叶面阻控剂在轻度镉污染石灰性麦田上的降镉效果

宋盼盼,常会庆,李岚坤,王启震

(河南科技大学 农学院,河南 洛阳 471023)

镉(Cd)被国际癌症研究机构(IARC)划分为Ⅰ类致癌物[1],也是我国农田土壤重金属污染的主要元素。据调查,我国农田土壤中的镉55%源于牲畜粪便,35%源于大气沉降,8%源于肥料[2]。在诸多重金属中,镉在土壤中具有较高的植物有效性,对植物的毒害强[3],并且土壤有效态镉的浓度在达到毒害植物的水平之前就可以使植物可食部分的镉含量超过食用标准而危害人类健康[4-6]。王怡雯等[7]对河北保定和河南新乡的50块麦田进行调查后发现,小麦虽然可以在上述地块正常生长,但小麦籽粒的镉含量超标率达到55%。肖冰等[8]对华北某污灌区农田的调查也发现,该地区小麦籽粒的镉含量超标率达76.7%。因此,镉污染土壤的治理备受关注。

2014年我国环境保护部与国土资源部联合公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国耕地土壤点位超标率为19.4%,其中,镉点位超标率高达7.0%[9],以轻到中度污染为主[10]。囿于我国人多地少的现实,在农业生产上仍需采取必要措施安全利用轻度污染农田生产出安全的农产品[11]。同时,这也与我国《土壤污染防治行动计划》提出的2030年受污染耕地安全利用率达95%以上的目标一致[12]。如何阻控作物对重金属,尤其是镉的积累,是轻度污染农田安全利用中必须解决的关键问题。

北方地区镉污染麦田大部分为石灰性褐土或潮土,土壤的盐基饱和度、碳酸钙含量高,有效态镉含量较低。若仅靠钝化剂调节土壤pH值或水分管理等农艺措施来进一步降低土壤镉活性,难以达到降低小麦籽粒镉含量的目的[13]。同时,不同品种小麦的籽粒镉含量变幅较小,筛选镉低积累小麦品种的难度较大[14]。利用叶面阻隔剂来减少甚至阻断重金属向农作物可食部位的迁移是北方地区相对更为可行的农田重金属污染防治方向,而且,相较于施用土壤钝化剂等措施,叶面阻控技术具有针对性强、经济高效、不易造成土壤二次污染的优点。目前,市面上叶面阻控剂的基本原理均是抑制镉从叶片经穗轴向籽粒的转移[15]。具体地:大量营养元素型叶面阻控剂主要以磷元素为主。叶面喷施含磷的叶面阻控剂可显著降低作物对镉的吸收,特别是可食用部位对镉的积累量,原因在于磷酸盐与镉结合形成螯合物,降低了镉在植株内的移动性[16-17]。钙镁型叶面阻控剂通过钙、镁离子对植物生理活性的调节,及其与镉离子对吸收运输位点的竞争来减少植物对镉的吸收。Tian等[18]报道,添加外源钙可以缓解超富集植物东南景天(SedumalfrediiHance)体内由镉胁迫引发的毒害效应。拮抗型叶面阻控剂的作用机理是,利用与镉元素存在相似离子半径或电子结构的元素发生的吸收排斥效应,达到降低镉吸收累积量的目的。Han等[19]发现,叶面施铁能通过拮抗作用显著降低叶片中有效态镉的比例,进而降低籽粒中的镉含量。叶面施硅可增加作物叶面积、含水量、叶绿素含量和光合能力,是降低稻米镉含量的有效措施。唐守寅等[20]研究表明,施硅能将地上部的镉沉积于茎部和叶部的细胞壁中,形成Si-Cd复合物,进而减轻镉向果穗部的迁移。然而,以上研究多涉及水稻阻控剂的施用效果,叶面阻抗剂的选用较为单一,针对镉污染小麦叶面阻抗剂的研究较少,且存在降镉率不高等问题。为此,本研究利用自配的3种叶面阻控剂,明确其对北方中低镉污染石灰性麦田的降镉效果,旨在筛选出具有良好阻镉效果、可以保障小麦安全生产的阻控剂。

1 材料与方法

1.1 试验地点

在河南省新乡市新乡县某镇(35°25′N,113°82′E)的定位试验站开展试验。试验地的种植模式为小麦-玉米轮作。当地属暖温带大陆性气候,年均气温、年均降水量分别约为14 ℃、600 mm,年均无霜期约209 d,全年日照时数约2 384 h。

1.2 试验材料

1.2.1 叶面阻控剂

本研究采用3种自配的叶面阻控剂开展试验,分别为ZP1(养分型)、ZP2(络合型)和ZP3(络合+拮抗型)。其中:ZP1由氮-磷-钾混合溶液、有机硅、柠檬酸制成,有机硅含量0.1%,氮、磷、钾含量均为0.8%,有机酸含量0.001%;ZP2由氮-磷-钾混合溶液、有机硅、柠檬酸、钙镁络合剂(氯化钙、硫酸镁按1∶1的质量比混合,下同)制成,有机硅含量0.1%,氮、磷、钾含量均为0.8%,钙镁络合剂含量0.4%,有机酸含量0.001%;ZP3由氮-磷-钾混合溶液、有机硅、柠檬酸、钙镁络合剂、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、FeCl3·6H2O、MnCl2·4H2O制成,有机硅含量0.1%,氮、磷、钾含量均为0.8%,钙镁络合剂含量0.4%,有机酸含量0.001%,微量元素拮抗剂含量0.6%。

1.2.2 供试小麦和土壤

供试小麦品种为百农AK58,属半冬性中熟品种,全生育期226.5～230.6 d。供试土壤的基本理化性质如下:pH值7.96,有机质含量24.50 g·kg-1,速效磷(Olsen-P)含量61.46 mg·kg-1,速效钾含量265.33 mg·kg-1,碱解氮含量117.83 mg·kg-1,总镉含量1.02 mg·kg-1,有效态镉含量0.31 mg·kg-1。土壤总镉含量是GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中风险筛选值的1.7倍,但未超过管控值。

1.3 试验设计

依照喷施的叶面阻控剂不同设置3个试验处理,以及1个喷施蒸馏水的对照(CK)。每种叶面阻控剂均在小麦生长的拔节期(2021-04-26)、抽穗期(2021-05-09)、灌浆期(2021-05-17)各喷施1次,每667 m2单次喷施2 L(稀释20倍后喷施)。喷施在07:00—08:00进行,保证小麦叶片正反面均沾满雾滴,喷施后2 h内避免强光照、淋雨,否则补喷。喷施的小区面积均为30 m2(5 m×6 m),小区之间设置0.5 m的保护行。每个处理重复3次,水分管理参照当地农田。

1.4 样品采集与分析

待小麦成熟后,采集耕层(0～20 cm)土壤,样品风干后分别过0.85、0.15 mm土筛后备用。

分别采集小麦根、茎、叶(含叶鞘、叶柄)、颖壳和籽粒样品,先后用自来水、去离子水洗涤,105 ℃杀青30 min,85 ℃烘至质量恒定,测定干重,用粉碎机磨碎后过0.15 mm筛待用。

称取过0.15 mm筛的土壤样品0.500 g,置于聚四氟坩埚中,加入10 mL HF、8 mL HNO3、3 mL HClO4消煮。植物样品采用6 mL HNO3、4 mL HClO4的混合液消煮。消煮完成后,加2～3 mL的2% HNO3溶解残存物质,用25 mL容量瓶定容待用。同时,消煮空白和标准样品。标准样品采用国家标准参比物质进行质量控制,分别为:土壤成分分析标准物质,产品编号GBW07408(GSS-8);生物成分分析标准物质—河南小麦,产品编号GBW10046(GSB-24)。所用试剂均为优级纯,标准样品中所有测定元素的回收率均在80%以上。消解后的样品,统一采用ICAP-7200型电感耦合等离子体发射仪(ICP-OES,美国Thermo Fisher Scientific)测定镉、硅、铜、锰、锌等元素含量。采用Tango-R/T傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker)扫描测定小麦的蛋白、灰分、湿面筋、淀粉、沉降值。土壤pH值采用电位法(浸提液的水土体积质量比为5∶1)测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾-油浴外加热法测定;土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定;土壤速效钾含量采用乙酸钠浸提-火焰光度法测定;土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定。上述指标的具体测定过程均参照《土壤农化分析》[21]。

以小麦各部位镉含量与土壤中镉含量之比表征各部位的镉富集系数(AF),以小麦不同部位的镉含量之比表征镉在小麦不同部位间的转运系数(TF)[19]。

1.5 数据分析

用Excel 2016软件整理数据,用SPSS Statistics 23软件进行统计分析,对有显著(P<0.05)差异的,采用最小显著差数法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 喷施叶面阻控剂对小麦产量与品质的影响

叶面阻控剂选择的原则之一为,不应对小麦的产量和品质造成显著影响。与CK相比,在小麦生长的拔节期、抽穗期和灌浆期各喷施1次阻控剂后,小麦籽粒的蛋白、灰分(干基)、湿面筋(湿基)、淀粉含量,以及沉降值、产量均无显著变化(表1)。这说明,喷施自制的3种叶面阻控剂并不会对小麦的产量和品质造成明显不良影响。

表1 不同处理的小麦品质与产量

2.2 喷施叶面阻控剂对小麦镉吸收、转运、富集的影响

2.2.1 喷施叶面阻控剂对小麦各部位镉含量的影响

收获后,所有处理小麦样品根部的镉含量均远大于其他部位(图1)。同一处理的小麦颖壳与籽粒的镉含量差异不显著。CK处理的茎、叶镉含量存在显著差异,而其他处理的茎、叶镉含量并无显著差异。与CK相比:ZP1处理显著降低了叶和颖壳的镉含量,降幅分别为49.5%、26.6%;ZP2处理显著增加了根和茎的镉含量,增幅分别为18.3%、85.8%,但显著降低了叶的镉含量,降幅为32.7%;ZP3处理显著降低了叶和籽粒的镉含量,降幅分别为44.6%、43.3%。

柱上无相同字母的表示同一部位各处理间差异显著(P<0.05)。

ZP1、ZP2、ZP3处理小麦籽粒中的镉含量分别为0.07、0.08、0.05 mg·kg-1,均低于GB2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》规定的限量值(0.1 mg·kg-1)。

2.2.2 喷施叶面阻控剂对小麦各部位镉转运的影响

镉在小麦籽粒中的富集不仅与土壤中的镉含量相关,还依赖于小麦各部位对镉的转运能力。转运系数常被用来评价重金属在作物不同部位迁移的能力[22-23],也常被用作筛选最佳阻控剂施用量的指标。小麦上部与下部的镉转运系数越小,说明镉越容易被固定在小麦下部,转运到小麦上部的镉越少[24];同理,从叶到籽粒或从颖壳到籽粒的镉转运系数越小,镉进入食物链的可能性就越低[25]。不同处理小麦从茎到叶的镉转运系数远大于其他部位,且其值均大于1(表2),说明小麦茎部的镉极易迁移至叶部。与CK相比:ZP1、ZP2、ZP3处理显著降低了从茎到叶的镉转运系数,但对其他部位间的转运系数无显著影响;此外,ZP3处理还显著降低了从叶到颖壳的镉转运系数,但未对其他部位间的镉转运系数产生显著影响。可见,喷施自制的3种阻控剂主要是通过抑制镉从茎部向叶部的转运,从而阻控镉离子向籽粒转移的。

表2 不同处理小麦各部位的镉转运系数

2.2.3 喷施叶面阻控剂对小麦各部位镉富集的影响

不同处理下,均以小麦根部的镉富集系数最大(0.90～1.08),籽粒的镉富集系数最小(0.05～0.09)(表3)。 CK处理下,小麦叶部的镉富集系数显著大于茎、颖壳和籽粒;ZP1处理下,茎、叶、颖壳和籽粒的镉富集系数不存在显著差异;ZP2处理下,茎、叶的镉富集系数分别与颖壳、籽粒的镉富集系数存在显著差异;ZP3处理下,叶与颖壳,及茎、叶与籽粒的镉富集系数均存在显著差异。与CK相比:ZP1处理显著降低了叶和颖壳的镉富集系数,降幅分别为48.5%、27.3%;ZP2处理显著提高了根和茎的镉富集系数,增幅分别为18.7%和90.0%,显著降低了叶的镉富集系数,降幅为33.3%;ZP3处理显著降低了叶和籽粒的镉富集系数,降幅分别为48.0%和44.4%。总的来看,与CK相比,喷施3种叶面阻控剂均显著降低了小麦叶对镉的富集,ZP3处理显著降低了籽粒对镉的富集。

表3 不同处理小麦各部位镉富集系数

2.3 喷施叶面阻控剂对小麦叶部硅、铜、锰、锌含量的影响

小麦体内没有转运镉的专一性离子通道,镉主要通过与其他重金属离子通道蛋白结合进行转运;因此,可利用竞争性阳离子与镉离子产生拮抗效应,从而抑制镉吸收、转移到作物的可食部位[26-27]。测定小麦叶片的硅、铜、锰、锌元素含量(表4),并与小麦叶片中的镉含量进行相关性分析(图2)。与CK相比:ZP1和ZP2处理对小麦叶片的硅、锰含量无显著影响,但显著提高了铜和锌的含量;ZP3处理对小麦叶片的硅含量无显著影响,但显著提升了小麦叶片的铜、锰、锌含量。相关性分析结果显示,叶片中的镉含量与锰含量呈显著(P<0.05)负相关,与铜含量呈极显著(P<0.01)负相关,与硅、锌含量同样呈负相关,但未达到显著水平。可见,小麦叶片中的镉含量会随硅、锌、锰、铜等元素含量的增加而降低,表明镉与上述元素可能存在拮抗作用,向小麦叶片喷施硅、锌、锰、铜等均可能会降低叶片的镉含量,本处理中的不同拮抗剂可能是通过提高小麦叶片的硅、铜、锰、锌含量,与镉形成转运竞争关系,从而抑制了镉从茎部向叶部的转运,进而阻控了镉离子向籽粒的转移。

图2 小麦叶片镉含量与硅、铜、锰、锌含量的相关性

表4 不同处理小麦叶片的硅、铜、锰、锌含量

3 讨论

3.1 镉在小麦各部位的含量及转运特征

文志琦等[28]研究证明,水稻吸收的镉主要集中在根系和叶片。根系和叶片是镉主要的储存器官[29]。镉通过木质部从根向茎转运的能力是决定水稻茎秆中镉积累的主要影响因素[30]。镉进入水稻茎、叶等组织后,主要通过韧皮部向水稻籽粒转运,籽粒中几乎100%的镉均来源于韧皮部运输[31-32]。虽然小麦各部位对镉的富集能力存在差异,但镉离子在向上运输的过程中表现出与水稻类似的运输规律,越往上部,镉含量越低[33]。这与小麦体内镉转运速率慢(仅2.4 cm·h-1)有关[34]。本研究表明,不同处理下小麦各部位的镉含量均表现为根部最大、籽粒最小,这与其他学者的研究结果一致[35-37]。不同处理下小麦茎-叶镉转运系数均远大于其他部位,且其值均大于1,说明小麦茎部的镉极易迁移至叶部。与CK相比,ZP1、ZP2、ZP3处理均显著降低了小麦茎-叶的镉转运系数,显著降低了小麦叶的镉富集能力。可见,喷施ZP1、ZP2、ZP3主要是通过抑制镉从茎部向叶部的转运,进而阻控镉离子向籽粒转移的。

3.2 叶面阻控剂阻的控镉效果及其机理

镉不是植物生长的必需元素,没有专一的转运通道或载体,但可借助铁、锌、锰等必需元素的转运通道被植物根系吸收,并向上输送至籽粒中;因此,这些元素同镉之间具有竞争关系[38]。过量供应这些必需元素可以抑制植物对镉的吸收。目前,已鉴定到多个参与控制水稻镉、砷吸收转运和籽粒积累的转运蛋白。在水稻中,锰转运蛋白(OsNramp5)、铁转运蛋白(OsNramp1、OsIRT1、OsIRT2)和锌转运蛋白(OsZIP1和OsZIP3)均参与了镉的转运[39-41]。当水稻缺乏锌、铁、锰元素时,可诱导相应蛋白的表达而增强对镉的吸收;相反,过量供应这些必需元素可能抑制植物对镉的吸收。吕光辉等[42]发现,叶面喷施锌肥可有效降低糙米中的镉含量;胡坤等[43]比较了不同微量元素对水稻籽粒镉含量的影响,发现叶面喷施铁、锌、锰等均可显著降低籽粒中的镉含量,其效果从高到低依次为锌>锰>铁,表明叶面施用竞争性离子是降低作物镉含量的重要途径。小麦与水稻同为禾本科植物,具有相似的转运蛋白。本研究结果也表明,铜、锰、锌等元素与镉之间存在一定的拮抗效应,可以抑制叶部的镉吸收和向小麦籽粒的转运,有利于镉污染石灰性土壤上小麦的安全生产。

作物对镉的吸收受离子间络合作用等的影响,喷施叶面阻控剂能阻止镉的质外体运输,减少水稻地上部分镉的沉积,最终降低稻谷中的镉含量[44]。本试验供试叶面阻控剂中含有大量的钙、镁、磷、硅等元素。相关研究表明,钙、镁等元素和游离态镉会发生络合反应,生成碱式沉淀,降低镉在植物体内的迁移性,从而降低镉的危害[45]。磷素与镉结合形成镉磷酸盐,会在植物细胞壁与液泡中沉积下来,也是阻止镉向地上部分迁移的重要途径之一[46]。硅元素一般沉积在细胞质外体,可与镉发生共沉淀并将其束缚在细胞壁中,从而降低镉的质外体运输及其向细胞内的转运[47]。本研究使用的3种叶面阻控剂,在配制过程中都以磷、硅助剂为基础,可降低小麦籽粒中的镉含量。不同叶面阻抗剂相比,络合型(ZP2)的效果并不显著优于养分型(ZP1),具体原因有待进一研究。鉴于本文结果仅为在一季小麦上的喷施效果,喷施的稳定性、喷施浓度的优选等也仍需进一步研究。

4 结论

在田间小麦生长的关键时期——拔节期、抽穗期和灌浆期各喷施1次本试验选用的叶面阻控剂,对小麦品质和产量并无显著不利影响。喷施的3种叶面阻控剂均显著降低了小麦茎到叶的镉转运系数,以及小麦叶的镉富集系数,显著提高了小麦叶片的铜、锌含量,对镉的运输起到有效的拮抗作用。在本试验条件下,对于轻度镉污染石灰性麦田,可优选ZP3型叶面阻控剂喷施使用。