鎂、錳、活性炭和石灰及其交互作用對小麥鎘吸收的影響

周相玉，馮文強，秦魚生，喻 華，廖鳴蘭，劉禹池，王昌全，涂仕華，*

(1.四川省農業科學院土壤肥料研究所，成都 610066;2.四川農業大學資源環境學院，成都 611130)

重金屬是一類不能降解且具有潛在危害的重要污染物，能在生物體內富集，并轉化為毒性更強的金屬有機化合物。重金屬在植物體內積累到一定程度時，就會影響植物對營養元素的吸收、蒸騰作用、光合作用、呼吸作用等正常生理活動，改變植物細胞的超微結構，對植物造成傷害甚至導致死亡［1］。鎘不僅危及植物的生長發育，而且通過糧、油、水果、蔬菜等農產品進入食物鏈危害人類健康。鎘進入人體后，會在體內積蓄。當累積達到致病劑量后，便會引起人體器官/組織的致畸，致癌，突變等［2］。

植物對重金屬的吸收和累積受諸多因素的影響，如土壤質地、水分、有機質、pH值、共存元素［3-6］等。在鎘污染土壤上，肥際土壤理化性狀的變化會影響鎘的形態變化和作物對鎘的吸收。例如，施用鐵、鎂、錳肥能明顯降低旱作土壤中鎘的活性和小麥對鎘的吸收［7］;施用石灰能顯著降低土壤有效鎘濃度，但石灰過量則會使小麥顯著減產［8-9］。這些研究主要探討了不同物質單因素處理對小麥吸收鎘的影響，對復合因子的研究較少。因此，本試驗旨在探討鎂、錳、活性炭和石灰不同用量和交互作用，以及鎂、錳肥的兩種施用方式(土壤施用和葉面噴施)對小麥吸收鎘的影響，從而為鎘污染土壤上使用鎂，錳，活性炭和石灰等物質抑制作物吸收鎘的合理施用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗盆栽用土壤采自綿竹市富新鎮鎘污染水稻土0—20cm耕層。樣品風干后，除去沙礫及植物殘體，用木槌搗碎后供小麥盆栽使用，部分土樣經磨碎過篩后用于基本理化性質以及全鎘和有效鎘含量測定。土壤pH用 pH計(pHS-4C+)測定(土水比1∶2.5)，全氮用開氏法，有機質用重鉻酸鉀外加熱法，堿解氮用堿解擴散法，有效鉀用NH4OAc浸提火焰光度法，有效磷用Olsen-NaHCO3浸提-鉬藍比色法，CEC用醋酸銨法，全鎘采用HNO3-HF-HC1O4消煮，火焰原子吸收光譜法(石墨爐novAA400-德國耶拿)測定，有效鎘采用 Tessier(1979)五步連續提取法第一步:即1mol/L 1MgCl2(pH=7)溶液浸提［10］，石墨爐原子吸收光譜法測定。供試土壤 pH6.8，有機質 4.26%，堿解氮 156.9mg/kg，有效磷 18.3 mg/kg，有效鉀 75.3 mg/kg，陽離子交換量(CEC)14.9cmol/kg，全鎘0.489 mg/kg，有效鎘0.125mg/kg。供試作物為川麥42，由四川省農業科學院作物研究所提供。

1.2 試驗設計

盆栽試驗設計共22個處理，每個處理重復3次。添加的物料包括硫酸鎂，硫酸錳，活性炭(粉狀)，熟石灰(Ca(OH)2)，試驗設一個無肥對照(CK0)處理和只添加氮、磷、鉀肥料的對照處理(CK)。除CK0處理外，其余處理每千克風干土壤分別添加0.20g N、0.15g P2O5和0.15g K2O。氮肥為尿素，磷肥為磷酸二氫鈣，鉀肥為硝酸鉀，活性炭為重慶鐘山活性炭制造有限公司生產的環保專用炭(經Na2S溶液浸漬處理，對重金屬有更強吸附能力)，添加的其它試劑均為分析純。各元素用量參考一般大田試驗中施用量，據其養分用量計算出對應的肥料用量。為了比較Mg和Mn對小麥吸收Cd的影響機理是發生在土壤還是植株體內，除土施硫酸鎂和硫酸錳處理外，另外設置葉面噴施硫酸鎂和硫酸錳處理(分別在小麥苗期、拔節孕穗期各噴1次)。試驗各處理的添加物和肥料用量見表1。

稱取7kg風干土于干凈塑料盆中，按照表1稱取每個處理所需肥料與稱好土壤混合均勻。按100%田間持水量加水入陶瓷盆中，然后將塑料盆中混勻的土壤倒入陶瓷盆中，利用毛細作用濕潤上層土體，15d后施肥。將稱好的氮、磷、鉀肥料均勻灑施在離土表5cm深處，放置2d后播種。小麥種子經表面消毒后，用去離子水沖洗5次，恒溫箱25℃培養12 h，將吐出芽嘴的健康種子播入土中，每盆10顆，三葉期定苗至7株，生長期間定量澆水。

表1 鎂、錳、活性炭和石灰對小麥生長和吸收鎘影響的試驗設計Table1 Experiment design for effect of magnesium，manganese，activated carbon and lime on wheat grow and cadmium uptake

1.3 測定項目與方法

小麥成熟后收獲地上部分，干燥后測定小麥基本生物性狀。將秸稈樣品和籽粒樣品置于烘箱65℃烘干至恒重，磨碎后過40目尼龍篩，然后用HNO3-HClO4消解法進行分析測定，試驗中采用消煮空白和標準樣品進行質量控制和回收率校正，火焰原子吸收光譜法測定小麥秸稈和籽粒Cd含量。小麥植株Cd吸收量(μg/盆)=植株生物量(g/pot)×植株Cd濃度(mg/kg)。試驗數據采用DPS軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 鎂，錳，活性炭和石灰對小麥產量及構成因素的影響

鎂、錳、活性炭和石灰對小麥產量及構成因素的影響見表2。與無肥處理(CK0)相比所有施肥處理均顯著提高小了麥籽粒產量、秸稈產量及產量構成因素數值。在施肥處理中，以鎂2，石灰2+錳0.8，石灰2+鎂2+錳0.2三個處理的小麥有效穗數最高，但與CK差異不顯著;鎂4、鎂8、錳(葉施)、鎂2+錳0.2、石灰2+炭1、石灰3和石灰4都顯著降低了小麥的有效穗。在NPK處理的基礎上添加其他物料顯著降低了小麥穗粒數和千粒重，其中以石灰2+炭2處理的有效穗數最低;使千粒重降低幅度最大的為石灰2+炭2處理，其降幅達到顯著水平。小麥籽粒產量以石灰2+鎂2+錳0.2處理為最高，為24.22g/盆，但與CK處理的差異不顯著;鎂2+錳0.2、石灰2+炭1、石灰2+炭2、石灰2、石灰3和石灰4的小麥籽粒產量均顯著低于CK處理;其余處理與CK差異不顯著。小麥秸稈產量以CK為最高，其中以鎂2+錳0.2處理降低幅度最大，為8.68g/盆，達到了顯著水平。

表2 鎂、錳、活性炭和石灰對小麥生長的影響Table2 Effect of magnesium，manganese，activated carbon and lime on wheat growth

2.2 鎂、錳、活性炭和石灰對小麥吸收鎘的影響

2.2.1 不同用量的石灰對小麥吸收鎘的影響

從表3看出，施用氮磷鉀肥較無肥處理明顯促進了小麥對Cd的吸收，但降低了Cd從秸稈向籽粒的轉移。施用石灰能顯著降低小麥籽粒和秸稈中Cd濃度和吸收量，對Cd濃度降低的效果隨石灰用量增加而增加，最高量的石灰處理籽粒Cd濃度為0.071mg/kg，比CK降低了43%;最高石灰用量處理的秸稈Cd濃度為1.74μg/盆，較CK下降了75%。就Cd吸收量而言，不同用量石灰處理間的差異不顯著;當石灰用量≥0.66g/kg時，即石灰2及其以后的高用量處理，籽粒吸收的Cd無明顯變化。秸稈中的Cd吸收量隨石灰用量增加而顯著降低。從Cd在小麥體內的分配比例來看，表觀上顯示出高量石灰促進了Cd從秸稈向籽粒的轉移，但實際上卻是因為籽粒Cd含量保持相對穩定而秸稈Cd含量顯著降低之故。石灰對小麥吸收Cd的抑制作用大致可歸咎于兩個方面的原因，一是石灰施入土壤后能升高土壤pH，增加土壤表面的可變電荷量和對Cd2+的吸附能力;二是促進Cd2+水解為吸附作用更強的Cd(OH)+，使得土壤中的交換性Cd濃度降低［11］。

表3 不同石灰用量對小麥鎘吸收的影響Table3 Cd uptake by wheat as affected by different rates of lime

2.2.2 不同用量的硫酸鎂對小麥吸收鎘的影響

不同用量的硫酸鎂對小麥籽粒和秸稈的Cd濃度影響差異顯著(表4)。所有的硫酸鎂處理都比CK顯著降低了小麥籽粒的Cd濃度和吸收量。當硫酸鎂用量從1mmol/kg增至8mmol/kg時，小麥籽粒Cd濃度下降了34%—60%，Cd吸收量的變化趨勢也基本一致。葉面噴施0.1% 硫酸鎂后，小麥籽粒中的Cd濃度與鎂1處理相當。不同硫酸錳用量和施用方式處理的小麥秸稈Cd濃度與吸收量都高于籽粒，其變化趨勢也與上述的籽粒Cd一致。從籽/桿Cd比例來看，鎂2和鎂(葉施)處理高于CK，最高量硫酸鎂處理籽桿Cd比例最小。當硫酸鎂與石灰配合施用時，小麥籽粒Cd濃度與單施硫酸鎂相比沒有變化，但籽粒Cd含量、秸稈Cd濃度和含量都比單施硫酸鎂顯著降低，表現出一定的正交互作用。

表4 不同硫酸鎂用量(1，2，4，8 mmol/kg)對小麥吸收鎘的影響Table4 Cd uptake by wheat as affected by different rates(1，2，4，8 mmol/kg)of manganese

總體來看，所有硫酸鎂處理小麥籽粒和秸稈中的鎘的濃度和吸收量都低于CK，Cd在小麥體內的分配為秸稈＞籽粒，說明鎂抑制了小麥對Cd的吸收，并減少了鎘從秸稈向籽粒的轉移，這與藍蘭［7］等人的研究結果一致。在其它作物上，一些研究小組Kashem和 Kawai［12］報道了施用Mg肥能解除日本蕓苔屬菠菜Cd的毒害，增加菠菜產量。Hermans等人［13］發現了Mg解除Cd對植物毒害的幾個基因，指出Mg對Cd的解毒作用部分歸咎于Mg能維持植物體內的Fe濃度，提高植物抗氧化能力，從而解除毒害和/或保護光合作用器官。此外，在動物上，Mg也發揮了卓越的解除Cd毒害的作用［14-16］。

2.2.3 不同用量的硫酸錳與石灰配合施用對小麥吸收鎘的影響

在石灰的基礎上施用硫酸錳或在硫酸錳的基礎上施用石灰都進一步降低了秸稈籽粒中的Cd濃度與含量(石灰2+錳0.8處理除外)(表5)。在石灰的基礎上施用硫酸錳對小麥籽粒Cd的降低幅度為4%—23%，并隨硫酸錳用量的增加而降低;在硫酸錳的基礎上添加石灰，比單施硫酸錳降低了19%的籽粒Cd濃度和18%的吸收量。小麥葉面噴施硫酸錳對籽粒Cd濃度降低的效果與石灰2+錳0.4處理相當，表明葉面噴施錳比土施錳更能有效降低小麥籽粒的Cd濃度和吸收量。當硫酸鎂與硫酸錳配合施用或當硫酸鎂、硫酸錳與石灰一起施用時，對籽粒Cd濃度和吸收量的降低達到最低值。硫酸鎂+硫酸錳比單施其中任何一種物質都能進一步降低小麥籽粒的Cd濃度，并且能夠明顯的降低籽桿Cd的比例，表現出正交互作用。石灰、硫酸鎂和硫酸錳三種物質同時施用時，小麥籽粒Cd濃度和吸收量顯著或明顯低于單施任何一種物質，說明了這些物質配合施用對降低小麥吸收Cd具有顯著正交互作用。

不同處理對秸稈中Cd濃度和含量的影響與籽粒的情況有所不同。就不同硫酸錳用量而言，兩個低量硫酸錳處理(石灰2+錳0.1和石灰2+錳0.2)比單獨使用硫酸錳降低了小麥秸稈中的Cd濃度和吸收量，比單施石灰增加了秸稈中的Cd濃度和吸收量。在石灰2+錳0.2處理基礎上繼續增加硫酸錳用量，秸稈中的Cd濃度與吸收量卻顯著增加。葉面噴施硫酸錳對秸稈的Cd濃度和吸收量的影響與單獨土施硫酸錳相當。鎂與錳，石灰、鎂與錳的配合施用對小麥秸稈中的Cd濃度和吸收量的影響與籽粒的情況相反。鎂與錳配合施用比單獨施用硫酸錳或石灰增加了秸稈中的Cd濃度和吸收量;石灰2+鎂2+錳0.2處理比鎂2+錳0.2、石灰2+錳0.2或石灰2+鎂2處理進一步增加了秸稈中的Cd濃度和吸收量。這些結果顯示，幾種物質的配合施用有利于顯著降低小麥籽粒中的Cd濃度與吸收量，但顯著增加秸稈中的Cd，阻止了Cd從秸稈向籽粒的轉移，產生最低的籽/稈Cd比例，以石灰2+鎂2+錳0.2處理籽/稈Cd比例為最小(0.24)，其次為石灰+錳0.4處理(0.27)。

表5 不同用量的硫酸錳與石灰配合施用對小麥吸收鎘的影響Table5 Cd uptake by wheat as affected by different rates of manganese and lime

硫酸錳對小麥吸收Cd的抑制作用，可能歸因于Mn2+施入土壤后，在好氣條件下被氧化成氧化錳(MnO2)，在氧化錳的形成過程中土壤中的一些金屬離子被共沉淀，形成的錳氧化物對金屬離子如Pb2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，Cd2+，Mn2+等具有很強的吸附能力［17-20］。這些被錳氧化物持留的 Cd2+，難以被 NH4OAc 置換出來［17］，從而降低土壤Cd的有效性。小麥葉面噴施硫酸錳也能有效降低小麥對Cd的吸收，抑制Cd向籽粒的轉移，表明Mn抑制小麥對Cd吸收機理可能同時發生在土壤和植株體內。

2.2.4 不同用量的活性炭與石灰配合施用對小麥吸收鎘的影響

在施用石灰的基礎上添加不同用量的環保專用活性炭，能夠顯著降低小麥籽粒和秸稈的Cd濃度和吸收量(表6)。從籽粒鎘濃度來看，單施石灰和活性炭+石灰處理間的差異不顯著，但高量活性炭處理籽粒Cd濃度最低。小麥籽粒的Cd吸收量變化趨勢與Cd濃度一致，并且3個處理間的差異不顯著，但都顯著低于CK。施用活性炭降低了小麥籽/桿Cd的比例，高量活性炭處理優于低量處理?；钚蕴恳蚓哂芯薮蟮谋缺砻娣e、較高的孔隙結構及豐富的表面官能團，對金屬離子吸附速率快、容量大而廣泛用于廢水處理，對鎘的最大吸附量可高達38.03 mg/g［21］和47.85 mg/g［22］。通常認為，對鎘的吸附起決定作用的是其表面化學性質，離子交換在吸附過程中發揮了重要的作用。本試驗所用活性炭為環保專用碳經Na2S處理，對土壤Cd的吸附和鈍化效果應優于普通活性炭。

表6 不同用量的活性炭與石灰配合施用對小麥吸收鎘的影響Table6 Cd uptake by wheat as affected by different rates(0.67，1.34g/kg)of activated carbon and lime

3 結論

單獨或配合施用適量石灰、硫酸鎂、硫酸錳、環保專用活性炭都能有效降低小麥對Cd的吸收，使小麥籽粒鎘濃度低于國家限量指標。施用硫酸鎂能顯著降低小麥籽粒和秸稈Cd濃度和吸收量，其效果隨用量增加而增加。低量硫酸錳能有效降低小麥籽粒和秸稈Cd濃度，高量反而增加小麥對Cd的吸收。石灰、活性炭單獨施用或配合施用都能抑制小麥對Cd的吸收和Cd向籽粒的轉移，但籽/桿Cd比例卻隨石灰用量呈明顯的上升趨勢。施用硫酸鎂能同時減少小麥籽粒和秸稈中的Cd，而硫酸錳能明顯增加小麥秸稈中Cd的含量，卻抑制了Cd向籽粒的轉移。葉面噴施硫酸鎂降低小麥吸收鎘的效果與土施硫酸鎂相當，但葉面噴施硫酸錳卻比土施硫酸錳顯著降低了小麥籽粒中的鎘濃度與吸收量。硫酸鎂與硫酸錳，或石灰、硫酸鎂和硫酸錳3種物質配合施用，對小麥籽粒鎘濃度和吸收量的降低表現出明顯的正交互作用，對抑制小麥體內鎘從秸稈向籽粒的轉移具有顯著效果。

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