土壤鎘污染和葉面施鋅對小麥不同部位鎘鋅含量的影響

關鍵詞：鎘污染；葉面施鋅；小麥；品種；部位

鎘污染是我國污染土壤面積最大，危害最嚴重的問題之一，涉及11個省市25個地區，面積超1.3x104hm。鎘具有較高的生物有效性，易被生物體富集，并最終通過食物鏈造成人體慢性中毒。另外，鎘的危害具有潛在性和隱匿性，可在不對作物造成肉眼可見的毒害癥狀下，使作物組織積累大量的鎘，這無疑增加了鎘污染糧食進入市場的潛在風險。小麥作為世界第二大糧食作物，養育了全球50%以上的人口。我國耕地資源有限，為保障糧食生產，在受酸化和輕中度污染的農田邊種植邊治理是部分地區農業生產的現狀。因此在土壤受到鎘污染或潛在鎘污染情況下，如何降低糧食鎘含量成為近年來農業研究的熱點。

鋅是小麥生長發育的必需微量元素，參與多種酶促反應，適量施鋅可提高小麥品質和鋅含量，達到生物強化的效果。鋅肥施用方式主要有土壤施鋅和葉面施鋅兩種，研究表明，葉施鋅肥的利用率顯著高于土施，能更有效地提高小麥籽粒鋅含量。目前葉面施鋅已被公認為是一種速度快、污染小、肥效高的生物強化手段。

近年來，鎘鋅間復雜的交互作用受到研究人員的關注。鎘、鋅作為同族元素，二者化學性質相似，在土壤一植物體系中可競爭同一轉運蛋白。已有大量文獻表明，葉面施鋅在降低小麥籽粒鎘含量方面效果顯著，但對其他器官尤其是穗軸和穎殼而言，鋅與鎘的互作研究較少且存在爭論。Rizwan等報道，小麥籽粒、莖稈和根鎘含量隨著噴鋅濃度的增加而降低；亦有研究表明，噴鋅顯著增加小麥葉片鎘含量，但對籽粒及其他部位鎘含量影響不大。此外，不同鎘積累型小麥對噴鋅的響應亦存在顯著差異。因此，不同試驗間鋅鎘互作效果的差異有可能與品種不同有關。但迄今為止，同時研究土壤施鎘、葉面噴鋅和品種互作對小麥不同部位的影響未見報道。

本課題組最新研究發現，5mg·kg-1鎘污染使揚麥25籽粒各組分鎘含量大幅增加，同時土施鋅肥可顯著降低籽粒鎘含量，表現出明顯的拮抗作用，但該研究只選用1個品種且沒有測定植株其他部位鎘、鋅含量。另有研究表明，小麥對鎘的吸收和累積表現為生長后期大于中前期，因此小麥生長后期葉面噴鋅對鎘污染小麥各部位鎘的累積和轉運值得進一步探明。鑒于此，于2021-2022年，選用春性小麥寧麥21、揚輻麥4號和鎮麥12號為材料開展盆栽試驗，設置土壤鎘污染及抽穗始期葉面施鋅處理，重點探究鋅鎘互作對不同品種成熟期小麥各器官鎘、鋅含量的影響，以期為緩解小麥鎘積累及促進小麥安全生產提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗設計

盆栽試驗于2021-2022年在揚州大學農學院網室進行。塑料盆上口徑28cm、下口徑21cm、高31cm。每盆6kg混合土壤，土壤以泥炭基質（德國維特集團0-10育苗泥炭與0-40種植泥炭以1：1質量比混合）和砂壤土按1：2混合而成，兼具肥力和通氣性的特點。混合土壤具體理化性質為：pH7.1，堿解氮167.1mg·kg-1，全鋅33.6mg·kg-1，有效鋅5.0mg·kg-1，有效鎘0.081mg·kg-1。

試驗設置對照（CK）、土壤施鎘（Cd，5mg·kg-1）、葉面施鋅（Zn，0.2% ZriS04）和葉面施鋅+土壤施鎘（Zn+Cd）4個處理。混合土壤中添加的鎘以鎘離子計，以CdS04.8/3H20的形式混入，基質進行鎘處理后，在自然條件下培土2d。葉面施鋅用質量分數為0.2%的ZnS04溶液（濃度以鋅離子計），于小麥抽穗始期，即2022年3月23日和31日下午5時左右分別噴施一次，單次噴施量為800L·hm-2，對照組噴施等量超純水，所有噴施溶液中均加人體積分數為0.01%的Tween-20作為表面活性劑。

1.2材料培育

本試驗以長江中下游淮南麥區種植的生育期相近的3個春性小麥寧麥21 （YM21）、揚輻麥4號（YFM4）和鎮麥12號（ZM12）為供試材料。2021年11月5日播種，2022年5月9日收獲，全生育期共175 d。全生育期施氮總量為2.4g·盆-1，基肥、拔節肥和穗肥各占1/3；磷施用量為0.5g·盆-1，鉀施用量為1.0g·盆-1，基肥和拔節肥分別占2/3和1/3。于2021年12月15日、2022年2月22日、2022年3月23日分別施人基肥、拔節肥和穗肥。其中基肥施用復合肥（N：P：K=15：15：15），拔節肥為復合肥和尿素（含氮率為46.7%）各占50%，穗肥施用尿素。

1.3測定指標與方法

小麥生長指標的測定：在不同生育期間，每盆隨機選取3穴代表性植株，測量地上部株高、分蘗數以及倒一完全展開葉1/3～1/2處的SPAD值。其中SPAD值用Chlorophyll Meter Model SPAD-502進行測定。

小麥最終產量性狀的測定：成熟期每處理收獲6株小麥。每株先將穗、莖稈和葉片分開，經超純水潤洗3遍，40℃烘干至恒質量后，手動將穗分為籽粒、穗軸和穎殼，然后分別稱質量，測定每株穗數、各部位干量、總粒數和總粒質量，并計算籽粒產量、每穗粒數、粒質量、生物產量和收獲指數等相關指標。具體計算公式如下：籽粒產量（g·株-1）=每株穗數×每穗粒數×粒質量／1000；每穗粒數=總粒數／穗數；千粒質量（mg）=總粒質量（g）/總粒數×1000;生物產量（g）=籽粒質量+莖稈質量+葉片質量+穗軸質量+穎殼質量；收獲指數=籽粒產量／生物產量。

小麥籽粒鎘、鋅含量的測定：籽粒用磨粉機（盤式振動研磨儀TS1000，Siebtechnik，德國）磨粉。采用微波消解儀進行消解，稱取面粉烘干樣品0.45～0.46g于內襯管中，依次加入5mL濃硝酸、3mL去離子水和2～3滴過氧化氫溶液。消解完成后定容至50mL，過濾備用。用全譜直讀等離子發射光譜儀（iCAP6300ICP-OES，Thermo Elemental，美國）測定籽粒樣品濾液中鎘、鋅含量，同時用綠茶粉標準品[GWB（E）100721]進行質量控制，鎘、鋅回收率均在90%左右。

小麥莖稈、葉片、穗軸、穎殼中的鎘、鋅含量測定：莖稈、葉片、穗軸、穎殼分別用小型家用磨粉機（網購）進行磨粉，分別稱取0.200g烘干樣品，在馬弗爐中480℃高溫灰化6h，待灰分完全冷卻后依次加入15mL6%的硝酸進行溶解，靜置24h后過濾。元素含量測量方法與儀器同上。

麥草向籽粒鎘、鋅轉運系數（TF）的測定：轉運系數為小麥籽粒鎘（鋅）含量與麥草鎘（鋅）含量的比值。其中麥草鎘（鋅）含量為小麥莖稈、葉片、穗軸、穎殼中鎘（鋅）含量（C）的加權平均，式中M表示相應部分質量。

1.4數據分析

本試驗用Excel 2016進行數據處理和圖表繪制，用SAS 9.4進行方差分析，SAS混合模型中品種、鋅處理、鎘處理以及這些因素之間的互作為固定因子，盆和植株為隨機因子。采用Tukey HSD檢驗對各品種不同鎘、鋅處理下的均值進行多重比較。

2結果與分析

2.1小麥生長和產量性狀

土壤鎘污染和葉面施鋅對3個供試小麥品種株高和葉片SPAD值的影響見表1。分析表明：鎘污染對小麥株高和抽穗期及灌漿期SPAD值均無顯著影響。葉面施鋅對小麥株高沒有影響．但使抽穗期和灌漿期SPAD值分別下降3%和10%，達顯著和極顯著水平。方差分析表明，鋅處理×品種互作對兩時期SPAD值的影響均達極顯著水平。

鎘、鋅處理對供試品種籽粒產量及其構成因子的影響見表1。分析表明：每穗粒數和粒質量在品種間存在極顯著差異，但籽粒產量和每株穗數無顯著差異。平均而言，土壤5mg·kg-1鎘污染對小麥籽粒產量、每株穗數和粒質量均無顯著影響，但使每穗粒數顯著增加8%，后者主要與寧麥21每穗粒數明顯增加有關。與不施鋅相比，0.2%葉面施鋅對小麥籽粒產量及其構成因素均無顯著影響。方差分析表明，僅鎘處理×品種互作對粒質量有顯著影響。

籽粒產量也可分解為地上部生物產量與收獲指數的乘積（表1）。分析表明：不同品種生物產量和收獲指數存在顯著和極顯著差異。鎘污染對生物產量和收獲指數均無顯著影響。鋅處理對生物產量及收獲指數均無顯著影響。鎘處理、鋅處理和品種間均無互作效應。

2.2小麥籽粒、莖稈、葉片、穗軸、穎殼的鎘和鋅含量

鎘、鋅處理對供試小麥品種地上部各部位鎘含量的影響見圖1A和圖2。分析表明：不同品種間莖稈、葉片和穎殼鎘含量均存在極顯著差異；小麥不同部位間鎘含量差異亦達極顯著水平。與潔凈土壤相比，鎘污染使小麥籽粒、莖稈、葉片、穗軸和穎殼鎘含量平均極顯著增加了62、65、30、30倍和17倍。鎘污染對莖稈、葉片和穎殼鎘含量的影響因品種而異。鎘污染的影響亦與噴鋅與否有關，噴鋅小麥莖稈、葉片和穗軸鎘含量的增幅明顯大于不噴鋅小麥，但籽粒部位則相反。與不施鋅相比，葉面施鋅使小麥籽粒鎘含量平均降低了10%，但使莖稈、葉片、穗軸和穎殼鎘含量平均增加了12%、53%、18%和14%，除穎殼外均達極顯著水平，不同品種趨勢基本一致。從鎘處理看，葉面施鋅使鎘污染小麥籽粒鎘含量顯著降低，使莖稈、葉片和穗軸鎘含量顯著增加，但無鎘污染小麥各部位鎘含量均無顯著變化。

綜合考慮鎘處理、鋅處理、品種和部位的四元方差分析表明（表2），除鋅處理×品種×部位、鎘處理×鋅處理×品種×部位外，不同主效應間對鎘均存在極顯著交互作用。

小麥地上部各部位鋅含量的測定結果見圖1B和圖3。分析表明：籽粒、莖稈、穗軸和穎殼鋅含量品種間均存在顯著或極顯著差異；小麥不同部位間鋅含量差異亦達極顯著水平，葉片和穗軸明顯高于其他部位。與不施鎘相比，鎘污染使小麥所有測定部位鋅含量一致下降，其中莖稈（下降了12%）和葉片降幅（下降了24%）達顯著和極顯著水平。鎘污染使葉面施鋅小麥的籽粒鋅含量（下降了7%）和葉片鋅含量（下降了24%）顯著降低，但不施鋅小麥均無顯著變化。葉面施鋅使小麥籽粒、莖稈、葉片、穗軸和穎殼鋅含量平均增加了61%、7倍、16倍、3倍和4倍，均達極顯著水平。葉面施鋅對莖稈和穗軸鋅含量的影響因品種而異。另外噴鋅對無鎘污染小麥籽粒和葉片鋅含量的影響顯著大于鎘污染小麥。綜合方差分析表明（表2），鎘處理、鋅處理、部位及其互作，以及品種×部位、鋅處理×品種×部位的影響均達極顯著水平。

2.3小麥地上部不同部位鎘和鋅的累積量

小麥不同部位鎘累積量為對應部位鎘含量與其質量的乘積，計算結果見圖4A和表3。分析表明：不同品種莖稈、葉片和穎殼鎘累積量存在顯著或極顯著差異；小麥不同部位間鎘累積量差異亦達極顯著水平，大部分鎘累積在籽粒和莖稈中。平均而言，鎘污染使小麥籽粒、莖稈、葉片、穗軸、穎殼以及總鎘累積量平均極顯著增加了62、64、30、29、17倍和51倍。鎘處理對莖稈、葉片和穎殼鎘累積量的影響因品種而異。葉面施鋅使小麥籽粒鎘累積量平均降低了11%，但其他部位鎘累積量均呈增加趨勢，其中葉片增幅（增加了53%）達極顯著水平。從鎘處理看，噴鋅僅使鎘污染小麥葉片鎘累積量顯著增加，但無鎘污染小麥各部位均無顯著變化。表2表明，鎘處理、品種、部位、鎘處理×品種和鎘處理x部位對小麥鎘累積量的影響均達顯著或極顯著水平。

小麥各部位鋅累積量的計算結果見圖4B和表3。穗軸和穎殼鋅累積量品種間存在極顯著差異；小麥不同部位間鋅累積量差異亦達極顯著水平，籽粒和葉片中鋅含量明顯高于其他部位。除籽粒外，鎘污染使小麥其他部位鋅累積量一致下降，其中葉片降幅（下降了24%）達顯著水平，這主要與噴鋅小麥葉片鋅累積量顯著下降有關。葉面施鋅使小麥籽粒、莖稈、葉片、穗軸、穎殼和總鋅累積量極顯著增加了58%、6倍、16倍、3倍、4倍和2倍。另外，無鎘處理小麥葉片鋅累積量的增幅顯著大于鎘處理小麥。表2顯示，鋅處理、部位、鎘處理×鋅處理、鎘處理×部位和鋅處理×部位對小麥鋅累積量的影響均達顯著或極顯著水平。

2.4麥草向籽粒的鎘和鋅轉運系數

麥草向籽粒的鎘轉運系數為籽粒與麥草鎘含量的比值，計算結果見圖SA。分析表明：鎘污染下，麥草向籽粒的鎘轉運系數品種間存在極顯著差異，揚輻麥4號鎘轉運能力最強，寧麥21最低，鎮麥12號則介于兩者之間。與不施鋅相比，葉面施鋅使鎘污染小麥麥草向籽粒的鎘轉運系數平均降低了22%，其中寧麥21、揚輻麥4號和鎮麥12號分別下降了15%、19%和31%，均達顯著或極顯著水平。方差分析表明，鋅處理與品種處理對小麥鎘轉運系數的影響均達極顯著水平。

麥草向籽粒的鋅轉運系數的計算結果見圖SB。分析表明：葉面施鋅下麥草向籽粒的鋅轉運系數沒有顯著的品種差異。與不施鎘相比，鎘處理對葉面施鋅小麥麥草向籽粒鋅元素的轉運無顯著影響。方差分析顯示，鎘處理、品種及其互作對小麥鋅轉運系數均無顯著影響。

3討論

3.1土壤鎘污染和葉面施鋅對不同品種小麥生長和產量的影響

本試驗土壤總鎘處理的施鎘量（5mg·kg-1）大于農用地土壤鎘污染風險管制值（3mg·kg-1），但對3個供試品種小麥最終生物產量和籽粒產量均無顯著影響，每穗粒數和收獲指數甚至還有增加趨勢，表現出微弱的促進作用（表1），類似現象在其他小麥研究中亦有報道。

鋅參與小麥多種酶促反應，適量施用可提高籽粒產量和品質，但過量施用會影響光合作用，抑制生長發育。本試驗發現，抽穗始期兩次噴施0.2% ZriS04對不同品種和鎘處理下的小麥株高以及產量相關性狀均無影響（表1），這與前人試驗結果相近。這與本試驗采用的混合土壤有效鋅含量較高（5.0mg·kg-1）有關。值得一提的是，噴鋅后不久寧麥21和鎮麥12號葉片出現大小不一的黃色斑點，同時葉片出現褪綠現象，二次噴鋅后葉面SPAD值平均降幅高達10%（表1），但這種肉眼所見的葉片傷害沒有反映在最終產量上，這種現象在其他品種小麥和玉米上亦有類似報道。

3.2鎘污染和葉面施鋅對不同品種小麥各部位鎘含量的影響

盡管土壤鎘污染對籽粒產量影響較小，但使所有供試小麥品種籽粒鎘含量大幅增加（圖1A），平均增至約3.0mg·kg-1，這一水平遠超國家食品鎘安全標準（0.2mg·kg-1）。與籽粒相比，前人對鎘污染下小麥其他部位鎘含量的報道較少，尤其是穗軸和穎殼部位。本試驗結果顯示，施鎘處理使小麥莖稈、葉片、穗軸和穎殼鎘含量均大幅增加，增幅因部位而異，但均高于1.0mg·kg-1的安全飼用要求。值得關注的是，與前人報道不盡相同，本研究條件下土壤鎘處理小麥的籽粒鎘含量普遍高于莖稈和葉片，說明營養器官對鎘向上轉運的阻控效果不明顯，這是否與本試驗設置的鎘污染濃度和品種有關尚需進一步驗證。本文還發現，鎘處理與品種或鋅處理間的互作對小麥鎘含量的影響均達顯著水平（表2）。總體而言，鎘處理使噴鋅小麥麥草鎘含量的增幅明顯大于不噴鋅小麥，籽粒部位則呈相反趨勢，這種現象鎮麥12號表現得更為明顯（圖1A、圖2）。

鋅與鎘化學性質相似，二者在作物體內可能共用離子轉運系統，且存在復雜的交互作用。小麥籽粒是人類直接食用的部位，因此通過鋅鎘互作降低籽粒鎘含量一直是研究的熱點，且結論較一致。相比之下，小麥其他部位對鋅鎘互作的響應報道較少且有分歧。本文以3個品種小麥為供試對象，結果表明抽穗始期葉面噴鋅使籽粒鎘含量平均下降10%，但使莖稈、葉片、穗軸和穎殼的鎘含量明顯增加（12%-53%），其中葉片增幅最大且達極顯著水平（圖1A、圖2）。這說明噴鋅后葉面鋅對鎘向籽粒的轉運有抑制作用，更多的鎘被滯留在營養器官特別是葉片中。這一結果亦與麥草向籽粒鎘轉運系數相吻合：噴鋅使鎘污染小麥鎘轉運系數顯著下降，降幅達15%～31%。不同品種比較，鎮麥12號鎘轉運系數的降幅是寧麥21的2倍，這與鎮麥12號麥草各部位鎘含量增幅更大相一致（圖2，圖SA）。與本試驗的預期相一致，抽穗始期葉面噴鋅對供試品種地上部總鎘累積量均無顯著影響（圖4A，表3），說明噴鋅處理沒有減少小麥營養器官對鎘的吸收和積累，只是相對阻礙了鎘向籽粒的轉運。上述結果與前人單品種小麥噴鋅試驗結果相近，水稻作物亦有類似報道。本研究還發現，鋅處理的上述效應亦與品種或鎘處理有顯著的交互作用（表2）。具體而言，噴鋅導致籽粒鎘含量下降而其他部位增加的現象以鎮麥12號表現最為明顯，特別是土壤鎘污染環境下（圖1A、圖2）。

3.3鎘污染和葉面施鋅對不同品種小麥各部位鋅含量的影響

前人報道鎘污染既有增加小麥鎘含量的風險，又對鋅元素的吸收和轉運有負面效果。本試驗表明，5mg·kg-1鎘處理使小麥地上部各部位鋅含量一致下降（圖1B、圖3），但降幅因測定部位而異，其中葉片（-24%）和莖稈（-12%）降幅較大，而籽粒部位降幅較小（-3%）。盡管鎘污染對地上部各器官鋅吸收有負面效果，但麥草向籽粒的鋅轉運系數沒有降低，甚至還略有增加，這與鎘對營養器官鋅吸收的抑制作用更強相吻合。研究還表明，鎘污染對鋅吸收的抑制不存在品種差異，但噴鋅處理下鋅、鎘的拮抗作用表現得更加明顯。

與多人研究結果一致，本試驗抽穗始期0.2%葉面噴鋅后籽粒鋅含量達到了68mg·kg-1（圖1B），高于全國平均水平及營養學家設定的生物強化目標。另外噴鋅對鋅含量的增幅存在部位差異，且本試驗品種對噴鋅的響應更敏感，籽粒增幅（+61%）多大于其他品種。盡管籽粒鋅含量的增幅較大，但大量鋅仍被保留在營養器官中，因此如何增加營養器官中鋅向籽粒的轉運量對小麥鋅營養品質的提升至關重要。研究還發現，鋅處理對鋅的吸收不存在品種依賴，但與鎘處理間的互作達顯著水平，鎘污染使葉面鋅肥的富鋅效果變差，二者的拮抗作用仍是主要影響因素。

4結論

（1）輕度土壤鎘污染對供試小麥生長、產量指標均無顯著影響，但使地上部鎘含量大幅增加，而鋅含量呈相反趨勢。

（2）抽穗始期葉面施鋅對小麥無增產效果，但顯著增加各器官包括籽粒的鋅含量。施鋅處理對小麥地上部鎘的累積量沒有影響，但改變了鎘在不同器官間的分配模式：使鎘污染小麥籽粒鎘含量顯著降低，而其他器官則表現出相反趨勢。

（3）多數情況下，鎘處理、鋅處理及其互作對小麥鎘含量的影響存在品種依賴。相較而言，鎮麥12號擁有較高的產量，籽粒鎘含量較低且對葉面施鋅最為敏感，更適宜在鎘污染土壤上種植。