镉胁迫下硅对烤烟生长及生理特性的影响

祖庆学，刘晓云，饶 成，祖万斌，李碧宽，陆引罡

(1.贵阳市烟草公司 开阳分公司，贵州 开阳 550300； 2.贵州大学，贵州 花溪 550025)

镉污染是重金属污染中最主要的一种，镉具有高移动性和高毒害性，而且很难降解[1]。烤烟对镉具有高富集性，在被吸食过程中，烟叶中的镉会通过主流烟气在人体内富集，对人体造成一定的伤害而且很难排出体外[2-4]。土壤中镉浓度增加不仅会改变烟株细胞膜通透性及酶活性[5-6]，同时会促进叶绿素降解(即降低光合作用)，减少有机物的生成[7-8]，使烟叶品质与产量下降。因此，探讨降低镉对烤烟毒害作用的方法具有重要意义。研究发现，有益元素硅可以增强植物对镉的抗性[9-10]。贾国涛等[11]发现，在烤烟大田中施入枸溶性硅肥(750 kg/hm2)可以提高烤烟叶片叶绿素含量、SOD活性、POD活性，降低MDA含量。靳辉勇等[12]研究表明，硅酸盐施入量为12 000 kg/hm2可以改善土壤肥力状况，提高土壤pH值，降低土壤中镉的生物有效性，抑制植株对镉的吸收。刘彩凤等[13]发现，施硅可以降低植株根系对镉的吸收，改善光合作用，增强植株的抗氧化能力。可见，施硅对植物镉毒害具有一定的缓解作用。近年来，关于添加外源硅缓解作物镉毒害的研究主要集中在白菜[14]、水稻[15-17]、大蒜[18]、甘蓝[19]、果蔗[20]等作物上，而添加外源硅缓解烟草镉毒害方面的研究较少，且尚未对相应的作用机制进行深入研究。鉴于此，通过盆栽试验，研究了镉胁迫下添加外源硅对烤烟生长及生理特性的影响，以期为镉污染区的烤烟种植提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试烤烟品种为南江3号，盆栽试验土壤取自贵州省贵阳市花溪区区政府旁，其基础理化性状为：碱解氮含量24.5 mg/kg、有效磷含量5.25 mg/kg、速效钾含量50.0 mg/kg、全氮含量0.42 g/kg、有机质含量6.03 g/kg，pH值6.99，土壤全镉含量0.20 mg/kg。

1.2 试验设计

盆栽试验地点为贵州大学南校区盆栽场。试验添加的外源镉为硫酸镉(3CdSO4·8H2O)。根据国家土壤镉污染3级标准和土壤镉污染状况，共设3个镉含量处理，分别为Cd0=0 mg/kg、Cd1=1 mg/kg、Cd5=5 mg/kg；硅化学改良剂为九水硅酸钠(Na2SiO3·9H2O)，每个镉水平下设4个施硅量处理，分别为Si0=0 g/kg、Si1=1 g/kg、Si2=2 g/kg、Si4=4 g/kg。试验共12个处理组合，3次重复。

装盆前先将土壤风干，过筛，每盆装土30 kg。将外源镉和化学改良剂溶解后，均匀喷施在土壤中，当土壤再次风干后，将烟草专用复合肥(N-P2O5-K2O为10-10-25)按田间施纯氮90 kg/hm2计，盆栽单株用量为田间2倍，每株施用10.91 g，与土壤充分混匀，作为基肥一次性施入，并保持80%土壤持水量，进行烟苗移栽，每盆1株，盆栽管理保持一致。

1.3 样品采集

分别于烤烟团棵期、旺长期、现蕾期、成熟期进行取样，分根、茎、叶等部位进行采集，团棵期、旺长期叶片为整株取样，现蕾期、成熟期叶片取中部叶(9～16叶位)；所取样品均于105 ℃杀青0.5 h，65 ℃烘干，磨碎过1 mm筛，用于测定烤烟化学成分含量及烤烟镉含量。取烟草旺长后期烟株第8片叶鲜样，自来水洗净后用蒸馏水冲洗，待测生理指标。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 农艺性状 烟株农艺性状的调查方法参考YC/T 142—2010，分别测定团棵期、旺长期及现蕾期烟株的株高、茎围、叶片数、最大叶面积，最大叶面积=0.634 5×叶长×叶宽。

1.4.2 生理指标 叶绿素含量测定采用乙醇提取—紫外分光光度法；丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸法；超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑光还原法。

1.4.3 根、茎、叶中全镉含量 采用硝酸-高氯酸混酸消煮，石墨炉原子吸收光谱法测定烟株根、茎、叶中的镉含量，使用仪器为Thermo Scientific原子吸收光谱仪iCE3500。

1.5 数据处理

采用Excel 2003和DPS 7.05进行数据整理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫下硅对烤烟不同时期农艺性状的影响

由表1可知，在不施硅处理下，随着土壤中镉含量的增加，各时期烟株的株高、茎围、叶片数、最大叶面积整体均表现为逐渐降低。Cd0处理下，与Si0处理相比，Si1处理团棵期烟株株高、茎围、最大叶面积分别减小52%、18%、40%，旺长期、现蕾期烟株株高分别减小17%、11%；Si2处理团棵期烟株株高、茎围、叶片数、最大叶面积分别减小54%、28%、17%、50%，旺长期烟株株高减小27%，现蕾期烟株株高、茎围分别减小20%、6%；Si4处理团棵期烟株株高、茎围、叶片数、最大叶面积分别减小72%、52%、24%、60%，旺长期烟株株高、叶片数、最大叶面积分别减小41%、24%、20%，现蕾期烟株株高、茎围、叶片数分别减小24%、13%、10%。Cd1处理下，与Si0处理相比，Si1处理旺长期烟株株高、茎围分别减小21%、16%，现蕾期最大叶面积减小24%；Si2处理旺长期茎围减小16%，现蕾期最大叶面积减小24%；Si4处理旺长期株高、茎围、叶片数分别减小28%、22%、16%，现蕾期茎围、叶片数分别降低9%、11%。Cd5处理下，与Si0处理相比，Si1处理团棵期烟株株高、茎围、叶片数、最大叶面积差异不显著，旺长期叶片数增加23%，现蕾期烟株株高、茎围、叶片数、最大叶面积分别增加31%、12%、17%、18%；Si2处理团棵期烟株叶片数降低23%；Si4处理团棵期茎围减小57%。综上，0、1、5 mg/kg镉处理下，在土壤中施入4 g/kg硅会加剧镉对烟株生长的抑制，但在5 mg/kg镉处理下，在土壤中施入1 g/kg硅可以缓解镉对烟株生长的抑制。

表1 镉胁迫下硅对不同时期烤烟农艺性状的影响Tab.1 Effect of silicon on agronomic traits of flue-cured tobacco at different stages under cadmium stress

注：同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same row indicate significant difference (P<0.05).

2.2 镉胁迫下硅对烤烟叶片生理生化指标的影响

由表2可知，在不施硅处理中，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量随着土壤镉含量增加而逐渐降低，而MDA含量与SOD活性随着土壤镉含量的增加表现为升高。Cd0处理下，与Si0处理相比，Si1处理烟叶叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量分别显著降低52%、40%、49%、18%，MDA含量增加不显著，烟叶SOD活性显著增加27%；Si2处理烟叶叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素分别降低28%、29%、37%，烟叶MDA含量与SOD活性分别增加35%、58%；Si4处理下，烟叶MDA含量增加29%。Cd1处理下，与Si0处理相比，Si2处理烟叶MDA含量与SOD活性分别降低14%、 31%。Cd5处理下，与Si0处理相比，Si1处理烟叶MDA含量降低15%；Si4处理烟叶叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量分别升高90%、73%、85%。综上，1 mg/kg镉处理下，在土壤中施入2 g/kg硅会显著降低烟株SOD活性及MDA含量；5 mg/kg镉处理下，在土壤中施入4 g/kg硅缓解镉对烟株叶片光合色素形成的抑制作用效果显著，施入1 g/kg硅会降低MDA对膜脂的损伤。

2.3 镉胁迫下硅对烤烟不同时期各部位镉含量的影响

由表3可知，在不施硅处理下，烟株各时期根、茎、叶镉含量随着土壤镉浓度的增加而增加。Cd0处理下，与Si0处理相比，Si1处理团棵期烟株根、茎、叶的镉含量分别降低49%、20%、24%，旺长期烟株根、叶的镉含量分别降低53%、23%，现蕾期叶的镉含量降低56%，成熟期烟株根、叶的镉含量分别降低48%、42%；Si2处理旺长期烟株根的镉含量降低42%，现蕾期叶的镉含量降低61%，成熟期烟株茎、叶的镉含量分别降低33%、44%；Si4处理团棵期烟株根的镉含量降低16%，现蕾期、成熟期叶的镉含量分别降低53%、25%。Cd1处理下，与Si0处理相比，Si1处理团棵期烟株根的镉含量降低13%，旺长期烟株叶的镉含量降低11%，成熟期烟株茎、叶的镉含量分别降低29%、32%；Si2处理团棵期烟株根、茎的镉含量分别降低28%、10%，旺长期烟株根、叶的镉含量分别降低20%、16%，成熟期烟株根、茎的镉含量分别降低33%、35%；Si4处理团棵期烟株根、茎的镉含量分别降低28%、16%，旺长期烟株根、叶的镉含量分别降低23%、20%，成熟期烟株根、茎、叶的镉含量分别降低18%、25%、29%。Cd5处理下，与Si0处理相比，Si1处理团棵期烟株茎的镉含量降低6%，旺长期烟株根、茎、叶的镉含量分别降低11%、9%、16%，现蕾期烟株根、茎的镉含量分别降低47%、22%；Si2处理团棵期烟株根、茎、叶的镉含量分别降低8%、15%、10%，旺长期烟株茎、叶的镉含量分别降低13%、19%，现蕾期烟株根、茎、叶的镉含量分别降低52%、31%、23%；Si4处理团棵期烟株根、茎、叶的镉含量分别降低21%、7%、23%，旺长期烟株茎的镉含量降低8%，现蕾期烟株根、茎、叶的镉含量分别降低48%、23%、31%。可见，0 mg/kg镉处理下，在土壤中施入1 g/kg硅会抑制烟株各时期根、茎、叶对镉的吸收；1 mg/kg镉处理下，在土壤中分别施入2、4 g/kg硅在一定程度上会抑制烟株对镉的吸收；5 mg/kg镉处理下，在土壤中施入1、2 g/kg硅会抑制烟株生长前期、中期对镉的吸收，但促进成熟期烟株对镉的吸收。

表2 镉胁迫下硅对烤烟叶片色素、MDA含量及SOD活性的影响Tab.2 Effect of silicon on pigment and MDA content and SOD activity in flue-cured tobacco leaves under cadmium stress

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).

表3 镉胁迫下硅对不同时期烤烟各部位镉含量的影响Tab.3 Effect of silicon on cadmium content in different parts of flue-cured tobacco under cadmium stress mg/kg

注：同行不同小写字母表示同一镉水平下不同Si处理差异显著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same row indicate significant differences among Si treatments in the same Cd concentration level (P<0.05).

3 结论与讨论

段昌群等[21]研究表明，土壤重金属(镉)含量低于0.01 mg/kg会延长植株根尖细胞的分裂周期，但随着重金属含量的增加则相反；闫寒等[22]研究表明，镉含量在3 mg/kg以下会促进烟株的生长发育，超过3 mg/kg则会抑制烟株的生长发育，说明镉可以通过影响烤烟根尖细胞的分裂周期来促进或抑制烟株的生长。本研究结果显示，与不施硅处理相比，无镉(0 mg/kg)胁迫和低镉(1 mg/kg)胁迫下施入一定量硅(4 g/kg)会抑制植株的生长发育，而在高镉(5 mg/kg)胁迫下施入一定量硅(1 g/kg)对缓解镉毒害有一定的促进作用。这与董祥立等[23]施用一定量硅(奥利硅)对烤烟株高、茎围影响较大的结论不一致，其原因可能是不同硅肥品种在土壤中的肥效不一样，从而影响植株对硅的吸收；但与高柳青等[24]的研究结果一致，即施入一定量硅可以缓解镉对植株的毒害作用。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素参与光的吸收与传递。MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，它的产生会加剧膜的损伤，可间接反映植株膜系统受损程度以及植物的抗逆性强弱；SOD是植物体内清除自由基的首要物质，植物在逆境条件下会促使SOD消除体内的自由基，从而使体内的活性氧自由基达到平衡，减少对植物的伤害。本研究结果显示，随着镉含量增加，烟株光合色素降低，MDA含量增加，与高家合等[25]、袁祖丽等[26]的研究结果相一致；而低镉(1 mg/kg)胁迫下，在土壤中施入2 g/kg硅会降低烟株MDA含量；高镉(5 mg/kg)胁迫下，在土壤中施入4 g/kg硅可以提高烟株叶片的光合色素含量，施入1 g/kg硅降低MDA含量并提高SOD活性。说明镉污染会降低植株光合作用，增加植株体内有毒物质的分泌；施入一定量的硅能缓解镉对烤烟叶片光合色素产生的抑制，降低MDA对烟株膜脂的损伤及自由基在植株体内的累积，这与宋阿琳[27]、郑明瑜等[28]的研究结论相吻合。

随着土壤镉含量的增加，烟株各部位镉含量逐渐增加，这与吴玉萍等[29]的结论一致。陈翠芳等[30]研究发现，在镉(0.6、0.9 mg/kg)污染土壤中施硅(1 g/kg)能有效降低白菜对镉的吸收与累积；郑煜基等[31]研究硅肥对甘蔗镉吸收的影响发现，在镉污染土壤中施用375～1 500 kg/hm2硅肥能有效降低蔗汁与蔗渣中的镉含量，说明施硅对植物镉毒害具有缓解作用，但在不同物种、品种之间存在一定的差异。本研究结果显示，无镉(0 mg/kg)胁迫下，在土壤中施入1 g/kg硅可以降低烟株对镉的吸收；低镉(1 mg/kg)胁迫下，在土壤中分别施入2、4 g/kg硅可以降低烟株对镉的吸收；高镉(5 mg/kg)胁迫下在土壤中施入1、2 g/kg硅会抑制烟株生长前期和中期对镉的吸收，但会促进成熟期烟株对镉的吸收。这与朱益等[32]研究结论不一致。其原因可能是高浓度钠盐(本试验所用硅肥为九水硅酸钠)会通过破坏植物核酸、膜脂等抑制植株生长[33-34]，致使烤烟在高浓度钠盐和土壤外源镉双重胁迫下，硅的有益作用被掩盖。因此，通过施硅来减轻烤烟镉污染毒害时应注意硅肥种类。

综上，在不施硅处理下，随着土壤中镉含量的增加，烤烟受到的镉毒害作用逐渐增强；但在镉胁迫下，施硅可以通过改善农艺性状(株高、茎围、叶片数、最大叶面积)，提高叶绿素含量，调控MDA含量及SOD活性来缓解镉对烤烟的毒害作用，今后可通过施用适量的硅肥来缓解烤烟镉毒害。