不同湖泊沉積物處理對小麥種子萌發及幼苗生長的影響

宋鵬　李捷　李理想　趙鵬宇　李慧　張均　趙彪

摘要：為了研究湖泊沉積物在農業生產中的應用，將其與土壤和添加劑進行不同比例混合處理，研究其對小麥萌發和苗期生長的影響。研究結果表明：（1）未施加5%添加劑的處理，70%及100%沉積物對小麥萌發及抗氧化酶活性均存在一定抑制作用，100%沉積物對小麥可溶性糖及可溶性蛋白含量有顯著促進作用，30%沉積物對小麥萌發及苗期生長效果弱于50%沉積物處理；（2）施加5%添加劑后，7 d時，50%沉積物、5%添加劑和45%土壤混合處理（T-C-J2）效果優于其他處理，小麥發芽率、苗高、葉綠素含量及超氧化物歧化酶活性分別較對照組提高17.33%、22.10%、15.79%、35.29%。30%沉積物、5%添加劑和65%土壤（T-C-J1）過氧化物酶活性較對照組提高23.08%。100%沉積物處理的小麥可溶性糖及可溶性蛋白含量分別較對照組提高94.27%和31.45%。沉積物的適合處理比例為50%，比例過低對小麥萌發及苗期生長促生效果較弱，比例過高則會產生抑制作用，5%添加劑可緩解沉積物比例高對小麥的抑制作用。研究結果可為湖泊沉積物在農業的應用提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：湖泊沉積物；比例；小麥；萌發；苗期

中圖分類號：X705；S512.101文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）21-0067-05

湖泊沉積物是水體生態系統的重要組成部分，其中含有的大量氮、磷、重金屬和有機物等成分可在水中持續釋放，易導致水體富營養化［1-2］。目前，對沉積物進行農業利用是水環境建設中重要的研究內容，污染程度較低的沉積物可作為土壤修復劑使用，具有成本低廉、操作簡單等優點［3-4］。沉積物經適當處理后可提升土壤肥力，改良土壤性狀，增加土壤微生物數量，提高植物對氮的吸收量，促進植物生長［5-6］。我國北方湖泊沉積物重金屬含量較低，污染處于中等偏下水平，其資源化利用具有廣闊前景［7-8］。

小麥萌發及苗期生長主要受到土壤理化性質、酶活性和重金屬離子等因素的影響［9-11］，不同的生長環境和外源物質的添加也占據一定因素［12-13］。目前，關于施加湖泊沉積物在常見農作物種植應用中的研究較少。本研究以北方湖泊南四湖沉積物為研究對象，通過對沉積物與土壤和添加劑進行不同比例混合，分析比較施加后對小麥萌發及苗期生長的影響，旨在實現廢棄物在農業生產中的高值化利用，為湖泊沉積物的農業利用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年4月在河南科技大學農學院實驗室進行。供試小麥品種為濟麥22；供試土壤采自山東省濟寧市微山縣馬坡鎮周莊村附近農田，樣品采集深度0～20 cm；供試添加劑為40%竹炭活性炭與60%秸稈粉碎混合制成；供試湖泊沉積物采自南四湖南陽湖段（117°12′8.0″E，34°39′25.0″N），每個采樣點用抓斗式采泥器采集0～10 cm沉積物樣品500 g，每個采樣點采集3個平行樣品，密封低溫保存。沉積物pH值為7.45，有機質含量為 302.42 g/kg，堿解氮含量為442.71 mg/kg，速效磷含量為50.37 mg/kg，速效鉀含量為274.65 mg/kg，Cu含量為26.75 mg/kg，Zn含量為73.60 mg/kg，Pb含量為45.14 mg/kg，Cr含量為59.78 mg/kg，Cd含量為0.23 mg/kg，Hg含量為0.03 mg/kg，As含量為11.59 mg/kg，Ni含量為24.61 mg/kg，8種元素均符合國家標準要求［14］。

1.2 試驗設計

試驗設置8個處理，分組見表1，每個處理重復3次。用0.1% HgCl2溶液對小麥種子進行10 min表面消毒，反復沖洗3次，沖洗干凈后將小麥種子浸泡12 h，之后轉移到培養皿（直徑90 mm）中進行萌發。將土樣按照試驗設置比例均勻置于培養皿中，厚度15 mm均勻播撒40粒小麥種子，使用超純水灑水浸潤，上部用少量松土均勻覆蓋，在光照培養箱中進行培養。以胚根突破種皮0.5 mm作為萌發的標準，試驗每個處理重復5次，共50皿，光照度為 1 000 lx，光—暗周期為14 h—10 h，溫度為15～20 ℃。

1.3 測定項目及方法

測定指標：統計7 d內小麥的發芽率、苗高及發芽指數，測定7 d時小麥葉綠素含量、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量。

測定方法：葉綠素a、葉綠素b含量和類胡蘿卜素含量采用丙酮法［15］測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法［16］測定；可溶性糖含量采用蒽酮法［17］測定；SOD活性采用氮藍四唑光化還原法［18］測定；POD活性采用愈創木酚法［18］測定；CAT活性采用高錳酸鉀法［19］測定。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用Microsoft Excel和SPSS 21.0軟件進行處理和分析，差異顯著性分析采用Duncans多重比較方法，采用Origin 2021軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 湖泊沉積物不同處理對小麥發芽率的影響

由圖1可知，施加湖泊沉積物對小麥進行不同處理后，小麥發芽率變化存在顯著差異。對不同處理進行連續觀測并對小麥生長情況進行詳細記錄，處理后1～4 d時，小麥種子發芽率逐漸提高，處理后4～7 d時，小麥種子萌發趨于穩定，100%沉積物會顯著抑制小麥萌發。處理后1 d時，沉積物含量在30%～50%范圍內可顯著提高小麥萌發，當施加5%添加劑時，可減少70%沉積物對小麥萌發造成的毒害作用，促進小麥種子發芽；處理后2 d，T-C1處理后小麥發芽率較對照組顯著提高36.59%；處理后3 d，無5%添加劑時，不同比例沉積物間50%表現更佳，沉積物比例超過50%，開始對小麥萌發產生抑制。處理后4～7 d，50%沉積物處理后，T-C2 和T-C-J2處理均可顯著提高小麥發芽率；當沉積物比例為30%或70%時，對小麥發芽的促進或抑制不顯著，5%添加劑可一定程度提高小麥發芽率；沉積物為100%時，小麥發芽率較對照組顯著降低17.07%～20.01%。這說明施加沉積物比例為30%時，對其小麥發芽促進作用主要表現在處理后2 d，之后可能因沉積物中營養元素含量較低致其促進作用逐漸減弱。沉積物比例超過50%時，則會對小麥萌發產生抑制，危害程度更深的為100%沉積物，當施加5%添加劑，可一定程度上促進小麥萌發，緩解高濃度沉積物引起的抑制作用。

2.2 湖泊沉積物不同處理對小麥苗高度的影響

施加不同比例湖泊沉積物后，小麥苗高見圖2。

處理3 d時，當無5%添加劑時，沉積物比例為30%、50%可一定程度提高小麥苗高，當其比例為70%、100%則會對小麥苗高產生抑制作用，施加5%添加劑后，T-C-J3小麥苗高較T-C3顯著提高11.13%，但較對照組無顯著差異；處理5 d時，各處理后小麥苗高較對照組差異顯著，施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2 較T-C1、T-C2小麥苗高均有一定程度提高；隨著小麥生長，各處理間小麥苗高逐漸明顯。處理7 d時，當無5%添加劑時，T-C1 處理小麥苗高較對照組顯著提高15.79%，施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2處理小麥苗高分別較對照組顯著提高15.81%、22.10%，T-C-J2小麥苗高較T-C2顯著增長9.52%。由此表明，沉積物最佳比例為50%，5%添加劑可一定程度提高小麥苗高。

2.3 湖泊沉積物不同處理對小麥發芽指數的影響

由圖3可見，施加湖泊沉積物對小麥進行不同處理培養后，小麥發芽指數在處理3～7 d呈逐漸提高趨勢。處理3 d時，當無5%添加劑時，30%或50%沉積物處理均可提高小麥發芽指數，但T-C1與對照組無顯著性差異，70%或100%沉積物處理則會降低發芽指數，當施加5%添加劑后，T-C-J3發芽指數較T-C3顯著提高38.89%；處理5 d時，當無5%添加劑時，T-C1較對照組小麥發芽指數顯著提高21.43%，施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2 較T-C1、T-C2小麥發芽指數出現下降，T-C-J3較T-C3提高9.80%。處理7 d時，30%或50%沉積物處理均可提高小麥發芽指數，T-C2 和T-C-J2分別較對照組顯著提高16.21%、16.18%。綜上，施加沉積物的最佳比例為50%，30%次之，70%沉積物開始對小麥萌發產生抑制，施加5%添加劑后，可產生一定程度緩解作用。

2.4 湖泊沉積物不同處理對小麥苗期葉綠素含量的影響

施加不同配比湖泊沉積物對小麥進行培養后，測定處理7 d時葉片葉綠素a、葉綠素b含量的變化情況。如圖4所示，當無5%添加劑時，C、T-C1、T-C2、T-C3處理小麥葉綠素a含量與對照組均無顯著性差異，葉綠素b含量T-C2處理較對照組顯著提高9.38%；施加5%添加劑后，T-C-J2處理葉綠素a含量較對照組顯著提高15.38%，其余比例與對照組差異性較小，葉綠素b含量T-C-J2處理較對照組顯著提高9.23%。由此表明，施加50%沉積物可顯著提高葉綠素b含量，5%添加劑可顯著提高葉綠素a含量，其他比例對葉綠素含量影響較小。

2.5 湖泊沉積物不同處理對小麥苗期SOD活性的影響

圖5所示為沉積物不同比例處理后，小麥苗期超氧化物歧化酶活性的變化情況。結果表明，無5%添加劑時，30%或70%沉積物處理對小麥SOD活性與對照組無顯著性差異，施加5%添加劑后，T-C-J1 和T-C-J3的小麥SOD活性均有一定程度提高；100%沉積物使其SOD活性較對照組顯著降低42.35%，可能是沉積物中有害元素濃度過高，導致小麥細胞膜受到損傷；50%沉積物處理，T-C2 和T-C-J2小麥SOD活性分別較對照組顯著增加35.29%和62.17%，T-C-J2小麥SOD活性較T-C2提高17.28%。綜上，沉積物的最佳施加比例為50%，添加5%添加劑可進一步提高小麥SOD活性。

2.6 湖泊沉積物不同處理對小麥苗期POD和CAT酶活性的影響

圖6為不同處理方式后對小麥苗期過氧化物酶的變化情況。結果表明，不同比例間小麥幼苗POD活性大小表現為30%>0>50%>70%>100%。當無5%添加劑，沉積物比例超過50%時，T-C3 與C處理小麥幼苗POD活性較對照組顯著降低26.92%和53.85%；當施加5%添加劑后，除C組外3個不同比例沉積物處理后，小麥POD活性較相同比例沉積物均有明顯提高，其中T-C-J1處理后小麥POD活性較對照組顯著提高23.08%，其他處理與對照無顯著差異。添加劑施加可提高小麥幼苗POD活性，最佳處理方式為T-C-J1。

由圖7可知，不同處理方式后小麥苗期過氧化氫酶活性變化情況。結果表明，除100%沉積物的施加量對小麥CAT活性產生了一定的抑制作用外，其他各比例沉積物對小麥CAT活性影響并不顯著；施加5%添加劑對50%沉積物的調節不明顯，反而產生了一定的抑制作用，在沉積物比例為30%、70%時，T-C-J1和T-C-J3處理小麥CAT活性分別較 T-C1 和T-C3提高20.01%和7.14%，但與對照組無顯著差異。

2.7 湖泊沉積物不同處理對小麥苗期可溶性糖含量的影響

由圖8可見，100%沉積物處理后小麥苗期可溶性糖含量達到最大值62.08 mg/g，較對照組顯著提高94.27%。當無5%添加劑時，沉積物比例不宜超過50%，超過則易減少小麥幼苗可溶性糖含量；施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2、T-C-J3小麥可溶性糖含量較同比例沉積物均發生下降，T-C-J3 處理可溶性糖含量較 T-C3 降低23.68%。5%添加劑一定程度上降低了小麥可溶性糖含量，主要表現在70%沉積物處理。

2.8 湖泊沉積物不同處理對小麥苗期可溶性蛋白的影響

不同處理后小麥苗期可溶性蛋白含量見圖9。結果表明，當無5%添加劑，沉積物比例在30%～70%時，小麥幼苗可溶性蛋白含量隨著沉積物比例增加而逐漸降低，且與對照無顯著差異，100%沉積物處理后小麥可溶性蛋白含量較對照組顯著增加31.45%。施加5%添加劑后，T-C-J1、T-C-J2、T-C-J3處理較相同比例沉積物小麥可溶性蛋白含量均有一定程度提高，T-C-J1處理小麥可溶性蛋白含量較對照組顯著提高33.46%。綜上，無5%添加劑時，對于小麥可溶性蛋白含量的最佳沉積物比例為100%，施加5%添加劑后，沉積物最佳處理方式為沉積物30%+添加劑5%+土壤65%。

3 討論與結論

湖泊沉積物含有植物生長所需的大量元素、微量元素和營養物質，具有改良土壤結構、增加土壤肥力、促進作物生長的作用［20］。不同混合比例會影響沉積物中各類營養物質向土壤釋放的速度和過程，適宜比例沉積物能夠促進小麥的萌發和生長，而低于一定比例或過高比例，沉積物的促生效果不明顯，甚至會抑制小麥的萌發和生長。本研究結果表明，50%混合比例的沉積物能夠提高小麥葉片中葉綠素含量，促進小麥種子萌發和苗期生長，但過高比例的沉積物則會抑制小麥的生長發育。高俊等研究顯示，加入少量的底泥可提高小麥種子的發芽率，隨著底泥用量的增加發芽率呈下降趨勢，芽高呈增長趨勢［21］。楊丹等研究發現，沉積物與土壤2種混合物的比例在33%～50%之間，可顯著提高土壤養分含量，促進作物苗期生長［22］，本研究結果與之相似。同時，加入活性炭能夠有效地吸附沉積物和土壤中的污染物，降低生物毒性，改良土壤機理，增加土壤肥度［23］。本研究中湖泊沉積物與添加劑混合后的處理，可緩解高比例混合沉積物對小麥的抑制作用，調節土壤碳氮比，促進小麥萌發及苗期生長。

通過湖泊沉積物與土壤和添加劑進行不同比例混合，分析比較小麥發芽率、苗高和葉綠素、SOD、POD、CAT等含量及活性，沉積物的適宜混合處理比例為50%，比例過低對小麥萌發及苗期生長促生效果較弱，比例過高則會產生抑制作用。添加劑可緩解沉積物比例高對小麥的抑制作用。沉積物50%+添加劑5%+土壤45%的處理方式效果優于其他處理，小麥發芽率、苗高、葉綠素含量及SOD活性分別較對照組提高17.33%、22.10%、15.79%、35.29%。研究結果為湖泊沉積物在農業上的利用提供科學依據和技術支持。

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收稿日期：2023-02-16

基金項目：河南省高等學校重點科研項目（編號：22A210003）；河南省大學生創新創業訓練計劃（編號：202210464086）。

作者簡介：宋 鵬（1980—），男，山東棗莊人，博士，副教授，從事農業廢棄物資源化利用研究。E-mail：songpeng0826@126.com。