生理阻隔剂对苗期小麦生长和镉、砷及微量元素含量的影响

易柏竹，贾 瑞，王 宁，姚 晨，李本银，李烜桢,张治钠，陈 兴,赵永鉴

(1.河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002; 2.河南农业大学 生命科学学院，河南 郑州 450002; 3.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002; 4.河南农业大学 国际教育学院，河南 郑州 450002)

目前，我国农田重金属污染日益严重。据《全国土壤污染状况调查公报》报道，我国耕地土壤重金属点位超标率在16.1%左右，镉(Cd)和砷(As)的点位超标率分别高达7.0%和2.7%，是重要的无机污染物[1]。Cd和As均不是作物的必需元素，但是在作物的生长过程中，Cd和As较易从土壤转运到植物体内，从而对人体健康造成危害。据统计，目前世界上有19个国家发生了较大区域的As污染，而我国正是受As毒害严重的国家之一[2-3]。与此同时，我国某些地区小麦出现了Cd超标现象，其主要原因与土壤Cd污染有关。因此，如何在污染地区控制小麦Cd和As含量对于我国粮食安全具有重要的现实意义。

目前，施用钝化剂是降低小麦重金属含量的主要手段[4]。钝化法在南方酸性土壤及水稻上较为有效，但是在北方石灰性土壤地区小麦上效果较差，且成本较高。因此，亟待开发针对我国北方作物小麦的降Cd技术。

生理阻隔法是基于元素间竞争来实现重金属减量吸收的一种技术，该技术具有见效快、利用效率高等优点，有望成为一种新兴的作物降Cd技术[5]。Cd、As可借助铁(Fe)、锌(Zn)、锰(Mn)、磷(P)、硅(Si)等必需元素的转运通道进入作物根部，并向上输送到籽粒中[6]。因此，提供这些元素有可能与Cd、As竞争通道或转运蛋白，从而抑制作物对Cd、As的吸收。目前，生理阻隔技术在水稻降Cd方面已有成功应用。于焕云等[6]研究发现，外源施加Si、硒(Se)降低水稻吸收、转运Cd、As有关的功能基因OsLCT1(低亲和性阳离子转运蛋白基因)的表达量，提高解毒基因OsHMA3(重金属ATP酶基因)的表达量，从而抑制Cd、As从水稻根系向籽粒的转运。索炎炎[7]也发现，外源喷施Zn可降低水稻对Cd的吸收。蒋斌[8]研究发现，水稻叶面喷施Se肥后，稻米Cd含量下降8.6%～17.8%。除了水稻，在其他作物上也发现施用生理阻隔剂可有效降低其Cd含量。刘俊[9]研究发现，外源喷施Se肥使黄瓜中的Cd含量降低了60.6%～75.8%。李超[10]研究表明，喷施硒硅钼复合肥，小白菜、辣椒中Cd含量均下降了1.9%～20.6%。目前，生理阻隔剂对小麦Cd含量的影响研究较少[11-12]。张世杰等[11]研究发现，叶面喷施Si肥不仅可以提高小麦产量，而且还降低了小麦籽粒中Cd、As和铅(Pb)的含量。宋敏等[12]研究发现，叶面喷施外源脯氨酸可缓解Cd对小麦幼苗生长的胁迫，降低小麦幼苗的Cd含量。目前，针对我国北方石灰性土壤地区小麦施用生理阻隔剂的研究，尤其是多种生理阻隔剂的比较研究尚未见报道。为此，通过盆栽试验，研究不同生理阻隔剂对小麦生长和Cd、As含量的影响，筛选出可有效降低小麦Cd、As含量的生理阻隔剂，以期为我国北方石灰性土壤地区小麦Cd、As等重金属污染治理提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为郑麦7698。

供试土壤采自河南省某Cd、As污染农田，土壤类型为褐土，采样深度为0～20 cm。土壤风干后，去除动植物残渣、碎石，过2 mm筛，备用。供试土壤含Cd 3.5 mg/kg、As 13.72 mg/kg、全氮1 236.6 mg/kg、速效磷101.9 mg/kg、有机质14.76 g/kg，pH值为8.2。

1.2 试验设计

选取健康小麦种子，用去离子水浸泡10 h，育苗3～4 d，选取健康且长势一致的小麦幼苗进行试验。将混匀土壤进行分装，每盆装土1 kg，每盆定植4株小麦幼苗。共设8个生理阻隔剂处理，分别喷施Na2SiO3(20 μmmol/L)(简称Si)、FeSO4·7H2O(0.018 mol/L)(简称Fe)、MnSO4(0.018 mol/L)(简称Mn)、 ZnSO4·7H2O(0.018 mol/L)(简称Zn)、MgSO4·7H2O(0.018 mol/L)(简称Mg)、CaCl2(3.5 g/L)(简称Ca)、Na2SeO3(40 mg/L)(简称Se)和 FeSO4·7H2O(0.5%)+MnSO4(0.5%) +ZnSO4·7H2O(0.5%)+MgSO4·7H2O(0.5%)(简称Fe+Mn+Zn+Mg)，以喷施等量去离子水的处理为对照(CK)。每个处理设4个重复。每天光照10 h，温度25 ℃；黑暗14 h，温度18 ℃；湿度为70%。喷施时间为2018年10月31日—11月28日，每隔7 d喷施一次，每次均在7:00和19:00同时喷施，喷到叶面出现水珠但不下滴为止。

1.3 样品采集

小麦移栽后60 d采集样品，先用抖土法[13]去掉非根际土壤，然后用毛刷将附着在根系周围的土壤轻轻刷下来。随后将去土后的小麦用蒸馏水润洗，再用去离子水反复冲洗干净，用不锈钢剪刀将地上部与地下部分开，将地下部进行根系参数的测定，随后均于105 ℃下杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量，测定生物量，然后使用叶片研磨机将小麦的地上部与地下部粉碎，过0.178 mm筛，4 ℃保存，备用。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 元素含量 Cd、As、Fe、Zn、铜(Cu)含量采用高精度便携式X射线荧光光谱仪(Cadence，美国XOS公司)测定。

1.4.2 根系参数 根长和根体积采用EPSON V700 Photo根系分析仪测定。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同生理阻隔剂对苗期小麦生物量和根系参数的影响

Cd是小麦生长的非必需元素，会对小麦产生毒害效应，从而导致小麦生物量降低。由图1可知，不同生理阻隔剂对小麦的生长均有促进作用，其中Fe处理的促进作用效果最强，较对照显著提高了29.7%； Mn处理和Mg处理依次次之，分别较对照显著提高了28.7%和26.7%，其他处理与对照差异不显著。通过分析小麦根长发现，除Fe+Mn+Zn+Mg处理外，其余生理阻隔剂处理小麦根长均较对照增加，其中Zn、Mn、Si处理增幅较大，分别较对照显著提高125.3%、120.3%、114.1%，其他处理与对照差异不显著。同时发现，除Ca处理外，其余生理阻隔剂处理小麦根体积均较对照增加，其中Zn处理增幅最大，较对照显著提高66.1%，Fe+Mn+Zn+Mg处理次之，也显著高于对照，其他处理与对照差异不显著。这些结果表明，叶面喷施Fe、Mg、Mn、Zn、Si及Fe+Mn+Zn+Mg等生理阻隔剂有助于改善小麦的生长和根系发育状况。

2.2 不同生理阻隔剂对苗期小麦中Cd含量的影响

通过分析小麦Cd含量(图2)发现，对照小麦幼苗地上部和地下部Cd含量分别达到0.92 mg/kg和4.25 mg/kg。其中，地下部Cd含量高于土壤中Cd的本底值(3.45 mg/kg)，表明小麦是较易积累Cd的作物。在不同生理阻隔剂处理中，Mn处理和Mg处理对小麦幼苗地上部Cd积累的抑制作用较强，地上部Cd含量分别较对照显著降低了20.6%、15.2%；Fe处理和Fe+Mn+Zn+Mg处理对小麦幼苗地上部Cd积累有促进作用，地上部Cd含量分别较对照显著增加了19.1%和15.3%；Zn、Si、Se、Ca处理对小麦幼苗地上部Cd积累的影响不显著。而对于地下部，只有Mg处理小麦幼苗地下部Cd含量较对照降低，降幅达8.9%，但差异不显著；Si处理促进了小麦幼苗地下部Cd积累，较对照显著提高了49.1%，其余处理对小麦幼苗地下部Cd积累的促进作用不显著。这些结果表明，叶面喷施Mn和Mg等生理阻隔剂有助于降低小麦Cd含量。

*表示生理阻隔剂处理与对照差异显著，下同*indicates significant difference between the treatments with physiological barriers and control，the same below图1 不同生理阻隔剂对苗期小麦生物量和根长、体积的影响Fig.1 Effects of different physiological barriers on biomass and root length，volume of wheat at seedling stage

A:地上部;B:地下部A:Aboveground part; B：Underground part图2 不同生理阻隔剂对苗期小麦Cd含量的影响Fig.2 Effects of different physiological barriers on Cd concentration of wheat at seedling stage

2.3 不同生理阻隔剂对苗期小麦中As含量的影响

通过分析苗期小麦As含量(图3)发现，对照小麦幼苗地上部和地下部As含量分别为1.01 mg/kg和19.2 mg/kg。8种供试生理阻隔剂处理对小麦地上部和地下部As积累的影响均不显著。其中，Zn处理和Mg处理对小麦地上部As积累的抑制效果较好，地上部As含量分别较对照降低了13.8%和11.8%；Zn处理和Mg处理对小麦地下部As积累的抑制效果也较好，地下部As含量分别较对照降低了35.4%和25.6%。这些结果表明，叶面喷施Zn和Mg等生理阻隔剂降低了小麦的As含量，其中Zn处理的效果最好。

A:地上部;B:地下部A:Aboveground part; B：Underground part图3 不同生理阻隔剂对苗期小麦As含量的影响Fig.3 Effects of different physiological barriers on As concentration of wheat at seedling stage

2.4 不同生理阻隔剂对苗期小麦中Fe、Zn和Cu等微量元素含量的影响

本研究发现(图4A)，Fe、Ca、Si、Mg、Fe+Mn+Zn+Mg处理均显著提高了小麦幼苗地上部Fe含量，其中Fe处理效果最显著，较对照提高了141.1%；而Zn处理和Se处理均显著降低了小麦幼苗地上部Fe含量，分别较对照降低了28.5%和16.4%；Mn处理对小麦幼苗地上部Fe含量的影响不显著。同时Fe处理也提高了小麦幼苗地下部Fe含量，较对照显著提高了25.2%，Zn处理使小麦地下部Fe含量显著降低了20.8%，其他处理对小麦幼苗地下部Fe含量的影响不显著(图4D)，表明叶面喷施Zn和Se等生理阻隔剂易造成小麦缺Fe。

通过分析苗期小麦地上部Zn含量发现(图4B)，Zn处理和Fe处理分别较对照显著提高了150.8%和101.9%，其他处理对小麦幼苗地上部Zn含量的影响不显著。同时发现(图4E)，Mg处理使小麦幼苗地下部Zn含量降低了29.8%，但所有处理对小麦幼苗地下部Zn含量的影响均不显著。

通过分析苗期小麦地上部Cu含量发现(图4C)，Zn处理提高了小麦幼苗地上部Cu含量，较对照增加了80.1%；Mg处理降低了小麦幼苗地上部Cu含量，较对照降低18.9%；但所有生理阻隔剂处理对小麦幼苗地上部Cu含量的影响均不显著。另外，Mg处理使小麦幼苗地下部Cu含量降低了31.5%，所有生理阻隔剂处理对小麦幼苗地下部Cu含量的影响不显著(图4F)。

以上结果表明，某些生理阻隔剂在抑制小麦吸收Cd、As等重金属的同时，还可能降低小麦对Fe等微量元素的吸收，一定程度上影响小麦品质。因此，在使用这些生理阻隔剂用于小麦降Cd时还应注意对微量元素含量的影响。

A—C：地上部；D—F：地下部A—C：Aboveground part; D—F：Underground part图4 不同生理阻隔剂对苗期小麦微量元素含量的影响Fig.4 Effects of different physiological barriers on micronutrient concentration of wheat at seedling stage

3 结论与讨论

本研究发现，在8种供试生理阻隔剂中，Fe、Mg、Mn和Zn处理均可以促进小麦的生长，其中Fe处理促进效果最显著，使小麦生物量提高了29.7%，这与前人研究结果类似[14-15]。Fe、Mn和Mg是小麦的必需微量元素，Fe可以提高小麦的叶绿素a、叶绿素b、可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量，增强小麦的碳代谢能力[14]；Mn可以提高小麦叶片的光合作用能力，促进小麦的生长发育[16]；Mg在加强CO2的固定、延长叶片功能期等方面均起重要作用[17]，这可能是本研究中Fe、Mn和Mg处理使小麦生物量提高的原因。同时发现，Zn处理促进了小麦的根系发育，使小麦根长和根体积分别增长了125.3%和66.1%，这可能与Zn促进植物根系生长素的合成进而改善小麦的根系发育有关[18]。

目前，关于叶面阻隔剂降Cd的研究多集中在水稻上。例如，VESNA等[19]发现，缺Mg会使水稻幼苗对Cd的吸收积累增加，而补充Mg则能使水稻幼苗对Cd的吸收量降低。黄太庆等[20]研究发现，在轻度Cd污染的稻田上，向水稻叶面喷施含Se生理阻隔剂，能达到较好的富Se降Cd效果。本研究发现，在8种供试生理阻隔剂中，喷施Mg对小麦Cd积累的抑制效果最佳，其次为喷施Mn处理，关于Mn和Mg处理降Cd的原因,可能是通过竞争离子通道和转运蛋白来实现的[21]。

所有生理阻隔剂对小麦中As的抑制效果均不佳，这可能与植物对As的吸收形态有关。As是作物的非必需元素，有学者认为，在氧化条件下，土壤As主要以五价As(Ⅴ)形式存在，通过磷的转运通道进入水稻细胞内，由磷酸根转运蛋白介导；而在还原条件下，土壤溶液中As主要是As(Ⅲ)形式存在，通过Si的转运通道进入水稻各部位[22-23]。本研究中，由于供试的生理阻隔剂多为阳离子，而As的吸收形态为阴离子，两者并不形成拮抗关系，这可能是未能有效抑制小麦As积累的原因。今后研究中应重视阴离子生理阻隔剂如磷酸盐对As吸收的抑制效果。

Fe、Zn和Cu均是人类必需的微量元素，缺乏这些元素会造成相应的缺素症，例如缺Fe会引起缺Fe性贫血，缺Zn会引起人体代谢紊乱，缺Cu会导致人体内分泌失调[24-25]，而小麦籽粒是人体补充这些微量元素的重要来源之一[26-27]。因此，提高小麦中Fe、Zn和Cu含量对人体健康具有重要意义。考虑到生理阻隔剂可能会对小麦微量元素吸收造成影响，因此，本研究分析了生理阻隔剂处理下Fe、Zn和Cu 3种重要微量元素含量,结果表明，叶面喷施Zn和Se等生理阻隔剂易造成小麦缺Fe。因此，提示在后期的应用中，应考虑其对Fe等微量元素的影响。

总体来说，喷施Mg和Mn有望成为抑制小麦积累Cd的有效措施，而喷施Zn和Se降低了小麦中Fe的含量。因此，在施用这些生理阻隔剂时应考虑其对小麦中微量元素的影响。