环境科学  2024, Vol. 45 Issue (3): 1812-1820   PDF    
叶面调理剂对复合污染农田小麦籽粒Cd、As和Pb累积的阻控效应
肖冰1, 王秋实1, 高培培1, 赵全利2, 杨威3, 王钊4, 刘文菊1, 薛培英1     
1. 河北农业大学资源与环境科学学院, 省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室, 河北省农田生态环境重点实验室, 保定 071000;
2. 河北农业大学教学试验农场, 保定 071000;
3. 河北民得富生物技术有限公司, 保定 072450;
4. 泰安市生态环境局肥城分局, 泰安 271699
摘要: 针对麦田土壤镉(Cd)、砷(As)和铅(Pb)复合污染问题, 采用田间小区试验, 于拔节期、孕穗期和灌浆初期对小麦进行叶面单独和混合喷施Zn(0.2% ZnSO4)、Mg(0.4% MgSO4)和Mn(0.2% MnSO4)处理, 以期探究叶面调理剂对小麦籽粒Cd、As和Pb累积的阻控效应, 最终筛选出适用于北方重金属复合污染区有效阻控小麦籽粒中Cd、As和Pb累积的叶面调理剂.结果表明, 与对照相比, 叶面喷施Zn+Mg+Mn复配溶液能够显著降低小麦籽粒中Cd、As和Pb含量, 降幅分别为18.96%、23.87%和51.31%, TF籽粒/秸秆分别降低了14.62%、27.73%和47.70%, 该叶面调理剂能够通过抑制Cd、As和Pb从小麦茎叶到籽粒的转运进而降低其在籽粒的累积;研究还发现, 对照的籽粒中Cd和As主要分布在中心胚乳(34.08%~37.08%), 而Pb主要分布在果皮和种皮(27.78%).喷施Zn+Mg+Mn复配溶液可显著降低Cd和As在糊粉层含量, 分别比CK降低81.10%和82.24%, 而Pb除果皮和种皮、中心胚乳外, 各层次Pb含量均显著降低(降幅为42.85%~91.15%), 各层次面粉只有糊粉层(P2)重金属含量与Zn含量呈显著负相关.综上所述, 对于北方石灰性土壤Cd、As和Pb中度复合污染农田, 于小麦拔节期、孕穗期和灌浆初期各喷施一次Zn+Mg+Mn复配的叶面调理剂, 可有效阻控Cd、As和Pb在小麦籽粒尤其是糊粉层的累积.在此基础上, 可通过去除麦麸来进一步降低重金属尤其是Cd的污染, 保证小麦安全生产和粮食安全.
关键词: 小麦      重金属复合污染                     叶面调理剂      阻控     
Blocking Effects of Foliar Conditioners on Cadmium, Arsenic, and Lead Accumulation in Wheat Grain in Compound-contaminated Farmland
XIAO Bing1 , WANG Qiu-shi1 , GAO Pei-pei1 , ZHAO Quan-li2 , YANG Wei3 , WANG Zhao4 , LIU Wen-ju1 , XUE Pei-ying1     
1. State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation, Key Laboratory of Ecological Environment of Farmland in Hebei, College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China;
2. Farm of Teaching and Experimentation, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China;
3. Hebei Mindefu Biotechnology Co., Ltd., Baoding 072450, China;
4. Tai'an Ecological Environment Bureau Feicheng Branch, Tai'an 271699, China
Abstract: Heavy metal contamination of soil has become a hot issue of social concern due to its impact on the safety of agricultural products in recent years. Wheat is one of the most dominant staple food crops worldwide and has become a major source of toxic metals in human diets. Foliar application was considered to be a more efficient and economical method of heavy metal remediation. Field experiments were carried out in Cd-, As-, and Pb-contaminated farmland soils. The effects of foliar conditioners on the accumulation of Cd, As, and Pb in wheat grains were investigated after being sprayed with Zn (0.2% ZnSO4), Mg (0.4% MgSO4), and Mn (0.2% MnSO4) separately and in combination. Thus, the effective foliar conditioners were selected to block the accumulation of Cd, As, and Pb in wheat grains grown in combined heavy metal-contaminated farmland in north China. The results showed that, compared with that in the control, the Cd, As, and Pb contents in wheat grains of the Zn+Mg+Mn foliar treatment were significantly decreased by 18.96%, 23.87%, and 51.31%, respectively, and TFgrain/straw decreased by 14.62%, 27.73%, and 47.70%, respectively. Thus, spraying the compound foliar conditioner of Zn+Mg+Mn could effectively reduce heavy metal accumulation in wheat grains through inhibition translocation of those metals from stem leaves to grain. In addition, the results indicated that Cd and As were mainly distributed at the central endosperm (34.08%-37.08%), whereas Pb was primarily distributed at the pericarp and seed coat (27.78%) of the wheat grain. Compared with that in the control, spraying the compound foliar conditioner of Zn+Mg+Mn extremely decreased Cd and As accumulation in the aleurone layer of the wheat grain by 81.10% and 82.24%, respectively. Except for the pericarp, seed coat, and central endosperm layers, the Pb content in each grain layer was dramatically decreased by 42.85% to 91.15%. There was only a significant negative correlation between heavy metal content and Zn content in the aleurone layer (P2) of wheat flour. In summary, the accumulation of Cd, As, and Pb in wheat grains, especially in the aleurone layer, could be effectively reduced by foliar conditioner application at the jointing, booting, and early filling stages of wheat, separately. Furthermore, besides the foliar treatment, removing wheat bran to reduce Cd contamination in wheat grains is highly recommended to ensure the safe production of wheat.
Key words: wheat      heavy metal compound pollution      cadmium (Cd)      arsenic (As)      lead (Pb)      foliar modulator      block     

随着我国工农业发展, “三废”排放、污水灌溉、农药和磷肥等的施用造成农田土壤重金属累积[1, 2].有调查研究显示, 我国农田土壤局部地区污染较重, 点位超标率高达19.4%, 据估算, 重金属污染农田土壤面积高达2.0×107 hm2, 约占全国耕地面积的1/6, 其中重金属Cd、As和Pb等污染较为突出[3].土壤中的重金属如Cd、As和Pb可通过食物链进入人体, 危害人体健康.据统计, 我国13.86%粮食生产受到农田土壤重金属污染影响[1].小麦是我国主要的粮食作物, 土壤重金属污染严重威胁小麦安全生产.华北平原作为我国冬小麦的主要产区, 调查显示, 局部地区小麦籽粒存在重金属如Cd、As和Pb等超标现象[4~8], 因此有效阻控北方重金属复合污染农田小麦Cd、As和Pb在可食部位的累积, 对小麦安全生产, 保障粮食安全具有重要的现实意义.

有研究发现, 外源施加营养元素如Zn、Mg和Mn可以促进植物生长, 提高作物对重金属的抗逆能力, 同时Cd2+和Pb2+与Zn2+和Mn2+等同为二价阳离子, 化学性质相似, 可以通过拮抗作用来降低重金属在农作物可食部位累积[9~11].采用盆栽试验, 发现土施锰肥可有效增加土壤Mn的有效性, 促进小麦根系对Mn的吸收, 进而抑制小麦根系对Cd吸收及向地上部的转运, 最终籽粒中Cd含量降低14%~27%[12].土壤联合施用生物炭和锌与单独施用生物炭相比, 籽粒中Cd含量降低21%~39%[13], 同时可促进作物生长, 调节小麦根系细胞抗氧化能力, 调节镉转运基因的表达, 减少小麦对Cd的吸收以及在籽粒的累积.大田研究表明, 土壤中低用量Zn(50 mg·kg-1)的施用能够显著降低小麦籽粒Cd含量, Zn与Cd表现出拮抗作用, 而高用量Zn处理则显著提高小麦籽粒Cd含量, Zn与Cd表现出协同作用, 这是由于Zn和Cd竞争土壤胶体吸附位点, 土壤施用Zn可导致Cd的活化[14].而喷施叶面调理剂既可有效避免土壤中重金属的活化, 而且操作简便, 成本低, 因此已经成为当前修复农田土壤重金属污染的重要措施.

有研究表明, 叶面喷施ZnSO4能够显著降低稻米中的Cd含量[15, 16];叶面施Mn肥也可使糙米中Cd含量降低5.50%~11.00%, Mn含量提高7.38%~29.31%[17];轻微镉污染水稻土, 叶面喷施锌锰肥(4 g·L-1 ZnSO4+4 g·L-1 MnSO4+0.5 g·L-1有机硅助剂), 可增加地上部Zn和Mn含量, 降低水稻籽粒Cd含量(“川育25”降低13.1%, “川麦104”降低9.38%)[18].盆栽研究表明, 于不同生育时期(分蘖、拔节和抽穗期)叶面喷施不同浓度硫酸锌可促进小麦生长, 提高作物体内Zn含量进而降低籽粒中Cd的累积, 40 mg·L-1处理小麦籽粒Cd含量由对照的0.17 mg·kg-1降低为0.07 mg·kg-1[19];叶面喷施赖氨酸锌可缓解Cd对小麦的毒害作用, 提高抗氧化酶活性, 降低小麦和水稻地上部对Cd的累积[20];叶面喷施(苗期、拔节孕穗期各喷1次)MnSO4和MgSO4均可使得小麦籽粒Cd含量降到安全限值[21].河南省新乡市某Cd污染农田[ω(总Cd)为3.52 mg·kg-1], 于小麦的拔节期、抽穗期以及灌浆期喷施3次叶面肥, 喷施MnSO4和ZnSO4可显著降低小麦籽粒的Cd含量, 最大降低率达47.45%[22].

由此可见, 叶面喷施调理剂是有效地修复作物重金属污染的农艺措施, 但是目前针对于北方石灰性土壤小麦叶面调理剂修复研究较缺乏, 且多局限于单一污染物修复, 缺乏田间效果验证.因此, 本文以Cd、As和Pb复合污染农田土壤为研究对象, 开展大田试验, 于小麦拔节期、孕穗期和灌浆初期, 进行Zn(0.2% ZnSO4)、Mg(0.4% MgSO4)和Mn(0.2% MnSO4)叶面调理剂单独或三者混合喷施处理, 探究喷施叶面调理剂对小麦Cd、As和Pb在籽粒累积的阻控效应, 最终筛选适用于北方石灰性重金属复合污染农田, 以期有效阻控重金属在小麦籽粒累积的叶面调理剂.

1 材料与方法 1.1 试验区概况

本研究区域位于河北省保定市某污灌区, 污灌历史近40年[23], 主要种植方式为冬小麦-夏玉米.土壤类型为潮褐土, 土壤pH值为7.81, ω(碱解氮)为105 mg·kg-1, ω(有效磷)为30.4 mg·kg-1, ω(速效钾)为401 mg·kg-1, ω(有机质)为19.4 g·kg-1, CEC为22.4 cmol·kg-1.由于长期污灌导致土壤重金属累积, 其中ω(Cd)为1.40~1.93 mg·kg-1, ω(As)为75.9~86.2 mg·kg-1, ω(Pb)为115~183 mg·kg-1, 为Cd、As和Pb中度复合污染土壤.

1.2 试验设计

供试小麦品种为大穗王, 为当地主栽品种.田间小区试验共设置4个处理:Zn(0.2% ZnSO4);Mg(0.4% MgSO4);Mn(0.2% MnSO4);Zn+Mg+Mn(0.2% ZnSO4+0.4% MgSO4+0.2% MnSO4), 同时设置喷施等量清水的对照(CK).每个处理4个重复, 共20个小区, 各小区随机分布, 小区面积20 m2(4 m×5 m).田间管理按当地农民习惯进行, 分别于冬小麦拔节期、孕穗期和灌浆初期各进行一次叶面喷施处理, 单次喷施量为150 L·hm-2.

1.3 样品的采集与分析方法

于成熟期取样, 每个小区沿对角线取3个点, 每点取2~3株小麦, 分为秸秆和籽粒两个部分.用自来水、超纯水洗净, 于85℃下杀青30 min, 60℃下烘干48 h, 粉碎后待消煮测定重金属Cd、As和Pb含量.同时测产, 选取各小区内长势均匀的1 m2小麦, 用剪刀将麦穗剪下, 装入网兜中, 带回实验室晾晒脱粒后测定籽粒干重.

此外, 对修复效果最佳的Zn+Mg+Mn处理和对照小麦籽粒进行分层磨粉.将小麦籽粒使用小型精米机(AH 001984, TOKYO, 日本)对籽粒进行分层磨粉, 按照7%(P1, 种皮和果皮)、6%(P2, 糊粉层)、7%(P3, 亚糊粉层)、10%(P4, 外胚乳)、10%(P5, 中胚乳)、10%(P6, 内胚乳)的质量分配进行磨粉, 最后剩余50%籽粒用FW100型高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)粉碎, 作为最后一层(P7, 中心胚乳)[24].

小麦秸秆、籽粒中Cd、As和Pb含量采用HNO3-H2O2(5∶2, 体积比)消解, 称取0.50 g样品放入50 mL离心管, 加入5 mL浓HNO3于石墨炉120℃消解1 h, 冷却15 min后加入2 mL H2O2, 120℃消解1 h, 120℃赶酸至离心管内剩1 mL液体后取出定容至20 mL, 4℃保存待测.采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, NexION 350X, PE)测定消解液中Cd、As、Pb、Zn、Mn和Mg含量, 以国家一级标准(GBW 10046, GBW(E)100493和GBW 07603)进行准确度和精密度控制, 回收率为80%~120%.

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据分析和图形处理, SPSS 21.0统计软件进行统计学分析, 采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)进行显著性检验, 采用最小显著差异法(LSD)进行不同处理均值的差异显著性比较.采用T检验方法对Zn+Mg+Mn处理和对照之间面粉各层次重金属含量以及营养元素累积量占比进行差异显著性比较, 对面粉不同层次Cd、Pb和As含量与Zn、Mg和Mn含量进行Pearson相关分析.

转运系数(TF)反映了重金属在植物体内的转运能力, 是判断重金属在植物体内迁移富集的一个重要的指标.

2 结果与分析 2.1 叶面调理剂对小麦产量的影响

不同处理小麦产量和千粒重范围分别为5 415~6 309 kg·hm-2和40.64~41.99 g(图 1).由图 1可知, 喷施叶面调理剂可不同程度提高小麦产量, 比CK提高4.22%~16.51%, 但各处理之间差异均不显著(P > 0.05).各处理之间小麦千粒重也无显著差异(P > 0.05)

图 1 叶面调理剂对小麦产量和千粒重的影响 Fig. 1 Effects of foliar conditioners on grain yield and 1000-grain weight of wheat

2.2 叶面调理剂对小麦籽粒Cd累积的阻控效应 2.2.1 叶面调理剂对小麦籽粒Cd、As、Pb累积的影响

小麦籽粒中Cd、As和Pb含量如图 2所示.对Cd而言, CK小麦籽粒ω(Cd)高达0.14 mg·kg-1, 为我国食品安全标准限值(GB 2762-2017, 0.1 mg·kg-1)的1.42倍.除Mg处理外, 喷施叶面调理剂可不同程度降低小麦籽粒Cd含量, 降幅为4.79%~18.96%, 其中Zn+Mg+Mn处理小麦籽粒Cd含量最低, 比CK显著降低18.96%(P < 0.05).

不同小写字母表示不同叶面调理剂处理间籽粒重金属含量存在显著性差异(P < 0.05) 图 2 不同叶面调理剂处理小麦籽粒Cd、As和Pb含量 Fig. 2 Concentrations of Cd, As, and Pb in wheat grains with different foliar conditioners treatments

对As而言, 小麦籽粒ω(As)范围为0.17~0.23 mg·kg-1, 同样均低于国家食品安全标准限值(GB 2762-2017, 0.5 mg·kg-1).同样的, 喷施叶面调理剂可不同程度降低小麦籽粒As含量(3.58%~23.87%), 其中Zn+Mg+Mn处理小麦籽粒中As含量最低, 比CK低23.87%, 但各处理之间差异均不显著(P > 0.05).

对Pb而言, 小麦籽粒ω(Pb)范围为0.05~0.10 mg·kg-1, 均低于国家食品安全标准限值(GB 2762-2017, 0.2 mg·kg-1).与CK相比, 喷施叶面调理剂均可不同程度降低小麦籽粒Pb含量(6.40%~51.31%), 其中Zn+Mg+Mn处理小麦籽粒Pb含量最低, 比CK显著降低51.31%(P < 0.05), 其它处理与CK相比均差异不显著(P > 0.05).

总之, Zn+Mg+Mn处理是最佳的阻控小麦籽粒Cd、As和Pb累积的叶面调理剂.

2.2.2 叶面调理剂对小麦Cd、As和Pb转运能力的影响

小麦对Cd、As和Pb由秸秆向籽粒的转运系数如图 3所示.小麦对Cd由秸秆向籽粒的转运能力最高, TF籽粒/秸秆为0.30~0.40, 其次为As, TF籽粒/秸秆为0.08~0.12, Pb的转运能力最低, TF籽粒/秸秆为0.01~0.02.与CK相比, 只有Zn+Mg+Mn处理TF籽粒/秸秆显著降低, Cd、Pb和As的TF籽粒/秸秆分别降低14.62%、47.70%和27.73%, 说明Zn+Mg+Mn处理可通过降低Cd、Pb和As从秸秆到籽粒的转运来减少其在籽粒的累积, 是适宜作为阻控小麦籽粒重金属累积的叶面调理剂.

不同小写字母表示不同叶面调理剂处理间转运系数TF存在显著性差异(P < 0.05) 图 3 小麦对Cd、As和Pb由秸秆向籽粒的转运系数TF Fig. 3 Transfer factors of Cd, As, and Pb from straw to grain in wheat

2.2.3 小麦面粉不同层次Cd、As和Pb分布特征

不喷施叶面肥的对照, 小麦面粉不同层次中Cd、As和Pb的累积量占比如图 4所示, 每个层次重金属累积量占比为重金属累积量(重金属含量乘以面粉质量)与总累积量(各层次重金属累积量的和)的比值.面粉不同层次Cd和As的分布规律相同, 均表现为:胚乳(P4~P7) > 糊粉层(P2, P3) > 种皮和果皮(P1).Cd和As主要分布在胚乳中, 分别占籽粒总量的69.42%和67.70%, 中心胚乳(P7)累积量最高, 分别占总量的37.08%和34.08%.除中心胚乳层之外, 其它层次Cd和As分布较均匀, 累积量占比为8.86%~12.62%;而小麦面粉不同层次Pb分布则表现为胚乳(42.46%) < 种皮和糊粉层(57.54%), 并且与Cd和As不同的是, 种皮和果皮中Pb累积量占比最高, 为27.78%, 而中心胚乳中Pb累积量占比最低, 仅为1.79%, 其它层次Pb分布较为均匀, 占比为12.06%~15.65%.

图 4 小麦面粉不同层次Cd、As和Pb累积量占比 Fig. 4 Ratios of Cd, As, and Pb in different layers of wheat grain

上述筛选结果表明, Zn+Mg+Mn处理可有效降低小麦籽粒中Cd、As和Pb含量, 因此, 进一步分析该处理和CK小麦面粉不同层次重金属含量, 结果如图 5所示:对于CK而言, 面粉不同层次Cd、Pb和As含量均表现为由外向内逐渐降低, 中心胚乳(P7)中Cd、Pb和As含量分别为果皮和种皮(P1)含量的43.54%、0.90%和37.82%, 其中Pb含量由外向内下降较为显著, 糊粉层(P2)的Pb含量仅为果皮和种皮(P1)的65.74%.

*表示同一层面粉重金属含量叶面肥处理与对照存在显著性差异(P < 0.05) 图 5 小麦面粉不同层次Cd、As和Pb含量 Fig. 5 Concentrations of Cd, As, and Pb in different layers of wheat grain

对于Cd和As而言, 喷施叶面调理剂后, 糊粉层(P2)含量显著降低, 分别比CK低81.10%和82.24%, 其它层次Cd和As含量与CK比差异均不显著(P > 0.05);对于Pb而言, 除果皮和种皮以及中心胚乳层之外, 其它层次Pb含量与CK相比均不同程度降低(42.85%~91.15%), 其中同样是糊粉层(P2)Pb含量降低最为显著, 高达91.15%.

2.2.4 小麦面粉不同层次Zn、Mg和Mn分布特征

小麦面粉不同层次中Zn、Mg和Mn的累积量占比如图 6所示.对于CK而言, 面粉不同层次Zn、Mg和Mn分布规律与Cd和As相似, 均主要分布在胚乳部分, 其中中心胚乳(P7)累积量最高, 分别占籽粒总量的48.95%、41.31%和31.68%, 其它层次分布较均匀, 累积量占比分别为2.72%~10.76%、8.19%~17.24%和7.62%~19.66%.

*表示同一层面粉营养元素累积量占比叶面肥处理与对照存在显著性差异(P < 0.05) 图 6 小麦面粉不同层次Zn、Mg和Mn累积量占比 Fig. 6 Ratios of Zn, Mg, and Mn in different layers of wheat grain

喷施Zn+Mg+Mn复配的叶面调理剂之后, 与CK相比, Zn在糊粉层(P2)和胚乳层(P4, P6)累积量占比均显著增加, 而中心胚乳(P7)累积量占比由48.95%显著降低为3.36%;Mg和Mn同样表现为中心胚乳(P7)累积量占比显著降低, 分别降低52.27和35.95个百分点, 其它层次除P5层外与CK差异均不显著.

面粉各层次Cd、As和Pb含量与Zn、Mg和Mn含量相关性如表 1所示.只有糊粉层(P2)表现为Cd、As和Pb含量与Zn呈显著负相关(P < 0.01), P5层Pb含量与Mg和Mn含量呈显著正相关, 其它面粉层次重金属与营养元素含量之间均无显著相关性(P > 0.05).

表 1 面粉不同层次重金属和营养元素含量的Pearson相关性1) Table 1 Pearson's correlation coefficients between heavy metal and nutrient element concentrations in different layers of wheat grain

3 讨论

喷施叶面调理剂是一种成本低、操作方便和环境友好的阻控重金属进入作物籽粒的方法[25~27].Zn、Mg和Mn均是植物必需营养元素, 喷施到叶片表面可以通过角质层或外质连丝进入叶片表皮细胞, 也可通过气孔直接进入叶片细胞, 再由叶片转移到韧皮部, 参与植物体内养分代谢[28].有研究表明喷施Zn、Mg和Mn叶面调理剂可提高小麦籽粒产量和品质[19, 21].本研究中, 喷施叶面调理剂同样可不同程度提高小麦产量, 比CK提高4.22%~16.51%(图 1), 只是促生效果并不显著.

有研究表明, 植物营养元素和重金属Cd和Pb具有相似的化学性质, 均能以二价阳离子的形式被植物吸收, Zn和Mn可以通过竞争离子通道和载体蛋白来抑制Cd和Pb的吸收与转运[29, 30], 降低重金属生物可给性[31].有研究表明, 小麦体内IRT1、HMAs和一些非选择性阳离子通道可以转运包括Zn、Mn、Cd和Pb在内的多种阳离子[10].盆栽研究表明, 于小麦苗期和拔节孕穗期叶面各喷施1次0.1% MgSO4和0.05% MnSO4, 均可降低小麦籽粒Cd含量, 与CK相比分别降低35.48%和48.39%[21];于分蘖、拔节和抽穗期叶面喷施不同浓度硫酸锌(10~40 mg·L-1)可降低籽粒中Cd的累积[19];孕穗期喷施0.05% ZnSO4可使小麦籽粒Cd含量降低74%[32].而本研究结果表明, 单独喷施Zn、Mg和Mn处理对Cd和Pb的抑制效果均不显著(图 2), 一方面是由于本研究土壤污染程度较高, 且为Cd、As和Pb复合污染土壤, 因此单一叶面调理剂修复效果有限, 而Zn+Mg+Mn混合喷施处理可有效抑制Cd、As和Pb在小麦籽粒的累积, 与CK相比, Cd、As和Pb由秸秆向籽粒的转运能力降低(图 3), 小麦籽粒Cd、As和Pb含量显著降低18.96%、23.87%和51.31%(P < 0.05, 图 2).可见对于重金属复合污染农田, 混合叶面调理剂处理可通过抑制重金属由秸秆向籽粒的转运来有效阻控重金属在小麦籽粒的累积.水稻灌浆期喷施叶面肥, 结果同样表明, Zn+Mn混合喷施降低水稻籽粒Cd效果(比CK降低36.63%~55.78%)优于单独Zn喷施(比CK降低19.03%~32.55%)[33].同样的, 与单独喷施Mn肥相比, 混合喷施MnSO4+ZnSO4对于降低小麦籽粒Cd累积的效果更佳, MnSO4、ZnSO4单一以及混合喷施处理小麦Cd含量分别降低21.96%、34.96%和35.78%[22];另一方面可能由于不同小麦品种对重金属以及营养元素吸收能力不同.有研究表明小麦不同品种对Cd的耐受性和对外源Zn的响应有较大差异, 在相同的Cd暴露条件下, Zincol-2016籽粒Cd含量显著高于Faisalabad-2008, 于孕穗期和抽穗期喷施0.5% ZnSO4后, Zincol-2016籽粒Cd含量比对照显著降低了44.0%, 而Faisalabad-2008与对照相比无显著差异[34].盆栽试验结果同样表明, 喷施Zn浓度为100 μmol·L-1时, 只有低积累品种地上部Cd含量显著降低[35].

由于土壤中As主要以阴离子形式存在, 而本研究供试的叶面调理剂均为阳离子, 两者不存在直接竞争关系.盆栽研究表明, 叶面喷施Zn、Mg和Mn均未显著抑制小麦苗期地上部和地下部As累积[36].但也有研究表明叶面喷施Mn可促进百合和苜蓿等植物对P的吸收与转运[37, 38], 并且水稻体内Mn与As含量呈显著负相关[39].本研究结果表明Mn处理和Zn+Mg+Mn处理小麦籽粒As含量与CK相比分别降低22.81%和23.87%, 可能是Mn添加提高了小麦对P的吸收与转运, P与As在小麦中竞争相同的转运通道, 从而抑制了小麦对As的吸收和转运, 但是需要进一步测定小麦体内As形态来探明其阻控机制.

值得注意的是, 各叶面调理剂处理对降低籽粒重金属累积效果均为Pb优于Cd和As, 这可能与小麦籽粒重金属来源不同有关.前期研究通过Pb稳定同位素比值分析, 表明无论是金属冶炼区还是清洁区, 大气沉降均为小麦籽粒铅的主要来源, 贡献率高于50%[40, 41].将铅颗粒物(PbSO4)暴露于小麦旗叶, 可导致小麦籽粒中铅含量比对照高出13~19倍, 铅稳定同位素比值结果也表明, 小麦籽粒富集的铅82.80%~100%来自于暴露的铅颗粒物[41], 这一证据表明, 颗粒物负载的铅可以被小麦叶片吸收并最终转运至籽粒中累积.因此, 喷施叶面调理剂可直接作用于叶片, 以抑制大气源Pb向籽粒的转运.

研究重金属在籽粒不同部位累积特征可有助于理解其在籽粒的转运过程以及叶面调理剂的作用机制, 同时也对小麦面粉安全生产提供依据.本研究表明Cd和As在籽粒的分布规律相同, 均主要分布在胚乳(P4~P7), 分别占籽粒总量的69.42%和67.70%(图 4), 而Pb则主要分布在种皮和果皮, Pb累积量占比达27.78%, 而内胚乳中Pb含量最低, 仅为1.79%.这与前期调查研究结果一致, 采用激光剥蚀-等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)原位分析技术结合分层磨粉技术, 发现Pb主要分布在果皮和种皮(麦麸)[41, 42].同时, 有研究表明Cd和As相比于其他元素更容易在胚乳中积累, 这可能与Cd和As与含硫官能团具有很强的结合能力有关, 因为硫元素主要分布在胚乳[43, 44].采用同步辐射技术(XANES)研究镉在水稻籽粒中的分布, 发现66%~92%的Cd以巯基结合态存在[45], 也为这一推断提供了证据.糊粉层包围着胚乳和胚芽, 是胚乳吸收养分的细胞层, 叶面混合喷施Zn+Mg+Mn处理, 小麦籽粒中Cd、Pb和As含量均表现为糊粉层显著降低(图 5), 并且糊粉层小麦籽粒Cd、Pb和As含量均与Zn含量呈显著负相关(表 1), 该层Zn累积量占比也显著高于对照(图 6), 说明叶面调理剂的添加可能主要通过Zn的拮抗作用抑制重金属向胚乳的转运;而尽管中心胚乳(P7)Zn、Mg和Mn累积量占比与CK比显著降低, 但是并未影响重金属在中心胚乳的累积, 也说明了糊粉层对于重金属在籽粒内部的累积发挥着重要作用, 因此除中心胚乳外, 内糊粉层和胚乳中Pb含量比CK降低3.39%~16.61%(图 5), 但是胚乳中Cd和As含量与CK相比无显著差异, 这可能与重金属在籽粒中存在形态有关, 如上所述Cd和As为亲硫元素, 可以巯基结合态存在于籽粒中, 因此其向籽粒内部的转运还与S的累积有关, 但这尚需进一步测定重金属在籽粒的存在形态加以验证.由于小麦加工过程中, 糊粉层通常连同种皮果皮一起进入麦麸成分, 喷施Zn+Mg+Mn复配溶液后, 去除麦麸(约占籽粒质量的13%)后的面粉中ω(Cd)可由0.12 mg·kg-1降至0.10 mg·kg-1, 符合国家食品安全标准.同样有研究表明, 去除小麦籽粒重量的25%后籽粒Cd含量降低为原来的56%[42].因此对于中重度污染区, 在喷施叶面调理剂基础上, 可以通过去除麦麸来进一步降低重金属尤其是Cd的污染.

综上所述, 混合喷施Zn+Mg+Mn处理均可通过抑制Cd、As和Pb从小麦秸秆到籽粒的转运来减少Cd、As和Pb在籽粒, 特别是糊粉层的累积, 并且降低籽粒重金属累积效果为Pb优于Cd和As, 在北方地区石灰性土壤Cd、As和Pb中度复合污染农田中, 可于小麦拔节期、孕穗期和灌浆初期各叶面喷施一次Zn+Mg+Mn处理来降低小麦籽粒重金属累积.虽然喷施叶面调理剂后小麦籽粒Cd含量仍高于食品安全国家标准(GB 2762-2017)安全限值, 但可通过去除麦麸降低小麦籽粒重金属尤其是Cd的含量, 以保障食品安全.

4 结论

(1)喷施叶面调理剂没有显著影响小麦产量和千粒重, 但是喷施Zn+Mg+Mn复配溶液可显著降低Cd、As和Pb由小麦秸秆到籽粒的转运, 最终降低其在小麦籽粒中的含量, Cd、Pb和As含量分别比CK降低18.96%、23.87%和51.31%.

(2)Cd、As和Pb在面粉不同层次分布规律不同, Cd和As主要分布在胚乳(69.42%和67.70%), 而Pb主要分布在种皮和糊粉层(57.54%).喷施Zn+Mg+Mn复配溶液可显著降低糊粉层(P2)Cd、Pb和As含量, 且该层重金属含量与Zn含量呈显著负相关.喷施叶面调理剂抑制籽粒Pb累积的效果优于Cd和As.

(3)综上所述, 北方石灰性土壤Cd、As和Pb中度复合污染农田, 可于小麦的拔节期、孕穗期和灌浆初期各喷施一次Zn+Mg+Mn混合的叶面调理剂来阻控Cd、As和Pb在小麦可食部位的累积.

参考文献
[1] Li Q H, Zhu K Y, Liu L, et al. Pollution-induced food safety problem in China: trends and policies[J]. Frontiers in Nutrition, 2021, 8. DOI:10.3389/fnut.2021.703832
[2] Zhao F J, Ma Y B, Zhu Y G, et al. Soil contamination in China: current status and mitigation strategies[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49(2): 750-759.
[3] 陈世宝, 王萌, 李杉杉, 等. 中国农田土壤重金属污染防治现状与问题思考[J]. 地学前缘, 2019, 26(6): 35-41.
Chen S B, Wang M, Li S S, et al. Current status of and discussion on farmland heavy metal pollution prevention in China[J]. Earth Science Frontiers, 2019, 26(6): 35-41.
[4] 孙亚芳, 王祖伟, 孟伟庆, 等. 天津污灌区小麦和水稻重金属的含量及健康风险评价[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(4): 679-685.
Sun Y F, Wang Z W, Meng W Q, et al. Contents and health risk assessment of heavy metals in wheat and rice grown in Tianjin sewage irrigation area, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(4): 679-685.
[5] Xue P Y, Zhao Q L, Sun H X, et al. Characteristics of heavy metals in soils and grains of wheat and maize from farmland irrigated with sewage[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2019, 26(6): 5554-5563. DOI:10.1007/s11356-018-3997-4
[6] 肖冰, 薛培英, 韦亮, 等. 基于田块尺度的农田土壤和小麦籽粒镉砷铅污染特征及健康风险评价[J]. 环境科学, 2020, 41(6): 2869-2877.
Xiao B, Xue P Y, Wei L, et al. Characteristics of Cd, As, and Pb in soil and wheat grains and health risk assessment of grain-Cd/As/Pb on the field scale[J]. Environmental Science, 2020, 41(6): 2869-2877.
[7] 李浩杰, 钞锦龙, 姚万程, 等. 小麦籽粒重金属含量特征及人体健康风险评价——以河南省北部某县为例[J]. 环境化学, 2022, 41(4): 1158-1167.
Li H J, Chao J L, Yao W C, et al. Characteristics of heavy metal content in wheat grains and human health risk assessment -A county in northern Henan Province[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(4): 1158-1167.
[8] Wan F, Jiang N, Yu L S, et al. Heavy metal ecological-health risk assessment under wheat-maize rotation system in a high geological background area in eastern China[J]. Scientific Reports, 2022, 12(1). DOI:10.1038/s41598-022-22608
[9] 章明奎, 倪中应, 沈倩. 农作物重金属污染的生理阻控研究进展[J]. 环境污染与防治, 2017, 39(1): 96-101.
Zhang M K, Ni Z Y, Shen Q. Research progress on physiological control of heavy metal pollution in crops[J]. Environmental Pollution & Control, 2017, 39(1): 96-101.
[10] Gupta N, Ram H, Kumar B. Mechanism of zinc absorption in plants: uptake, transport, translocation and accumulation[J]. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2016, 15(1): 89-109. DOI:10.1007/s11157-016-9390-1
[11] Ullah I, Wang Y R, Eide D J, et al. Evolution, and functional analysis of natural resistance-associated macrophage proteins (NRAMPs) from Theobroma cacao and their role in cadmium accumulation[J]. Scientific Reports, 2018, 8(1). DOI:10.1038/s41598-018-32819
[12] 姚澄, 周天宇, 易超, 等. 施用锰肥对根际土壤锰有效性及小麦镉吸收转运的影响[J]. 农业环境科学学报, 2022, 41(9): 1955-1965.
Yao C, Zhou T Y, Yi C, et al. Effects of manganese fertilizer on rhizosphere soil manganese availability and cadmium uptake and transport by wheat[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2022, 41(9): 1955-1965.
[13] 武超, 周顺江, 王华利, 等. 生物炭和锌对土壤镉赋存形态及小麦镉积累的影响[J]. 环境科学研究, 2022, 35(1): 202-210.
Wu C, Zhou S J, Wang L H, et al. Effects of biochar and zinc on soil cadmium fractions and wheat accumulation[J]. Research of Environmental Sciences, 2022, 35(1): 202-210.
[14] 牛硕, 王天齐, 杨阳, 等. 田间施用锌肥对小麦籽粒镉累积的影响及施用风险[J]. 环境科学, 2023, 44(2): 984-990.
Niu S, Wang T Q, Yang Y, et al. Effect of zinc fertilizer application on cadmium accumulation in wheat grain and its application risk[J]. Environmental Science, 2023, 44(2): 984-990.
[15] 韩潇潇, 任兴华, 王培培, 等. 叶面喷施锌离子对水稻各器官镉积累特性的影响[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(8): 1809-1817.
Han X X, Ren X H, Wang P P, et al. Effects of foliar application with zinc on the characteristics of cadmium accumulation in organs of rice plants[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2019, 38(8): 1809-1817.
[16] 吕光辉, 许超, 王辉, 等. 叶面喷施不同浓度锌对水稻锌镉积累的影响[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(7): 1521-1528.
Lv G H, Xu C, Wang H, et al. Effect of foliar spraying zinc on the accumulation of zinc and cadmium in rice[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(7): 1521-1528.
[17] 尹晓辉, 邹慧玲, 方雅瑜, 等. 施锰方式对水稻吸收积累镉的影响研究[J]. 环境科学与技术, 2017, 40(8): 8-12, 42.
Yin X H, Zou H L, Fang Y Y, et al. Effects of manganese fertilizer on absorption and accumulation of Cd in rice[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 40(8): 8-12, 42.
[18] 李根, 李浩, 张成, 等. 叶面喷施锌锰肥对小麦镉积累和转运的影响[J]. 四川农业科技, 2021(1): 51-53.
[19] Wu C, Dun Y, Zhang Z J, et al. Foliar application of selenium and zinc to alleviate wheat (Triticum aestivum L.) cadmium toxicity and uptake from cadmium-contaminated soil[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020, 190. DOI:10.1016/j.ecoenv.2019.110091
[20] Ali S, Mfarrej M F B, Hussain A, et al. Zinc fortification and alleviation of cadmium stress by application of lysine chelated zinc on different varieties of wheat and rice in cadmium stressed soil[J]. Chemosphere, 2022, 295. DOI:10.1016/j.chemosphere.2022.133829
[21] 周相玉, 冯文强, 秦鱼生, 等. 镁、锰、活性炭和石灰及其交互作用对小麦镉吸收的影响[J]. 生态学报, 2013, 33(14): 4289-4296.
Zhou X Y, Feng W Q, Qin Y S, et al. Effects of magnesium, manganese, activated carbon and lime and their interactions on cadmium uptake by wheat[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(14): 4289-4296.
[22] 陶雪莹, 徐应明, 王林, 等. 喷施硫酸锰和硫酸锌对小麦籽粒镉锰锌生物可给性的影响[J]. 农业环境科学学报, 2020, 39(10): 2181-2189.
Tao X Y, Xu Y M, Wang L, et al. Effects of foliar application of manganese sulfate and zinc sulfate on bioaccessibility of cadmium, manganese, and zinc in wheat grains[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2020, 39(10): 2181-2189.
[23] 孙洪欣, 杨阳, 王倩倩, 等. 府河流域污灌状况及农户对污灌与人体健康关系的认知调查分析[J]. 中国农学通报, 2015, 31(2): 197-200.
Sun H X, Yang Y, Wang Q Q, et al. An investigation of the situation of sewage irrigation and local farmers concern the relationship between sewage irrigation and human health along the Fu River[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(2): 197-200.
[24] Xue Y F, Eagling T, He J B, et al. Effects of nitrogen on the distribution and chemical speciation of iron and zinc in pearling fractions of wheat grain[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2014, 62(20): 4738-4746. DOI:10.1021/jf500273x
[25] 张雅荟, 王常荣, 刘月敏, 等. 叶施L-半胱氨酸对水稻镉和矿质元素含量的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(8): 4045-4052.
Zhang Y H, Wang C R, Liu Y M, et al. Foliar application of L-cysteine: effects on the concentration of Cd and mineral elements in rice[J]. Environmental Science, 2021, 42(8): 4045-4052.
[26] Lian J P, Cheng L P, Zhai X, et al. Zinc glycerolate (Glyzinc): A novel foliar fertilizer for zinc biofortification and cadmium reduction in wheat (Triticum aestivum L.)[J]. Food Chemistry, 2023, 402. DOI:10.1016/j.foodchem.2022.134290
[27] Qin G W, Niu Z D, YU J D, et al. Soil heavy metal pollution and food safety in China: effects, sources and removing technology[J]. Chemosphere, 2021, 267. DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.129205
[28] Chen R, Zhang C B, Zhao Y L, et al. Foliar application with Nano-silicon reduced cadmium accumulation in grains by inhibiting cadmium translocation in rice plants[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(3): 2361-2368. DOI:10.1007/s11356-017-0681-z
[29] 徐莜, 杨益新, 李文华, 等. 锰离子浓度及其转运通道对水稻幼苗镉吸收转运特性的影响[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(8): 1429-1435.
Xu Y, Yang Y X, Li W H, et al. Effects of manganese concentrations and transporters on uptake and translocation of cadmium in rice seedlings[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(8): 1429-1435.
[30] 张烁, 陆仲烟, 唐琦, 等. 水稻叶面调理剂的降Cd效果及其对营养元素转运的影响[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(11): 2507-2513.
Zhang S, Lu Z Y, Tang Q, et al. Effects of foliar modulators on cadmium accumulation and transport of nutrient elements in rice[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(11): 2507-2513.
[31] 王林, 谷朋磊, 李然, 等. 喷施锌肥对油菜镉锌生物可给性的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(6): 2944-2952.
Wang L, Gu P L, Li R, et al. Effect of foliar zinc application on bioaccessibility of cadmium and zinc in pakchoi[J]. Environmental Science, 2018, 39(6): 2944-2952.
[32] Saifullah, Javed H, Naeem A, et al. Timing of foliar Zn application plays a vital role in minimizing Cd accumulation in wheat[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(16): 16432-16439. DOI:10.1007/s11356-016-6822-y
[33] Lv G H, Wang H, Xu C, et al. Effectiveness of simultaneous foliar application of Zn and Mn or P to reduce Cd concentration in rice grains: a field study[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2019, 26(9): 9305-9313. DOI:10.1007/s11356-019-04412-x
[34] Hussain S, Khan A M, Rengel Z. Zinc-biofortified wheat accumulates more cadmium in grains than standard wheat when grown on cadmium-contaminated soil regardless of soil and foliar zinc application[J]. Science of the Total Environment, 2019, 654: 402-408. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.11.097
[35] Zhou Z, Zhang B, Liu H T, et al. Zinc effects on cadmium toxicity in two wheat varieties (Triticum aestivum L.) differing in grain cadmium accumulation[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, 183. DOI:10.1016/j.ecoenv.2019.109562
[36] 易柏竹, 贾瑞, 王宁, 等. 生理阻隔剂对苗期小麦生长和镉、砷及微量元素含量的影响[J]. 河南农业科学, 2020, 49(1): 24-30.
Yi B Z, Jia R, Wang N, et al. Effects of physiological barrier on growth and Cd, As and micronutrient accumulation of wheat at seedling stage[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2020, 49(1): 24-30.
[37] 路喆, 黄鹏, 王玉忠. 喷施锌、硼、锰肥对兰州百合干物质积累分配、产量和氮磷吸收的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2011(1): 39-43.
Lu J, Huang P, Wang Y Z. Effects of spraying boron, zinc, manganese fertilizer on accumulation and distribution of dry matter, yield and N P asorption of Lilium davidii var. unicolor[J]. Soils and Fertilizers Sciences in China, 2011(1): 39-43.
[38] 化党领, 杨秋云, 刘世亮, 等. 锰与硼喷施对紫花苜蓿产量和矿质元素含量的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2009(5): 57-60.
Hua D L, Yang Q Y, Liu S L, et al. Effect of manganese (Mn) and boron (B) on herbage yield and mineral elements content of alfalfa[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2009(5): 57-60.
[39] 周爽, 彭亮, 雷鸣, 等. 纳米级二氧化锰材料阻控土壤砷向水稻迁移的研究[J]. 环境科学学报, 2015, 35(3): 855-861.
Zhou S, Peng L, Lei M, et al. Control of As soil-to-rice transfer (Oryza sativa L.) with Nano-manganese dioxide[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(3): 855-861.
[40] Ma C, Liu F Y, Hu B, et al. Direct evidence of lead contamination in wheat tissues from atmospheric deposition based on atmospheric deposition exposure contrast tests[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, 185. DOI:10.1016/j.ecoenv.2019.109688
[41] Zhang X Y, Geng L P, Gao P P, et al. Bioimaging of Pb by LA-ICP-MS and Pb isotopic compositions reveal distributions and origins of Pb in wheat grain[J]. Science of the Total Environment, 2022, 802. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.149729
[42] Giordano D, Blandino M. lead and cadmium distribution in the pearled fractions of different winter wheat cultivars (Triticum aestivum L.)[J]. Journal of Cereal Science, 2018, 80: 94-101. DOI:10.1016/j.jcs.2018.02.002
[43] Van Malderen S J M, Laforce, Van Acker T, et al. Imaging the 3D trace metal and metalloid distribution in mature wheat and rye grains via laser ablation-ICP-mass spectrometry and micro-X-ray fluorescence spectrometry[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2017, 32(2): 289-298. DOI:10.1039/C6JA00357E
[44] Yan B F, Isaure M P, Mounicou S, et al. Cadmium distribution in mature durum wheat grains using dissection, laser ablation-ICP-MS and synchrotron techniques[J]. Environmental Pollution, 2020, 260. DOI:10.1016/j.envpol.2020.113987
[45] Gu Y, Wang P, Zhang S, et al. Chemical speciation and distribution of cadmium in rice grain and implications for bioavailability to humans[J]. Environmental Science & Technology, 2020, 54(19): 12072-12080.