土壤改良劑對(duì)鎘污染土壤小麥抗性、光合特性及產(chǎn)量的影響

張運(yùn)紅，和愛(ài)玲，楊占平，鄭春風(fēng)，張潔梅，杜 君，駱曉聲，潘曉瑩,薛毅芳

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所/河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

鎘(Cd)是一種生物毒性極強(qiáng)的重金屬元素，不僅可以造成土壤嚴(yán)重污染，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降，還可以通過(guò)土壤—作物—食物的遷移方式被人類攝取，進(jìn)而危害人類健康[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年由于人為因素向環(huán)境中釋放的Cd約有30 000 t，其中82%～94%的Cd進(jìn)入到土壤中；我國(guó)有16%的農(nóng)田被重金屬污染，其中被Cd污染的農(nóng)田達(dá)1.3×105hm2，每年生產(chǎn)的鎘含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品達(dá)1.46×108kg，嚴(yán)重影響了我國(guó)的糧食生產(chǎn)和食品安全[3-4]。因此，重金屬污染土壤治理已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上急需解決的問(wèn)題之一。目前，土壤改良劑被認(rèn)為是降低土壤重金屬有效態(tài)含量和植物吸收量的有效途徑之一。研究顯示，施用生物炭可提高作物產(chǎn)量，降低土壤Cd的生物有效性，減少作物對(duì)土壤Cd的吸收[5-6]。劉秀珍等[7]報(bào)道，施用有機(jī)肥可有效鈍化土壤中的Cd，促進(jìn)其向非生物有效態(tài)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而抑制小麥對(duì)Cd的吸收，提高小麥抗性，降低Cd毒害程度。王秀梅等[8]研究顯示，施用有機(jī)肥、菌肥、海藻肥及生物炭均可降低土壤有效態(tài)Cd含量及油菜中Cd含量，其中有機(jī)肥的作用最顯著。李冬香等[9]報(bào)道，施用硅可提高小麥葉片光合色素含量及光合效率，從而緩解Cd毒害對(duì)小麥幼苗的影響。近期的研究顯示，海藻酸鈉寡糖可調(diào)控Cd在水稻植株體內(nèi)的分布，使水稻吸收的Cd更多地滯留在根部，從而有利于維持水稻的正常生長(zhǎng)發(fā)育[10]。另有研究表明，納米材料具備晶粒尺寸小、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特性，添加到肥料中可以增加肥料的吸附性，減少肥料的流失，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高肥料利用率[11]。不同材料環(huán)境適應(yīng)性及其對(duì)土壤Cd污染的改良效果存在差異[7-8，12]，篩選成本廉價(jià)、環(huán)境適應(yīng)性及改良性能好的材料是當(dāng)前土壤重金屬污染修復(fù)研究的重點(diǎn)之一，然而同等條件下，依據(jù)材料特性尋求最優(yōu)組合以實(shí)現(xiàn)最佳的土壤Cd污染改良效果的研究還較少。小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物之一，優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、生態(tài)、安全已成為小麥生產(chǎn)的主要目標(biāo)。為此，研究不同土壤改良劑對(duì)Cd污染土壤小麥抗性、光合特性及產(chǎn)量的影響，以期篩選出可有效緩解小麥Cd毒害的土壤改良劑，為其在小麥Cd污染區(qū)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤為潮土，采自河南省鄭州市郊區(qū)，其含有機(jī)質(zhì)2.78 g/kg、速效氮44.92 mg/kg、速效磷9.1 mg/kg、速效鉀98.62 mg/kg、總Cd 0.78 mg/kg，pH值為8.12。

供試生物炭(N+P2O5+K2O含量≥5%，有機(jī)質(zhì)含量46%)由商丘三利新能源有限公司提供；腐植酸有機(jī)肥(腐植酸含量≥30%，N+P2O5+K2O含量≥10%，中、微量元素含量≥4%)由山東泉林嘉有肥料有限責(zé)任公司提供；海藻復(fù)合物由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所自主研制，主要由海藻提取物(包括海藻酸鈉寡糖等生物活性物質(zhì)和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素)、硅酸鈉和納米氫氧化鎂復(fù)配組成；外源Cd為分析純CdCl2，尿素和磷酸二氫鉀也為分析純?cè)噭?，均?gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；秸稈為2016年的玉米秸稈，烘干粉碎后備用，其含N 4.812 g/kg、P2O53.912 g/kg、K2O 16.04 g/kg。

供試小麥品種為鄭麥0943，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所許為鋼研究員為首的育種團(tuán)隊(duì)選育。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年10月—2017年5月在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行，采用土培盆栽試驗(yàn)，選用聚乙烯塑料盆(直徑30 cm，高20 cm)，每盆裝過(guò)2 mm篩的土10 kg，Cd添加量為5.00 mg/kg ，和過(guò)篩后的土混合均勻后裝盆。試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)處理，分別為單獨(dú)的Cd脅迫處理(對(duì)照，CK)、Cd脅迫下添加玉米秸稈處理(T2)、Cd脅迫下添加生物炭處理(T3)、Cd脅迫下添加腐植酸有機(jī)肥處理(T4)、Cd脅迫下添加海藻復(fù)合物處理(T5)、Cd脅迫下添加玉米秸稈和海藻復(fù)合物處理(T6)、Cd脅迫下添加生物炭和海藻復(fù)合物處理(T7)、Cd脅迫下添加腐植酸有機(jī)肥和海藻復(fù)合物處理(T8)，每個(gè)處理4次重復(fù)。其中，秸稈施用量為250 g/盆，生物炭、腐植酸有機(jī)肥和海藻復(fù)合物施用量均為10 g/盆，不同物料均與土壤充分混勻后裝盆，平衡7 d后播種。各處理均基施0.4 g/kg尿素和0.4 g/kg磷酸二氫鉀，于拔節(jié)期追施0.4 g/kg尿素。10月10日播種，每盆6穴，每穴10粒，30 d后間苗至每穴6株，小麥生長(zhǎng)期間通過(guò)稱質(zhì)量法維持盆中土壤水分含量在田間持水量的70%左右。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 株高和SPAD值 于苗期、返青期、拔節(jié)期、開花期、成熟期測(cè)定小麥株高，于苗期、返青期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期測(cè)定功能葉片(倒2葉)SPAD值，SPAD值采用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定。

1.3.2 光合色素、丙二醛(MDA)含量及抗氧化酶活性 取拔節(jié)期小麥功能葉片(倒3葉)，剪碎、混勻后用于光合色素和MDA含量以及抗氧化酶活性的測(cè)定。光合色素包括葉綠素(Chl)和胡蘿卜素(Car)，其含量采用95%乙醇浸提比色法測(cè)定。MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定?？寡趸覆捎?.05 mol/L pH值7.0磷酸緩沖液提取，其中，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法測(cè)定，過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)活性采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定[13]。

1.3.3 光合特性 于灌漿期(播種后177 d)9:30—10:30，采用Li-6200便攜式光合作用測(cè)定儀(LI-CORInc.,USA)測(cè)定小麥旗葉凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。測(cè)定時(shí)光照強(qiáng)度為800～1 200 μmol/(m2·s)，葉室(2 cm×3 cm)內(nèi)設(shè)定溫度為25 ℃，采用開放氣路，設(shè)定空氣流速為500 μmol/s。并計(jì)算氣孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)，Ls=1-Ci/C0(C0代表氣孔中CO2濃度為420 μmol/mol)；WUE=Pn/Tr。

1.3.4 物質(zhì)生產(chǎn)特性 分別于開花期和成熟期取地上部植株樣品，并將成熟期樣品分為籽粒和莖葉兩部分，置于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質(zhì)量，測(cè)定干質(zhì)量，并按下列公式計(jì)算以下參數(shù)：花前同化物積累量=開花期植株同化物積累量；總同化物積累量=成熟期莖葉同化物積累量+成熟期籽粒產(chǎn)量；花后同化物積累量=總同化物積累量-花前同化物積累量；花后同化物積累率=花后同化物積累量/總同化物積累量×100%；收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量[14]。

1.3.5 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 收獲前，調(diào)查每盆小麥有效穗數(shù)，每穗實(shí)粒數(shù)多于5粒者為有效穗；成熟期，收割每盆全部植株，分別脫粒，風(fēng)干后稱質(zhì)量，計(jì)算每盆籽粒產(chǎn)量、千粒質(zhì)量；各盆選取代表性植株10株，采用百分之一電子天平稱穗質(zhì)量，并在室內(nèi)清查所有穗的粒數(shù)，計(jì)算穗粒數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥株高和SPAD值的影響

由圖1可以看出，T5處理的小麥株高在苗期、返青期、拔節(jié)期、開花期和成熟期均最高，分別較對(duì)照顯著增加8.8%、23.3%、18.8%、12.7%和5.5%；T3、T4處理的株高整體上在各生育時(shí)期也較高；T6處理的株高在不同生育時(shí)期均最低(拔節(jié)期除外)，分別較對(duì)照下降26.6%(P<0.05)、23.3%(P<0.05)、9.5%(P<0.05)、1.3%(P>0.05)和2.1%(P<0.05)；T7處理株高整體上在各生育時(shí)期也較低;T2處理在苗期、返青期和拔節(jié)期均顯著低于對(duì)照，降幅分別為14.1%、18.8%和16.6%，在開花期和成熟期均顯著高于對(duì)照，提高幅度分別為9.3%和4.2%。小麥葉片SPAD值在苗期和返青期均以T5處理最高，分別較對(duì)照顯著提高17.2%和3.5%，在拔節(jié)期以T4處理最高，較對(duì)照顯著提高9.1%，且這3個(gè)時(shí)期均以T2處理最低，在開花期和灌漿期均以T2處理最高。總體上，T5處理可有效緩解Cd脅迫對(duì)小麥生長(zhǎng)的抑制作用，T3和T4處理也可在一定程度上促進(jìn)Cd脅迫下小麥的生長(zhǎng)，但與前者配合施用效果變差；T2處理對(duì)小麥生育前期生長(zhǎng)不利，但隨生育期延長(zhǎng)小麥長(zhǎng)勢(shì)漸好。

不同小寫字母表示同一時(shí)期不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥葉片抗氧化酶活性和MDA含量的影響

表1 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥葉片抗氧化酶活性和MDA含量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理之間的差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥葉片光合色素含量的影響

由表2可知，T5和T8處理小麥葉片Chla和總Chl含量均較高，其中Chla含量分別較對(duì)照顯著增加6.7%和7.9%，總Chl含量分別較對(duì)照顯著增加7.1%和8.9%；T2、T3和T6處理的Chla和總Chl含量均較對(duì)照顯著下降，Chla含量降幅分別為14.1%、14.6%和30.7%，總Chl含量降幅分別為13.7%、4.8%和30.4%；此外，T7處理的總Chl含量也顯著低于對(duì)照，降幅為7.9%。T4處理的Chlb和Car含量均顯著高于對(duì)照，提高幅度分別為7.2%和9.6%；T2、T3和T6處理的Chlb含量均較對(duì)照顯著降低，降低幅度分別為11.5%、7.6%和29.6%；T2、T3、T6、T7和T8處理的Car含量均顯著低于對(duì)照，降低幅度分別為17.0%、11.8%、28.0%、13.3%和8.1%。綜上，T5和T8處理可提高Cd脅迫下小麥葉片光合色素含量，從而有利于光合作用的進(jìn)行。

表2 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥葉片光合色素含量的影響 mg/g

2.4 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下灌漿期小麥光合特性的影響

由表3可以看出，T5、T6、T7和T8處理小麥Pn均顯著高于對(duì)照，增幅分別為44.2%、12.58%、11.2%和12.2%；T2和T3處理均顯著低于對(duì)照，降幅分別為14.0%和15.0%。T3、T5和T6處理小麥WUE均顯著高于對(duì)照，增幅分別為5.3%、3.9%和3.4%；T2、T7和T8處理均顯著低于對(duì)照，降幅分別為15.4%、12.0%和10.7%。除T3和T4處理外，其余處理小麥Gs均顯著高于對(duì)照，增幅為10.0%～57.7%，以T5處理增幅最大。T5、T7和T8處理小麥Tr均顯著高于對(duì)照，增幅分別為38.8%、26.6%和25.5%；T3處理則較對(duì)照顯著下降，降幅為19.1%。T2、T5、T7和T8處理小麥Ci均顯著高于對(duì)照，增幅分別為12.9%、6.5%、5.9%和3.2%；T6處理則較對(duì)照顯著下降，降幅為4.2%。T2、T5、T7和T8處理小麥Ls均較對(duì)照顯著下降，降幅分別為17.5%、9.9%、9.1%和6.0%，其他處理與對(duì)照間的差異均不顯著。綜上，T5處理可顯著提高Cd脅迫下小麥Pn，促進(jìn)光合作用的進(jìn)行，且主要通過(guò)提高Gs、降低Ls來(lái)實(shí)現(xiàn)；此外，該處理的Tr和WUE也總體上均顯著高于其他處理。

表3 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下灌漿期小麥光合特性的影響

2.5 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥物質(zhì)生產(chǎn)特性的影響

由表4可知，T4、T5和T7處理的小麥花前同化物積累量較高，分別較對(duì)照顯著增加40.7%、26.7%和26.6%；其次是T8處理，也顯著高于對(duì)照，增幅為12.5%，其余處理與對(duì)照均無(wú)顯著差異。對(duì)于花后同化物積累量，T2處理顯著高于對(duì)照，增幅為21.29%，T4、T5和T7處理均顯著低于對(duì)照，降幅分別為68.93%、23.79%和60.93%。對(duì)于總同化物積累量，T2、T5和T8處理均顯著高于對(duì)照，增幅分別為5.74%、7.23%和6.65%，T7處理顯著低于對(duì)照，其他處理與對(duì)照間的差異均不顯著?；ê笸锓e累率，以T2處理最高，較對(duì)照增加5.68個(gè)百分點(diǎn)；T4、T5、T7處理均顯著低于對(duì)照，分別降低26.41、11.17、22.36個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于粒質(zhì)量，以T3處理最高，其次是T8處理，二者分別較對(duì)照顯著增加13.52%和7.08%，T6處理較對(duì)照顯著降低12.30%，其他處理與對(duì)照均無(wú)顯著差異。對(duì)于收獲指數(shù)，以T3處理最高，較對(duì)照顯著增加16.52%；T2和T6處理均顯著低于對(duì)照，降幅分別為9.14%和14.16%；其他處理與對(duì)照均無(wú)顯著差異。綜上，T2處理可促進(jìn)小麥花后同化物積累，T4、T5和T7處理對(duì)促進(jìn)花前同化物積累作用效果顯著，T3處理對(duì)提高小麥的粒質(zhì)量和收獲指數(shù)效果較好。

表4 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥物質(zhì)生產(chǎn)特性的影響

2.6 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表5可知，T5、T8、T3、T4處理小麥有效穗數(shù)均顯著高于對(duì)照，增幅分別為26.0%、8.7%、6.7%、3.8%；T6和T7處理均顯著低于對(duì)照，降幅分別為8.6%和7.0%。對(duì)于穗質(zhì)量，除T7處理較對(duì)照顯著下降外，其他處理均顯著高于對(duì)照，增幅為 1.68%～7.14%，以T5和T8處理增幅最高。對(duì)于穗粒數(shù)，以T8和T7處理較高，分別較對(duì)照顯著提高15.62%和14.59%，其次是T4、T5和T2處理。對(duì)于千粒質(zhì)量，以T3處理最高，其次是T8和T4處理，三者分別較對(duì)照顯著提高18.09%、14.28%和13.86%。對(duì)于產(chǎn)量，以T5處理最高，其次是T3和T8處理，三者分別較對(duì)照顯著增加30.94%、21.17%和16.42%；T2、T6和T7處理均顯著低于對(duì)照，降幅分別為8.41%、19.90%和13.06%。綜上，T5處理可促進(jìn)Cd脅迫下小麥產(chǎn)量的形成，主要?dú)w因于有效穗數(shù)的增加；T3處理促進(jìn)產(chǎn)量的形成主要?dú)w因于千粒質(zhì)量的增加；T8處理促進(jìn)產(chǎn)量的形成主要?dú)w因于穗粒數(shù)的增加；T6和T7處理產(chǎn)量降低主要?dú)w因于有效穗數(shù)的下降。

表5 土壤改良劑對(duì)Cd脅迫下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

3 結(jié)論與討論

植物對(duì)Cd的吸收受土壤pH值、陽(yáng)離子交換量(CEC)、有機(jī)質(zhì)含量以及離子間的作用等諸多因素影響，土壤改良劑可改變這些因素，從而影響土壤中Cd的有效性及植物對(duì)Cd的吸收[15-19]，故被認(rèn)為是土壤重金屬污染修復(fù)的有效途徑之一。不同改良劑對(duì)土壤有效Cd含量和作物對(duì)Cd的吸收影響不盡一致，這與改良劑自身的性質(zhì)及添加量有關(guān)[17]。本研究結(jié)果表明，Cd脅迫條件下，海藻復(fù)合物可通過(guò)提高SOD和APX活性，增強(qiáng)小麥的抗性；并可增加光合色素含量、提高Pn，從而促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的提高。前期的研究證實(shí)，海藻酸鈉寡糖可將水稻吸收的Cd更多地滯留在根部細(xì)胞壁中，并可提高非巰基蛋白、植物螯合肽和脯氨酸含量以及抗氧化酶活性，從而緩解Cd毒害，維持水稻的正常生長(zhǎng)發(fā)育；此外，還可改善植物類囊體膜的結(jié)構(gòu)和功能，從而提高其光合效率[20-21]。魏曉等[22]研究顯示，硅可減少土壤中Cd的移動(dòng)和潛在移動(dòng)，一方面，單硅酸可與Cd反應(yīng)形成不溶性硅酸鹽；另一方面，土壤Cd可被富硅物質(zhì)吸附，從而降低Cd的移動(dòng)性；此外，硅素還可增加水稻質(zhì)外體和共質(zhì)體中單硅酸的濃度，從而使大部分Cd積累在根部質(zhì)外體中，有效降低Cd在水稻組織中的遷移。袁婷等[11]報(bào)道，納米氫氧化鎂可促進(jìn)非酶類以及酶類等次生代謝物質(zhì)的產(chǎn)生，從而增加作物的抗氧化能力。河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所自主研制的海藻復(fù)合物，主要由海藻提取物(包括海藻酸鈉寡糖等生物活性物質(zhì)和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素)、硅酸鈉和納米氫氧化鎂復(fù)配組成，這可能是其促進(jìn)Cd脅迫下小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量提高的主要原因。然而，本試驗(yàn)對(duì)土壤Cd的賦存形態(tài)未作解析，海藻復(fù)合物對(duì)土壤中Cd形態(tài)及遷移的具體影響，還有待進(jìn)一步研究。

研究表明，生物炭本身是一種良好的土壤理化性質(zhì)改良劑，可增加土壤比表面積和孔隙度，提高土壤中各種離子的交換能力和pH值，其對(duì)土壤中Cd賦存形態(tài)的影響主要通過(guò)影響土壤有機(jī)質(zhì)含量、CEC、pH值和氧化還原電位等來(lái)實(shí)現(xiàn)[16-17]。腐植酸是一種帶電荷的高分子有機(jī)聚合物膠體，含有羧基、酚羥基和氨基等活性官能團(tuán)，對(duì)很多離子具有較強(qiáng)的結(jié)合能力。關(guān)于腐植酸對(duì)重金屬的影響，目前有2種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為，腐植酸的添加，可使土壤對(duì)重金屬的吸持能力增強(qiáng)，從而降低重金屬對(duì)植物的可給性和毒害程度；另一種則認(rèn)為，低分子質(zhì)量腐植酸可活化土壤中的Cd，從而促進(jìn)植物對(duì)其吸收。是鈍化還是活化土壤中的Cd，主要取決于其組分和土壤環(huán)境條件[23]。從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，生物炭和腐植酸有機(jī)肥處理可在一定程度上促進(jìn)Cd脅迫下小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，可能與其增強(qiáng)土壤對(duì)Cd的吸持能力、降低其毒害有關(guān)。然而，本試驗(yàn)條件下，海藻復(fù)合物與生物炭或腐植酸有機(jī)肥配合施用效果不及海藻復(fù)合物單獨(dú)處理，且產(chǎn)量降低主要?dú)w因于有效穗數(shù)的降低，其原因還不是很清楚，是否與物質(zhì)間的相互作用有關(guān)還有待進(jìn)一步考究。此外，本試驗(yàn)中，秸稈還田處理對(duì)小麥生育前期生長(zhǎng)不利，但隨生育期推進(jìn)小麥長(zhǎng)勢(shì)漸好，可能與秸稈腐熟前期微生物活動(dòng)需要消耗大量的氮，與小麥生長(zhǎng)氮需求存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系有關(guān)，后期隨著養(yǎng)分及有機(jī)物質(zhì)的釋放[24]，小麥長(zhǎng)勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)好。