摘要：減少作物可食用部位鎘（Cd）積累是降低人體Cd暴露風(fēng)險的有效途徑。牡蠣殼粉因能改善土壤酸化程度、促進(jìn)作物增產(chǎn)和減少Cd在作物中的積累而備受關(guān)注。為明確不同生育期施用牡蠣殼粉對小麥籽粒Cd富集的影響，本研究設(shè)置不施用牡蠣殼粉（CK）、拔節(jié)期施用牡蠣殼粉和抽穗期施用牡蠣殼粉3個處理，分析不同生育期施用牡蠣殼粉對小麥各器官Cd積累和分配的影響。結(jié)果表明：拔節(jié)期施用牡蠣殼粉和抽穗期施用牡蠣殼粉都能顯著增加小麥千粒質(zhì)量及地上部干質(zhì)量，小麥籽粒Cd含量分別降低24.9%和37.7%。2個時期施用牡蠣殼粉處理對籽?？侰d吸收量影響不大，籽粒中Cd的分配比例略有增加。抽穗期施用牡蠣殼粉能更有效促進(jìn)Cd在穗下節(jié)間的積累?？傊樗肫谑切←溩蚜Ｖ蠧d積累的關(guān)鍵期，此時期施用牡蠣殼粉能增加Cd在穗下節(jié)間的滯留，減輕Cd對小麥植株生長的脅迫，小麥籽粒產(chǎn)量增加，從而導(dǎo)致小麥籽粒Cd含量的降低。

關(guān)鍵詞：小麥；牡蠣殼粉；鎘含量

中圖分類號：X171;S513.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-4440（2024）02-0243-08

Effects of oyster shell powder applying at different growth stages on cadmium accumulation in wheat grains

CHEN Xing-wang1，2，YANG Hua1，2，CAI Xiong-fei1，2，ZHAO Hui-fang1，2，XIAO Cai-xia1，2，QU Chao-zheng1，2，WANG Sheng-li1，2

（1.School of the Geography and Environmental Science， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China;2.The State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province， Guiyang 550001， China）

Abstract：Reducing the accumulation of cadmium （Cd） in edible parts of crops is an effective way to reduce the risk of human Cd exposure. Oyster shell powder has attracted much attention because it can improve soil acidification， promote crop yield and reduce the accumulation of Cd in crops. In order to clarify the effect of oyster shell powder application at different growth stages on Cd accumulation in wheat grains， three treatments were set up in this study：no oyster shell powder application （CK）， oyster shell powder application at jointing stage and oyster shell powder application at heading stage. The effects of oyster shell powder application at different growth stages on Cd accumulation and distribution in wheat organs were analyzed. The results showed that the application of oyster shell powder at jointing stage and heading stage could significantly increase the 1 000-grain weight and shoot dry weight of wheat， and the Cd content in wheat grains decreased by 24.9% and 37.7%， respectively. The application of oyster shell powder in the two periods had little effect on the total Cd uptake in the grains， and the distribution ratio of Cd in the grains increased slightly. The application of oyster shell powder at heading stage could more effectively promote the accumulation of Cd in the internodes under the ear. In conclusion， the heading stage was the key period for Cd accumulation in wheat grains. The application of oyster shell powder during this period could increase the retention of Cd in the internodes below the spike， reduce the stress of Cd on the growth of wheat plants， increase the yield of wheat grains， and lead to the decrease of Cd content in wheat grains.

Key words：wheat；oyster shell powder；cadmium content

鎘（Cd）是自然環(huán)境中毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，屬于第I類致癌物質(zhì)[1]。如果人體長期攝入大量Cd會引發(fā)骨質(zhì)疏松、腎功能障礙、癌癥等諸多疾病[2-3]。人體暴露Cd主要通過食物攝入、呼吸吸入以及皮膚接觸等途徑[4]。對于非吸煙人群來說，食物攝入是人體暴露Cd的最主要途徑[5-6]。據(jù)2014年《全國土壤污染調(diào)查公告》顯示，中國耕地土壤中重金屬點位超標(biāo)率為19.4%，其中Cd位居所有污染物之首，污染面積占全國耕地總面積的7%[7]。由于Cd在環(huán)境中具有普遍性和較強(qiáng)的移動性，土壤中Cd很容易被作物吸收，并在籽粒中積累，最終通過食物鏈對人體健康造成威脅[8]。小麥?zhǔn)侵袊蠹Z食作物之一，2022年小麥種植面積為2.35×107hm2，總產(chǎn)量達(dá)1.377×108 t [9]。小麥對Cd較為敏感，盡管其根系吸收Cd的能力不如水稻，但其莖稈轉(zhuǎn)運Cd的能力更強(qiáng)，籽粒富集的Cd更多[10]。大量研究結(jié)果表明小麥籽粒中Cd含量受土壤中Cd污染水平的影響。在Cd污染區(qū)域種植的小麥，其籽粒Cd含量極可能超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762-2017）所規(guī)定的限值。王怡雯等[11]通過對中國河北保定、河南新鄉(xiāng)小麥主產(chǎn)區(qū)50份小麥籽粒樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)55%的樣品Cd含量超標(biāo)。Li 等[12]對貴州102份小麥籽粒樣品Cd含量分析發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒Cd含量為0.012 mg/kg～0.573 mg/kg，超標(biāo)率為45.1%。肖冰等[13]對種植在受冶煉廠、污水灌溉、道路交通共同影響的耕地中小麥籽粒Cd含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)76.6%籽粒樣品Cd含量超過國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值。因此，降低小麥籽粒中Cd的積累，對保障糧食生產(chǎn)安全和人體健康有著重要的意義。

牡蠣（Ostrea gigas thunberg）是常見的海產(chǎn)經(jīng)濟(jì)貝類。2022年，中國牡蠣產(chǎn)量高達(dá)6.2×106t[14]。食用后丟棄的牡蠣殼不僅占用土地資源，同時其有機(jī)質(zhì)降解會滋生大量病原微生物并產(chǎn)生惡臭氣體，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[14-16]。牡蠣殼由最外層的貝殼硬蛋白及內(nèi)層的棱柱層和珍珠層構(gòu)成[17]，兩部分均以碳酸鈣為主要成分[18]。同時，牡蠣殼還含有豐富的Fe、Mn、Zn、Se等微量元素、有機(jī)質(zhì)和氨基酸[19]。近年來，利用牡蠣殼作為土壤調(diào)理劑實現(xiàn)作物增產(chǎn)和降低作物Cd富集的研究結(jié)果已有報道[20-22]。Tefera 等[23]研究結(jié)果表明，施用牡蠣殼粉能顯著提高水稻的產(chǎn)量，大幅度降低水稻籽粒Cd含量。Yang等[24]研究發(fā)現(xiàn)，施用1 g/kg牡蠣殼粉能提高水稻產(chǎn)量19.8%，并降低水稻籽粒Cd含量43.5%。

拔節(jié)期至成熟期是小麥籽粒Cd積累的關(guān)鍵時期[25]。然而，不同生育時期施用牡蠣殼粉對小麥籽粒Cd積累的影響機(jī)制尚不清楚。為此，本研究通過盆栽試驗，分析拔節(jié)期和抽穗期施用牡蠣殼粉對小麥各組織中Cd含量及分配比例的影響，進(jìn)一步明確施用牡蠣殼粉降低小麥籽粒Cd含量的敏感期及機(jī)制，旨在為Cd污染耕地的安全生產(chǎn)提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料與設(shè)計

從貴陽清鎮(zhèn)市犀牛村水稻田采集0～20 cm表層土，土壤pH 6.02、有機(jī)質(zhì)含量21.2 g/kg、陽離子交換容量8.16 mmol/kg、總氮含量0.72 g/kg、總磷含量586.2 mg/kg、總鉀含量0.74 g/kg、全Cd含量 0.44 mg/kg。將采集到的土壤剔除石塊和植物殘渣，自然晾干后過2 mm篩，然后裝入30個口徑26.5 cm、高23.0 cm的聚乙烯盆中。每盆裝土7.5 kg后，加入4.5 mg CdCl2·2.5H2O并混合均勻，噴灑水分保持土壤60%含水率，自然老化30 d后施入基肥（尿素0.25 g、過磷酸鈣0.60 g、硫酸鉀0.375 g）并進(jìn)行小麥播種。供試小麥品種為Cd低積累品種堯麥16[26]，種子由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。每盆播種6粒挑選的飽滿種子，于小麥兩葉期定苗，每盆保留3株健壯苗。播種后30 d和50 d每盆分別追施0.25 g尿素。

牡蠣殼粉購自福建瑪塔生態(tài)科技有限公司，其pH 8.5、CaCO3含量96.1%以上，未檢出Cd。試驗設(shè)不添加牡蠣殼粉（CK）、拔節(jié)期每盆添加7.5 g牡蠣殼粉（CdJ）和抽穗期每盆添加7.5 g牡蠣殼粉（CdH）3個處理，每處理10盆。

小麥成熟后，每處理選擇長勢中等的3盆進(jìn)行測定。用清水將小麥根系沖洗干凈后，先測定株高，然后按圖1將小麥植株進(jìn)行器官分離，烘干后得到各器官干質(zhì)量及籽粒千粒質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量等農(nóng)藝參數(shù)?？紤]到供試小麥成熟期一般僅有4個伸長節(jié)間，倒4葉較小，研究中測定的器官主要有籽粒、穎殼（含穗軸）、4個節(jié)間（含葉鞘）、3張葉片（葉片Ι、葉片Ⅱ、葉片Ⅲ）、3個節(jié)（節(jié)Ι、節(jié)Ⅱ、節(jié)Ⅲ）和根等。

1.2樣品中金屬元素含量的測定

將自然風(fēng)干后的植物樣品進(jìn)行研磨粉碎后，準(zhǔn)確稱取0.2 g樣品，加入10 ml體積比為4∶1的純硝酸（HNO3）與高氯酸（HClO4）混合溶液，靜置12 h后于電熱板上消解。用NexION 2000型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國PerkinElmer公司產(chǎn)品）測定樣品中Cd的含量，用GGX-800型原子吸收分光光度計（北京海光儀器有限公司產(chǎn)品）測定樣品中Ca、Fe和Zn的含量。

1.3數(shù)據(jù)處理

測得各器官干質(zhì)量和Cd含量后，根據(jù)植株各器官的Cd質(zhì)量與植株總Cd質(zhì)量比得到各器官Cd分配比例；采用加權(quán)法計算小麥莖鞘和葉片平均Cd含量[27]：

莖鞘平均Cd含量=∑4i=1CdIi×WIi+∑3i=1CdNi×WNi∑4i=1WIi+∑3i=1WNi

葉片平均Cd含量=∑3i=1CdLi×WLi∑3i=1WLi

式中，WIi、WNi、WLi分別為第i位的節(jié)間干質(zhì)量、節(jié)干質(zhì)量、葉片干質(zhì)量，CdIi、CdNi、CdLi分別為第i位的節(jié)間、節(jié)、葉片Cd含量。

采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，利用Duncan’s檢驗分析不同處理差異顯著性，利用OriginPro 2022進(jìn)行圖表繪制。

2結(jié)果與分析

2.1不同生育期施用牡蠣殼粉對小麥農(nóng)藝性狀及Cd吸收總量的影響

不同生育期施用牡蠣殼粉對小麥成熟期農(nóng)藝性狀及Cd吸收總量的影響如表1所示。從表中可以看出，與對照（CK）相比，拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理（CdJ）和抽穗期施用牡蠣殼粉處理（CdH）的小麥籽粒千粒質(zhì)量分別增加11.4%和13.7%，地上部干質(zhì)量分別增加35.5%和63.3%，差異顯著。且抽穗期施用牡蠣殼粉處理的地上部干質(zhì)量比拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理增加更為顯著。而施用牡蠣殼粉對株高和根部干質(zhì)量均沒有顯著影響。與CK相比，拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理和抽穗期施用牡蠣殼粉處理小麥Cd吸收總量略有增加，但差異均未達(dá)到顯著水平。

2.2小麥各器官中Cd含量

不同生育期施用牡蠣殼粉對小麥各器官中Cd含量的影響如圖2所示。與CK相比，拔節(jié)期施用牡蠣殼粉和抽穗期施用牡蠣殼粉均能降低根、葉片、穎殼和籽粒中的Cd含量（圖2A）。拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理的小麥根、葉片、穎殼和籽粒中Cd含量分別比CK降低25.4%、16.5%、28.5%、24.9%；抽穗期施用牡蠣殼粉處理的小麥根、穎殼和籽粒中Cd含量減少效果比拔節(jié)期更為顯著，分別比CK降低42.2%、40.3%、37.7%。與CK相比，抽穗期施用牡蠣殼粉處理的小麥莖中Cd含量得到了顯著增加，增加量達(dá)27.4%。

3個處理的小麥穗下節(jié)間（節(jié)間Ⅰ）中Cd含量均高于其他節(jié)間（圖2B）。與CK相比，拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理對各節(jié)間Cd含量沒有顯著影響，而抽穗期施用牡蠣殼粉處理能顯著增加穗下節(jié)間的Cd含量，降低節(jié)間Ⅱ和節(jié)間Ⅲ的Cd含量，降幅分別為30.1%和43.2%。3個處理的小麥倒3葉葉片（葉片Ⅲ）和倒1節(jié)（節(jié)Ⅰ）的Cd含量均表現(xiàn)為最高，但施用牡蠣殼粉處理對各葉片和各節(jié)的Cd含量均沒有顯著影響。

2.3不同處理下小麥各器官Cd分布特征

不同處理對小麥各器官中Cd分布的影響如圖3所示。與CK相比，拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理和抽穗期施用牡蠣殼粉處理均降低了Cd在根和穎殼的分配比例，其中根由21.4%分別降至14.7%和11.4%，穎殼由23.6%分別降至19.0%和18.4%。拔節(jié)期和抽穗期施用牡蠣殼粉處理均使節(jié)Cd分配比例有所增加，其中倒1節(jié)增加最為明顯，且抽穗期施用牡蠣殼粉處理比拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理增加效果更顯著。與CK相比，拔節(jié)期和抽穗期施用牡蠣殼粉處理使葉片Ⅱ、葉片ⅢCd分配比例有不同程度的降低，但葉片Ⅰ Cd分配比例有略微增加。拔節(jié)期和抽穗期施用牡蠣殼粉處理增加了節(jié)間中Cd的分布（除節(jié)間Ⅳ外），其中穗下節(jié)間Cd分配系數(shù)分別由11.7%增加至17.9%和23.6%，籽粒Cd分配比例略微增加。

2.4小麥各器官中Ca、Zn、Fe含量

不同生育期施用牡蠣殼粉處理后，小麥各器官中Ca、Zn、Fe含量的變化如表2所示。與CK相比，拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理能顯著增加根部Ca含量，增加約28.2%；抽穗期施用牡蠣殼粉處理能顯著增加倒1葉（葉片Ⅰ）Ca含量，增量為58.1%，而其他器官的Ca含量雖有增加或減少，但均未達(dá)到顯著水平。拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理各組織Zn含量與CK基本無顯著差異，但抽穗期施用牡蠣殼粉處理穗下節(jié)間（節(jié)間Ⅰ）、倒2葉（葉片Ⅱ）及根的Zn含量顯著下降，分別減少56.7%、14.8%、45.3%；而倒1節(jié)（節(jié)Ⅰ）的Zn含量顯著增加56.9%，其他器官的Zn含量與CK基本無差異。與CK相比，抽穗期施用牡蠣殼粉處理倒3節(jié)間（節(jié)間Ⅲ）Fe含量顯著降低，減少量為81.0%。其他處理的Fe含量與CK差異不大。但值得注意的是，抽穗期施用牡蠣殼粉處理，穗下節(jié)間（節(jié)間Ⅰ）的Fe含量比拔節(jié)期施用牡蠣殼粉處理顯著減少。

3討論

大量研究結(jié)果證實，牡蠣殼粉具有促進(jìn)作物增產(chǎn)的功能。例如，羅華漢等[28]發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)量隨著牡蠣殼粉施用量的增加而增產(chǎn)14.8%～22.9%。Tefera 等[23]施用牡蠣殼粉促進(jìn)高Cd積累型水稻增產(chǎn)21%，低Cd積累型水稻增產(chǎn)34%。嚴(yán)建輝[29]研究發(fā)現(xiàn)，在黃泥田中施用牡蠣殼粉土壤調(diào)理劑，花生產(chǎn)量及各項農(nóng)藝性狀均明顯增加。本研究結(jié)果表明，拔節(jié)期和抽穗期施用牡蠣殼粉處理均能促進(jìn)小麥千粒質(zhì)量增加。牡蠣殼粉作為一種生物質(zhì)材料，不僅能為植物生長提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)，同時還能提高土壤肥力[24，30-31]。因此，牡蠣殼粉促進(jìn)小麥千粒質(zhì)量增加的原因可能在于其礦質(zhì)元素、多糖、氨基酸及蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)被作物吸收利用。牡蠣殼粉作為堿性的土壤改良劑，能夠顯著緩和土壤的酸化程度[29]，并通過調(diào)節(jié)土壤pH及其他理化性質(zhì)改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[32]。另外，施用牡蠣殼粉還可以使土壤保持較好的透氣性，有效促進(jìn)植物對土壤養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)[33]。本試驗還證實抽穗期施用牡蠣殼粉比拔節(jié)期施用更能提高小麥產(chǎn)量，這可能是由于灌漿期是小麥籽粒形成的關(guān)鍵時期，在抽穗期施用牡蠣殼粉，能為小麥籽粒的形成提供大量營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)籽粒中淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等化合物的合成[34]。

以往的研究結(jié)果表明施用牡蠣殼粉可以顯著降低作物中Cd含量[21，35]。本研究結(jié)果也證實施用牡蠣殼粉能有效降低小麥各器官中的Cd含量。牡蠣殼粉主要成分是CaCO3，其可能與Cd2+發(fā)生沉淀/共沉淀和絡(luò)合反應(yīng)，降低土壤中可溶態(tài)Cd的含量[36]。Yang等[24]研究發(fā)現(xiàn)，施用牡蠣殼粉能增加土壤中可氧化態(tài)和殘渣態(tài)Cd含量，提高土壤pH值，降低可提取態(tài)和可還原態(tài)Cd含量，同時施用牡蠣殼粉能下調(diào)水稻根系中OsNramp5、OsNramp1、OsIRT1和OsHMA2等Cd吸收和轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的表達(dá)水平[24]，從而降低Cd在水稻籽粒中的積累。因此，牡蠣殼粉降低Cd在小麥籽粒中的積累，一方面可能歸因于其能降低土壤中Cd的生物有效性，另一方面可能歸因于其抑制了小麥吸收和轉(zhuǎn)運Cd相關(guān)基因的表達(dá)。

韌皮部的轉(zhuǎn)運是小麥籽粒Cd積累的主要來源[37]。節(jié)是小麥阻控Cd向上運輸?shù)闹匾课?，其中?jié)Ⅰ的阻隔效果最好[38]。本試驗也證實，無論是否施用牡蠣殼粉處理，節(jié)Ⅰ中Cd含量遠(yuǎn)高于下部節(jié)間及節(jié)，表明節(jié)Ⅰ對Cd有較強(qiáng)的滯留作用。同時，抽穗期施用牡蠣殼粉處理能顯著增加Cd在節(jié)Ⅰ的分配比例。Uraguchi等[39]研究發(fā)現(xiàn)水稻OsLCT1基因與韌皮部Cd轉(zhuǎn)運相關(guān)，且主要在節(jié)Ⅰ表達(dá)，水稻生殖生長階段比營養(yǎng)生長階段的表達(dá)量要高。Clemens等[40]通過敲除OsLCT1，發(fā)現(xiàn)水稻籽粒中Cd含量能降低50%。因此，通過調(diào)控小麥TaLCT1基因的表達(dá)，下降Cd的轉(zhuǎn)運水平是降低小麥籽粒Cd積累的重要途徑。

拔節(jié)期至成熟期是小麥Cd吸收和轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵生育期[25]。張世杰等[41]研究證實，拔節(jié)期和抽穗期施用硅肥能有效降低小麥籽粒中Cd的積累。本研究結(jié)果表明，拔節(jié)期和抽穗期施用牡蠣殼粉小麥籽?？侰d吸收量并沒有減少，籽粒中Cd的分配比例亦略有增加，但由于拔節(jié)期和抽穗期施用牡蠣殼粉能增加籽粒千粒重和地上部干質(zhì)量，進(jìn)而使得籽粒中Cd含量顯著減少。因此，施用牡蠣殼粉能減輕Cd脅迫，促進(jìn)小麥植株生長，從而導(dǎo)致小麥籽粒Cd含量降低。小麥植株中各器官Cd的積累和分配是決定籽粒Cd含量的重要因素[42-44]。史高玲等[45]研究發(fā)現(xiàn)小麥籽粒Cd的積累與莖稈對Cd的滯留有關(guān)，節(jié)間長度越長、生物量越大，其滯留Cd的量越多，因而導(dǎo)致轉(zhuǎn)運到籽粒中的Cd越少。本研究中亦發(fā)現(xiàn)抽穗期施用牡蠣殼粉能有效增加Cd在穗下節(jié)間的積累。即抽穗期施用牡蠣殼粉能阻礙Cd向穗部的轉(zhuǎn)移。此外，F(xiàn)ujimaki等[46]研究發(fā)現(xiàn)， Cd能與木質(zhì)部中有機(jī)化合物結(jié)合，從而導(dǎo)致植物液流速度的減緩，造成Cd在莖和葉中積累。本研究對這方面的機(jī)制還有待進(jìn)一步分析。

4結(jié)論

Cd脅迫環(huán)境中，拔節(jié)期和抽穗期施用牡蠣殼粉能顯著促進(jìn)小麥植株生長，雖然小麥籽粒Cd的吸收總量沒有顯著變化、分配比例略有增加，但小麥千粒質(zhì)量和地上部生物量的增加更為顯著，從而使得小麥籽粒的Cd含量得到下降，且抽穗期施用牡蠣殼粉效果更佳。

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（責(zé)任編輯：石春林）