不同湖泊沉積物處理對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

宋鵬　李捷　李理想　趙鵬宇　李慧　張均　趙彪

摘要：為了研究湖泊沉積物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，將其與土壤和添加劑進(jìn)行不同比例混合處理，研究其對(duì)小麥萌發(fā)和苗期生長(zhǎng)的影響。研究結(jié)果表明：（1）未施加5%添加劑的處理，70%及100%沉積物對(duì)小麥萌發(fā)及抗氧化酶活性均存在一定抑制作用，100%沉積物對(duì)小麥可溶性糖及可溶性蛋白含量有顯著促進(jìn)作用，30%沉積物對(duì)小麥萌發(fā)及苗期生長(zhǎng)效果弱于50%沉積物處理；（2）施加5%添加劑后，7 d時(shí)，50%沉積物、5%添加劑和45%土壤混合處理（T-C-J2）效果優(yōu)于其他處理，小麥發(fā)芽率、苗高、葉綠素含量及超氧化物歧化酶活性分別較對(duì)照組提高17.33%、22.10%、15.79%、35.29%。30%沉積物、5%添加劑和65%土壤（T-C-J1）過氧化物酶活性較對(duì)照組提高23.08%。100%沉積物處理的小麥可溶性糖及可溶性蛋白含量分別較對(duì)照組提高94.27%和31.45%。沉積物的適合處理比例為50%，比例過低對(duì)小麥萌發(fā)及苗期生長(zhǎng)促生效果較弱，比例過高則會(huì)產(chǎn)生抑制作用，5%添加劑可緩解沉積物比例高對(duì)小麥的抑制作用。研究結(jié)果可為湖泊沉積物在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：湖泊沉積物；比例；小麥；萌發(fā)；苗期

中圖分類號(hào)：X705；S512.101文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2023）21-0067-05

湖泊沉積物是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其中含有的大量氮、磷、重金屬和有機(jī)物等成分可在水中持續(xù)釋放，易導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化［1-2］。目前，對(duì)沉積物進(jìn)行農(nóng)業(yè)利用是水環(huán)境建設(shè)中重要的研究?jī)?nèi)容，污染程度較低的沉積物可作為土壤修復(fù)劑使用，具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。沉積物經(jīng)適當(dāng)處理后可提升土壤肥力，改良土壤性狀，增加土壤微生物數(shù)量，提高植物對(duì)氮的吸收量，促進(jìn)植物生長(zhǎng)［5-6］。我國(guó)北方湖泊沉積物重金屬含量較低，污染處于中等偏下水平，其資源化利用具有廣闊前景［7-8］。

小麥萌發(fā)及苗期生長(zhǎng)主要受到土壤理化性質(zhì)、酶活性和重金屬離子等因素的影響［9-11］，不同的生長(zhǎng)環(huán)境和外源物質(zhì)的添加也占據(jù)一定因素［12-13］。目前，關(guān)于施加湖泊沉積物在常見農(nóng)作物種植應(yīng)用中的研究較少。本研究以北方湖泊南四湖沉積物為研究對(duì)象，通過對(duì)沉積物與土壤和添加劑進(jìn)行不同比例混合，分析比較施加后對(duì)小麥萌發(fā)及苗期生長(zhǎng)的影響，旨在實(shí)現(xiàn)廢棄物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高值化利用，為湖泊沉積物的農(nóng)業(yè)利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年4月在河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試小麥品種為濟(jì)麥22；供試土壤采自山東省濟(jì)寧市微山縣馬坡鎮(zhèn)周莊村附近農(nóng)田，樣品采集深度0～20 cm；供試添加劑為40%竹炭活性炭與60%秸稈粉碎混合制成；供試湖泊沉積物采自南四湖南陽湖段（117°12′8.0″E，34°39′25.0″N），每個(gè)采樣點(diǎn)用抓斗式采泥器采集0～10 cm沉積物樣品500 g，每個(gè)采樣點(diǎn)采集3個(gè)平行樣品，密封低溫保存。沉積物pH值為7.45，有機(jī)質(zhì)含量為 302.42 g/kg，堿解氮含量為442.71 mg/kg，速效磷含量為50.37 mg/kg，速效鉀含量為274.65 mg/kg，Cu含量為26.75 mg/kg，Zn含量為73.60 mg/kg，Pb含量為45.14 mg/kg，Cr含量為59.78 mg/kg，Cd含量為0.23 mg/kg，Hg含量為0.03 mg/kg，As含量為11.59 mg/kg，Ni含量為24.61 mg/kg，8種元素均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求［14］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)處理，分組見表1，每個(gè)處理重復(fù)3次。用0.1% HgCl2溶液對(duì)小麥種子進(jìn)行10 min表面消毒，反復(fù)沖洗3次，沖洗干凈后將小麥種子浸泡12 h，之后轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿（直徑90 mm）中進(jìn)行萌發(fā)。將土樣按照試驗(yàn)設(shè)置比例均勻置于培養(yǎng)皿中，厚度15 mm均勻播撒40粒小麥種子，使用超純水灑水浸潤(rùn)，上部用少量松土均勻覆蓋，在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。以胚根突破種皮0.5 mm作為萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)每個(gè)處理重復(fù)5次，共50皿，光照度為 1 000 lx，光—暗周期為14 h—10 h，溫度為15～20 ℃。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

測(cè)定指標(biāo)：統(tǒng)計(jì)7 d內(nèi)小麥的發(fā)芽率、苗高及發(fā)芽指數(shù)，測(cè)定7 d時(shí)小麥葉綠素含量、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量。

測(cè)定方法：葉綠素a、葉綠素b含量和類胡蘿卜素含量采用丙酮法［15］測(cè)定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法［16］測(cè)定；可溶性糖含量采用蒽酮法［17］測(cè)定；SOD活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法［18］測(cè)定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法［18］測(cè)定；CAT活性采用高錳酸鉀法［19］測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel和SPSS 21.0軟件進(jìn)行處理和分析，差異顯著性分析采用Duncans多重比較方法，采用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊沉積物不同處理對(duì)小麥發(fā)芽率的影響

由圖1可知，施加湖泊沉積物對(duì)小麥進(jìn)行不同處理后，小麥發(fā)芽率變化存在顯著差異。對(duì)不同處理進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)并對(duì)小麥生長(zhǎng)情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，處理后1～4 d時(shí)，小麥種子發(fā)芽率逐漸提高，處理后4～7 d時(shí)，小麥種子萌發(fā)趨于穩(wěn)定，100%沉積物會(huì)顯著抑制小麥萌發(fā)。處理后1 d時(shí)，沉積物含量在30%～50%范圍內(nèi)可顯著提高小麥萌發(fā)，當(dāng)施加5%添加劑時(shí)，可減少70%沉積物對(duì)小麥萌發(fā)造成的毒害作用，促進(jìn)小麥種子發(fā)芽；處理后2 d，T-C1處理后小麥發(fā)芽率較對(duì)照組顯著提高36.59%；處理后3 d，無5%添加劑時(shí)，不同比例沉積物間50%表現(xiàn)更佳，沉積物比例超過50%，開始對(duì)小麥萌發(fā)產(chǎn)生抑制。處理后4～7 d，50%沉積物處理后，T-C2 和T-C-J2處理均可顯著提高小麥發(fā)芽率；當(dāng)沉積物比例為30%或70%時(shí)，對(duì)小麥發(fā)芽的促進(jìn)或抑制不顯著，5%添加劑可一定程度提高小麥發(fā)芽率；沉積物為100%時(shí)，小麥發(fā)芽率較對(duì)照組顯著降低17.07%～20.01%。這說明施加沉積物比例為30%時(shí)，對(duì)其小麥發(fā)芽促進(jìn)作用主要表現(xiàn)在處理后2 d，之后可能因沉積物中營(yíng)養(yǎng)元素含量較低致其促進(jìn)作用逐漸減弱。沉積物比例超過50%時(shí)，則會(huì)對(duì)小麥萌發(fā)產(chǎn)生抑制，危害程度更深的為100%沉積物，當(dāng)施加5%添加劑，可一定程度上促進(jìn)小麥萌發(fā)，緩解高濃度沉積物引起的抑制作用。

2.2 湖泊沉積物不同處理對(duì)小麥苗高度的影響

施加不同比例湖泊沉積物后，小麥苗高見圖2。

處理3 d時(shí)，當(dāng)無5%添加劑時(shí)，沉積物比例為30%、50%可一定程度提高小麥苗高，當(dāng)其比例為70%、100%則會(huì)對(duì)小麥苗高產(chǎn)生抑制作用，施加5%添加劑后，T-C-J3小麥苗高較T-C3顯著提高11.13%，但較對(duì)照組無顯著差異；處理5 d時(shí)，各處理后小麥苗高較對(duì)照組差異顯著，施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2 較T-C1、T-C2小麥苗高均有一定程度提高；隨著小麥生長(zhǎng)，各處理間小麥苗高逐漸明顯。處理7 d時(shí)，當(dāng)無5%添加劑時(shí)，T-C1 處理小麥苗高較對(duì)照組顯著提高15.79%，施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2處理小麥苗高分別較對(duì)照組顯著提高15.81%、22.10%，T-C-J2小麥苗高較T-C2顯著增長(zhǎng)9.52%。由此表明，沉積物最佳比例為50%，5%添加劑可一定程度提高小麥苗高。

2.3 湖泊沉積物不同處理對(duì)小麥發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖3可見，施加湖泊沉積物對(duì)小麥進(jìn)行不同處理培養(yǎng)后，小麥發(fā)芽指數(shù)在處理3～7 d呈逐漸提高趨勢(shì)。處理3 d時(shí)，當(dāng)無5%添加劑時(shí)，30%或50%沉積物處理均可提高小麥發(fā)芽指數(shù)，但T-C1與對(duì)照組無顯著性差異，70%或100%沉積物處理則會(huì)降低發(fā)芽指數(shù)，當(dāng)施加5%添加劑后，T-C-J3發(fā)芽指數(shù)較T-C3顯著提高38.89%；處理5 d時(shí)，當(dāng)無5%添加劑時(shí)，T-C1較對(duì)照組小麥發(fā)芽指數(shù)顯著提高21.43%，施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2 較T-C1、T-C2小麥發(fā)芽指數(shù)出現(xiàn)下降，T-C-J3較T-C3提高9.80%。處理7 d時(shí)，30%或50%沉積物處理均可提高小麥發(fā)芽指數(shù)，T-C2 和T-C-J2分別較對(duì)照組顯著提高16.21%、16.18%。綜上，施加沉積物的最佳比例為50%，30%次之，70%沉積物開始對(duì)小麥萌發(fā)產(chǎn)生抑制，施加5%添加劑后，可產(chǎn)生一定程度緩解作用。

2.4 湖泊沉積物不同處理對(duì)小麥苗期葉綠素含量的影響

施加不同配比湖泊沉積物對(duì)小麥進(jìn)行培養(yǎng)后，測(cè)定處理7 d時(shí)葉片葉綠素a、葉綠素b含量的變化情況。如圖4所示，當(dāng)無5%添加劑時(shí)，C、T-C1、T-C2、T-C3處理小麥葉綠素a含量與對(duì)照組均無顯著性差異，葉綠素b含量T-C2處理較對(duì)照組顯著提高9.38%；施加5%添加劑后，T-C-J2處理葉綠素a含量較對(duì)照組顯著提高15.38%，其余比例與對(duì)照組差異性較小，葉綠素b含量T-C-J2處理較對(duì)照組顯著提高9.23%。由此表明，施加50%沉積物可顯著提高葉綠素b含量，5%添加劑可顯著提高葉綠素a含量，其他比例對(duì)葉綠素含量影響較小。

2.5 湖泊沉積物不同處理對(duì)小麥苗期SOD活性的影響

圖5所示為沉積物不同比例處理后，小麥苗期超氧化物歧化酶活性的變化情況。結(jié)果表明，無5%添加劑時(shí)，30%或70%沉積物處理對(duì)小麥SOD活性與對(duì)照組無顯著性差異，施加5%添加劑后，T-C-J1 和T-C-J3的小麥SOD活性均有一定程度提高；100%沉積物使其SOD活性較對(duì)照組顯著降低42.35%，可能是沉積物中有害元素濃度過高，導(dǎo)致小麥細(xì)胞膜受到損傷；50%沉積物處理，T-C2 和T-C-J2小麥SOD活性分別較對(duì)照組顯著增加35.29%和62.17%，T-C-J2小麥SOD活性較T-C2提高17.28%。綜上，沉積物的最佳施加比例為50%，添加5%添加劑可進(jìn)一步提高小麥SOD活性。

2.6 湖泊沉積物不同處理對(duì)小麥苗期POD和CAT酶活性的影響

圖6為不同處理方式后對(duì)小麥苗期過氧化物酶的變化情況。結(jié)果表明，不同比例間小麥幼苗POD活性大小表現(xiàn)為30%>0>50%>70%>100%。當(dāng)無5%添加劑，沉積物比例超過50%時(shí)，T-C3 與C處理小麥幼苗POD活性較對(duì)照組顯著降低26.92%和53.85%；當(dāng)施加5%添加劑后，除C組外3個(gè)不同比例沉積物處理后，小麥POD活性較相同比例沉積物均有明顯提高，其中T-C-J1處理后小麥POD活性較對(duì)照組顯著提高23.08%，其他處理與對(duì)照無顯著差異。添加劑施加可提高小麥幼苗POD活性，最佳處理方式為T-C-J1。

由圖7可知，不同處理方式后小麥苗期過氧化氫酶活性變化情況。結(jié)果表明，除100%沉積物的施加量對(duì)小麥CAT活性產(chǎn)生了一定的抑制作用外，其他各比例沉積物對(duì)小麥CAT活性影響并不顯著；施加5%添加劑對(duì)50%沉積物的調(diào)節(jié)不明顯，反而產(chǎn)生了一定的抑制作用，在沉積物比例為30%、70%時(shí)，T-C-J1和T-C-J3處理小麥CAT活性分別較 T-C1 和T-C3提高20.01%和7.14%，但與對(duì)照組無顯著差異。

2.7 湖泊沉積物不同處理對(duì)小麥苗期可溶性糖含量的影響

由圖8可見，100%沉積物處理后小麥苗期可溶性糖含量達(dá)到最大值62.08 mg/g，較對(duì)照組顯著提高94.27%。當(dāng)無5%添加劑時(shí)，沉積物比例不宜超過50%，超過則易減少小麥幼苗可溶性糖含量；施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2、T-C-J3小麥可溶性糖含量較同比例沉積物均發(fā)生下降，T-C-J3 處理可溶性糖含量較 T-C3 降低23.68%。5%添加劑一定程度上降低了小麥可溶性糖含量，主要表現(xiàn)在70%沉積物處理。

2.8 湖泊沉積物不同處理對(duì)小麥苗期可溶性蛋白的影響

不同處理后小麥苗期可溶性蛋白含量見圖9。結(jié)果表明，當(dāng)無5%添加劑，沉積物比例在30%～70%時(shí)，小麥幼苗可溶性蛋白含量隨著沉積物比例增加而逐漸降低，且與對(duì)照無顯著差異，100%沉積物處理后小麥可溶性蛋白含量較對(duì)照組顯著增加31.45%。施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2、T-C-J3處理較相同比例沉積物小麥可溶性蛋白含量均有一定程度提高，T-C-J1處理小麥可溶性蛋白含量較對(duì)照組顯著提高33.46%。綜上，無5%添加劑時(shí)，對(duì)于小麥可溶性蛋白含量的最佳沉積物比例為100%，施加5%添加劑后，沉積物最佳處理方式為沉積物30%+添加劑5%+土壤65%。

3 討論與結(jié)論

湖泊沉積物含有植物生長(zhǎng)所需的大量元素、微量元素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力、促進(jìn)作物生長(zhǎng)的作用［20］。不同混合比例會(huì)影響沉積物中各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向土壤釋放的速度和過程，適宜比例沉積物能夠促進(jìn)小麥的萌發(fā)和生長(zhǎng)，而低于一定比例或過高比例，沉積物的促生效果不明顯，甚至?xí)种菩←湹拿劝l(fā)和生長(zhǎng)。本研究結(jié)果表明，50%混合比例的沉積物能夠提高小麥葉片中葉綠素含量，促進(jìn)小麥種子萌發(fā)和苗期生長(zhǎng)，但過高比例的沉積物則會(huì)抑制小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。高俊等研究顯示，加入少量的底泥可提高小麥種子的發(fā)芽率，隨著底泥用量的增加發(fā)芽率呈下降趨勢(shì)，芽高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)［21］。楊丹等研究發(fā)現(xiàn)，沉積物與土壤2種混合物的比例在33%～50%之間，可顯著提高土壤養(yǎng)分含量，促進(jìn)作物苗期生長(zhǎng)［22］，本研究結(jié)果與之相似。同時(shí)，加入活性炭能夠有效地吸附沉積物和土壤中的污染物，降低生物毒性，改良土壤機(jī)理，增加土壤肥度［23］。本研究中湖泊沉積物與添加劑混合后的處理，可緩解高比例混合沉積物對(duì)小麥的抑制作用，調(diào)節(jié)土壤碳氮比，促進(jìn)小麥萌發(fā)及苗期生長(zhǎng)。

通過湖泊沉積物與土壤和添加劑進(jìn)行不同比例混合，分析比較小麥發(fā)芽率、苗高和葉綠素、SOD、POD、CAT等含量及活性，沉積物的適宜混合處理比例為50%，比例過低對(duì)小麥萌發(fā)及苗期生長(zhǎng)促生效果較弱，比例過高則會(huì)產(chǎn)生抑制作用。添加劑可緩解沉積物比例高對(duì)小麥的抑制作用。沉積物50%+添加劑5%+土壤45%的處理方式效果優(yōu)于其他處理，小麥發(fā)芽率、苗高、葉綠素含量及SOD活性分別較對(duì)照組提高17.33%、22.10%、15.79%、35.29%。研究結(jié)果為湖泊沉積物在農(nóng)業(yè)上的利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

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收稿日期：2023-02-16

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（編號(hào)：22A210003）；河南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（編號(hào)：202210464086）。

作者簡(jiǎn)介：宋 鵬（1980—），男，山東棗莊人，博士，副教授，從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究。E-mail：songpeng0826@126.com。