韓 超， 張 浩， 申海玉， 李粉霞

(1.邯鄲學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院，河北邯鄲 056005； 2.邯鄲市資源植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邯鄲 056005；3.河北省邯鄲市永年農(nóng)業(yè)局環(huán)保站，河北邯鄲 057150)

據(jù)報(bào)道，中國約1/5的農(nóng)業(yè)用地遭到嚴(yán)重的重金屬污染[1]，其中最主要的污染因子就是重金屬鎘(Cd)。重金屬Cd對(duì)生物而言是非必需元素，具有巨大的生物毒性且在生物體內(nèi)半衰期長。但是，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛且極易被植物吸收因而成為危害人類和生態(tài)系統(tǒng)的主要重金屬污染物之一。同時(shí)，大量研究表明，Cd對(duì)于植物生長發(fā)育極其不利，可抑制植物的光合作用和呼吸作用，進(jìn)而干擾植物體內(nèi)碳代謝以及水分和無機(jī)養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)化[2-4]。因此，關(guān)于土壤Cd污染的治理和緩解其對(duì)植物危害的相關(guān)研究越來越多[5-6]。

化學(xué)改良劑的施用因其可操作性強(qiáng)且成本低廉成為防治土壤重金屬污染尤其是Cd污染的重要手段，其中包括對(duì)土壤重金屬具有活化作用的螯合劑、土壤pH值調(diào)節(jié)劑以及土壤重金屬鈍化劑等。而以硅肥作為改良劑應(yīng)用于重金屬污染的研究越來越多，通過改善植物生理生化代謝過程、鈍化土壤重金屬，甚至可以影響植物根系對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移能力等多種途徑，Si對(duì)植物重金屬脅迫起到重要的調(diào)控作用[7-9]，此外，據(jù)報(bào)道，外源硅的輸入能夠提高高等植物對(duì)重金屬脅迫的抗性，在抗氧化酶活性、光合等方面均有表現(xiàn)[10]，降低植物對(duì)重金屬的吸收并可減輕重金屬對(duì)植物的毒害[11]。但目前，硅對(duì)土壤重金屬污染的改良研究多集中于鋁、錳毒害[12]，而將其應(yīng)用于Cd毒害作用的研究相對(duì)較少，且缺乏對(duì)Si用量篩選的研究。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥(TriticumaestivumlL.)品種為邯617，是河北省邯鄲市主要的小麥栽培品種之一，購自邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院。供試土壤為褐土，土壤經(jīng)風(fēng)干、粉碎后過5 mm篩。供試土壤的理化性狀如表1所示。采用盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)用塑料桶(直徑為20 cm)，每桶裝土2 kg，施入尿素0.332 g/kg(0.15 g氮)、磷酸二氫鉀0.288 g/kg(0.15 g五氧化二磷)和氯化鉀0.159 g/kg(0.20 g氧化鉀)為基肥，所有物料一次性施入，與土壤充分混勻。

表1 供試土壤理化性狀

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2016年3—6月在邯鄲南苗圃開展，試驗(yàn)共10個(gè)處理，其中設(shè)2個(gè)Cd水平，分別為0.0、1.5 mg/kg，設(shè)5個(gè)Si用量，分別為0.00、0.25、0.50、1.00、2.00 g/kg，每個(gè)處理重復(fù)5盆。Cd以氯化鎘(CdCl2)溶液、硅以Na2SiO3溶液形式施入，與土壤混勻，穩(wěn)定14 d。選取生長狀況一致的健壯小麥植株移栽于各處理塑料桶中，每桶種植10株，試驗(yàn)過程中，按需澆去離子水，試驗(yàn)處理周期為50 d。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 土壤中Cd的形態(tài)分組 小麥幼苗收獲后，將各處理土壤進(jìn)行風(fēng)干，過20目篩，制成土壤樣品。土壤中不同形態(tài)Cd含量采用Tessier等提出的分級(jí)提取方法[13]進(jìn)行測定。交換態(tài)Cd的提取采用MgCl2(1.0 mol/L)中性溶液提取，振蕩、離心后上清液轉(zhuǎn)移入新離心管中加1滴濃硝酸酸化后待測Cd含量(交換態(tài))，沉淀用pH值為5.0的醋酸鈉-醋酸溶液(1.0 mol/L)提取，振蕩、離心，上清液轉(zhuǎn)移入新管中，待測碳酸鹽結(jié)合態(tài)與專性吸附態(tài)Cd含量，沉淀用氯化銨溶液(0.1 mol/L)提取，并于(96±3) ℃水浴6 h，攪拌，提取前后保持提取系統(tǒng)的恒質(zhì)量，然后離心，上清液待測鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd的含量；向上述沉淀中加入水，搖勻，再加入30% H2O2溶液(pH值為2.0)，水浴加熱(85 ℃)，搖動(dòng)，內(nèi)容物呈糊狀時(shí)取下，再加30% H2O2溶液水浴加熱至呈糊狀時(shí)取下，冷卻后按第一步提取，上清液待測有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd含量；將最后殘?jiān)娓?，過100目篩，準(zhǔn)確稱取0.200 0 g于聚四氟乙烯坩堝中，采用HF-HClO4雙酸消解，趕酸后，用1 mol/L HCl溶解后定容得待測液，待測殘?jiān)鼞B(tài)Cd含量，同時(shí)做空白試驗(yàn)。以上各步所獲得的提取液和消解液在原子吸收分光光度計(jì)上測出Cd含量。

1.3.2 小麥生長指標(biāo)的測定 處理50 d后，隨機(jī)選取各處理小麥20株，測量株高、根長。收獲小麥植株，分為地上部分和根系，于流水下沖洗干凈，去離子水沖洗3次(在此之前，根部需用0.5 mol/L HCl浸泡15 min以去除根自由空間中的Cd。將小麥地上部分和根分別烘干(85 ℃)，稱質(zhì)量，最后研磨過100目篩，制成植物粉末干樣，待測Cd含量。

1.3.3 小麥體內(nèi)Cd含量的測定 采用微波消解儀(意大利邁爾斯通，ETHOSA)對(duì)小麥干樣品進(jìn)行消解，稱取每個(gè)植物樣品0.200 0 g于消解管中，加8 mL混酸(HNO3與H2O2體積比為7 ∶1)，浸泡過夜，次日放在微波消解儀上進(jìn)行高溫消解，直到溶液為澄清沒有顏色時(shí)消解完畢，常溫下冷卻，定量移到25 mL容量瓶之中，然后加0.2%硝酸定容到刻度，制作為植物樣品待測液，同時(shí)做空白溶液。待測液中的Cd濃度采用石墨爐原子吸收分光光度法測定。

1.3.4 小麥根系轉(zhuǎn)移系數(shù)的計(jì)算 轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部分Cd含量/地下部分Cd含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Si用量對(duì)模擬Cd污染下小麥幼苗生長的影響

由圖1至圖3可知，0.50 g/kg及以下Si的施用促進(jìn)了小麥的生長，表現(xiàn)為株高和總生物量的增長，但當(dāng)Si用量在 1.00 g/kg 及以上時(shí)，對(duì)小麥幼苗生長產(chǎn)生顯著抑制作用，表現(xiàn)為株高、根長和總生物量顯著降低(P<0.05)。1.5 mg/kg土壤Cd抑制了小麥幼苗的株高、根長生長，造成總生物量積累降低(P<0.05)，與無Si無Cd處理相比，株高、根長和總生物量分別降低了16.57%、19.92%和21.88%。但是，0.25、0.50 g/kg Si用量顯著提高了Cd脅迫下小麥幼苗的根長和總干質(zhì)量(P<0.05)，與1.5 mg/kg Cd但未施加Si的處理相比，0.25、0.50 g/kg Si用量下小麥的總干質(zhì)量分別提高了 9.42% 和20.32%，其中0.50 g/kg Si用量對(duì)Cd污染對(duì)小麥生長抑制的緩解作用最明顯，甚至與對(duì)照(未添加Cd和Si)小麥幼苗生長狀況差異不大。綜合而言，在本試驗(yàn)中，0.50 g/kg Si的施用能促進(jìn)小麥生長，而且有效緩解了 1.50 g/kg Cd污染對(duì)小麥幼苗生長的抑制作用。

2.2 不同Si施用量對(duì)模擬Cd污染下小麥幼苗Cd吸收累積的影響

由表2可以看出， 1.5mg/kg土壤Cd水平下， 小麥地上部分和總Cd含量分別比對(duì)照(未添加Cd和Si)增加了5.9倍和6.6倍。在無Cd添加土壤上，Si的施用對(duì)小麥幼苗吸收積累Cd的影響不大，當(dāng)Si用量達(dá)到1.00 g/kg時(shí)小麥體內(nèi)Cd積累量降低，可能是由于過量硅的施入對(duì)小麥生長產(chǎn)生抑制作用，從而減少了Cd的吸收。但是在1.5 mg/kg土壤Cd水平下，Si的施用在一定程度上抑制了小麥對(duì)Cd的吸收累積，但以0.50 g/kg及以下Si用量抑制效果最顯著(P<0.05)，其中以0.50 g/kg效果最好，該處理下小麥地上部分和總Cd積累量分別比無Si處理(1.5 mg/kg Cd，未施用Si)降低34.09%和50.40%，雖然1.0 g/kg Si的施用也降低了小麥對(duì)Cd的吸收累積，但結(jié)合生長數(shù)據(jù)，不是最佳的用量。此外，1.5 mg/kg土壤Cd水平下，0.50 g/kg及以下Si用量顯著增加了小麥根向地上部分轉(zhuǎn)移Cd的能力，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)移系數(shù)的增加(P<0.05)，其中以0.50 g/kg Si用量效果最好，其轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)到了1.44，說明硅的施入不僅降低了小麥根系對(duì)土壤Cd的吸收，還抑制了Cd向地上部分的運(yùn)輸，從而減輕Cd對(duì)地上部分的危害。綜合而言，Si的施入不僅降低了小麥根系對(duì)土壤Cd的吸收， 而且抑制了Cd的向上運(yùn)輸， 從而能減輕土壤Cd污染對(duì)小麥的毒害作用，其中以0.50 g/kg用量效果最好。

表2 Si施用對(duì)不同Cd水平下小麥對(duì)Cd吸收和轉(zhuǎn)移的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母代表同一Cd濃度下、不同Si用量下小麥各指標(biāo)之間差異顯著(P<0.05)，下表同。

2.3 不同Si施用量對(duì)模擬Cd污染下土壤Cd形態(tài)的影響

土壤中重金屬的存在形態(tài)分別為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，其中，交換態(tài)有效性最高，其次為結(jié)合態(tài)，而殘?jiān)鼞B(tài)最低。由表3可知，Si施用顯著降低了Cd污染下土壤交換態(tài)Cd的比重，且在≥0.5 g/kg用量下效果較好，此外，Si施用顯著增加了鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)Cd的比重(P<0.05)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd的比重也有增加，雖然不同Si施用量之間差異不明顯，但均顯著區(qū)別于無Si處理(1.5 mg/kg Cd，未施用Si)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，Si施用能夠降低土壤中Cd對(duì)小麥幼苗的有效性，這也可以解釋適量施用Si肥后降低了小麥幼苗對(duì)Cd的吸收與積累。

表3 Si施用對(duì)土壤Cd形態(tài)的影響

3 討論與結(jié)論

Cd是毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，能夠在食物鏈中引起生物擴(kuò)大作用，從而間接危害人類的健康。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，1.5 mg/kg土壤Cd污染水平下，小麥地上部分和總Cd含量分別比對(duì)照(未添加Cd和Si)增加了5.9倍和6.6倍，且小麥幼苗的生長受到顯著抑制。本研究結(jié)果還表明，0.5 g/kg及以下Si肥的施用緩解了1.5 mg/kg Cd污染對(duì)小麥幼苗生長的抑制作用，相關(guān)研究也表明Si肥施入能促進(jìn)植物生長，降低重金屬對(duì)玉米生長的危害[14]。

李淑儀等報(bào)道，施Si以后降低了土壤中交換態(tài)鉻的含量，但是提高了各種類型結(jié)合態(tài)鉻的含量[15]。本研究對(duì)Cd的試驗(yàn)結(jié)果也表明，Si肥施用以后顯著降低了土壤中Cd的有效性，表現(xiàn)為交換態(tài)Cd比重減小，但是Si肥施用增加了土壤中結(jié)合態(tài)Cd和殘?jiān)鼞B(tài)Cd的比重，但對(duì)殘?jiān)鼞B(tài)Cd的增加效應(yīng)不如已有報(bào)道明顯，這可能是由于試驗(yàn)周期短所致，但總體而言，Si肥施用降低了土壤有效態(tài)Cd的含量。

研究表明，施Si能夠抑制植物對(duì)重金屬Cd的吸收。Si對(duì)植物吸收Cd的抑制效果可能與施Si的濃度及由此增加的土壤Si含量和作物品種都有重要關(guān)系[16-19]。蔡德龍等研究發(fā)現(xiàn)，Si肥施用抑制了水稻對(duì)Cd的吸收，并隨Si肥施用量增加，抑制作用逐漸增強(qiáng)[20]，但秦淑琴等研究報(bào)道，Si對(duì)水稻根系對(duì)Cd的吸收量沒有明顯影響，但明顯降低了Cd向地上部分的遷移[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，0.25、0.50 g/kg Si用量不僅降低了小麥根系對(duì)Cd的吸收，而且降低了Cd向地上部分的遷移，這與其降低了土壤Cd的有效性具有一定關(guān)系。且 0.50 g/kg Si用量下，小麥幼苗生長最好、Cd積累最少。此外，根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，Si用量高于1.00 g/kg時(shí)，雖然降低了土壤Cd的有效性，但小麥幼苗的生長受到阻礙。高柳青等也指出，Si在一定濃度條件下能有效抑制植株對(duì)Cd和Zn的吸收，而較高或較低濃度的Si，其抗重金屬的效果較弱[22]。因此，Si肥的施入降低了土壤Cd的有效性，從而降低了小麥對(duì)Cd的吸收，在一定程度上可以對(duì)其促進(jìn)Cd污染土壤上小麥幼苗生長做出解釋。

綜合而言，0.50 g/kg及以下Si用量能夠促進(jìn)Cd污染土壤上小麥幼苗的生長，降低土壤中Cd的有效性，減少小麥根系對(duì)Cd的吸收累積以及向莖葉的運(yùn)輸，且減輕了土壤Cd污染對(duì)小麥幼苗的傷害。其中，0.50 g/kg是較適宜的推薦Si用量。