葉面阻控劑在輕度鎘污染石灰性麥田上的降鎘效果

宋盼盼,常會慶,李嵐坤,王啟震

(河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河南 洛陽 471023)

鎘(Cd)被國際癌癥研究機構(gòu)(IARC)劃分為Ⅰ類致癌物[1],也是我國農(nóng)田土壤重金屬污染的主要元素。據(jù)調(diào)查,我國農(nóng)田土壤中的鎘55%源于牲畜糞便,35%源于大氣沉降,8%源于肥料[2]。在諸多重金屬中,鎘在土壤中具有較高的植物有效性,對植物的毒害強[3],并且土壤有效態(tài)鎘的濃度在達到毒害植物的水平之前就可以使植物可食部分的鎘含量超過食用標準而危害人類健康[4-6]。王怡雯等[7]對河北保定和河南新鄉(xiāng)的50塊麥田進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn),小麥雖然可以在上述地塊正常生長,但小麥籽粒的鎘含量超標率達到55%。肖冰等[8]對華北某污灌區(qū)農(nóng)田的調(diào)查也發(fā)現(xiàn),該地區(qū)小麥籽粒的鎘含量超標率達76.7%。因此,鎘污染土壤的治理備受關(guān)注。

2014年我國環(huán)境保護部與國土資源部聯(lián)合公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示,我國耕地土壤點位超標率為19.4%,其中,鎘點位超標率高達7.0%[9],以輕到中度污染為主[10]。囿于我國人多地少的現(xiàn)實,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上仍需采取必要措施安全利用輕度污染農(nóng)田生產(chǎn)出安全的農(nóng)產(chǎn)品[11]。同時,這也與我國《土壤污染防治行動計劃》提出的2030年受污染耕地安全利用率達95%以上的目標一致[12]。如何阻控作物對重金屬,尤其是鎘的積累,是輕度污染農(nóng)田安全利用中必須解決的關(guān)鍵問題。

北方地區(qū)鎘污染麥田大部分為石灰性褐土或潮土,土壤的鹽基飽和度、碳酸鈣含量高,有效態(tài)鎘含量較低。若僅靠鈍化劑調(diào)節(jié)土壤pH值或水分管理等農(nóng)藝措施來進一步降低土壤鎘活性,難以達到降低小麥籽粒鎘含量的目的[13]。同時,不同品種小麥的籽粒鎘含量變幅較小,篩選鎘低積累小麥品種的難度較大[14]。利用葉面阻隔劑來減少甚至阻斷重金屬向農(nóng)作物可食部位的遷移是北方地區(qū)相對更為可行的農(nóng)田重金屬污染防治方向,而且,相較于施用土壤鈍化劑等措施,葉面阻控技術(shù)具有針對性強、經(jīng)濟高效、不易造成土壤二次污染的優(yōu)點。目前,市面上葉面阻控劑的基本原理均是抑制鎘從葉片經(jīng)穗軸向籽粒的轉(zhuǎn)移[15]。具體地:大量營養(yǎng)元素型葉面阻控劑主要以磷元素為主。葉面噴施含磷的葉面阻控劑可顯著降低作物對鎘的吸收,特別是可食用部位對鎘的積累量,原因在于磷酸鹽與鎘結(jié)合形成螯合物,降低了鎘在植株內(nèi)的移動性[16-17]。鈣鎂型葉面阻控劑通過鈣、鎂離子對植物生理活性的調(diào)節(jié),及其與鎘離子對吸收運輸位點的競爭來減少植物對鎘的吸收。Tian等[18]報道,添加外源鈣可以緩解超富集植物東南景天(SedumalfrediiHance)體內(nèi)由鎘脅迫引發(fā)的毒害效應(yīng)。拮抗型葉面阻控劑的作用機理是,利用與鎘元素存在相似離子半徑或電子結(jié)構(gòu)的元素發(fā)生的吸收排斥效應(yīng),達到降低鎘吸收累積量的目的。Han等[19]發(fā)現(xiàn),葉面施鐵能通過拮抗作用顯著降低葉片中有效態(tài)鎘的比例,進而降低籽粒中的鎘含量。葉面施硅可增加作物葉面積、含水量、葉綠素含量和光合能力,是降低稻米鎘含量的有效措施。唐守寅等[20]研究表明,施硅能將地上部的鎘沉積于莖部和葉部的細胞壁中,形成Si-Cd復(fù)合物,進而減輕鎘向果穗部的遷移。然而,以上研究多涉及水稻阻控劑的施用效果,葉面阻抗劑的選用較為單一,針對鎘污染小麥葉面阻抗劑的研究較少,且存在降鎘率不高等問題。為此,本研究利用自配的3種葉面阻控劑,明確其對北方中低鎘污染石灰性麥田的降鎘效果,旨在篩選出具有良好阻鎘效果、可以保障小麥安全生產(chǎn)的阻控劑。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

在河南省新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣某鎮(zhèn)(35°25′N,113°82′E)的定位試驗站開展試驗。試驗地的種植模式為小麥-玉米輪作。當?shù)貙倥瘻貛Т箨懶詺夂?年均氣溫、年均降水量分別約為14 ℃、600 mm,年均無霜期約209 d,全年日照時數(shù)約2 384 h。

1.2 試驗材料

1.2.1 葉面阻控劑

本研究采用3種自配的葉面阻控劑開展試驗,分別為ZP1(養(yǎng)分型)、ZP2(絡(luò)合型)和ZP3(絡(luò)合+拮抗型)。其中:ZP1由氮-磷-鉀混合溶液、有機硅、檸檬酸制成,有機硅含量0.1%,氮、磷、鉀含量均為0.8%,有機酸含量0.001%;ZP2由氮-磷-鉀混合溶液、有機硅、檸檬酸、鈣鎂絡(luò)合劑(氯化鈣、硫酸鎂按1∶1的質(zhì)量比混合,下同)制成,有機硅含量0.1%,氮、磷、鉀含量均為0.8%,鈣鎂絡(luò)合劑含量0.4%,有機酸含量0.001%;ZP3由氮-磷-鉀混合溶液、有機硅、檸檬酸、鈣鎂絡(luò)合劑、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、FeCl3·6H2O、MnCl2·4H2O制成,有機硅含量0.1%,氮、磷、鉀含量均為0.8%,鈣鎂絡(luò)合劑含量0.4%,有機酸含量0.001%,微量元素拮抗劑含量0.6%。

1.2.2 供試小麥和土壤

供試小麥品種為百農(nóng)AK58,屬半冬性中熟品種,全生育期226.5～230.6 d。供試土壤的基本理化性質(zhì)如下:pH值7.96,有機質(zhì)含量24.50 g·kg-1,速效磷(Olsen-P)含量61.46 mg·kg-1,速效鉀含量265.33 mg·kg-1,堿解氮含量117.83 mg·kg-1,總鎘含量1.02 mg·kg-1,有效態(tài)鎘含量0.31 mg·kg-1。土壤總鎘含量是GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)》中風(fēng)險篩選值的1.7倍,但未超過管控值。

1.3 試驗設(shè)計

依照噴施的葉面阻控劑不同設(shè)置3個試驗處理,以及1個噴施蒸餾水的對照(CK)。每種葉面阻控劑均在小麥生長的拔節(jié)期(2021-04-26)、抽穗期(2021-05-09)、灌漿期(2021-05-17)各噴施1次,每667 m2單次噴施2 L(稀釋20倍后噴施)。噴施在07:00—08:00進行,保證小麥葉片正反面均沾滿霧滴,噴施后2 h內(nèi)避免強光照、淋雨,否則補噴。噴施的小區(qū)面積均為30 m2(5 m×6 m),小區(qū)之間設(shè)置0.5 m的保護行。每個處理重復(fù)3次,水分管理參照當?shù)剞r(nóng)田。

1.4 樣品采集與分析

待小麥成熟后,采集耕層(0～20 cm)土壤,樣品風(fēng)干后分別過0.85、0.15 mm土篩后備用。

分別采集小麥根、莖、葉(含葉鞘、葉柄)、穎殼和籽粒樣品,先后用自來水、去離子水洗滌,105 ℃殺青30 min,85 ℃烘至質(zhì)量恒定,測定干重,用粉碎機磨碎后過0.15 mm篩待用。

稱取過0.15 mm篩的土壤樣品0.500 g,置于聚四氟坩堝中,加入10 mL HF、8 mL HNO3、3 mL HClO4消煮。植物樣品采用6 mL HNO3、4 mL HClO4的混合液消煮。消煮完成后,加2～3 mL的2% HNO3溶解殘存物質(zhì),用25 mL容量瓶定容待用。同時,消煮空白和標準樣品。標準樣品采用國家標準參比物質(zhì)進行質(zhì)量控制,分別為:土壤成分分析標準物質(zhì),產(chǎn)品編號GBW07408(GSS-8);生物成分分析標準物質(zhì)—河南小麥,產(chǎn)品編號GBW10046(GSB-24)。所用試劑均為優(yōu)級純,標準樣品中所有測定元素的回收率均在80%以上。消解后的樣品,統(tǒng)一采用ICAP-7200型電感耦合等離子體發(fā)射儀(ICP-OES,美國Thermo Fisher Scientific)測定鎘、硅、銅、錳、鋅等元素含量。采用Tango-R/T傅里葉變換紅外光譜儀(德國Bruker)掃描測定小麥的蛋白、灰分、濕面筋、淀粉、沉降值。土壤pH值采用電位法(浸提液的水土體積質(zhì)量比為5∶1)測定;土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-油浴外加熱法測定;土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤速效鉀含量采用乙酸鈉浸提-火焰光度法測定;土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定。上述指標的具體測定過程均參照《土壤農(nóng)化分析》[21]。

以小麥各部位鎘含量與土壤中鎘含量之比表征各部位的鎘富集系數(shù)(AF),以小麥不同部位的鎘含量之比表征鎘在小麥不同部位間的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)[19]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù),用SPSS Statistics 23軟件進行統(tǒng)計分析,對有顯著(P<0.05)差異的,采用最小顯著差數(shù)法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施葉面阻控劑對小麥產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

葉面阻控劑選擇的原則之一為,不應(yīng)對小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)造成顯著影響。與CK相比,在小麥生長的拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期各噴施1次阻控劑后,小麥籽粒的蛋白、灰分(干基)、濕面筋(濕基)、淀粉含量,以及沉降值、產(chǎn)量均無顯著變化(表1)。這說明,噴施自制的3種葉面阻控劑并不會對小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)造成明顯不良影響。

表1 不同處理的小麥品質(zhì)與產(chǎn)量

2.2 噴施葉面阻控劑對小麥鎘吸收、轉(zhuǎn)運、富集的影響

2.2.1 噴施葉面阻控劑對小麥各部位鎘含量的影響

收獲后,所有處理小麥樣品根部的鎘含量均遠大于其他部位(圖1)。同一處理的小麥穎殼與籽粒的鎘含量差異不顯著。CK處理的莖、葉鎘含量存在顯著差異,而其他處理的莖、葉鎘含量并無顯著差異。與CK相比:ZP1處理顯著降低了葉和穎殼的鎘含量,降幅分別為49.5%、26.6%;ZP2處理顯著增加了根和莖的鎘含量,增幅分別為18.3%、85.8%,但顯著降低了葉的鎘含量,降幅為32.7%;ZP3處理顯著降低了葉和籽粒的鎘含量,降幅分別為44.6%、43.3%。

柱上無相同字母的表示同一部位各處理間差異顯著(P<0.05)。

ZP1、ZP2、ZP3處理小麥籽粒中的鎘含量分別為0.07、0.08、0.05 mg·kg-1,均低于GB2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》規(guī)定的限量值(0.1 mg·kg-1)。

2.2.2 噴施葉面阻控劑對小麥各部位鎘轉(zhuǎn)運的影響

鎘在小麥籽粒中的富集不僅與土壤中的鎘含量相關(guān),還依賴于小麥各部位對鎘的轉(zhuǎn)運能力。轉(zhuǎn)運系數(shù)常被用來評價重金屬在作物不同部位遷移的能力[22-23],也常被用作篩選最佳阻控劑施用量的指標。小麥上部與下部的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)越小,說明鎘越容易被固定在小麥下部,轉(zhuǎn)運到小麥上部的鎘越少[24];同理,從葉到籽?；驈姆f殼到籽粒的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)越小,鎘進入食物鏈的可能性就越低[25]。不同處理小麥從莖到葉的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)遠大于其他部位,且其值均大于1(表2),說明小麥莖部的鎘極易遷移至葉部。與CK相比:ZP1、ZP2、ZP3處理顯著降低了從莖到葉的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù),但對其他部位間的轉(zhuǎn)運系數(shù)無顯著影響;此外,ZP3處理還顯著降低了從葉到穎殼的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù),但未對其他部位間的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)產(chǎn)生顯著影響?？梢?噴施自制的3種阻控劑主要是通過抑制鎘從莖部向葉部的轉(zhuǎn)運,從而阻控鎘離子向籽粒轉(zhuǎn)移的。

表2 不同處理小麥各部位的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)

2.2.3 噴施葉面阻控劑對小麥各部位鎘富集的影響

不同處理下,均以小麥根部的鎘富集系數(shù)最大(0.90～1.08),籽粒的鎘富集系數(shù)最小(0.05～0.09)(表3)。 CK處理下,小麥葉部的鎘富集系數(shù)顯著大于莖、穎殼和籽粒;ZP1處理下,莖、葉、穎殼和籽粒的鎘富集系數(shù)不存在顯著差異;ZP2處理下,莖、葉的鎘富集系數(shù)分別與穎殼、籽粒的鎘富集系數(shù)存在顯著差異;ZP3處理下,葉與穎殼,及莖、葉與籽粒的鎘富集系數(shù)均存在顯著差異。與CK相比:ZP1處理顯著降低了葉和穎殼的鎘富集系數(shù),降幅分別為48.5%、27.3%;ZP2處理顯著提高了根和莖的鎘富集系數(shù),增幅分別為18.7%和90.0%,顯著降低了葉的鎘富集系數(shù),降幅為33.3%;ZP3處理顯著降低了葉和籽粒的鎘富集系數(shù),降幅分別為48.0%和44.4%?？偟膩砜?與CK相比,噴施3種葉面阻控劑均顯著降低了小麥葉對鎘的富集,ZP3處理顯著降低了籽粒對鎘的富集。

表3 不同處理小麥各部位鎘富集系數(shù)

2.3 噴施葉面阻控劑對小麥葉部硅、銅、錳、鋅含量的影響

小麥體內(nèi)沒有轉(zhuǎn)運鎘的專一性離子通道,鎘主要通過與其他重金屬離子通道蛋白結(jié)合進行轉(zhuǎn)運;因此,可利用競爭性陽離子與鎘離子產(chǎn)生拮抗效應(yīng),從而抑制鎘吸收、轉(zhuǎn)移到作物的可食部位[26-27]。測定小麥葉片的硅、銅、錳、鋅元素含量(表4),并與小麥葉片中的鎘含量進行相關(guān)性分析(圖2)。與CK相比:ZP1和ZP2處理對小麥葉片的硅、錳含量無顯著影響,但顯著提高了銅和鋅的含量;ZP3處理對小麥葉片的硅含量無顯著影響,但顯著提升了小麥葉片的銅、錳、鋅含量。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,葉片中的鎘含量與錳含量呈顯著(P<0.05)負相關(guān),與銅含量呈極顯著(P<0.01)負相關(guān),與硅、鋅含量同樣呈負相關(guān),但未達到顯著水平?？梢?小麥葉片中的鎘含量會隨硅、鋅、錳、銅等元素含量的增加而降低,表明鎘與上述元素可能存在拮抗作用,向小麥葉片噴施硅、鋅、錳、銅等均可能會降低葉片的鎘含量,本處理中的不同拮抗劑可能是通過提高小麥葉片的硅、銅、錳、鋅含量,與鎘形成轉(zhuǎn)運競爭關(guān)系,從而抑制了鎘從莖部向葉部的轉(zhuǎn)運,進而阻控了鎘離子向籽粒的轉(zhuǎn)移。

圖2 小麥葉片鎘含量與硅、銅、錳、鋅含量的相關(guān)性

表4 不同處理小麥葉片的硅、銅、錳、鋅含量

3 討論

3.1 鎘在小麥各部位的含量及轉(zhuǎn)運特征

文志琦等[28]研究證明,水稻吸收的鎘主要集中在根系和葉片。根系和葉片是鎘主要的儲存器官[29]。鎘通過木質(zhì)部從根向莖轉(zhuǎn)運的能力是決定水稻莖稈中鎘積累的主要影響因素[30]。鎘進入水稻莖、葉等組織后,主要通過韌皮部向水稻籽粒轉(zhuǎn)運,籽粒中幾乎100%的鎘均來源于韌皮部運輸[31-32]。雖然小麥各部位對鎘的富集能力存在差異,但鎘離子在向上運輸?shù)倪^程中表現(xiàn)出與水稻類似的運輸規(guī)律,越往上部,鎘含量越低[33]。這與小麥體內(nèi)鎘轉(zhuǎn)運速率慢(僅2.4 cm·h-1)有關(guān)[34]。本研究表明,不同處理下小麥各部位的鎘含量均表現(xiàn)為根部最大、籽粒最小,這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[35-37]。不同處理下小麥莖-葉鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)均遠大于其他部位,且其值均大于1,說明小麥莖部的鎘極易遷移至葉部。與CK相比,ZP1、ZP2、ZP3處理均顯著降低了小麥莖-葉的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù),顯著降低了小麥葉的鎘富集能力?？梢?噴施ZP1、ZP2、ZP3主要是通過抑制鎘從莖部向葉部的轉(zhuǎn)運,進而阻控鎘離子向籽粒轉(zhuǎn)移的。

3.2 葉面阻控劑阻的控鎘效果及其機理

鎘不是植物生長的必需元素,沒有專一的轉(zhuǎn)運通道或載體,但可借助鐵、鋅、錳等必需元素的轉(zhuǎn)運通道被植物根系吸收,并向上輸送至籽粒中;因此,這些元素同鎘之間具有競爭關(guān)系[38]。過量供應(yīng)這些必需元素可以抑制植物對鎘的吸收。目前,已鑒定到多個參與控制水稻鎘、砷吸收轉(zhuǎn)運和籽粒積累的轉(zhuǎn)運蛋白。在水稻中,錳轉(zhuǎn)運蛋白(OsNramp5)、鐵轉(zhuǎn)運蛋白(OsNramp1、OsIRT1、OsIRT2)和鋅轉(zhuǎn)運蛋白(OsZIP1和OsZIP3)均參與了鎘的轉(zhuǎn)運[39-41]。當水稻缺乏鋅、鐵、錳元素時,可誘導(dǎo)相應(yīng)蛋白的表達而增強對鎘的吸收;相反,過量供應(yīng)這些必需元素可能抑制植物對鎘的吸收。呂光輝等[42]發(fā)現(xiàn),葉面噴施鋅肥可有效降低糙米中的鎘含量;胡坤等[43]比較了不同微量元素對水稻籽粒鎘含量的影響,發(fā)現(xiàn)葉面噴施鐵、鋅、錳等均可顯著降低籽粒中的鎘含量,其效果從高到低依次為鋅>錳>鐵,表明葉面施用競爭性離子是降低作物鎘含量的重要途徑。小麥與水稻同為禾本科植物,具有相似的轉(zhuǎn)運蛋白。本研究結(jié)果也表明,銅、錳、鋅等元素與鎘之間存在一定的拮抗效應(yīng),可以抑制葉部的鎘吸收和向小麥籽粒的轉(zhuǎn)運,有利于鎘污染石灰性土壤上小麥的安全生產(chǎn)。

作物對鎘的吸收受離子間絡(luò)合作用等的影響,噴施葉面阻控劑能阻止鎘的質(zhì)外體運輸,減少水稻地上部分鎘的沉積,最終降低稻谷中的鎘含量[44]。本試驗供試葉面阻控劑中含有大量的鈣、鎂、磷、硅等元素。相關(guān)研究表明,鈣、鎂等元素和游離態(tài)鎘會發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),生成堿式沉淀,降低鎘在植物體內(nèi)的遷移性,從而降低鎘的危害[45]。磷素與鎘結(jié)合形成鎘磷酸鹽,會在植物細胞壁與液泡中沉積下來,也是阻止鎘向地上部分遷移的重要途徑之一[46]。硅元素一般沉積在細胞質(zhì)外體,可與鎘發(fā)生共沉淀并將其束縛在細胞壁中,從而降低鎘的質(zhì)外體運輸及其向細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運[47]。本研究使用的3種葉面阻控劑,在配制過程中都以磷、硅助劑為基礎(chǔ),可降低小麥籽粒中的鎘含量。不同葉面阻抗劑相比,絡(luò)合型(ZP2)的效果并不顯著優(yōu)于養(yǎng)分型(ZP1),具體原因有待進一研究。鑒于本文結(jié)果僅為在一季小麥上的噴施效果,噴施的穩(wěn)定性、噴施濃度的優(yōu)選等也仍需進一步研究。

4 結(jié)論

在田間小麥生長的關(guān)鍵時期——拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期各噴施1次本試驗選用的葉面阻控劑,對小麥品質(zhì)和產(chǎn)量并無顯著不利影響。噴施的3種葉面阻控劑均顯著降低了小麥莖到葉的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù),以及小麥葉的鎘富集系數(shù),顯著提高了小麥葉片的銅、鋅含量,對鎘的運輸起到有效的拮抗作用。在本試驗條件下,對于輕度鎘污染石灰性麥田,可優(yōu)選ZP3型葉面阻控劑噴施使用。