鎘脅迫下硅對烤煙生長及生理特性的影響

祖慶學(xué)，劉曉云，饒 成，祖萬斌，李碧寬，陸引罡

(1.貴陽市煙草公司 開陽分公司，貴州 開陽 550300； 2.貴州大學(xué)，貴州 花溪 550025)

鎘污染是重金屬污染中最主要的一種，鎘具有高移動性和高毒害性，而且很難降解[1]。烤煙對鎘具有高富集性，在被吸食過程中，煙葉中的鎘會通過主流煙氣在人體內(nèi)富集，對人體造成一定的傷害而且很難排出體外[2-4]。土壤中鎘濃度增加不僅會改變煙株細(xì)胞膜通透性及酶活性[5-6]，同時會促進(jìn)葉綠素降解(即降低光合作用)，減少有機(jī)物的生成[7-8]，使煙葉品質(zhì)與產(chǎn)量下降。因此，探討降低鎘對烤煙毒害作用的方法具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，有益元素硅可以增強(qiáng)植物對鎘的抗性[9-10]。賈國濤等[11]發(fā)現(xiàn)，在烤煙大田中施入枸溶性硅肥(750 kg/hm2)可以提高烤煙葉片葉綠素含量、SOD活性、POD活性，降低MDA含量。靳輝勇等[12]研究表明，硅酸鹽施入量為12 000 kg/hm2可以改善土壤肥力狀況，提高土壤pH值，降低土壤中鎘的生物有效性，抑制植株對鎘的吸收。劉彩鳳等[13]發(fā)現(xiàn)，施硅可以降低植株根系對鎘的吸收，改善光合作用，增強(qiáng)植株的抗氧化能力?？梢?，施硅對植物鎘毒害具有一定的緩解作用。近年來，關(guān)于添加外源硅緩解作物鎘毒害的研究主要集中在白菜[14]、水稻[15-17]、大蒜[18]、甘藍(lán)[19]、果蔗[20]等作物上，而添加外源硅緩解煙草鎘毒害方面的研究較少，且尚未對相應(yīng)的作用機(jī)制進(jìn)行深入研究。鑒于此，通過盆栽試驗(yàn)，研究了鎘脅迫下添加外源硅對烤煙生長及生理特性的影響，以期為鎘污染區(qū)的烤煙種植提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試烤煙品種為南江3號，盆栽試驗(yàn)土壤取自貴州省貴陽市花溪區(qū)區(qū)政府旁，其基礎(chǔ)理化性狀為：堿解氮含量24.5 mg/kg、有效磷含量5.25 mg/kg、速效鉀含量50.0 mg/kg、全氮含量0.42 g/kg、有機(jī)質(zhì)含量6.03 g/kg，pH值6.99，土壤全鎘含量0.20 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)地點(diǎn)為貴州大學(xué)南校區(qū)盆栽場。試驗(yàn)添加的外源鎘為硫酸鎘(3CdSO4·8H2O)。根據(jù)國家土壤鎘污染3級標(biāo)準(zhǔn)和土壤鎘污染狀況，共設(shè)3個鎘含量處理，分別為Cd0=0 mg/kg、Cd1=1 mg/kg、Cd5=5 mg/kg；硅化學(xué)改良劑為九水硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)，每個鎘水平下設(shè)4個施硅量處理，分別為Si0=0 g/kg、Si1=1 g/kg、Si2=2 g/kg、Si4=4 g/kg。試驗(yàn)共12個處理組合，3次重復(fù)。

裝盆前先將土壤風(fēng)干，過篩，每盆裝土30 kg。將外源鎘和化學(xué)改良劑溶解后，均勻噴施在土壤中，當(dāng)土壤再次風(fēng)干后，將煙草專用復(fù)合肥(N-P2O5-K2O為10-10-25)按田間施純氮90 kg/hm2計(jì)，盆栽單株用量為田間2倍，每株施用10.91 g，與土壤充分混勻，作為基肥一次性施入，并保持80%土壤持水量，進(jìn)行煙苗移栽，每盆1株，盆栽管理保持一致。

1.3 樣品采集

分別于烤煙團(tuán)棵期、旺長期、現(xiàn)蕾期、成熟期進(jìn)行取樣，分根、莖、葉等部位進(jìn)行采集，團(tuán)棵期、旺長期葉片為整株取樣，現(xiàn)蕾期、成熟期葉片取中部葉(9～16葉位)；所取樣品均于105 ℃殺青0.5 h，65 ℃烘干，磨碎過1 mm篩，用于測定烤煙化學(xué)成分含量及烤煙鎘含量。取煙草旺長后期煙株第8片葉鮮樣，自來水洗凈后用蒸餾水沖洗，待測生理指標(biāo)。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 農(nóng)藝性狀 煙株農(nóng)藝性狀的調(diào)查方法參考YC/T 142—2010，分別測定團(tuán)棵期、旺長期及現(xiàn)蕾期煙株的株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積，最大葉面積=0.634 5×葉長×葉寬。

1.4.2 生理指標(biāo) 葉綠素含量測定采用乙醇提取—紫外分光光度法；丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸法；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍(lán)四唑光還原法。

1.4.3 根、莖、葉中全鎘含量 采用硝酸-高氯酸混酸消煮，石墨爐原子吸收光譜法測定煙株根、莖、葉中的鎘含量，使用儀器為Thermo Scientific原子吸收光譜儀iCE3500。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下硅對烤煙不同時期農(nóng)藝性狀的影響

由表1可知，在不施硅處理下，隨著土壤中鎘含量的增加，各時期煙株的株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積整體均表現(xiàn)為逐漸降低。Cd0處理下，與Si0處理相比，Si1處理團(tuán)棵期煙株株高、莖圍、最大葉面積分別減小52%、18%、40%，旺長期、現(xiàn)蕾期煙株株高分別減小17%、11%；Si2處理團(tuán)棵期煙株株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積分別減小54%、28%、17%、50%，旺長期煙株株高減小27%，現(xiàn)蕾期煙株株高、莖圍分別減小20%、6%；Si4處理團(tuán)棵期煙株株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積分別減小72%、52%、24%、60%，旺長期煙株株高、葉片數(shù)、最大葉面積分別減小41%、24%、20%，現(xiàn)蕾期煙株株高、莖圍、葉片數(shù)分別減小24%、13%、10%。Cd1處理下，與Si0處理相比，Si1處理旺長期煙株株高、莖圍分別減小21%、16%，現(xiàn)蕾期最大葉面積減小24%；Si2處理旺長期莖圍減小16%，現(xiàn)蕾期最大葉面積減小24%；Si4處理旺長期株高、莖圍、葉片數(shù)分別減小28%、22%、16%，現(xiàn)蕾期莖圍、葉片數(shù)分別降低9%、11%。Cd5處理下，與Si0處理相比，Si1處理團(tuán)棵期煙株株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積差異不顯著，旺長期葉片數(shù)增加23%，現(xiàn)蕾期煙株株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積分別增加31%、12%、17%、18%；Si2處理團(tuán)棵期煙株葉片數(shù)降低23%；Si4處理團(tuán)棵期莖圍減小57%。綜上，0、1、5 mg/kg鎘處理下，在土壤中施入4 g/kg硅會加劇鎘對煙株生長的抑制，但在5 mg/kg鎘處理下，在土壤中施入1 g/kg硅可以緩解鎘對煙株生長的抑制。

表1 鎘脅迫下硅對不同時期烤煙農(nóng)藝性狀的影響Tab.1 Effect of silicon on agronomic traits of flue-cured tobacco at different stages under cadmium stress

注：同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same row indicate significant difference (P<0.05).

2.2 鎘脅迫下硅對烤煙葉片生理生化指標(biāo)的影響

由表2可知，在不施硅處理中，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量隨著土壤鎘含量增加而逐漸降低，而MDA含量與SOD活性隨著土壤鎘含量的增加表現(xiàn)為升高。Cd0處理下，與Si0處理相比，Si1處理煙葉葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量分別顯著降低52%、40%、49%、18%，MDA含量增加不顯著，煙葉SOD活性顯著增加27%；Si2處理煙葉葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素分別降低28%、29%、37%，煙葉MDA含量與SOD活性分別增加35%、58%；Si4處理下，煙葉MDA含量增加29%。Cd1處理下，與Si0處理相比，Si2處理煙葉MDA含量與SOD活性分別降低14%、 31%。Cd5處理下，與Si0處理相比，Si1處理煙葉MDA含量降低15%；Si4處理煙葉葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量分別升高90%、73%、85%。綜上，1 mg/kg鎘處理下，在土壤中施入2 g/kg硅會顯著降低煙株SOD活性及MDA含量；5 mg/kg鎘處理下，在土壤中施入4 g/kg硅緩解鎘對煙株葉片光合色素形成的抑制作用效果顯著，施入1 g/kg硅會降低MDA對膜脂的損傷。

2.3 鎘脅迫下硅對烤煙不同時期各部位鎘含量的影響

由表3可知，在不施硅處理下，煙株各時期根、莖、葉鎘含量隨著土壤鎘濃度的增加而增加。Cd0處理下，與Si0處理相比，Si1處理團(tuán)棵期煙株根、莖、葉的鎘含量分別降低49%、20%、24%，旺長期煙株根、葉的鎘含量分別降低53%、23%，現(xiàn)蕾期葉的鎘含量降低56%，成熟期煙株根、葉的鎘含量分別降低48%、42%；Si2處理旺長期煙株根的鎘含量降低42%，現(xiàn)蕾期葉的鎘含量降低61%，成熟期煙株莖、葉的鎘含量分別降低33%、44%；Si4處理團(tuán)棵期煙株根的鎘含量降低16%，現(xiàn)蕾期、成熟期葉的鎘含量分別降低53%、25%。Cd1處理下，與Si0處理相比，Si1處理團(tuán)棵期煙株根的鎘含量降低13%，旺長期煙株葉的鎘含量降低11%，成熟期煙株莖、葉的鎘含量分別降低29%、32%；Si2處理團(tuán)棵期煙株根、莖的鎘含量分別降低28%、10%，旺長期煙株根、葉的鎘含量分別降低20%、16%，成熟期煙株根、莖的鎘含量分別降低33%、35%；Si4處理團(tuán)棵期煙株根、莖的鎘含量分別降低28%、16%，旺長期煙株根、葉的鎘含量分別降低23%、20%，成熟期煙株根、莖、葉的鎘含量分別降低18%、25%、29%。Cd5處理下，與Si0處理相比，Si1處理團(tuán)棵期煙株莖的鎘含量降低6%，旺長期煙株根、莖、葉的鎘含量分別降低11%、9%、16%，現(xiàn)蕾期煙株根、莖的鎘含量分別降低47%、22%；Si2處理團(tuán)棵期煙株根、莖、葉的鎘含量分別降低8%、15%、10%，旺長期煙株莖、葉的鎘含量分別降低13%、19%，現(xiàn)蕾期煙株根、莖、葉的鎘含量分別降低52%、31%、23%；Si4處理團(tuán)棵期煙株根、莖、葉的鎘含量分別降低21%、7%、23%，旺長期煙株莖的鎘含量降低8%，現(xiàn)蕾期煙株根、莖、葉的鎘含量分別降低48%、23%、31%?？梢姡? mg/kg鎘處理下，在土壤中施入1 g/kg硅會抑制煙株各時期根、莖、葉對鎘的吸收；1 mg/kg鎘處理下，在土壤中分別施入2、4 g/kg硅在一定程度上會抑制煙株對鎘的吸收；5 mg/kg鎘處理下，在土壤中施入1、2 g/kg硅會抑制煙株生長前期、中期對鎘的吸收，但促進(jìn)成熟期煙株對鎘的吸收。

表2 鎘脅迫下硅對烤煙葉片色素、MDA含量及SOD活性的影響Tab.2 Effect of silicon on pigment and MDA content and SOD activity in flue-cured tobacco leaves under cadmium stress

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).

表3 鎘脅迫下硅對不同時期烤煙各部位鎘含量的影響Tab.3 Effect of silicon on cadmium content in different parts of flue-cured tobacco under cadmium stress mg/kg

注：同行不同小寫字母表示同一鎘水平下不同Si處理差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same row indicate significant differences among Si treatments in the same Cd concentration level (P<0.05).

3 結(jié)論與討論

段昌群等[21]研究表明，土壤重金屬(鎘)含量低于0.01 mg/kg會延長植株根尖細(xì)胞的分裂周期，但隨著重金屬含量的增加則相反；閆寒等[22]研究表明，鎘含量在3 mg/kg以下會促進(jìn)煙株的生長發(fā)育，超過3 mg/kg則會抑制煙株的生長發(fā)育，說明鎘可以通過影響烤煙根尖細(xì)胞的分裂周期來促進(jìn)或抑制煙株的生長。本研究結(jié)果顯示，與不施硅處理相比，無鎘(0 mg/kg)脅迫和低鎘(1 mg/kg)脅迫下施入一定量硅(4 g/kg)會抑制植株的生長發(fā)育，而在高鎘(5 mg/kg)脅迫下施入一定量硅(1 g/kg)對緩解鎘毒害有一定的促進(jìn)作用。這與董祥立等[23]施用一定量硅(奧利硅)對烤煙株高、莖圍影響較大的結(jié)論不一致，其原因可能是不同硅肥品種在土壤中的肥效不一樣，從而影響植株對硅的吸收；但與高柳青等[24]的研究結(jié)果一致，即施入一定量硅可以緩解鎘對植株的毒害作用。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素參與光的吸收與傳遞。MDA是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生會加劇膜的損傷，可間接反映植株膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性強(qiáng)弱；SOD是植物體內(nèi)清除自由基的首要物質(zhì)，植物在逆境條件下會促使SOD消除體內(nèi)的自由基，從而使體內(nèi)的活性氧自由基達(dá)到平衡，減少對植物的傷害。本研究結(jié)果顯示，隨著鎘含量增加，煙株光合色素降低，MDA含量增加，與高家合等[25]、袁祖麗等[26]的研究結(jié)果相一致；而低鎘(1 mg/kg)脅迫下，在土壤中施入2 g/kg硅會降低煙株MDA含量；高鎘(5 mg/kg)脅迫下，在土壤中施入4 g/kg硅可以提高煙株葉片的光合色素含量，施入1 g/kg硅降低MDA含量并提高SOD活性。說明鎘污染會降低植株光合作用，增加植株體內(nèi)有毒物質(zhì)的分泌；施入一定量的硅能緩解鎘對烤煙葉片光合色素產(chǎn)生的抑制，降低MDA對煙株膜脂的損傷及自由基在植株體內(nèi)的累積，這與宋阿琳[27]、鄭明瑜等[28]的研究結(jié)論相吻合。

隨著土壤鎘含量的增加，煙株各部位鎘含量逐漸增加，這與吳玉萍等[29]的結(jié)論一致。陳翠芳等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在鎘(0.6、0.9 mg/kg)污染土壤中施硅(1 g/kg)能有效降低白菜對鎘的吸收與累積；鄭煜基等[31]研究硅肥對甘蔗鎘吸收的影響發(fā)現(xiàn)，在鎘污染土壤中施用375～1 500 kg/hm2硅肥能有效降低蔗汁與蔗渣中的鎘含量，說明施硅對植物鎘毒害具有緩解作用，但在不同物種、品種之間存在一定的差異。本研究結(jié)果顯示，無鎘(0 mg/kg)脅迫下，在土壤中施入1 g/kg硅可以降低煙株對鎘的吸收；低鎘(1 mg/kg)脅迫下，在土壤中分別施入2、4 g/kg硅可以降低煙株對鎘的吸收；高鎘(5 mg/kg)脅迫下在土壤中施入1、2 g/kg硅會抑制煙株生長前期和中期對鎘的吸收，但會促進(jìn)成熟期煙株對鎘的吸收。這與朱益等[32]研究結(jié)論不一致。其原因可能是高濃度鈉鹽(本試驗(yàn)所用硅肥為九水硅酸鈉)會通過破壞植物核酸、膜脂等抑制植株生長[33-34]，致使烤煙在高濃度鈉鹽和土壤外源鎘雙重脅迫下，硅的有益作用被掩蓋。因此，通過施硅來減輕烤煙鎘污染毒害時應(yīng)注意硅肥種類。

綜上，在不施硅處理下，隨著土壤中鎘含量的增加，烤煙受到的鎘毒害作用逐漸增強(qiáng)；但在鎘脅迫下，施硅可以通過改善農(nóng)藝性狀(株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積)，提高葉綠素含量，調(diào)控MDA含量及SOD活性來緩解鎘對烤煙的毒害作用，今后可通過施用適量的硅肥來緩解烤煙鎘毒害。