铅—砷交互作用对青稞苗期生长及铅砷吸收积累的影响

杨小俊，次仁德吉，吴雪莲，张一帆，郝治华，张唐伟

(西藏自治区农牧科学院农业质量标准与检测研究所，拉萨 850032)

【研究意义】青稞(HordeumvulgareL.var.nudum Hook.f.)作为藏区高原环境下普遍种植的农作物，营养丰富，蛋白质、淀粉、纤维素含量高，富含多种有效活性成分[1]，是藏族群众的基本口粮[2]。青稞作物极具食用价值，青稞挂面[3]，青稞籽粒可制成糌粑等食品，也是酿酒工业的原料，青稞秸秆可与优质牧草相媲美，广泛用作马、绵羊、牦牛等牲畜的饲草[4-5]。据不完全统计，西藏青稞种植面积和产浓度占全国大麦种植面积和产浓度的21%和21%[6]。土壤环境是青稞吸收重金属铅砷的主要来源，当土壤被铅砷污染时，青稞吸收的铅砷可能性更高，甚至超过积累吸收。研究铅砷交互作用对青稞苗期重金属富集及其生长的影响，对保护人体健康具有重大意义。【前人研究进展】重金属铅及其衍生的化合物会对人体神经、造血、肾脏、内分泌等多个系统造成危害[7]。砷俗称砒霜，急性砷中毒在临床上主要表现为急性胃肠炎，慢性砷中毒的主要表现有：神经系统病变，四肢末端有多发性神经炎或末梢神经炎；麻痹血管运动中枢,血压下降，心脏及脑组织缺血引起虚脱、意识消失及痉挛等；腐蚀消化道,使其出血与坏死，引起肝细胞退行性变和糖原消失[8]。重金属间的相互作用会对农作物生长、重金属的吸收转运等方面产生较大的影响。目前的研究表明，重金属之间的交互作用在不同的农作物中会表现出不一样的效果，其中在浮萍、蚕豆和大麦等农作物中均表现出拮抗作用[9-11]，而在油菜作物中则表现出协同作用[12]。重金属间的交互作用在农作物间表现出的不同作用很可能是因为作物品种不同、环境条件差异以及重金属浓度和比值等产生的作用[13]。【本研究切入点】目前针对高浓度铅、砷交互作用对农作物生物有效性的影响报道还较少，已有的相关方面的研究主要集中在单一铅、砷在土壤中的存在形态和迁移规律以及毒害作用等方面[14-15]。有相关研究表明，青藏高原土壤重金属含量背景值在近几十年间表现出上升趋势,其土壤重金属的污染情况将对当地农牧民的身体健康和经济的发展产生深远影响[16]。因此,对西藏主要经济作物青稞进行重金属交互试验具有重大意义。【拟解决的关键问题】本试验选择西藏地区代表性作物青稞，通过盆栽试验，向土壤中加入外源铅砷，分析在铅砷交互作用下青稞苗期铅砷的富集规律及对出苗时间、出苗率、分蘖数抽穗时间的影响，从而为青稞安全评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自拉萨河边西藏农科院4号实验地。取表层 0～20 cm土壤，土样经风干、去杂，磨细后用于盆栽试验。供试砷为Na3AsO4·12H2O，供试铅为 Pb(NO3)2，均为分析纯。盆栽作物为青稞，品种为藏青2000。添加底肥为尿素(N=46%)，磷酸二铵。供试土壤类型为潮土，铅砷本底值：铅含量32.58 mg/kg、砷含量19.10 mg/kg。

1.2 试验设计

分别以 Na3AsO4·12H2O 和 Pb(NO3)2作为污染土壤的砷源和铅源，以溶液形式均匀喷洒至土壤并充分混匀，用 0.12 mm 厚的塑料膜包裹，在自然条件下平衡15 d。平衡过程中保持土壤含水浓度为田间持水浓度的60%～70%。重金属添加浓度参照《土壤环境质浓度标准》[17](GB15618—2018)二级标准限值(As：30 mg/kg，Pb：120 mg/kg)。设置砷添加浓度分别为二级标准值的 0、1、2、3、4、4.7倍，即 0、30、60、90、120、140 mg/kg；研究表明，青稞藏青2000品种可以耐受400 mg/kg以下铅胁迫[18],故铅添加浓度分别为标准值的 0、4、6、8、10、12倍，即 0、480、720、960、1200、1440 mg/kg，设置不同浓度梯度单因素铅(0、480、720、960、1200 、1440 mg/kg)、砷(0、30、60、90、120、140 mg/kg)以及铅(480、720、960、1200 mg/kg)、砷(30、60、90、120 mg/kg)两两组合处理，共27个处理。试验用花盆内直径为38 cm，高约30 cm，将混合土壤放入塑料花盆中，每盆装20 kg干土，底部有孔，用于通气，花盆底部放置花盆托盘，以防止添加的重金属渗漏至土壤中。青稞于2021年4月10日播种，每盆播种35粒，期间观察记录生长情况(出苗时间、出苗率、分蘖数、抽穗时间)，青稞待长至分蘖后期进行间苗，每盆留苗15～20株，取青稞苗叶备用，测定铅砷含量。

1.3 试验方法

1.3.1 苗期生长指标记录 发芽时间、发芽率、分蘖数、抽穗时间。

1.3.2 铅砷含量测定 将青稞幼苗老叶洗净于 60 ℃烘箱中干燥至恒质量，测定其铅砷含量，粉碎过 0.5 mm 筛后放入封口塑料袋中，于干燥处保存备用。青稞样品进行微波消解，样品铅、砷含量采用电感耦合等离子体发射质谱法测定[19]。

1.4 数据处理

试验数据用 Excel统计计算， SPSS 17.0 软件进行方差分析、显著性分析，Origin 8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素铅、砷对青稞苗期生长的影响

2.1.1 单因素铅不同浓度处理下对青稞生长的影响 由表1可知，在单因素铅不同浓度条件下，青稞出苗时间空白与铅添加浓度480 mg/kg、铅添加浓度1200 mg/kg之间存在显著差异(P<0.05)；铅添加浓度480 mg/kg与铅添加浓度720 mg/kg、铅添加浓度1440 mg/kg之间存在显著差异(P<0.05)；铅添加浓度720 mg/kg与Pb添加浓度1200 mg/kg之间存在显著差异(P<0.05)；铅添加浓度1200 mg/kg与铅添加浓度1440 mg/kg之间存在显著差异(P<0.05)；其中出苗时间最长的为铅添加浓度480 mg/kg和铅添加浓度1200 mg/kg处理。出苗率空白与铅添加浓度1200 mg/kg之间存在显著差异(P<0.05)；其中空白的出苗率最高，铅添加浓度1200 mg/kg最低，表明高浓度的铅对青稞的出苗率产生了影响，表现出抑制作用。分蘖数铅添加浓度960 mg/kg与铅添加浓度1440 mg/kg之间存在显著差异(P<0.05)；当铅浓度为1440 mg/kg时，青稞的分蘖数反而最多，是空白的1.1倍，是铅添加浓度960 mg/kg的1.6倍。出抽穗时间不同处理之间均差异不显著(P>0.05)；其中最低为空白，最高为铅添加浓度960 mg/kg下的(77.40±2.76)d。

表1 单因素铅不同浓度下对青稞生长的影响

2.1.2 单因素砷不同浓度下对青稞生长的影响 由表2可知，在单因素砷不同浓度条件下，青稞出苗时间无显著影响(P>0.05)；添加砷的处理出苗时间均比空白时间久，出苗时间最长的是砷添加浓度90、140 mg/kg。出苗率砷添加浓度120 mg/kg、砷添加浓度140 mg/kg与砷添加浓度30 mg/kg、砷添加浓度60 mg/kg、砷添加浓度90 mg/kg、空白之间存在极显著差异(P<0.01)；其中在砷添加浓度120 mg/kg、砷添加浓度140 mg/kg时出苗率仅为56.57%、33.71%，分蘖数空白与砷添加浓度140 mg/kg之间存在极显著差异(P<0.01)，且空白是砷添加浓度140 mg/kg的3.5倍。由于砷添加浓度120 mg/kg、砷添加浓度140 mg/kg砷浓度较高，青稞生长受到影响，已不能正常生长，甚至死亡，故其未能抽穗。但处理空白与砷添加浓度60 mg/kg、砷添加浓度90 mg/kg之间差异极显著(P<0.01)，且伴随着外源添加的砷浓度不断升高，青稞苗期抽穗时间也越长，说明高浓度的砷对青稞抽穗表现为抑制作用。

表2 单因素砷不同浓度下对青稞生长的影响

2.2 铅—砷交互作用对青稞苗期生长的影响

由表3可知，在铅添加浓度为480 mg/kg条件下，低浓度砷处理影响了青稞的出苗时间，表现为低浓度抑制、高浓度促进；出苗率均低于空白；分蘖数相对于空白，均受到不同程度的抑制；砷的浓度影响抽穗时间。在铅添加浓度为720 mg/kg条件下，随着砷浓度的升高，出苗时间也增加，出苗的数减少，出苗率受到影响；与空白相比，分蘖数、抽穗时间均有影响；当砷添加浓度为120 mg/kg时出苗时间最长；出苗率在铅添加浓度为960 mg/kg与砷添加浓度60 mg/kg、砷添加浓度90 mg/kg处理下分别为(70.86±2.10)%、(70.85±2.10)%，其中分蘖数受影响最大的是铅添加浓度为960 mg/kg与砷添加浓度为60 mg/kg处理，为(2.94±0.40)株。在铅添加浓度为1200 mg/kg条件下，砷添加浓度为90 mg/kg时，出苗率最高，当砷添加浓度为120 mg/kg时，抽穗时间用时最长。

表3 铅—砷交互作用下对青稞生长的影响

2.3 单因素铅、砷对青稞苗期铅砷积累的影响

2.3.1 单因素铅不同浓度下青稞苗期铅砷积累的影响 由表4可知，单因素铅不同浓度处理下，铅添加浓度为480 mg/kg与空白处理、铅添加浓度720、1440 mg/kg 3个处理之间青稞铅含量均存在极显著差异(P<0.01)，在铅添加浓度<720 mg/kg条件下，促进了青稞幼苗对铅的积累，而在铅添加浓度>960 mg/kg条件下，青稞幼苗对铅的积累受到抑制。铅添加浓度为720 mg/kg与铅添加浓度为960 mg/kg铅添加浓度为1200 mg/kg、铅添加浓度为1440 mg/kg、空白处理之间青稞砷含量均存在显著差异(P<0.01)，当铅添加浓度<720 mg/kg条件下，铅可促进青稞幼苗对砷的积累，而在铅添加浓度>720 mg/kg条件下，铅会抑制青稞幼苗对砷的积累。铅添加浓度为1440 mg/kg时青稞幼苗铅的含量最高为(16.8002±2.0702)mg/kg，是空白的86.24倍；铅添加浓度为720 mg/kg时青稞幼苗砷的含量最高为(0.6677±0.0494)mg/kg，是空白的0.66倍。单因素铅不同浓度处理下，促进了青稞幼苗对铅的积累。

表4 单因素铅不同浓度下对青稞苗期铅砷积累的影响

2.3.2 单因素砷不同浓度下青稞苗期铅砷积累的影响 由表5可知，单因素砷不同浓度处理下对青稞苗期铅、砷积累有不同影响，当砷添加浓度为120、140 mg/kg时，青稞的生长受到显著影响，出苗率极低，且出苗后不易生长发育，甚至死亡，故在砷浓度为120、140 mg/kg时，无法做青稞铅砷含量的检测。空白处理与砷添加浓度处理间铅的含量均存在极显著差异(P<0.01)，当砷添加浓度为60 mg/kg时，青稞中铅的含量最高，为(1.3099±0.0824)mg/kg，是空白的6.72倍；空白处理与砷添加浓度处理间砷的含量均存在极显著差异(P<0.01)，当砷的添加浓度为30 mg/kg时，砷的含量最高，为(9.1156±0.5425)mg/kg，是空白的18.26倍。单因素砷不同浓度处理下，均促进了青稞幼苗对铅和砷的积累。

表5 单因素砷不同浓度处理下对青稞苗期铅砷积累的影响

2.4 铅—砷交互作用对青稞苗期铅砷积累的影响

2.4.1 铅—砷交互作用对青稞铅积累的影响 由表6可知，当铅添加浓度为480 mg/kg与砷交互作用时，砷添加浓度为30 mg/kg与其它3个砷添加浓度青稞苗中铅的含量存在极显著差异(P<0.01)，其中在砷添加浓度为30 mg/kg时铅含量最高，为(11.6443±0.8028)mg/kg；砷添加浓度为120 mg/kg时与其它3个砷添加浓度青稞苗中砷含量存在极显著差异(P<0.01)，其中在砷添加浓度为120 mg/kg时，砷含量最高，为(2.8328±0.165)mg/kg。当铅添加浓度为480 mg/kg与砷交互作用时，青稞幼苗铅积累量砷与铅表现为拮抗作用。

当铅添加浓度为720 mg/kg与砷交互作用时，铅含量在砷添加浓度为30 mg/kg时与砷添加浓度120 mg/kg、砷添加浓度为90 mg/kg两个砷浓度存在显著差异(P<0.01)，其中在砷添加浓度为30 mg/kg时铅含量最高，为(23.133±3.1620)mg/kg。青稞砷含量在砷添加浓度为120 mg/kg时与其它3个砷浓度存在显著差异(P<0.01)，其中在砷添加浓度为120 mg/kg时砷含量最高，为(1.6178±0.0199)mg/kg。当铅添加浓度为720 mg/kg与砷交互作用时，青稞幼苗铅积累量砷与铅表现为拮抗作用。

当铅添加浓度为960 mg/kg与砷交互作用时，青稞铅含量在砷添加浓度为30 mg/kg时与砷添加浓度90 mg/kg存在显著差异(P<0.01)，其中在砷添加浓度为30 mg/kg时铅含量最高，为(24.6829±1.8211)mg/kg；其中在砷添加浓度为90 mg/kg时铅含量最低，为(11.799±0.6609)mg/kg；青稞铅含量在砷添加浓度为30 mg/kg时与其它3个砷浓度存在显著差异(P<0.01)，且当添加的砷浓度为90 mg/kg时，青稞中砷的含量最高，为(1.7209±0.2297)mg/kg。当铅添加浓度为720 mg/kg与砷交互作用时，青稞幼苗铅积累量砷与铅作用不明显。

当铅添加浓度为1200 mg/kg与砷交互作用时，青稞铅含量在砷添加浓度为120 mg/kg时与其它3个砷浓度存在显著差异(P<0.01)，其中在砷添加浓度为90 mg/kg时铅含量最高，为(29.3261±0.6779)mg/kg；在砷添加浓度为120 mg/kg时铅含量最低，为(14.2699±0.5724)mg/kg；青稞砷含量在砷添加浓度为90、120 mg/kg时与其它两个砷浓度存在显著差异(P<0.01)，且当添加的砷浓度为90 mg/kg时，青稞中砷的含量最高，为(1.5676±0.0191)mg/kg，当铅添加浓度为1200 mg/kg与砷交互作用时，青稞幼苗铅积累量砷与铅表现为拮抗作用。

表6 铅—砷交互作用对青稞幼苗铅积累的影响

2.4.2 砷—铅交互作用对青稞苗期砷积累的影响 由表7可知，当砷添加浓度为30 mg/kg与铅交互作用时，铅含量在铅添加浓度为480 mg/kg时与其它3个铅浓度存在显著差异(P<0.01)，其中在铅添加浓度为1200 mg/kg时铅含量最高，为(28.3537±2.6393)mg/kg；其中在铅添加浓度为480 mg/kg时铅含量最低，为(11.6443±0.8028)mg/kg；青稞砷含量在铅添加浓度为480 mg/kg时，砷添加浓度120 mg/kg与其它3个砷浓度存在显著差异(P<0.01)，且当铅的添加浓度为480 mg/kg时，青稞中砷的含量最高，为(1.0125±0.0725)mg/kg，当砷添加浓度为30 mg/kg与铅交互作用时，青稞幼苗砷积累量砷与铅表现为拮抗作用。

表7 砷—铅交互作用对青稞苗期砷积累的影响

当砷添加浓度为60 mg/kg与铅交互作用时，青稞铅含量在铅添加浓度为1200 mg/kg时与铅添加浓度480 mg/kg、铅添加浓度720 mg/kg两个铅浓度存在显著差异(P<0.01)，其中在铅添加浓度为1200 mg/kg时铅含量最高，为(26.4423±1.0618)mg/kg；其中在铅添加浓度为480 mg/kg时铅含量最低，为(7.9116±0.7463)mg/kg；当砷添加浓度为60 mg/kg与铅交互作用时，青稞幼苗砷积累量砷与铅作用不明显。

当砷添加浓度为90 mg/kg与铅交互作用时，青稞铅含量在铅添加浓度为1200 mg/kg时与铅添加浓度480 mg/kg、铅添加浓度720 mg/kg以及铅添加浓度960 mg/kg 3个铅浓度存在显著差异(P<0.01)。铅添加浓度960 mg/kg与铅添加浓度720 mg/kg之间差异不显著(P>0.05)，其中在铅添加浓度为1200 mg/kg时铅含量最高，为(29.3261±0.6779)mg/kg；其中在铅添加浓度为480 mg/kg时铅含量最低，为(5.8611±0.3288)mg/kg；青稞砷含量在铅添加浓度为720 mg/kg时与铅添加浓度960 mg/kg、铅添加浓度1200 mg/kg之间存在显著差异(P<0.05)，且当铅添加浓度为960 mg/kg时，青稞中砷的含量最高，为(1.7209±0.2297)mg/kg，当砷添加浓度为90 mg/kg与铅交互作用时，青稞幼苗砷积累量砷与铅作用不明显。

当砷添加浓度为120 mg/kg与铅交互作用时，铅含量在铅添加浓度为1200 mg/kg时与4个铅浓度间均存在显著差异(P<0.01)，其中在铅添加浓度为960 mg/kg时铅含量最高，为(19.1471±0.5241)mg/kg；其中在铅添加浓度为480 mg/kg时铅含量最低，为(7.0904±0.5350)mg/kg；砷含量在铅添加浓度480 mg/kg时与其它3个浓度间存在显著差异(P<0.01)，且当铅添加浓度为480 mg/kg时，青稞中砷的含量最高，为(2.8328±0.1657)mg/kg，当砷添加浓度为120 mg/kg与铅交互作用时，青稞幼苗砷积累量砷与铅表现为拮抗作用。

3 讨 论

3.1 单一铅、砷对青稞生长的影响

研究发现单一铅和砷污染对青稞出苗时间、出苗率、分蘖数、抽穗时间均表现出不同程度的抑制效应，即和对照实验组相比，单一浓度的铅、砷对青稞的生长发育有抑制作用。铅、砷对青稞生长的影响与其剂浓度有关，可能是设置的重金属单因素铅、砷浓度梯度过高对青稞的影响生长的细胞产生损伤，从而导致了青稞的生长受到影响。这与陈杰等[20]研究发现铅在低浓度下对植物生长无显著抑制作用，在高浓度条件下抑制植物生长的结论相一致。同时也与王丽华等[21]和陈国梁等[22]研究发现单一铅和砷污染对植物生长均表现出低促高抑效应，高浓度铅、砷对植物生长有抑制作用结论相同。

3.2 铅砷交互作用对青稞生长的影响

研究发现在铅浓度720 mg/kg条件下青稞的出苗时间、分蘖数、抽穗时间受影响的程度最大，在铅浓度960 mg/kg条件下青稞出苗率受影响最大，而在铅浓度1200 mg/kg条件下青稞生长参数受影响却不是最大，高浓度的重金属离子会破坏植物的正常代谢,限制种子萌发,从而对其生长生存和修复效果造成严重影响[23]。铅砷交互作用条件下，铅砷的交互作用可能造成了重金属铅砷的移动性发生改变。

3.3 单一铅、砷对青稞铅砷积累的影响

研究结果表明，青稞铅砷含浓度随外源添加的铅、砷含浓度变化而变化，单一和复合铅砷胁迫下青稞都具有一定的耐受性[24]，但青稞植株对铅的积累能力强于砷，这与黎森等[25]研究发现的铅、砷单一污染条件下，小白菜对铅的富集能力强于砷的结果一致。青稞对铅的耐受力更强，砷浓度过高时青稞将停止生长甚至枯死。这可能与重金属砷对作物的毒性大于铅有关， 也可能和铅砷形成的有机金属络合物的活性和迁移能力有关。

3.4 铅砷交互作用对青稞铅砷积累的影响

当铅添加浓度为480、720、1200 mg/kg与砷交互作用时，青稞幼苗铅积累量砷与铅表现为拮抗作用。当铅添加浓度为960 mg/kg与砷交互作用时，青稞幼苗铅积累量砷与铅作用不明显。当砷添加浓度为30、120 mg/kg与铅交互作用时，青稞幼苗砷积累量砷与铅表现为拮抗作用。当砷添加浓度为60、90 mg/kg与铅交互作用时，青稞幼苗砷积累量砷与铅作用不明显。这与秦华等[26]的研究，铅、镉复合污染条件下，高浓度铅、镉抑制甜高粱生长结果相似。有研究表明，适量硒、砷可以达到降砷、富硒的效果[27]，本研究的结果也证实适量的铅、砷影响青稞苗期铅、砷的积累，重金属间有拮抗作用,可不同程度减轻对作物幼苗的毒害[28],因此在砷或铅污染的农田可以考虑使用铅肥或砷来降低砷、铅的含浓度。但由于本研究是在固定环境下进行的盆栽试验，具有一定的试验局限性，所以还需要进一步进行水培和大田试验，并进行安全评估，以确定不同铅、砷污染程度的土壤中铅、砷肥的最佳用浓度，达到作物重金属污染的科学合理防治目的。

4 结 论

铅、砷交互作用对青稞苗期生长产生了影响，高质量分数铅、砷交互作用显著抑制青稞苗期的生长。主要表现为高质量分数铅、砷交互作用下青稞出苗率、分蘖数与空白对照相比显著降低，出苗时间、抽穗时间与空白对照相比显著增加。

单一及交互作用下，青稞幼苗对铅的富集能力强于砷。铅、砷交互作用青稞幼苗铅砷积累量砷与铅均表现为拮抗作用。