外源硅對鉛鎘脅迫下煙草生長的緩解效應(yīng)

關(guān)鍵詞：煙草；外源硅肥；鉛鎘脅迫；煙草生長；鉛富集轉(zhuǎn)移；鎘富集轉(zhuǎn)移

中圖分類號：X173；S572 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）10-2269-10 doi：10.11654/jaes.2024-0316

隨著工礦業(yè)的快速發(fā)展、土地的不合理開發(fā)利用以及農(nóng)藥的過度施用，土壤重金屬污染問題日益嚴重，且重金屬在土壤中不是單一存在，而是多種共存并可能形成復(fù)合污染，其中鎘鉛復(fù)合污染最為普遍且毒害較重[1]。研究發(fā)現(xiàn)，鎘易在植物葉片中富集并導致葉片氣孔逐步閉合[2]，阻礙植物的光合、蒸騰和呼吸作用[3]，且鎘污染會導致植物葉片干枯萎黃，根莖縮短，側(cè)根數(shù)量減少，降低營養(yǎng)元素吸收，最終抑制植株生長[4]。鉛脅迫會導致植株葉片數(shù)量減少，莖稈瘦弱，顯著降低根系活力和抑制根系生長，影響植物根系對養(yǎng)分的吸收利用[5]，還可能影響植物激素含量，導致植物延遲開花，進而降低作物產(chǎn)量[6]。因此，如何緩解鉛、鎘等重金屬污染是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。已有研究表明外源硅對鎘[7]、鉛[8]、砷[9]等重金屬脅迫具有緩解作用，有效硅可通過吸附、絡(luò)合等方式改變土壤中重金屬的狀態(tài)，降低重金屬的生物有效性，實現(xiàn)重金屬的穩(wěn)定，以此減少重金屬向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移富集[10]。同時硅肥也是一種新型多功能中量元素肥料，是一種很好的品質(zhì)肥料、保健肥料和植物調(diào)節(jié)性肥料，既可作肥料提供養(yǎng)分，又可用作土壤調(diào)節(jié)劑，改良土壤，還兼有防病、防蟲和減毒的作用。施用外源硅可以緩解鎘脅迫，降低植物中的鎘含量，減少鎘在植物中的富集[9]，也可以通過增加葉綠素含量、提高抗氧化酶活性、增強細胞壁組分和促進有機酸的分泌來緩解鎘毒害[7]；外源硅緩解鉛脅迫主要是通過降低鉛的有效性，抑制鉛從土壤到植株的遷移，改變植株中鉛的分布，降低植株中的鉛含量，減輕鉛對植物的毒性[11]，同時加強植物抗氧化防御系統(tǒng)、維持離子穩(wěn)態(tài)和抗壞血酸-谷胱甘肽氧化還原狀態(tài)來降低鉛毒害[8]。此外，攝入硅還可以顯著提高水稻（Oryzasativa L.）[12]、甘蔗（Saccharum officinarum L.）[13]等作物對養(yǎng)分的吸收利用，增強植物對重金屬的耐受性。因此，硅在植物應(yīng)對重金屬脅迫中發(fā)揮著重要作用，但不同類型硅肥對植物的調(diào)控效應(yīng)不同[14]。施用有機硅肥對西芹[15]、蘋果[16]等生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量和品質(zhì)的作用效果均優(yōu)于無機硅肥；前人通過有機硅肥與無機硅肥的對比試驗也發(fā)現(xiàn)有機硅肥對小麥中鎘和鉛的解毒效果可能優(yōu)于無機硅肥[17]。

煙草（Nicotiana tabacum L.）是我國重要經(jīng)濟作物之一，優(yōu)質(zhì)煙葉的生產(chǎn)是煙草行業(yè)賴以生存的基礎(chǔ)，也是煙草產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。但有研究表明重金屬污染會在一定程度上限制煙草生長發(fā)育，降低葉片數(shù)和葉面積等關(guān)鍵農(nóng)藝性狀，對成煙產(chǎn)量和品質(zhì)造成威脅[18]。因此，如何降低重金屬污染對煙草產(chǎn)業(yè)的負面影響，提高烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)，對當下提高煙草產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益和推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前硅肥在煙葉生產(chǎn)中大多應(yīng)用于提高光合作用和原煙品質(zhì)[19]及調(diào)節(jié)內(nèi)含物質(zhì)[20]等，但硅對鉛鎘復(fù)合污染的緩解效果及作用機制報道較少。本研究以煙草品種K326為試驗材料，設(shè)置鉛鎘處理組模擬土壤污染環(huán)境，探究3 種外源硅肥緩解煙草鉛鎘脅迫的效果及機理，為硅肥緩解煙草的重金屬毒害、提高煙葉產(chǎn)量與品質(zhì)以及煙草產(chǎn)業(yè)的供肥選擇提供理論參考。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為雙因素的完全隨機試驗，設(shè)置2個不同鉛鎘處理組和4個不同的硅肥處理組，共8個處理組（表1），每組10個重復(fù)，每盆1株。鉛鎘脅迫30 d后開始施硅處理，每盆煙株總施用量為5.00 g，為避免燒苗，每次將0.5 g 硅肥溶于500 mL 水后澆入對應(yīng)處理組中，無硅肥處理組中加入等量清水，硅肥施用間隔為7 d。待處理90 d后進行各指標的測定及取樣，每個處理組選取4株進行生長指標的測定，其余煙株用于生理指標的取樣，于相同葉位收集葉片，分裝好后放于液氮中再轉(zhuǎn)移到-80 ℃超低溫冰箱保存。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標及生物量的測定

待處理結(jié)束后，使用卷尺測量各處理組煙株的株高和自上而下第4片煙葉的葉長、葉寬，并計算葉面積（葉長×葉寬×0.634 5）。待處理結(jié)束后將植株根、莖、葉洗凈后，放入105 ℃烘箱中殺青0.5 h后，80 ℃烘至質(zhì)量恒定，稱量植株各部位生物量及總生物量。

1.3.2 抗氧化酶活性的測定

參照高俊鳳[21]的方法，測定煙葉鮮樣中抗氧化酶活性，采用氮藍四唑法測定SOD活性，采用愈創(chuàng)木酚比色法測定POD活性，采用紫外吸收法測定APX和CAT活性。

1.3.3 MDA及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的測定

參照李合生[22] 的方法，測定煙草葉片鮮樣中MDA及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定，脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定，可溶性糖含量采用GOD-POD比色法測定。

1.3.4 煙草各器官重金屬含量測定

土壤和煙草各部位重金屬含量經(jīng)硝酸消解后使用ICP-MS法測定，最后計算轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）和富集系數(shù)（BCF）。TF=植株地上部離子含量（mg·kg^-1）/植株地下部離子含量（mg·kg^-1）；BCF=植株或器官離子含量（mg·kg^-1）/土壤中離子含量（mg·kg^-1）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

在Excel 2019 中進行數(shù)據(jù)的初步整理后，在SPSS 26.0 中進行單因素方差分析（one-way ANO?VA），并使用Ducan′s檢驗分析0.05水平上的差異顯著性，使用Origin 2021 作圖。所有數(shù)據(jù)均以“平均值±標準誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硅肥對鉛鎘脅迫下煙草生長的影響

由表2 可知，對照組C 中施用外源硅肥后的CSi1、C-Si2、C-Si3的各項生長指標均高于C-Si0。鉛鎘脅迫組T-Si0 各生長指標均顯著（Plt;0.05）低于對照組C-Si0；在處理組T中，施用外源硅肥均對鉛鎘脅迫下的煙草生長具有促進作用，顯著（Plt;0.05）提高了煙株的株高、葉片數(shù)、葉長、葉寬和總?cè)~面積；其中施用有機硅肥2 的處理組T-Si2 效果最好，與T-Si0 相比，株高、葉片數(shù)、葉長、葉寬和總?cè)~面積分別增加了72.59%、21.05%、34.74%、66.67% 和59.36%。結(jié)果說明鉛鎘污染抑制了煙草的生長，而施硅可以減輕鉛鎘污染對其生長的抑制，且以有機硅肥2效果最好。

2.2 外源硅肥對鉛鎘脅迫下煙草干物質(zhì)累積的影響

由表3可知，在對照組C中，施用外源硅肥可以提高煙株各器官生物量和總生物量。與對照組C-Si0相比，處理組T-Si0的各器官生物量和總生物量均顯著（Plt;0.05）降低。在鉛鎘脅迫組T 中，施用硅肥后TSi1、T-Si2、T-Si3根生物量、莖生物量、葉生物量和總生物量與T-Si0相比均顯著增加，其中處理組T-Si2的根生物量、莖生物量、葉生物量和總生物量分別顯著（Plt;0.05）增加了53.80%、59.70%、35.37%、44.34%。說明鉛鎘污染降低了煙草的生物量累積，同等污染條件下，施用外源硅肥顯著提高了煙草的生物量累積。

2.3 外源硅肥對鉛鎘脅迫下煙草生理指標的影響

2.3.1 對煙草葉片抗氧化酶的影響

由圖1可知，與C-Si0相比，對照C中各施硅處理組的SOD 活性、C-Si1 和C-Si2 的POD、APX 活性均顯著（Plt;0.05）降低。與對照組C相比，處理組T中各組的抗氧化酶活性均為增加，說明鉛鎘污染下煙草可提高抗氧化酶的活性抵御鉛鎘毒害。處理組T中，與T-Si0相比，SOD和APX 活性在施用外源有機硅肥1和2后顯著（Plt;0.05）升高，POD活性在施用外源硅肥后顯著升高（Plt;0.05），CAT活性僅在外源有機硅2處理后顯著（Plt;0.05）升高。由此看出，外源有機硅肥2緩解效果最為明顯，與T-Si0相比，SOD、POD、CAT和APX活性分別顯著（Plt;0.05）升高了20.3%、112.95%、149.81%和125.88%。說明硅肥可促進煙草葉片中抗氧化酶的活性，提高其清除自由基的能力，緩解鉛鎘脅迫。

2.3.2 對煙草葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由表4可知，在對照組C中，C-Si1和C-Si2煙草葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量顯著（Plt;0.05）增加，C-Si3煙草葉片中可溶性蛋白含量顯著（Plt;0.05）提高。在處理組T 中，與T-Si0 相比，施用外源硅肥均能顯著（Plt;0.05）提高煙草葉片中脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量，其中有機硅肥2作用效果最為顯著，脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量分別增加了245.26%、112.51%、214.29%。

2.3.3 對煙草葉片MDA含量的影響

由圖2可知，在對照組C中，C-Si1、C-Si2煙草葉片中MDA 含量在施用外源硅肥后顯著降低（Plt;0.05）。鉛鎘脅迫組T的MDA含量高于對照組C-Si0，其中處理組T-Si0 顯著（Plt;0.05）升高了144.9%，TSi1、T-Si3分別顯著（Plt;0.05）上升了35.67%、56.37%。而在處理組T中，與處理組T-Si0相比，施用外源硅肥后各處理組的MDA 含量顯著（Plt;0.05）降低，處理組T -Si1、T - Si2、T-Si3 分別降低了44.6%、60.08%、36.15%。說明鉛鎘污染會導致煙草葉片膜脂過氧化，引起MDA含量上升，而施用外源硅肥可以有效降低鉛鎘脅迫下煙草葉片中MDA含量，緩解膜脂過氧化損傷，且有機硅肥2的效果優(yōu)于有機硅肥1和無機硅肥。

2.4 外源硅肥對鉛鎘脅迫下煙株中鉛鎘含量及富集轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

2.4.1對土壤鉛鎘含量的影響

由表5可知，施用外源硅肥的處理組土壤鉛鎘含量均高于未施用硅肥的處理組。說明施用外源硅肥后，降低了煙草植株對鉛鎘的吸收，更多的鉛鎘殘留于土壤中。且在鉛鎘脅迫下，T-Si1和T-Si2處理組中土壤鉛鎘濃度顯著（Plt;0.05）高于T-Si3，說明有機硅肥的效果更優(yōu)于無機硅肥。

2.4.2 對煙株各器官鉛鎘含量的影響

由圖3和圖4可知，無論在對照組中還是鉛鎘脅迫組中，鎘含量表現(xiàn)為葉大于莖和根，鎘主要富集在煙葉中；而鉛含量則是根大于葉和莖，鉛主要富集在煙株的根部。與對照組C-Si0相比，鉛鎘脅迫組T的煙株各部位鉛鎘含量均顯著（Plt;0.05）增加。處理組T-Si0 的葉、莖、根的鎘含量分別為對照組C-Si0 的26.19、13.02、15.56倍，鉛含量分別為對照組C-Si0的1.10、3.94、20.02倍。在處理組T中，與T-Si0相比，施用外源硅肥后T-Si1、T-Si2、T-Si3中煙株各器官的鉛鎘含量均顯著（Plt;0.05）降低。其中以有機硅肥2 的效果最明顯，T-Si2中葉、莖、根器官鎘含量分別降低了43.57%、42.50%、29.50%，鉛含量分別降低了54.88%、61.97%、54.57%。

2.4.3 對煙株鉛鎘富集轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

由表6和表7可知，與C-Si0相比，鉛鎘污染處理組T-Si0的鉛和鎘在根、莖、葉的富集系數(shù)均顯著（Plt;0.05）升高。在處理組T中，與T-Si0相比，施用外源硅肥可以降低煙株根、莖、葉各器官的鉛、鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)，且有機硅肥2效果最明顯。與T-Si0相比，效果最佳的處理組T-Si2中煙株根、莖、葉鉛富集系數(shù)分別降低了54.62%、61.11%、55.81%，轉(zhuǎn)移系數(shù)降低了7.78%；鎘富集系數(shù)分別降低了29.66%、42.38%、13.58%，轉(zhuǎn)移系數(shù)降低了19.77%。同時鉛的根富集系數(shù)高于莖和葉，轉(zhuǎn)移系數(shù)小于1，說明鉛由地下部向地上部運輸轉(zhuǎn)移的較少；鎘的葉富集系數(shù)高于根和莖，轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，說明大量鎘由地下部向地上部轉(zhuǎn)移，富集于煙葉中。

3 討論

植物受重金屬毒害最直觀的表現(xiàn)就是生長遲緩、植株矮小和生長量下降等，如郭暉等[23]對萱草（Hem?erocallis fulva L.）、鳶尾（Iris tectorum Maxim.）、美人蕉（Canna indica L.）的研究發(fā)現(xiàn)，鉛鎘復(fù)合脅迫會導致其株高、根長和生物量顯著下降，本試驗結(jié)果與之相似，鉛鎘脅迫下煙株的株高、葉片數(shù)、葉長、葉寬、葉面積、生物量累積等指標顯著下降，生長受到明顯抑制。這可能是鉛鎘破壞了植物的有機物合成結(jié)構(gòu)，降低了營養(yǎng)物質(zhì)合成速率[24-25]，同時影響根尖細胞分裂和跨膜運輸，導致植物吸收水分和礦質(zhì)元素的過程受阻，代謝活動紊亂進而抑制植物生長[7]。本研究結(jié)果顯示無論是在對照組還是鉛鎘脅迫組中，施用外源硅肥均可以顯著提高煙株的株高、葉片數(shù)、葉長、葉寬、葉面積和生物量累積。這可能是由于硅會沉積在植物的角質(zhì)層中，提高木質(zhì)素生物合成酶含量，增加木質(zhì)素在莖部的積累[26]。同時促進細胞的伸長和分裂，提高植物株高和莖稈強度并保持葉片直立[27]，最終使葉片更好地生長，葉片數(shù)、葉長、葉寬、葉面積和生物量隨之提高，并且硅肥還能夠改善植物根系的生長發(fā)育環(huán)境，增強根系活力和增強對礦質(zhì)元素的吸收，促進植物生長[28]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)有機硅肥的緩解效果優(yōu)于無機硅肥，這與Huang等[17]施用有機無機硅肥緩解小麥鉛鎘污染試驗結(jié)果一致。其原因是無機硅肥中的硅以離子狀態(tài)存在，而有機硅肥中的硅以分子狀態(tài)存在，植物對兩種形態(tài)的硅吸收和響應(yīng)特征存在差異[29]，因此導致不同外源硅肥之間效果存在差異。

植物遭受脅迫會導致膜脂過氧化，MDA 含量高低可反映膜脂過氧化損傷程度。本研究發(fā)現(xiàn)，鉛鎘脅迫下煙草葉片中MDA含量和抗氧化酶活性顯著高于對照組，而施用外源硅肥后MDA含量顯著下降，抗氧化酶活性進一步提高，說明施硅能增強煙株的抗氧化能力，從而緩解煙草細胞膜脂過氧化損傷，這與于敏敏等[30]對黃瓜（Cucumis sativus L.）幼苗的研究結(jié)果一致。這可能是因為外界脅迫會刺激植物激活多種抗氧化酶來維持體內(nèi)自由基的平衡，減輕活性氧（ROS）過量積累所引起的細胞損傷，施硅后形成的硅化細胞和硅雙層結(jié)構(gòu)[31]，可以增強植物的抗氧化酶活性和細胞內(nèi)清除ROS 的能力，使植株抗氧化能力增強。滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)逆境脅迫的重要手段，植物會改變滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來維持細胞水勢和膜內(nèi)外滲透勢的平衡以抵御脅迫[32]，保護細胞和生物膜。本試驗中，施用外源硅肥后顯著提高了鉛鎘脅迫下煙草葉片的脯氨酸、可溶性蛋白及可溶性糖含量，說明施用外源硅肥可以通過提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量緩解鉛鎘對煙草造成的滲透脅迫，這與張倩等[33]對逆境脅迫下的棉花（Gossypium spp）施用外源硅后變化趨勢一致。

重金屬復(fù)合污染環(huán)境下，重金屬之間的交互作用與重金屬的類型、作用部位和試驗對象等因素密切相關(guān)[34]。本研究中鉛鎘脅迫組的鉛含量和鉛富集系數(shù)表現(xiàn)為地下部高于地上部，且鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，說明鉛主要富集部位是煙草的根部；而鎘含量和鎘富集系數(shù)則表現(xiàn)為葉大于根和莖，鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)遠大于1，說明鎘由地下部向上運輸，主要富集在煙草葉片中。這與溫瑀等[35]對鉛鎘脅迫下的4 種綠化植物的研究結(jié)果一致。這可能是因為鉛屬于惰性金屬，易被吸持、鈍化而沉淀于植物根系中，不易轉(zhuǎn)化為地上部中的離子態(tài)或絡(luò)合態(tài)[23]，同時植物內(nèi)皮層的凱氏帶結(jié)構(gòu)可能會阻礙鉛向其他組織運輸[36]，導致鉛向地上部分的運輸比較困難，所以鉛主要富集在植物的根部。而鎘的富集受到鉛鎘交互作用的影響，這種交互作用產(chǎn)生的主要原因是競爭效應(yīng)。由于重金屬之間性質(zhì)相似，因此會在土壤吸附位點、代謝系統(tǒng)以及細胞表面的結(jié)合位點上發(fā)生競爭，改變重金屬的有效性，從而導致結(jié)合能力相對強的重金屬代替另一種結(jié)合能力相對弱的重金屬[37]。前人研究發(fā)現(xiàn)鉛鎘在植物根中表現(xiàn)為拮抗作用，在莖和葉中表現(xiàn)為協(xié)同作用，因此鉛的積累不利于鎘在植物根中的富集，但能促進莖、葉對鎘的吸收[38]，導致鎘從地下部轉(zhuǎn)移到煙草葉片中富集。

前人研究發(fā)現(xiàn)硅可以對重金屬進行吸附，降低重金屬離子在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運[39]，本研究亦顯示，施用外源硅后減少了煙草根、莖、葉的鉛鎘含量，同時降低了鉛鎘從地下部向地上部的轉(zhuǎn)移運輸，使煙草根、莖、葉的鉛鎘含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著下降。這可能是多方面原因引起的：首先，硅可以改變重金屬自身的存在形式，施用硅肥后土壤中的有效硅含量增加，會與重金屬發(fā)生反應(yīng)而形成難溶的硅酸鹽沉淀，使得重金屬從可提取態(tài)和可還原態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶的有機態(tài)和殘渣態(tài)，降低重金屬的生物有效性[40]。其次，施用硅肥可以改變土壤對重金屬的吸附力，使其由靜電吸附變?yōu)榻Y(jié)合力更強的專性吸附[41]，也可能是硅酸通過聚合形成硅酸凝膠，進而增加了土壤的表面負電荷[42]，二者均可促進土壤對重金屬的吸附，從而減少植物對鉛鎘的吸收。此外，外源硅肥的施用可以提高植物根系的氧化能力，使重金屬被氧化成不溶性的形態(tài)而沉降，從而減輕植物體內(nèi)重金屬的生理濃度[43]。硅也可以介導金屬脅迫下植物根部內(nèi)胚層的形成，并以有機硅化合物的形式積累在細胞壁中，與重金屬結(jié)合，限制重金屬的遷移和運輸[44]，緩解重金屬對植物的毒害。本研究中還發(fā)現(xiàn)，有機硅肥對鉛鎘脅迫的緩解效果優(yōu)于無機硅肥，這與楊帥[29]對香蕉施用不同硅源的研究結(jié)果一致。這種差異可能與硅肥自身的特性相關(guān)，且有機硅肥中含有的氮、磷、鉀等元素可以促進鉛鎘與土壤發(fā)生反應(yīng)而被吸附和沉淀[45]，從而減輕鉛鎘被根系吸收進入植物體后的危害。而無機硅溶解度較小，難溶于水，且可能引入新的鹽離子對植物產(chǎn)生另外的脅迫，同時還可能引入其他雜質(zhì)，導致對鉛鎘脅迫緩解效果較差[46]。

4 結(jié)論

（1）鉛鎘污染易導致鉛富集在煙株根部，鎘富集在煙株葉片中，均會抑制煙株正常生長。

（2）外源施用硅肥可以減少煙株對鉛鎘的吸收，降低煙株各部位的鉛鎘含量和富集轉(zhuǎn)移系數(shù)，還可以通過提高煙株抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)能力、減輕細胞膜脂過氧化損傷，以緩解鉛鎘毒害，促進煙草的生長及生物量累積。

（3）3種外源硅肥均能減輕鉛鎘脅迫對煙草的傷害，作用效果為有機硅肥gt;無機硅肥，且以有效硅含量更高的有機硅肥2效果最佳。