土壤改良劑對鎘污染土壤小麥抗性、光合特性及產量的影響

發布時間：2022-02-22所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要: 采用盆栽試驗，研究不同土壤改良劑對鎘( Cd) 污染土壤小麥抗性、光合特性及產量的影響，以期為 Cd 污染區小麥安全生產提供科學依據和技術參考。結果表明，與無土壤改良劑的對照相比，添加海藻復合物處理可提高小麥葉片超氧化物歧化酶( SOD) 和抗壞血酸過氧化物酶

　　摘要: 采用盆栽試驗，研究不同土壤改良劑對鎘( Cd) 污染土壤小麥抗性、光合特性及產量的影響，以期為 Cd 污染區小麥安全生產提供科學依據和技術參考。結果表明，與無土壤改良劑的對照相比，添加海藻復合物處理可提高小麥葉片超氧化物歧化酶( SOD) 和抗壞血酸過氧化物酶( APX) 活性，增幅分別為 18. 9% 和 2. 2% ，顯著降低葉片丙二醛( MDA) 含量，從而增強小麥對 Cd 脅迫的抗性; 增加葉片總葉綠素含量，增幅為 7. 1% ; 提高氣孔導度、蒸騰速率、凈光合速率和水分利用效率，增幅分別為 57. 7% 、38. 8% 、44. 2% 和 3. 9% ; 最終促進產量顯著增加 30. 94% ，且主要歸因于有效穗數的增加。生物炭和腐植酸有機肥處理也可在一定程度上促進 Cd 脅迫下小麥的生長，但與海藻復合物配合施用效果不及海藻復合物單施處理，主要歸因于有效穗數的下降。秸稈還田處理對小麥生育前期生長及干物質積累不利，但隨生育期的推進長勢漸好。綜上，海藻復合物可有效降低 Cd 毒害，促進 Cd 脅迫下小麥的生長發育。

　　關鍵詞: 土壤改良劑; 鎘脅迫; 小麥; 光合特性; 產量

　　鎘(Cd)是一種生物毒性極強的重金屬元素，不僅可以造成土壤嚴重污染，導致農作物產量和質量下降，還可以通過土壤—作物—食物的遷移方式被人類攝取，進而危害人類健康[1-2]。據統計，全世界每年由于人為因素向環境中釋放的 Cd 約有 30 000 t，其中 82% ～ 94% 的 Cd 進入到土壤中;我國有 16% 的農田被重金屬污染，其中被 Cd 污 染 的 農 田 達 1. 3 × 105 hm2 ，每年生產的鎘含量超標的農產品達 1. 46 × 108 kg，嚴重影響了我國的糧食生產和食品安全[3-4]。因此，重金屬污染土壤治理已成為當前農業生產上急需解決的問題之一。目前，土壤改良劑被認為是降低土壤重金屬有效態含量和植物吸收量的有效途徑之一。研究顯示，施用生物炭可提高作物產量，降低土壤 Cd 的生物有效性，減少作物對土壤 Cd 的吸收[5-6]。劉秀珍等[7]報道，施用有機肥可有效鈍化土壤中的 Cd，促進其向非生物有效態轉化，進而抑制小麥對 Cd 的吸收，提高小麥抗性，降低 Cd 毒害程度。王秀梅等[8]研究顯示，施用有機肥、菌肥、海藻肥及生物炭均可降低土壤有效態 Cd 含量及油菜中 Cd 含量，其中有機肥的作用最顯著。李冬香等[9]報道，施用硅可提高小麥葉片光合色素含量及光合效率，從而緩解 Cd 毒害對小麥幼苗的影響。近期的研究顯示，海藻酸鈉寡糖可調控 Cd 在水稻植株體內的分布，使水稻吸收的 Cd 更多地滯留在根部，從而有利于維持水稻的正常生長發育[10]。另有研究表明，納米材料具備晶粒尺寸小、比表面積大、吸附能力強等特性，添加到肥料中可以增加肥料的吸附性，減少肥料的流失，促進植物生長發育，提高肥料利用率[11]。不同材料環境適應性及其對土壤 Cd 污染的改良效果存在差異[7-8，12]，篩選成本廉價、環境適應性及改良性能好的材料是當前土壤重金屬污染修復研究的重點之一，然而同等條件下，依據材料特性尋求最優組合以實現最佳的土壤 Cd 污染改良效果的研究還較少。小麥是世界上最重要的糧食作物之一，優質、高產、生態、安全已成為小麥生產的主要目標。為此，研究不同土壤改良劑對 Cd 污染土壤小麥抗性、光合特性及產量的影響，以期篩選出可有效緩解小麥 Cd 毒害的土壤改良劑，為其在小麥 Cd 污染區的應用提供科學依據和技術參考。

　　1 材料和方法

　　1. 1 供試材料

　　供試土壤為潮土，采自河南省鄭州市郊區，其含有機質 2. 78 g /kg、速效氮 44. 92 mg /kg、速效磷 9. 1 mg /kg、速效鉀 98. 62 mg /kg、總 Cd 0. 78 mg /kg，pH 值為 8. 12。

　　供試生物炭(N + P2O5 + K2O 含量≥5% ，有機質含量 46% )由商丘三利新能源有限公司提供;腐植酸有機肥(腐植酸含量≥30% ，N + P2O5 + K2O 含量≥10% ，中、微量元素含量≥4% ) 由山東泉林嘉有肥料有限責任公司提供;海藻復合物由河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所自主研制，主要由海藻提取物(包括海藻酸鈉寡糖等生物活性物質和礦質營養元素)、硅酸鈉和納米氫氧化鎂復配組成;外源 Cd 為分析純 CdCl2，尿素和磷酸二氫鉀也為分析純試劑，均購自國藥集團化學試劑有限公司;秸稈為 2016 年的玉米秸稈，烘干粉碎后備用，其含 N 4. 812 g /kg、P2O5 3. 912 g /kg、K2O 16. 04 g /kg。

　　供試小麥品種為鄭麥 0943，由河南省農業科學院小麥研究所許為鋼研究員為首的育種團隊選育。

　　1. 2 試驗設計

　　試驗于2016 年10 月—2017 年5 月在河南省農業科學院試驗田進行，采用土培盆栽試驗，選用聚乙烯塑料盆(直徑 30 cm，高 20 cm)，每盆裝過 2 mm 篩的土 10 kg，Cd 添加量為 5. 00 mg /kg ，和過篩后的土混合均勻后裝盆。試驗設置 8 個處理，分別為單獨的 Cd 脅迫處理(對照，CK)、Cd 脅迫下添加玉米秸稈處理(T2)、Cd 脅迫下添加生物炭處理(T3)、 Cd 脅迫下添加腐植酸有機肥處理(T4)、Cd 脅迫下添加海藻復合物處理( T5)、Cd 脅迫下添加玉米秸稈和海藻復合物處理( T6)、Cd 脅迫下添加生物炭和海藻復合物處理( T7)、Cd 脅迫下添加腐植酸有機肥和海藻復合物處理(T8)，每個處理 4 次重復。其中，秸稈施用量為 250 g /盆，生物炭、腐植酸有機肥和海藻復合物施用量均為 10 g /盆，不同物料均與土壤充分混勻后裝盆，平衡 7 d 后播種。各處理均基施 0. 4 g /kg 尿素和 0. 4 g /kg 磷酸二氫鉀，于拔節期追施 0. 4 g /kg 尿素。10 月 10 日播種，每盆 6 穴，每穴 10 粒，30 d 后間苗至每穴 6 株，小麥生長期間通過稱質量法維持盆中土壤水分含量在田間持水量的 70% 左右。

　　1. 3 測定指標與方法

　　1. 3. 1 株高和 SPAD 值 于苗期、返青期、拔節期、開花期、成熟期測定小麥株高，于苗期、返青期、拔節期、開花期、灌漿期測定功能葉片( 倒 2 葉) SPAD 值，SPAD 值采用 SPAD - 502 葉綠素儀測定。

　　1. 3. 2 光合色素、丙二醛( MDA) 含量及抗氧化酶活性 取拔節期小麥功能葉片(倒 3 葉)，剪碎、混勻后用于光合色素和 MDA 含量以及抗氧化酶活性的測定。光合色素包括葉綠素( Chl) 和胡蘿卜素 (Car)，其 含 量 采 用 95% 乙醇浸提比色法測定。 MDA 含量采用硫代巴比妥酸比色法測定�？寡趸�酶采用 0. 05 mol /L pH 值 7. 0 磷酸緩沖液提取，其中，超氧化物歧化酶( SOD)活性采用氮藍四唑光化還原法測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定，過氧化氫酶(CAT)活性采用高錳酸鉀滴定法測定，抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用紫外分光光度計法測定[13]。

　　1. 3. 3 光 合 特 性 于 灌 漿 期 ( 播 種 后 177 d) 9:30—10:30，采用 Li - 6200 便攜式光合作用測定儀(LI - CORInc. ，USA) 測定小麥旗葉凈光合速率 (Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間 CO2 濃度( Ci)。測定時光照強度 為 800 ～ 1 200 μmol / (m2 ·s)，葉室(2 cm × 3 cm)內設定溫度為 25 ℃，采用開放氣路，設定空氣流速為 500 μmol /s。并計算氣孔限制值( Ls) 和水分利用效率( WUE)，Ls = 1 - Ci /C0 ( C0 代表氣孔中 CO2 濃度為 420 μmol / mol);WUE = Pn /Tr。

　　1. 3. 4 物質生產特性 分別于開花期和成熟期取地上部植株樣品，并將成熟期樣品分為籽粒和莖葉兩部分，置于 105 ℃殺青 30 min，80 ℃烘至恒質量，測定干質量，并按下列公式計算以下參數:花前同化物積累量 = 開花期植株同化物積累量;總同化物積累量 = 成熟期莖葉同化物積累量 + 成熟期籽粒產量;花后同化物積累量 = 總同化物積累量 - 花前同化物積累量;花后同化物積累率 = 花后同化物積累量/總同化物積累量 × 100% ;收獲指數 = 籽粒產量/ 生物產量[14]。

　　1. 3. 5 產量及其構成因素 收獲前，調查每盆小麥有效穗數，每穗實粒數多于 5 粒者為有效穗;成熟期，收割每盆全部植株，分別脫粒，風干后稱質量，計算每盆籽粒產量、千粒質量;各盆選取代表性植株 10 株，采用百分之一電子天平稱穗質量，并在室內清查所有穗的粒數，計算穗粒數。

　　1. 4 數據分析

　　采用 Excel 2007 進行數據處理，SPSS 17. 0 進行方差分析，LSD 法進行多重比較。

　　2 結果與分析

　　2. 1 土壤改良劑對 Cd 脅迫下小麥株高和 SPAD 值的影響

　　由圖 1 可以看出，T5 處理的小麥株高在苗期、返青期、拔節期、開花期和成熟期均最高，分別較對照顯著增加8. 8%、23. 3%、18. 8%、12. 7%和5. 5%;T3、 T4 處理的株高整體上在各生育時期也較高;T6 處理的株高在不同生育時期均最低(拔節期除外)，分別較對 照 下 降 26. 6% ( P < 0. 05 )、23. 3% ( P < 0. 05)、9. 5% (P < 0. 05)、1. 3% (P > 0. 05)和 2. 1% (P < 0. 05);T7 處理株高整體上在各生育時期也較低;T2 處理在苗期、返青期和拔節期均顯著低于對照，降幅分別為 14. 1% 、18. 8% 和 16. 6% ，在開花期和成熟期均顯著高于對照，提高幅度分別為 9. 3% 和 4. 2% 。小麥葉片 SPAD 值在苗期和返青期均以 T5 處理最高，分別較對照顯著提高 17. 2% 和3. 5%，在拔節期以 T4 處理最高，較對照顯著提高 9. 1% ，且這 3 個時期均以 T2 處理最低，在開花期和灌漿期均以 T2 處理最高。總體上，T5 處理可有效緩解 Cd 脅迫對小麥生長的抑制作用，T3 和 T4 處理也可在一定程度上促進 Cd 脅迫下小麥的生長，但與前者配合施用效果變差;T2 處理對小麥生育前期生長不利，但隨生育期延長小麥長勢漸好。

　　2. 2 土壤改良劑對 Cd 脅迫下小麥葉片抗氧化酶活性和 MDA 含量的影響

　　植物體內 SOD、CAT、POD、APX 是細胞抵御活性氧傷害的重要保護酶，它們在清除 O- · 2 、水和過氧化物，阻止或減少羥自由基形成，保護膜系統免受損傷方面起著重要作用[13]。由表 1 可知，與對照相比，T2、T4、T5、T6 和 T7 處理可顯著提高小麥葉片 SOD 活性，增幅分別為 16. 6%、15. 6%、18. 9%、26. 2% 和 15. 5% ，T3 處理則顯著下降 36. 6% 。所有土壤改良劑處理的 POD 和 CAT 活性均顯著低于對照，其中 POD 活性以 T3 處理降幅最大，為 44. 4% ;CAT 活性以 T4 處理降幅最大，為 58. 6% 。T2 和 T4 處理的 APX 活 性 均 顯 著 高 于 對 照，提高幅度分別為 6. 5% 和 3. 5% ;T3、T6、T7 和 T8 處理均較對照顯著下降，下降幅度分別為 43. 5% 、8. 2% 、18. 5% 和 50. 3% 。對于 MDA 含量，T2、T5 和 T8 處理均顯著低于對照，降幅分別為 45. 7% 、5. 2% 和 14. 4% ，T3、 T4、T6 和 T7 處理均顯著高于對照，提高幅度分別為 9. 8% 、7. 0% 、33. 8% 和 24. 3% 。綜上，T2、T5 和 T8 處理可提高 Cd 脅迫下小麥的抗性，從而促進小麥生長，且前二者主要通過提高 SOD 和 APX 活性來實現。

　　2. 3 土壤改良劑對 Cd 脅迫下小麥葉片光合色素含量的影響

　　由表 2 可知，T5 和 T8 處理小麥葉片 Chla 和總 Chl 含量均較高，其中 Chla 含量分別較對照顯著增加 6. 7% 和 7. 9% ，總 Chl 含量分別較對照顯著增加 7. 1% 和 8. 9% ;T2、T3 和 T6 處理的 Chla 和總 Chl 含量均較對照顯著下降，Chla 含量降幅分別為 14. 1% 、14. 6% 和 30. 7% ，總 Chl 含量降幅分別為 13. 7% 、4. 8% 和 30. 4% ;此外，T7 處理的總 Chl 含量也顯著低于對照，降幅為 7. 9% 。T4 處理的 Chlb 和 Car 含量均顯著高于對照，提高幅度分別為 7. 2%和9. 6% ;T2、T3 和 T6 處理的 Chlb 含量均較對照顯著降低，降低幅度分別為 11. 5% 、7. 6% 和 29. 6% ; T2、T3、T6、T7 和 T8 處理的 Car 含量均顯著低于對照，降低幅度分別為 17. 0%、11. 8%、28. 0%、13. 3% 和 8. 1% 。綜上，T5 和 T8 處理可提高 Cd 脅迫下小麥葉片光合色素含量，從而有利于光合作用的進行。

　　2. 4 土壤改良劑對 Cd 脅迫下灌漿期小麥光合特性的影響

　　由表 3 可以看出，T5、T6、T7 和 T8 處理小麥 Pn 均顯 著 高 于 對 照，增 幅 分 別 為 44. 2% 、12. 58% 、 11. 2% 和 12. 2% ;T2 和 T3 處理均顯著低于對照，降幅分別為 14. 0% 和 15. 0% 。T3、T5 和 T6 處理小麥 WUE 均顯著高于對照，增幅分別為 5. 3% 、3. 9% 和 3. 4% ;T2、T7 和 T8 處理均顯著低于對照，降幅分別為 15. 4% 、12. 0% 和 10. 7% 。除 T3 和 T4 處理外，其余處理小麥 Gs 均顯著高于對照，增幅為 10. 0% ～ 57. 7% ，以 T5 處理增幅最大。T5、T7 和 T8 處理小麥 Tr 均顯著高于對照，增幅分別為 38. 8% 、26. 6% 和 25. 5% ; T3 處理則較對照顯著下降，降 幅 為 19. 1% 。T2、T5、T7 和 T8 處理小麥 Ci 均顯著高于對照，增幅分別為 12. 9% 、6. 5% 、5. 9% 和 3. 2% ;T6 處理則較對照顯著下降，降幅為 4. 2% 。T2、T5、T7 和 T8 處理小麥 Ls 均較對照顯著下降，降幅分別為 17. 5% 、9. 9% 、9. 1% 和 6. 0% ，其他處理與對照間的差異均不顯著。綜上，T5 處理可顯著提高 Cd 脅迫下小麥 Pn，促進光合作用的進行，且主要通過提高 Gs、降低 Ls 來實現;此外，該處理的 Tr 和 WUE 也總體上均顯著高于其他處理。

　　2. 5 土壤改良劑對 Cd 脅迫下小麥物質生產特性的影響

　　由表 4 可知，T4、T5 和 T7 處理的小麥花前同化物積 累 量 較 高，分別較對照顯著增加 40. 7% 、 26. 7% 和 26. 6% ;其次是 T8 處理，也顯著高于對照，增幅為 12. 5% ，其余處理與對照均無顯著差異。對于花后同化物積累量，T2 處理顯著高于對照，增幅為 21. 29% ，T4、T5 和 T7 處理均顯著低于對照，降幅分別為 68. 93% 、23. 79% 和 60. 93% 。對于總同化物積累量，T2、T5 和 T8 處理均顯著高于對照，增幅分別為 5. 74% 、7. 23% 和 6. 65% ，T7 處理顯著低于對照，其他處理與對照間的差異均不顯著�；ê笸�化物積累率，以 T2 處理最高，較對照增加 5. 68 個百分點;T4、T5、T7 處理均顯著低于對照，分別降低 26. 41、11. 17、22. 36 個百分點。對于粒質量，以 T3 處理最高，其次是 T8 處理，二者分別較對照顯著增加 13. 52% 和 7. 08% ，T6 處理較對照顯著降低 12. 30% ，其他處理與對照均無顯著差異。對于收獲指數，以 T3 處理最高，較對照顯著增加 16. 52% ;T2 和 T6 處理均顯著低于對照，降幅分別為 9. 14% 和 14. 16% ;其他處理與對照均無顯著差異。綜上，T2 處理可促進小麥花后同化物積累，T4、T5 和 T7 處理對促進花前同化物積累作用效果顯著，T3 處理對提高小麥的粒質量和收獲指數效果較好。

　　2. 6 土壤改良劑對 Cd 脅迫下小麥產量及其構成因素的影響

　　由表5 可知，T5、T8、T3、T4 處理小麥有效穗數均顯著高于對照，增幅分別為 26. 0%、8. 7%、6. 7%、 3. 8%;T6 和 T7 處理均顯著低于對照，降幅分別為 8. 6%和7. 0%。對于穗質量，除 T7 處理較對照顯著下降外，其他處理均顯著高于對照，增幅為 1. 68% ～ 7. 14%，以 T5 和 T8 處理增幅最高。對于穗粒數，以 T8 和 T7 處 理 較 高，分別較對照顯著提高15. 62% 和 14. 59%，其次是 T4、T5 和 T2 處理。對于千粒質量，以 T3 處理最高，其次是 T8 和 T4 處理，三者分別較對照顯著提高 18. 09%、14. 28% 和 13. 86%。對于產量，以 T5 處理最高，其次是 T3 和 T8 處理，三者分別較對照顯著增加30. 94%、21. 17% 和 16. 42%;T2、T6 和 T7 處理均顯著低于對照，降幅分別為8. 41%、19. 90%和 13. 06%。綜上，T5 處理可促進 Cd 脅迫下小麥產量的形成，主要歸因于有效穗數的增加;T3 處理促進產量的形成主要歸因于千粒質量的增加;T8 處理促進產量的形成主要歸因于穗粒數的增加;T6 和 T7 處理產量降低主要歸因于有效穗數的下降。

　　3 結論與討論

　　植物對 Cd 的吸收受土壤 pH 值、陽離子交換量 (CEC)、有機質含量以及離子間的作用等諸多因素影響，土壤改良劑可改變這些因素，從而影響土壤中 Cd 的有效性及植物對 Cd 的吸收[15-19]，故被認為是土壤重金屬污染修復的有效途徑之一。不同改良劑對土壤有效 Cd 含量和作物對 Cd 的吸收影響不盡一致，這與改良劑自身的性質及添加量有關[17]。本研究結果表明，Cd 脅迫條件下，海藻復合物可通過提高 SOD 和 APX 活性，增強小麥的抗性;并可增加光合色素含量、提高 Pn，從而促進小麥的生長及產量的提高。前期的研究證實，海藻酸鈉寡糖可將水稻吸收的 Cd 更多地滯留在根部細胞壁中，并可提高非巰基蛋白、植物螯合肽和脯氨酸含量以及抗氧化酶活性，從而緩解 Cd 毒害，維持水稻的正常生長發育;此外，還可改善植物類囊體膜的結構和功能，從而提高其光合效率[20-21]。魏曉等[22]研究顯示，硅可減少土壤中 Cd 的移動和潛在移動，一方面，單硅酸可與 Cd 反應形成不溶性硅酸鹽;另一方面，土壤 Cd 可被富硅物質吸附，從而降低 Cd 的移動性;此外，硅素還可增加水稻質外體和共質體中單硅酸的濃度，從而使大部分 Cd 積累在根部質外體中，有效降低 Cd 在水稻組織中的遷移。袁婷等[11]報道，納米氫氧化鎂可促進非酶類以及酶類等次生代謝物質的產生，從而增加作物的抗氧化能力。河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所自主研制的海藻復合物，主要由海藻提取物(包括海藻酸鈉寡糖等生物活性物質和礦質營養元素)、硅酸鈉和納米氫氧化鎂復配組成，這可能是其促進 Cd 脅迫下小麥生長發育及產量提高的主要原因。然而，本試驗對土壤 Cd 的賦存形態未作解析，海藻復合物對土壤中 Cd 形態及遷移的具體影響，還有待進一步研究。

　　研究表明，生物炭本身是一種良好的土壤理化性質改良劑，可增加土壤比表面積和孔隙度，提高土壤中各種離子的交換能力和 pH 值，其對土壤中 Cd 賦存形態的影響主要通過影響土壤有機質含量、 CEC、pH 值和氧化還原電位等來實現[16-17]。腐植酸是一種帶電荷的高分子有機聚合物膠體，含有羧基、酚羥基和氨基等活性官能團，對很多離子具有較強的結合能力。關于腐植酸對重金屬的影響，目前有 2 種觀點:一種認為，腐植酸的添加，可使土壤對重金屬的吸持能力增強，從而降低重金屬對植物的可給性和毒害程度;另一種則認為，低分子質量腐植酸可活化土壤中的 Cd，從而促進植物對其吸收。是鈍化還是活化土壤中的 Cd，主要取決于其組分和土壤環境條件[23]。從本試驗結果來看，生物炭和腐植酸有機肥處理可在一定程度上促進 Cd 脅迫下小麥的生長發育，可能與其增強土壤對 Cd 的吸持能力、降低其毒害有關。然而，本試驗條件下，海藻復合物與生物炭或腐植酸有機肥配合施用效果不及海藻復合物單獨處理，且產量降低主要歸因于有效穗數的降低，其原因還不是很清楚，是否與物質間的相互作用有關還有待進一步考究。此外，本試驗中，秸稈還田處理對小麥生育前期生長不利，但隨生育期推進小麥長勢漸好，可能與秸稈腐熟前期微生物活動需要消耗大量的氮，與小麥生長氮需求存在競爭關系有關，后期隨著養分及有機物質的釋放[24]，小麥長勢逐漸轉好。——論文作者：張運紅，和愛玲，楊占平* ，鄭春風，張潔梅，杜 君，駱曉聲，潘曉瑩，薛毅芳

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