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  土壤  2024, Vol. 56 Issue (5): 1042-1050  DOI: 10.13758/j.cnki.tr.2024.05.015
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引用本文  

吴洪生, 陈小青, 马文舟, 王晓云, 周国华, 丁军, 程诚, 李妍慧, 迟金和, 石陶然, 段亚军, 邸明春, 李贞伟, 石佑华. 水分胁迫下施用磷石膏改良滨海盐碱土对小麦生长影响与环境风险评估初探. 土壤, 2024, 56(5): 1042-1050.
WU Hongsheng, CHEN Xiaoqing, MA Wenzhou, WANG Xiaoyun, ZHOU Guohua, DING Jun, CHENG Cheng, LI Yanhui, CHI Jinhe, SHI Taoran, DUAN Yajun, DI Mingchun, LI Zhenwei, SHI Youhua. Primary Study of Effects of Phosphogypsum on Growth of Winter Wheat and Environmental Risk Assessment in Costal Saline-sodic Soil Under Different Soil Moistures. Soils, 2024, 56(5): 1042-1050.

基金项目

国家自然科学基金面上项目(42177020)资助

作者简介

吴洪生(1964—),男,江苏泰州人,博士,教授,主要研究方向为土壤污染生态修复与改良、土壤微生物生态。E-mail:wuhsluck@163.com
水分胁迫下施用磷石膏改良滨海盐碱土对小麦生长影响与环境风险评估初探
吴洪生1 , 陈小青1 , 马文舟2 , 王晓云3 , 周国华2 , 丁军1 , 程诚1 , 李妍慧1 , 迟金和4 , 石陶然1 , 段亚军1 , 邸明春5 , 李贞伟1 , 石佑华6     
1. 南京信息工程大学农业资源与环境系, 南京 210044;
2. 盱眙县耕地质量保护站, 江苏盱眙 211700;
3. 兴化市耕地质量保护站, 江苏兴化 225700;
4. 滨海县农业干部学校, 江苏滨海 224500;
5. 南京怡可帮生态环境科技有限公司, 南京 210042;
6. 如东县耕地质量保护站, 江苏如东 226404
摘要:在前期磷石膏改良效果试验的基础上,通过室内盆栽试验,采用滨海盐土种植小麦,磷石膏施用量45 000 kg/hm2,进行不同土壤持水量下水分与磷石膏的交互作用对小麦生长影响及环境风险试验,分别设置土壤饱和持水量的90%、80%、70%、60%、50%、40%、30% 共7个处理。结果表明,含水量为土壤田间持水量的30% 处理比持水量80% 处理的小麦株高减少32.06%,总鲜生物量减少44.17%,根生物量增加106.06%,根冠比提高,小麦叶片抗氧化酶活性提高,丙二醛含量增加98.37%;土壤Cd增加3.2%,Pb增加7.2%,Cu增加50.9%,水溶性F增加150%;小麦叶片Cd增加50%,Pb增加33.3%,F增加275%。虽然尚未达到土壤和地下水重金属污染环境质量标准,但是如果长期连续高量施用磷石膏,会导致土壤和地下水相应有害物质积累;小麦叶片中的重金属在灌浆时会逐渐向籽粒转移积累,有一定风险。水分胁迫影响小麦生长发育,导致土壤及小麦叶片中Cd和水溶性F含量提高,会带来小麦籽粒残留Cd和F增加的风险。在气象干旱及盐碱地盐胁迫引起的生理干旱条件下施用磷石膏改良盐碱土可能会引起土壤及地下水环境风险和农产品安全风险,需要加强专项研究和应用监测。
关键词滨海盐碱土    磷石膏    水分胁迫    小麦    抗性酶    风险评估    

盐渍化农田土壤具有盐碱程度高、养分含量低、土壤板结等原生和次生障碍,影响作物的水气热供给条件、土壤养分的有效性、土壤的耕作性能,从而影响作物生长[1-2]。我国盐碱地面积约为9.913×107 hm2 (约占国土面积的1.03%),是重要的后备土地资源[3]

土壤盐碱化和次生盐碱化问题在世界范围内广泛存在,特别是干旱、半干旱地区,问题更为严重。我国盐碱地面广量大,西北、华北、东北西部和滨海地区都有分布,类型多样,改造治理及合理开发利用这些资源,是我国农业可持续发展的重要途径之一,对改善生态环境,推动区域经济、社会和生态可持续发展具有特别重要意义[4]

磷肥工业的副产品磷石膏含有大量的Ca、P元素,同时呈酸性,可以用于改良盐碱土,能降低滨海盐土Na+、HCO3、pH等,促进小麦生长,增加小麦和玉米千粒重和产量[5-7],已被少量应用于盐碱土的改良。但是磷石膏同时还含有很多有害物质,在用于盐碱土改良时,也随着磷石膏进入盐碱土,可能会带来生态环境风险。比如放射性元素U、Cd、Pb、Cu等,可能会影响土壤肥力和旱地微生物转化[8],影响老成土中氧化铁的形态和转化[9],磷石膏中有害重金属Cd、Pb可能带来环境风险。

本课题组早期的室内盆栽和田间试验表明,滨海盐土施用适量的磷石膏可以改良盐土理化性状,促进小麦和玉米的生长[6-7]。磷石膏作为一种磷肥工业的副产物,应用成本低,能很好地改良盐碱土,但应充分考虑潜在的环境风险。由于盐碱地土壤含盐量较高,导致土壤渗透压大,阻碍植物根系吸收土壤水分。即使东部沿海地区降水充足,土壤地下水丰富,但是由于滨海盐土土壤渗透压大于植物根系,使得生长在盐土上的植物很难吸收利用水分,造成植物生理性干旱。而盐碱土在施用磷石膏后,不同水分条件对植物生长和环境的影响尚不明确。本文在前期室内盆栽试验和野外田间小区试验研究磷石膏改良效果的基础上,探讨盐碱土施用磷石膏后水分条件对小麦生长的影响,同时考察施用磷石膏工业固废可能带来的重金属污染等潜在环境风险,为开发利用磷石膏改良盐碱土提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验土壤基本理化性状

试验盐碱土取自江苏省如东县海边滩涂表层0 ~ 30 cm土壤,风干后粉碎,过5 mm筛。土壤含盐量3.1 g/kg,pH 8.78,有机质2.26 g/kg,全氮117.4 mg/kg,速效氮15.6 mg/kg,有效磷18.7 mg/kg,速效钾29.8 mg/kg;土壤Cd 0.16 mg/kg,Pb 48.5 mg/kg,Cu 52.4 mg/kg,Zn 3.8 mg/kg, ,总F 246.5 mg/kg,水溶性F 1.2 mg/kg;土壤饱和持水量38.5%。

1.2 试验材料

田间试验所用磷石膏废弃物由中石化集团南化公司磷肥厂提供,磷石膏的化学性状为pH 2.15,CaO 296.8 g/kg,MgO 3.7 g/kg,Fe2O3 0.38 g/kg,SO3 415.9 g/kg,SiO2 60.6 g/kg,P2O5 28.5 g/kg,F 7.4 g/kg,Al2O3 1.7 g/kg,Cd 0.016 g/kg,Pb 0.18 g/kg,Cu 1.5 g/kg,Zn 0.24 g/kg。根据相关标准HG/T 4219—2011《磷石膏土壤调理剂》[10]、NY/T 3034—2016《土壤调理剂通用要求》[11]和GB 15618—2018《土壤环境治理-农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[12],磷石膏作为农田土壤调理剂施用,其有害元素含量应控制在As≤40 mg/kg,Cd≤8 mg/kg,Cr≤150 mg/kg,Pb≤200 mg/kg,Hg≤4 mg/kg,水溶性F≤0.2%。本试验中磷石膏中残留的有害元素Cd超出标准2倍,水溶性F超出标准3.7倍。

供试小麦品种为宁麦13号。

1.3 试验设计

根据前期试验结果,采用改良效果最好的磷石膏用量进行本次室内盆栽试验,试验设7个处理(土壤含水量分别为饱和持水量的90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%),3次重复,采用单因子完全随机设计,盆钵规格为64 cm × 42 cm × 43 cm,每盆装入2.5 kg的滨海盐碱土,磷石膏和复合肥(N∶P2O5∶K2O为12∶8∶10)在种植小麦前一次性全部施入,与土壤拌匀,复合肥用量为900 kg/hm2,磷石膏用量为45 000 kg/hm2(合50 g/pot)。试验前将小麦种子放在培养箱里催芽,待其长到1 ~ 2 cm,选取长势基本一致的小麦幼苗移栽到花盆中,每盆移栽30株,栽种成活开始正常生长后控制土壤水分。试验开始于2月9日,结束于4月15日,在南京信息工程大学农业资源与环境实验室的玻璃房内进行。每隔两天定量浇水一次,土壤含水量通过称重法控制。试验期间白天温度平均23 ℃,夜晚平均16 ℃,空气湿度平均82%,自然光照。

1.4 测定项目和方法

土壤重金属含量采用浓硫酸–硝酸消煮–ICP-AES测定,土壤水溶性F采用0.1 mmol/L中性碳酸氢钠溶液浸提后ICP-AES测定[13]。小麦叶片重金属含量采用浓硫酸–双氧水消煮–ICP-AES测定[14]

小麦株高采用尺子测量地上茎基部到生长点的距离,植株生物量采用天平测定,小麦根冠比采用FGX-A根系分析仪测定。

小麦叶片可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定;可溶性糖(SS)采用蒽酮比色法测定;丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸法测定;过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定,以每一分钟内OD240减少0.01为一个酶活力单位;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚显色法测定,以每一分钟内OD470减少0.01为一个酶活力单位;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)还原法测定,以抑制NBT光化还原50% 所需的酶量为1个酶活力单位[15]

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2003软件计算数据并作图,每个处理的最后数值为3次重复的平均值±标准误(SD)。利用SPSS17.0软件,在95% 概率水平下,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行处理间差异显著性分析,采用最小显著差异法(LSD)进行处理间的多重比较。

2 结果与分析 2.1 水分胁迫下施用磷石膏对小麦生长的影响

图 1是各处理不同水分条件下小麦幼苗生长参数特点的变化。从图 1A可以看出处理2的小麦株高高于其他处理,以处理2为对照,其余处理顺次株高降低幅度分别为19.07%、2.43%、8.5%、14.39%、23.08%、32.06%,从处理2到处理7,随着水分胁迫程度加剧,小麦株高越来越小。处理1的水分处理是土壤饱和持水量的90%,小麦株高与处理2相比下降了19.07%,差异显著(P < 0.05),说明土壤水分过多对植物来说也是逆境生长。由此可见,在采用磷石膏改良盐碱土时,麦田土壤干旱胁迫会抑制小麦生长,胁迫越严重,小麦生长越受阻;同时,当土壤水分超过土壤饱和持水量的80% 时,土壤中空气不足,小麦的生长也会受到抑制。

(处理1 ~ 处理7土壤含水量分别为饱和持水量的90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%;图中小写字母不同表示处理间差异达P < 0.05显著水平;下同) 图 1 不同土壤水分条件下施用磷石膏对小麦生长的影响 Fig. 1 Effects of phosphogypsum on growth traits of winter wheat under different soil moistures

当土壤含水量低于80% 饱和持水量时,随着干旱胁迫的加剧,小麦生物量逐渐减少。其中,处理3 ~ 处理7小麦鲜生物量与处理2相比分别显著下降9.17%、17.50%、27.92%、35.83%、44.17%(图 1B)。处理1的生物量比处理2下降17.92%,差异显著(P < 0.05),说明土壤水分过多也能抑制小麦的生长。

图 1C可以看出,随着灌溉量的降低,小麦根生物量呈上升趋势。与处理1相比,处理3、4、5、6、7根生物量显著增加(P < 0.05),增幅分别为47.02%、62.78%、147.88%、44.75%、106.06%。说明随着水分胁迫程度的加剧,刺激了小麦地下部的生长;但是当土壤含水量降低到一定程度,如降低到饱和持水量的40% 和30% 后,这种对小麦根系生长的刺激作用又迅速减弱,这可能是因为土壤缺水已经严重影响到小麦整体生长和物质的合成。

图 1D可以看到各处理茎杆生物量变化趋势与小麦总生物量变化趋势基本一致,与处理2相比,处理3 ~ 处理7降低幅度分别为12.17%、22.92%、42.38%、41.72%、56.66%。其中,处理5较处理6茎杆生物量增加,但差异不显著。总体而言,随着水分胁迫程度的加剧,小麦的地上生物量逐渐减少;但当土壤水分超过80% 饱和持水量时,也会抑制小麦地上生物量的积累,处理1的茎杆生物量显著低于处理2。

处理2 ~ 处理7与处理1相比,小麦根冠比显著提高(图 1E)。说明在一定程度上,水分胁迫能抑制小麦地上部分的生长、促进地下部分的生长,使光合产物分配到根的比例增加,并通过提高根冠比来适应土壤干旱胁迫。

2.2 水分胁迫下施用磷石膏对小麦渗透调节物质含量的影响 2.2.1 对小麦可溶性糖含量的影响

植物为了适应逆境,比如干旱、低温等,会主动合成积累一些可溶性糖来降低渗透势和冰点,以适应外界环境条件的变化。叶片可溶性糖是研究植物在逆境中积累的最多的渗透调节物质,它能从本质上揭示植物内在的抗旱生理机制[16]

图 2表明,不同土壤水分处理下小麦叶片可溶性糖含量分别为0.062、0.068、0.078、0.109、0.098、0.125、0.197 g/g,处理2 ~ 处理7的可溶性糖含量与处理1相比都不同程度增加,增加幅度分别为10.03%、25.54%、76.94%、58.49%、102.04%、218.72%,其中处理1、2、3之间的差异不显著,处理4、5、6、7与处理1之间差异显著(P < 0.05),特别是处理7,可溶性糖含量比处理1增加了2倍多。总体来说,随着水分胁迫的加剧,可溶性糖含量呈上升的趋势,小麦叶片可溶性糖含量增高能增强渗透调节能力,从而提高抗旱性。

图 2 不同土壤水分条件下施用磷石膏对小麦叶片可溶性糖含量的影响 Fig. 2 Effects of phosphogypsum on soluble sugar contents in winter wheat leaves under different soil moistures
2.2.2 对小麦可溶性蛋白质含量的影响

可溶性蛋白质是植物体内一种重要的渗透调节物质,它具有亲水胶体的性质,植物可以通过主动积累可溶性蛋白来降低渗透势。

图 3表明,土壤不同水分处理能显著影响小麦叶片中可溶性蛋白含量。顺次各处理小麦叶片可溶性蛋白的含量分别是3.35、5.34、5.21、7.01、11.20、8.08、12.17 mg/g,其中处理2 ~ 处理7的可溶性蛋白含量分别比处理1显著(P < 0.05)增加59.55%、55.60%、109.14%、234.48%、141.26%、263.30%,处理2和处理3之间差异不显著,其余处理之间大多差异显著。总体而言,随着土壤水分胁迫程度加剧,小麦叶片中可溶性蛋白含量呈上升趋势。说明土壤干旱胁迫程度越高,小麦叶片中可溶性蛋白增加,可能是在逆境条件下,小麦幼苗内正常的蛋白质合成受到抑制,从而启动了一些与适应逆境胁迫有关的基因表达[17]

图 3 不同土壤水分条件下施用磷石膏对小麦叶片可溶性蛋白质含量的影响 Fig. 3 Effects of phosphogypsum on soluble protein contents in winter wheat leaves under different soil moistures
2.3 水分胁迫下施用磷石膏对小麦丙二醛含量的影响

丙二醛是植物细胞膜内不饱和脂肪酸发生过氧化作用的中间产物,其含量的变化能反映在逆境条件下植物细胞膜脂过氧化作用的强弱程度,丙二醛含量越高,说明膜脂过氧化越严重,细胞膜相对透性就越大[18]

图 4表明,处理1、3、4、5、6、7的丙二醛含量都高于处理2,说明处理2小麦叶片的膜脂过氧化伤害最小。处理1的土壤含水量控制在90% 饱和持水量,对于小麦来说,水分过多也是一种逆境生长,该处理的丙二醛含量大于处理2。处理3 ~ 处理7的丙二醛含量与处理2相比,增加的幅度分别为27.08%、16.10%、45.89%、82.86%、98.37%,差异均显著(P < 0.05),且随着干旱胁迫的加剧,丙二醛含量逐渐升高(处理4除外),对小麦叶片细胞膜造成伤害增强。

图 4 不同土壤水分条件下施用磷石膏对小麦叶片丙二醛含量的影响 Fig. 4 Effects of phosphogypsum on malondialdehyde contents in winter wheat leaves under different soil moistures
2.4 水分胁迫下施用磷石膏对小麦抗氧化酶活性的影响 2.4.1 对过氧化物酶(POD)活性的影响

逆境条件下,植物体内线粒体呼吸链和光合作用电子传递链发生故障,高能电子发生泄露,产生过氧化物和超氧化物以及自由基等多种活性氧,同时植物体内的黄素氧化酶类的代谢产物常包含H22,而H22的积累可导致破坏性的氧化作用。过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)是清除H22的重要保护酶,能将H2O2分解为O2和H2O,从而使机体免受H22的毒害作用[19]

图 5A表明,重度干旱胁迫处理7的POD活性显著高于其他处理(P < 0.05)。随着不同处理水分胁迫程度的加剧,POD的活性总体呈上升趋势(处理4除外)。处理2 ~ 处理7的POD活性与处理1相比,增加的幅度分别为8.16%、20.41%、10.20%、22.45%、40.82%、55.10%,可见小麦叶片保护酶POD的活性随着水分胁迫程度的加强而增加,增强POD的活性来抵御干旱对其所造成的伤害是小麦对水分胁迫的适应策略。

图 5 不同土壤水分条件下施用磷石膏对小麦叶片抗氧化酶活性的影响 Fig. 5 Effects of phosphogypsum on antioxidases activities in winter wheat leaves under different soil moistures
2.4.2 对过氧化氢酶(CAT)活性的影响

图 5B表明,各处理的CAT活性分别为23.33、33.33、56.67、36.67、46.67、53.33、63.33 U/(g·min),处理2 ~ 处理7的CAT活性与处理1相比均显著升高(P < 0.05),升高幅度分别为42.86%、142.86%、57.14%、100.00%、128.57%、171.43%。随着土壤含水量的下降,小麦叶片CAT活性总体呈上升趋势(处理3除外)。可见,小麦在干旱胁迫的逆境下,会通过增强CAT的活性来缓解水分胁迫的伤害。

2.4.3 对超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

图 5C所示,土壤不同水分胁迫处理,小麦植株叶片SOD活性显著升高(P < 0.05)。不同处理的小麦叶片SOD活性分别为41.76、60.38、54.49、63.56、85.26、77.45、90.57 U/g,与处理1相比,其余各处理SOD活性升幅分别为44.57%、30.48%、52.19%、104.16%、85.45%、116.86%(P < 0.05)。说明在干旱条件下,小麦叶片的SOD酶活性有大幅度上升,在短时间内会减少干旱逆境对小麦的伤害。

2.5 土壤及小麦叶片中重金属和F含量变化及环境安全风险评价

滨海盐碱土中施用大量磷石膏在改良盐碱土的同时,也带来土壤中重金属含量的变化,导致重金属环境安全和食品安全风险增加。图 6表明,在施用磷石膏改良剂改良滨海盐碱土的情况下,随着含水量的变化,土壤中重金属含量也在变化,处理7与处理2相比,土壤Cd增加3.2%,Pb增加7.2%,Zn变化不大,差异均不显著(P > 0.05);但是Cu增加50.9%,水溶性F增加150%,差异显著(P < 0.05)。说明盐碱土施用磷石膏改良,导致土壤中重金属Cd、Pb、Cu、Zn和非金属F的积累和增加,但是增加幅度不同,主要是Cu和水溶性F显著增加。

(初始值是施用磷石膏前的土壤初始值,下同) 图 6 不同土壤水分条件下施用磷石膏对土壤重金属和F含量的影响 Fig. 6 Effects of phosphogypsum on heavy metals and F contents in soils under different soil moistures

但是小麦叶片中的重金属Cd、Pb、Zn及F含量相互之间差异显著,尤其是土壤水分胁迫严重的处理(图 7)。从图 7可以看出,土壤水分严重胁迫下,施用磷石膏处理的小麦叶片中Cd、Pb、Zn、F含量与水分充足的处理有显著差异(P < 0.05),处理7与处理1相比,小麦叶片Cd含量增加50%,Pb含量增加33.3%,Zn含量增加68.4%,F含量增加275%(P < 0.05),但是叶片Cu变化不大。说明盐碱土施用磷石膏改良后,气象干旱或者生理干旱造成的严重水分胁迫会影响小麦对土壤重金属的吸收、转移和积累,多数情况下,小麦叶片中重金属含量增加。在小麦灌浆期,叶片中的重金属会逐渐向籽粒转移并积累,造成潜在的食品安全问题,影响消费者健康。

图 7 不同水分条件下施用磷石膏对小麦叶片重金属含量的影响 Fig. 7 Effects of phosphogypsum on heavy metals contents in winter wheat leaves under different soil moistures
3 讨论

我国有近15亿亩盐碱地,其中近1.5亿亩具有开发利用潜力,急需改良。磷石膏作为磷肥工业的副产品,可以用于盐碱地的改良[20],具有较好的改良效果[6, 21-22]。但是磷肥生产过程中磷矿石中含有的其他杂质尤其是重金属和F也随之进入磷石膏中,如果用磷石膏改良,重金属和F同时进入盐碱地土壤中,在土壤及地下水中迁移、吸附、沉淀、吸收等,改变土壤理化性状和生态环境状况。如果长期、过量施用,可能会引起土壤重金属及F超标,污染土壤和地下水环境,破坏生态系统[21, 9],并通过食物链危害人体健康,因此需要对磷石膏改良盐碱土进行环境安全和食品安全评估试验和监测。

由于本试验所用土壤为滨海盐碱土,且很多处理土壤含水量低于饱和持水量的50%,小麦植株因为持续水分供应不足而萎蔫枯死,无法完成全生育期,所以本试验作为初步探索为后续的各种试验提供经验。从小麦幼苗株高、鲜生物量等生长指标来看,在施用45 000 kg/hm2磷石膏(前期试验有显著改良效果的最高用量[6])改良盐碱土时,土壤含水量为80% 的土壤饱和持水量是最适宜的,小麦生长良好;当土壤含水量为饱和持水量的50% 及以下时,小麦植株生长受到抑制,土壤含水量越低,小麦生长影响越大;当土壤含水量只有饱和持水量的30% 时,小麦植株从发芽到完全停止生长直至死亡,只有66 d。土壤含水量低于80% 饱和持水量会对小麦的生长产生明显的抑制作用,株高、总鲜生物量和茎生物量明显降低,这是由于当小麦缺水时,会抑制细胞的生长和分化,顶端的分生组织和侧生分生组织发育迟缓[23]。土壤水分低于80% 饱和持水量时,随着土壤水分含量减少,小麦植株根生物量增加,这是由于水分胁迫促进了小麦根系的生长,从而通过提高根冠比来适应土壤干旱胁迫。这与桑子阳等[17]的研究是一致的。水分胁迫抑制小麦种子的发芽率、胚芽鞘和主胚根的生长。适度水分胁迫,对苗期小麦根系生长有一定促进作用,增加根冠比,但是重度水分胁迫抑制小麦根系的生长[23]。水分胁迫下,小麦植株叶绿素含量、光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率逐渐降低[23-24],小麦农艺性状负面效应显著[25]。当然土壤含水量也不是越高越好,当土壤含水量超过80% 饱和持水量时也会对小麦的生长产生明显的抑制作用。

前人研究表明,随着土壤水分的减少,小麦植株叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量均呈下降趋势;而叶片脯氨酸含量、MDA含量以及叶片SOD、POD活性均呈增加趋势;表明在干旱胁迫下,小麦幼苗叶片通过改变内部的生理特性以提高自身的抗旱性[26]。水分胁迫能加剧小麦幼苗膜脂过氧化从而引起膜的损伤,且膜脂过氧化的程度随水分胁迫增强而加重[23]。研究表明,水分胁迫下,小麦可溶性糖和酸性转化酶活性呈先增后减趋势,脯氨酸和丙二醛含量及过氧化物酶活性逐渐增强。随土壤水分胁迫程度的加剧,红砂幼苗茎叶总生物量呈明显的减少趋势,其株高呈逐渐降低的变化趋势,而根冠比、根长和根表面积均呈逐步增大的变化趋势,根系生物量呈先增加后减少的变化趋势[27]。研究发现,土壤60% 饱和持水量下小麦的可溶性糖含量和酸性转化酶活性显著高于80% 与40% 饱和持水量下,而可溶性蛋白含量则显著减少;40% 饱和持水量下的脯氨酸和丙二醛含量及过氧化物酶活性显著高于60% 和80% 饱和持水量下[24]

本试验结果表明随着土壤干旱胁迫(气象干旱和生理干旱)的加剧,小麦叶片中的可溶性糖含量和可溶性蛋白含量基本上都表现出上升的趋势,这与安玉艳等[28]以及张国盛和张仁陟的[29]研究一致;常燕虹等[30]对轻度和中度水分胁迫下,文冠果叶片的可溶性糖观测也得到了类似结论。因此,干旱胁迫条件下,小麦叶片的可溶性糖和可溶性蛋白的较高积累能够提高小麦叶片细胞液的浓度,降低小麦叶片的细胞水势,提高小麦的抗旱性。水分胁迫下,Ca2+/CaM作为第二信使参与了小麦体内干旱信号的传导,同时提高了小麦体内了POD同工酶活性,增强了小麦幼苗适应干旱胁迫的能力[30-32]。本试验中,施用的磷石膏中含有大量的Ca2+,因此可以很好地参与小麦体内POD酶活性的调控,提高小麦植株的抗逆性。

丙二醛是植物受到干旱胁迫时膜脂过氧化的产物,丙二醛含量的高低直接反映植物的细胞膜受伤害的程度[33]。本试验结果表明,随着干旱胁迫的加剧,小麦叶片的丙二醛含量总体上表现为上升趋势,随着土壤含水量减少,相应处理的小麦叶片丙二醛含量提高。这与常燕虹等[30]、陈歆等[34]和童雅赟等[35]的研究结果相似。小麦叶片丙二醛含量增加,预示着叶片存在膜脂质过氧化的现象,这是由于水分胁迫下小麦叶片的细胞膜结构遭到严重的破坏。

POD、CAT、SOD是植物体清除活性氧的重要保护酶。一般情况下,当生物体处在逆境条件下时,3种保护酶会发挥协同作用,抑制活性氧对植物细胞膜的伤害[36]。本试验结果表明随着水分胁迫程度的加剧,小麦叶片中的POD、CAT、SOD的活性基本表现为上升的趋势,说明在干旱逆境条件下,小麦幼苗会通过增强3种保护酶的活性来抵御干旱对其造成的伤害,增强其抗旱性,此结果与费明慧[26]的研究结果一致。但有些研究结果与之不同,孙彩霞等[36]认为,在水分胁迫下,植物SOD、POD活性是增加的,但CAT活性是下降的;周虹等[37]研究结果表明川芎叶片中SOD、CAT活性在水分胁迫下表现为先升后降的趋势,POD活性是呈上升趋势。这可能是由于不同的研究采取的研究体系不同,胁迫处理方法、选取的植物材料、考察的生育期等因素不同。

近年来也有研究发现磷石膏中还含有少量有害物质,比如放射性元素U和重金属Cd、Pb、Cu等,可能会影响土壤肥力和旱地微生物转化[8],影响老成土中氧化铁的形态和转化[9]。这些有害物质随着磷石膏施用于盐碱土而进入土壤和地下水,并在土壤中移动、吸附、积累,造成土壤及地下水潜在的生态环境污染,且被作物吸收而在农产品内残留和积累,通过食物链的传播、富集,威胁人体健康。同时,遇到降雨量比较多的地区,磷石膏中有害重金属会随着地表径流和侧渗进入河流,有可能引起水体中重金属积累增加,影响地表水环境的安全。

本试验结果表明,在磷石膏施用量为45 000 kg/hm2的情况下,干旱条件会造成土壤Cd、Pb、Cu、Zn和F的积累,虽然含量没有超过国家环境质量标准,但是如果长期连续大量施用,可能会持续在土壤中积累,并被作物累积,尤其是Cd和F的含量距离国家环境质量标准[12]和食品安全标准[14]比较近,有一定的土壤环境风险和食品安全风险,建议适量施用磷石膏改良盐碱土,或在施用前对磷石膏中的有害物质进行适当处理和控制,同时配合其他措施进行改良,选择耐盐碱和重金属低积累作物品种,注意灌溉,最大限度保障土壤及地下水生态环境安全和食品安全。

4 结论

施用磷石膏改良盐碱土,在水分胁迫条件下,影响小麦生长发育,尤其是抑制地上部生长,30% 土壤饱和持水量下小麦株高比80% 土壤饱和持水量下减少32.06%,总鲜生物量减少44.17%,根生物量增加106.06%,根冠比增加,小麦叶片抗氧化酶活性提高,丙二醛含量增加98.37%。土壤及小麦叶片中Cd和F含量提高,在干旱地区施用磷石膏改良盐碱土可能会带来土壤及地下水环境风险以及农产品安全风险。

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Primary Study of Effects of Phosphogypsum on Growth of Winter Wheat and Environmental Risk Assessment in Costal Saline-sodic Soil Under Different Soil Moistures
WU Hongsheng1 , CHEN Xiaoqing1 , MA Wenzhou2 , WANG Xiaoyun3 , ZHOU Guohua2 , DING Jun1 , CHENG Cheng1 , LI Yanhui1 , CHI Jinhe4 , SHI Taoran1 , DUAN Yajun1 , DI Mingchun5 , LI Zhenwei1 , SHI Youhua6     
1. Department of Agricultural Resources and Environment, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
2. Xuyi County Arable Land Quality Protection Station, Xuyi, Jiangsu 211700, China;
3. Xinghua City Arable Land Quality Protection Station, Xinghua, Jiangsu 225700, China;
4. Binhai Agricultural Cardre Training School, Binhai, Jiangsu 224500, China;
5. Nanjing Eco-bump Ecology and Environmental Science and Technology Co., Ltd., Nanjing 210042, China;
6. Rudong County Arable Land Quality Protection Station, Rudong, Jiangsu 226404, China
Abstract: Based on previous experiments of effective phosphogypsum (PG) application, a pot experiment of costal saline-sodic soil osmosis-based physiological drought was simulated in lab with 45 000 kg/hm2 of PG was added to test the effects of different soil moistures on wheat growth and possible environmental risk, in which, seven treatments of 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40% and 30% soil water-holding capacity (SHWC) were designed. Results showed that wheat height and biomass under 30% SHWC were decreased by 32.06% and 44.17% than those under 80% SHWC respectively, while wheat root weight and malondialdihyde (MDA) were increased by 106.06% and 98.37% respectively, root/shoot ratio and leaf anti-oxidase activities were also increased; The concentrations of Cd, Pb, Cu and soluble F in soil were increased by 3.2%, 7.2%, 50.9% and 150% respectively, and the contents of Cd, Pb, soluble F in wheat leaves were increased by 50%, 33.3% and 275% respectively. Applying PG to amend saline-sodic soil affected wheat growth under water stress resulting in the increase of Cd and soluble F in soil and wheat leaves. The contents of toxic elements increased in soil and wheat leaves were far from the national limits of heavy metals in soil and grains, however toxic elements in soil and groundwater will be accumulated with the continued application of PG. Meantime toxic elements in wheat leaves transported to grain may cause grain safety risk. The use of PG in saline-sodic soil in drought region and physiological drought caused by soil high-salt osmosis may lead to the ecological and environmental risks of soil, ground water and food safety, thus, special study and monitor are suggested in order to minimize the ecological and environmental and food safety risks.
Key words: Costal saline-sodic soil    Phosphogypsum (PG)    Water stress    Wheat    Anti-oxidase    Environmental risk assessment