外源硅对土壤镉活性及小麦吸收镉的影响

韩 超， 张 浩， 申海玉， 李粉霞

(1.邯郸学院生命科学与工程学院，河北邯郸 056005； 2.邯郸市资源植物重点实验室，河北邯郸 056005；3.河北省邯郸市永年农业局环保站，河北邯郸 057150)

据报道，中国约1/5的农业用地遭到严重的重金属污染[1]，其中最主要的污染因子就是重金属镉(Cd)。重金属Cd对生物而言是非必需元素，具有巨大的生物毒性且在生物体内半衰期长。但是，它在工业、农业中应用广泛且极易被植物吸收因而成为危害人类和生态系统的主要重金属污染物之一。同时，大量研究表明，Cd对于植物生长发育极其不利，可抑制植物的光合作用和呼吸作用，进而干扰植物体内碳代谢以及水分和无机养分的吸收与转化[2-4]。因此，关于土壤Cd污染的治理和缓解其对植物危害的相关研究越来越多[5-6]。

化学改良剂的施用因其可操作性强且成本低廉成为防治土壤重金属污染尤其是Cd污染的重要手段，其中包括对土壤重金属具有活化作用的螯合剂、土壤pH值调节剂以及土壤重金属钝化剂等。而以硅肥作为改良剂应用于重金属污染的研究越来越多，通过改善植物生理生化代谢过程、钝化土壤重金属，甚至可以影响植物根系对重金属的转移能力等多种途径，Si对植物重金属胁迫起到重要的调控作用[7-9]，此外，据报道，外源硅的输入能够提高高等植物对重金属胁迫的抗性，在抗氧化酶活性、光合等方面均有表现[10]，降低植物对重金属的吸收并可减轻重金属对植物的毒害[11]。但目前，硅对土壤重金属污染的改良研究多集中于铝、锰毒害[12]，而将其应用于Cd毒害作用的研究相对较少，且缺乏对Si用量筛选的研究。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小麦(TriticumaestivumlL.)品种为邯617，是河北省邯郸市主要的小麦栽培品种之一，购自邯郸市农业科学院。供试土壤为褐土，土壤经风干、粉碎后过5 mm筛。供试土壤的理化性状如表1所示。采用盆栽试验，试验用塑料桶(直径为20 cm)，每桶装土2 kg，施入尿素0.332 g/kg(0.15 g氮)、磷酸二氢钾0.288 g/kg(0.15 g五氧化二磷)和氯化钾0.159 g/kg(0.20 g氧化钾)为基肥，所有物料一次性施入，与土壤充分混匀。

表1 供试土壤理化性状

1.2 试验方法

本试验于2016年3—6月在邯郸南苗圃开展，试验共10个处理，其中设2个Cd水平，分别为0.0、1.5 mg/kg，设5个Si用量，分别为0.00、0.25、0.50、1.00、2.00 g/kg，每个处理重复5盆。Cd以氯化镉(CdCl2)溶液、硅以Na2SiO3溶液形式施入，与土壤混匀，稳定14 d。选取生长状况一致的健壮小麦植株移栽于各处理塑料桶中，每桶种植10株，试验过程中，按需浇去离子水，试验处理周期为50 d。

1.3 指标测定

1.3.1 土壤中Cd的形态分组 小麦幼苗收获后，将各处理土壤进行风干，过20目筛，制成土壤样品。土壤中不同形态Cd含量采用Tessier等提出的分级提取方法[13]进行测定。交换态Cd的提取采用MgCl2(1.0 mol/L)中性溶液提取，振荡、离心后上清液转移入新离心管中加1滴浓硝酸酸化后待测Cd含量(交换态)，沉淀用pH值为5.0的醋酸钠-醋酸溶液(1.0 mol/L)提取，振荡、离心，上清液转移入新管中，待测碳酸盐结合态与专性吸附态Cd含量，沉淀用氯化铵溶液(0.1 mol/L)提取，并于(96±3) ℃水浴6 h，搅拌，提取前后保持提取系统的恒质量，然后离心，上清液待测铁锰氧化物结合态Cd的含量；向上述沉淀中加入水，摇匀，再加入30% H2O2溶液(pH值为2.0)，水浴加热(85 ℃)，摇动，内容物呈糊状时取下，再加30% H2O2溶液水浴加热至呈糊状时取下，冷却后按第一步提取，上清液待测有机物结合态Cd含量；将最后残渣烘干，过100目筛，准确称取0.200 0 g于聚四氟乙烯坩埚中，采用HF-HClO4双酸消解，赶酸后，用1 mol/L HCl溶解后定容得待测液，待测残渣态Cd含量，同时做空白试验。以上各步所获得的提取液和消解液在原子吸收分光光度计上测出Cd含量。

1.3.2 小麦生长指标的测定 处理50 d后，随机选取各处理小麦20株，测量株高、根长。收获小麦植株，分为地上部分和根系，于流水下冲洗干净，去离子水冲洗3次(在此之前，根部需用0.5 mol/L HCl浸泡15 min以去除根自由空间中的Cd。将小麦地上部分和根分别烘干(85 ℃)，称质量，最后研磨过100目筛，制成植物粉末干样，待测Cd含量。

1.3.3 小麦体内Cd含量的测定 采用微波消解仪(意大利迈尔斯通，ETHOSA)对小麦干样品进行消解，称取每个植物样品0.200 0 g于消解管中，加8 mL混酸(HNO3与H2O2体积比为7 ∶1)，浸泡过夜，次日放在微波消解仪上进行高温消解，直到溶液为澄清没有颜色时消解完毕，常温下冷却，定量移到25 mL容量瓶之中，然后加0.2%硝酸定容到刻度，制作为植物样品待测液，同时做空白溶液。待测液中的Cd浓度采用石墨炉原子吸收分光光度法测定。

1.3.4 小麦根系转移系数的计算 转移系数=地上部分Cd含量/地下部分Cd含量。

2 结果与分析

2.1 不同Si用量对模拟Cd污染下小麦幼苗生长的影响

由图1至图3可知，0.50 g/kg及以下Si的施用促进了小麦的生长，表现为株高和总生物量的增长，但当Si用量在 1.00 g/kg 及以上时，对小麦幼苗生长产生显著抑制作用，表现为株高、根长和总生物量显著降低(P<0.05)。1.5 mg/kg土壤Cd抑制了小麦幼苗的株高、根长生长，造成总生物量积累降低(P<0.05)，与无Si无Cd处理相比，株高、根长和总生物量分别降低了16.57%、19.92%和21.88%。但是，0.25、0.50 g/kg Si用量显著提高了Cd胁迫下小麦幼苗的根长和总干质量(P<0.05)，与1.5 mg/kg Cd但未施加Si的处理相比，0.25、0.50 g/kg Si用量下小麦的总干质量分别提高了 9.42% 和20.32%，其中0.50 g/kg Si用量对Cd污染对小麦生长抑制的缓解作用最明显，甚至与对照(未添加Cd和Si)小麦幼苗生长状况差异不大。综合而言，在本试验中，0.50 g/kg Si的施用能促进小麦生长，而且有效缓解了 1.50 g/kg Cd污染对小麦幼苗生长的抑制作用。

2.2 不同Si施用量对模拟Cd污染下小麦幼苗Cd吸收累积的影响

由表2可以看出， 1.5mg/kg土壤Cd水平下， 小麦地上部分和总Cd含量分别比对照(未添加Cd和Si)增加了5.9倍和6.6倍。在无Cd添加土壤上，Si的施用对小麦幼苗吸收积累Cd的影响不大，当Si用量达到1.00 g/kg时小麦体内Cd积累量降低，可能是由于过量硅的施入对小麦生长产生抑制作用，从而减少了Cd的吸收。但是在1.5 mg/kg土壤Cd水平下，Si的施用在一定程度上抑制了小麦对Cd的吸收累积，但以0.50 g/kg及以下Si用量抑制效果最显著(P<0.05)，其中以0.50 g/kg效果最好，该处理下小麦地上部分和总Cd积累量分别比无Si处理(1.5 mg/kg Cd，未施用Si)降低34.09%和50.40%，虽然1.0 g/kg Si的施用也降低了小麦对Cd的吸收累积，但结合生长数据，不是最佳的用量。此外，1.5 mg/kg土壤Cd水平下，0.50 g/kg及以下Si用量显著增加了小麦根向地上部分转移Cd的能力，表现为转移系数的增加(P<0.05)，其中以0.50 g/kg Si用量效果最好，其转移系数达到了1.44，说明硅的施入不仅降低了小麦根系对土壤Cd的吸收，还抑制了Cd向地上部分的运输，从而减轻Cd对地上部分的危害。综合而言，Si的施入不仅降低了小麦根系对土壤Cd的吸收， 而且抑制了Cd的向上运输， 从而能减轻土壤Cd污染对小麦的毒害作用，其中以0.50 g/kg用量效果最好。

表2 Si施用对不同Cd水平下小麦对Cd吸收和转移的影响

注：同列数据后不同小写字母代表同一Cd浓度下、不同Si用量下小麦各指标之间差异显著(P<0.05)，下表同。

2.3 不同Si施用量对模拟Cd污染下土壤Cd形态的影响

土壤中重金属的存在形态分别为交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态，其中，交换态有效性最高，其次为结合态，而残渣态最低。由表3可知，Si施用显著降低了Cd污染下土壤交换态Cd的比重，且在≥0.5 g/kg用量下效果较好，此外，Si施用显著增加了铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态Cd的比重(P<0.05)，碳酸盐结合态Cd的比重也有增加，虽然不同Si施用量之间差异不明显，但均显著区别于无Si处理(1.5 mg/kg Cd，未施用Si)。

试验结果表明，Si施用能够降低土壤中Cd对小麦幼苗的有效性，这也可以解释适量施用Si肥后降低了小麦幼苗对Cd的吸收与积累。

表3 Si施用对土壤Cd形态的影响

3 讨论与结论

Cd是毒性最强的重金属元素之一，能够在食物链中引起生物扩大作用，从而间接危害人类的健康。根据本试验结果，1.5 mg/kg土壤Cd污染水平下，小麦地上部分和总Cd含量分别比对照(未添加Cd和Si)增加了5.9倍和6.6倍，且小麦幼苗的生长受到显著抑制。本研究结果还表明，0.5 g/kg及以下Si肥的施用缓解了1.5 mg/kg Cd污染对小麦幼苗生长的抑制作用，相关研究也表明Si肥施入能促进植物生长，降低重金属对玉米生长的危害[14]。

李淑仪等报道，施Si以后降低了土壤中交换态铬的含量，但是提高了各种类型结合态铬的含量[15]。本研究对Cd的试验结果也表明，Si肥施用以后显著降低了土壤中Cd的有效性，表现为交换态Cd比重减小，但是Si肥施用增加了土壤中结合态Cd和残渣态Cd的比重，但对残渣态Cd的增加效应不如已有报道明显，这可能是由于试验周期短所致，但总体而言，Si肥施用降低了土壤有效态Cd的含量。

研究表明，施Si能够抑制植物对重金属Cd的吸收。Si对植物吸收Cd的抑制效果可能与施Si的浓度及由此增加的土壤Si含量和作物品种都有重要关系[16-19]。蔡德龙等研究发现，Si肥施用抑制了水稻对Cd的吸收，并随Si肥施用量增加，抑制作用逐渐增强[20]，但秦淑琴等研究报道，Si对水稻根系对Cd的吸收量没有明显影响，但明显降低了Cd向地上部分的迁移[21]。本试验结果表明，0.25、0.50 g/kg Si用量不仅降低了小麦根系对Cd的吸收，而且降低了Cd向地上部分的迁移，这与其降低了土壤Cd的有效性具有一定关系。且 0.50 g/kg Si用量下，小麦幼苗生长最好、Cd积累最少。此外，根据本试验结果，Si用量高于1.00 g/kg时，虽然降低了土壤Cd的有效性，但小麦幼苗的生长受到阻碍。高柳青等也指出，Si在一定浓度条件下能有效抑制植株对Cd和Zn的吸收，而较高或较低浓度的Si，其抗重金属的效果较弱[22]。因此，Si肥的施入降低了土壤Cd的有效性，从而降低了小麦对Cd的吸收，在一定程度上可以对其促进Cd污染土壤上小麦幼苗生长做出解释。

综合而言，0.50 g/kg及以下Si用量能够促进Cd污染土壤上小麦幼苗的生长，降低土壤中Cd的有效性，减少小麦根系对Cd的吸收累积以及向茎叶的运输，且减轻了土壤Cd污染对小麦幼苗的伤害。其中，0.50 g/kg是较适宜的推荐Si用量。