武 超，周順江*，王華利，敦 宇，孟素花，吳國(guó)慶，田 夏

1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北 石家莊 050061

2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局, 河北省地下水污染機(jī)理與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050061

3. 河北森諾環(huán)?？萍加邢薰? 河北 石家莊 050090

經(jīng)過(guò)近40年的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與農(nóng)業(yè)高度集約化生產(chǎn)，我國(guó)農(nóng)田土壤污染與土壤環(huán)境質(zhì)量下降問(wèn)題逐漸凸顯，土壤鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%[1]，2016年國(guó)務(wù)院印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，確保到2030年受污染耕地安全利用率在95%以上，因此，土壤污染防治和受污染耕地安全利用已成為亟需解決的重大環(huán)境問(wèn)題之一[1-2]. 通過(guò)移除土壤鎘和降低土壤鎘生物有效性等手段降低鎘在農(nóng)作物中的富集是保障我國(guó)糧食安全和大眾鎘暴露的重要途徑[3]. 小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，同時(shí)也是鎘富集能力較強(qiáng)的大宗谷物. 降低小麥鎘污染已成為當(dāng)前土壤學(xué)及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). 近年來(lái)，通過(guò)施用土壤調(diào)理劑和微量元素降低小麥吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和土壤鎘富集以緩解耕地鎘污染方面的研究受到廣泛關(guān)注[3].

鋅和鎘具有相似的環(huán)境地球化學(xué)行為，農(nóng)作物對(duì)鎘和鋅的吸收具有一定的相互作用[4]. 當(dāng)前研究認(rèn)為，鋅對(duì)農(nóng)作物鎘的富集既有一定的協(xié)同作用也可能具有一定的拮抗作用[5-6]. Yang等[7]在調(diào)查全國(guó)358個(gè)水稻和206個(gè)小麥種植區(qū)作物鋅和鎘含量的基礎(chǔ)上研究了作物和土壤中鋅-鎘相互作用關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在高酸性(pH＜5.9)土壤中，土壤鋅含量對(duì)水稻鎘吸收沒(méi)有顯著影響；但在接近中性(pH＞5.9)土壤中，土壤鋅含量對(duì)水稻鎘吸收具有抑制作用；在土壤-小麥系統(tǒng)中，當(dāng)鎘、鋅比例低于0.008 3時(shí)，土壤鋅能夠顯著抑制小麥鎘的吸收，表現(xiàn)為拮抗作用.

限氧條件下生物質(zhì)制備的生物炭是一種應(yīng)用較廣泛的土壤調(diào)理劑，其具有提高土壤pH、提升土壤養(yǎng)分、增加農(nóng)作物產(chǎn)量、碳封存和減少溫室氣體排放以及降低重金屬生物有效性的作用[8-9]. 生物炭具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的吸附固定能力，主要機(jī)理包括靜電吸引與化學(xué)沉淀作用、生物炭表面酸性官能團(tuán)上氫離子與金屬離子的交換作用以及生物炭表面π電子對(duì)金屬離子的吸附作用等[9]. 施用生物炭能夠顯著促進(jìn)植物生物量、葉綠素合成、光合參數(shù)、氣孔導(dǎo)度和抗氧化酶活性等新陳代謝生理指標(biāo)，從而降低干旱、低溫、鹽和重金屬等毒害脅迫[10-14]. 我國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量超過(guò)8×108t，基于秸稈生物炭的土壤改良和重金屬鈍化修復(fù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)秸稈廢棄物的資源化應(yīng)用，具有較好的應(yīng)用前景. Abbas等[15]研究表明，生物炭的添加可顯著降低小麥鎘的吸收從而降低鎘對(duì)小麥植株的脅迫，促進(jìn)小麥生長(zhǎng)，主要因?yàn)樯锾靠梢越档玩k的生物有效性，對(duì)土壤鎘有較好的固定效果，通過(guò)降低小麥對(duì)鎘的吸收，從而降低鎘對(duì)小麥的毒害作用. 但也有研究[14]表明，過(guò)量生物炭施用會(huì)抑制水稻和玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，因?yàn)樯锾烤哂歇?dú)特的理化性質(zhì)，不僅對(duì)重金屬具有強(qiáng)吸附作用，對(duì)土壤中陽(yáng)離子等營(yíng)養(yǎng)元素也具有較強(qiáng)的吸附作用，過(guò)量施入會(huì)影響小麥根系對(duì)土壤礦物等養(yǎng)分的吸收，從而影響植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量.

生物炭和其他材料聯(lián)合施用可以降低土壤重金屬的可移動(dòng)性和作物對(duì)土壤重金屬的吸收[16]，聯(lián)合施用微量元素與生物炭不僅會(huì)降低小麥鎘的吸收，同時(shí)能改善土壤的微量元素營(yíng)養(yǎng)狀況，促進(jìn)小麥生長(zhǎng). 有研究[17-19]表明，多種降鎘措施聯(lián)合應(yīng)用的作物降鎘效果與單一措施降鎘效果相比，并沒(méi)有顯著的協(xié)同效應(yīng)而且不穩(wěn)定；然而，也有研究[9,11]顯示在土壤中同時(shí)添加鈍化材料和微量元素的降鎘效果要優(yōu)于單獨(dú)應(yīng)用. 如Alis等[20-21]等研究發(fā)現(xiàn)，土壤施用生物炭聯(lián)合葉面噴施或土壤添加納米鋅可有效降低小麥植株鎘含量30%以上，同時(shí)促進(jìn)小麥生長(zhǎng)，然而以上研究并沒(méi)有從分子水平研究相關(guān)基因表達(dá)對(duì)小麥鎘富集的影響. 基于此，該試驗(yàn)向鎘污染土壤添加不同劑量的小麥秸稈生物炭以及微量元素鋅，探究生物炭以及生物炭聯(lián)合鋅施用對(duì)鎘污染土壤形態(tài)轉(zhuǎn)化，以及對(duì)小麥鎘富集影響及其分子機(jī)制，以期為利用生物炭和鋅修復(fù)鎘污染稻田提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自河北省石家莊市洨河污灌區(qū)0～20 cm小麥土. 土樣風(fēng)干后混勻，去除植物碎片，磨細(xì)并過(guò)1.70 mm篩. 土壤鎘含量為1.45 mg/kg，pH為7.9，有機(jī)質(zhì)含量為1.47%，全氮和堿解氮含量分別為880、84.8 mg/kg，全磷和有效磷含量分別為22.4、1.47 mg/kg，CEC (土壤陽(yáng)離子交換量)為23.2 cmol/kg.

小麥秸稈生物炭購(gòu)買于市場(chǎng)某公司，生物炭的基本理化性質(zhì)：pH為8.81±0.41（參照 GB/T 12496.7-1999《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法 pH值的測(cè)定》，灰分含量69.4%(參照GB/T 17664-1999《木炭試驗(yàn)方法》），粒徑為1～0.25 mm，鉛和鎘含量分別為(2.23±0.15)和(0.16±0.04) mg/kg. 微量元素鋅使用七水合硫酸鋅(分析純). 供試小麥品種為邯麥17.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)每盆(規(guī)格25×35 cm)裝土10 kg，按不同質(zhì)量比加入生物炭，試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理組，土施生物炭水平分別為0、1.0%、1.5%和2.0%，分別用B0、B1、B2和B3表示. 在上述4個(gè)處理組基礎(chǔ)上，再增加4個(gè)鋅處理組，即在上述處理組中按每kg土壤再施入30 mg七水合硫酸鋅，形成B0+Zn、B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn，共8組試驗(yàn). 試驗(yàn)所用基肥為尿素3.3 g/盆，過(guò)磷酸鈣6.7 g/盆，氯化鉀2.7 g/盆，一周后移栽播種小麥. 每個(gè)處理組設(shè)置3個(gè)平行樣.

1.3 樣品分析

1.3.1 土壤理化性質(zhì)和土壤鎘形態(tài)測(cè)定

小麥成熟期取小麥植株樣品和土壤樣品，風(fēng)干土pH用電位法測(cè)定(土、水質(zhì)量比為1∶2.5). 土壤有機(jī)質(zhì)、CEC、全氮、堿解氮、全磷、速效磷采用常規(guī)法測(cè)定[22]. 采用Tessier連續(xù)提取法[23]分析土壤樣品形態(tài)可交換態(tài)(EX)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(CA)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(OM)、有機(jī)結(jié)合態(tài)(OX)和殘?jiān)鼞B(tài)(RE). 采用檢測(cè)限較低的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-MS，PerkinElmer NexION 2000)測(cè)定.

1.3.2 小麥抗氧化酶活性測(cè)定

在小麥灌漿期采集小麥植株樣品，測(cè)定小麥根系抗氧化酶活性. 丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法[24]測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)比色法測(cè)定，過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶(CAT)采用過(guò)氧化氫(H2O2)還原法[25]測(cè)定.

1.3.3 小麥相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因測(cè)定

小麥根系總核糖核酸（RNA）采用RNA試劑盒提取，用Verso cDNA定量反轉(zhuǎn)錄試劑盒和DNaseItreatment將RNA逆轉(zhuǎn)錄為cDNA. 實(shí)時(shí)定量PCR體系按照 SYBR Premix Ex TaqII定量試劑盒的要求配制，聯(lián)合7500 Fast Real-Time PCR（7500型，Applied Biosystems?，2016年）連續(xù)測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定，反應(yīng)步驟：90 ℃下預(yù)變性30 s，95 ℃下延伸15 s，共40個(gè)循環(huán)，60 ℃下延伸30 s，72 ℃下延伸30 s，熔解曲線分析和瓊脂糖凝膠電泳用于證實(shí)成功擴(kuò)增.以O(shè)sActin作為內(nèi)參基因，采用2-△△Ct法估算各處理組根系樣品中所測(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的相對(duì)表達(dá). 該試驗(yàn)中所測(cè)的基因引物均能單擴(kuò)增其各自的基因，其熔解曲線表現(xiàn)為單峰，各相關(guān)基因引物序列參考文獻(xiàn)[4].

1.3.4 小麥植株生長(zhǎng)指標(biāo)和鎘含量測(cè)定

成熟期采集整盆小麥樣品，測(cè)定穗粒數(shù)、株高、產(chǎn)量和百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素. 植株分為根、莖、葉和籽粒，用去離子水沖洗后，在120 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱量，粉碎過(guò)0.42 mm篩. 植物樣品中的鎘含量通過(guò)HNO3-HClO4(體積比為4∶1)消解后用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）分析其鎘含量. 試驗(yàn)中使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)菠菜(GBW10015)以及空白樣對(duì)試驗(yàn)誤差進(jìn)行校正，回收率均在92%～111%之間. 轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)和富集系數(shù)(BCF)計(jì)算公式：

式中：Ci、Cj分別代表小麥的不同組織器官鎘濃度，mg/kg，其中i為位于j上部的器官（如i為莖，j為根）；Csoil為土壤鎘含量，mg/kg. 采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)和方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭以及和鋅混施對(duì)土壤pH、有機(jī)質(zhì)和鎘形態(tài)的影響

施用生物炭處理組B1、B2和B3相對(duì)于對(duì)照組B0，土壤pH分別顯著增加0.09、0.12和0.14 (P＜0.05)，在生物炭基礎(chǔ)上施用鋅相對(duì)于單施生物炭對(duì)土壤pH沒(méi)有顯著影響(P＞0.05). 而且，生物炭處理組B1和B1+Zn沒(méi)有顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量(P＞0.05)，而處理組B2、B3、B2+Zn和B3+Zn的土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著增加，增幅分別為0.10%、0.14%、0.11%和0.13%.

施用生物炭和鋅對(duì)土壤鎘形態(tài)的影響見(jiàn)圖1，供試土壤中鎘主要以移動(dòng)性弱的殘?jiān)鼞B(tài)（RE）形式存在，其占比為46%，屬生物不可利用態(tài)；其次以碳酸鹽結(jié)合態(tài)（CA）和有機(jī)結(jié)合態(tài)形式（OX）存在，占比分別為20%和18%，屬于潛在的生物可利用態(tài)；移動(dòng)性強(qiáng)的可交換態(tài)（EX）占13%；屬生物可利用態(tài)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（OM）占3%. 與對(duì)照組相比，施用生物炭可促使土壤中可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)向穩(wěn)定性強(qiáng)的有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，且隨著生物炭施用量的增加轉(zhuǎn)化比例顯著增加. 例如，處理組B1、B2和B3可交換態(tài)鎘分別降低4%、5%和7%，碳酸鹽結(jié)合態(tài)分別降低5%、7%和9%，表明生物炭施用能顯著降低土壤鎘生物的有效性. 在生物炭處理的基礎(chǔ)上，混施鋅相對(duì)于土壤單獨(dú)施用生物炭對(duì)土壤鎘形態(tài)沒(méi)有顯著影響(P＞0.05).

圖1 土壤施生物炭和微量元素鋅對(duì)土壤鎘形態(tài)的影響Fig.1 Soil applications of biochar and zinc impacts on soil cadmium fractions

2.2 生物炭以及和鋅混施對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響

生物炭以及和鋅混施對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響見(jiàn)圖2，所有施生物炭處理組均比對(duì)照組顯著提高了小麥穗粒數(shù)、株高、產(chǎn)量和百粒重，增幅分別為8%～17%、13%～20%、5%～15%和12%～24% (P＜0.05)，并且各生長(zhǎng)指標(biāo)隨著生物炭施用量的增加而逐漸提高，說(shuō)明生物炭能夠顯著改善產(chǎn)量構(gòu)成因子. 在施用生物炭的基礎(chǔ)上施用鋅肥能進(jìn)一步提高小麥的各生長(zhǎng)指標(biāo)，與單施生物炭相比，小麥穗粒數(shù)、株高、產(chǎn)量和百粒重分別提高4%～12%、3%～6%、4%～7%和5%～10%，說(shuō)明施用鋅肥能進(jìn)一步改善產(chǎn)量構(gòu)成因子.

圖2 土壤施生物炭和鋅肥對(duì)小麥穗粒數(shù)、株高、產(chǎn)量和百粒重的影響Fig.2 Soil applications of biochar and zinc impacts on grain number per spike, plant height, yield, and 100-grain weight

2.3 生物炭以及和鋅混施對(duì)小麥各部位鎘含量影響

施用生物炭以及和鋅混施對(duì)小麥籽粒、根、莖和葉鎘含量的影響見(jiàn)圖3. 施用1.0%、1.5%和2.0%生物炭可使小麥籽粒鎘含量分別降低29%、43%和57% (P＜0.05)，且各處理間差異顯著(P＜0.05)，但僅2.0%生物炭處理組籽粒鎘含量(0.09 mg/kg)低于GB 2762-2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》標(biāo)準(zhǔn)限值(0.1 mg/kg). 土壤施用鋅可顯著降低籽粒鎘含量(38%)，生物炭和鋅混施與相同施用量的生物炭單施相比，對(duì)應(yīng)的籽粒鎘含量分別降低39%、38%和21%，均低于0.1 mg/kg.

圖3 土壤施生物炭和鋅肥對(duì)小麥籽粒、根、莖和葉鎘含量的影響Fig.3 Soil applications of biochar and zinc impacts on cadmium concentrations in wheat grain, root,stem and leaf

B1、B2和B3處理組根的鎘含量與對(duì)照組相比分別降低37%、44%和47% (P＜0.05)，B3顯著高于B1處理組(P＜0.05). 鋅處理組(B0+Zn)根鎘含量顯著降低(38%)，B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組相對(duì)于B1、B2和B3處理組分別降低25%、19%和19%(P＜0.05)，但B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn之間無(wú)顯著差異(P＞0.05). B1、B2和B3處理組莖鎘含量與對(duì)照組相比分別降低26%、51%和60% (P＜0.05)，各處理組之間具有顯著性差異(P＜0.05). B0+Zn處理組莖鎘含量顯著降低(38%)，B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組相對(duì)于B1、B2和B3處理組分別降低39%、29%和26% (P＜0.05)，且各處理組之間差異顯著(P＜0.05). B1、B2和B3處理組葉鎘含量與對(duì)照組相比分別降低26%、31%和34% (P＜0.05)，各處理組之間無(wú)顯著性差異(P＜0.05). B0+Zn處理組葉鎘含量顯著降低(32%)，B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組相對(duì)于B1、B2和B3處理組分別降低30%、49%和49% (P＜0.05).

施用生物炭以及和鋅混施后的小麥籽粒、根、莖和葉鎘富集系數(shù)和各器官之間轉(zhuǎn)運(yùn)因子見(jiàn)表1. 施用生物炭和鋅均能顯著降低小麥籽粒、根、莖和葉的鎘富集系數(shù)(P＜0.05). B3、B2+Zn和B3+Zn處理組根向莖的轉(zhuǎn)移系數(shù)TFroot-stem與對(duì)照處理組相比分別降低23%、24%和31%，顯著抑制了鎘從根向地上部分的轉(zhuǎn)移. 各處理組莖向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)TFstem-grain無(wú)顯著性差異，但顯著增加了鎘從莖向葉(TFstem-leaf)的轉(zhuǎn)移.

表1 土壤施用生物炭和鋅對(duì)小麥各組織鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)影響Table 1 Soil applications of biochar and zinc impacts on the translocation factor (TF) and bioconcentration factor (BCF)

2.4 生物炭以及和鋅混施對(duì)小麥MDA和抗氧化酶活性影響

各處理組小麥根SOD、MDA、CAT和POD活性如圖4所示. B1、B2和B3處理組MDA含量與對(duì)照組相比分別升高12%、20%和25% (P＜0.05)，且各處理組間具有顯著性差異(P＜0.05). 土壤施用鋅可顯著提高M(jìn)DA含量16%，B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組分別與B1、B2和B3處理組相比，MDA含量分別升高13%、13%和9%. B1、B2和B3處理組SOD活性與對(duì)照組相比分別降低55%、145%和260%(P＜0.05). 鋅處理組(B0+Zn)SOD活性顯著升高91%，B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組分別相對(duì)于B1、B2和B3處理組沒(méi)有顯著性差異(P＞0.05). B1、B2和B3處理組CAT活性與對(duì)照組相比分別降低8%、13%和20% (P＜0.05)，各處理組之間具有顯著性差異(P＜0.05)，B0+Zn處理組CAT活性顯著降低11%，B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組分別相對(duì)于B1、B2和B3處理組沒(méi)有顯著性差異(P＞0.05)，但B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組之間具有顯著性差異(P＜0.05). B1、B2和B3處理組POD活性與對(duì)照組相比分別升高3%、9%和16%，B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組分別相對(duì)于B1、B2和B3處理組沒(méi)有顯著性差異(P＞0.05).

圖4 土壤施用生物炭和鋅對(duì)小麥SOD、MDA、CAT和POD活性的影響Fig.4 Soil applications of biochar and zinc impacts on the activities of SOD, MDA, CAT and POD

2.5 生物炭以及和鋅混施對(duì)小麥調(diào)控基因表達(dá)的影響

所有施生物炭處理組(B1、B2和B3)都比對(duì)照組顯著降低了TaNramp5表達(dá)(見(jiàn)圖5)，降幅分別為28%、31%和35% (P＜0.05)，B3處理組與B1、B2處理組均具有顯著性差異(P＜0.05). 土壤施用鋅可顯著降低籽TaNramp5表達(dá)(31%)，生物炭和鋅混施與單施相同量的生物炭相比，對(duì)應(yīng)的TaNramp5表達(dá)分別降低10%、16%和15% (P＜0.05)，表明土壤施用生物炭和鋅可顯著降低土壤鎘向小麥根系中轉(zhuǎn)運(yùn). B1、B2和B3處理組TaLCT1相對(duì)表達(dá)較對(duì)照處理組分別降低28%、32%和38% (P＜0.05)，土壤施用鋅對(duì)應(yīng)TaLCT1相對(duì)表達(dá)可顯著降低(31%). B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組分別與B1、B2和B3處理組相比，對(duì)應(yīng)的TaLCT1相對(duì)表達(dá)分別降低11%、16%和16% (P＜0.05)，表明生物炭和鋅處理可降低小麥低親和性陽(yáng)離子通道對(duì)土壤鎘的吸收.

圖5 土壤施用生物炭和鋅對(duì)小麥基因TaLCT1、TaNramp5、TaHMA3和TaHMA2相對(duì)表達(dá)的影響Fig.5 Soil applications of biochar and zinc impacts on the expression of TaLCT1, TaNramp5,TaHMA3 and TaHMA2

然而，B1、B2和B3處理組中TaHMA3相對(duì)表達(dá)較對(duì)照處理組分別升高20%、32%和54%（P＜0.05），土壤施用鋅TaHMA3相對(duì)表達(dá)可顯著提高(32%).B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組分別與B1、B2和B3處理組相比，對(duì)應(yīng)的TaHMA3相對(duì)表達(dá)分別提高27%、25%和12% (P＜0.05)，說(shuō)明生物炭和鋅處理增加了小麥根系吸收的鎘向小麥液泡中轉(zhuǎn)移，從而降低鎘向地上部分遷移. B1、B2和B3處理組TaHMA2相對(duì)表達(dá)與對(duì)照組相比分別降低21%、25%和31%(P＜0.05), B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn處理組分別相對(duì)于B1、B2和B3處理組無(wú)顯著變化(P＞0.05)，表明生物炭和鋅施用可通過(guò)降低小麥根系中的鎘向木質(zhì)部中輸入，從而降低鎘向地上部分轉(zhuǎn)移.

3 討論

3.1 生物炭以及和鋅混施應(yīng)用模式及對(duì)土壤鎘形態(tài)的影響

鋅是維持作物生物膜所必需的元素，含鋅金屬酶對(duì)葉綠體合成碳水化合物起到至關(guān)重要的作用[26]，施用鋅肥在小麥生長(zhǎng)初期可促進(jìn)小麥種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)[27]，提高作物的環(huán)境抗逆性[28]，增加小麥植株鋅含量和降低鎘脅迫[4]，從而增加作物產(chǎn)量. 該研究中，在生物炭施用的基礎(chǔ)上，施用鋅可進(jìn)一步提升小麥的穗粒數(shù)、株高、產(chǎn)量和百粒重，且土壤施用生物炭和鋅均能降低小麥根、莖、葉和籽粒中鎘的含量，且在B3、B1+Zn、B2+Zn和B3+Zn四個(gè)處理組中，小麥籽粒鎘含量均顯著低于GB 2762-2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中鎘的限值，說(shuō)明以上措施可以成為該污染土壤農(nóng)田安全利用技術(shù)模式，但該技術(shù)模式的可靠性在環(huán)境更為復(fù)雜的田間應(yīng)用需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證.

有研究[29-30]表明，重金屬總量在某種程度上反映重金屬的污染水平，而重金屬形態(tài)及其生物有效性決定其對(duì)生物體中的富集能力及其生物毒性，通過(guò)改變土壤中重金屬的賦存形態(tài)、降低其在土壤中的有效性和遷移性是降低重金屬在植物體內(nèi)富集和毒性的重要途徑. 生物炭具有吸附土壤中重金屬陽(yáng)離子的作用，并且能夠通過(guò)較大的比表面積和官能團(tuán)絡(luò)合、離子交換和共沉淀以及π電子對(duì)金屬離子等吸引作用降低土壤中重金屬的生物有效性[9,31-32]. 另外，生物炭本身呈堿性(pH為8.81±0. 41)，加入到土壤中會(huì)提高土壤pH，通過(guò)堿化土壤從而降低土壤中重金屬的生物有效性和可移動(dòng)性. 此外，除pH外，有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤重金屬生物有效性最重要的關(guān)鍵因素[31]，有機(jī)質(zhì)主要富存于耕層土壤，并含有豐富的官能團(tuán)，可通過(guò)絡(luò)合和螯合等作用與土壤陽(yáng)離子結(jié)合，其對(duì)陽(yáng)離子的結(jié)合能力遠(yuǎn)強(qiáng)于礦物質(zhì)膠體，有研究認(rèn)為溶解性有機(jī)質(zhì)可能存在調(diào)控植物吸收陽(yáng)離子的生理過(guò)程，進(jìn)而降低小麥植株鎘的吸收(見(jiàn)圖3).

3.2 鋅對(duì)小麥鎘富集的影響

鋅與鎘為同族元素，在土壤中具有相似的環(huán)境地球化學(xué)行為，是土壤陽(yáng)離子交換吸附位點(diǎn)的主要競(jìng)爭(zhēng)者[7]，土壤理化性質(zhì)、鎘和鋅濃度和形態(tài)特征對(duì)其拮抗具有重要影響[33]. 在該研究中，土壤單獨(dú)施加鋅及與生物炭聯(lián)合施加分別與對(duì)照組和單獨(dú)施加生物炭組對(duì)比，土壤鎘形態(tài)沒(méi)有顯著變化，這與李虹呈等[34]研究鋅對(duì)土壤交換態(tài)鎘含量無(wú)顯著影響的結(jié)果一致，可能原因是該研究施用的鋅含量沒(méi)有顯著改變土壤pH、Eh和有機(jī)質(zhì)等土壤理化性質(zhì). 雖然鋅不能顯著影響土壤鎘的生物有效性，但已有研究[4]表明，土壤施加鋅可以顯著增加小麥植株體內(nèi)鋅含量，并通過(guò)鋅與鎘的拮抗作用，從而顯著降低根系對(duì)鎘的吸收以及根表韌皮部鎘向木質(zhì)部的遷移. 另外，鋅還參與了維護(hù)二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶和葉綠體Zn-SOD的活性，能夠有效降低鎘在植物體內(nèi)引起的毒性[35]. 此外，生物炭和鋅均能顯著促進(jìn)小麥植株的生長(zhǎng)，對(duì)植株體內(nèi)鎘含量具有“稀釋效應(yīng)”.

3.3 施用生物炭以及和鋅混施對(duì)小麥MDA和抗氧化酶活性影響

小麥在鎘污染脅迫下，小麥植株產(chǎn)生和清除體內(nèi)自由基的能力失去平衡，活性氧(ROS)含量升高，膜脂過(guò)氧化作用增強(qiáng)，細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷等造成氧化脅迫. MDA是生物組織在遭受氧化脅迫作用下膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物，被作為生物膜脂發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)細(xì)胞膜損傷程度的指標(biāo). SOD是生物體內(nèi)防御氧化自由基形成的重要酶，外源鎘脅迫會(huì)誘導(dǎo)生物SOD的分泌. POD是生物體內(nèi)的氧化還原酶，普遍存在于生物體內(nèi)，具有多種生理功能，其主要作用是催化SOD產(chǎn)生的過(guò)氧化氫，并對(duì)外在環(huán)境脅迫反應(yīng)靈敏. SOD、POD和 CAT活性增加是生物對(duì)環(huán)境脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)，通過(guò)協(xié)同作用可以防御ROS基對(duì)細(xì)胞膜的損害，使膜脂過(guò)氧化程度減輕，降低鎘脅迫對(duì)生物細(xì)胞造成的傷害. 該研究發(fā)現(xiàn)，土壤添加鋅和生物炭均能增加小麥根系SOD、POD和 CAT活性和降低MDA在根系中的積累，相對(duì)改善和平衡小麥根系細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與消除，是降低土壤鎘對(duì)小麥毒性的重要調(diào)節(jié)過(guò)程.

3.4 生物炭以及和鋅混施對(duì)小麥調(diào)控基因表達(dá)的影響

近年來(lái)，隨著細(xì)胞分子水平的發(fā)展，大量與植物鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，其中包括小麥植株鎘富集和轉(zhuǎn)運(yùn)基因，生物炭和鋅調(diào)控小麥鎘相關(guān)基因的表達(dá)被認(rèn)為是其降低鎘吸收和毒性的另一個(gè)重要機(jī)制. 植物鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)體家族基因主要有Nramp、CE、CAX、ZIP、OPT家族基因以及重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶(HMA)亞族基因等[36-37]. 小麥中TaHMA2和TaHMA3基因，天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白家族基因的TaNramp5基因，低親和離子轉(zhuǎn)運(yùn)子基因(TaLCT1)等基因均與鎘從土壤中吸收和向地上組織的轉(zhuǎn)移和積累鎘密切相關(guān)[38]. 位于根系細(xì)胞原生質(zhì)膜上的Nramp5基因被認(rèn)為是植株吸收土壤錳、鎘的主要通道，敲除Nramp5后導(dǎo)致水稻中的錳、鎘含量的顯著下降[39]，從而導(dǎo)致鎘含量與富集因子的顯著降低(見(jiàn)圖3和表1).TaLCT1則參與植株節(jié)點(diǎn)韌皮部的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)，小麥籽粒鎘的富集取決于木質(zhì)部介導(dǎo)的從根部向地上部分傳輸以及韌皮部介導(dǎo)的地上部分向籽粒傳輸，敲除OsLCT1對(duì)木質(zhì)部介導(dǎo)的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)沒(méi)有顯著影響，而降低了韌皮部介導(dǎo)的向籽粒中傳輸[40]，因此，該研究中小麥根中OsLCT1表達(dá)量的降低沒(méi)有顯著影響莖向籽粒中鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(見(jiàn)表1).TaHMA2可以將細(xì)胞原生質(zhì)膜上的鎘向地上部分傳輸，增加鎘向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，其表達(dá)量的降低(見(jiàn)圖3)顯著降低了TFroot-stem(見(jiàn)表1). 而TaHMA3于液泡膜上，將細(xì)胞質(zhì)中的鎘泵入液泡中，其表達(dá)量的增加可以降低根系鎘向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)(見(jiàn)表1). 通過(guò)以上多種調(diào)控的協(xié)調(diào)表達(dá)，顯著降低小麥從土壤中吸收鎘，以及將鎘向地上部分轉(zhuǎn)移，從而降低鎘在小麥植株中的富集. Zhao等[41]對(duì)以上基因以及其他相關(guān)基因在水稻植株中對(duì)鎘的相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制做了詳細(xì)闡述，該研究對(duì)鎘在小麥植株中的遷移與富集具有重要借鑒意義.

研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能有效降低土壤鎘生物有效性[42-43]，且鎘的脅迫對(duì)內(nèi)源性鋅含量高的小麥種子和吸收顯著低于內(nèi)源性鋅含量低的小麥，外源添加鋅或生物炭后能進(jìn)一步降低小麥鎘的吸收，而生物炭與鋅聯(lián)合施用可使小麥籽粒鎘含量降低60%以上[21]. 以上研究結(jié)果與筆者研究結(jié)果一致，生物炭和鋅施用通過(guò)降低鎘轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)，從而降低鎘的吸收和生理毒性從而促進(jìn)小麥生長(zhǎng). 該研究對(duì)從生理和分子水平上對(duì)生物炭聯(lián)合鋅施用降低小麥鎘吸收提供進(jìn)一步認(rèn)識(shí).

4 結(jié)論

a) 土壤施用生物炭可促使可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘向穩(wěn)定性強(qiáng)的有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，顯著降低土壤鎘生物有效性，從而降低小麥鎘的生物富集. 土壤施用1%～2%生物炭能夠降低29%～57%小麥籽粒鎘含量，且2.0%生物炭施用可將籽粒鎘含量降至0.1 mg/kg以下，因此通過(guò)土壤添加生物炭和鋅對(duì)污灌區(qū)小麥的安全生產(chǎn)具有實(shí)際參考和指導(dǎo)意義.

b) 該研究中土壤pH＞7.9情況下，鋅通過(guò)與鎘的拮抗作用顯著降低小麥植株鎘的積累，土壤施用鋅以及與生物炭混施具有協(xié)同效應(yīng)，可在單施生物炭基礎(chǔ)上使小麥籽粒鎘含量降低21%～39%.

c) 生物炭和鋅施用可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高小麥產(chǎn)量，并通過(guò)調(diào)節(jié)小麥MDA和抗氧化酶活性提升小麥根系細(xì)胞抗氧化能力，以及調(diào)節(jié)鎘轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)，降低小麥根系從土壤中吸收鎘以及向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)，是生物炭和鋅調(diào)控小麥鎘吸收和毒性的重要機(jī)制.

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