含铁调理剂对花生抗砷镉污染胁迫能力的影响研究

蒋宏伟 程 艳 王章伟 何纪强 李哲泳 涂书新 ，* 冉 颖 胡一凡

（1华中农业大学资源与环境学院，湖北 武汉 430070；2武汉沃农肥业有限公司，湖北 潜江 433133；3恩施州鹤峰农业农村局生态环保站，湖北 恩施 445800；4湖北省生态环境科学研究院，湖北 武汉 430070）

镉（Cd）和砷（As）是两种毒性很强的重金属，严重威胁土壤质量、粮食安全和人体健康［1］。镉和砷都具有迁移性强、极具生理遗传毒性等特点［2］，进入土壤后易累积，对土壤造成的污染难以逆转［3］。在实际污染土壤中，常常发生砷镉复合污染。由于砷和镉的土壤化学性质不同，土壤砷镉复合污染的同步修复治理极具挑战［4］。随着砷镉污染土壤范围的逐渐扩大及污染程度的加剧，污染土壤的治理与修复显得尤为重要。然而，过去有关砷镉复合污染治理的研究多针对水稻田进行［5］，而有关旱地土壤砷镉复合污染的研究尚鲜见报道。

花生（ArachishypogaeaL.）是我国主要的旱地油料经济作物之一。花生对土壤重金属的吸收能力常常高于一般大田作物。这是由于花生具有较为发达的主根系，且位于地下的花生荚果也可吸收土壤重金属，从而使其具有较强的重金属吸收能力，使得花生籽仁内的重金属含量极易超标［6］。因此，防治花生重金属污染对保障农产品安全和人体健康具有重要意义。

铁（Fe）是植物生长发育所必需的微量元素。近年来，花生产区发生大规模土壤或生理性缺铁，严重影响了花生生产［7］。有研究表明，在植物和土壤的生物地球化学循环过程中，铁是连接镉/砷环境行为的枢纽［8］，合理利用铁与重金属的循环耦合过程，可以高效调控土壤镉和砷的活性，控制植物对镉和砷的吸收［9］，从而防控砷镉污染，满足作物对铁的营养需要，提高作物产量。

前人研究表明，土壤重金属化学钝化技术的工程量相对小、成本低，对重金属修复效果好且稳定，是目前农业农村部重点推广的农田修复镉砷复合污染的主流技术之一［10］。贝壳粉主要是牡蛎、扇贝等的外壳，是一种天然的生物矿物材料，具有较强的吸附、交换等能力，且煅烧后吸附性能增强［11］，能提高土壤pH 值、改善土壤理化性质、钝化重金属。麦饭石是一种天然矿石，富含丰富的微量元素，因其以硅酸盐为主的化学组成和多孔性海绵状特殊结构，对重金属离子具有强吸附性［12］，是一种新型的土壤调理剂。硅酸盐中的硅既可以与土壤中的重金属结合，又可以增加植物根系的氧化能力［13］。目前这三种土壤钝化剂在治理农田土壤重金属污染方面已有较多研究［14-16］，但针对这三种钝化剂的铁改性材料在治理农田土壤重金属污染方面的研究却罕见报道。据此，本试验设计不同含铁的土壤钝化剂材料，采用砷镉复合污染土壤进行花生盆栽试验，研究含铁调理剂防控旱地花生砷镉复合污染的效果及其生理学和土壤学机制，以期为旱地土壤砷镉复合污染防控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为黄褐土，取自河南省驻马店市汝南县。土壤经自然风干后，磨细，过10目筛。试验前测定土壤基本理化性质如下：pH 值4.1、碱解氮32.73 mg·kg-1、速效磷80.68 mg·kg-1、速效钾53.71 mg·kg-1、有机质15.36 g·kg-1、有效铁5.60 mg·kg-1、全镉3.04 mg·kg-1、全砷57.24 mg·kg-1。

供试花生（ArachishypogaeaL.）品种为汝南县当地主推品种花育23。该品种属疏枝型直立小花生，生育期129 d，出苗整齐，生长稳健，种子休眠性、抗旱性强，产量高。

试验用土壤调理剂为硅酸钾、贝壳粉和麦饭石共三种。铁改性物质为黄腐酸铁，采用黄腐酸和硫酸亚铁进行螯合［17］，形成黄腐酸螯合铁，其Fe含量为11%。黄腐酸铁可有效促进植物体内叶绿素的合成，提高植物对氮磷钾等营养元素的吸收。硅酸钾为分析纯K2SiO3。贝壳粉由牡蛎壳煅烧粉碎制成，CaO、Mg、Si 含量分别为40.0%～45.0%、2 400、300 mg·kg-1。天然麦饭石粉的CaO、Mg、Si 含量分别为23%、1 200、5 400 mg·kg-1。试验前取5 g 贝壳粉、5 g 麦饭石和2 g 硅酸钾分别与16.7 g 黄腐酸铁混合制成铁改性贝壳粉、铁改性麦饭石和铁改性硅酸钾。

1.2 试验设计

本试验为土壤盆栽试验，研究不同铁改性调理剂对花生生长发育、重金属和养分元素吸收、抗氧化反应及土壤重金属形态转化和有效性的影响。共设4 个处理：（1）不添加土壤调理剂，记为空白对照（CK）；（2）添加铁改性贝壳粉（2.17 g·kg-1土），记为T1；（3）添加铁改性麦饭石（2.17 g·kg-1土），记为T2；（4）添加铁改性硅酸钾（1.87 g·kg-1土），记为T3。

试验盆钵30×40×10 cm，每盆装土6 kg。每处理4 次重复，共16 盆。每1 kg 土加入0.2 g N、0.2 g P2O5、0.2 g K2O，即每千克土壤中加入0.429 0 g尿素、0.266 4 g一水磷酸二氢钙、0.493 3 g 硫酸钾。与此同时，按照各处理设计，将3 种铁改性土壤调理剂与土壤混合均匀，添加水分至田间持水量的80%（20%水分），平衡2 周后播种花生。挑选大小适宜、健康的花生种子，每盆播种3粒。

试验在华中农业大学大棚基地进行。2021年6月2 日播种。2021 年7 月14 日采集花生开花期叶片样品测定花生抗氧化系统指标。各处理采取相同部位的叶片，用去离子水洗净，快速分装后放入盛有冰块的保温箱中，然后转存于-80 ℃超低温冰箱保存备用。

于2021 年9 月8 日采集花生成熟期样品和土壤，测定花生金属和养分含量、生长和产量指标以及土壤pH 值和镉砷形态。取花生地上部和花生荚果，先用自来水将表面杂质清洗干净，再用去离子水润洗数次后擦干，测定成熟期花生的株高、鲜重，然后置于样品袋中105 ℃杀青30 min，再于70 ℃烘干至恒重，称量各样品干重，用粉碎机粉碎后备用。将盆钵土壤充分混匀后，取适量土壤样品，自然风干，磨细过筛，储存备用。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤金属及基本理化性质的测定 土壤镉含量采用王水-高氯酸消煮，Thermo ICE 3000 SERIES 火焰原子吸收分光光度计（美国赛默飞世尔科技有限公司）测定；土壤砷含量采用（1+1）王水水浴消煮，AFS-8220 原子荧光光度计（北京吉天仪器有限公司）测定［18］；土壤pH 值采用水浸提-电位法测定；土壤碱解氮含量采用碱解-扩散法测定；土壤速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用乙酸铵交换-火焰光度法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定［19］。

土壤镉形态使用改进的欧共体标准物质局（European Community Bureau of Reference，BCR）提出的连续提取法提取测定［20］。土壤砷形态使用Wenzel法提取-原子荧光法测定［21］。

1.3.2 花生抗氧化酶活性的测定 超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性的测定采用氮蓝四唑光还原比色法［22］；过氧化物酶（peroxidase，POD）活性测定采用愈创木酚比色法［23］；过氧化氢酶（catalase，CAT）活性测定采用过氧化氢分解法［24］；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250 染色法［25］；还原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）含量的测定采用5，5’-二硫对硝基苯甲酸显色法［26］；抗坏血酸（ascorbic acid，AsA）含量测定采用二联吡啶法［27］；丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸比色法［28］。

1.3.3 花生养分和重金属含量的测定 花生植株采用H2SO4—H2O2消煮后，氮、磷含量采用流动注射分析仪（德国SEAL 公司）测定，钾含量采用火焰光度计（美国Agilent公司）测定，方法参照《土壤农化分析》第三版［19］。

花生镉含量采用干灰法消解，Thermo ICE 3000 SERIES 火焰原子吸收分光光度计测定［29］；花生砷含量采用HNO3-H2O2（5∶2，V/V）微波消煮，AFS-8220原子荧光光度计测定。

1.3.4 花生生长和产量测定 于成熟期选择长势一致的单株，收获其荚果，自然风干，用于调查荚果产量、单株生产力、公斤果数和出仁率。每个处理取9 片大小、厚度一致的新展开叶片，采用SPAD-502 型叶绿素测定仪（日本KONICA MINOLTA公司）测定花生叶片相对叶绿素（soil and plant analyzer development，SPAD）值即叶绿素含量，取其平均值。

1.4 数据统计分析

试验测定数据使用Excel 2016 进行记录和处理，采用Origin pro 2018 软件绘图，在5%水平下用Duncan多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性。所有数据采用3次平行试验的平均值作为最后结果。

2 结果与分析

2.1 花生不同部位镉含量

由图1可知，花生不同部位镉含量表现为茎叶>花生壳>花生籽仁。施用铁改性贝壳粉（T1）、铁改性麦饭石（T2）和铁改性硅酸钾（T3）等3种调理剂均降低了成熟期花生各部位的Cd含量。与CK相比，施用3种含铁土壤调理剂后，花生籽仁、花生壳和花生茎叶镉含量分别下降10.68%～22.46%，19.23%～31.3%和17.31%～29.94%，其中均以T1处理效果最好。

图1 施加不同含铁调理剂对成熟期花生不同部位镉含量的影响Fig.1 Effects of iron modified conditioners on Cd content in different parts of mature peanut

2.2 花生不同部位砷含量

与花生镉含量不同，花生不同部位砷含量表现为花生壳>茎叶>花生籽仁（图2）。三种含铁土壤调理剂均较对照整体显著降低了成熟期花生各部位的砷含量。与对照相比，T1和T2处理花生籽仁中砷的含量分别显著降低21.68%和22.83%。施用土壤调理剂花生壳和花生茎叶中砷含量分别较对照降低11.29%～37.18%和10.92%～16.86%。总体来看，以T3和T1的降砷效果较好。

图2 施加不同含铁调理剂对成熟期花生不同部位砷含量的影响Fig.2 Effects of different iron modified conditioners on As content in different parts of mature peanut

2.3 花生不同部位养分含量

在花生成熟期测定花生籽仁和茎叶养分含量，结果表明（表1），施加含铁调理剂均能增加花生对N、P、K 和Fe 的吸收。与对照相比，施加含铁调理剂均显著增加花生籽仁中的N 含量，增加比例达14.36%～28.79%，其中T1 处理增加最为明显。而T3 处理增加花生茎叶中N 含量的效果最佳，增加比例达7.89%。与对照相比，T1、T2、T3处理均能显著增加花生籽仁中的P含量，增加比例分别为16.28%、32.99%、58.63%；T3 处理使花生茎叶中的P 含量显著增加4.43%；T2、T3 处理均显著增加花生籽仁中的K 含量，增加比例分别为14.67%、5.46%；T1、T2、T3 处理均能显著增加花生茎叶中的K含量，增加比例分别为33.70%、29.48%、40.83%。施加含铁调理剂后，花生籽仁和茎叶Fe含量分别较对照增加15.83%～22.61%和12.84%～27.82%，其中T1处理增加茎叶Fe含量效果最显著。

表1 施加不同含铁调理剂对成熟期花生不同部位养分吸收的影响Table 1 Effects of iron modified conditioners on nutrient uptake in different parts of mature peanut

2.4 花生抗氧化系统反应

2.4.1 SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量 由图3 可知，与对照相比，施加含铁调理剂使花生叶片SOD 活性降低11.02%～39.92%，其中T2、T3 处理达到显著性水平；花生叶片POD 活性降低12.93%～50.78%，其中T2 处理达到显著性水平；花生叶片CAT 活性降低11.66%～60.26%，其中T1、T2 处理达到显著性水平。MDA 含量可指示细胞膜受损情况，MDA 含量越高说明花生细胞膜受损越严重。与对照相比，施加含铁调理剂均显著降低了花生叶片MDA 含量，下降比例达17.89%～25.79%，其中T3处理效果最佳。

图3 施加不同含铁调理剂后开花期花生叶片MDA含量及SOD、POD和CAT活性Fig.3 The content of MDA and activities of SOD，POD and CAT in peanut leaves at flowering stage after applying iron modified conditioners

2.4.2 AsA、GSH和可溶性蛋白含量 由图4可知，与对照相比，施加含铁调理剂均能显著增加花生叶片AsA 含量，增加比例达22.92%～58.97%，其中T1 处理效果最佳，且T1 与T2、T3 处理间达到显著性水平。同时，施加含铁调理剂也增加了花生叶片GSH 和可溶性蛋白含量。

图4 施加不同含铁调理剂后开花期花生叶片AsA、GSH和可溶性蛋白含量Fig.4 Content of AsA，GSH and soluble protein in peanut leaves at flowering stage after applying different iron modified conditioners

2.5 花生生长发育和产量

2.5.1 花生株高、SPAD 值和生物量 由表2 可知，与对照相比，施加含铁调理剂后显著促进花生生长，其中T1处理花生生物量显著增加58.19%。

表2 含铁调理剂对成熟期花生株高、叶绿素和生物量的影响Table 2 Effects of iron modified conditioners on plant height，chlorophyll content （SPAD） and biomass of mature peanut

2.5.2 花生果重和出仁率 成熟期花生果重和出仁率测定结果如表3 所示。与对照相比，T1、T2 和T3 处理均能提高花生的出仁率，T1和T3处理能增加花生的单株果重、百果重和百仁重。其中，T1 处理对花生单株果重的增加效果最佳，T3 处理对花生百果重和百仁重的增加效果最佳，T2 处理对提升花生出仁率效果最佳。

表3 含铁调理剂对花生果重和出仁率的影响Table 3 Effects of iron modified conditioners on fruit weight and kernel yield of peanut

2.6 土壤pH值和镉、砷形态转化

2.6.1 土壤pH 值 由图5 可知，与对照相比，施加含铁土壤调理剂后土壤pH 值提升0.07～0.32 个单位，其中T1 和T3 处理达到显著水平，分别提升0.32 和0.25个单位。

图5 施加不同含铁调理剂对土壤pH值的影响Fig.5 Effects of different iron modified conditioners on soil pH value

2.6.2 土壤镉形态 分析含铁调理剂对土壤镉形态的影响发现，与CK 相比，施加含铁调理剂使土壤残渣态镉占比增加3.47～6.11 个百分点，其中T1 处理增加最多；各处理可还原态镉占比增加1.23～4.53 个百分点，其中T3 处理增加最多；T3 处理土壤可氧化态镉占比增加3.10 个百分点；各处理均能降低土壤可交换态镉占比，降低比例达5.80～9.52 个百分点，其中T1 处理降低最多（图6）。

图6 不同含铁调理剂对土壤镉化学形态百分含量的影响Fig.6 Effects of different iron modified conditioners on the percentage of chemical forms of Cd in soil

2.6.3 土壤砷形态 采用Wenzel 法测定土壤砷形态，以研究施加含铁调理剂对土壤砷活性的影响。结果如图7所示，与CK相比，T2、T3土壤残渣态砷占比增加1.63和4.49个百分点；各处理土壤结晶铁铝水化氧化物结合态砷占比增加3.14～7.23 个百分点，其中T1处理增加最多；T2、T3 处理土壤无定形和弱结晶铁铝水化氧化物结合态砷占比降低2.10、5.97 个百分点；T1、T2 处理土壤专性吸附态砷占比降低0.98～1.33 个百分点，T3处理土壤专性吸附态砷占比增加2.28个百分点；各处理均能降低土壤非专性吸附态砷占比，降低比例达1.32～4.14个百分点，其中T3处理降低最多。

图7 不同含铁调理剂对土壤砷化学形态百分含量的影响Fig.7 Effects of iron modified conditioners on the percentage of chemical forms of As in soil

3 讨论

在盆栽条件下，施加三种含铁土壤调理剂后，花生籽仁和花生地上部Cd 含量显著降低（图1），其中含铁贝壳粉的效果最佳。究其原因，一方面是因为施加含铁土壤调理剂后土壤pH 值明显提高（图5）。土壤pH 值的提高可以促进Cd 的沉淀，降低土壤中可交换态Cd 含量（图6）。其机理是当土壤pH 值增大时，有利于Cd2+的沉淀反应正向进行，即促进反应Cd2++H2O⇌CdOH++H+向右发生，同样有利于土壤把更多的Cd2+吸附在土壤表面，当土壤中OH-的浓度升高后，Cd2+会同OH-和CO32-反应产生沉淀，从而固定土壤中的Cd，降低Cd 的有效性［30］。贝壳粉中还含有Cu2+、Zn2+、Mn2+等阳离子，它们可以同Cd2+竞争植物细胞质膜和液泡膜上的运输位点，从而减少镉离子进入植物细胞［31］。另一方面，三种含铁土壤调理剂中的Fe也会和Cd竞争细胞上的结合位点［32］，同时土壤中的铁氧化物增加了其对镉的吸附，降低了镉的活性［33］，从而降低花生对Cd的吸收。此外，土壤调理剂中的Si可以在植物根部细胞表面与蛋白形成沉淀，阻塞细胞壁孔隙，减少植物对Cd的吸收和运输［34］。

本试验中，向土壤中添加三种含铁土壤调理剂后，花生籽仁和地上部As 含量显著降低（图2），其中含铁贝壳粉降As 的效果最好。这首先是由于含铁调理剂中的铁会与土壤中的硫元素结合形成硫化铁或二硫化铁，再与土壤溶液中的砷酸盐形成Fe-AsS、As2S3等物质［35］。即：铁是砷的重要清除剂，可以降低As的流动性和生物利用性［36］。并且，贝壳粉具有较大的比表面积，吸附能力较强［37］，可以吸附土壤中的有效As，降低作物对As的吸收量。此外，土壤调理剂中Si化合物可以吸附固定土壤中的As，阻控其向花生运转。如Yang等［38］研究发现，添加Si可以降低土壤中水溶性和交换性As的浓度，从而降低土壤As的生物有效性。贝壳粉和麦饭石中的Ca 可与As 形成砷酸钙，还可以固定孔隙水中的砷［39］。As 的阴离子物质也可以通过Ca 的内球络合物与碳酸盐如方解石的表面结合［40］，增加土壤残渣态As含量（图7）。

本试验结果还表明，含铁调理剂可显著增加花生对铁元素的吸收（表1），这与高明等［41］的研究结果一致。究其原因，可能是由于含铁调理剂中含有大量的螯合铁，这些铁进入土壤后，易转化为可交换态铁。向土壤中施加螯合铁是提升土壤可交换态铁含量，促进植物对铁吸收量的有效措施。本试验条件下，施加三种含铁调理剂也促进了花生对N、P、K 元素的吸收（表1）。可能是由于三种含铁土壤调理剂中富含黄腐酸，而黄腐酸作为一种生长刺激素，含有多种活性基团［42］，能够刺激组织细胞的分裂和增长，有利于作物根系的生长，增强体内酶的活性，进而促进作物对养分供应的吸收［43］。

植物受到逆境胁迫时，会产生大量的活性氧，导致平衡被打破，膜脂过氧化，打乱植物正常的代谢活动［44］。SOD、POD 和CAT 是植物体内重要的抗氧化酶，可以协同清理植物体内的活性氧［45］，本试验中，施加三种含铁调理剂显著降低花生叶片SOD、POD 和CAT 酶的活性（图3）。这可能是由于施加含铁调理剂降低了花生体内Cd 和As 的累积量，从而降低了Cd 和As 对花生的胁迫作用。MDA 是植物膜脂过氧化的产物，其含量越高，表示植物受损越严重［46］。本试验中，施加三种含铁调理剂均可降低花生叶片的MDA 含量（图3），这主要是由于施加含铁调理剂降低了花生对Cd 和As 的吸收，从而降低了Cd 和As 产生的自由基对细胞的损伤。可溶性蛋白含量是衡量植物体总代谢的一个重要指标［47］，对花生生长发育和产量形成具有决定意义。施加含铁土壤调理剂能够提升花生叶片可溶性蛋白含量（图4），间接提高光合作用酶活性。研究表明，植物体内AsA-GSH 循环的快速运转可减少植物体内活性氧自由基含量，保持ROS 平衡，缓解植物过氧化进程［48］。施加不同形态铁可以增加AsA 和GSH的含量（图4），说明铁可以快速激活AsA-GSH 循环，提高关键酶活性，维持AsA-GSH 循环的高速运转并清除花生体内的ROS副产物。

基于上述讨论机制，本研究三种含铁调理剂不仅含有铁、硅、钙等矿物质元素，同时还富含黄腐酸等活性有机质功能成分，施入土壤可增加土壤pH值和有机质含量，促进养分吸收，改变土壤镉砷赋存形态，降低镉砷胁迫对花生生长的不利影响。

4 结论

在砷镉污染土壤中添加铁改性的贝壳粉、麦饭石和硅酸钾三种含铁土壤调理剂可提高土壤pH 值和可交换态Fe 含量，降低土壤中可交换态Cd 和非专性吸附态As 的占比，从而降低花生Cd、As 含量。施用含铁调理剂还能显著提高花生对养分元素的吸收，提高花生植株的抗氧化能力、促进花生生长发育，进而提升产量。综合效果以含铁贝壳粉最好。