土壤改良剂对镉污染土壤小麦抗性、光合特性及产量的影响

张运红，和爱玲，杨占平，郑春风，张洁梅，杜 君，骆晓声，潘晓莹,薛毅芳

(河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态与环境重点实验室，河南 郑州 450002)

镉(Cd)是一种生物毒性极强的重金属元素，不仅可以造成土壤严重污染，导致农作物产量和质量下降，还可以通过土壤—作物—食物的迁移方式被人类摄取，进而危害人类健康[1-2]。据统计，全世界每年由于人为因素向环境中释放的Cd约有30 000 t，其中82%～94%的Cd进入到土壤中；我国有16%的农田被重金属污染，其中被Cd污染的农田达1.3×105hm2，每年生产的镉含量超标的农产品达1.46×108kg，严重影响了我国的粮食生产和食品安全[3-4]。因此，重金属污染土壤治理已成为当前农业生产上急需解决的问题之一。目前，土壤改良剂被认为是降低土壤重金属有效态含量和植物吸收量的有效途径之一。研究显示，施用生物炭可提高作物产量，降低土壤Cd的生物有效性，减少作物对土壤Cd的吸收[5-6]。刘秀珍等[7]报道，施用有机肥可有效钝化土壤中的Cd，促进其向非生物有效态转化，进而抑制小麦对Cd的吸收，提高小麦抗性，降低Cd毒害程度。王秀梅等[8]研究显示，施用有机肥、菌肥、海藻肥及生物炭均可降低土壤有效态Cd含量及油菜中Cd含量，其中有机肥的作用最显著。李冬香等[9]报道，施用硅可提高小麦叶片光合色素含量及光合效率，从而缓解Cd毒害对小麦幼苗的影响。近期的研究显示，海藻酸钠寡糖可调控Cd在水稻植株体内的分布，使水稻吸收的Cd更多地滞留在根部，从而有利于维持水稻的正常生长发育[10]。另有研究表明，纳米材料具备晶粒尺寸小、比表面积大、吸附能力强等特性，添加到肥料中可以增加肥料的吸附性，减少肥料的流失，促进植物生长发育，提高肥料利用率[11]。不同材料环境适应性及其对土壤Cd污染的改良效果存在差异[7-8，12]，筛选成本廉价、环境适应性及改良性能好的材料是当前土壤重金属污染修复研究的重点之一，然而同等条件下，依据材料特性寻求最优组合以实现最佳的土壤Cd污染改良效果的研究还较少。小麦是世界上最重要的粮食作物之一，优质、高产、生态、安全已成为小麦生产的主要目标。为此，研究不同土壤改良剂对Cd污染土壤小麦抗性、光合特性及产量的影响，以期筛选出可有效缓解小麦Cd毒害的土壤改良剂，为其在小麦Cd污染区的应用提供科学依据和技术参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤为潮土，采自河南省郑州市郊区，其含有机质2.78 g/kg、速效氮44.92 mg/kg、速效磷9.1 mg/kg、速效钾98.62 mg/kg、总Cd 0.78 mg/kg，pH值为8.12。

供试生物炭(N+P2O5+K2O含量≥5%，有机质含量46%)由商丘三利新能源有限公司提供；腐植酸有机肥(腐植酸含量≥30%，N+P2O5+K2O含量≥10%，中、微量元素含量≥4%)由山东泉林嘉有肥料有限责任公司提供；海藻复合物由河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所自主研制，主要由海藻提取物(包括海藻酸钠寡糖等生物活性物质和矿质营养元素)、硅酸钠和纳米氢氧化镁复配组成；外源Cd为分析纯CdCl2，尿素和磷酸二氢钾也为分析纯试剂，均购自国药集团化学试剂有限公司；秸秆为2016年的玉米秸秆，烘干粉碎后备用，其含N 4.812 g/kg、P2O53.912 g/kg、K2O 16.04 g/kg。

供试小麦品种为郑麦0943，由河南省农业科学院小麦研究所许为钢研究员为首的育种团队选育。

1.2 试验设计

试验于2016年10月—2017年5月在河南省农业科学院试验田进行，采用土培盆栽试验，选用聚乙烯塑料盆(直径30 cm，高20 cm)，每盆装过2 mm筛的土10 kg，Cd添加量为5.00 mg/kg ，和过筛后的土混合均匀后装盆。试验设置8个处理，分别为单独的Cd胁迫处理(对照，CK)、Cd胁迫下添加玉米秸秆处理(T2)、Cd胁迫下添加生物炭处理(T3)、Cd胁迫下添加腐植酸有机肥处理(T4)、Cd胁迫下添加海藻复合物处理(T5)、Cd胁迫下添加玉米秸秆和海藻复合物处理(T6)、Cd胁迫下添加生物炭和海藻复合物处理(T7)、Cd胁迫下添加腐植酸有机肥和海藻复合物处理(T8)，每个处理4次重复。其中，秸秆施用量为250 g/盆，生物炭、腐植酸有机肥和海藻复合物施用量均为10 g/盆，不同物料均与土壤充分混匀后装盆，平衡7 d后播种。各处理均基施0.4 g/kg尿素和0.4 g/kg磷酸二氢钾，于拔节期追施0.4 g/kg尿素。10月10日播种，每盆6穴，每穴10粒，30 d后间苗至每穴6株，小麦生长期间通过称质量法维持盆中土壤水分含量在田间持水量的70%左右。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 株高和SPAD值 于苗期、返青期、拔节期、开花期、成熟期测定小麦株高，于苗期、返青期、拔节期、开花期、灌浆期测定功能叶片(倒2叶)SPAD值，SPAD值采用SPAD-502叶绿素仪测定。

1.3.2 光合色素、丙二醛(MDA)含量及抗氧化酶活性 取拔节期小麦功能叶片(倒3叶)，剪碎、混匀后用于光合色素和MDA含量以及抗氧化酶活性的测定。光合色素包括叶绿素(Chl)和胡萝卜素(Car)，其含量采用95%乙醇浸提比色法测定。MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法测定。抗氧化酶采用0.05 mol/L pH值7.0磷酸缓冲液提取，其中，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑光化还原法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶(CAT)活性采用高锰酸钾滴定法测定，抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性采用紫外分光光度计法测定[13]。

1.3.3 光合特性 于灌浆期(播种后177 d)9:30—10:30，采用Li-6200便携式光合作用测定仪(LI-CORInc.,USA)测定小麦旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。测定时光照强度为800～1 200 μmol/(m2·s)，叶室(2 cm×3 cm)内设定温度为25 ℃，采用开放气路，设定空气流速为500 μmol/s。并计算气孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)，Ls=1-Ci/C0(C0代表气孔中CO2浓度为420 μmol/mol)；WUE=Pn/Tr。

1.3.4 物质生产特性 分别于开花期和成熟期取地上部植株样品，并将成熟期样品分为籽粒和茎叶两部分，置于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒质量，测定干质量，并按下列公式计算以下参数：花前同化物积累量=开花期植株同化物积累量；总同化物积累量=成熟期茎叶同化物积累量+成熟期籽粒产量；花后同化物积累量=总同化物积累量-花前同化物积累量；花后同化物积累率=花后同化物积累量/总同化物积累量×100%；收获指数=籽粒产量/生物产量[14]。

1.3.5 产量及其构成因素 收获前，调查每盆小麦有效穗数，每穗实粒数多于5粒者为有效穗；成熟期，收割每盆全部植株，分别脱粒，风干后称质量，计算每盆籽粒产量、千粒质量；各盆选取代表性植株10株，采用百分之一电子天平称穗质量，并在室内清查所有穗的粒数，计算穗粒数。

1.4 数据分析

采用Excel 2007进行数据处理，SPSS 17.0进行方差分析，LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦株高和SPAD值的影响

由图1可以看出，T5处理的小麦株高在苗期、返青期、拔节期、开花期和成熟期均最高，分别较对照显著增加8.8%、23.3%、18.8%、12.7%和5.5%；T3、T4处理的株高整体上在各生育时期也较高；T6处理的株高在不同生育时期均最低(拔节期除外)，分别较对照下降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处理株高整体上在各生育时期也较低;T2处理在苗期、返青期和拔节期均显著低于对照，降幅分别为14.1%、18.8%和16.6%，在开花期和成熟期均显著高于对照，提高幅度分别为9.3%和4.2%。小麦叶片SPAD值在苗期和返青期均以T5处理最高，分别较对照显著提高17.2%和3.5%，在拔节期以T4处理最高，较对照显著提高9.1%，且这3个时期均以T2处理最低，在开花期和灌浆期均以T2处理最高。总体上，T5处理可有效缓解Cd胁迫对小麦生长的抑制作用，T3和T4处理也可在一定程度上促进Cd胁迫下小麦的生长，但与前者配合施用效果变差；T2处理对小麦生育前期生长不利，但随生育期延长小麦长势渐好。

不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)

2.2 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦叶片抗氧化酶活性和MDA含量的影响

表1 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦叶片抗氧化酶活性和MDA含量的影响

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理之间的差异显著(P<0.05)，下同。

2.3 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦叶片光合色素含量的影响

由表2可知，T5和T8处理小麦叶片Chla和总Chl含量均较高，其中Chla含量分别较对照显著增加6.7%和7.9%，总Chl含量分别较对照显著增加7.1%和8.9%；T2、T3和T6处理的Chla和总Chl含量均较对照显著下降，Chla含量降幅分别为14.1%、14.6%和30.7%，总Chl含量降幅分别为13.7%、4.8%和30.4%；此外，T7处理的总Chl含量也显著低于对照，降幅为7.9%。T4处理的Chlb和Car含量均显著高于对照，提高幅度分别为7.2%和9.6%；T2、T3和T6处理的Chlb含量均较对照显著降低，降低幅度分别为11.5%、7.6%和29.6%；T2、T3、T6、T7和T8处理的Car含量均显著低于对照，降低幅度分别为17.0%、11.8%、28.0%、13.3%和8.1%。综上，T5和T8处理可提高Cd胁迫下小麦叶片光合色素含量，从而有利于光合作用的进行。

表2 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦叶片光合色素含量的影响 mg/g

2.4 土壤改良剂对Cd胁迫下灌浆期小麦光合特性的影响

由表3可以看出，T5、T6、T7和T8处理小麦Pn均显著高于对照，增幅分别为44.2%、12.58%、11.2%和12.2%；T2和T3处理均显著低于对照，降幅分别为14.0%和15.0%。T3、T5和T6处理小麦WUE均显著高于对照，增幅分别为5.3%、3.9%和3.4%；T2、T7和T8处理均显著低于对照，降幅分别为15.4%、12.0%和10.7%。除T3和T4处理外，其余处理小麦Gs均显著高于对照，增幅为10.0%～57.7%，以T5处理增幅最大。T5、T7和T8处理小麦Tr均显著高于对照，增幅分别为38.8%、26.6%和25.5%；T3处理则较对照显著下降，降幅为19.1%。T2、T5、T7和T8处理小麦Ci均显著高于对照，增幅分别为12.9%、6.5%、5.9%和3.2%；T6处理则较对照显著下降，降幅为4.2%。T2、T5、T7和T8处理小麦Ls均较对照显著下降，降幅分别为17.5%、9.9%、9.1%和6.0%，其他处理与对照间的差异均不显著。综上，T5处理可显著提高Cd胁迫下小麦Pn，促进光合作用的进行，且主要通过提高Gs、降低Ls来实现；此外，该处理的Tr和WUE也总体上均显著高于其他处理。

表3 土壤改良剂对Cd胁迫下灌浆期小麦光合特性的影响

2.5 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦物质生产特性的影响

由表4可知，T4、T5和T7处理的小麦花前同化物积累量较高，分别较对照显著增加40.7%、26.7%和26.6%；其次是T8处理，也显著高于对照，增幅为12.5%，其余处理与对照均无显著差异。对于花后同化物积累量，T2处理显著高于对照，增幅为21.29%，T4、T5和T7处理均显著低于对照，降幅分别为68.93%、23.79%和60.93%。对于总同化物积累量，T2、T5和T8处理均显著高于对照，增幅分别为5.74%、7.23%和6.65%，T7处理显著低于对照，其他处理与对照间的差异均不显著。花后同化物积累率，以T2处理最高，较对照增加5.68个百分点；T4、T5、T7处理均显著低于对照，分别降低26.41、11.17、22.36个百分点。对于粒质量，以T3处理最高，其次是T8处理，二者分别较对照显著增加13.52%和7.08%，T6处理较对照显著降低12.30%，其他处理与对照均无显著差异。对于收获指数，以T3处理最高，较对照显著增加16.52%；T2和T6处理均显著低于对照，降幅分别为9.14%和14.16%；其他处理与对照均无显著差异。综上，T2处理可促进小麦花后同化物积累，T4、T5和T7处理对促进花前同化物积累作用效果显著，T3处理对提高小麦的粒质量和收获指数效果较好。

表4 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦物质生产特性的影响

2.6 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦产量及其构成因素的影响

由表5可知，T5、T8、T3、T4处理小麦有效穗数均显著高于对照，增幅分别为26.0%、8.7%、6.7%、3.8%；T6和T7处理均显著低于对照，降幅分别为8.6%和7.0%。对于穗质量，除T7处理较对照显著下降外，其他处理均显著高于对照，增幅为 1.68%～7.14%，以T5和T8处理增幅最高。对于穗粒数，以T8和T7处理较高，分别较对照显著提高15.62%和14.59%，其次是T4、T5和T2处理。对于千粒质量，以T3处理最高，其次是T8和T4处理，三者分别较对照显著提高18.09%、14.28%和13.86%。对于产量，以T5处理最高，其次是T3和T8处理，三者分别较对照显著增加30.94%、21.17%和16.42%；T2、T6和T7处理均显著低于对照，降幅分别为8.41%、19.90%和13.06%。综上，T5处理可促进Cd胁迫下小麦产量的形成，主要归因于有效穗数的增加；T3处理促进产量的形成主要归因于千粒质量的增加；T8处理促进产量的形成主要归因于穗粒数的增加；T6和T7处理产量降低主要归因于有效穗数的下降。

表5 土壤改良剂对Cd胁迫下小麦产量及其构成因素的影响

3 结论与讨论

植物对Cd的吸收受土壤pH值、阳离子交换量(CEC)、有机质含量以及离子间的作用等诸多因素影响，土壤改良剂可改变这些因素，从而影响土壤中Cd的有效性及植物对Cd的吸收[15-19]，故被认为是土壤重金属污染修复的有效途径之一。不同改良剂对土壤有效Cd含量和作物对Cd的吸收影响不尽一致，这与改良剂自身的性质及添加量有关[17]。本研究结果表明，Cd胁迫条件下，海藻复合物可通过提高SOD和APX活性，增强小麦的抗性；并可增加光合色素含量、提高Pn，从而促进小麦的生长及产量的提高。前期的研究证实，海藻酸钠寡糖可将水稻吸收的Cd更多地滞留在根部细胞壁中，并可提高非巯基蛋白、植物螯合肽和脯氨酸含量以及抗氧化酶活性，从而缓解Cd毒害，维持水稻的正常生长发育；此外，还可改善植物类囊体膜的结构和功能，从而提高其光合效率[20-21]。魏晓等[22]研究显示，硅可减少土壤中Cd的移动和潜在移动，一方面，单硅酸可与Cd反应形成不溶性硅酸盐；另一方面，土壤Cd可被富硅物质吸附，从而降低Cd的移动性；此外，硅素还可增加水稻质外体和共质体中单硅酸的浓度，从而使大部分Cd积累在根部质外体中，有效降低Cd在水稻组织中的迁移。袁婷等[11]报道，纳米氢氧化镁可促进非酶类以及酶类等次生代谢物质的产生，从而增加作物的抗氧化能力。河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所自主研制的海藻复合物，主要由海藻提取物(包括海藻酸钠寡糖等生物活性物质和矿质营养元素)、硅酸钠和纳米氢氧化镁复配组成，这可能是其促进Cd胁迫下小麦生长发育及产量提高的主要原因。然而，本试验对土壤Cd的赋存形态未作解析，海藻复合物对土壤中Cd形态及迁移的具体影响，还有待进一步研究。

研究表明，生物炭本身是一种良好的土壤理化性质改良剂，可增加土壤比表面积和孔隙度，提高土壤中各种离子的交换能力和pH值，其对土壤中Cd赋存形态的影响主要通过影响土壤有机质含量、CEC、pH值和氧化还原电位等来实现[16-17]。腐植酸是一种带电荷的高分子有机聚合物胶体，含有羧基、酚羟基和氨基等活性官能团，对很多离子具有较强的结合能力。关于腐植酸对重金属的影响，目前有2种观点：一种认为，腐植酸的添加，可使土壤对重金属的吸持能力增强，从而降低重金属对植物的可给性和毒害程度；另一种则认为，低分子质量腐植酸可活化土壤中的Cd，从而促进植物对其吸收。是钝化还是活化土壤中的Cd，主要取决于其组分和土壤环境条件[23]。从本试验结果来看，生物炭和腐植酸有机肥处理可在一定程度上促进Cd胁迫下小麦的生长发育，可能与其增强土壤对Cd的吸持能力、降低其毒害有关。然而，本试验条件下，海藻复合物与生物炭或腐植酸有机肥配合施用效果不及海藻复合物单独处理，且产量降低主要归因于有效穗数的降低，其原因还不是很清楚，是否与物质间的相互作用有关还有待进一步考究。此外，本试验中，秸秆还田处理对小麦生育前期生长不利，但随生育期推进小麦长势渐好，可能与秸秆腐熟前期微生物活动需要消耗大量的氮，与小麦生长氮需求存在竞争关系有关，后期随着养分及有机物质的释放[24]，小麦长势逐渐转好。