015年9月—2016年5月开展，使用直径35 cm、高28 cm，下底自带托盘的塑料盆，每盆盛过筛风干土10 kg。氮肥使用尿素，磷肥使用磷酸二氢钾，各种肥料在油菜移栽前一次性施加，后期不再追肥。施加量分别为N 0.1 g·kg^-1、P 0.15 g·kg^-1、有机肥15 g·kg^-1，与供试土壤充分混匀。以CdSO₄（无结晶水，分析纯）作为污染试剂，用去离子水配成母液，再逐级稀释，设置土壤Cd含量水平为0、5、10、15、20、30 mg·kg^-1，分别记为CK、C1、C2、C3、C4、C5，喷洒到盆栽实验的土壤中，边喷边搅拌，保证Cd的均匀分布，在温室中稳定7 d。

2015年9月中下旬播种，油菜长出3片真叶时定苗，于2015年10月15号移入大小、性状、长势一致的幼苗。盆栽定苗1株·盆^-1，每个处理3次重复。移入后，为保证油菜生长，充分灌水，苗期不做任何处理。2015年12月18日起，对油菜进行水分处理，分别设置高水（HW）、中水（MW）、低水（LW）3个处理，各个处理的水分控制标准依次为田间持水量的70%~ 80%、60%~70%和50%~60%，其中，田间持水量采用室内环刀法测定，值为22.37%。试验过程中采用称重法控制土壤水分，即使用精度为1 g的电子台秤称重，以土壤水分占干土质量的田间持水量的百分数表示。各水分处理均以土壤含水率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，用量筒精确量取所需水量，并记录每次各个处理的灌水量。补水间隔为1~2 d，视天气、植株、土壤水分状况而定。

1.3 分析方法 1.3.1 指标与测定方法

（1）株高：采用精度为1 mm的卷尺测量植株根茎处至主茎顶端处的长度，cm；

（2）生物量：油菜成熟后，收获植株，用蒸馏水洗净整个植株，晾干，将油菜各个器官（根、茎、叶、角果壳、籽粒）分开，70 ℃烘干至恒重，用电子天平称取各部分干质量，g。

（3）叶绿素含量测定：在主茎上选择倒数第三片绿叶，每叶选10个均匀分布的点取平均值，采用SPAD-502叶绿素测量仪进行测定，以SPAD值表示。

（4）光合特性测定：采用LI-6400光合测定仪选择风小的晴天于2016年1月25日（苗期）、3月10日（蕾薹期）对油菜叶片生理性质进行监测。每个处理选择相对位置相同的4片叶片进行测量，测量时间为每日9：00—11：00。测定指标包括光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）以及气孔导度（Gs）。

（5）单株有效角果数：统计全株含有1粒以上饱满或略欠饱满种子的角果数，个；

（6）单株产量：采用电子天平称量每株自然烘干纯净的种子重量，g。

1.3.2 数据处理

采用SPSS 17.0和Microsoft Excel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 不同水分和镉处理对油菜生长指标的影响 2.1.1 株高

株高生长速率是衡量油菜生长发育的一个重要指标，油菜不同生育阶段株高日增长量大小直接反映其营养生长与生殖生长的协调程度，适宜的株高有利于株型改善，使冠层分布更为合理。对不同土壤水分和镉浓度处理下油菜不同生育期的株高分析，得到株高过程曲线（图 1）。从图中可以看出，在油菜生育期内，不同土壤水分和镉浓度处理的株高持续增加，基本呈现出“慢-快-慢”变化趋势，其过程可明显的分为3个阶段：苗后期（2月21日—2月26日）油菜株高增长比较缓慢；蕾薹期（2月26日—3月14日）油菜株高基本呈直线增长；开花期（3月14日—3月25日）株高增长放缓；3月25日之后，油菜进入角果期，此后，油菜营养生长基本完成，株高不再发生变化。

对不同土壤水分和镉浓度处理下的株高进一步分析（图 1）可知，土壤水分的增加对油菜株高影响明显，各镉浓度处理下，与HW处理相比，MW和LW处理下的油菜株高降幅分别为9.1%~24.8%、35.8%~ 59.8%；各土壤水分处理下（HW、MW、LW），C5处理油菜最终的株高皆低于对照组和其他处理，表明高浓度的镉对油菜株高产生了一定的抑制作用，与CK相比，油菜株高分别降低了11.56%、5.7%和43.72%。

表 2表明，不同土壤水分对油菜株高影响显著，而在供试镉浓度下，对油菜最终株高影响并不显著，说明在一定土壤镉浓度下，适当提高土壤水分有利于油菜的生长。

2.1.2 生物量

分析不同土壤水分和镉浓度对油菜生物量的影响（图 2）可以看出，随着土壤水分的增加，油菜生物量明显增加。CK和C5处理下，各土壤水分处理存在显著性差异，与LW处理相比，HW和MW处理的生物量分别增加140.45%、69.20%和103.54%、45.38%；相同土壤水分条件下，各镉浓度处理生物量无显著性差异。

由表 2可以看出，土壤水分对油菜生物量有显著影响，土壤镉浓度对油菜生物量无显著性影响，且土壤水分和镉浓度之间不存在耦合效应。

分析水分和镉浓度对油菜不同器官生物量的影响（表 3）可知，不同土壤水分条件下，各镉浓度处理下的根生物量、茎生物量和叶生物量差异不显著，表明油菜在试验的镉浓度下可顺利生长，生物量可自然积累。各镉浓度处理下的根系生物量基本呈现出随土壤水分的降低而减少的趋势，各水分处理间差异不显著。随着土壤水分的增加，CK、C1和C5处理的茎生物量显著增加，与LW相比，HW和MW分别增加了213.33%和78.10%、137.61%和65.22%、261.36%和147.73%。

2.2 不同水分和镉处理对油菜生理指标的影响 2.2.1 叶绿素（叶片SPAD值）

叶绿素是光合作用最重要的物质之一，叶绿素含量的高低可反映出作物体内能量的传递转化和生物量的积累能力。由表 4可知，不同水分和镉处理下油菜蕾薹期的叶片SPAD值明显大于苗期，而同一生育期的不同镉处理对油菜叶片SPAD值并无显著性差异。进一步分析不同水分和镉处理对油菜不同生育期叶片SPAD值的影响可知，油菜处于苗期时，C1与C3条件下，LW处理的叶片SPAD值显著低于HW，与LW相比，HW处理的叶片SPAD值分别增加了38.8%与33.9%；而油菜处于蕾薹期时，不同水分和镉处理下的叶片SPAD值变化范围为97.47~147.97，但各处理之间并无显著性差异。

2.2.2 光合指标

分析不同土壤水分和镉浓度对油菜不同生育期光合指标的影响（表 5）可知，不同水分和镉处理下，油菜蕾薹期各项光合指标明显高于苗期，原因为油菜蕾薹期生理活动旺盛，光合作用强烈。油菜处于苗期时，生长活动不旺盛，对不同水分和镉处理的响应并不明显，各项光合指标也未能呈现出一定的规律性。而油菜生长到蕾薹期时，土壤水分对油菜光合作用影响明显，随着土壤水分的降低，不同镉浓度处理的油菜的光合速率、蒸腾速率以及气孔导度整体上呈现出下降的趋势，其中，C5条件下LW处理的光合速率、蒸腾速率、气孔导度皆为最小值，分别为1.26 μmol·m^-2·s^-1、0.48 mmol·m^-2·s^-1、0.01 mmol·m^-2·s^-1。相同土壤水分条件下，不同镉浓度处理的油菜各项光合指标并无显著性差异，表明在供试土壤镉浓度下，油菜具备一定的耐受性。

表 6检验结果表明，无论在苗期还是在蕾薹期，土壤水分对油菜的光合速率、蒸腾速率以及气孔导度影响显著，而镉浓度对其无显著影响，说明在供试土壤镉浓度下，土壤水分是影响油菜光合作用的主导因素。

2.3 不同水分和镉处理对油菜产量的影响 2.3.1 单株有效角果数

从表 7可知，角果数随着土壤水分的增加而增加，因镉浓度处理的不同而呈现出一定的差异性，C3处理下，土壤水分的增加对油菜角果数增加效果显著，与LW相比，HW和MW处理下的油菜角果数分别增加245.67%和120.66%，其他镉浓度下不同土壤水处理的角果数差异不显著。相同土壤水分下，不同镉浓度处理下油菜角果数无显著性差异。表明在供试的镉浓度条件下，土壤水分对油菜单株有效角果数起主导作用。

2.3.2 单株有效产量

由表 7可知，土壤水分的增加，对油菜有明显的增产效应。CK和C2条件下，各水分处理差异显著，与LW相比，HW和MW处理下油菜产量分别增加了118.52%和78.84%、144.24%和66.67%。不同水分条件下，各镉浓度处理的油菜产量差异不明显。HW条件下，与CK相比，C5处理下的油菜产量降低了52.07%，可能原因为水分充足条件下，油菜根系对土壤镉吸收量较多，而植物体内高浓度的镉（30 mg·kg^-1）对油菜产生了毒害作用，进而影响到油菜产量。

表 8检验结果表明，土壤水分对油菜的角果数及产量有显著影响，镉浓度对油菜产量影响显著，土壤和水分之间不存在耦合效应，说明提高土壤水分及降低土壤镉浓度，有益于油菜产量的提高。

3 讨论

植物生长、生物量在重金属污染土壤植物修复过程中具有重要意义，不仅影响修复效率，而且是对其所处环境的综合表征^[16]。本试验研究发现土壤水分的降低抑制油菜株高的生长和生物量的积累，原因为土壤水分的降低，会造成根系吸水困难，使植物细胞缺水，从而使其分裂，生长受到抑制^[17]；而在供试土壤镉浓度下，镉对油菜的株高和生物量影响并不一致，在镉浓度为30 mg·kg^-1时，对油菜株高抑制作用明显，而在此镉浓度下，对油菜的生物量起到了促进作用，具体原因还有待进一步研究。

光合作用是植物叶片对光能吸收、传递和利用的过程，是植物生产有机物的基础，也是植物生产力构成的最主要因素，而土壤水分是影响光合作用的最重要的因子之一^[18]。当土壤水分降低时, 会导致植物叶片气孔关闭、蒸腾速率降低，致使叶片净光合速率下降^[19-20]。充足的叶绿素和完整的叶绿体结构是光合作用顺利进行的基础。土壤水分的缺失可以破坏叶绿体超微结构^[21]、影响合成叶绿素几种酶的活性，阻止叶绿素合成^[22]，进而影响植物的光合作用。镉胁迫使叶绿体酶活性失调，导致叶绿素分解加快，含量下降；同时，由于镉局部积累过多，与叶绿体中蛋白质上的-SH结合或取代其中的Fe²⁺、Zn²⁺和Mg²⁺等，致使叶绿素蛋白质中心离子组成发生变化而失活^{[11, 24-26]}。此外，Baryla等^[27]研究结果表明，Cd胁迫显著降低了油菜叶表皮气孔密度和气孔导度，以致降低叶绿体中二氧化碳的可用性，进而抑制油菜的光合作用。本试验研究表明，油菜蕾薹期的叶绿素含量及各项光合指标（光合速率、蒸腾速率、气孔导度）明显高于苗期，在蕾薹期时MW和LW处理的叶绿素含量反而高于HW处理，可能原因为水分胁迫与土壤镉复合影响下，油菜发生了一系列复杂的变化，但具体原因还有待进一步研究。在C5条件下LW处理的光合速率、蒸腾速率、气孔导度皆为最小值，分别为1.26 μmol·m^-2·s^-1、0.48 mmol·m^-2·s^-1、0.01 mmol·m^-2·s^-1，表明低水高镉复合作用对油菜光合作用产生了毒害效应。

水分胁迫影响植物的生理指标和形态结构，进而影响其生长状况和产量^[28-29]。重金属镉通过影响植株体内的碳水化合物代谢过程来影响其生长发育^[30]。本试验研究表明，随着土壤水分的增加，油菜有效角果数和产量增加效果明显，而同一水分条件下的不同镉浓度处理油菜有效角果数和产量并无显著性差异，可能原因为油菜对水分比较敏感，而在供试镉浓度下，油菜具有一定的抗受性，有效角果数和产量未受到影响。

综上所述，油菜对镉具有较强的耐受能力，在30 mg·kg^-1的镉浓度下也可顺利生长，株高、生物量、光合作用及产量几乎不受影响。

4 结论

（1）油菜在30 mg·kg^-1镉浓度下，株高、生物量、光合作用及产量几乎不受影响，是镉污染农田理想的修复植物。

（2）土壤水分对油菜株高和生物量影响明显，随着土壤水分的增加，油菜株高、生物量明显增加，在供试镉浓度下，镉对株高、生物量的影响弱于土壤水分，当镉浓度达到30 mg·kg^-1时，对油菜株高抑制作用明显。

（3）水分和镉处理对不同生育期油菜光合作用的影响程度为蕾薹期>苗期。土壤水分的增加对油菜蕾薹期光合速率、蒸腾速率、气孔导度有促进作用。

（4）随着土壤水分的增加，油菜增产效应明显，而在供试镉浓度下，有效角果数和产量并无显著性差异。