外源硅對土壤鎘活性及小麥吸收鎘的影響

韓 超， 張 浩， 申海玉， 李粉霞

(1.邯鄲學院生命科學與工程學院，河北邯鄲 056005； 2.邯鄲市資源植物重點實驗室，河北邯鄲 056005；3.河北省邯鄲市永年農業(yè)局環(huán)保站，河北邯鄲 057150)

據報道，中國約1/5的農業(yè)用地遭到嚴重的重金屬污染[1]，其中最主要的污染因子就是重金屬鎘(Cd)。重金屬Cd對生物而言是非必需元素，具有巨大的生物毒性且在生物體內半衰期長。但是，它在工業(yè)、農業(yè)中應用廣泛且極易被植物吸收因而成為危害人類和生態(tài)系統(tǒng)的主要重金屬污染物之一。同時，大量研究表明，Cd對于植物生長發(fā)育極其不利，可抑制植物的光合作用和呼吸作用，進而干擾植物體內碳代謝以及水分和無機養(yǎng)分的吸收與轉化[2-4]。因此，關于土壤Cd污染的治理和緩解其對植物危害的相關研究越來越多[5-6]。

化學改良劑的施用因其可操作性強且成本低廉成為防治土壤重金屬污染尤其是Cd污染的重要手段，其中包括對土壤重金屬具有活化作用的螯合劑、土壤pH值調節(jié)劑以及土壤重金屬鈍化劑等。而以硅肥作為改良劑應用于重金屬污染的研究越來越多，通過改善植物生理生化代謝過程、鈍化土壤重金屬，甚至可以影響植物根系對重金屬的轉移能力等多種途徑，Si對植物重金屬脅迫起到重要的調控作用[7-9]，此外，據報道，外源硅的輸入能夠提高高等植物對重金屬脅迫的抗性，在抗氧化酶活性、光合等方面均有表現(xiàn)[10]，降低植物對重金屬的吸收并可減輕重金屬對植物的毒害[11]。但目前，硅對土壤重金屬污染的改良研究多集中于鋁、錳毒害[12]，而將其應用于Cd毒害作用的研究相對較少，且缺乏對Si用量篩選的研究。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥(TriticumaestivumlL.)品種為邯617，是河北省邯鄲市主要的小麥栽培品種之一，購自邯鄲市農業(yè)科學院。供試土壤為褐土，土壤經風干、粉碎后過5 mm篩。供試土壤的理化性狀如表1所示。采用盆栽試驗，試驗用塑料桶(直徑為20 cm)，每桶裝土2 kg，施入尿素0.332 g/kg(0.15 g氮)、磷酸二氫鉀0.288 g/kg(0.15 g五氧化二磷)和氯化鉀0.159 g/kg(0.20 g氧化鉀)為基肥，所有物料一次性施入，與土壤充分混勻。

表1 供試土壤理化性狀

1.2 試驗方法

本試驗于2016年3—6月在邯鄲南苗圃開展，試驗共10個處理，其中設2個Cd水平，分別為0.0、1.5 mg/kg，設5個Si用量，分別為0.00、0.25、0.50、1.00、2.00 g/kg，每個處理重復5盆。Cd以氯化鎘(CdCl2)溶液、硅以Na2SiO3溶液形式施入，與土壤混勻，穩(wěn)定14 d。選取生長狀況一致的健壯小麥植株移栽于各處理塑料桶中，每桶種植10株，試驗過程中，按需澆去離子水，試驗處理周期為50 d。

1.3 指標測定

1.3.1 土壤中Cd的形態(tài)分組 小麥幼苗收獲后，將各處理土壤進行風干，過20目篩，制成土壤樣品。土壤中不同形態(tài)Cd含量采用Tessier等提出的分級提取方法[13]進行測定。交換態(tài)Cd的提取采用MgCl2(1.0 mol/L)中性溶液提取，振蕩、離心后上清液轉移入新離心管中加1滴濃硝酸酸化后待測Cd含量(交換態(tài))，沉淀用pH值為5.0的醋酸鈉-醋酸溶液(1.0 mol/L)提取，振蕩、離心，上清液轉移入新管中，待測碳酸鹽結合態(tài)與專性吸附態(tài)Cd含量，沉淀用氯化銨溶液(0.1 mol/L)提取，并于(96±3) ℃水浴6 h，攪拌，提取前后保持提取系統(tǒng)的恒質量，然后離心，上清液待測鐵錳氧化物結合態(tài)Cd的含量；向上述沉淀中加入水，搖勻，再加入30% H2O2溶液(pH值為2.0)，水浴加熱(85 ℃)，搖動，內容物呈糊狀時取下，再加30% H2O2溶液水浴加熱至呈糊狀時取下，冷卻后按第一步提取，上清液待測有機物結合態(tài)Cd含量；將最后殘渣烘干，過100目篩，準確稱取0.200 0 g于聚四氟乙烯坩堝中，采用HF-HClO4雙酸消解，趕酸后，用1 mol/L HCl溶解后定容得待測液，待測殘渣態(tài)Cd含量，同時做空白試驗。以上各步所獲得的提取液和消解液在原子吸收分光光度計上測出Cd含量。

1.3.2 小麥生長指標的測定 處理50 d后，隨機選取各處理小麥20株，測量株高、根長。收獲小麥植株，分為地上部分和根系，于流水下沖洗干凈，去離子水沖洗3次(在此之前，根部需用0.5 mol/L HCl浸泡15 min以去除根自由空間中的Cd。將小麥地上部分和根分別烘干(85 ℃)，稱質量，最后研磨過100目篩，制成植物粉末干樣，待測Cd含量。

1.3.3 小麥體內Cd含量的測定 采用微波消解儀(意大利邁爾斯通，ETHOSA)對小麥干樣品進行消解，稱取每個植物樣品0.200 0 g于消解管中，加8 mL混酸(HNO3與H2O2體積比為7 ∶1)，浸泡過夜，次日放在微波消解儀上進行高溫消解，直到溶液為澄清沒有顏色時消解完畢，常溫下冷卻，定量移到25 mL容量瓶之中，然后加0.2%硝酸定容到刻度，制作為植物樣品待測液，同時做空白溶液。待測液中的Cd濃度采用石墨爐原子吸收分光光度法測定。

1.3.4 小麥根系轉移系數的計算 轉移系數=地上部分Cd含量/地下部分Cd含量。

2 結果與分析

2.1 不同Si用量對模擬Cd污染下小麥幼苗生長的影響

由圖1至圖3可知，0.50 g/kg及以下Si的施用促進了小麥的生長，表現(xiàn)為株高和總生物量的增長，但當Si用量在 1.00 g/kg 及以上時，對小麥幼苗生長產生顯著抑制作用，表現(xiàn)為株高、根長和總生物量顯著降低(P<0.05)。1.5 mg/kg土壤Cd抑制了小麥幼苗的株高、根長生長，造成總生物量積累降低(P<0.05)，與無Si無Cd處理相比，株高、根長和總生物量分別降低了16.57%、19.92%和21.88%。但是，0.25、0.50 g/kg Si用量顯著提高了Cd脅迫下小麥幼苗的根長和總干質量(P<0.05)，與1.5 mg/kg Cd但未施加Si的處理相比，0.25、0.50 g/kg Si用量下小麥的總干質量分別提高了 9.42% 和20.32%，其中0.50 g/kg Si用量對Cd污染對小麥生長抑制的緩解作用最明顯，甚至與對照(未添加Cd和Si)小麥幼苗生長狀況差異不大。綜合而言，在本試驗中，0.50 g/kg Si的施用能促進小麥生長，而且有效緩解了 1.50 g/kg Cd污染對小麥幼苗生長的抑制作用。

2.2 不同Si施用量對模擬Cd污染下小麥幼苗Cd吸收累積的影響

由表2可以看出， 1.5mg/kg土壤Cd水平下， 小麥地上部分和總Cd含量分別比對照(未添加Cd和Si)增加了5.9倍和6.6倍。在無Cd添加土壤上，Si的施用對小麥幼苗吸收積累Cd的影響不大，當Si用量達到1.00 g/kg時小麥體內Cd積累量降低，可能是由于過量硅的施入對小麥生長產生抑制作用，從而減少了Cd的吸收。但是在1.5 mg/kg土壤Cd水平下，Si的施用在一定程度上抑制了小麥對Cd的吸收累積，但以0.50 g/kg及以下Si用量抑制效果最顯著(P<0.05)，其中以0.50 g/kg效果最好，該處理下小麥地上部分和總Cd積累量分別比無Si處理(1.5 mg/kg Cd，未施用Si)降低34.09%和50.40%，雖然1.0 g/kg Si的施用也降低了小麥對Cd的吸收累積，但結合生長數據，不是最佳的用量。此外，1.5 mg/kg土壤Cd水平下，0.50 g/kg及以下Si用量顯著增加了小麥根向地上部分轉移Cd的能力，表現(xiàn)為轉移系數的增加(P<0.05)，其中以0.50 g/kg Si用量效果最好，其轉移系數達到了1.44，說明硅的施入不僅降低了小麥根系對土壤Cd的吸收，還抑制了Cd向地上部分的運輸，從而減輕Cd對地上部分的危害。綜合而言，Si的施入不僅降低了小麥根系對土壤Cd的吸收， 而且抑制了Cd的向上運輸， 從而能減輕土壤Cd污染對小麥的毒害作用，其中以0.50 g/kg用量效果最好。

表2 Si施用對不同Cd水平下小麥對Cd吸收和轉移的影響

注：同列數據后不同小寫字母代表同一Cd濃度下、不同Si用量下小麥各指標之間差異顯著(P<0.05)，下表同。

2.3 不同Si施用量對模擬Cd污染下土壤Cd形態(tài)的影響

土壤中重金屬的存在形態(tài)分別為交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)，其中，交換態(tài)有效性最高，其次為結合態(tài)，而殘渣態(tài)最低。由表3可知，Si施用顯著降低了Cd污染下土壤交換態(tài)Cd的比重，且在≥0.5 g/kg用量下效果較好，此外，Si施用顯著增加了鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)Cd的比重(P<0.05)，碳酸鹽結合態(tài)Cd的比重也有增加，雖然不同Si施用量之間差異不明顯，但均顯著區(qū)別于無Si處理(1.5 mg/kg Cd，未施用Si)。

試驗結果表明，Si施用能夠降低土壤中Cd對小麥幼苗的有效性，這也可以解釋適量施用Si肥后降低了小麥幼苗對Cd的吸收與積累。

表3 Si施用對土壤Cd形態(tài)的影響

3 討論與結論

Cd是毒性最強的重金屬元素之一，能夠在食物鏈中引起生物擴大作用，從而間接危害人類的健康。根據本試驗結果，1.5 mg/kg土壤Cd污染水平下，小麥地上部分和總Cd含量分別比對照(未添加Cd和Si)增加了5.9倍和6.6倍，且小麥幼苗的生長受到顯著抑制。本研究結果還表明，0.5 g/kg及以下Si肥的施用緩解了1.5 mg/kg Cd污染對小麥幼苗生長的抑制作用，相關研究也表明Si肥施入能促進植物生長，降低重金屬對玉米生長的危害[14]。

李淑儀等報道，施Si以后降低了土壤中交換態(tài)鉻的含量，但是提高了各種類型結合態(tài)鉻的含量[15]。本研究對Cd的試驗結果也表明，Si肥施用以后顯著降低了土壤中Cd的有效性，表現(xiàn)為交換態(tài)Cd比重減小，但是Si肥施用增加了土壤中結合態(tài)Cd和殘渣態(tài)Cd的比重，但對殘渣態(tài)Cd的增加效應不如已有報道明顯，這可能是由于試驗周期短所致，但總體而言，Si肥施用降低了土壤有效態(tài)Cd的含量。

研究表明，施Si能夠抑制植物對重金屬Cd的吸收。Si對植物吸收Cd的抑制效果可能與施Si的濃度及由此增加的土壤Si含量和作物品種都有重要關系[16-19]。蔡德龍等研究發(fā)現(xiàn)，Si肥施用抑制了水稻對Cd的吸收，并隨Si肥施用量增加，抑制作用逐漸增強[20]，但秦淑琴等研究報道，Si對水稻根系對Cd的吸收量沒有明顯影響，但明顯降低了Cd向地上部分的遷移[21]。本試驗結果表明，0.25、0.50 g/kg Si用量不僅降低了小麥根系對Cd的吸收，而且降低了Cd向地上部分的遷移，這與其降低了土壤Cd的有效性具有一定關系。且 0.50 g/kg Si用量下，小麥幼苗生長最好、Cd積累最少。此外，根據本試驗結果，Si用量高于1.00 g/kg時，雖然降低了土壤Cd的有效性，但小麥幼苗的生長受到阻礙。高柳青等也指出，Si在一定濃度條件下能有效抑制植株對Cd和Zn的吸收，而較高或較低濃度的Si，其抗重金屬的效果較弱[22]。因此，Si肥的施入降低了土壤Cd的有效性，從而降低了小麥對Cd的吸收，在一定程度上可以對其促進Cd污染土壤上小麥幼苗生長做出解釋。

綜合而言，0.50 g/kg及以下Si用量能夠促進Cd污染土壤上小麥幼苗的生長，降低土壤中Cd的有效性，減少小麥根系對Cd的吸收累積以及向莖葉的運輸，且減輕了土壤Cd污染對小麥幼苗的傷害。其中，0.50 g/kg是較適宜的推薦Si用量。