土壤-植物體系中施硒方式影響作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的研究進(jìn)展

張秀錦，柴冠群，劉桂華，張容慧，黃承玲*，范成五

(1.貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴州貴陽 550006；3.貴州大學(xué)，貴州貴陽 550025)

鎘是一種毒性較強(qiáng)的重金屬，我國土壤鎘污染的點(diǎn)位超標(biāo)率為7%[1]。鎘污染具有隱蔽性、 長期性和不可逆性等特點(diǎn)[2]。鎘價(jià)態(tài)有2種(0價(jià)和+2價(jià))，鎘在土壤中一般以+2價(jià)的形式存在，土壤中鎘的形態(tài)[3]大致可以細(xì)分為水溶性態(tài)、交換性態(tài)、可還原態(tài)、螯合態(tài)、難溶性有機(jī)結(jié)合態(tài)。楊居榮等[4]的研究證明，在谷物中的鎘主要以螯合態(tài)的形式存在。根系是鎘進(jìn)入植物體內(nèi)的第一道屏障，對鎘的積累主要分布在根部[5]。李江遐等[6]研究表明，鎘在水稻中的分布為根>莖>葉>糙米。鎘一旦被莖和葉運(yùn)輸?shù)阶褜?shí)中就被固定，不會(huì)再轉(zhuǎn)運(yùn)到其他部位。

硒是自然界中分布不均勻的一種稀有元素[7]。硒具有增強(qiáng)免疫力、抗氧化和抗衰老的生理功能，是人體和動(dòng)物所必需的微量元素[8]。元素硒有多種價(jià)態(tài)[9]：元素態(tài)硒(0價(jià))、硒化物(-2價(jià))、亞硒酸鹽(+4價(jià))和硒酸鹽(+6價(jià))。亞硒酸鹽為土壤中硒的主要形態(tài)，也是植物從其他地方吸收硒的主要無機(jī)形態(tài)[10]。硒在植物營養(yǎng)階段在幼葉中積累，生殖生長階段中種子硒含量高而葉片中硒含量卻大幅降低[11]。硒的廣泛利用對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)種子的萌發(fā)，作物生長率和糧食品質(zhì)的改善具有十分重要的意義[12-13]。

適量的硒還能緩解植物中重金屬脅迫，抑制重金屬的吸收[14]，這種硒與鎘的相互作用就是拮抗作用[15]。目前關(guān)于拮抗作用的研究有很多，郭鋒等[16]發(fā)現(xiàn)外源硒使菠菜地上部和根部鎘含量顯著降低。孫紅艷等[17]研究表明，施加外源硒濃度為2.5 μmol/L對黃瓜幼苗的鎘毒害緩解效果最佳。硒對鎘的拮抗作用也受硒價(jià)態(tài)的影響[18-19]，通常情況下Se6+對鎘的拮抗低于Se2-和Se4+。周健等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在鎘脅迫下，對于降低油菜的鎘脅迫采用Se2-處理最為有效。張海英等[21]試驗(yàn)證明，施+4價(jià)的外源Se使草莓中硒含量增加，也減少了草莓對金屬鎘的吸收?？梢姡鴮︽k的這種拮抗效應(yīng)受農(nóng)作物種類、鎘濃度、硒濃度及硒價(jià)態(tài)的影響。筆者歸納前人關(guān)于葉面施硒和土壤施硒的相關(guān)研究，總結(jié)了2種施硒方式對土壤-植物體系中鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，旨在探索利用硒、鎘的拮抗作用降低鎘的科學(xué)方法，為尋找富硒產(chǎn)品研究提供參考。

1 葉面施硒對作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響

1.1 對鎘含量的影響土壤-植物體系中鎘濃度過高會(huì)對作物產(chǎn)生毒害作用，而施外源硒是一種有效可行的富硒、降鎘的方法。研究發(fā)現(xiàn)葉片中的氣孔通道是植物葉片與外界的聯(lián)系，植物通過葉片吸收養(yǎng)分，與根系表面相似，營養(yǎng)物質(zhì)被葉片選擇吸收到內(nèi)部[22]，所以可通過葉面對作物噴施硒來達(dá)到降低鎘含量的目的，成為近年來的研究熱點(diǎn)。水稻作為重要的糧食作物，研究葉面施硒影響水稻積累鎘的報(bào)道很多。劉永賢等[23]對百香139和中廣香1號2種水稻葉面噴施4.38 g/L的Na2SeO3發(fā)現(xiàn)，百香139籽實(shí)的鎘含量比對照降低了83.33%，對中廣香1號影響卻很小。黃青青等[24]試驗(yàn)表明，葉面施硒使早稻和晚稻地上部鎘含量降低，其秸稈、糙米和稻殼中鎘含量分別比對照降低了4.50%～18.5%、13.0%～23.5%和4.00%～36.5%。方勇等[25]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在噴施低濃度硒為25和50 g/hm2時(shí)，相比對照組籽粒中鎘含量變化不大，而噴施硒濃度增加至75和100 g/hm2時(shí)，稻米中鎘含量顯著降低，施硒組濃度為100 g/hm2比對照鎘含量降低了15.6% 。譚旭生等[26]對黃華占和星2號2種水稻品種葉面噴施的外源硒量分別為8、10、16、20 g/hm2，黃華占和星2號分別施16和8 g/hm2時(shí)降鎘明顯，分別是22.30%和25.11%，隨著施硒量的增加，2種水稻降鎘的作用卻減弱。說明水稻品種不同，葉面施硒對鎘積累的影響差異較大；施加外源硒的量過多或過少，降低鎘累積的效果都不好。

以果樹和蔬菜為研究對象時(shí)，以葉面施硒的方式施加不同濃度硒，其不同作物對鎘含量也有著不同的影響。張海英等[21]試驗(yàn)表明，通過葉面施加外源硒能提高草莓中硒的含量，且硒濃度5.0 mg/L 降鎘效果最佳。張翠翠等[27]通過大田試驗(yàn)結(jié)果表明，西瓜施外源硒處理的鎘含量相比對照減少了6.61%～66.13%，其中硒濃度為4.0 mg/L 處理最佳。楊燕君等[28]研究發(fā)現(xiàn)，甜柿體內(nèi)隨硒處理濃度增大鎘、汞、鉛等重金屬含量降低，當(dāng)施硒濃度為 150 mg/L 時(shí)效果為最佳。呂選忠等[29]研究發(fā)現(xiàn)，通過葉面施加外源硒使生菜中鎘的吸收降低了31.63%，而噴硒生菜吸收的硒比不噴硒的增加了1 213%。說明以果實(shí)或葉片作為食用對象的作物，可以用葉面噴施外源硒的方式降低鎘在食用部位的累積，同時(shí)增加食用部位的含硒量，達(dá)到安全和富硒的生產(chǎn)目標(biāo)。

1.2 對鎘運(yùn)轉(zhuǎn)遷移的影響鎘在植物體內(nèi)具有一定的遷移性，除體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)外還有土壤和植物間的運(yùn)轉(zhuǎn)遷移。外源硒可以增加鎘在植物莖葉中的遷移，并受施硒濃度的影響。但當(dāng)硒濃度過高時(shí)，拮抗作用的降低會(huì)促進(jìn)植物對鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。同時(shí)，植物在不同生長階段向根、莖、葉和果實(shí)遷移鎘的能力不同，因此在不同生長期噴施外源硒對植物吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響不同。張璐等[30]在水稻的孕穗期和成熟期噴施外源硒，當(dāng)噴施濃度<1 mg/L時(shí)，對鎘的遷移影響不明顯，噴施濃度為5 mg/L時(shí)，促進(jìn)鎘向莖葉和籽粒遷移，鎘的遷移系數(shù)與對照相比分別下降了38.4%和23.0%。劉永賢等[23]研究表明，硒源為Na2SeO3(4.38 g/L)，噴施硒次數(shù)為0、1、2次3個(gè)處理，噴施硒的次數(shù)越多，鎘積累滯留在莖葉中就越多，水稻穗部鎘積累就會(huì)減少。高敏等[31]向水稻葉面噴施亞硒酸鈉，減少了鎘從根向莖、莖向糙米的遷移，增加了鎘從莖向葉的遷移量，而鎘從莖向糙米的遷移量在孕穗后期下降，表明水稻孕穗期和成熟期是噴施硒影響鎘轉(zhuǎn)運(yùn)遷移的關(guān)鍵時(shí)期。

2 土壤施硒對作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的影響

2.1 對鎘含量的影響

2.1.1作物在不同鎘濃度條件下，施不同濃度硒處理的研究。劉春梅等[32]研究表明，土壤鎘濃度在0～4 mg/kg時(shí)，隨著鎘濃度的增加，各器官和糙米、精米中的鎘含量也顯著增加。而當(dāng)鎘濃度>4 mg/kg時(shí)，水稻中糙米和精米中的鎘增加幅度較小。在鎘濃度6 mg/kg下，外源硒處理濃度為5 mg/kg可使得冬小麥的籽粒、莖稈和穎殼中的鎘顯著降低。可見冬小麥對抑制鎘吸收的硒濃度為5 mg/kg。卞威樂斯等[33]研究表明，在鎘污染(0、3、30 mg/kg)條件下，花生葉片和根系的鎘含量隨硒濃度的增加而降低，且在施硒濃度為0.25 mg/kg時(shí)效果最好。施加0.25 mg/kg硒使花生地上部分、根系鎘含量分別在低鎘(3 mg/kg)處理和高鎘(30 mg/kg)處理?xiàng)l件下，下降12.71%、46.13%和 21.29%、36.00%。郭鋒等[16]試驗(yàn)表明，0.5 mg/kg鎘脅迫下，隨著外源硒含量的增加，菠菜地上部分對鎘的吸收先降低后增加，而菠菜根對鎘的吸收先升高后下降。在20 mg/kg鎘脅迫下，菠菜地上部對鎘的吸收隨著外源硒施加含量的增加而降低，根部對鎘的吸收先升高后降低。

2.1.2鎘污染為單一濃度條件下，施不同濃度硒對降鎘的研究。曾宇斌等[15]研究表明，施硒濃度為2.56 mg/kg時(shí)，大豆體內(nèi)的硒和鎘元素呈現(xiàn)出協(xié)同作用。硒濃度為11.56 mg/kg時(shí)，大豆的莖、果、殼、葉累積Cd的含量相比對照降低顯著。劉春梅等[32]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎘濃度一致時(shí)，添加硒濃度為0.14 mg/kg的處理相比0.07 mg/kg較好，當(dāng)鎘的濃度為2 mg/kg時(shí)，硒處理為0.14 mg/kg時(shí)水稻籽粒鎘的含量下降幅最大，為31.5%。江念等[34]研究表明，硒濃度為0～15 mg/kg范圍內(nèi)能有效抑制延齡草對鎘的吸收；當(dāng)硒濃度為5～15 mg/kg時(shí)，延齡草對鎘的吸收達(dá)到最小值(5.17 mg/kg)；硒濃度為15～30 mg/kg時(shí)，鎘的吸收明顯增強(qiáng)；當(dāng)硒濃度為25 mg/kg時(shí)，延齡草對鎘的吸收量達(dá)到最大值(25.34 mg/kg)；當(dāng)硒濃度為30～40 mg/kg時(shí)，顯著抑制了延齡草生長。說明可以通過土壤施加外源硒的方式降低土壤鎘含量，從而減少植物根部從土壤對鎘的吸收，植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至可食用部位鎘含量也降低，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)至可食用部位的含硒量增加。能有效緩解鎘對作物的毒害，保障糧食安全生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)富硒產(chǎn)品生產(chǎn)。

2.2 對鎘運(yùn)轉(zhuǎn)遷移的影響鎘對植物的毒害是植物的根從土壤中吸收鎘，然后將鎘轉(zhuǎn)移到地上部產(chǎn)生的。添加外源硒的主要目的是通過拮抗作用降低植物體中的鎘含量來緩解毒害，間接促進(jìn)植物對硒的吸收[35]。劉達(dá)等[36]研究表明，土壤鎘污染水平為0.5 mg/kg時(shí)施用濃度0.25 mg/kg的硒肥，能顯著降低白菜中鎘向地上部分的運(yùn)輸，但當(dāng)硒濃度增加到1.0 mg/kg時(shí)會(huì)促進(jìn)鎘向地上的運(yùn)輸。劉春梅等[32]研究表明，在一致的土壤鎘濃度下，向土壤噴施的硒濃度從0.07 mg/kg增加到0.14 mg/kg，鎘向水稻地下部分運(yùn)轉(zhuǎn)的比例增加，而向地上部分運(yùn)轉(zhuǎn)的比例減小。王波等[37]研究表明，相比對照，低硒(0.5 mg/kg)和高硒(2.0 mg/kg)處理使水稻根際土壤有效鎘含量分別降低了32.24%和9.43%，減少了鎘在地上的積累和遷移。同樣卞威樂斯等[38]的研究表明，向土壤噴施適量硒可以減少鎘向花生的地上部運(yùn)輸。這些研究都表明，通過在土壤中施加外源硒可以降低鎘向地上部轉(zhuǎn)移，降低莖、葉、果實(shí)中鎘的含量，緩解鎘對植物的毒害，從而實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

3 展望

綜上所述，通過土壤和葉面施硒這2種方式，在一定程度上可以調(diào)控土壤-植物系統(tǒng)中硒的積累，以及通過硒對鎘的拮抗作用緩解對植物的脅迫來達(dá)到降鎘的目的?？偨Y(jié)已有研究發(fā)現(xiàn)，針對同種作物，施硒降鎘的作用因品種不同差異較大。施硒降鎘不是硒用量越多越好，可以開展針對原植物-土壤體系中鎘的濃度來設(shè)計(jì)硒的濃度梯度尋找合適的降鎘濃度。在作物不同生長時(shí)期，鎘向根、莖、葉和果實(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)遷移也有差異，低濃度促進(jìn)鎘向地上部分遷移，高濃度抑制鎘向地上部分遷移。利用這2種不同的施硒方式可以開展針對農(nóng)作物的農(nóng)藝性狀和各部位硒含量的影響的研究，找出適合富硒的農(nóng)產(chǎn)品以及不同植物中降低鎘含量和緩解重金屬鎘毒害作用的適宜施硒濃度，對重金屬污染土壤在植物修復(fù)技術(shù)中的有效應(yīng)用具有重要意義。