基于典型污灌區(qū)土壤篩選耐鹽、Cd低吸收小麥品種

孟 楠，安 平，王 萌，陳 莉，鄭 涵，陳世寶*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.南京中船綠洲環(huán)保有限公司，南京 210039；3.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100097）

由于我國北方資源性缺水和南方水質(zhì)性缺水，污水常被用于農(nóng)業(yè)灌溉，由污灌引起的農(nóng)田重金屬污染已成為我國農(nóng)田重金屬的主要污染源之一[1]。目前，我國140萬hm2的污灌農(nóng)田中，有30%的農(nóng)田土壤受不同程度的重金屬污染，尤其是遼寧、河北、天津等北方旱作地區(qū)及湘江流域等南方水旱輪作區(qū)[2-4]。目前，重金屬超標(biāo)農(nóng)田引起的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全已引起廣泛關(guān)注，繼“鎘米”之后，“鎘麥”問題再次成為環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。朱桂芬等[5]對河南新鄉(xiāng)市莊頂污灌區(qū)土壤及小麥籽粒中Cd含量進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)小麥籽粒Cd污染嚴(yán)重，平均含量為2.55 mg·kg-1，超過《國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2762—2012）25.5倍；熊孜等[6]對黃淮海區(qū)域小麥籽粒Cd調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河南濟(jì)源污灌區(qū)小麥籽粒 Cd含量范圍為 0.119～0.151 mg·kg-1，平均為0.132 mg·kg-1，籽粒Cd超標(biāo)率為100%。本課題組對河北某污灌區(qū)小麥-玉米輪作區(qū)小麥籽粒中Cd檢測結(jié)果表明（數(shù)據(jù)未發(fā)表），該污灌區(qū)小麥籽粒Cd含量點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到75%，最高超標(biāo)12.6倍。可見污灌區(qū)Cd污染土壤引起的農(nóng)產(chǎn)品安全問題已經(jīng)凸顯，加強(qiáng)污灌區(qū)Cd污染土壤修復(fù)與風(fēng)險控制研究對Cd污染土壤的安全利用具有重要意義。除了重金屬超標(biāo)外，污灌土壤一般具有鹽基飽和度較高帶來的鹽漬化、土壤呈堿性等特點(diǎn)[1]。目前，針對小麥對土壤中Cd吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制及其影響因子的研究已有大量的報道，而針對在鹽分脅迫條件下，Cd污染土壤中不同小麥對Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)差異及基于富集系數(shù)與耐鹽指數(shù)的物種敏感性差異研究鮮見報道。在重金屬超標(biāo)農(nóng)田的修復(fù)技術(shù)研究中，重金屬低吸收作物品種的篩選、選育與田間應(yīng)用技術(shù)是當(dāng)前我國農(nóng)田重金屬污染修復(fù)研究的前沿之一。

本研究針對污灌區(qū)土壤常具有高鹽基飽和度、鹽分脅迫的特點(diǎn)，采集了河北某典型污灌區(qū)農(nóng)田土壤，在外源添加0.4%NaCl后平衡14 d，制備成中度鹽分脅迫土壤基礎(chǔ)上[7-8]，結(jié)合最新的物種敏感性分布（Species sensitive distribution，SSD）模型，以不同小麥對Cd富集系數(shù)與耐鹽指數(shù)的物種敏感性頻次差異，篩選出耐鹽、Cd低吸收的小麥品種，為該地區(qū)Cd超標(biāo)污灌農(nóng)田的安全利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與小麥

供試土壤采集于河北省保定某典型污灌區(qū)農(nóng)田表層（0～20 cm）褐土。該地區(qū)污水類型主要為城市工業(yè)和生活混合污水，為Ⅴ類及Ⅴ類以下水質(zhì)，水體污染物主要為BOD5、COD、氯化物、氯離子、懸浮物、硫化物，此外還有鎘、汞、鉻、砷等重金屬。灌溉區(qū)輪作方式為小麥-玉米輪作。將采集的土壤風(fēng)干后，過2 mm篩后進(jìn)行基礎(chǔ)理化性質(zhì)測定[9]，結(jié)果顯示，土壤pH值（1∶2.5，水提）為 8.19，有機(jī)質(zhì) 1.12%，土壤中陽離子交換量（CEC）為 16.7 cmol·kg-1。土壤中 Cd 含量為 1.32 mg·kg-1，按照我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）中二級標(biāo)準(zhǔn)值[10]，Cd 單項(xiàng)污染指數(shù) Pi=2.2，為Cd中度污染土壤。為了模擬土壤鹽分脅迫條件，參照文獻(xiàn)[7]方法，以外源添加NaCl溶液的形式對部分土壤進(jìn)行鹽處理，處理水平為0.40%（m鹽/m土），充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，?0%最大田間持水量（70%MWHC）水平老化平衡14 d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

供試小麥為我國北方主栽冬小麥品種，分別為輪選 1690、中麥 415、中麥 175、輪選 987、中麥 816、中麥 1062、中麥 14、中麥 996、中優(yōu) 206、中優(yōu) 9507，共計10個品種，小麥品種購自北京和保定的種子公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)處理

實(shí)驗(yàn)采用室內(nèi)盆栽方法。選取不同小麥種子，經(jīng)5%次氯酸鈉溶液浸泡15 min后，用蒸餾水清洗，移入鋪有滅菌濾紙的培養(yǎng)皿中浸泡，在32℃無光照下放置36～48 h，待胚根長至約2 mm，移至已備好的種植盆中。每盆裝土1.0 kg，每盆10粒種子，7 d后每盆留3株苗，共設(shè)20個處理，每個處理3次重復(fù)，置于控溫溫室培養(yǎng)49 d后收獲，沖洗干凈，將植株分為根、莖葉，烘干至恒重待測。

1.3 土壤鹽分脅迫特征測定

為了對污灌區(qū)土壤的鹽分脅迫特征進(jìn)行測定，本實(shí)驗(yàn)測定了污灌區(qū)土壤及鹽處理后土壤溶液的離子組成等特征。土壤溶液的提取按照文獻(xiàn)[11]方法進(jìn)行：稱取不同處理土壤20 g于墊有玻璃棉的過濾針筒中，向土壤中添加蒸餾水至100%的最大田間持水量后，將裝有不同處理土壤的針筒，放入底部有PVC圓圈的50 mL離心管中，平衡24 h后，于4500 r·min-1離心15 min，將濾液通過0.22 μm的濾膜后，放置冰箱中待測。溶液中離子組成利用離子色譜儀進(jìn)行測定[12]。

1.4 土壤與植物Cd含量測定

土壤樣品Cd含量采用HNO3-HClO4-HF消化，作物樣Cd含量采用HNO3-HClO4消化，土壤與小麥植株消解液中Cd含量利用ICP-MS測定[13]。

1.5 數(shù)據(jù)的處理

物種敏感性分布（Species sensitivity distribution，SSD）模型是一種基于不同物種對污染物敏感性的差異，以急性或慢性毒理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建統(tǒng)計分布的生態(tài)風(fēng)險評價模型[14]。SSD的基本假設(shè)是一組生物的敏感性能夠被一個分布所描述，如正態(tài)分布、Logistic分布等，而可獲得的毒理數(shù)據(jù)被認(rèn)為是來自于這個分布的樣本[15]。本文中基于小麥Cd富集系數(shù)與生物量的敏感性分布模型，采用Burr-Ⅲ型分布函數(shù)進(jìn)行擬合，Burr-Ⅲ是一種靈活的分布函數(shù)，對物種敏感性數(shù)據(jù)擬合特性較好。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織提供了該方法的說明以及相關(guān)的計算軟件BurrlizO（CSIRO，2008）。

Burr-Ⅲ型函數(shù)的參數(shù)方程為：

式中：F（x）為不同小麥累積頻次，x為土壤中Cd的濃度，mg·kg-1；b、c、k 為函數(shù)的 3 個參數(shù)。

文中測定的數(shù)據(jù)采用新復(fù)極差法（Duncan法）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），應(yīng)用 Excel 2007、SPSS 22.0和Origin 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤溶液的離子組成

經(jīng)過0.4%NaCl處理后土壤溶液中離子組成的測定結(jié)果（表1）表明，土壤溶液中自由Na+和Cl-的含量顯著增加，其中溶液自由Na+濃度增加了896%，Cl-濃度增加了379%，溶液中自由Ca2+濃度也增加了105.1%。在鹽分脅迫處理中，土壤溶液的電導(dǎo)率也顯著增加，由 47.1 μS·cm-1增加到 267.2 μS·cm-1。從土壤溶液離子組成與pH值來看，土壤鹽基離子組成中Na+、Cl-、Ca2+等離子含量相對較高，具備了鹽漬化土壤所具有的鹽分脅迫與堿性的特征[16]。

2.2 不同小麥耐鹽指數(shù)

在同一鹽分脅迫條件下，不同品種小麥?zhǔn)茺}脅迫的抑制程度不同，其中中麥415與中優(yōu)206表現(xiàn)為生長緩慢，植株矮小，葉片發(fā)黃失綠，而中麥996與中優(yōu)9507生長表現(xiàn)正常。在作物耐鹽反應(yīng)研究中，作物的生長指標(biāo)通常被作為鹽脅迫下作物的耐鹽指數(shù)[7]。本研究中，將不同小麥的耐鹽指數(shù)（STI）定義為：STI=鹽化處理土壤中小麥生物量（g）/對照土壤中小麥生物量（g）。不同小麥的地上部分生物量及耐鹽指數(shù)測定結(jié)果見表2。不同小麥基于莖葉生物量的耐鹽指數(shù)大小依次為中優(yōu) 9507≈中麥 996＞輪選 1690＞輪選987＞中麥 1062＞中麥 175＞中麥 14＞中麥 816＞中優(yōu)206＞中麥415。研究表明，地上部、根系生物量等指標(biāo)可作為作物苗期耐鹽鑒定指標(biāo)[7]。研究表明，土壤中的鹽分，可以導(dǎo)致土壤溶液滲透壓增加，造成小麥根系吸水困難，致使植物生理性干旱，甚至?xí)?dǎo)致植物死亡[17-19]。另外，植物吸收過多的鹽分，一方面導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低，作物的光合作用減少；另一方面作物吸收過多的Na+、Cl-等，不僅會導(dǎo)致葉片過早脫落，還會導(dǎo)致營養(yǎng)元素失衡[19-21]。在鹽分脅迫下，植物受到最直接的傷害就是胞間大量的Na+帶來的離子毒性，而這種離子毒性直接影響植物葉片的光合作用，從而影響植物的生長；另外，植物吸收過量的Na+后，也會引起細(xì)胞滲透壓的加大和氧化酶活性增加，最終導(dǎo)致DNA損傷[22]。雖然由于品種間的差異可能導(dǎo)致小麥生物量的不同，但鹽脅迫下植株生長狀況及生物量大小，可作為輔助指標(biāo)綜合判斷不同小麥品種的耐鹽脅迫能力。

表1 土壤溶液性質(zhì)與離子含量（mg·L-1）Table 1 Basic properties and anions/cations contents of the soil solution（mg·L-1）

表2 不同小麥莖葉生物量及耐鹽指數(shù)Table 2 Shoot biomass and salt tolerance index（STI）of different wheat cultivars

2.3 小麥對Cd的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

本文中不同小麥莖葉與根對Cd的富集系數(shù)（Bioconcentration factor，BCF）定義為作物莖葉/根中Cd 的濃度（mg·kg-1）與土壤中 Cd 濃度（mg·kg-1）的比值。從圖1可以看出，10種不同小麥莖葉與根對Cd的富集系數(shù)間存在較大差異，其中小麥莖葉對Cd富集系數(shù)為0.338～0.970，不同小麥莖葉Cd富集系數(shù)大小順序?yàn)椋褐袃?yōu)206＞輪選987＞中麥14＞中麥816＞中優(yōu) 9507≈中麥 175≈中麥 1062＞中麥 415＞輪選1690＞中麥996；小麥根對Cd富集系數(shù)范圍為3.01～5.71，不同小麥根部Cd富集系數(shù)大小順序?yàn)椋褐宣?4＞輪選 987＞中優(yōu) 9507＞中麥 175＞輪選 1690＞中麥996＞中麥415＞中麥816≈中麥1062＞中優(yōu)206。富集系數(shù)反映了植株不同部位積累土壤中Cd的能力，而根-莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（Transfer factor，TF）則反映了 Cd從植物體根部向地上部（莖葉）的遷移能力。本文中根-莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TFr-s）定義為莖葉中Cd的濃度（mg·kg-1）與根中 Cd 的濃度（mg·kg-1）的比值。

對不同小麥根-莖葉Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)測定結(jié)果（圖2）表明，10種不同小麥根-莖葉Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍在0.092～0.334之間；最小轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為中麥996，最大轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為中優(yōu)206。

2.4 不同小麥基于富集系數(shù)與耐鹽指數(shù)的SSD分布曲線

圖1 不同小麥品種莖葉與根對Cd的富集系數(shù)Figure 1 Cd bio-concentration factors of shoots and roots for different wheat cultivars

圖2 不同小麥根-莖葉Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Figure 2 Cd transfer factors of root to shoot for different wheat cultivars

物種敏感性分布模型是基于統(tǒng)計學(xué)外推法原理，描述單一或復(fù)合污染對一系列物種的毒性大小，包括某一類生物序列、一部分選定物種的組合或自然群落等。SSD模型可以從污染物環(huán)境濃度出發(fā)，根據(jù)不同物種對于污染物敏感性的差異，計算潛在影響比例（Potential affected fraction，PAF），用以表征生態(tài)系統(tǒng)或者不同類別生物的生態(tài)風(fēng)險；亦可以反向應(yīng)用于確定一定比例保護(hù)物種條件下的污染物濃度。目前SSD法已被多個國家或機(jī)構(gòu)確立為生態(tài)風(fēng)險評價與推導(dǎo)環(huán)境中污染物基準(zhǔn)值的主要方法[23-25]。針對SSD曲線構(gòu)建的累積概率分布函數(shù)，目前主要包括Log-normal、Log-logistic、Weibull、Gamma 及 Burr-Ⅲ等[26]。研究表明，Burr-Ⅲ是一種靈活性高的三參數(shù)分布，因此本文將不同小麥對鹽分脅迫下對Cd的富集系數(shù)（1/BCF）及耐鹽指數(shù)采用Burr-Ⅲ分布函數(shù)進(jìn)行擬合，建立不同小麥對Cd吸收及耐鹽脅迫的敏感性分布曲線（圖3），以此篩選同時具有耐鹽脅迫與Cd低吸收特性的小麥品種。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，10種不同小麥對Cd富集系數(shù)（1/BCF）及耐鹽指數(shù)大小分布頻次可以用Burr-Ⅲ分布曲線進(jìn)行較好的擬合，基于富集系數(shù)和耐鹽指數(shù)的實(shí)測值與Burr-Ⅲ擬合函數(shù)預(yù)測值計算的均方根誤差（RMSE）分別為6.33及7.82。從圖3可以看出，基于富集系數(shù)（1/BCF）的SSD順序依次為中麥 996＞輪選 1690＞中麥 415＞中麥 1062＞中麥 175＞中優(yōu) 9507＞中麥 816＞中麥 14＞輪選 987＞中優(yōu) 206。

圖3 基于小麥Cd富集系數(shù)（1/BCF）與耐鹽指數(shù)的物種敏感性分布（SSD）曲線Figure 3 SSD curves based on Cd bio-concentration factors and salt tolerance index for different wheat cultivars

從圖3鹽分脅迫下不同小麥耐鹽指數(shù)的敏感性頻次分布曲線可以看出，基于耐鹽指數(shù)的SSD順序依次為中優(yōu)9507＞中麥996＞輪選1690＞輪選987＞中麥 1062＞中麥 175＞中麥 816＞中麥 14＞中優(yōu) 206＞中麥415。通過比較不同小麥富集系數(shù)與耐鹽指數(shù)的敏感性分布頻次發(fā)現(xiàn)，對于少數(shù)小麥品種而言，基于小麥Cd富集系數(shù)與耐鹽指數(shù)的分布頻次順序有較大差異，如輪選987品種在富集系數(shù)分布頻次中位于X軸的左前方，而在耐鹽指數(shù)分布頻次中則位于X軸右后位置；中優(yōu)9507在富集系數(shù)分布頻次中位于X軸左中部位置，而在耐鹽指數(shù)分布頻次中，由于具有較高的耐鹽指數(shù)而位于X軸最右位置；中麥415雖然具有較小的Cd富集系數(shù)，但在鹽分脅迫下小麥的生長受到明顯抑制，在基于耐鹽指數(shù)的分布頻次中處于最敏感的X軸左側(cè)，以上結(jié)果說明，相同小麥品種基于不同的評價指標(biāo)所得出的敏感性分布頻次的順序可能存在較大差異。在污灌區(qū)土壤的安全利用上，同時具備耐鹽與Cd低吸收特性小麥的篩選具有重要意義。在本實(shí)驗(yàn)中，從小麥Cd富集系數(shù)與生物量兩個因子綜合考慮，中麥996與輪選1690不但具有較低的Cd富集系數(shù)，而且植株生長沒有受到抑制，具有較好的耐鹽脅迫特征。本研究結(jié)果表明，同時以富集系數(shù)與耐鹽指數(shù)可以較好地作為生態(tài)風(fēng)險評估的指標(biāo)[27-29]，其篩選結(jié)果的邏輯性也為在污灌區(qū)土壤的修復(fù)技術(shù)應(yīng)用提供了可能。

3 結(jié)論

（1）鹽分脅迫對10種小麥的生長抑制程度具有明顯差異；不同小麥耐鹽指數(shù)范圍為0.542～1.012。

（2）不同小麥莖葉與根對Cd的富集系數(shù)間存在較大差異，其中，小麥莖葉對Cd富集系數(shù)為0.338～0.970，根對Cd富集系數(shù)為3.01～5.71。

（3）基于Cd富集系數(shù)（1/BCF）與耐鹽指數(shù)的物種敏感性分布頻次，篩選出具有耐鹽分脅迫與Cd低吸收特點(diǎn)的小麥品種分別為中麥996與輪選1690。

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