近年来，随着我国工农业的发展和城市化进程的加快，大量的重金属污染物被排放到环境中，造成大面积农田土壤受到镉(Cd)等重金属污染，并导致蔬菜等农产品受Cd污染的风险日益加重(周启星等，2004).考虑到我国人口众多和农业生产压力大的现状，基于作物对Cd吸收的基因型差异，筛选和种植具有低量累积Cd能力的农作物品种即Cd低积累品种，已经成为综合利用重金属污染土壤、保障农业安全生产的最为简便且有效的方法之一(Grant et al.,2008;Wang et al.,2009).然而，由于作物对重金属的吸收累积不仅取决于基因型，而且还受到土壤环境的影响，因此，辅以高效、安全的调控措施，降低土壤Cd的有效性，进一步减少作物Cd累积，就成为Cd低积累品种推广应用的必要条件(Gong et al.,2010;刘维涛等，2010).

锌(Zn)是植物生长必需的微量元素，由于和Cd具有相似的地球化学和环境特性，因此，在土壤-作物系统中Cd、Zn经常发生拮抗作用(王吉秀等，2010).基于这一原理，许多研究通过施用Zn肥来降低植物的Cd吸收.例如，陈贵青等(2010)和周坤等(2014)的研究表明，喷施50~600 μmol · L^-1的ZnSO₄可有效降低辣椒和番茄果实的Cd含量，最大降幅分别为21.8%和36.7%；而Hart等(2005)的研究发现，施用Zn肥可通过抑制小麦根部的Cd吸收，显著降低其籽粒Cd含量.然而，由于Cd、Zn交互作用易受许多环境因素的影响而表现出多种形式，因此，在施用Zn肥调控作物Cd吸收的研究中，植物基因型、Zn肥施用方法及土壤Cd、Zn含量等因素都会影响其调控效果.索炎炎(2012)通过大田实验研究了喷施Zn肥对不同水稻品种累积Cd的影响，结果表明，喷施ZnSO₄对水稻累积Cd有极显著的影响，使大部分品种籽粒Cd含量显著降低，然而少数品种Cd含量却有所升高；罗婷(2013)的研究表明，土施和喷施ZnSO₄都可以显著降低水稻籽粒和秸秆的Cd含量和吸收量，而喷施处理的效果要优于土施处理.因此，要使施用Zn肥成为调控Cd低积累品种安全生产的有效方法，就必须确定适合于低积累品种的具体锌肥施用方法，但是该方面的研究还未见报道.

近年来，本课题组通过盆栽和小区试验从50个叶用油菜品种中筛选了5个Cd低积累品种，并初步揭示了其低量累积Cd的机理(Wang et al.,2014).在上述研究基础上，本研究选择1个Cd低积累油菜品种和1个普通品种，通过盆栽实验，研究土施和喷施不同用量ZnSO₄对不同品种油菜生长和Cd吸收的影响，探讨其作用机理，以期获得调控效果较好的Zn肥施用措施.

供试土壤取自湖南岳阳市湘阴县某Cd污染菜地，土壤类型为冲积土.其基本理化性质如下：pH=5.62，阳离子交换量为17.8 cmol · kg^-1，有机质含量为35.4 g · kg^-1，Cd、Zn总含量分别为0.937和123 mg · kg^-1，Cd、Zn有效态含量(0.1 mol · L^-1 HCl浸提)分别为0.596和12.6 mg · kg^-1，有效S含量为50 mg · kg^-1(含P 500 mg · L^-1的Ca(H₂PO₄)₂溶液浸提).

供试的叶用油菜(Brassica chinensis)品种为前期研究筛选的Cd低积累品种华骏2号(Wang et al.,2014)及在当地广泛栽种的普通品种寒绿.供试Zn肥为分析纯的ZnSO₄ · 7H₂O.

试验共设7个处理，分别为：①对照(CK)，不施用Zn肥；②低水平土施处理(S1)，每盆土施10 mg Zn；③中水平土施处理(S2)，每盆土施40 mg Zn；④高水平土施处理(S3)，每盆土施100 mg Zn；⑤低水平喷施处理(F1)，每盆喷施1 mg Zn；⑥中水平喷施处理(F2)，每盆喷施5 mg Zn；⑦高水平喷施处理(F3)，每盆喷施10 mg Zn.每个处理设3次重复.

试验于2013年5—6月在农业部环保所玻璃温室内进行，室内温度为18~28 ℃，光照为温室自然光照，盆栽按随机区组排列.供试土壤风干后过5 mm筛，然后装入塑料盆中(直径18.0 cm，高12.5 cm)，每盆装土1.0 kg，同时施入分析纯的CO(NH₂)₂(N 150 mg · kg^-1)和K₂HPO₄(P 45 mg · kg^-1，K 115 mg · kg^-1)作为底肥.土施处理在拌土装盆时以溶液形式加入ZnSO₄ · 7H₂O，充分混匀；喷施处理在油菜撒播后第20、27、34 d进行，按照处理配制Zn浓度分别为66.7、333.3、666.7 μg · mL^-1 的3种ZnSO₄ · 7H₂O溶液，用微型喷雾瓶每盆每次喷施5 mL溶液，为了避免Zn溶液渗入土壤，喷施Zn肥时采用塑料布覆盖于盆口.拌土后平衡30 d播种，待幼苗长至4片真叶时每盆间苗至3株.油菜生长过程中每日以去离子水浇灌，控制土壤含水量为田间持水量的70%左右.油菜生长45 d后收获.

油菜收获后分为地上部和根部，依次用自来水和去离子水洗净，称量鲜重，先90 ℃杀青30 min，然后70 ℃烘干至恒重，称量干重，粉碎备用；采集盆栽土样，具体方法为：将盆中土壤倒入大塑料盘中，平铺后按照四分法均匀取样，取样量为100 g左右.土样经风干后研磨，依次过1.00和0.15 mm筛，备用.

植物样Cd、Zn、Fe、Mn、Cu含量分析采用HNO₃-HClO₄法(体积比3 ∶ 1)消解.土壤Cd、Zn全量分析采用HNO₃-HF-HClO₄法消解；有效态Cd、Zn分析采用0.1 mol · L^-1 HCl浸提，土液比为1 ∶ 5，25 ℃振荡1.5 h后离心过滤(鲍士旦，2000).上述待测液中的重金属含量均采用原子吸收光谱仪(Zeenit 700P，Analytik Jena AG，Germany)测定.采用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所提供的土壤成分标准物质GBW07401(Cd(4.3±0.4)mg · kg^-1，Zn(680±25)mg · kg^-1)作为土壤样品Cd、Zn含量分析的质量控制样品，测定其Cd含量为(4.5±0.3)mg · kg^-1，Zn含量为(670±12)mg · kg^-1；采用波兰核化学与技术学院提供的东方巴斯马烟叶INCT-OBTL-5(Cd(2.64±0.14)mg · kg^-1，Zn(52.4±1.8)mg · kg^-1)作为植物样品Cd、Zn含量分析的质量控制样品，测定其Cd含量为(2.53±0.22)mg · kg^-1，Zn含量为(51.9±1.2)mg · kg^-1.土壤基本理化性质按照土壤农化常规分析方法测定(鲍士旦，2000).

试验数据采用Excel 2010和SPSS 11.5 软件进行统计分析.采用单因素方差分析和新复极差法(Duncan法)分析同一品种内不同施肥处理间的差异显著性，采用配对t检验分析两个品种间的差异显著性.

如图 1所示，不同Zn肥处理对油菜地上部生物量的影响不仅与Zn肥施用方法和剂量有关，而且与供试品种有关.对于低积累品种华骏2号，只有土施中等水平的Zn肥可以显著提高其地上部鲜重(p<0.05)，增幅为71.4%，而其余施Zn处理对其地上部鲜重都没有显著影响.而对于普通品种寒绿，土施Zn肥处理都可显著提高其地上部生物量，最大增幅为117.2%；而喷施Zn肥也可提高其地上部生物量，增幅为15.8%~37.2%，但只有低水平喷Zn处理增产效果显著.因此，无论是从增产幅度还是增产作用的显著性来看，施用Zn肥对普通品种的增产效果优于低积累品种，土施Zn肥的增产作用优于喷施Zn肥.另外，配对t检验表明，所有处理下两个品种的地上部鲜重无显著差异.

图 1(Fig. 1)

图 1 不同施Zn处理对两种油菜地上部鲜重的影响(图中数据为3次重复的平均值±标准差，不同小写字母表示同一品种内不同处理间差异显著，p<0.05，下同) Fig. 1 Effects of different Zn treatments on shoots fresh weight of two cultivars of B. chinensis

由图 2a可知，两个油菜品种的地上部Cd含量对施用Zn肥的响应规律不同.对于低积累品种华骏2号，土施中、高水平及喷施低水平和高水平的Zn肥都可显著降低其地上部Cd含量，降幅为23.8%~41.4%，这4个处理间没有显著差异；另外，在土施中水平Zn肥处理下，华骏2号的地上部Cd含量仅为0.181 mg · kg^-1，低于食品安全标准GB2762-2012规定的叶菜类Cd含量最大限值0.2 mg · kg^-1(国家食品安全风险评估中心，2012).而对于普通品种寒绿，只有土施高水平Zn肥才可显著降低其地上部Cd含量，降幅为45.4%，其余处理对其地上部Cd含量无显著影响，喷施高水平Zn肥甚至使其地上部Cd含量略高于对照处理.因此，从施Zn降低地上部Cd含量的幅度和显著性来看，施用Zn肥对低积累品种Cd吸收的调控效果优于普通品种.另外，t检验表明，所有处理下低积累品种地上部Cd含量都显著低于普通品种，前者的平均值比后者低34.9%，这表明施用Zn肥并没有影响油菜Cd积累的基因型差异，该差异具有较强的稳定性.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同施Zn处理下两种油菜地上部Cd(a)和Zn(b)含量(鲜基) Fig. 2 Shoot Cd concentrations(fresh weight basis)of two cultivars of B. chinensis under different Zn treatments

不同Zn肥处理下油菜地上部Zn含量见图 2b.随着施Zn水平提高，华骏2号和寒绿的地上部Zn含量逐步提高，土施高水平和喷施中、高水平的Zn肥处理都使地上部Zn含量显著高于对照处理，最大增幅分别为8.0倍和6.5倍.另外，尽管喷施处理的施Zn量仅为土施处理的1/8~1/10，然而除了华骏2号在高水平喷施处理下Zn含量显著低于高水平土施处理外，其余水平下土施和喷施处理的Zn含量并无显著差异，这表明喷施处理下油菜的Zn肥利用率要远高于土施处理.

根部Cd净吸收量为植株整体(包括地上部和根部)Cd累积量与根系干重的比值，与Cd累积/吸收量相比，该指标能更准确地反映植物根系对Cd的吸收能力(Xin et al.,2013).如表 1所示，除了中水平喷Zn处理外，其余施Zn处理都可使华骏2号的根部Cd净吸收量显著低于对照处理，降幅为30.5%~57.6%；而对于普通品种寒绿，只有土施高水平Zn肥可显著降低其根部Cd净吸收量，降幅为50.9%，而其余处理对其根部Cd净吸收量无显著影响.另外，t检验表明，所有处理下低积累品种的根部Cd净吸收量都显著低于普通品种.

表 1(Table 1)

表 1 不同施Zn处理下油菜根部Cd净吸收量和Cd转运系数(干基) Table 1 Cd net uptake via roots and Cd translocation factors(dry weight basis)of B. chinensis under different Zn treatments

表 1 不同施Zn处理下油菜根部Cd净吸收量和Cd转运系数(干基) Table 1 Cd net uptake via roots and Cd translocation factors(dry weight basis)of B. chinensis under different Zn treatments 处理 根部Cd净吸收量/(mg·kg-1) 转运系数 寒绿 华骏2号 寒绿 华骏2号 注：表中数据为平均值±标准差(n = 3)，同一行不同小写字母表示各处理间差异显著(p<0.05)，下同. CK 369±55ab 331±46a 0.627±0.075b 0.574±0.067a S1 349±38b 230±41bc 0.729±0.054b 0.294±0.032b S2 386±10ab 155±45bc 0.757±0.045ab 0.536±0.075a S3 181±34c 140±25c 0.680±0.034b 0.585±0.069a F1 453±31a 174±25bc 0.750±0.089ab 0.287±0.012b F2 467±35a 238±28ab 0.904±0.110a 0.464±0.039a F3 375±30ab 166±26bc 0.918±0.078a 0.531±0.068a

Cd转运系数为植物地上部Cd含量与根部Cd含量的比值，它反映了Cd在植物体内由根部向地上部的转运能力(Liu et al.,2009).由表 1可知，土施和喷施低水平Zn肥使华骏2号的Cd转运系数显著低于对照处理，降幅分别为48.8%和50.0%，而其余处理对其Cd转运系数无显著影响.对于普通品种寒绿，土施锌肥和喷施低水平Zn肥对Cd转运系数无显著影响，喷施中、高水平的Zn肥却使Cd转运系数显著高于对照处理.另外，t检验表明，所有处理下低积累品种的Cd转运系数都显著低于普通品种.

施用Zn肥对油菜地上部Cu、Mn、Fe等微量元素的含量有着显著且不同的影响(表 2).土施高水平Zn肥显著提高华骏2号和寒绿的地上部Cu含量，增幅分别为1.2和1.5倍，而其余施Zn处理则对两个品种地上部Cu含量无显著影响.施用Zn肥对油菜地上部Mn含量的影响因品种而异.对于华骏2号，施用Zn肥降低其地上部Mn含量，其中，土施中、高水平和喷施中、低水平的Zn肥使地上部Mn含量显著低于对照处理，降幅为30.9%~50.1%；而对于寒绿，施用Zn肥增加其地上部Mn含量，其中，土施高水平Zn肥处理的Mn含量显著高于对照处理，增幅为2.3倍.施用Zn肥对油菜地上部Fe含量的影响也因品种而异.土施中、高水平的Zn肥可显著提高华骏2号地上部Fe含量，增幅分别为41.8%和23.1%，其余施Zn处理对其Fe含量无显著影响；而对于寒绿，所有Zn肥处理对其地上部Fe含量都无显著影响.另外，对比两个品种的地上部Cu、Mn、Fe含量发现，华骏2号地上部Cu含量显著低于寒绿，而二者的Mn、Fe含量无显著差异.

表 2(Table 2)

表 2 不同施Zn处理下油菜地上部Cu、Mn、Fe含量(干基) Table 2 Concentrations of Cu，Mn and Fe in shoots of B. chinensis(dry weight basis)under different Zn treatments

表 2 不同施Zn处理下油菜地上部Cu、Mn、Fe含量(干基) Table 2 Concentrations of Cu，Mn and Fe in shoots of B. chinensis(dry weight basis)under different Zn treatments 处理 Cu/(mg·kg-1) Mn/(mg·kg-1) Fe/(mg·kg-1) 寒绿 华骏2号 寒绿 华骏2号 寒绿 华骏2号 CK 11.62±2.14b 9.73±0.79b 272±35b 682±71a 164±24ab 221±28b S1 12.26±2.91b 11.03±0.74b 422±66b 615±80ab 191±24a 165±25b S2 10.47±1.35b 11.11±0.68b 430±43b 429±56c 112±25b 313±24a S3 25.08±3.92a 24.27±1.56a 900±75a 434±48c 115±23b 272±18a F1 10.96±0.96b 10.83±0.76b 326±45b 340±32c 117±13b 188±24b F2 14.97±2.47b 12.04±1.02b 384±13b 471±66bc 205±30a 188±9b F3 11.16±0.31b 9.76±1.17b 425±53b 593±26ab 202±26a 198±13b

不同施Zn处理下土壤有效态Cd含量如图 3a所示.种植两个品种的土壤有效态Cd占全量的比例都超过55%，这说明供试土壤中Cd的有效性较高.而方差分析和t检验表明，土壤有效态Cd含量在种植同一品种的不同Zn肥处理间和两个品种间均无显著差异.就土壤有效态Zn含量来看，土施中、高水平的Zn肥可以显著提高有效态Zn含量，而喷施Zn肥则对土壤有效态Zn含量没有显著影响.另外，t检验表明，种植两个品种的土壤有效态Zn含量无显著差异.

图 3(Fig. 3)

图 3 不同施Zn处理下对土壤有效态Cd(a)和Zn(b)含量的影响 Fig. 3 Effects of different Zn treatments on soil available Cd(a) and Zn(b)concentrations

Zn作为植物必需的微量营养元素之一，是植物体内多种酶的活性组分和激活剂，在叶绿素合成、光合作用、呼吸作用、蛋白质合成及转运等过程中发挥重要作用，还能促进植物生殖器官发育，提高植物抗逆性(Wu et al.,2010).在Zn缺乏或活性低的土壤中施用Zn肥可以通过提高作物Zn营养而有效促进作物生长，而在镉污染土壤上施用Zn肥，则可通过Zn/Cd拮抗作用缓解Cd毒害，从而改善作物生长.宋正国等(2008)研究发现，在Cd含量为0.6 mg · kg^-1的赤红壤上土施16~64 mg · kg^-1的Zn肥，可以通过缓解Cd毒害而明显促进油菜生长.周坤等(2014)研究表明，在有效Zn含量为1.9 mg · kg^-1的Cd污染土壤上喷施50~400 μmol · L^-1的ZnSO₄，可以通过改善作物Zn营养和缓解Cd毒害的作用，显著提高番茄产量.在本研究中，土施和喷施Zn肥可以不同程度地提高两种油菜的地上部产量.由于供试土壤有效态Zn含量为12.6 mg · kg^-1，远高于酸性土壤缺Zn临界值1.5 mg · kg^-1(鲍士旦，2000)，在该土壤上施用Zn肥的肥效不佳；同样地，供试土壤有效S含量为50 mg · kg^-1，远高于南方土壤有效S临界值10~16 mg · kg^-1(刘崇群等，1990)，通过施用ZnSO₄补充S的肥效也不佳.因此，在本研究中，施用Zn肥促进油菜生长可能是由于Zn/Cd拮抗作用缓解了Cd对油菜的毒害.另外，本研究中两个品种施用Zn肥的增产效果有差异，这可能与两个品种的Cd耐性和Zn敏感性不同有关.索炎炎(2012)的研究也发现，在镉污染农田中喷施Zn肥可以显著提高部分水稻品种的籽粒产量，但是也有部分品种的籽粒产量并未受影响.

Zn和Cd具有相同的离子结构和相似的化学性质，二者在土壤-植物系统中有复杂的交互作用，可以表现为拮抗、协同或者独立，Zn/Cd交互作用对Cd在土壤-植物系统中迁移累积的影响主要体现在：①Zn、Cd竞争土壤胶体表面的离子交换吸附位点，表现为拮抗作用，Zn抑制Cd的吸附，促进Cd的解吸，最终导致水溶或有效态Cd含量升高，促进植物对Cd的吸收(田园等，2008)；②Zn、Cd竞争植物细胞膜表面吸收位点及细胞内的转运蛋白，表现为拮抗或协同作用，Zn会抑制或促进植物对Cd的吸收和转运(Kuo et al.,2004; McKenna et al.,1993).本研究中土施Zn肥虽然使土壤有效Zn含量显著升高，但有效Cd含量并未受到显著影响，因此，Zn、Cd在土壤中的交互作用对油菜Cd吸收没有明显的影响.宋正国等(2008)研究也发现，在Cd含量为1.0 mg · kg^-1的赤红壤上土施16~64 mg · kg^-1的Zn肥，土壤溶液中Cd含量并没有显著变化，他推测这可能是植物吸收和土壤离子交换吸附共同作用的结果.

图 4(Fig. 4)

图 4 油菜地上部Cd含量与根部净吸收量以及Cd转运系数的相关性 Fig. 4 Relationships of shoots Cd concentrations of B. chinensis to Cd net uptake via roots and Cd translocation factors

植物地上部Cd累积主要受根部吸收和由根部向地上部转运两个过程的控制.本研究中，油菜地上部Cd含量与根部Cd净吸收量及Cd转运系数的相关性分析如图 4所示.油菜地上部Cd含量与根部Cd净吸收量呈显著的正相关关系(p<0.01)，而它与Cd转运系数的相关性却不显著，另外两个品种地上部Cd含量变化规律与根部Cd净吸收量变化规律一致(见图 2a和表 1)，由此可知，本研究中施用Zn肥降低油菜地上部Cd含量主要是由于抑制根部Cd吸收引起.Hart等(2005)通过水培试验也发现，在营养液中添加足量的Zn可以通过抑制硬质小麦根部Cd吸收，从而显著降低小麦籽粒及其他器官Cd含量.在大田作物水稻和小麦上的研究表明，植物可以利用相同的转运蛋白进行Cd、Zn的吸收和运输，如Zn转运蛋白OsZNT1(Ramesh et al.,2003)及重金属ATP酶OsHMA2(Yamaji et al.,2013)等，而提高生长介质中的Zn浓度促进植物Zn吸收，一方面会与Cd竞争这些转运蛋白上的重金属结合位点，抑制Cd跨膜运输(Hart et al.,2002)，另一方面也会调控这些转运蛋白的基因表达和蛋白合成(Ramesh et al.,2003)，通过这两方面的作用最终会抑制植物根系的Cd吸收.施用Zn肥调控油菜Cd吸收是否也有相同的分子生物学机理，需要进一步研究证实.

土施和喷施是Zn肥是最常用的两种施用方法.以小麦和水稻为供试作物的Zn肥施用试验表明，土施Zn肥增产效果明显，但提高作物Zn含量的作用要比喷施的效果差；而喷施Zn肥提高作物Zn含量的效果显著，但增产作用明显比土施Zn肥差(Wissuwa et al.,2008; Yilmaz et al.,1997).在本研究中对于Cd低积累品种华骏2号，土施Zn肥对其地上部的增产效果明显优于喷施Zn肥，与上述研究结果一致；而在降低地上部Cd含量和提高Zn含量方面，土施和喷施处理的调控效果相当，考虑到喷施处理的Zn肥用量仅为土施处理的1/8~1/10，因此，就降低油菜Cd吸收的作用来说，喷施处理下Zn肥的利用效率要远高于土施，经济成本远低于土施.在中轻度镉污染土壤上要保证叶用油菜的安全生产，降低其地上部Cd含量显然要比提高其地上部产量更为重要，另外，在土壤中长期施用Zn肥也会增加土壤Zn污染的风险(Cakmak，2008).因此，综合考虑调控效果、经济成本及环境风险因素，喷施Zn肥是调控Cd低积累油菜安全生产的较好措施.

1)土施Zn肥可以显著提高Cd低积累油菜的地上部生物量，最大可使其比对照处理增加71.4%；而喷施Zn肥对Cd低积累油菜地上部生物量没有显著影响，土施Zn肥的增产效果优于喷施Zn肥.

2)土施和喷施Zn肥都可显著降低Cd低积累油菜的地上部Cd含量，最大降幅为41.4%；在Zn肥用量相差8~10倍的情况下，二者降低油菜地上部Cd含量的效果无显著差异，因此，喷施Zn肥的利用效率明显高于土施.

3)土施Zn肥可使Cd低积累油菜地上部Cu和Fe含量显著升高，而喷施Zn肥没有显著影响，土施和喷施Zn肥都使Cd低积累油菜地上部Mn含量显著降低.

4)土施Zn肥可显著提高土壤有效态Zn含量，但对土壤有效Cd含量没有显著影响；土施和喷施Zn肥可以显著降低油菜根部Cd净吸收量和Cd转运系数，油菜地上部Cd含量与根部Cd净吸收量呈显著的正相关关系(p<0.01)，而与Cd转运系数的无显著的相关性.这些结果表明，施用Zn肥降低油菜地上部Cd含量主要是由于抑制根部Cd吸收引起.