不同湖泊沉积物处理对小麦种子萌发及幼苗生长的影响

宋鹏　李捷　李理想　赵鹏宇　李慧　张均　赵彪

摘要：为了研究湖泊沉积物在农业生产中的应用，将其与土壤和添加剂进行不同比例混合处理，研究其对小麦萌发和苗期生长的影响。研究结果表明：（1）未施加5%添加剂的处理，70%及100%沉积物对小麦萌发及抗氧化酶活性均存在一定抑制作用，100%沉积物对小麦可溶性糖及可溶性蛋白含量有显著促进作用，30%沉积物对小麦萌发及苗期生长效果弱于50%沉积物处理；（2）施加5%添加剂后，7 d时，50%沉积物、5%添加剂和45%土壤混合处理（T-C-J2）效果优于其他处理，小麦发芽率、苗高、叶绿素含量及超氧化物歧化酶活性分别较对照组提高17.33%、22.10%、15.79%、35.29%。30%沉积物、5%添加剂和65%土壤（T-C-J1）过氧化物酶活性较对照组提高23.08%。100%沉积物处理的小麦可溶性糖及可溶性蛋白含量分别较对照组提高94.27%和31.45%。沉积物的适合处理比例为50%，比例过低对小麦萌发及苗期生长促生效果较弱，比例过高则会产生抑制作用，5%添加剂可缓解沉积物比例高对小麦的抑制作用。研究结果可为湖泊沉积物在农业的应用提供理论依据和技术支持。

关键词：湖泊沉积物；比例；小麦；萌发；苗期

中图分类号：X705；S512.101文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）21-0067-05

湖泊沉积物是水体生态系统的重要组成部分，其中含有的大量氮、磷、重金属和有机物等成分可在水中持续释放，易导致水体富营养化［1-2］。目前，对沉积物进行农业利用是水环境建设中重要的研究内容，污染程度较低的沉积物可作为土壤修复剂使用，具有成本低廉、操作简单等优点［3-4］。沉积物经适当处理后可提升土壤肥力，改良土壤性状，增加土壤微生物数量，提高植物对氮的吸收量，促进植物生长［5-6］。我国北方湖泊沉积物重金属含量较低，污染处于中等偏下水平，其资源化利用具有广阔前景［7-8］。

小麦萌发及苗期生长主要受到土壤理化性质、酶活性和重金属离子等因素的影响［9-11］，不同的生长环境和外源物质的添加也占据一定因素［12-13］。目前，关于施加湖泊沉积物在常见农作物种植应用中的研究较少。本研究以北方湖泊南四湖沉积物为研究对象，通过对沉积物与土壤和添加剂进行不同比例混合，分析比较施加后对小麦萌发及苗期生长的影响，旨在实现废弃物在农业生产中的高值化利用，为湖泊沉积物的农业利用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年4月在河南科技大学农学院实验室进行。供试小麦品种为济麦22；供试土壤采自山东省济宁市微山县马坡镇周庄村附近农田，样品采集深度0～20 cm；供试添加剂为40%竹炭活性炭与60%秸秆粉碎混合制成；供试湖泊沉积物采自南四湖南阳湖段（117°12′8.0″E，34°39′25.0″N），每个采样点用抓斗式采泥器采集0～10 cm沉积物样品500 g，每个采样点采集3个平行样品，密封低温保存。沉积物pH值为7.45，有机质含量为 302.42 g/kg，碱解氮含量为442.71 mg/kg，速效磷含量为50.37 mg/kg，速效钾含量为274.65 mg/kg，Cu含量为26.75 mg/kg，Zn含量为73.60 mg/kg，Pb含量为45.14 mg/kg，Cr含量为59.78 mg/kg，Cd含量为0.23 mg/kg，Hg含量为0.03 mg/kg，As含量为11.59 mg/kg，Ni含量为24.61 mg/kg，8种元素均符合国家标准要求［14］。

1.2 试验设计

试验设置8个处理，分组见表1，每个处理重复3次。用0.1% HgCl2溶液对小麦种子进行10 min表面消毒，反复冲洗3次，冲洗干净后将小麦种子浸泡12 h，之后转移到培养皿（直径90 mm）中进行萌发。将土样按照试验设置比例均匀置于培养皿中，厚度15 mm均匀播撒40粒小麦种子，使用超纯水洒水浸润，上部用少量松土均匀覆盖，在光照培养箱中进行培养。以胚根突破种皮0.5 mm作为萌发的标准，试验每个处理重复5次，共50皿，光照度为 1 000 lx，光—暗周期为14 h—10 h，温度为15～20 ℃。

1.3 测定项目及方法

测定指标：统计7 d内小麦的发芽率、苗高及发芽指数，测定7 d时小麦叶绿素含量、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量。

测定方法：叶绿素a、叶绿素b含量和类胡萝卜素含量采用丙酮法［15］测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法［16］测定；可溶性糖含量采用蒽酮法［17］测定；SOD活性采用氮蓝四唑光化还原法［18］测定；POD活性采用愈创木酚法［18］测定；CAT活性采用高锰酸钾法［19］测定。

1.4 數据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel和SPSS 21.0软件进行处理和分析，差异显著性分析采用Duncans多重比较方法，采用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 湖泊沉积物不同处理对小麦发芽率的影响

由图1可知，施加湖泊沉积物对小麦进行不同处理后，小麦发芽率变化存在显著差异。对不同处理进行连续观测并对小麦生长情况进行详细记录，处理后1～4 d时，小麦种子发芽率逐渐提高，处理后4～7 d时，小麦种子萌发趋于稳定，100%沉积物会显著抑制小麦萌发。处理后1 d时，沉积物含量在30%～50%范围内可显著提高小麦萌发，当施加5%添加剂时，可减少70%沉积物对小麦萌发造成的毒害作用，促进小麦种子发芽；处理后2 d，T-C1处理后小麦发芽率较对照组显著提高36.59%；处理后3 d，无5%添加剂时，不同比例沉积物间50%表现更佳，沉积物比例超过50%，开始对小麦萌发产生抑制。处理后4～7 d，50%沉积物处理后，T-C2 和T-C-J2处理均可显著提高小麦发芽率；当沉积物比例为30%或70%时，对小麦发芽的促进或抑制不显著，5%添加剂可一定程度提高小麦发芽率；沉积物为100%时，小麦发芽率较对照组显著降低17.07%～20.01%。这说明施加沉积物比例为30%时，对其小麦发芽促进作用主要表现在处理后2 d，之后可能因沉积物中营养元素含量较低致其促进作用逐渐减弱。沉积物比例超过50%时，则会对小麦萌发产生抑制，危害程度更深的为100%沉积物，当施加5%添加剂，可一定程度上促进小麦萌发，缓解高浓度沉积物引起的抑制作用。

2.2 湖泊沉积物不同处理对小麦苗高度的影响

施加不同比例湖泊沉积物后，小麦苗高见图2。

处理3 d时，当无5%添加剂时，沉积物比例为30%、50%可一定程度提高小麦苗高，当其比例为70%、100%则会对小麦苗高产生抑制作用，施加5%添加剂后，T-C-J3小麦苗高较T-C3显著提高11.13%，但较对照组无显著差异；处理5 d时，各处理后小麦苗高较对照组差异显著，施加5%添加剂后，T-C-J1、T-C-J2 较T-C1、T-C2小麦苗高均有一定程度提高；随着小麦生长，各处理间小麦苗高逐渐明显。处理7 d时，当无5%添加剂时，T-C1 处理小麦苗高较对照组显著提高15.79%，施加5%添加剂后，T-C-J1、T-C-J2处理小麦苗高分别较对照组显著提高15.81%、22.10%，T-C-J2小麦苗高较T-C2显著增长9.52%。由此表明，沉积物最佳比例为50%，5%添加剂可一定程度提高小麦苗高。

2.3 湖泊沉积物不同处理对小麦发芽指数的影响

由图3可见，施加湖泊沉积物对小麦进行不同处理培养后，小麦发芽指数在处理3～7 d呈逐渐提高趋势。处理3 d时，当无5%添加剂时，30%或50%沉积物处理均可提高小麦发芽指数，但T-C1与对照组无显著性差异，70%或100%沉积物处理则会降低发芽指数，当施加5%添加剂后，T-C-J3发芽指数较T-C3显著提高38.89%；处理5 d时，当无5%添加剂时，T-C1较对照组小麦发芽指数显著提高21.43%，施加5%添加剂后，T-C-J1、T-C-J2 较T-C1、T-C2小麦发芽指数出现下降，T-C-J3较T-C3提高9.80%。处理7 d时，30%或50%沉积物处理均可提高小麦发芽指数，T-C2 和T-C-J2分别较对照组显著提高16.21%、16.18%。综上，施加沉积物的最佳比例为50%，30%次之，70%沉积物开始对小麦萌发产生抑制，施加5%添加剂后，可产生一定程度缓解作用。

2.4 湖泊沉积物不同处理对小麦苗期叶绿素含量的影响

施加不同配比湖泊沉积物对小麦进行培养后，测定处理7 d时叶片叶绿素a、叶绿素b含量的变化情况。如图4所示，当无5%添加剂时，C、T-C1、T-C2、T-C3处理小麦叶绿素a含量与对照组均无显著性差异，叶绿素b含量T-C2处理较对照组显著提高9.38%；施加5%添加剂后，T-C-J2处理叶绿素a含量较对照组显著提高15.38%，其余比例与对照组差异性较小，叶绿素b含量T-C-J2处理较对照组显著提高9.23%。由此表明，施加50%沉积物可显著提高叶绿素b含量，5%添加剂可显著提高叶绿素a含量，其他比例对叶绿素含量影响较小。

2.5 湖泊沉积物不同处理对小麦苗期SOD活性的影响

图5所示为沉积物不同比例处理后，小麦苗期超氧化物歧化酶活性的变化情况。结果表明，无5%添加剂时，30%或70%沉积物处理对小麦SOD活性与对照组无显著性差异，施加5%添加剂后，T-C-J1 和T-C-J3的小麦SOD活性均有一定程度提高；100%沉积物使其SOD活性较对照组显著降低42.35%，可能是沉积物中有害元素浓度过高，导致小麦细胞膜受到损伤；50%沉积物处理，T-C2 和T-C-J2小麦SOD活性分别较对照组显著增加35.29%和62.17%，T-C-J2小麦SOD活性较T-C2提高17.28%。综上，沉积物的最佳施加比例为50%，添加5%添加剂可进一步提高小麦SOD活性。

2.6 湖泊沉积物不同处理对小麦苗期POD和CAT酶活性的影响

图6为不同处理方式后对小麦苗期过氧化物酶的变化情况。结果表明，不同比例间小麦幼苗POD活性大小表现为30%>0>50%>70%>100%。当无5%添加剂，沉积物比例超过50%时，T-C3 与C处理小麦幼苗POD活性较对照组显著降低26.92%和53.85%；当施加5%添加剂后，除C组外3个不同比例沉积物处理后，小麦POD活性较相同比例沉积物均有明显提高，其中T-C-J1处理后小麦POD活性较对照组显著提高23.08%，其他处理与对照无显著差异。添加剂施加可提高小麦幼苗POD活性，最佳处理方式为T-C-J1。

由图7可知，不同处理方式后小麦苗期过氧化氢酶活性变化情况。结果表明，除100%沉积物的施加量对小麦CAT活性产生了一定的抑制作用外，其他各比例沉积物对小麦CAT活性影响并不显著；施加5%添加剂对50%沉积物的调节不明显，反而产生了一定的抑制作用，在沉积物比例为30%、70%时，T-C-J1和T-C-J3处理小麦CAT活性分别较 T-C1 和T-C3提高20.01%和7.14%，但与对照组无显著差异。

2.7 湖泊沉积物不同处理对小麦苗期可溶性糖含量的影响

由图8可见，100%沉积物处理后小麦苗期可溶性糖含量达到最大值62.08 mg/g，较对照组显著提高94.27%。当无5%添加剂时，沉积物比例不宜超过50%，超过则易减少小麦幼苗可溶性糖含量；施加5%添加剂后，T-C-J1、T-C-J2、T-C-J3小麦可溶性糖含量较同比例沉积物均发生下降，T-C-J3 处理可溶性糖含量较 T-C3 降低23.68%。5%添加剂一定程度上降低了小麦可溶性糖含量，主要表现在70%沉积物处理。

2.8 湖泊沉积物不同处理对小麦苗期可溶性蛋白的影响

不同处理后小麦苗期可溶性蛋白含量见图9。结果表明，当无5%添加剂，沉積物比例在30%～70%时，小麦幼苗可溶性蛋白含量随着沉积物比例增加而逐渐降低，且与对照无显著差异，100%沉积物处理后小麦可溶性蛋白含量较对照组显著增加31.45%。施加5%添加剂后，T-C-J1、T-C-J2、T-C-J3处理较相同比例沉积物小麦可溶性蛋白含量均有一定程度提高，T-C-J1处理小麦可溶性蛋白含量较对照组显著提高33.46%。综上，无5%添加剂时，对于小麦可溶性蛋白含量的最佳沉积物比例为100%，施加5%添加剂后，沉积物最佳处理方式为沉积物30%+添加剂5%+土壤65%。

3 讨论与结论

湖泊沉积物含有植物生长所需的大量元素、微量元素和营养物质，具有改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物生长的作用［20］。不同混合比例会影响沉积物中各类营养物质向土壤释放的速度和过程，适宜比例沉积物能够促进小麦的萌发和生长，而低于一定比例或过高比例，沉积物的促生效果不明显，甚至会抑制小麦的萌发和生长。本研究结果表明，50%混合比例的沉积物能够提高小麦叶片中叶绿素含量，促进小麦种子萌发和苗期生长，但过高比例的沉积物则会抑制小麦的生长发育。高俊等研究显示，加入少量的底泥可提高小麦种子的发芽率，随着底泥用量的增加发芽率呈下降趋势，芽高呈增长趋势［21］。杨丹等研究发现，沉积物与土壤2种混合物的比例在33%～50%之间，可显著提高土壤养分含量，促进作物苗期生长［22］，本研究结果与之相似。同时，加入活性炭能够有效地吸附沉积物和土壤中的污染物，降低生物毒性，改良土壤机理，增加土壤肥度［23］。本研究中湖泊沉积物与添加剂混合后的处理，可缓解高比例混合沉积物对小麦的抑制作用，调节土壤碳氮比，促进小麦萌发及苗期生长。

通过湖泊沉积物与土壤和添加剂进行不同比例混合，分析比较小麦发芽率、苗高和叶绿素、SOD、POD、CAT等含量及活性，沉积物的适宜混合处理比例为50%，比例过低对小麦萌发及苗期生长促生效果较弱，比例过高则会产生抑制作用。添加剂可缓解沉积物比例高对小麦的抑制作用。沉积物50%+添加剂5%+土壤45%的处理方式效果优于其他处理，小麦发芽率、苗高、叶绿素含量及SOD活性分别较对照组提高17.33%、22.10%、15.79%、35.29%。研究结果为湖泊沉积物在农业上的利用提供科学依据和技术支持。

参考文献：

［1］吴光红，曹珊珊，于雅琴，等. 天津典型水环境表层沉积物中营养盐含量及动态特征［J］. 环境科学，2009，30（3）：726-732.

［2］李松贵，向速林，张 旭，等. 小型浅水湖泊表层沉积物对磷的吸附特征及其影响因素［J］. 水土保持通报，2018，38（6）：61-66，73.

［3］黄翔峰，王 志，叶广宇，等. 疏浚底泥改良土壤理化性质促进芦苇快速定植研究［J］. 环境科学学报，2019，39（12）：4261-4268.

［4］Park J，Son Y，Noh S，et al. The suitability evaluation of dredged soil from reservoirs as embankment material［J］. Journal of Environmental Management，2016，183：443-452.

［5］Zhu Z J，Yuan H Z，Wei Y，et al. Effects of ammonia nitrogen and sediment nutrient on growth of the submerged plant Vallisneria natans［J］. CLEAN - Soil，Air，Water，2015，43（12）：1653-1659.

［6］杨 丹，刘 燕，葛 皎. 河道疏浚底泥农业利用对油菜幼苗生长的影响［J］. 北方园艺，2016（16）：177-181.

［7］李 捷，宋 鹏，李 慧，等. 北方湖库沉积物重金属区域特征及生态风险评价［J］. 中国环境科学，2020，40（11）：4927-4935.

［8］王 昕，霍吉祥，马福恒，等. 宿鸭湖水库沉积物重金属含量分析与评价［J］. 人民黄河，2020，42（6）：84-88，94.

［9］刘佳奇，李 丽，杨红红，等. 盐胁迫下褪黑素对小麦种子萌发和幼苗生理特性的影响［J］. 麦类作物学报，2022，42（7）：857-863.

［10］王慧敏，魏守辉，张朝贤，等. 小麦秸秆对杂草种子萌发和土壤微生物代谢的影响［J］. 植物保护，2019，45（2）：114-120.

［11］张 珂，高 楠，张凌基，等. 镉对不同品种小麦种子萌发及幼苗生长的影响［J］. 轻工学报，2022，37（1）：118-126.

［12］张 彦，窦 明，邹 磊，等. 不同微塑料赋存环境对小麦萌发与幼苗生长影响研究［J］. 中国环境科学，2021，41（8）：3867-3877.

［13］余徐润，章 蓉，冉莉萍，等. EMS处理对小麦种子萌发和幼苗生长的影响［J］. 西北植物学报，2021，41（9）：1500-1508.

［14］生态环境部，国家市场监督管理总局. 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准：GB 15618—2018［S］. 北京：中国标准出版社，2018.

［15］朱 航，崔方庆，卢传礼，等. 不同籽粒颜色玉米自交系类胡萝卜素含量分析［J］. 作物杂志，2022（5）：62-68.

［16］夏迎利，罗 磊，杨浩昆. 丹凤牡丹花蕊可溶性蛋白提取及性质研究［J］. 中国食品添加剂，2022，33（7）：67-74.

［17］孙佩光，程志号，孙长君，等. 火龙果果实发育过程中淀粉与可溶性糖含量变化及其相关性分析［J］. 中国果树，2022（9）：51-54.

［18］赵龙飞，徐亚军，邵 璇，等. 两株内生芽孢杆菌对盐胁迫下大豆幼苗超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性影响［J］. 微生物学通报，2022，49（5）：1664-1677.

［19］孙计平，李雪君，孙 焕. 烟蚜取食对抗、感烟草品种信号分子和CAT活性的影响［J］. 中国农学通报，2022，38（25）：120-124.

［20］张 生，梁 文，杨力鹏，等. 乌梁素海底泥沉积物资源化利用初步分析［J］. 环境化学，2012，31（3）：308-314.

［21］高 俊，汤莉莉，徐建强，等. 施用秦淮河底泥对田间土壤及小麦生长的影响［J］. 安徽农业科学，2008，36（15）：6402-6403，6411.

［22］杨 丹，范欣柯，梁恩红. 河道疏浚底泥添加量对土壤理化性质和大豆苗期生长的影响［J］. 河南农业科学，2016，45（9）：52-57.

［23］劉 冬，尹 然，单相斐. 基于生物炭及活性炭沉积物原位修复过程生物毒性变化研究［J］. 甘肃科学学报，2020，32（4）：34-38.

收稿日期：2023-02-16

基金项目：河南省高等学校重点科研项目（编号：22A210003）；河南省大学生创新创业训练计划（编号：202210464086）。

作者简介：宋 鹏（1980—），男，山东枣庄人，博士，副教授，从事农业废弃物资源化利用研究。E-mail：songpeng0826@126.com。