李路，胡承孝，谭启玲，史凯丽，赵小虎，孙学成*

（1.华中农业大学资源与环境学院/微量元素研究中心，武汉　430070；2.新型肥料湖北省工程实验室，武汉　430070）

钼污染对冬小麦光合作用特性及产量的影响

李路1，2，胡承孝1，2，谭启玲1，2，史凯丽1，2，赵小虎1，2，孙学成1，2*

（1.华中农业大学资源与环境学院/微量元素研究中心，武汉430070；2.新型肥料湖北省工程实验室，武汉430070）

采用土壤培养试验研究了不同钼水平对冬小麦光合作用特性及产量的影响。结果表明：适量施钼（0.15 mg·kg-1）能够增加缺钼土壤上冬小麦的叶绿素含量、净光合速率（Pn）和产量；0.15～2000 mg·kg-1入件下，随钼水平的提高，冬小麦叶绿素含量、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和产量呈下降趋势；随着Pn下降，胞间CO2浓度（Ci）和Gs呈下降趋势，推测气孔限制是导致Pn下降的主要因素；叶绿素a/b值呈上升趋势，表明叶绿素a向叶绿素b的转化受阻，从而抑制光合作用。极端钼污染入件下（3000～4000 mg·kg-1）冬小麦不能完成其生命周期。

钼污染；冬小麦；光合作用；产量

李路，胡承孝，谭启玲，等.钼污染对冬小麦光合作用特性及产量的影响［J］.农业环境科学学报，2016，35（4）：620-626.

LI Lu，HU Cheng-xiao，TAN Qi-ling，et al.Effects of Mo pollution on photosynthesis characteristics and yields of winter wheat［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（4）：620-626.

钼不仅是动植物生长所必需的营养元素之一，同时作为稀有元素，广泛应用于钢铁、电子、航天等产业，是非常重要的战略资源［1］。我国钼储量居世界前列，辽宁、陕西、山西、河南、福建、江西等省均有钼矿，且储量大、开发入件好［2］。钼矿及伴生钼矿开采和选矿产生的尾矿和采选矿废水可造成严重的水体和土壤钼污染［3］。自Ferguson等［4］首先报道反刍动物因食用高钼草导致钼中毒开始，环境的钼污染问题已引起了国内外学者的高度重视。一般认为动物容易产生钼中毒症状，而植物对钼的抗性较强，但过量钼污染仍会对植物造成毒害作用。首先过量的钼影响植物正常生长，如导致鹰嘴豆的根和地上部长度降低，并改变其叶片、根系和茎的剖面结构，番茄和花椰菜叶片呈紫色，豆类作物叶片黄化［5-7］；同时钼污染影响植物品质，如显著降低大豆蛋白质和维生素C含量并导致大麦中其他微量元素的缺乏［8-9］。植物光合作用和蒸腾作用受到抑制、活性氧清除系统破坏导致膜脂过氧化严重是过量钼对植物造成毒害的重要机制［10-11］，同时植物产生一系列的生理反应如抗氧化酶系统激活、花青素和脯氨酸等物质综合作用以减轻其毒害作用［12-14］。

小麦是我国第二大粮食作物，种植面积较广，已有部分小麦产区土壤钼污染的报道［15-19］，然而土壤钼污染对小麦生长的影响及其机制尚不清楚。本文以冬小麦为试验材料，研究不同土壤钼污染水平对其光合特性和产量的影响，为进一步探明小麦对钼污染的响应机制提供基础数据。

1　材料与方法

1.1供试材料

供试土壤为酸性黄棕壤，采自湖北省武汉市新洲区，其基本理化性状：pH 5.51，有机质14.1 g·kg-1，碱解氮33.92 mg·kg-1，速效磷（Olsen-P）12.51 mg·kg-1，速效钾80.57 mg·kg-1，有效钼0.114 mg·kg-1。

冬小麦品种97003，为华中农业大学微量元素研究中心自繁留种［20］。

1.2试验设计与方法

试验采用22 cm×21 cm（直径×深度）陶瓷盆钵，每盆装风干后过20目筛的土壤样品5 kg。试验设8个钼处理水平：0（对照）、0.15、100、500、1000、2000、3000、4000 mg Mo·kg-1土，以钼酸铵（NH4）6Mo7O24· 4H2O和钼酸钠Na2MoO4·2H2O为肥源，每个处理设4次重复，随机排列。

播种前每千克土中施入N 0.25 g、P2O50.15 g、K2O 0.20 g，分别以（NH4）6Mo7O24·4H2O和（NH4）2SO4、KH2PO4、KCl为肥源；另外以1 mL·kg-1土的量加入无钼Arnon营养液（每升无钼Arnon营养液组成为2.86 g H3BO3、1.81 g MnCl2·4H2O、0.22 g ZnSO4·7H2O、0.08 g CuSO4·5H2O、18.35 g FeNa-EDTA），所有肥料配成溶液于播种前一次性施入。所用试剂均为分析纯（AR）。在小麦的整个生育期以去离子水定时定量浇灌，培养试验于湖北武汉华中农业大学微量元素研究中心盆栽场进行，盆栽场设有玻璃钢网防雨棚。

冬小麦于2014用10月30日播种，每盆播种15株，播种后两周定苗至每盆7株。于苗期（2014用12月19日，50 d）随机取2株测定倒数第一片完全展开叶叶绿素含量；于灌浆期（2015用4月12日，164 d）对旗叶进行光合参数的测定；于2015用5月12日（194 d）收获成熟期小麦样品。

1.3测定项目及方法

1.3.1叶绿素的测定

参照王学奎等［21］方法进行测定：称取去掉主叶脉的剪碎的小麦叶片0.2 g于比色管，加入95%的乙醇25 mL，黑暗处静置12 h后于波长470、649、665 nm下测定吸光度（95%乙醇作为空白调零）。

1.3.2光合参数的测定

在有效光合辐射（PAR）为1000滋mol·m-2·s-1入件下，采用美国LI-COR公司生产的LI-6400XT便携式光合测定系统，测定各处理的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）。

1.3.3干物质的测定

收获后的小麦样品按叶、茎+鞘、穗轴+颖壳、籽粒进行分离，105益杀青30 min，65益烘干至恒重，称其干重。

1.3.4产量及其构成因子

测定成熟期小麦单株有效穗数、穗粒数、千粒重，其中穗粒数=每盆籽粒总数/每盆有效穗数，千粒重以200粒重进行换算。

1.4数据来理

使用Microsoft Excel 2003进行相关数据计算，Sigmaplot 10.0绘图，SPSS 20.0进行方差分析。各处理平均值的多重比较采用Duncan-test（P＜0.05）法。

2　结果分析

2.1土壤钼污染对冬小麦长势的影响

与对照相比，适量施钼（0.15 mg·kg-1）对冬小麦的长势没有显著的影响，但用量增大会影响冬小麦生长发育。在苗期，0.15～1000 mg·kg-1入件下各处理间没有显著差异，2000、3000 mg·kg-1入件下冬小麦生物量显著下降，老叶叶尖黄化，4000 mg·kg-1入件下冬小麦出苗迟缓，生长约30 d后死亡（图1A和图1B）。在拔节期，2000 mg·kg-1入件下冬小麦叶片黄化严重，分蘖迟缓，分蘖期老叶叶片呈现紫红色，茎秆下部呈现紫色，生物量显著下降；3000 mg·kg-1入件下随生育期的推进冬小麦生物量几乎没有变化，在灌浆期死亡（图1C）。在收获期，2000 mg·kg-1入件下冬小麦贪青晚熟，生物量显著下降，分蘖较少（图1D）。

2.2土壤钼污染对冬小麦叶绿素含量的影响

与对照相比，适量施钼（0.15 mg·kg-1）能够增加冬小麦叶绿素a含量。在0.15～500 mg·kg-1入件下叶绿素a含量无显著变化，在1000～2000 mg·kg-1入件下叶绿素a急速下降，且在2000 mg·kg-1入件下与0.15 mg·kg-1处理相比差异显著（图2A）。叶绿素b、叶绿素总量与叶绿素a含量变化趋势基本一致（图2B、图2C）。随钼污染水平的提高，叶绿素a/b值呈上升的趋势。

图1　不同钼污染水平对冬小麦长势的影响Figure 1　Effects of different levels of Mo on growth of winter wheat

图2　不同钼污染水平对冬小麦叶绿素含量的影响Figure 2　Effects of different levels of Mo on chlorophyll content of winter wheat

2.3土壤钼污染对冬小麦光合作用参数的影响

与对照相比，适量施钼（0.15 mg·kg-1）显著提高了冬小麦旗叶的Pn，随钼污染水平的提高，冬小麦Pn呈现下降趋势（图3）；冬小麦的Ci随着钼水平的提高呈现先升高（0.15～500 mg·kg-1）而后显著下降（500～1000 mg·kg-1）的趋势；随钼水平的提高（0～1000 mg· kg-1），Gs呈现显著下降趋势。不同钼水平下冬小麦Tr变化趋势与Gs基本保持一致。

2.4土壤钼污染对冬小麦产量及其构成因子的影响

与对照相比，适量施钼（0.15 mg·kg-1）增加了冬小麦生物学产量，显著增加了籽粒产量和收获指数，增长幅度分别为9.18%、20.98%和10.40%（表1）。随钼污染水平的提高，冬小麦生物学产量呈现下降趋势，并在2000 mg·kg-1入件下达显著性差异，与适量施钼（0.15 mg·kg-1）相比，降幅分别为1.90%、1.47%、9.5%、19.26%。随着钼污染水平提高小麦籽粒产量整体呈现下降趋势，在2000 mg·kg-1时降幅达33.58%。钼污染入件下收获指数与其籽粒产量的变化趋势一致，均在500 mg·kg-1入件下达最大值。

随着钼水平的提高，单株有效穗数呈现先升高（0～500 mg·kg-1）后下降（500～2000 mg·kg-1）的趋势；钼污染入件（100～2000 mg·kg-1）下冬小麦穗粒数在500 mg·kg-1时达到最大值，随后呈现下降趋势；而千粒重随钼水平的提高整体呈现下降趋势，各处理间差异不显著（表2）。

图3　不同钼污染水平对冬小麦光合作用参数的影响Figure 3　Effects of different levels of Mo on photosynthetic parameters of winter wheat

表1　不同水平的钼对冬小麦产量的影响Table 1　Effects of different levels of Mo on yields of winter wheat

表2　不同水平的钼对冬小麦产量构成因子的影响Table 2　Effects of different levels of Mo on yield components of winter wheat

3　讨论

钼是植物必需的微量元素，缺钼入件下植株生长矮小，生长迟缓并出现叶片失绿甚至焦枯死亡等症状［22-23］，适量施钼可影响冬小麦叶绿体的超微结构，促进叶绿素的合成［24］，同时也可以通过影响酶活性促进冬小麦的碳氮代谢［25-26］。本试验的结果再次证明，合理施用钼肥（0.15 mg·kg-1）可以有效提高冬小麦叶绿素含量、净光合速率和产量。

虽然植物对钼缺乏的临界值较低，但对高钼的忍耐能力较强。在土壤钼含量大于100 mg·kg-1时，多数植物并无不良反应，有些植物甚至能吸收相当多的钼，而且长势良好［27］。研究表明，大豆、棉花和萝卜叶片钼含量分别达80、1585、1800 mg·kg-1时，其生长仍未有异常［28］。高钼（200 mg·kg-1）对灯心草生长有明显的抑制作用［10］。但是，关于冬小麦对土壤钼污染的响应我们依然知之甚少。本研究表明，与适量施钼（0.15 mg·kg-1）相比，土壤钼污染高达1000 mg·kg-1时，冬小麦长势并无显著差异；钼水平达2000 mg·kg-1时，冬小麦长势较差，生物量显著下降，叶片呈现褪绿和黄化的现象，可能与过量的钼导致铁的代谢受阻有关［29］，茎组织呈紫色则可能是由于液泡中形成了钼儿茶酚复合体［30］；极端钼污染（3000～4000 mg·kg-1）入件下，冬小麦不能完成其生长周期甚至死亡，与Mcgrath等［31］的研究一致。

叶绿素是光合作用的物质基础，其含量高低将直接影响光合作用的强弱及物质合成［32］。研究表明，重金属污染后植物的叶绿体受到严重破坏，进而抑制植物光合作用，重金属对植物的毒害作用与其胁迫程度有关［33］。随钼水平的提高，冬小麦叶绿素含量整体呈现下降趋势，且在1000 mg·kg-1及2000 mg·kg-1入件下与适量施钼（0.15 mg·kg-1）处理相比，差异显著（图2）。这可能是因为钼浓度超过一定范围时容易造成铁缺乏，进而间接影响叶绿素合成，引起叶绿素变小或解体［10，34］。叶绿素a/b值对于叶绿体的光合活性具有十分重要的意义，钼污染入件下冬小麦叶绿素a/b值随钼水平的提高呈现上升趋势（图2D），表明叶绿素a向叶绿素b的转化速率下降，导致叶绿素b含量相对减少，进而抑制光合作用［35］。

Pn是衡量植物光合作用能力强弱的重要指标［36］。本试验结果表明，钼污染入件下，冬小麦Pn整体呈现下降趋势（图3A）。研究发现，Pn的降低主要有两方面原因：气孔限制和非气孔限制［37］。Farquhar等［38］提出以Ci值的大小评判气孔限制和非气孔限制：若Ci和Gs同时下降，则说明光合作用能力下降的原因是气孔限制；若Pn下降的同时Ci上升，则说明是非气孔限制导致光合作用能力下降［39］。本试验中，钼污染入件下Pn下降的同时伴随Ci和Gs的显著下降（图3A、3B、3C），说明其主要因子是气孔限制；同时叶绿素呈现下降趋势（图2），也是Pn下降的一个重要原因。

土壤钼污染显著降低冬小麦蒸腾速率（图3D），即蒸腾能力下降，与练建军等［11］的研究一致。叶片气孔是控制CO2由大气进入叶肉组织以及水分从叶子内部湿润大表面扩散到周围的空气中的闸口［40］。Gs和Tr同时下降说明高浓度的钼抑制了冬小麦对水分的吸收并阻碍了水分的疏导，进而使植物体内水分平衡失调，最终影响植物正常的水分代谢［41］，同时说明水分因子可能是影响叶片Gs下降的主要原因，此外也可能是由于钼污染引起叶片ABA水平增加而导致气孔关闭［42］。

土壤钼污染入件下，冬小麦产量及其构成因子呈现先上升后下降的趋势（表1），说明一定程度的钼污染能够增加冬小麦产量，但极端钼污染显著抑制产量的形成。产量构成因子中仅单株有效穗数在各处理间差异显著，且与产量变化趋势一致（表2），说明钼污染入件下产量的主要影响因素可能是单株有效穗数。分蘖减少和幼穗分化受阻都可能是土壤钼污染入件下冬小麦单株有效穗数减少的诱导因素［43］。

4　结论

土壤钼污染水平达1000～2000 mg·kg-1时冬小麦生长受到显著的抑制作用，更高水平的土壤钼污染（3000～4000 mg·kg-1）将使冬小麦不能完成其生命周期甚至死亡。土壤钼污染入件下，冬小麦叶绿素含量下降，气孔限制导致光合速率下降，进而影响其光合作用能力，并最终导致生物学产量的显著降低。一定程度的钼污染（0.15～500 mg·kg-1）对冬小麦产量有一定的促进作用，极端钼污染（＞500 mg·kg-1）显著抑制产量的形成，影响产量的主要因素为单株有效穗数。

此外，本研究仅从光合作用特性和产量方面阐述了土壤钼污染对冬小麦的影响，污染入件下冬小麦籽粒钼含量对人体的安全是否构成威胁，则需要后期的试验进行进一步的验证。关于冬小麦对土壤钼污染的生理及分子响应机制尚需要更多更深入的研究。

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Effects of Mo pollution on photosynthesis characteristics and yields of winter wheat

LI Lu1，2，HU Cheng-xiao1，2，TAN Qi-ling1，2，SHI Kai-li1，2，ZHAO Xiao-hu1，2，SUN Xue-cheng1，2*
（1.College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University/Micro-element Research Center，Wuhan 430070，China；2.Hubei Provincial Engineering Laboratory for New-Type Fertilizers，Wuhan 430070，China）

A pot culture experiment was conducted to investigate the effects of different levels of Mo on photosynthesis characteristics and yields of winter wheat.Results showed that appropriate Mo application（0.15 mg·kg-1）increased chlorophyll（Chl）content，photosynthetic rates（Pn）and yields of winter wheat in Mo-deficient soils.The chlorophyll content，photosynthetic rates（Pn），transpiration rates（Tr），stomatal conductance（Gs）and yields of winter wheat were decreased by Mo at 0.15～2000 mg·kg-1.The decline in Pnalong with Ciand Gsdecreases indicated that stomatal limitation was the main factor for Pndecreases.The Chla/b decreased with increases in Mo pollution levels，indicating that the transformation from Chla to Chlb was blocked under Mo pollution conditions.The life cycle of winter wheat was not completed when Mo levels were higher than 3000～4000 mg·kg-1.

molybdenum pollution；winter wheat；photosynthesis；yield

X503.231

A

1672-2043（2016）04-0620-07

10.11654/jaes.2016.04.002

2015-11-15

国家自然科学基金项目（41171240）；国家科技支撑计划项目（2014BAD14B02）

李路（1991—），女，河南泌阳人，硕士研究生，从事植物营养机理研究。E-mail：lianlude@163.com

孙学成E-mail：sxccn@mail.hzau.edu.cn