外源硅對鉛鎘脅迫下煙草生長的緩解效應

關鍵詞：煙草；外源硅肥；鉛鎘脅迫；煙草生長；鉛富集轉移；鎘富集轉移

中圖分類號：X173；S572 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）10-2269-10 doi：10.11654/jaes.2024-0316

隨著工礦業的快速發展、土地的不合理開發利用以及農藥的過度施用，土壤重金屬污染問題日益嚴重，且重金屬在土壤中不是單一存在，而是多種共存并可能形成復合污染，其中鎘鉛復合污染最為普遍且毒害較重[1]。研究發現，鎘易在植物葉片中富集并導致葉片氣孔逐步閉合[2]，阻礙植物的光合、蒸騰和呼吸作用[3]，且鎘污染會導致植物葉片干枯萎黃，根莖縮短，側根數量減少，降低營養元素吸收，最終抑制植株生長[4]。鉛脅迫會導致植株葉片數量減少，莖稈瘦弱，顯著降低根系活力和抑制根系生長，影響植物根系對養分的吸收利用[5]，還可能影響植物激素含量，導致植物延遲開花，進而降低作物產量[6]。因此，如何緩解鉛、鎘等重金屬污染是農業生產中亟待解決的問題。已有研究表明外源硅對鎘[7]、鉛[8]、砷[9]等重金屬脅迫具有緩解作用，有效硅可通過吸附、絡合等方式改變土壤中重金屬的狀態，降低重金屬的生物有效性，實現重金屬的穩定，以此減少重金屬向植物體內轉移富集[10]。同時硅肥也是一種新型多功能中量元素肥料，是一種很好的品質肥料、保健肥料和植物調節性肥料，既可作肥料提供養分，又可用作土壤調節劑，改良土壤，還兼有防病、防蟲和減毒的作用。施用外源硅可以緩解鎘脅迫，降低植物中的鎘含量，減少鎘在植物中的富集[9]，也可以通過增加葉綠素含量、提高抗氧化酶活性、增強細胞壁組分和促進有機酸的分泌來緩解鎘毒害[7]；外源硅緩解鉛脅迫主要是通過降低鉛的有效性，抑制鉛從土壤到植株的遷移，改變植株中鉛的分布，降低植株中的鉛含量，減輕鉛對植物的毒性[11]，同時加強植物抗氧化防御系統、維持離子穩態和抗壞血酸-谷胱甘肽氧化還原狀態來降低鉛毒害[8]。此外，攝入硅還可以顯著提高水稻（Oryzasativa L.）[12]、甘蔗（Saccharum officinarum L.）[13]等作物對養分的吸收利用，增強植物對重金屬的耐受性。因此，硅在植物應對重金屬脅迫中發揮著重要作用，但不同類型硅肥對植物的調控效應不同[14]。施用有機硅肥對西芹[15]、蘋果[16]等生長發育、養分吸收、產量和品質的作用效果均優于無機硅肥；前人通過有機硅肥與無機硅肥的對比試驗也發現有機硅肥對小麥中鎘和鉛的解毒效果可能優于無機硅肥[17]。

煙草（Nicotiana tabacum L.）是我國重要經濟作物之一，優質煙葉的生產是煙草行業賴以生存的基礎，也是煙草產業可持續發展的重要保障。但有研究表明重金屬污染會在一定程度上限制煙草生長發育，降低葉片數和葉面積等關鍵農藝性狀，對成煙產量和品質造成威脅[18]。因此，如何降低重金屬污染對煙草產業的負面影響，提高烤煙的產量和品質，對當下提高煙草產業經濟效益和推動可持續發展具有重要意義。目前硅肥在煙葉生產中大多應用于提高光合作用和原煙品質[19]及調節內含物質[20]等，但硅對鉛鎘復合污染的緩解效果及作用機制報道較少。本研究以煙草品種K326為試驗材料，設置鉛鎘處理組模擬土壤污染環境，探究3 種外源硅肥緩解煙草鉛鎘脅迫的效果及機理，為硅肥緩解煙草的重金屬毒害、提高煙葉產量與品質以及煙草產業的供肥選擇提供理論參考。

1.2 試驗設計

試驗為雙因素的完全隨機試驗，設置2個不同鉛鎘處理組和4個不同的硅肥處理組，共8個處理組（表1），每組10個重復，每盆1株。鉛鎘脅迫30 d后開始施硅處理，每盆煙株總施用量為5.00 g，為避免燒苗，每次將0.5 g 硅肥溶于500 mL 水后澆入對應處理組中，無硅肥處理組中加入等量清水，硅肥施用間隔為7 d。待處理90 d后進行各指標的測定及取樣，每個處理組選取4株進行生長指標的測定，其余煙株用于生理指標的取樣，于相同葉位收集葉片，分裝好后放于液氮中再轉移到-80 ℃超低溫冰箱保存。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標及生物量的測定

待處理結束后，使用卷尺測量各處理組煙株的株高和自上而下第4片煙葉的葉長、葉寬，并計算葉面積（葉長×葉寬×0.634 5）。待處理結束后將植株根、莖、葉洗凈后，放入105 ℃烘箱中殺青0.5 h后，80 ℃烘至質量恒定，稱量植株各部位生物量及總生物量。

1.3.2 抗氧化酶活性的測定

參照高俊鳳[21]的方法，測定煙葉鮮樣中抗氧化酶活性，采用氮藍四唑法測定SOD活性，采用愈創木酚比色法測定POD活性，采用紫外吸收法測定APX和CAT活性。

1.3.3 MDA及滲透調節物質含量的測定

參照李合生[22] 的方法，測定煙草葉片鮮樣中MDA及滲透調節物質含量，MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定，脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定，可溶性糖含量采用GOD-POD比色法測定。

1.3.4 煙草各器官重金屬含量測定

土壤和煙草各部位重金屬含量經硝酸消解后使用ICP-MS法測定，最后計算轉移系數（TF）和富集系數（BCF）。TF=植株地上部離子含量（mg·kg^-1）/植株地下部離子含量（mg·kg^-1）；BCF=植株或器官離子含量（mg·kg^-1）/土壤中離子含量（mg·kg^-1）。

1.4 數據處理與分析

在Excel 2019 中進行數據的初步整理后，在SPSS 26.0 中進行單因素方差分析（one-way ANO?VA），并使用Ducan′s檢驗分析0.05水平上的差異顯著性，使用Origin 2021 作圖。所有數據均以“平均值±標準誤”表示。

2 結果與分析

2.1 外源硅肥對鉛鎘脅迫下煙草生長的影響

由表2 可知，對照組C 中施用外源硅肥后的CSi1、C-Si2、C-Si3的各項生長指標均高于C-Si0。鉛鎘脅迫組T-Si0 各生長指標均顯著（Plt;0.05）低于對照組C-Si0；在處理組T中，施用外源硅肥均對鉛鎘脅迫下的煙草生長具有促進作用，顯著（Plt;0.05）提高了煙株的株高、葉片數、葉長、葉寬和總葉面積；其中施用有機硅肥2 的處理組T-Si2 效果最好，與T-Si0 相比，株高、葉片數、葉長、葉寬和總葉面積分別增加了72.59%、21.05%、34.74%、66.67% 和59.36%。結果說明鉛鎘污染抑制了煙草的生長，而施硅可以減輕鉛鎘污染對其生長的抑制，且以有機硅肥2效果最好。

2.2 外源硅肥對鉛鎘脅迫下煙草干物質累積的影響

由表3可知，在對照組C中，施用外源硅肥可以提高煙株各器官生物量和總生物量。與對照組C-Si0相比，處理組T-Si0的各器官生物量和總生物量均顯著（Plt;0.05）降低。在鉛鎘脅迫組T 中，施用硅肥后TSi1、T-Si2、T-Si3根生物量、莖生物量、葉生物量和總生物量與T-Si0相比均顯著增加，其中處理組T-Si2的根生物量、莖生物量、葉生物量和總生物量分別顯著（Plt;0.05）增加了53.80%、59.70%、35.37%、44.34%。說明鉛鎘污染降低了煙草的生物量累積，同等污染條件下，施用外源硅肥顯著提高了煙草的生物量累積。

2.3 外源硅肥對鉛鎘脅迫下煙草生理指標的影響

2.3.1 對煙草葉片抗氧化酶的影響

由圖1可知，與C-Si0相比，對照C中各施硅處理組的SOD 活性、C-Si1 和C-Si2 的POD、APX 活性均顯著（Plt;0.05）降低。與對照組C相比，處理組T中各組的抗氧化酶活性均為增加，說明鉛鎘污染下煙草可提高抗氧化酶的活性抵御鉛鎘毒害。處理組T中，與T-Si0相比，SOD和APX 活性在施用外源有機硅肥1和2后顯著（Plt;0.05）升高，POD活性在施用外源硅肥后顯著升高（Plt;0.05），CAT活性僅在外源有機硅2處理后顯著（Plt;0.05）升高。由此看出，外源有機硅肥2緩解效果最為明顯，與T-Si0相比，SOD、POD、CAT和APX活性分別顯著（Plt;0.05）升高了20.3%、112.95%、149.81%和125.88%。說明硅肥可促進煙草葉片中抗氧化酶的活性，提高其清除自由基的能力，緩解鉛鎘脅迫。

2.3.2 對煙草葉片滲透調節物質含量的影響

由表4可知，在對照組C中，C-Si1和C-Si2煙草葉片中滲透調節物質含量顯著（Plt;0.05）增加，C-Si3煙草葉片中可溶性蛋白含量顯著（Plt;0.05）提高。在處理組T 中，與T-Si0 相比，施用外源硅肥均能顯著（Plt;0.05）提高煙草葉片中脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量，其中有機硅肥2作用效果最為顯著，脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量分別增加了245.26%、112.51%、214.29%。

2.3.3 對煙草葉片MDA含量的影響

由圖2可知，在對照組C中，C-Si1、C-Si2煙草葉片中MDA 含量在施用外源硅肥后顯著降低（Plt;0.05）。鉛鎘脅迫組T的MDA含量高于對照組C-Si0，其中處理組T-Si0 顯著（Plt;0.05）升高了144.9%，TSi1、T-Si3分別顯著（Plt;0.05）上升了35.67%、56.37%。而在處理組T中，與處理組T-Si0相比，施用外源硅肥后各處理組的MDA 含量顯著（Plt;0.05）降低，處理組T -Si1、T - Si2、T-Si3 分別降低了44.6%、60.08%、36.15%。說明鉛鎘污染會導致煙草葉片膜脂過氧化，引起MDA含量上升，而施用外源硅肥可以有效降低鉛鎘脅迫下煙草葉片中MDA含量，緩解膜脂過氧化損傷，且有機硅肥2的效果優于有機硅肥1和無機硅肥。

2.4 外源硅肥對鉛鎘脅迫下煙株中鉛鎘含量及富集轉移系數的影響

2.4.1對土壤鉛鎘含量的影響

由表5可知，施用外源硅肥的處理組土壤鉛鎘含量均高于未施用硅肥的處理組。說明施用外源硅肥后，降低了煙草植株對鉛鎘的吸收，更多的鉛鎘殘留于土壤中。且在鉛鎘脅迫下，T-Si1和T-Si2處理組中土壤鉛鎘濃度顯著（Plt;0.05）高于T-Si3，說明有機硅肥的效果更優于無機硅肥。

2.4.2 對煙株各器官鉛鎘含量的影響

由圖3和圖4可知，無論在對照組中還是鉛鎘脅迫組中，鎘含量表現為葉大于莖和根，鎘主要富集在煙葉中；而鉛含量則是根大于葉和莖，鉛主要富集在煙株的根部。與對照組C-Si0相比，鉛鎘脅迫組T的煙株各部位鉛鎘含量均顯著（Plt;0.05）增加。處理組T-Si0 的葉、莖、根的鎘含量分別為對照組C-Si0 的26.19、13.02、15.56倍，鉛含量分別為對照組C-Si0的1.10、3.94、20.02倍。在處理組T中，與T-Si0相比，施用外源硅肥后T-Si1、T-Si2、T-Si3中煙株各器官的鉛鎘含量均顯著（Plt;0.05）降低。其中以有機硅肥2 的效果最明顯，T-Si2中葉、莖、根器官鎘含量分別降低了43.57%、42.50%、29.50%，鉛含量分別降低了54.88%、61.97%、54.57%。

2.4.3 對煙株鉛鎘富集轉移系數的影響

由表6和表7可知，與C-Si0相比，鉛鎘污染處理組T-Si0的鉛和鎘在根、莖、葉的富集系數均顯著（Plt;0.05）升高。在處理組T中，與T-Si0相比，施用外源硅肥可以降低煙株根、莖、葉各器官的鉛、鎘富集系數和轉移系數，且有機硅肥2效果最明顯。與T-Si0相比，效果最佳的處理組T-Si2中煙株根、莖、葉鉛富集系數分別降低了54.62%、61.11%、55.81%，轉移系數降低了7.78%；鎘富集系數分別降低了29.66%、42.38%、13.58%，轉移系數降低了19.77%。同時鉛的根富集系數高于莖和葉，轉移系數小于1，說明鉛由地下部向地上部運輸轉移的較少；鎘的葉富集系數高于根和莖，轉移系數大于1，說明大量鎘由地下部向地上部轉移，富集于煙葉中。

3 討論

植物受重金屬毒害最直觀的表現就是生長遲緩、植株矮小和生長量下降等，如郭暉等[23]對萱草（Hem?erocallis fulva L.）、鳶尾（Iris tectorum Maxim.）、美人蕉（Canna indica L.）的研究發現，鉛鎘復合脅迫會導致其株高、根長和生物量顯著下降，本試驗結果與之相似，鉛鎘脅迫下煙株的株高、葉片數、葉長、葉寬、葉面積、生物量累積等指標顯著下降，生長受到明顯抑制。這可能是鉛鎘破壞了植物的有機物合成結構，降低了營養物質合成速率[24-25]，同時影響根尖細胞分裂和跨膜運輸，導致植物吸收水分和礦質元素的過程受阻，代謝活動紊亂進而抑制植物生長[7]。本研究結果顯示無論是在對照組還是鉛鎘脅迫組中，施用外源硅肥均可以顯著提高煙株的株高、葉片數、葉長、葉寬、葉面積和生物量累積。這可能是由于硅會沉積在植物的角質層中，提高木質素生物合成酶含量，增加木質素在莖部的積累[26]。同時促進細胞的伸長和分裂，提高植物株高和莖稈強度并保持葉片直立[27]，最終使葉片更好地生長，葉片數、葉長、葉寬、葉面積和生物量隨之提高，并且硅肥還能夠改善植物根系的生長發育環境，增強根系活力和增強對礦質元素的吸收，促進植物生長[28]。此外，本研究還發現有機硅肥的緩解效果優于無機硅肥，這與Huang等[17]施用有機無機硅肥緩解小麥鉛鎘污染試驗結果一致。其原因是無機硅肥中的硅以離子狀態存在，而有機硅肥中的硅以分子狀態存在，植物對兩種形態的硅吸收和響應特征存在差異[29]，因此導致不同外源硅肥之間效果存在差異。

植物遭受脅迫會導致膜脂過氧化，MDA 含量高低可反映膜脂過氧化損傷程度。本研究發現，鉛鎘脅迫下煙草葉片中MDA含量和抗氧化酶活性顯著高于對照組，而施用外源硅肥后MDA含量顯著下降，抗氧化酶活性進一步提高，說明施硅能增強煙株的抗氧化能力，從而緩解煙草細胞膜脂過氧化損傷，這與于敏敏等[30]對黃瓜（Cucumis sativus L.）幼苗的研究結果一致。這可能是因為外界脅迫會刺激植物激活多種抗氧化酶來維持體內自由基的平衡，減輕活性氧（ROS）過量積累所引起的細胞損傷，施硅后形成的硅化細胞和硅雙層結構[31]，可以增強植物的抗氧化酶活性和細胞內清除ROS 的能力，使植株抗氧化能力增強。滲透調節是植物適應逆境脅迫的重要手段，植物會改變滲透調節物質含量來維持細胞水勢和膜內外滲透勢的平衡以抵御脅迫[32]，保護細胞和生物膜。本試驗中，施用外源硅肥后顯著提高了鉛鎘脅迫下煙草葉片的脯氨酸、可溶性蛋白及可溶性糖含量，說明施用外源硅肥可以通過提高滲透調節物質含量緩解鉛鎘對煙草造成的滲透脅迫，這與張倩等[33]對逆境脅迫下的棉花（Gossypium spp）施用外源硅后變化趨勢一致。

重金屬復合污染環境下，重金屬之間的交互作用與重金屬的類型、作用部位和試驗對象等因素密切相關[34]。本研究中鉛鎘脅迫組的鉛含量和鉛富集系數表現為地下部高于地上部，且鉛轉移系數均小于1，說明鉛主要富集部位是煙草的根部；而鎘含量和鎘富集系數則表現為葉大于根和莖，鎘轉移系數遠大于1，說明鎘由地下部向上運輸，主要富集在煙草葉片中。這與溫瑀等[35]對鉛鎘脅迫下的4 種綠化植物的研究結果一致。這可能是因為鉛屬于惰性金屬，易被吸持、鈍化而沉淀于植物根系中，不易轉化為地上部中的離子態或絡合態[23]，同時植物內皮層的凱氏帶結構可能會阻礙鉛向其他組織運輸[36]，導致鉛向地上部分的運輸比較困難，所以鉛主要富集在植物的根部。而鎘的富集受到鉛鎘交互作用的影響，這種交互作用產生的主要原因是競爭效應。由于重金屬之間性質相似，因此會在土壤吸附位點、代謝系統以及細胞表面的結合位點上發生競爭，改變重金屬的有效性，從而導致結合能力相對強的重金屬代替另一種結合能力相對弱的重金屬[37]。前人研究發現鉛鎘在植物根中表現為拮抗作用，在莖和葉中表現為協同作用，因此鉛的積累不利于鎘在植物根中的富集，但能促進莖、葉對鎘的吸收[38]，導致鎘從地下部轉移到煙草葉片中富集。

前人研究發現硅可以對重金屬進行吸附，降低重金屬離子在植物體內的轉運[39]，本研究亦顯示，施用外源硅后減少了煙草根、莖、葉的鉛鎘含量，同時降低了鉛鎘從地下部向地上部的轉移運輸，使煙草根、莖、葉的鉛鎘含量、富集系數、轉移系數均顯著下降。這可能是多方面原因引起的：首先，硅可以改變重金屬自身的存在形式，施用硅肥后土壤中的有效硅含量增加，會與重金屬發生反應而形成難溶的硅酸鹽沉淀，使得重金屬從可提取態和可還原態轉變為難溶的有機態和殘渣態，降低重金屬的生物有效性[40]。其次，施用硅肥可以改變土壤對重金屬的吸附力，使其由靜電吸附變為結合力更強的專性吸附[41]，也可能是硅酸通過聚合形成硅酸凝膠，進而增加了土壤的表面負電荷[42]，二者均可促進土壤對重金屬的吸附，從而減少植物對鉛鎘的吸收。此外，外源硅肥的施用可以提高植物根系的氧化能力，使重金屬被氧化成不溶性的形態而沉降，從而減輕植物體內重金屬的生理濃度[43]。硅也可以介導金屬脅迫下植物根部內胚層的形成，并以有機硅化合物的形式積累在細胞壁中，與重金屬結合，限制重金屬的遷移和運輸[44]，緩解重金屬對植物的毒害。本研究中還發現，有機硅肥對鉛鎘脅迫的緩解效果優于無機硅肥，這與楊帥[29]對香蕉施用不同硅源的研究結果一致。這種差異可能與硅肥自身的特性相關，且有機硅肥中含有的氮、磷、鉀等元素可以促進鉛鎘與土壤發生反應而被吸附和沉淀[45]，從而減輕鉛鎘被根系吸收進入植物體后的危害。而無機硅溶解度較小，難溶于水，且可能引入新的鹽離子對植物產生另外的脅迫，同時還可能引入其他雜質，導致對鉛鎘脅迫緩解效果較差[46]。

4 結論

（1）鉛鎘污染易導致鉛富集在煙株根部，鎘富集在煙株葉片中，均會抑制煙株正常生長。

（2）外源施用硅肥可以減少煙株對鉛鎘的吸收，降低煙株各部位的鉛鎘含量和富集轉移系數，還可以通過提高煙株抗氧化酶活性和滲透調節能力、減輕細胞膜脂過氧化損傷，以緩解鉛鎘毒害，促進煙草的生長及生物量累積。

（3）3種外源硅肥均能減輕鉛鎘脅迫對煙草的傷害，作用效果為有機硅肥gt;無機硅肥，且以有效硅含量更高的有機硅肥2效果最佳。