耐鉛鉻小麥品種的篩選及對土壤鉛鉻積累作用的影響

雷 高， 李珊珊， 王佰濤， 杜志敏， 楊文玲

（1.河南省微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450008； 2.河南省科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司，鄭州 450008）

鉛和鉻是土壤中常見的重金屬，具有隱蔽性、積累性和難降解性的特點(diǎn)［1］. 超標(biāo)的鉛鉻不僅會(huì)對土壤中微生物和動(dòng)物的生長造成負(fù)面影響［2］，同時(shí)也會(huì)抑制植物生長，導(dǎo)致葉片黃化、發(fā)育受阻、生物產(chǎn)量降低等現(xiàn)象［3-5］. 鉛鉻一旦進(jìn)入食物鏈，通過逐級積累，還會(huì)對動(dòng)物和人類的健康構(gòu)成威脅［6-8］. 因此，有關(guān)重金屬鉛和鉻引起的生態(tài)問題一直備受國內(nèi)外研究人員的關(guān)注. 據(jù)Jamali等［9］報(bào)道，小麥在生長過程中對土壤中的重金屬具有一定的富集和生物轉(zhuǎn)化作用，且籽粒的可食用部分也檢測出了高濃度的重金屬. Rehman等［10］的研究也表明，小麥相比于其他谷類作物，其根部容易吸收更多的重金屬，經(jīng)莖葉傳遞到籽粒中. 因此，降低小麥籽粒中重金屬含量對于食品安全及居民健康有著十分重要的意義. 目前有關(guān)降低作物中重金屬含量的研究多集中在微生物吸附鈍化、生物炭等鈍化劑促進(jìn)土壤中重金屬的鈍化方面［11-13］，而對耐受鉛鉻復(fù)合污染的小麥品種篩選的研究卻較為缺乏. 本文以6種市售小麥為供試小麥，采用盆栽試驗(yàn)，探討6種市售小麥在高濃度鉛鉻脅迫下的生長情況以及對土壤中鉛鉻積累的影響，評價(jià)6個(gè)小麥品種對鉛鉻的耐受情況，進(jìn)而篩選得到耐受鉛鉻的目標(biāo)品種.

1 材料與方法

1.1 材料

供試小麥品種：鄭麥103、矮抗58、秋樂168、秋樂2122、溫麥19、豫保1號(hào)，均購自河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院.

供試土壤：鄭州市金水區(qū)設(shè)施農(nóng)田土壤，類型為潮土.菌渣：采自駐馬店某農(nóng)場香菇栽培后的廢菌棒，菌棒原材料主要為闊葉樹硬雜木80%～85%、麥麩12%～17%、石膏粉0.8%～1.2%和糖0.8%～1.2%，風(fēng)干粉碎后過20目篩，備用.

1.2 方法

1.2.1 鉛鉻污染土壤的制備 配制一定濃度的（CH3COO）2Pb 溶液、K2Cr2O7溶液，分別加入到盆栽中的供試土壤中，使鉛鉻在土壤中的質(zhì)量比分別達(dá)1000 mg/kg和300 mg/kg. 粉碎過篩的菌渣按照10 g/kg的比例加入土壤中. 將配好的土壤混勻后，在室外模擬自然環(huán)境老化60 d，期間每10 d澆水一次. 老化完成后，將供試土壤再次混勻，每盆1 kg重新裝盆，用于后續(xù)試驗(yàn).

1.2.2 小麥種子及幼苗的處理 從每個(gè)試驗(yàn)品種中挑選出100粒顆粒飽滿、大小相近的種子，分別播種于配制好土壤的盆中. 盆栽試驗(yàn)每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù). 每個(gè)盆栽澆水后在人工環(huán)境氣候箱中進(jìn)行25 ℃恒溫培養(yǎng). 種子發(fā)芽后，繼續(xù)培養(yǎng)15 d. 將幼苗拔出清洗干凈，測定發(fā)芽率、株高、根長及株鮮質(zhì)量、株干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量. 另外再取根際土壤200 g，自然晾干后，進(jìn)行速效鉀、有效磷、水解氮、有機(jī)質(zhì)及鉛鉻含量測定.

1.2.3 小麥植株相關(guān)指標(biāo)測定

發(fā)芽率（%）=15 d小麥株數(shù)/種子總數(shù)×100%；

株鮮質(zhì)量（g）=15 d小麥地上部分質(zhì)量；

根鮮質(zhì)量（g）=15 d小麥地下部分質(zhì)量；

株干質(zhì)量（g）=15 d小麥地上部分烘干至恒重；

根干質(zhì)量（g）=15 d小麥地下部分烘干至恒重.

1.2.4 土壤相關(guān)指標(biāo)測定 有機(jī)質(zhì)含量測定采用灼燒法；速效鉀含量測定采用1 mol/L乙酸鈉浸提-原子吸收分光光度法測定；水解氮含量測定采用堿解-擴(kuò)散法；速效磷含量測定采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定. 土壤Cr（Ⅵ）含量測定測定采用二苯碳酰二肼分光光度法，參照《固體廢棄物鉻（Ⅵ）的測定二苯碳酰二肼分光光度法》（GB/T 15555.4—1995）［14］.

土壤鉛含量測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)《土壤質(zhì)量重金屬測定王水回流消解原子吸收法》（NY/T 1613—2008）［14］：土壤樣品自然風(fēng)干后過100 目篩，稱取1 g 于錐形瓶中，用少許蒸餾水潤濕后，加入3～4 粒玻璃珠和10 mL硝酸溶液；電熱板加熱至微沸，保持20 min，待液體剩6～7 mL時(shí)加入20 mL鹽酸，蓋上表面皿，繼續(xù)加熱樣品呈濕鹽狀態(tài)時(shí)停止加熱；再加入10 mL水至濕鹽狀態(tài)的樣品，攪拌使樣品充分混勻，趁熱過濾至50 mL容量瓶中定容. 樣品使用原子吸收光譜儀，在鉛的波長下測定，計(jì)算得到樣品鉛的含量.

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 使用Excel 和Origin9.0 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和作圖，利用SPSS20.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛鉻脅迫對不同品種小麥植株的影響

2.1.1 鉛鉻脅迫對6種小麥發(fā)芽率的影響 由圖1可以看出，在重金屬鉛和鉻脅迫下，6個(gè)試驗(yàn)小麥品種之間發(fā)芽率無明顯差異，且發(fā)芽率都維持在90%以上，表明此濃度下重金屬鉛（1000 mg/kg）和鉻（300 mg/kg）對6個(gè)試驗(yàn)小麥品種的種子的萌發(fā)均沒有明顯的抑制作用，6個(gè)小麥品種均可以耐受鉛鉻脅迫.

圖1 鉛鉻脅迫對不同品種小麥發(fā)芽率的影響Fig.1 Effects of lead and chromium stresses on seed germination of different wheat varieries

2.1.2 鉛鉻脅迫對不同品種小麥植株的影響 在鉛鉻脅迫下，6個(gè)試驗(yàn)小麥品種的生長情況如表1所示. 秋樂168與鄭麥103、溫麥19、矮抗58的株鮮質(zhì)量相比，顯著高于后面3個(gè)品種，但與秋樂2122、豫保1號(hào)無顯著性差異；秋樂168和秋樂2122根鮮質(zhì)量顯著高于其余4個(gè)小麥品種，表明相同的鉛鉻脅迫下，秋樂168和秋樂2122 具有明顯的生長優(yōu)勢. 秋樂168與矮抗58相比，株干質(zhì)量差異顯著，但二者與豫保1號(hào)、溫麥19、鄭麥103、秋樂2122 均無明顯差異；秋樂168 與秋樂2122 相比，根干質(zhì)量差異不顯著，與其余4 個(gè)小麥品種相比，差異顯著. 總體來看，秋樂168在株鮮、根鮮、株干、根干質(zhì)量4個(gè)方面相比于其余5個(gè)小麥品種，對鉛鉻脅迫的耐受能力更強(qiáng)，具有明顯的生長優(yōu)勢.

表1 鉛鉻脅迫對不同品種小麥植株的影響Tab.1 Effects of lead and chromium stresses on different wheat varieties 單位：g

2.2 鉛鉻脅迫下不同品種小麥對土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 鉛鉻脅迫下不同品種小麥對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 利用盆栽試驗(yàn)，將種植6種不同品種小麥土壤中的重金屬鉛和鉻分別設(shè)置成1000 mg/kg和300 mg/kg. 由圖2可以看出，種植鄭麥103、溫麥19、矮抗58后的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于秋樂168，但與秋樂2122、豫保1號(hào)相比，差異不顯著. 結(jié)合表1可以看出，秋樂168處理組的株鮮重、根鮮重、株干重、根干重顯著高于鄭麥103、溫麥19、矮抗58處理組，這與處理組的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化相一致. 表明秋樂168相比于鄭麥103、溫麥19、矮抗58，具有明顯的生長優(yōu)勢，從土壤中汲取了更多的營養(yǎng)成分.

2.2.2 鉛鉻脅迫下不同小麥品種對土壤氮、磷、鉀含量的影響 由圖3可以看出，鄭麥103處理組和溫麥19、矮抗58、秋樂168、秋樂2122、豫保1號(hào)處理組相比，土壤速效磷含量均表現(xiàn)為差異顯著，溫麥19和豫保1 號(hào)差異不顯著，但與其他處理組差異顯著，說明鄭麥103 和溫麥19 相較于其余4 種小麥品種對有效磷利用的更多；各處理組土壤水解氮含量變化及差異規(guī)律與速效磷含量一致，說明鄭麥103和溫麥19較于其余4種小麥品種對氮源的利用更加充分；秋樂168處理組與秋樂2122 處理組的土壤速效鉀含量差異不顯著，但均與其余4個(gè)處理組差異顯著，說明鄭麥103、溫麥19、矮抗58、豫保1 號(hào)相比于秋樂168、秋樂2122對鉀肥有更多的營養(yǎng)需求. 綜合土壤中氮、磷、鉀的含量變化來看，鄭麥103和溫麥19對氮、磷有著更多的營養(yǎng)需要，秋樂168和秋樂2122則偏向于吸收更多的鉀.

圖2 鉛鉻脅迫對不同小麥品種土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.2 Effects of different wheat varieties with lead and chromium stresses on the content of soil organic matter

圖3 鉛鉻脅迫對不同小麥品種土壤氮磷鉀含量的影響Fig.3 Effects of different wheat varieties with lead and chromium stresses on the content of N，P，K in soil

2.3 不同品種小麥對土壤鉛鉻積累作用的影響

2.3.1 對土壤鉛積累作用的影響 利用盆栽試驗(yàn)將土壤中鉛的質(zhì)量比設(shè)置為1000 mg/kg，種植小麥15 d 后，測得土壤中鉛的變化如圖4 所示. 可以看到種植小麥后，土壤中鉛的質(zhì)量比均明顯降低.其中，溫麥19 和秋樂168 處理組土壤中鉛的質(zhì)量比顯著高于鄭麥103和矮抗58，但與秋樂2122、豫保1 號(hào)差異不顯著；矮抗58 處理組土壤鉛的質(zhì)量比最低，與鄭麥103差異不顯著，但和其余4種小麥處理組差異顯著. 結(jié)合圖5，矮抗58處理組對鉛的轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)55.78%，其次是鄭麥103 處理組，達(dá)51.57%. 表明矮抗58可以有效地阻止鉛在土壤的持續(xù)積累，對鉛在土壤中的積累作用有明顯的負(fù)效應(yīng).

圖4 不同品種小麥對土壤鉛積累作用的影響Fig.4 Effects of different wheat varieties on the accumulation of lead in soil

2.3.2 對土壤Cr（Ⅵ）積累作用的影響 在鉻質(zhì)量比為300 mg/kg的污染土壤種植不同品種小麥15 d后，Cr（Ⅵ）在土壤中的質(zhì)量比變化如圖6、圖7所示. 溫麥19處理組的Cr（Ⅵ）在土壤中的質(zhì)量比最低，Cr（Ⅵ）轉(zhuǎn)化率最高，且和秋樂168、秋樂2122、豫保1號(hào)處理組差異顯著，和鄭麥103、矮抗58處理組無明顯差異. 表明相同質(zhì)量比的Cr（Ⅵ）脅迫下，6個(gè)小麥品種均對有效態(tài)Cr（Ⅵ）的鈍化具有促進(jìn)作用，其中溫麥19的轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)到了51.73%，相比于其他5種小麥具有明顯的優(yōu)勢.

圖5 不同品種小麥對土壤鉛轉(zhuǎn)化率的影響Fig.5 Effects of different wheat varieties on the conversion of lead in soil

圖6 不同品種小麥對土壤Cr（Ⅵ）積累作用的影響Fig.6 Effects of different wheat varieties on the accumulation of Cr（Ⅵ）in soil

3 結(jié)論與討論

圖7 不同品種小麥對土壤Cr（Ⅵ）轉(zhuǎn)化率的影響Fig.7 Effects of different wheat varieties on the conversion of Cr（Ⅵ）in soil

植物在種子萌發(fā)以及幼苗生長階段往往對生長環(huán)境變化比較敏感. 據(jù)楊文玲等報(bào)道［15］，單一的鉛鉻脅迫以及鉛鉻復(fù)合脅迫均會(huì)使小麥種子的萌發(fā)率降低，鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量減少，說明鉛鉻脅迫會(huì)抑制小麥種子的萌發(fā)和幼苗生長. 本研究選取的6 個(gè)小麥品種在鉛鉻脅迫下，發(fā)芽率普遍在90%，這與楊文玲的研究一致. 周希琴等［16］的研究發(fā)現(xiàn)，鉻脅迫下玉米不同品種間植株鮮質(zhì)量重和干物質(zhì)量存在顯著或極顯著差異. 本試驗(yàn)秋樂168在鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量上均和其余5個(gè)小麥品種有明顯差異，且6個(gè)小麥品種之間均有不同程度的差異，這表明了不同品種的小麥對于鉛鉻脅迫也具有不同的生長差異.

氮磷鉀是小麥生長中不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，合理施用不僅可以節(jié)約成本，增加成效，還可以促進(jìn)小麥的生長發(fā)育［17-18］. 陳檢峰等［19］的研究表明，不同氮磷鉀的配比對旱地小麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分有顯著影響. 本試驗(yàn)中，在相同的鉛鉻污染土壤種植不同品種的小麥后，土壤中氮磷鉀的含量均有不同程度的變化. 鄭麥103和溫麥19對氮磷有著更多的營養(yǎng)需要，秋樂168和秋樂2122則偏向于吸收更多的鉀. 這說明不同品種的小麥對于氮磷鉀的響應(yīng)是存在差異的. 楊柳等［20］也報(bào)道了輕度鹽脅迫下，不同品種的小麥在苗期對氮肥施用量的響應(yīng)是不一樣的.

鉛鉻是農(nóng)業(yè)重金屬污染的主要元素，其在土壤中積累達(dá)到一定程度會(huì)對小麥產(chǎn)生較強(qiáng)的毒害作用. 有文獻(xiàn)報(bào)道［21］，過量的鉛會(huì)對小麥細(xì)胞膜的通透性、光合作用、酶活性造成顯著影響，也會(huì)影響小麥的產(chǎn)量與質(zhì)量. 但植物在生長過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)制緩解重金屬在土壤中的積累. 本研究中6個(gè)試驗(yàn)品種的小麥均可以耐受鉛鉻脅迫，其中矮抗58處理組土壤中鉛的積累得到了最大的緩解，溫麥19處理組在對Cr（Ⅵ）的積累上相比于其他5種小麥具有明顯的優(yōu)勢.