鎂、錳、活性炭和石灰及其交互作用對(duì)小麥鎘吸收的影響

周相玉，馮文強(qiáng)，秦魚生，喻 華，廖鳴蘭，劉禹池，王昌全，涂仕華，*

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，成都 610066;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 611130)

重金屬是一類不能降解且具有潛在危害的重要污染物，能在生物體內(nèi)富集，并轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的金屬有機(jī)化合物。重金屬在植物體內(nèi)積累到一定程度時(shí)，就會(huì)影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、蒸騰作用、光合作用、呼吸作用等正常生理活動(dòng)，改變植物細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，對(duì)植物造成傷害甚至導(dǎo)致死亡［1］。鎘不僅危及植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且通過糧、油、水果、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈危害人類健康。鎘進(jìn)入人體后，會(huì)在體內(nèi)積蓄。當(dāng)累積達(dá)到致病劑量后，便會(huì)引起人體器官/組織的致畸，致癌，突變等［2］。

植物對(duì)重金屬的吸收和累積受諸多因素的影響，如土壤質(zhì)地、水分、有機(jī)質(zhì)、pH值、共存元素［3-6］等。在鎘污染土壤上，肥際土壤理化性狀的變化會(huì)影響鎘的形態(tài)變化和作物對(duì)鎘的吸收。例如，施用鐵、鎂、錳肥能明顯降低旱作土壤中鎘的活性和小麥對(duì)鎘的吸收［7］;施用石灰能顯著降低土壤有效鎘濃度，但石灰過量則會(huì)使小麥顯著減產(chǎn)［8-9］。這些研究主要探討了不同物質(zhì)單因素處理對(duì)小麥吸收鎘的影響，對(duì)復(fù)合因子的研究較少。因此，本試驗(yàn)旨在探討鎂、錳、活性炭和石灰不同用量和交互作用，以及鎂、錳肥的兩種施用方式(土壤施用和葉面噴施)對(duì)小麥吸收鎘的影響，從而為鎘污染土壤上使用鎂，錳，活性炭和石灰等物質(zhì)抑制作物吸收鎘的合理施用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)盆栽用土壤采自綿竹市富新鎮(zhèn)鎘污染水稻土0—20cm耕層。樣品風(fēng)干后，除去沙礫及植物殘?bào)w，用木槌搗碎后供小麥盆栽使用，部分土樣經(jīng)磨碎過篩后用于基本理化性質(zhì)以及全鎘和有效鎘含量測(cè)定。土壤pH用 pH計(jì)(pHS-4C+)測(cè)定(土水比1∶2.5)，全氮用開氏法，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法，堿解氮用堿解擴(kuò)散法，有效鉀用NH4OAc浸提火焰光度法，有效磷用Olsen-NaHCO3浸提-鉬藍(lán)比色法，CEC用醋酸銨法，全鎘采用HNO3-HF-HC1O4消煮，火焰原子吸收光譜法(石墨爐novAA400-德國(guó)耶拿)測(cè)定，有效鎘采用 Tessier(1979)五步連續(xù)提取法第一步:即1mol/L 1MgCl2(pH=7)溶液浸提［10］，石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定。供試土壤 pH6.8，有機(jī)質(zhì) 4.26%，堿解氮 156.9mg/kg，有效磷 18.3 mg/kg，有效鉀 75.3 mg/kg，陽離子交換量(CEC)14.9cmol/kg，全鎘0.489 mg/kg，有效鎘0.125mg/kg。供試作物為川麥42，由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)共22個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。添加的物料包括硫酸鎂，硫酸錳，活性炭(粉狀)，熟石灰(Ca(OH)2)，試驗(yàn)設(shè)一個(gè)無肥對(duì)照(CK0)處理和只添加氮、磷、鉀肥料的對(duì)照處理(CK)。除CK0處理外，其余處理每千克風(fēng)干土壤分別添加0.20g N、0.15g P2O5和0.15g K2O。氮肥為尿素，磷肥為磷酸二氫鈣，鉀肥為硝酸鉀，活性炭為重慶鐘山活性炭制造有限公司生產(chǎn)的環(huán)保專用炭(經(jīng)Na2S溶液浸漬處理，對(duì)重金屬有更強(qiáng)吸附能力)，添加的其它試劑均為分析純。各元素用量參考一般大田試驗(yàn)中施用量，據(jù)其養(yǎng)分用量計(jì)算出對(duì)應(yīng)的肥料用量。為了比較Mg和Mn對(duì)小麥吸收Cd的影響機(jī)理是發(fā)生在土壤還是植株體內(nèi)，除土施硫酸鎂和硫酸錳處理外，另外設(shè)置葉面噴施硫酸鎂和硫酸錳處理(分別在小麥苗期、拔節(jié)孕穗期各噴1次)。試驗(yàn)各處理的添加物和肥料用量見表1。

稱取7kg風(fēng)干土于干凈塑料盆中，按照表1稱取每個(gè)處理所需肥料與稱好土壤混合均勻。按100%田間持水量加水入陶瓷盆中，然后將塑料盆中混勻的土壤倒入陶瓷盆中，利用毛細(xì)作用濕潤(rùn)上層土體，15d后施肥。將稱好的氮、磷、鉀肥料均勻?yàn)⑹┰陔x土表5cm深處，放置2d后播種。小麥種子經(jīng)表面消毒后，用去離子水沖洗5次，恒溫箱25℃培養(yǎng)12 h，將吐出芽嘴的健康種子播入土中，每盆10顆，三葉期定苗至7株，生長(zhǎng)期間定量澆水。

表1 鎂、錳、活性炭和石灰對(duì)小麥生長(zhǎng)和吸收鎘影響的試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table1 Experiment design for effect of magnesium，manganese，activated carbon and lime on wheat grow and cadmium uptake

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

小麥成熟后收獲地上部分，干燥后測(cè)定小麥基本生物性狀。將秸稈樣品和籽粒樣品置于烘箱65℃烘干至恒重，磨碎后過40目尼龍篩，然后用HNO3-HClO4消解法進(jìn)行分析測(cè)定，試驗(yàn)中采用消煮空白和標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制和回收率校正，火焰原子吸收光譜法測(cè)定小麥秸稈和籽粒Cd含量。小麥植株Cd吸收量(μg/盆)=植株生物量(g/pot)×植株Cd濃度(mg/kg)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎂，錳，活性炭和石灰對(duì)小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

鎂、錳、活性炭和石灰對(duì)小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響見表2。與無肥處理(CK0)相比所有施肥處理均顯著提高小了麥籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素?cái)?shù)值。在施肥處理中，以鎂2，石灰2+錳0.8，石灰2+鎂2+錳0.2三個(gè)處理的小麥有效穗數(shù)最高，但與CK差異不顯著;鎂4、鎂8、錳(葉施)、鎂2+錳0.2、石灰2+炭1、石灰3和石灰4都顯著降低了小麥的有效穗。在NPK處理的基礎(chǔ)上添加其他物料顯著降低了小麥穗粒數(shù)和千粒重，其中以石灰2+炭2處理的有效穗數(shù)最低;使千粒重降低幅度最大的為石灰2+炭2處理，其降幅達(dá)到顯著水平。小麥籽粒產(chǎn)量以石灰2+鎂2+錳0.2處理為最高，為24.22g/盆，但與CK處理的差異不顯著;鎂2+錳0.2、石灰2+炭1、石灰2+炭2、石灰2、石灰3和石灰4的小麥籽粒產(chǎn)量均顯著低于CK處理;其余處理與CK差異不顯著。小麥秸稈產(chǎn)量以CK為最高，其中以鎂2+錳0.2處理降低幅度最大，為8.68g/盆，達(dá)到了顯著水平。

表2 鎂、錳、活性炭和石灰對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響Table2 Effect of magnesium，manganese，activated carbon and lime on wheat growth

2.2 鎂、錳、活性炭和石灰對(duì)小麥吸收鎘的影響

2.2.1 不同用量的石灰對(duì)小麥吸收鎘的影響

從表3看出，施用氮磷鉀肥較無肥處理明顯促進(jìn)了小麥對(duì)Cd的吸收，但降低了Cd從秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)移。施用石灰能顯著降低小麥籽粒和秸稈中Cd濃度和吸收量，對(duì)Cd濃度降低的效果隨石灰用量增加而增加，最高量的石灰處理籽粒Cd濃度為0.071mg/kg，比CK降低了43%;最高石灰用量處理的秸稈Cd濃度為1.74μg/盆，較CK下降了75%。就Cd吸收量而言，不同用量石灰處理間的差異不顯著;當(dāng)石灰用量≥0.66g/kg時(shí)，即石灰2及其以后的高用量處理，籽粒吸收的Cd無明顯變化。秸稈中的Cd吸收量隨石灰用量增加而顯著降低。從Cd在小麥體內(nèi)的分配比例來看，表觀上顯示出高量石灰促進(jìn)了Cd從秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)移，但實(shí)際上卻是因?yàn)樽蚜d含量保持相對(duì)穩(wěn)定而秸稈Cd含量顯著降低之故。石灰對(duì)小麥吸收Cd的抑制作用大致可歸咎于兩個(gè)方面的原因，一是石灰施入土壤后能升高土壤pH，增加土壤表面的可變電荷量和對(duì)Cd2+的吸附能力;二是促進(jìn)Cd2+水解為吸附作用更強(qiáng)的Cd(OH)+，使得土壤中的交換性Cd濃度降低［11］。

表3 不同石灰用量對(duì)小麥鎘吸收的影響Table3 Cd uptake by wheat as affected by different rates of lime

2.2.2 不同用量的硫酸鎂對(duì)小麥吸收鎘的影響

不同用量的硫酸鎂對(duì)小麥籽粒和秸稈的Cd濃度影響差異顯著(表4)。所有的硫酸鎂處理都比CK顯著降低了小麥籽粒的Cd濃度和吸收量。當(dāng)硫酸鎂用量從1mmol/kg增至8mmol/kg時(shí)，小麥籽粒Cd濃度下降了34%—60%，Cd吸收量的變化趨勢(shì)也基本一致。葉面噴施0.1% 硫酸鎂后，小麥籽粒中的Cd濃度與鎂1處理相當(dāng)。不同硫酸錳用量和施用方式處理的小麥秸稈Cd濃度與吸收量都高于籽粒，其變化趨勢(shì)也與上述的籽粒Cd一致。從籽/桿Cd比例來看，鎂2和鎂(葉施)處理高于CK，最高量硫酸鎂處理籽桿Cd比例最小。當(dāng)硫酸鎂與石灰配合施用時(shí)，小麥籽粒Cd濃度與單施硫酸鎂相比沒有變化，但籽粒Cd含量、秸稈Cd濃度和含量都比單施硫酸鎂顯著降低，表現(xiàn)出一定的正交互作用。

表4 不同硫酸鎂用量(1，2，4，8 mmol/kg)對(duì)小麥吸收鎘的影響Table4 Cd uptake by wheat as affected by different rates(1，2，4，8 mmol/kg)of manganese

總體來看，所有硫酸鎂處理小麥籽粒和秸稈中的鎘的濃度和吸收量都低于CK，Cd在小麥體內(nèi)的分配為秸稈＞籽粒，說明鎂抑制了小麥對(duì)Cd的吸收，并減少了鎘從秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)移，這與藍(lán)蘭［7］等人的研究結(jié)果一致。在其它作物上，一些研究小組Kashem和 Kawai［12］報(bào)道了施用Mg肥能解除日本蕓苔屬菠菜Cd的毒害，增加菠菜產(chǎn)量。Hermans等人［13］發(fā)現(xiàn)了Mg解除Cd對(duì)植物毒害的幾個(gè)基因，指出Mg對(duì)Cd的解毒作用部分歸咎于Mg能維持植物體內(nèi)的Fe濃度，提高植物抗氧化能力，從而解除毒害和/或保護(hù)光合作用器官。此外，在動(dòng)物上，Mg也發(fā)揮了卓越的解除Cd毒害的作用［14-16］。

2.2.3 不同用量的硫酸錳與石灰配合施用對(duì)小麥吸收鎘的影響

在石灰的基礎(chǔ)上施用硫酸錳或在硫酸錳的基礎(chǔ)上施用石灰都進(jìn)一步降低了秸稈籽粒中的Cd濃度與含量(石灰2+錳0.8處理除外)(表5)。在石灰的基礎(chǔ)上施用硫酸錳對(duì)小麥籽粒Cd的降低幅度為4%—23%，并隨硫酸錳用量的增加而降低;在硫酸錳的基礎(chǔ)上添加石灰，比單施硫酸錳降低了19%的籽粒Cd濃度和18%的吸收量。小麥葉面噴施硫酸錳對(duì)籽粒Cd濃度降低的效果與石灰2+錳0.4處理相當(dāng)，表明葉面噴施錳比土施錳更能有效降低小麥籽粒的Cd濃度和吸收量。當(dāng)硫酸鎂與硫酸錳配合施用或當(dāng)硫酸鎂、硫酸錳與石灰一起施用時(shí)，對(duì)籽粒Cd濃度和吸收量的降低達(dá)到最低值。硫酸鎂+硫酸錳比單施其中任何一種物質(zhì)都能進(jìn)一步降低小麥籽粒的Cd濃度，并且能夠明顯的降低籽桿Cd的比例，表現(xiàn)出正交互作用。石灰、硫酸鎂和硫酸錳三種物質(zhì)同時(shí)施用時(shí)，小麥籽粒Cd濃度和吸收量顯著或明顯低于單施任何一種物質(zhì)，說明了這些物質(zhì)配合施用對(duì)降低小麥吸收Cd具有顯著正交互作用。

不同處理對(duì)秸稈中Cd濃度和含量的影響與籽粒的情況有所不同。就不同硫酸錳用量而言，兩個(gè)低量硫酸錳處理(石灰2+錳0.1和石灰2+錳0.2)比單獨(dú)使用硫酸錳降低了小麥秸稈中的Cd濃度和吸收量，比單施石灰增加了秸稈中的Cd濃度和吸收量。在石灰2+錳0.2處理基礎(chǔ)上繼續(xù)增加硫酸錳用量，秸稈中的Cd濃度與吸收量卻顯著增加。葉面噴施硫酸錳對(duì)秸稈的Cd濃度和吸收量的影響與單獨(dú)土施硫酸錳相當(dāng)。鎂與錳，石灰、鎂與錳的配合施用對(duì)小麥秸稈中的Cd濃度和吸收量的影響與籽粒的情況相反。鎂與錳配合施用比單獨(dú)施用硫酸錳或石灰增加了秸稈中的Cd濃度和吸收量;石灰2+鎂2+錳0.2處理比鎂2+錳0.2、石灰2+錳0.2或石灰2+鎂2處理進(jìn)一步增加了秸稈中的Cd濃度和吸收量。這些結(jié)果顯示，幾種物質(zhì)的配合施用有利于顯著降低小麥籽粒中的Cd濃度與吸收量，但顯著增加秸稈中的Cd，阻止了Cd從秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生最低的籽/稈Cd比例，以石灰2+鎂2+錳0.2處理籽/稈Cd比例為最小(0.24)，其次為石灰+錳0.4處理(0.27)。

表5 不同用量的硫酸錳與石灰配合施用對(duì)小麥吸收鎘的影響Table5 Cd uptake by wheat as affected by different rates of manganese and lime

硫酸錳對(duì)小麥吸收Cd的抑制作用，可能歸因于Mn2+施入土壤后，在好氣條件下被氧化成氧化錳(MnO2)，在氧化錳的形成過程中土壤中的一些金屬離子被共沉淀，形成的錳氧化物對(duì)金屬離子如Pb2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，Cd2+，Mn2+等具有很強(qiáng)的吸附能力［17-20］。這些被錳氧化物持留的 Cd2+，難以被 NH4OAc 置換出來［17］，從而降低土壤Cd的有效性。小麥葉面噴施硫酸錳也能有效降低小麥對(duì)Cd的吸收，抑制Cd向籽粒的轉(zhuǎn)移，表明Mn抑制小麥對(duì)Cd吸收機(jī)理可能同時(shí)發(fā)生在土壤和植株體內(nèi)。

2.2.4 不同用量的活性炭與石灰配合施用對(duì)小麥吸收鎘的影響

在施用石灰的基礎(chǔ)上添加不同用量的環(huán)保專用活性炭，能夠顯著降低小麥籽粒和秸稈的Cd濃度和吸收量(表6)。從籽粒鎘濃度來看，單施石灰和活性炭+石灰處理間的差異不顯著，但高量活性炭處理籽粒Cd濃度最低。小麥籽粒的Cd吸收量變化趨勢(shì)與Cd濃度一致，并且3個(gè)處理間的差異不顯著，但都顯著低于CK。施用活性炭降低了小麥籽/桿Cd的比例，高量活性炭處理優(yōu)于低量處理。活性炭因具有巨大的比表面積、較高的孔隙結(jié)構(gòu)及豐富的表面官能團(tuán)，對(duì)金屬離子吸附速率快、容量大而廣泛用于廢水處理，對(duì)鎘的最大吸附量可高達(dá)38.03 mg/g［21］和47.85 mg/g［22］。通常認(rèn)為，對(duì)鎘的吸附起決定作用的是其表面化學(xué)性質(zhì)，離子交換在吸附過程中發(fā)揮了重要的作用。本試驗(yàn)所用活性炭為環(huán)保專用碳經(jīng)Na2S處理，對(duì)土壤Cd的吸附和鈍化效果應(yīng)優(yōu)于普通活性炭。

表6 不同用量的活性炭與石灰配合施用對(duì)小麥吸收鎘的影響Table6 Cd uptake by wheat as affected by different rates(0.67，1.34g/kg)of activated carbon and lime

3 結(jié)論

單獨(dú)或配合施用適量石灰、硫酸鎂、硫酸錳、環(huán)保專用活性炭都能有效降低小麥對(duì)Cd的吸收，使小麥籽粒鎘濃度低于國(guó)家限量指標(biāo)。施用硫酸鎂能顯著降低小麥籽粒和秸稈Cd濃度和吸收量，其效果隨用量增加而增加。低量硫酸錳能有效降低小麥籽粒和秸稈Cd濃度，高量反而增加小麥對(duì)Cd的吸收。石灰、活性炭單獨(dú)施用或配合施用都能抑制小麥對(duì)Cd的吸收和Cd向籽粒的轉(zhuǎn)移，但籽/桿Cd比例卻隨石灰用量呈明顯的上升趨勢(shì)。施用硫酸鎂能同時(shí)減少小麥籽粒和秸稈中的Cd，而硫酸錳能明顯增加小麥秸稈中Cd的含量，卻抑制了Cd向籽粒的轉(zhuǎn)移。葉面噴施硫酸鎂降低小麥吸收鎘的效果與土施硫酸鎂相當(dāng)，但葉面噴施硫酸錳卻比土施硫酸錳顯著降低了小麥籽粒中的鎘濃度與吸收量。硫酸鎂與硫酸錳，或石灰、硫酸鎂和硫酸錳3種物質(zhì)配合施用，對(duì)小麥籽粒鎘濃度和吸收量的降低表現(xiàn)出明顯的正交互作用，對(duì)抑制小麥體內(nèi)鎘從秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)移具有顯著效果。

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