秦曉明,聶兆君,劉紅恩,趙 鵬, 秦世玉,高 巍,張勝男
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450002;2.河南省土壤污染防控與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450002)
鎘(Cd)是農(nóng)業(yè)土壤中危害最大和普遍存在的重金屬之一[1-2]。鎘不是植物必需的營養(yǎng)元素,但該元素會(huì)在植物中廣泛積累,并對(duì)植物產(chǎn)生有害影響,如可使光合作用減弱,必需元素濃度降低而抑制生長,甚至導(dǎo)致植物死亡[3]。同時(shí),鎘可通過食物鏈傳遞并富集于人體,長期攝入鎘會(huì)導(dǎo)致人泌尿系統(tǒng)功能的損傷,影響骨骼的發(fā)育,并引發(fā)多種疾病[4-6]。土壤鎘污染問題越來越引起人們的廣泛關(guān)注。為了減少作物和土壤中重金屬的積累,降低其在土壤中的有效性,研究者已進(jìn)行許多相關(guān)研究。例如,添加土壤改良劑降低玉米和小麥對(duì)鎘等重金屬的吸收[7-8],添加硅抑制細(xì)胞中鎘離子的吸收[9],用多孔水合硅酸鈣有效降低鎘污染土壤中的鎘[10]。
硒(Se)作為人體和動(dòng)物生命中必需的微量元素之一,對(duì)促進(jìn)生物體內(nèi)抗氧化與免疫系統(tǒng)的形成發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[11]。人體硒缺乏,不但影響身體健康,甚至可導(dǎo)致超過40種疾病[12]。相關(guān)研究表明,中國仍有超過2/3的地區(qū)處于缺硒狀態(tài),硒攝入量不足嚴(yán)重影響人們的身體健康[12]。人體所需的硒主要來自于食物,在吸收利用效率與安全性方面,植物性硒源高于動(dòng)物性硒源[13],因此,通過土壤施硒來提高作物中的硒含量是人體補(bǔ)充硒的主要途徑[14]。適量硒可促進(jìn)作物生長,提高作物產(chǎn)量,但過量硒則會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒害作用[15-16]。硒對(duì)植物的有益作用之一是可以緩解非生物(例如鹽和重金屬毒害)和生物(如植物病蟲害或衰老)脅迫[3]。適宜濃度的硒能夠提高植物抗氧化脅迫能力,增加光合作用,緩解重金屬毒害等[17]。研究表明,植物體內(nèi)的硒與鎘表現(xiàn)為拮抗作用,硒能抑制植物對(duì)鎘的吸收,進(jìn)而緩解鎘對(duì)植物的毒害效應(yīng)[18]。Cary[19]報(bào)道施硒能降低小麥中鎘含量。Shanker等[20]和譚周磁等[21]研究發(fā)現(xiàn),菜豆和稻米中鎘等重金屬含量可隨施硒量的增加而降低。小麥?zhǔn)侵袊匾募Z食作物,也是人體安全補(bǔ)硒的重要途徑,但國內(nèi)有關(guān)硒處理緩解小麥鎘毒害的相關(guān)研究仍十分有限,尤其對(duì)石灰性土壤冬小麥的研究,因此研究重金屬污染土壤中安全農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。
本試驗(yàn)通過研究施硒對(duì)冬小麥鎘吸收、遷移及分配的影響,探討施硒降低冬小麥中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)及限制其向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的可行性,以期為污染土壤中小麥合理施用硒肥提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)于2016年10月至2017年6月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)進(jìn)行,供試土壤為壤質(zhì)潮土,其基本理化性狀如下:速效磷5.20 mg·kg-1,速效鉀39.0 mg·kg-1,堿解氮23.6 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)6.18 g·kg-1,pH 7.92,有效硒0.005 mg·kg-1,全硒0.178 mg·kg-1,全鎘0.103 mg·kg-1。
供試小麥品種為‘鄭麥379’。采用盆栽試驗(yàn),設(shè)置鎘0 mg·kg-1(Cd0)、1.5 mg·kg-1(Cd1.5)、6 mg·kg-1(Cd6)3個(gè)水平和硒 0 mg·kg-1(Se0)、0.5 mg·kg-1(Se0.5)、 5 mg·kg-1(Se5)3個(gè)水平[22]。采用3×3完全交互設(shè)計(jì),共9個(gè)處理,分別為:Cd0Se0、Cd0Se0.5、Cd0Se5、Cd1.5Se0、Cd1.5Se0.5、Cd1.5Se5、Cd6Se0、Cd6Se0.5、Cd6Se5,每處理3次重復(fù),共計(jì)27盆。
試驗(yàn)以CdCl2·2 1/2H2O為鎘源,Na2SeO3·5H2O為硒源。于2016-09-15進(jìn)行鎘的老化,以水溶液形式均勻澆入土壤中,老化時(shí)間為30 d,期間保持土壤含水量60%左右。基肥用量為N 0.2 g·kg-1、P2O50.15 g·kg-1和K2O 0.2 g·kg-1,分別以尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀作為肥源(試劑皆為分析純),Se與基肥以水溶液形式于2016-10-01均勻施于土壤中,于2017-03-15(拔節(jié)期)追施尿素每盆1 g。
小麥盆栽試驗(yàn)采用聚乙烯塑料盆,直徑310 mm,深度200 mm,每盆裝土8.0 kg。于2016-10-15播種,每盆播種12棵,出苗后每盆勻苗至6棵。盆栽上邊加蓋透明防雨棚,防止雨水污染,小麥生長期間保持田間持水量為60%~70%,盆栽位置進(jìn)行隨機(jī)排列和局部控制,并且定期調(diào)換位置,植株長高后搭支架,以防倒伏,防止鳥鼠患害,收獲期防止落粒。
2017-05-25收獲小麥樣品,完全破壞式采樣,分籽粒、穎殼、莖葉、根四部分,并進(jìn)行考種,籽粒、穎殼、莖葉、根部位60 ℃烘干、稱量、粉碎,裝入自封袋以備后續(xù)測(cè)樣。
產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素測(cè)定:記錄每盆小麥的所有麥穗數(shù)量,為每盆穗數(shù);從每盆小麥中隨機(jī)選取10個(gè)麥穗,記錄每個(gè)麥穗上的籽粒數(shù),最后取平均數(shù),記錄為每盆穗粒數(shù);小麥烘干脫粒后,從所有籽粒中隨機(jī)數(shù)取1 000粒,稱量記錄,為每盆千粒質(zhì)量;小麥烘干脫粒后,稱取每盆所有籽粒質(zhì)量,為每盆產(chǎn)量。
硒、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定:稱取準(zhǔn)備好的小麥樣品0.50 g于100 mL三角瓶中,加入10 mL硝酸∶高氯酸=4∶1(體積比)的酸液,過夜后置于電熱板加熱,溫度調(diào)為180~200 ℃;待瓶內(nèi)黃色褪去加入10 mL 1∶1(體積比)鹽酸,繼續(xù)加熱至黃色消褪,用去離子水洗出消化液,過濾定容至25 mL,以原子吸收分光光度法和原子熒光光度法分別測(cè)定植株各部位中Cd和Se的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[24]。使用從中國國家標(biāo)準(zhǔn)材料中心購買的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)參考材料檢查Se和Cd測(cè)定的準(zhǔn)確性。
指標(biāo)計(jì)算公式為:穎殼-籽粒Cd遷移系數(shù)=籽粒Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)/穎殼Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù);莖稈-穎殼Cd遷移系數(shù)=穎殼Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)/莖稈Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù);根-莖稈Cd遷移系數(shù)=莖稈Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)/根Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù);Cd分配比例=每盆各部位Cd累積量/每盆Cd總累積量×100%。
采用SAS 8.1對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和F值檢驗(yàn),多重比較采用Duncan’s法(P< 0.05),采用Sigmaplot 10.0作圖。
如表1所示,隨著鎘脅迫的增加,冬小麥穗數(shù)與產(chǎn)量皆呈下降趨勢(shì)。在Se0處理下,與Cd0水平相比,Cd6水平下產(chǎn)量降幅最大,為49.4%;在Se0.5與Se5處理下,與Cd0水平相比,產(chǎn)量最大降幅分別為47.7%與36.6%。說明施硒可緩解鎘脅迫造成的產(chǎn)量下降。
在Cd0水平下,Se0.5處理增加冬小麥穗數(shù)、千粒質(zhì)量與產(chǎn)量。在Cd1.5水平下,與Se0處理相比,Se0.5處理增加冬小麥穗數(shù)與產(chǎn)量,產(chǎn)量增幅為14.4%。在Cd6水平下,與Se0處理相比,施硒均增加了冬小麥穗數(shù)與產(chǎn)量,其中Se5處理對(duì)產(chǎn)量的增幅為33.8%。
如圖1所示,不論施硒與否,隨著鎘脅迫的增加,冬小麥各部位中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆呈增加趨勢(shì)。Cd6與Cd1.5水平相比,籽粒、穎殼、莖稈中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3個(gè)Se處理(Se0、Se0.5、Se5)下增幅均呈下降趨勢(shì),這說明施硒可以降低小麥籽粒、穎殼、莖稈中的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Cd6與Cd1.5水平相比,根中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3個(gè)Se處理(Se0、Se0.5、Se5)下增幅分別為2.6倍、4.3倍和2.6倍。
在Cd1.5水平下,隨著施硒水平的增加,冬小麥籽粒、穎殼、莖稈和根中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆呈先增加后降低趨勢(shì)。在Cd6水平下,籽粒、穎殼和根中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨施硒量的增加呈先增加后降低。其中,與Se0處理相比,Se5處理下籽粒、穎殼和莖稈鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,降幅分別為42.0%、35.3%、67.7%。
表1 不同施硒量對(duì)鎘污染下冬小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響Table 1 Effects of Se application on grain yield and yield components of winter wheat under Cd stress
注:同列不同字母表示同一Cd處理間差異顯著(P<0.05)。
Note:Different letters indicate significant difference among different Se levels at the same Cd levels (P<0.05).
不同字母表示同一Cd處理間差異顯著(P<0.05) Different letters indicate significant difference among the same Cd treatments (P<0.05)
圖1 不同施硒量對(duì)冬小麥各部位鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
Fig.1 Effects Se application on Cd mass fraction in different parts of winter wheat
如圖2所示,不論鎘脅迫與否,隨著施硒量的增加,冬小麥各部位中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增加趨勢(shì)。在Se0.5水平下,隨著鎘脅迫的增加,冬小麥籽粒、莖稈與根中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈先降低后增加趨勢(shì)。在Se5水平下,冬小麥籽粒與穎殼中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著鎘脅迫的增加呈下降趨勢(shì);冬小麥莖稈中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著鎘脅迫的增加呈增加趨勢(shì);冬小麥根中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著鎘脅迫的增加呈先下降后增加趨勢(shì)。說明施硒改變鎘在冬小麥中的轉(zhuǎn)運(yùn),施硒可能抑制鎘從根或莖稈向穎殼與籽粒中的 遷移。
圖中不同字母表示同一Se處理間差異顯著(P<0.05) Different letters above columns indicate significant difference among the same Se treatments (P<0.05)
圖2 不同施硒量對(duì)冬小麥各部位硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
Fig.2 Effects Se application on Se mass fraction in different parts of winter wheat
如圖3所示,在同一施硒處理下,Cd6相對(duì)于Cd1.5水平均增加了穎殼到籽粒、莖稈到穎殼的鎘遷移系數(shù),其中在Se5處理下莖稈到穎殼的鎘遷移系數(shù)增加,增幅為17.5%;在同一施硒處理下,Cd6相對(duì)于Cd1.5水平均降低根到莖稈的鎘遷移系數(shù)。
在Cd1.5水平下,隨施硒量的增加,穎殼到籽粒、莖稈到穎殼的鎘遷移系數(shù)均呈先降低后升高趨勢(shì),與Se0處理相比,Se0.5處理下降幅分別為14.3%、24.5%;隨著施硒水平的增加,根到莖稈的鎘遷移系數(shù)在Se0.5處理下達(dá)到最大。在Cd6水平下,隨著施硒水平的增加,穎殼到籽粒、根到莖稈的鎘遷移系數(shù)均呈下降趨勢(shì),與Se0處理相比,最大降幅分別為8.4%、68.4%;隨著施硒水平的增加,莖稈到穎殼的鎘遷移系數(shù)呈上升趨勢(shì),與Se0處理相比,最大增幅為103.0%,說明在Cd6水平下,施硒抑制冬小麥根對(duì)土壤中鎘的吸收,并減少鎘向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)。
如圖4所示,在Cd0水平下,施硒處理顯著降低籽粒中鎘分配比例,增加根中鎘分配比例。Cd6相對(duì)于Cd1.5水平,籽粒和穎殼中鎘分配比例在3個(gè)Se處理(Se0、Se0.5、Se5)下均呈下降趨勢(shì),其中籽粒中鎘分配比例降幅呈降低趨勢(shì),穎殼中鎘分配比例降幅呈增加趨勢(shì),說明施硒降低了籽粒中鎘分配比例,增加穎殼中鎘分配比例,可能是因?yàn)槭┪种奇k從穎殼向籽粒中的遷移。在Se0處理下,Cd6相對(duì)于Cd1.5水平,莖稈中鎘分配比例增幅為18.4%;在Se0.5與Se5處理下,莖稈中鎘分配比例降幅分別為30.8%和53.7%。說明施硒同樣降低莖稈中鎘分配比例,同理,這可能是施硒抑制鎘從根向莖稈的遷移,或者促進(jìn)鎘從莖稈向穎殼的遷移所致。
在Cd1.5水平下,隨著施硒水平的增加,籽粒和根中鎘分配比例呈下降趨勢(shì),與Se0處理相比,籽粒中鎘分配比例在Se0.5與Se5處理下降幅分別為29.0%、26.5%,根中鎘分配比例在Se0.5與Se5處理下降幅分別為23.5%、2.02%;穎殼和莖稈中鎘分配比例呈增加趨勢(shì),說明施硒抑制鎘從穎殼向籽粒的遷移,以及降低根對(duì)土壤中鎘的吸收。在Cd6水平下,隨施硒水平的增加,籽粒和穎殼中鎘分配比例呈先降低后增加趨勢(shì);莖稈中鎘分配比例隨施硒水平增加呈下降趨勢(shì),與Se0處理相比,Se0.5與Se5處理下降幅度分別為 19.4%、52.3%;根中鎘分配比例隨施硒水平增加呈增加趨勢(shì),與Se0處理相比,Se0.5與Se5處理下增幅分別為26.9%和51.7%。
不同字母表示同一Cd處理間差異顯著(P<0.05) Different letters indicate significant difference among the same Cd treatments (P<0.05)
圖3 不同施硒量對(duì)冬小麥鎘遷移系數(shù)的影響
Fig.3 Effects Se application on Cd migration rate in different parts of winter wheat
圖4 不同施硒量對(duì)冬小麥鎘分配比例的影響Fig.4 Effects Se application on distribution ratio of Cd in different parts of winter wheat
本研究結(jié)果表明,Cd脅迫降低冬小麥產(chǎn)量(表1),穗數(shù)和穗粒數(shù)均有不同程度下降,這與Huang等[25]的研究結(jié)果相似。這可能是由于Cd脅迫引起冬小麥光合速率、細(xì)胞間CO2濃度以及蒸騰速率的下降,抑制根的生長發(fā)育所致[26]。
在Cd1.5水平下,Se5處理降低冬小麥產(chǎn)量。而Liao等[27]研究結(jié)果表明,當(dāng)在較低鎘污染土壤中添加0.1和1 mg·kg-1硒時(shí),水稻產(chǎn)量分別降低12.8%和9.2%,但5 mg·kg-1的施硒處理則產(chǎn)量增加。施硒降低作物產(chǎn)量,可能是因?yàn)樵诘玩k脅迫下,施硒有效促進(jìn)植株對(duì)鎘的吸收,從而產(chǎn)生更大的毒害作用,其中施硒量的不同則可能是2種作物對(duì)硒、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)機(jī)制不同所致,有待進(jìn)一步探究。在Cd6水平下,施硒增加冬小麥產(chǎn)量,這與Zhang等[28]的研究結(jié)果一致,這表明外源硒的添加能緩解鎘對(duì)冬小麥生長的不利影響,提高冬小麥的光合作用,增強(qiáng)光合系統(tǒng)的活性,從而增加冬小麥籽粒產(chǎn)量。
本試驗(yàn)結(jié)果表明,在6 mg·kg-1鎘脅迫下,Se5處理顯著降低冬小麥籽粒、穎殼及莖稈中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖1),這與許多研究結(jié)果類似[25,29]。而在鎘脅迫條件下,Se0.5處理則提高冬小麥籽粒、穎殼和根中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Feng等[3]研究結(jié)果表明,硒能夠緩解或加劇水稻中鎘毒害,這主要取決于硒和鎘的劑量。Qin等[30]研究發(fā)現(xiàn),低硒處理顯著增加冬小麥幼苗的根長、根體積和根總表面積,從而增加冬小麥幼苗的鎘累積量,對(duì)其鎘含量無顯著影響,在一定鎘濃度下有增加趨勢(shì),較高硒處理則顯著降低冬小麥地上部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Se0.5處理促進(jìn)冬小麥中的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù),其原因可能是由于適宜的硒濃度促進(jìn)植株根系發(fā)育,增強(qiáng)植株的光合作用,從而促進(jìn)植株生長[27],根長、根表面積增大,導(dǎo)致冬小麥根系與鎘離子接觸點(diǎn)增多,因此鎘吸收量也隨之增加。
在Cd6水平下,Se5處理顯著降低冬小麥中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù),原因之一可能是亞硒酸鹽在土壤中被還原為Se2-,進(jìn)一步在根際形成Se-Cd復(fù)合物,植物無法吸收利用[31]。另一個(gè)原因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi),硒可參與能量代謝、蛋白質(zhì)代謝以及與其他元素的相互作用,從而緩解鎘毒害[32]。因鎘通過ZIP(鋅/鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)或其他陽離子通道進(jìn)入根細(xì)胞,而亞硒酸鹽則通過磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、硅流入轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[33]以及水通道蛋白被植物根吸收[34]。理論上鎘和硒在根表面沒有競(jìng)爭(zhēng),因?yàn)樗鼈兺ㄟ^不同的運(yùn)輸渠道被吸收,然而有研究表明,Zn2+和Fe2+可以通過與Cd2+競(jìng)爭(zhēng)離子通道,從而降低植株對(duì)鎘的吸收[35-36],而施硒則可以促進(jìn)植株對(duì)Zn2+和Fe2+的吸收[29],故施硒可間接抑制植株對(duì)鎘的吸收。
本研究結(jié)果表明,在Cd6脅迫下,Se5處理較Se0處理顯著降低鎘從根到莖稈的遷移,顯著增加鎘從莖稈到穎殼的遷移(圖3)。并且在Cd6脅迫下,隨著施硒量的增加,冬小麥根中鎘分配比例在逐漸增加(圖4)。關(guān)于施硒顯著降低鎘從根到莖稈的遷移以及在增加鎘在根中的分配比例,Liao等[27]和Wan等[31]研究也得到類似結(jié)果??赡苁且?yàn)橹参镏锌刂频V物元素分布節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的影響,施硒增加該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)量或者增強(qiáng)了其活性,從而減少有毒元素向作物中可食用部分的轉(zhuǎn)移,將有毒元素積累在莖節(jié)間或根中[37]。據(jù)報(bào)道,鎘可以通過質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑進(jìn)入植物根細(xì)胞,植物再通過一些生理過程包括根系吸收和木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)葘㈡k運(yùn)輸?shù)降厣喜縖38],在硒的施用下,共質(zhì)體和質(zhì)外體部分的鎘組分(濃度和比例)會(huì)發(fā)生變化,從而影響鎘從根部向地上部的運(yùn)輸[39],將更多的鎘積累在根中,減少對(duì)植物的毒害。為了防止鎘在植物組織中的積累,植物可通過在根細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生鎘螯合物和在液泡中螯合鎘螯合物來限制鎘從共質(zhì)體向木質(zhì)部的運(yùn)輸[40]。這些研究結(jié)果都表明硒減少鎘從根部向莖稈的轉(zhuǎn)移可能就是其減少植株鎘積累的機(jī)制之一。而關(guān)于施硒顯著增加鎘從莖稈向穎殼的遷移,也許是因?yàn)槭┪鴮?duì)莖稈中鎘含量的影響大于對(duì)穎殼中鎘含量的影響,也許是植物一些保護(hù)機(jī)制的原因,這有待進(jìn)一步調(diào)查研究。
Se5處理可通過限制鎘從根向地上部的運(yùn)輸,從而降低籽粒、穎殼和莖稈中的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。施硒水平受鎘水平的影響,在較低鎘水平下,施硒促進(jìn)了冬小麥鎘吸收,在較高鎘水平下,適宜施硒水平可抑制冬小麥鎘吸收。