舒啟豪, 孔艷艷, 羅 坤, 李 媛, 趙惠燕

干旱與Cd雙重脅迫對(duì)土壤-小麥-蚜蟲(chóng)系統(tǒng)Cd轉(zhuǎn)移規(guī)律影響的研究*

舒啟豪, 孔艷艷, 羅 坤, 李 媛, 趙惠燕**

(西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院 楊凌 712100)

為探究干旱和重金屬雙重脅迫對(duì)土壤-小麥-蚜蟲(chóng)系統(tǒng)內(nèi)Cd轉(zhuǎn)移規(guī)律的影響, 為小麥蚜蟲(chóng)的生態(tài)調(diào)節(jié)提供理論依據(jù), 本研究以麥長(zhǎng)管蚜[(Fabricius)]為研究對(duì)象, 用原子吸收分光光度法分別測(cè)定不同土壤Cd含量(100 mg×kg?1、200 mg×kg?1)及不同程度干旱脅迫(無(wú)脅迫、中度脅迫、重度脅迫)處理下小麥根莖葉及蚜蟲(chóng)體內(nèi)的Cd含量。結(jié)果表明: 土壤Cd含量及干旱單一脅迫均對(duì)小麥及蚜蟲(chóng)體內(nèi)的Cd含量造成了顯著影響(<0.05)。兩者交互作用對(duì)小麥根部及葉部的Cd含量影響顯著, 而對(duì)小麥莖部及蚜蟲(chóng)體內(nèi)Cd含量影響不顯著。在相同脅迫條件下, Cd在小麥中的積累分布為根>莖>葉。隨著干旱脅迫程度增大, 小麥根部Cd含量及土壤-根轉(zhuǎn)移系數(shù)降低, 莖部Cd含量及根-莖轉(zhuǎn)移系數(shù)升高, 麥長(zhǎng)管蚜Cd含量在土壤Cd含量100 mg×kg?1下高于土壤Cd含量200 mg×kg?1; 中度干旱脅迫增加了麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)Cd累積量, 而重度干旱脅迫則降低了其體內(nèi)Cd累積量。葉-蚜蟲(chóng)的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)明顯大于土壤-根、根-莖和莖-葉轉(zhuǎn)移系數(shù)且大于1, 說(shuō)明Cd在麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)產(chǎn)生了生物富集作用。綜上所述, 干旱脅迫促進(jìn)了Cd從土壤向小麥莖部轉(zhuǎn)移和根部Cd累積, 但抑制了Cd從根部到莖部轉(zhuǎn)移和莖部Cd累積; 中度干旱脅迫促進(jìn)了麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)Cd的積累, 而重度干旱脅迫抑制了麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)Cd的積累。

干旱; Cd污染; 雙重脅迫; 小麥; 麥長(zhǎng)管蚜; 土壤-小麥-蚜蟲(chóng)系統(tǒng)

Cd污染是最普遍且危害最大的環(huán)境污染之一, 來(lái)源主要有工業(yè)廢物、廢渣、城市垃圾及污水灌溉和大氣沉降排放等[1]。排放到環(huán)境中的Cd污染土壤及水體, 轉(zhuǎn)移并在其他生物體內(nèi)富集, 危害其生長(zhǎng)發(fā)育, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了較大的破壞[2-4]。

土壤中的Cd通過(guò)根部的吸收進(jìn)入植物體內(nèi), 在蒸騰作用下, 沿著木質(zhì)部通過(guò)共質(zhì)體和質(zhì)外體運(yùn)輸途徑轉(zhuǎn)移到地上部[5], 還會(huì)繼續(xù)沿著食物鏈轉(zhuǎn)移到植食性昆蟲(chóng)及更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)[6-7]。自然條件下, 多種因 素都會(huì)影響到植物對(duì)Cd的吸收, 如土壤Cd含量、水含量、pH、有機(jī)質(zhì)及礦物質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換能力(CEC)等[8-15]。

隨著全球氣候變暖, 干旱脅迫成為越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題, 并成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要威脅之一[16-17]。干旱脅迫會(huì)影響到植物的蒸騰作用、光合作用以及呼吸作用, 還有體內(nèi)的激素調(diào)節(jié)及氮代謝等[18]。

有關(guān)干旱對(duì)蚜蟲(chóng)的影響和重金屬對(duì)蚜蟲(chóng)的影響已經(jīng)多有報(bào)道。但蚜蟲(chóng)在自然環(huán)境中往往受多重脅迫,如重金屬和干旱雙重脅迫, 甚至于農(nóng)藥等更多重脅迫。多重脅迫對(duì)蚜蟲(chóng)影響如何、對(duì)蚜蟲(chóng)的生態(tài)調(diào)節(jié)有何作用鮮有研究。

麥長(zhǎng)管蚜[(Fabricius)]是小麥(L.)上常見(jiàn)的一種害蟲(chóng), 它取食小麥汁液, 傳播小麥黃矮病毒等病害, 對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了一定的危害[19-20]。同時(shí), 其作為一種刺吸式口器的植食性昆蟲(chóng), Cd經(jīng)其取食從小麥中進(jìn)入其體內(nèi)并累積, 對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育、取食行為、種群生態(tài)學(xué)參數(shù)等必定造成影響[21-22]。

本研究以土壤、小麥、麥長(zhǎng)管蚜為研究對(duì)象, 通過(guò)用不同濃度的土壤重金屬Cd及不同程度的干旱脅迫處理, 然后分別測(cè)定土壤、小麥根莖葉及蚜蟲(chóng)體內(nèi)的重金屬Cd含量, 從而揭示在干旱和Cd雙重脅迫下, Cd在土壤-根-莖-蚜蟲(chóng)體系上的轉(zhuǎn)移規(guī)律, 以期為小麥蚜蟲(chóng)的生態(tài)調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料

小麥‘矮抗58’由西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院育種中心提供。

麥長(zhǎng)管蚜由西北農(nóng)林科技大學(xué)昆蟲(chóng)生態(tài)與有害生物綜合治理實(shí)驗(yàn)室提供, 所有蚜蟲(chóng)均在溫度為(20±0.5)℃、相對(duì)濕度為60%±10%、光周期為L(zhǎng)16 h∶D8 h的養(yǎng)蟲(chóng)室內(nèi)飼養(yǎng)。

1.2 Cd與干旱脅迫處理

采用盆栽, 每個(gè)花盆(9 cm×9 cm×10 cm)內(nèi)裝400 g土(土壤∶基質(zhì)∶細(xì)沙=3∶1∶1, Cd含量為0.72 mg×kg?1), 每盆種植15株小麥。待小麥剛種植后澆灌不同濃度的Cd溶液, 使每個(gè)處理的土壤Cd含量分別為200 mg×kg?1、100 mg×kg?1。種植7 d后開(kāi)始干旱脅迫處理, 設(shè)3個(gè)干旱脅迫處理: 根據(jù)Hsiao[18]的方法, 按照土壤相對(duì)水分含量設(shè)置70%~80%(正常)、55%~65%(中度干旱脅迫)和35%~45%(重度干旱脅迫)。通過(guò)稱重補(bǔ)水法將試驗(yàn)用土的相對(duì)水分含量控制在以上3個(gè)水平。每個(gè)處理重復(fù)3次。小麥雙重脅迫7 d時(shí)開(kāi)始接蚜蟲(chóng), 每盆用毛筆接100頭一齡若蚜, 于溫度為(20±0.5) ℃、相對(duì)濕度為60%±10%、光周期為L(zhǎng)16 h∶D8 h的養(yǎng)蟲(chóng)室內(nèi)飼養(yǎng)。接上蚜蟲(chóng)后兩周, 用毛筆將成蟲(chóng)挑取至2 mL離心管, 同時(shí)將小麥從花盆中整株取出, 進(jìn)行土壤、植株和蚜蟲(chóng)Cd含量測(cè)定。

1.3 Cd含量測(cè)定

1.3.1 小麥植株

將收集到的小麥分根、莖、葉3部分, 用超純水洗凈后烘干至恒重, 用研缽研磨成粉末, 過(guò)1 mm孔篩后, 每個(gè)重復(fù)分別稱取0.2 g放入消解管內(nèi), 加入5 mL優(yōu)級(jí)純硝酸和2 mL雙氧水, 然后在微波消解儀內(nèi)消解, 待消解完全后, 取出消解管, 加超純水使管內(nèi)溶液定容至50 mL, 過(guò)濾后取10 mL用于Cd含量測(cè)定。用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Cd含量。

1.3.2 麥長(zhǎng)管蚜

將收集到的麥長(zhǎng)管蚜用超純水洗干凈后烘干至恒重, 每個(gè)重復(fù)稱取10 mg放入消解管內(nèi)加入5 mL優(yōu)級(jí)純硝酸和2 mL雙氧水, 然后在微波消解儀內(nèi)消解, 待消解完全后將管內(nèi)溶液放到趕酸儀繼續(xù)趕酸濃縮, 待溶液大約剩1 mL時(shí), 將其倒出并定容至10 mL用于Cd含量測(cè)定。用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)(transfer coefficient)的計(jì)算方式參照Wang等[6]和Dar等[23]的方法, 為后一部分試驗(yàn)材料的Cd含量與前一部分試驗(yàn)材料的Cd含量之比(如: 土壤-根轉(zhuǎn)移系數(shù)=根部Cd含量/土壤Cd含量)。

利用SPSS對(duì)土壤Cd含量與干旱脅迫程度2個(gè)因素進(jìn)行雙因素方差分析(Two-way ANOVA); 通過(guò)雙因素方差分析中的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)驗(yàn)證兩因素間的交互作用, 用Tukey’s檢驗(yàn)比較相同干旱脅迫條件下不同土壤Cd含量處理間的差異。單因素方差分析(One-way ANOVA)采用Student-Newman-Keuls (SNK)多重比較檢驗(yàn)法對(duì)相同土壤Cd含量處理下不同干旱脅迫處理的差異進(jìn)行多重比較。各處理間的顯著性差異均設(shè)為<0.05的水平。使用Origin Pro 2017對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙重脅迫下小麥及蚜蟲(chóng)體內(nèi)的Cd變化

在Cd與干旱雙重脅迫下小麥根、莖、葉及蚜蟲(chóng)體內(nèi)的Cd含量變化見(jiàn)圖1。從圖1A可以看出, 當(dāng)土壤Cd含量為100mg×kg?1和200mg×kg?1時(shí), 隨干旱程度加劇, 根部Cd含量逐漸降低, 且無(wú)干旱脅迫的小麥根部Cd含量顯著高于重度干旱脅迫(<0.05)。同一干旱脅迫程度下, 土壤Cd含量為200mg×kg?1處理的小麥根部Cd含量顯著高于土壤Cd含量為100mg×kg?1的處理(<0.05)。

從圖1B可知, 無(wú)干旱脅迫與中度干旱脅迫程度下, 小麥莖部Cd含量無(wú)顯著差別; 而重度干旱脅迫下, 莖部Cd含量顯著高于無(wú)干旱脅迫與中度干旱脅迫(<0.05)。同一干旱脅迫程度下, 土壤Cd含量為200mg×kg?1的小麥莖部Cd含量顯著高于土壤Cd含量100mg×kg?1處理(<0.05)。

從圖1C可知, 同一土壤Cd含量下, 隨干旱脅迫程度加重, 葉部Cd含量呈現(xiàn)先降低后升高顯著變化趨勢(shì)(<0.05)。只有正常水分條件下, 土壤Cd含量為200mg×kg?1處理的葉片Cd含量高于土壤Cd含量為100mg×kg?1的處理; 中度和重度干旱脅迫下兩個(gè)Cd處理差異不顯著, 且中度干旱脅迫下, 土壤Cd含量為100mg×kg?1處理的葉片Cd含量高于土壤Cd含量為200mg×kg?1的處理。

從圖1D可知, 同一土壤Cd含量下, 隨干旱脅迫程度加重, 蚜蟲(chóng)體內(nèi)Cd含量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì), 但在土壤Cd含量100mg×kg?1時(shí)差異不顯著。而同一干旱脅迫程度下, 土壤Cd含量100mg×kg?1時(shí), 蚜蟲(chóng)體內(nèi)Cd含量高于土壤Cd含量為200mg×kg?1的處理, 但兩者之間均無(wú)顯著差異。

2.2 干旱脅迫下Cd在土壤-根-莖-葉-蚜蟲(chóng)系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)移規(guī)律

干旱脅迫下Cd在土壤-根-莖-葉-蚜蟲(chóng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移系數(shù)見(jiàn)表1。由表1可以看出, 在同一土壤Cd含量下, 隨干旱脅迫程度加重, 土壤-根的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸降低, 而根-莖的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸升高, 說(shuō)明干旱脅迫抑制了根部對(duì)于Cd的吸收, 而促進(jìn)了Cd從根部向莖部的轉(zhuǎn)移。

在相同干旱程度下, 土壤Cd含量為200mg×kg?1的處理根-莖的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)到大于土壤Cd含量為100mg×kg?1的處理。土壤Cd含量為200mg×kg?1時(shí), 重度干旱脅迫下, 根-莖轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)0.91。

隨著干旱程度的加重, 土壤Cd含量為100mg×kg?1和200mg×kg?1的處理中, 莖-葉Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)分別呈現(xiàn)逐漸降低和先降低再升高的趨勢(shì), 且土壤Cd含量為100mg×kg?1的轉(zhuǎn)移系數(shù)高于土壤Cd含量為200mg×kg?1處理, 說(shuō)明低濃度的Cd促進(jìn)了Cd從莖到葉的轉(zhuǎn)移。在土壤Cd含量為200mg×kg?1且為中度干旱脅迫下, 莖-葉轉(zhuǎn)移系數(shù)出現(xiàn)最小值0.07。

葉-蚜蟲(chóng)的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)明顯大于其他轉(zhuǎn)移系數(shù), 且隨著干旱脅迫程度加重, 呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在無(wú)干旱脅迫以及重度干旱脅迫下, 土壤Cd含量為100mg×kg?1的轉(zhuǎn)移系數(shù)高于土壤Cd含量為200mg×kg?1處理, 而在中度干旱脅迫時(shí), 土壤Cd含量為200mg×kg?1處理的轉(zhuǎn)移系數(shù)高于100mg×kg?1處理。

圖1 Cd與干旱雙重脅迫下小麥根(A)、莖(B)、葉(C)及蚜蟲(chóng)體內(nèi)(D)Cd含量

不同小寫(xiě)字母和大寫(xiě)字母分別表示土壤Cd含量為100 mg×kg?1和200 mg×kg?1時(shí)不同干旱脅迫處理間差異顯著(<0.05)。**表示同一干旱脅迫處理下不同土壤Cd含量處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters and capital letters indicate significant differences among different drought stress treatments in the 100 mg×kg?1and 200 mg×kg?1soil Cd contents, respectively (< 0.05). ** indicate significant difference between two Cd concentrations under the same drought stress (< 0.05).

表1 干旱與Cd雙重脅迫下Cd在土壤-根-莖-葉-蚜蟲(chóng)系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.3 干旱脅迫下小麥根莖葉及蚜蟲(chóng)體內(nèi)Cd含量主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

對(duì)小麥根莖葉及麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)Cd含量進(jìn)行雙因素方差分析, 其主體間效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果表明(表2), 土壤Cd含量、干旱脅迫都對(duì)小麥根莖葉Cd含量有顯著影響, 且兩者間存在顯著的交互作用。由各偏差平方和在總偏差平方和中所占的比例可以看出, 在小麥根與莖中, 土壤Cd含量對(duì)積累量的作用大于干旱脅迫; 而小麥葉片中, 干旱脅迫對(duì)積累量的作用大于土壤Cd含量。在麥長(zhǎng)管蚜中, 土壤Cd含量與干旱脅迫之間的交互作用不顯著, 且土壤Cd含量對(duì)其體內(nèi)Cd含量的影響大于干旱脅迫。

3 討論

本研究中小麥體內(nèi)的Cd含量為根>莖>葉, 這是由于根部的“隔離”作用[24-25], 植物根部吸收的Cd會(huì)大于地上部分。張丙春等[26]、李江遐等[27]、何勇強(qiáng)等[28]的研究也得到了相同的結(jié)果。而在轉(zhuǎn)移系數(shù)中, 葉片-麥長(zhǎng)管蚜的轉(zhuǎn)移系數(shù)明顯高于根-莖、莖-葉和葉-蚜蟲(chóng)的3個(gè)轉(zhuǎn)移系數(shù), 且大于1, Dar等[23]也得到了類似的結(jié)果, 表明存在著生物富集現(xiàn)象。推測(cè)其原因?yàn)? Cd進(jìn)入蚜蟲(chóng)體內(nèi)后, 與蚜蟲(chóng)體內(nèi)的可溶性蛋白(包括金屬硫蛋白)發(fā)生了絡(luò)合反應(yīng), 使其不容易被蚜蟲(chóng)代謝排出體外, 從而累積在蚜蟲(chóng)體內(nèi)。

表2 干旱與Cd雙重脅迫下小麥根莖葉及蚜蟲(chóng)體內(nèi)Cd含量主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

植物干旱會(huì)影響到植物的蒸騰作用、光合作用以及呼吸作用, 及體內(nèi)的激素調(diào)節(jié)及氮代謝等[18], 這些都可能影響到植物對(duì)Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及積累。Liu等[29]研究表明, 美國(guó)商陸(L.)莖Cd含量與葉片的蒸騰作用密切相關(guān), 水分脅迫減少了葉片的蒸騰作用, 從而降低了莖的Cd含量。此外, 干旱還會(huì)影響到植物根的形態(tài)特征, 從而影響植物對(duì)Cd的吸收。Shi等[30]研究表明, 蓖麻(L.)在干旱條件下, 根部生長(zhǎng)受到抑制, 且形態(tài)發(fā)生變化, 最終使其減少Cd的積累。本試驗(yàn)中, 同一土壤Cd含量下, 小麥Cd總含量(根莖葉Cd含量之和)隨干旱脅迫程度增大而減少, 這與Shi等[30]的研究結(jié)論相一致; 但莖部及葉部的Cd含量變化規(guī)律與前人[29-30]的研究結(jié)果不同, 推測(cè)原因可能是試驗(yàn)材料及處理?xiàng)l件的差異。

Cd及干旱脅迫都會(huì)影響到麥長(zhǎng)管蚜取食。武晶晶等[22]的研究表明, 當(dāng)土壤中重金屬含量大于40mg×kg?1時(shí), 重金屬含量越高, 麥長(zhǎng)管蚜取食行為受影響的程度越大, 包括np波(非刺探電位)的增多, 首次出現(xiàn)取食行為的時(shí)間延長(zhǎng)等。張麗等[1]的研究表明, 低劑量的Zn2+促進(jìn)麥長(zhǎng)管蚜對(duì)小麥的取食, 而高劑量Zn2+則對(duì)其有抑制作用。適度的干旱脅迫會(huì)增加植物韌皮部汁液中的必需氨基酸含量, 有利于蚜蟲(chóng)及其他刺吸式昆蟲(chóng)取食, 而過(guò)度的干旱脅迫會(huì)使韌皮部汁液中的糖濃度升高, 增加了其滲透壓, 會(huì)降低其取食率[31-33]。戴鵬[34]在研究麥長(zhǎng)管蚜對(duì)缺水脅迫的響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn), 重度干旱脅迫顯著縮短了麥長(zhǎng)管蚜在小麥上的被動(dòng)取食時(shí)間。重金屬主要通過(guò)麥長(zhǎng)管蚜取食進(jìn)入其體內(nèi), 所以干旱脅迫最終導(dǎo)致了麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)重金屬含量的變化。

本研究中, 土壤Cd含量為100mg×kg?1時(shí)麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)Cd含量反而低于200mg×kg?1處理, 這與宋亞茜[35]的研究結(jié)果相似, 其研究表明, 在Cd含量大于40mg×kg?1時(shí), 隨Cd濃度升高, 麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)累積Cd反而減少。推測(cè)造成此現(xiàn)象的原因是: 過(guò)高的Cd濃度致使麥長(zhǎng)管蚜取食量減少, 而麥長(zhǎng)管蚜?xí)ㄟ^(guò)排泄作用排出體內(nèi)的重金屬, 且取食的Cd濃度越高, 蜜露中的Cd含量越高[23,36]。

本研究?jī)H探究了重金屬Cd與干旱雙重脅迫下, Cd在小麥及蚜蟲(chóng)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移規(guī)律, 但各部分Cd含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)的差異的原因還需更多后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)一步闡明。同時(shí)自然界中還有其他重金屬如Zn、Cu、Al等, 此外還有化學(xué)農(nóng)藥等, 這些會(huì)對(duì)蚜蟲(chóng)造成更多重的脅迫, 這些研究更為復(fù)雜和具有現(xiàn)實(shí)意義, 有待于進(jìn)一步探索與研究。

4 結(jié)論

干旱脅迫影響了Cd在土壤-小麥-蚜蟲(chóng)系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)移與積累。其中干旱脅迫對(duì)小麥不同部位Cd積累的影響不同, 其抑制了小麥根部Cd的積累而促進(jìn)了莖部Cd的積累。對(duì)于蚜蟲(chóng), 中度干旱脅迫更有利于Cd在其體內(nèi)的積累。在高濃度Cd處理下, 小麥Cd積累高于低濃度Cd處理。而在蚜蟲(chóng)體內(nèi), 高濃度Cd處理下的Cd積累反而低于低濃度的Cd處理。

[1] 張麗, 宋亞茜, 高歡歡, 等. 重金屬Zn2+脅迫下麥長(zhǎng)管蚜的取食行為[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(9): 2537–2543 ZHANG L, SONG Y X, GAO H H, et al. The effects of long-time exposure of Zn2+on the feeding behavior of English green aphid[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(9): 2537–2543

[2] 王秀麗, 徐建民, 姚槐應(yīng), 等. 重金屬銅、鋅、鎘、鉛復(fù)合污染對(duì)土壤環(huán)境微生物群落的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 23(1): 22–27 WANG X L, XU J M, YAO H Y, et al. Effects of Cu, Zn, Cd and Pb compound contamination on soil microbial community[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2003, 23(1): 22–27

[3] T?PPERWIEN S, XUE H, BEHRA R, et al. Cadmium accumulation inunder freshwater conditions[J]. Environmental Science and Technology, 2007, 41(15): 5383–5388

[4] 王宏鑌, 束文圣, 藍(lán)崇鈺. 重金屬污染生態(tài)學(xué)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 25(3): 596–605 WANG H B, SHU W S, LAN C Y. Ecology for heavy metal pollution: recent advances and future prospects[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(3): 596–605

[5] SHAHID M, DUMAT C, KHALID S, et al. Cadmium bioavailability, uptake, toxicity and detoxification in soil-plant system[M]//Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. Cham: Springer International Publishing, 2016: 73–137

[6] WANG X M, ZHANG C, QIU B L, et al. Biotransfer of Cd along a soil-plant-mealybug-ladybird food chain: A comparison with host plants[J]. Chemosphere, 2017, 168: 699–706

[7] ZHUANG P, ZOU H L, SHU W S. Biotransfer of heavy metals along a soil-plant-insect-chicken food chain: Field study[J]. Journal of Environmental Sciences, 2009, 21(6): 849–853

[8] RAN X F, LIU R, XU S, et al. Assessment of growth rate, chlorophyll a fluorescence, lipid peroxidation and antioxidant enzyme activity in,andexposed to cadmium[J]. Ecotoxicology, 2015, 24(2): 468–477

[9] 燕江偉, 李昌曉, 崔振, 等. 干旱脅迫下鎘處理對(duì)互葉醉魚(yú)草幼苗生長(zhǎng)、鎘積累及光合生理的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 37(21): 7242–7250 YAN J W, LI C X, CUI Z, et al. Effects of cadmium on growth, cadmium accumulation, and photosynthetic physiology ofMaxim. seedlings under drought stress[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(21): 7242–7250

[10] DEGRYSE F, BUEKERS J, SMOLDERS E. Radio-labile cadmium and zinc in soils as affected by pH and source of contamination[J]. European Journal of Soil Science, 2004, 55(1): 113–122

[11] BARAN?íKOVá G, MADAMS M, RYBàR O. Crop contamination by selected trace elements[J]. Journal of Soils and Sediments, 2004, 4(1): 37–42

[12] MENON M, HERMLE S, ABBASPOUR K C, et al. Water regime of metal-contaminated soil under juvenile forest vegetation[J]. Plant and Soil, 2005, 271(1/2): 227–241

[13] GUSIATIN Z M, KLIMIUK E. Metal (Cu, Cd and Zn) removal and stabilization during multiple soil washing by saponin[J]. Chemosphere, 2012, 86(4): 383–391

[14] JALLOH M A, CHEN J H, ZHEN F R, et al. Effect of different N fertilizer forms on antioxidant capacity and grain yield of rice growing under Cd stress[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 162(2/3): 1081–1085

[15] HONG K, TOKUNAGA S, KAJIUCHI T. Evaluation of remediation process with plant-derived biosurfactant for recovery of heavy metals from contaminated soils[J]. Chemosphere, 2002, 49(4): 379–387

[16] DAI A G. Drought under global warming: a review[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, 2011, 2(1): 45–65

[17] MISHRA A K, SINGH V P. A review of drought concepts[J]. Journal of Hydrology, 2010, 391(1/2): 202–216

[18] HSIAO T C. Plant responses to water stress[J]. Annual Review of Plant Physiology, 1973, 24(1): 519–570

[19] FIEBIG M, POEHLING H M, BORGEMEISTER C. Barley yellow dwarf virus, wheat, and: a case of trilateral interactions[J]. Entomologia Experimentalis et Applicata, 2004, 110(1): 11–21

[20] GALLEY D J. Aphids on the world’s crops: An identification and information guide[J]. Crop Protection, 1985, 4(3): 403

[21] GAO H H, ZHAO H Y, DU C, et al. Life table evaluation of survival and reproduction of the aphid,, exposed to cadmium[J]. Journal of Insect Science, 2012, 12(44): 1–9

[22] 武晶晶, 高歡歡, 白小惠, 等. 鎘脅迫對(duì)麥長(zhǎng)管蚜取食行為的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 21(12): 198–201 WU J J, GAO H H, BAI X H, et al. Effect of Cd2+stress on feeding behavior of the aphidavenae (Fabricius)[J]. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica, 2012, 21(12): 198–201

[23] DAR M I, GREEN I D, NAIKOO M I, et al. Assessment of biotransfer and bioaccumulation of cadmium, lead and zinc from fly ash amended soil in mustard-aphid-beetle food chain[J]. Science of the Total Environment, 2017, 584/585: 1221–1229

[24] NISHIZONO H, ICHIKAWA H, SUZIKI S, et al. The role of the root cell wall in the heavy metal tolerance of[J]. Plant and Soil, 1987, 101(1): 15–20

[25] AHMAD P, NABI G, ASHRAF M. Cadmium-induced oxidative damage in mustard [(L.) Czern. & Coss.] plants can be alleviated by salicylic acid[J]. South African Journal of Botany, 2011, 77(1): 36–44

[26] 張丙春, 王磊, 孟立紅, 等. 鎘脅迫下春小麥中鎘的分布、富集及轉(zhuǎn)移規(guī)律[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2010, 29(12): 2521–2524 ZHANG B C, WANG L, MENG L H, et al. Distribution, enrichment, and transfer of cadmium in spring wheat under cadmium stress[J]. Chinese Journal of Ecology, 2010, 29(12): 2521–2524

[27] 李江遐, 張軍, 馬友華, 等. 不同水稻品種對(duì)鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及其非蛋白巰基含量的變化[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2017, 26(12): 2140–2145 LI J X, ZHANG J, MA Y H, et al. Uptake and translocation of cadmium and content of non-protein thiols in different rice cultivars[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2017, 26(12): 2140–2145

[28] 何勇強(qiáng), 陶勤南, 小畑仁, 等. 鎘脅迫下大豆中鎘的分布狀況及其籽粒品質(zhì)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 20(4): 510–512 HE Y Q, TAO Q N, OBATA H, et al. Distribution of cadmium in soybean and quality of soybean seed under cadmium stress[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2000, 20(4): 510–512

[29] LIU X Q, PENG K J, WANG A G, et al. Cadmium accumulation and distribution in populations ofL. and the role of transpiration[J]. Chemosphere, 2010, 78(9): 1136–1141

[30] SHI G R, XIA S L, YE J, et al. PEG-simulated drought stress decreases cadmium accumulation inbean by altering root morphology[J]. Environmental and Experimental Botany, 2015, 111: 127–134

[31] HALE B K, BALE J S, PRITCHARD J, et al. Effects of host plant drought stress on the performance of the bird cherry-oat aphid,(L.): a mechanistic analysis[J]. Ecological Entomology, 2003, 28(6): 666–677

[32] ISAACS R, BYRNE D N, HENDRIX D L. Feeding rates and carbohydrate metabolism by(Homoptera: Aleyrodidae) on different quality phloem saps[J]. Physiological Entomology, 1998, 23(3): 241–248

[33] AN NGUYEN T T, MICHAUD D, CLOUTIER C. Proteomic profiling of aphidresponses to host-plant-mediated stress induced by defoliation and water deficit[J]. Journal of Insect Physiology, 2007, 53(6): 601–611

[34] 戴鵬. 不同干旱地區(qū)麥長(zhǎng)管蚜對(duì)缺水脅迫的響應(yīng)及其遺傳基礎(chǔ)[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2016: 41–42 DAI P. Responses of(Fabricius) to water-deficit stress and the underlying genetic basis[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016: 41–42

[35] 宋亞茜. Cd與Zn長(zhǎng)期共同脅迫對(duì)麥長(zhǎng)管蚜種群生態(tài)系統(tǒng)影響的研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2016 SONG Y X. The effect of long-term combined stress of cadmium and zinc on the population ecosystem of(Hemiptera: Aphididae)[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2016

[36] CRAWFORD L A, HODKINSON I D, LEPP N W. The effects of elevated host-plant cadmium and copper on the performance of the aphid(Homoptera: Aphididae)[J]. The Journal of Applied Ecology, 1995, 32(3): 528

Cadmium transfer in the ecosystem of soil-wheat-aphid under dual stress of cadmium and drought*

SHU Qihao, KONG Yanyan, LUO Kun, LI Yuan, ZHAO Huiyan**

(College of Plant Protection, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

There have been several reports regarding the effects of both drought and heavy metals on aphids. However, although aphids often experience dual stresses and even multiple stresses, such as a combination of heavy metals, drought, and other stress factors, in the natural environment, there have been few reports on dual or multiple stresses. To explore the effects of dual stresses from drought and heavy metal on the Cd transfer in the soil-wheat-aphid system, this study took(Fabricius) as the research object and used an atomic absorption spectrophotometer to measure the Cd contents ofand of the roots and leaves of wheat following treatment with different soil contents of heavy metals (100 and 200 mg×kg?1) and exposure to different degrees of drought stress (well-watered, moderate drought stress and severe drought stress). The results revealed that both soil Cd content and drought stress had significant effects on the Cd contents of both wheat and aphids (< 0.05). The interactive effect of soil Cd content and drought stress was significant (< 0.05) on Cd content of wheat roots and leaves, but it was not significant (> 0.05) on Cd content of wheat stems and aphids. Cd accumulation in wheat was in the order of root > stem > leaves, under the same stress conditions. As drought stress increased, the Cd content of wheat roots and the Cd transfer coefficient from soil to roots gradually decreased, and the stem Cd content and transfer coefficient from roots to stems gradually increased. In, the Cd content under 100 mg×kg?1soil Cd content was higher than that under 200 mg×kg?1. Moderate drought stress increased Cd accumulation in the bodies of the aphids, whereas severe drought stress reduced the Cd accumulation. The Cd transfer coefficient from leaf to aphid was >1, and significantly larger than that from soil to root and that from root to stem and stem to leaf, indicating biomagnification of Cd in the aphids. In summary, drought stress promotes the transfer of Cd from soil to stems of wheat and its accumulation in roots, but it inhibits the transfer of Cd from root to stem and its accumulation in stem. Moderate drought stress promotes Cd accumulation in, whereas severe drought stress inhibits Cd accumulation in aphid.

Drought stress; Cd pollution; Dual stress; Wheat;(Fabricius); Soil-wheat-aphid ecosystem

舒啟豪, 孔艷艷, 羅坤, 李媛, 趙惠燕. 干旱與Cd雙重脅迫對(duì)土壤-小麥-蚜蟲(chóng)系統(tǒng)Cd轉(zhuǎn)移規(guī)律影響的研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(11): 1656-1662

SHU Q H, KONG Y Y, LUO K, LI Y, ZHAO H Y. Cadmium transfer in the ecosystem of soil-wheat-aphid under dual stress of cadmium and drought[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(11): 1656-1662

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(39970112, 20470268)、高校博士點(diǎn)基金(20130204110004)和陜西省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目(2012)資助

趙惠燕, 主要研究方向?yàn)槔ハx(chóng)生態(tài)與害蟲(chóng)綜合治理。E-mail: zhaohy@nwsuaf.edu.cn

舒啟豪, 主要從事農(nóng)業(yè)昆蟲(chóng)與害蟲(chóng)防治研究。E-mail: 2424861687@qq.com

2019-04-26

2019-07-24

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (39970112, 20470268), the Doctoral Foundation of Colleges and Universities of China (20130204110004) and theInternational Cooperation Project of Shaanxi Science and Technology Department (2012).

, E-mail: zhaohy@nwsuaf.edu.cn

Jul. 24, 2019

Apr. 26, 2019;

S435.122.2

2096-6237(2019)11-1656-07

10.13930/j.cnki.cjea.190324