于沖沖，高 巍，葉優(yōu)良，馮文靜，劉紅恩，聶兆君，秦世玉，李 暢，趙 鵬

(河南農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院/河南省土壤污染防控與修復重點實驗室，鄭州 450002)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為‘百農207’。試驗于2018年9月至2019年6月在河南農業(yè)大學科教園區(qū)(34°46′N,113°40′E)進行，供試土壤利用多點取樣法取自河南農業(yè)大學許昌校區(qū)試驗場 (34°01′N,113°49′E)的耕層土壤(0～20 cm)，土壤為壤質潮土，其營養(yǎng)成分為：pH 7.92，有機質11.1 g·kg-1，速效磷10.21 mg·kg-1,速效鉀 140.1 mg·kg-1,堿解氮70.4 mg·kg-1，全鎘0.06 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

表1 基肥的組成Table 1 Composition of base fertilizer

1.3 測定項目及方法

產量及產量構成要素：記錄每盆小麥的所有麥穗數(shù)量，為每盆穗數(shù)；從每盆小麥中隨機選取10個麥穗，記錄每個麥穗上的籽粒數(shù)，最后取平均數(shù)，記錄為每盆穗粒數(shù)；小麥烘干脫粒后，從所有籽粒中隨機數(shù)取1 000粒，稱量記錄，為每盆千粒質量；小麥烘干脫粒后，稱取每盆所有籽粒質量，為每盆產量。

鎘含量和氮含量：參照Zhao等[16]的方法。稱取待測樣品0.50 g于三角瓶中，加HNO3-HClO4混合酸(體積比為4∶1)10 mL，靜置過夜之后置于電熱板上至完全消化，用離子水定容到25 mL容量瓶中，過濾后用火焰原子吸收分光光度計(ZEEnit 700；Analytik Jena AG，德國)測定鎘濃度。稱取待測樣品0.20 g于消化管中，以濃H2SO4-H2O2完全消化[17]，設置3個空白對照。用凱式定氮儀測定氮濃度。

Cd分配比例=每盆各部位Cd累積量/每盆Cd總累積量×100%

根鎘外排率=根鎘外排量/灌漿期根鎘積累量×100%

根鎘轉移率=成熟期植株根鎘轉移量/灌漿期根鎘積累量×100%

根鎘固定率=1-(根鎘轉移率+根鎘外排率)

根再分配對籽粒貢獻率=(開花到成熟期根鎘積累減少量-根鎘外排率)/(葉片+穎殼+籽粒鎘變化量)

莖稈轉移率=成熟期植株莖稈鎘轉移量/灌漿期莖稈鎘積累量×100%

莖稈固定率=1-莖稈轉移率

莖稈再分配對籽粒貢獻率=開花到成熟期莖稈鎘積累減少量/(葉片+穎殼+籽粒鎘變化量)

根吸收對籽粒貢獻率=1-(根再分配對籽粒貢獻率+莖稈再分配對籽粒貢獻率)

SPAD值：采用SPAD-502葉綠素計測定。在開花期和灌漿期，選擇晴天10:00測定，每盆隨機測定3株旗葉，每個葉片測定葉位為葉長1/2及其上下2 cm 3個位置，取平均值為該盆栽旗葉的SPAD值。

根系形態(tài)的分析：拔節(jié)期收獲植株后，將根系和地上部分分開，根系用EPSON全自動掃描儀掃描記錄小麥的根系形態(tài)并獲取根系圖像，然后采用WinRHIZO 2009根系掃描分析系統(tǒng)分析得出小麥幼苗的總根長、根總表面積、根體積、平均直徑和根尖數(shù)。

根際pH：通過抖根法采集根際土壤樣品。稱取10.00 g過1 mm篩孔風干土樣置于50 mL燒杯中，加無二氧化碳水25 mL用玻璃棒混勻攪拌1 min，使土體充分散開，震蕩0.5 h，靜置30 min后，用pH計測定上清液pH[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，利用DPS 7.05進行方差分析(ANOVA)，數(shù)據(jù)均為3次重復的平均值，圖表制作采用Microsoft Excel 2010和Origin 9.0。

2 結果與分析

2.1 氮肥形態(tài)對小麥產量及產量構成要素的影響

如表2所示，鎘脅迫下氮肥形態(tài)對小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)無顯著性影響；但硝態(tài)氮處理的千粒質量和產量約為其他兩種氮肥處理的1.2倍。相關性分析結果表明，產量與千粒質量之間達到顯著性相關(r=1.00，P<0.01)。表明鎘脅迫下，硝態(tài)氮處理通過增加千粒質量來提高小麥產量。

表2 不同氮肥形態(tài)小麥產量及產量構成要素Table 2 Wheat yield and yield components under different nitrogen fertilizer forms

2.2 氮肥形態(tài)對小麥鎘含量的影響

如圖1所示，在成熟期，銨態(tài)氮處理的籽粒鎘含量較硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理提高約38.5%，表明銨態(tài)氮處理促進小麥籽粒鎘含量增加。從地上部來看，拔節(jié)期到開花期硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理地上部鎘含量顯著降低約54%；拔節(jié)期到灌漿期，銨態(tài)氮處理地上部鎘含量持續(xù)降低約為66%，之后呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。從根部來看，硝態(tài)氮處理的根部鎘含量隨生育時期延長呈先升高后降低的趨勢，在開花期達到最大值(28 μg·g-1)；銨態(tài)氮處理的根鎘含量從拔節(jié)期的60 μg·g-1降低到成熟期的25 μg·g-1，呈持續(xù)降低的趨勢；酰胺態(tài)氮處理的根系鎘含量從開花期到灌漿期維持在約35 μg·g-1，在灌漿期到成熟期出現(xiàn)下降趨勢。在整個生育期，銨態(tài)氮處理下的小麥各部位鎘含量均顯著高于其他處理。數(shù)據(jù)經過二級處理后，整株鎘含量大小為：銨態(tài)氮>酰胺態(tài)氮≈硝態(tài)氮，開花前鎘吸收表現(xiàn)為：銨態(tài)氮>酰胺態(tài)氮≈硝態(tài)氮。結果表明，鎘脅迫下隨著小麥生育進程的推進，氮肥形態(tài)影響小麥體內鎘含量的變化趨勢，與硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理相比，銨態(tài)氮處理促進小麥各部位鎘含量的增加，開花期之前，銨態(tài)氮處理的鎘吸收量顯著大于其他兩個處理，這可能是導致銨態(tài)氮處理小麥各部位鎘含量增加的原因。

圖中不同字母表示同一鎘處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 氮肥形態(tài)對小麥氮含量的影響

如圖2所示，拔節(jié)期硝態(tài)氮處理地上部氮含量顯著高于其他處理，成熟期籽粒氮含量較銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理高約19.5%，根氮含量高約 22.5%。從拔節(jié)期到灌漿期，3種氮肥形態(tài)地上部氮含量均發(fā)生顯著降低，約為62.0%；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮處理的根系氮含量在拔節(jié)期到灌漿期也有相同趨勢，而酰胺態(tài)氮處理，根系氮含量在拔節(jié)-灌漿期維持穩(wěn)定約為1.0 μg·kg-1，在灌漿-成熟期下降至0.6 μg·kg-1。相關性分析結果表明，成熟期籽粒氮含量與鎘含量之間達到顯著性負相關(r= -0.98，P<0.01)。結果表明，硝態(tài)氮處理籽粒氮含量較高可能是抑制鎘含量增加的原因；除酰胺態(tài)氮處理將根系氮含量下降趨勢移至灌漿期外，從拔節(jié)期開始，其他處理小麥地上部和根部氮含量均出現(xiàn)下降趨勢。

圖2 不同氮肥形態(tài)不同生育時期小麥各部位氮含量Fig.2 Nitrogen content of wheat at different growth stages under different nitrogen fertilizer forms

2.4 氮肥形態(tài)對各生育時期小麥鎘累積及分配比例的影響

表3可以看出，整株鎘積累隨著生育時期呈現(xiàn)先升后降趨勢，在開花或灌漿期，達到最大值。表明在灌漿期前小麥基本完成了鎘的吸收，籽粒中的鎘主要來源于植株體內鎘的再轉移，且花后鎘可能發(fā)生顯著外排。整個生育期，銨態(tài)氮處理條件下的小麥整株鎘積累顯著高于其他處理，表明銨態(tài)氮處理促進小麥整株的鎘積累。

表3 不同氮肥形態(tài)各生育時期小麥鎘積累及分配比例Table 3 Accumulation and distribution ratio of Cd in wheat at different growth stages under different nitrogen fertilizer forms

從拔節(jié)期到灌漿期，硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理下，鎘在地上和根系的分配比例為1∶0.85到 1∶1.5，成熟期分配比例為1∶0.25；銨態(tài)氮處理，鎘在地上部和根系的分配比例始終在1∶1.1到1∶1.5。從灌漿期到成熟期，根和莖桿的鎘積累下降；籽粒、穎殼、葉片鎘積累量增加。表明莖桿和根系是鎘儲存的重要器官，且灌漿期到成熟期根系和莖稈中的鎘存在向籽粒和葉片的轉移。

2.5 氮肥形態(tài)對小麥干物質積累速率、鎘吸收速率的影響

如圖3所示，隨著生育期的推進，生物量增加速率呈先升后降趨勢，在拔節(jié)-開花期，達到最大值。硝態(tài)氮與酰胺態(tài)氮處理下的生物量增加速率基本一致，而銨態(tài)氮處理延緩生物量積累速率的降低。鎘吸收速率呈先升后降趨勢，鎘的吸收在開花-灌漿期基本結束，出苗-拔節(jié)是小麥吸收鎘的主要且快速階段，表現(xiàn)為銨態(tài)氮>酰胺態(tài) 氮>硝態(tài)氮?？梢?，氮肥形態(tài)影響小麥干物質積累及鎘吸收速率，硝態(tài)氮處理降低了鎘吸收速率。

圖3 不同氮肥形態(tài)小麥干物質積累速率及鎘吸收速率Fig.3 Accumulation rates of dry matter and Cd under different nitrogen fertilizer forms

2.6 氮肥形態(tài)對小麥籽粒干物質和氮、鎘積累的影響

小麥籽粒干物質和氮、鎘積累主要來源于花前營養(yǎng)器官儲存的再轉移和花后的吸收或同化。由表3可以看出，灌漿-成熟期，小麥已經停止對鎘的吸收。由表4可以看出，籽粒中的鎘主要來源于花前的莖稈，占66%～78%；少部分來源于根系，占22%～34%。表明相較于根系，莖稈的花前儲存對籽粒貢獻率更高。根系儲存鎘主要存在3個去向，分別是固定、轉移和外排；莖稈儲存鎘主要存在2個去向，分別是固定和轉移；3種氮肥處理的小麥根系和莖稈的鎘轉移率無顯著差異，表明氮肥形態(tài)并未影響莖稈和根系鎘在花后的轉移能力。硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮增加了灌漿期鎘的外排比例，而銨態(tài)氮有利于鎘在根系中固定。由此可見，氮肥形態(tài)影響了營養(yǎng)器官鎘再轉移對籽粒的貢獻率，是通過影響莖稈和根系鎘在花前的積累量造成的；并且在灌漿期硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮促進了小麥鎘的外排，銨態(tài)氮有利于鎘在根系中固定。

表4 不同氮肥形態(tài)小麥籽粒干物質和氮、鎘積累構成Table 4 Dry matter and nitrogen and Cd accumulation in wheat grain under different nitrogen fertilizer forms

2.7 氮肥形態(tài)對小麥旗葉SPAD、根系形態(tài)和根際pH的影響

由表5可以看出，硝態(tài)氮處理下開花期和灌漿期SPAD值分別是銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮處理均值的1.2倍和1.4倍。相關性分析結果表明，千粒質量與開花期SPAD值(r=0.99，P<0.05)和成熟期SPAD值(r=0.98，P<0.05)均呈顯著性相關。表明鎘脅迫下硝態(tài)氮處理有助于小麥旗葉葉綠素相對含量增加，促進小麥產量的提高。從拔節(jié)期到成熟期，銨態(tài)氮處理條件下的pH顯著低于其他兩個處理，約為3%。相關性分析表明，根際pH與整株鎘累積存在顯著性負相關。表明銨態(tài)氮處理由于降低根際pH，增強根系富集鎘的能力。氮肥形態(tài)可顯著影響拔節(jié)期小麥根系的總根長和總根尖數(shù)。與銨態(tài)氮和尿素相比，硝態(tài)氮可促進根系的伸長，其增幅分別為21.4%和 25.0%。與酰胺態(tài)氮相比，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮顯著增加了根尖數(shù)，其增幅分別為22.5%和27.7%。相關性分析表明，根長僅與整株氮累積存在顯著正相關，與鎘累積不存在顯著性關系。表明硝態(tài)氮處理通過促進根系增長，促進了氮素的吸收 積累。

表5 不同氮肥形態(tài)小麥旗葉葉綠素相對含量(SPAD)、根際pH和根系參數(shù)Table 5 Relative content of flag leaf chlorophyll (SPAD),rhizosphere pH and root parameters of wheat under different nitrogen forms

3 討 論

3.1 氮肥形態(tài)對小麥鎘吸收轉運的影響

不同形態(tài)氮肥的施用對植物(包括作物和非作物)中鎘積累有一定的影響。有研究表明銨態(tài)氮的添加增加了水稻、向日葵、紅心蓮和龍葵[9]中鎘的積累；Wang等[18]研究指出，通過施用硝態(tài)氮可以促進水稻根系伸長吸收氮素；喬云發(fā)等[19]發(fā)現(xiàn)，添加硝態(tài)氮的處理可能增加水稻根系干物質積累促進根系生長，Mao等[9]發(fā)現(xiàn)在萵苣中硝態(tài)氮可以抑制鎘吸收。目前關于小麥植株鎘積累動態(tài)研究較少，筆者認為關于氮肥形態(tài)對鎘吸收和積累影響，需要考慮到土壤重金屬污染程度和種類、鎘的遷移能力以及植物生長發(fā)育階段等因素。本試驗結果表明，銨態(tài)氮處理促進小麥各部位鎘含量的增加，硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理抑制小麥各部位鎘含量的增加。隨生育進程小麥整株鎘積累呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在開花期到灌漿期達到最大值。在出苗至拔節(jié)期，3種形態(tài)氮肥處理的小麥整株鎘積累量和鎘吸收速率表現(xiàn)為銨態(tài) 氮>酰胺態(tài)氮>硝態(tài)氮。同氮素一樣，小麥籽粒的鎘也主要來源于花前的鎘吸收以及花后營養(yǎng)器官的鎘轉移。

植物體通過自身組織老化的方式將鎘排出，并通過根際分泌物調節(jié)根際pH，絡合或沉淀外排鎘。除此以外，植物根系吸收的大部分鎘會通過液泡區(qū)室化積累在根部或直接通過根表皮細胞上的轉運蛋白排除根外[20]。有研究表明，鎘脅迫下，NaSH可以降低平邑甜茶根系對鎘的吸收、促進鎘的外排，減少根系鎘積累；鹽脅迫也會誘導平邑甜茶根提高對鈉離子的吸收和鉀離子的外排[21]。本試驗結果表明，在籽粒灌漿的主要時期，根系的鎘吸收已經結束，且出現(xiàn)了顯著的鎘外排；貢獻率分析結果表明，小麥籽粒鎘主要來源于花前根系和莖稈鎘儲存的再轉移，莖稈貢獻率高達66%～78%。氮肥形態(tài)顯著影響了根系鎘在固定和外排之間的分配，表現(xiàn)為硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮處理更加有利于灌漿期鎘的外排，而銨態(tài)氮處理更加有利于鎘固定在根中，但氮肥形態(tài)并未影響莖稈和根系鎘的轉移能力。由此可見，氮肥形態(tài)所引起的籽粒鎘含量差異，主要是通過影響鎘的吸收以及干物質積累所造成的。相關性分析表明，成熟期籽粒鎘含量與開花期、灌漿期和成熟期的整株鎘積累均呈顯著性正相關，且與灌漿期整株鎘積累量達到極顯著相關，對各時期各部位的小麥生物量、鎘含量、鎘積累量、氮含量以及氮積累量之間進行相關分析，僅鎘含量和鎘積累量之間(r=0.81**)以及鎘含量和生物量之間(r= -0.43**)存在顯著性相關，進一步證明了氮肥形態(tài)通過影響小麥生長狀況以及鎘的吸收積累，影響了小麥籽粒鎘含量。

3.2 氮肥形態(tài)對小麥干物質累積和氮、鎘吸收累積的影響

硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮是作物可以吸收利用的無機氮素形態(tài)。由于植物對其吸收、貯存、運輸和同化的過程不同，因此植物的生長發(fā)育和營養(yǎng)吸收會因氮素形態(tài)不同而不同。酰胺態(tài)氮處理的小麥產量、籽粒氮含量和整株氮素累積要高于其他處理。籽粒中的氮素，主要來自生育后期莖稈、葉片等營養(yǎng)器官中氮素的重新分配[22]，而生育后期根部吸收的氮素并不多，因此花前氮素累積量直接影響花后氮素的再分配，一般認為花前氮累積量越高，花后再分配氮所占比例也越高[23]。本試驗在鎘脅迫條件下，籽粒千粒質量、產量與各個時期的整株氮素累積均呈現(xiàn)顯著正相關，氮肥形態(tài)未影響營養(yǎng)器官儲存物質在花后的再轉移能力，籽粒氮鎘含量的差異是由莖稈和根系在花前的物質積累以及籽粒產量差異共同 造成。

3.3 氮肥形態(tài)對小麥光合能力和根際pH的 影響

氮在植物抵御逆境的防御功能中發(fā)揮著重要作用[10]，有助于植物的生長和鎘的植物修復[21-25]。不同形態(tài)氮肥可能會影響植株的形態(tài)、生理生化特性，進而影響到根系對營養(yǎng)元素或有毒重金屬的吸收。

葉片SPAD值與葉綠素含量、作物產量具有較好相關性，葉片中葉綠素的含量是反映作物營養(yǎng)和生長狀況的重要指標[18-19]。本試驗條件下，開花期和灌漿期的SPAD值與千粒質量(r= 0.99**)、產量(r=0.99**)、總根長(r= 0.98**)呈顯著性正相關，均為硝態(tài)氮處理最高，表明與其他處理相比，硝態(tài)氮處理通過顯著促進SPAD值和總根長增加，從而增加小麥產量；SPAD值與整株鎘積累呈顯著負相關(r= -0.99**)，硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮整株鎘積累顯著小于銨態(tài)氮表明硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮通過促進SPAD值增加，抑制整株鎘積累。

4 結 論

硝態(tài)氮處理籽粒產量最高，鎘含量最低，推薦在鎘脅迫土壤中施用硝態(tài)氮肥。氮肥形態(tài)所導致的籽粒鎘含量差異是由莖稈和根系在花前的鎘積累以及籽粒產量差異共同引起。硝態(tài)氮肥處理通過促進小麥根系伸長和旗葉葉綠素相對含量增加，提高了千粒質量和產量；銨態(tài)氮肥處理由于降低根系pH，導致植株鎘積累量以及籽粒鎘含量顯著高于其他氮肥處理。