随着工业化活动进程的快速发展，过量施肥以及污水灌溉等带来的环境问题严重影响着我国农田土壤，尤其是土壤镉（Cd）污染^[1]。据 2014 年 《全国土壤污染状况调查公报》显示，耕地土壤受污染率达到了 19.4%，其中 Cd 的点位超标率高达 7.0%^[2]。在土壤中，Cd 的迁移性较强，很容易被作物吸收、转运并在食物链中积累，从而直接或间接地危害人类的健康^[3-4]。据统计，我国受 Cd 污染农田大约 1.0×10⁷ hm²，而每年生产的 Cd 超标农产品达到 1.5×10⁶ t，形式十分严峻^[5]。因此，筛选有效的措施和方法对 Cd 污染农田进行修复，控制作物体内的 Cd 积累，对于保障我国粮食安全意义重大。

有研究报道，在甘肃白银地区春小麦籽粒 Cd 含量（1.88 mg/kg）高于食品安全标准的 17.8 倍^[6]；而在河南新乡地区也出现小麦籽粒 Cd 含量超标的现象^[7]；此外，有研究发现，我国部分城市郊区蔬菜 Cd 含量也严重超标^[8]。因此，采取有效措施降低作物中 Cd 累积是有必要的。近年来，在我国北方小麦主产区的 Cd 污染问题引起了广泛的关注，部分城市区域的小麦籽粒 Cd 超标率达 100%，严重影响了小麦的生长发育，造成小麦减产^[9]。而小麦对重金属 Cd 相对敏感，其对 Cd 的吸收和转运能力远远高于水稻^[10]，极易被吸收，并向籽粒转运，从而对人类的身体健康构成严重威胁^[4]。因此，亟待采取高效、经济、适用范围广的措施和手段对 Cd 污染麦田进行修复和治理。

近年来，在我国北方小麦 Cd 污染治理方面做了大量的相关研究^[11]，并发现生物炭、海泡石、硅酸盐等土壤调理剂都对小麦籽粒 Cd 含量有较大的影响，但往往存在时效性，不能维持农业耕地的可持续发展利用^[12-13]。研究发现，在 Cd 污染麦田中施用中微量元素矿物可以有效降低小麦籽粒 Cd 积累^[14-15]。前人研究报道，硅（Si）、硒（Se）、锌（Zn）等微量元素的外源添加或喷施均可以有效降低作物对 Cd 的吸收，缓解 Cd 的毒害作用^[14-15]。而锰（Mn）作为植物生长的必需微量营养元素，主要以 Mn²⁺ 的形式被植物吸收利用^[16]，因其与 Zn、Fe 等微量元素在治理 Cd 污染方面具有类似的效果，作为一种经济有效的重金属调控措施也越来越受到关注^[17]。有研究报道，Mn 与 Cd 具有相似的化学性质，因此会产生拮抗作用，显著降低作物对 Cd 的吸收^[18]。在 Cd 污染土壤中， Mn 肥的添加可以显著降低土壤中有效态 Cd 含量，这是由于铁锰氧化矿物对土壤中的 Cd 具有较强的吸附性，且 MnO₂ 的改良效果较优^[19]。Mn 可以促进作物生长，并通过“稀释”作用降低作物体内的 Cd 含量^[20]；此外，Cd 会通过 Mn 转运蛋白通道进入作物体内，因此 Mn、Cd 在作物体内的吸收转运过程中常发生拮抗作用^[21]；同时，Mn 可以参与调节作物的氧化还原过程，提高植物的抗氧化酶反应，从而缓解 Cd 的毒害^[22]。然而，Mn 作为一种重金属元素，过量的添加会导致 Cd 毒害作用增加，导致 Cd、Mn 复合毒害作用，从而抑制作物的正常生长^[23]。

目前，有关施用 Mn 对作物中 Cd 吸收的影响大多集中在水稻、玉米以及超积累作物中^[24-25]，而关于小麦体内 Cd、Mn 拮抗作用以及北方石灰性土壤中 Mn 肥添加对小麦 Cd 吸收转运的影响研究相对较少。因此，探究 Mn 对土壤 Cd 有效性的影响对于石灰性土壤中 Cd 污染的防治以及农业的可持续发展至关重要。另外，北方石灰性土壤作为小麦主产区，Cd 污染土壤的修复和再利用有助于保障粮食的食品安全。基于此，本研究通过盆栽试验，以小麦为研究对象，探究外源施用 Mn 肥对石灰性土壤中小麦 Cd 吸收、转运以及土壤有效态 Cd、Mn 含量的影响，为探明在北方石灰性土壤中 Mn、Cd 的相互作用以及 Cd 污染修复和小麦的安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自河南省新乡市原阳某小麦地 0～20 cm 耕层土，土壤类型为壤质潮土。采集的土壤经风干、除杂后，过孔径为 4 mm 的筛备用。其基本理化性质见表1，有效 Cd 低于检测限。供试作物为河南省广泛种植的冬小麦品种‘百农 207’，全生育期平均为 231 d。

1.2 试验设计

在温室大棚中，采用盆栽试验，将风干后过 4 mm 筛的土壤，装入塑料盆中（直径 280 mm× 深度 180 mm），每盆用土 5.0 kg，按设计添加底肥，基肥为 N 0.20 g/kg、P₂O₅ 0.15 g/kg 和 K₂O 0.20 g/kg，分别以尿素、磷酸二氢钾和氯化钾的形式施入土壤，混匀后装盆，定量浇水 1 L，静置 1 周后，以 CdCl₂·2.5H₂O（分析纯）溶液的形式施入土壤中，使土壤 Cd 浓度达到 4 mg/kg，室温下老化 60 d 后备用。

供试锰肥为 MnSO₄·4H₂O，根据前人的研究报道^[26-28]，选择添加 Mn 为 100 mg/kg。试验共设置 3 个处理，分别为 CK（不添加 Cd 和 Mn）、Cd（添加 Cd）、Cd+Mn（添加 Cd 和 Mn），重复 4 次，共 12 盆。试验于 2019 年 10 月播种小麦，出苗后每盆定株 5 棵。在小麦生长过程中控制土壤含水量为田间持水量的 75%，保持定量浇水，种植、管理方式与普通大田一致。

1.3 样品采集与分析测定

小麦植株成熟后，分别采集土壤和植株样品用于后续的测定和分析。采集的土壤样品经自然风干后分别过 0.85 和 0.15 mm 筛备用；小麦成熟后整株收获，风干后考种，将小麦植株分为籽粒、颖壳、穗轴、秸秆和根系五部分，60℃下烘干至恒重，记录各部位的生物量；粉碎后待用，测定各部位 Cd、 Mn、Fe、Zn 含量。

供试土壤基本理化性质均按照鲍士旦^[29]的方法进行测定。

小麦植株样品的含量测定：称取 0.2500 g 粉碎后的植株样品，加入 5 mL 混酸（HNO₃-HClO₄，v/v= 4∶1），采用石墨炉消解法进行消解^[30]，消解后的溶液中金属离子的含量采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Thermo Fisher Scientific，Germany） 进行测定。

指标计算方式：

$\text{籽粒}\left.\mathrm{C}\mathrm{d}\text{富集系数（}{\mathrm{B}\mathrm{C}\mathrm{F}}_{\text{土壤}-\text{籽}\text{粒}}\right)\text{= 籽粒}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量 / 土壤}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量;}$

$\text{小麦根部-秸秆}\left.\mathrm{C}\mathrm{d}\text{转运系数（}{\mathrm{T}\mathrm{F}}_{\text{根部-秸秆}}\right)=\text{秸秆}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量 / 根部}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量;}$

$\text{小麦秸秆-穗轴}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{转运系数}\left({\mathrm{T}\mathrm{F}}_{\text{秸秆}-\text{穗轴}}\right)=\text{穗轴}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量 / 秸秆}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量;}$

$\text{小麦穗轴-颖壳}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{转运系数}\left({\mathrm{T}\mathrm{F}}_{\text{橞轴-颖壳}}\right)\text{= 颖壳}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量 / 穗轴}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量;}$

$\text{小麦颖壳-籽粒}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{转运系数}\left({\mathrm{T}\mathrm{F}}_{\text{颖壳-籽粒}}\right)\text{= 籽粒}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量 / 颖壳}\mathrm{C}\mathrm{d}\text{含量。}$

1.4 数据处理

采用 Excel2019 进行数据统计，所有试验数据均采用 DPS 7.05 进行统计分析，多重比较采用 LSD 法，采用 Origin 2021 作图。

2 结果与分析

2.1 施 Mn 对小麦产量及生物量的影响

小麦成熟期籽粒产量以及各部位生物量变化如图1 所示。与 CK 相比，Cd 胁迫下小麦的籽粒产量以及根部、颖壳部位的生物量显著降低，降幅分别达 14.59% 以及 27.02%、13.60%，而秸秆、颖壳部位的生物量降幅不显著。Mn 处理下小麦籽粒产量较 Cd 处理显著增加了 7.67%（图1A），根部、秸秆、穗轴、颖壳部位的生物量分别增加了 22.93%、 24.91%、16.30%、20.52%（图1B）。Mn 肥的添加在一定程度上缓解了 Cd 胁迫造成的生物量下降，但低于 CK 处理（除秸秆、颖壳外），表明在本研究中 Mn 肥的添加（100 mg/kg）对 Cd 胁迫的缓解程度有限。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 施 Mn 对 Cd 胁迫下小麦植株 Cd、Mn 吸收的影响

小麦各部位 Cd、Mn 含量的变化如图2 所示。由图2A-E 可知，小麦各部位的 Cd 含量呈下降趋势（除穗轴外），施 Mn 显著降低了小麦籽粒、颖壳、秸秆、根部的 Cd 含量，较 Cd 处理相比分别降低了 22.60%、13.02%、10.64%、15.25%。与 CK 相比，Cd 胁迫下小麦各部位（ 籽粒、颖壳、穗轴、秸秆、根部） 的 Mn 含量分别降低了 13.51%、4.45%、34.64%、15.10%、12.27% （ 图2F-J）。Mn 肥的添加显著提高了小麦籽粒、颖壳、穗轴、秸秆和根部的 Mn 含量，较 Cd 处理相比分别增加了 22.50%、30.17%、31.22%、 19.10% 和 15.69%，而穗轴部位的 Mn 含量低于 CK 处理，秸秆部位的 Mn 含量较 CK 处理无显著差异。

由表2 可知，外源 Mn 肥的添加降低了籽粒的 Cd 富集程度（P<0.05），与 Cd 处理相比，显著降低了 7.58%。此外，外源 Mn 肥的添加降低了根部向秸秆部位的 Cd 转运，增加了秸秆向穗轴的 Cd 转运，但均未达到显著水平（P<0.05），而 Mn 肥的施用显著降低了穗轴向颖壳、颖壳向籽粒部位的 Cd 转运，降幅分别为 12.17%、10.97% （P<0.05）。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。BCF 表示富集系数，TF 表示转运系数。

2.3 施 Mn 对 Cd 胁迫下小麦植株各部位 Fe、Zn 含量的影响

小麦各部位 Fe、Zn 含量的变化如图3 所示。由图3A 可知，Cd 胁迫下小麦根部、穗轴、籽粒 Fe 含量较 CK 相比显著降低了 19.18%、33.77%、 22.96%，而显著增加了秸秆 Fe 含量（2.42 倍）。与 Cd 处理相比，施用 Mn 肥均显著增加了小麦各部位的 Fe 含量，增幅分别为 74.05%、6.49%、 54.81%、14.05%、52.70%。由图3B 可知，Cd 胁迫下，小麦各部位的 Zn 含量显著降低，较 CK 处理相比，分别降低了 10.89%、33.59%、35.51%、 6.32%、7.67%，而施 Mn 促进了小麦各部位 Zn 含量的吸收，较 Cd 处理相比，分别增加了 56.25%、 43.41%、51.11%、40.77%、20.28%。

2.4 施用 Mn 对土壤 pH、有效 Mn 和有效 Cd 含量的影响

由图4 可以看出，Cd 的添加显著降低了土壤的 pH，较 CK 相比降低了 0.29，但施用 Mn 肥使土壤 pH 较 CK 处理降低了 0.14。同样，土壤的有效 Mn 含量与土壤 pH 变化趋势一致（图4B），Cd 的添加显著降低了土壤的有效 Mn 含量，比 CK 降低了 22.18%，而 Mn 肥添加显著增加了土壤有效 Mn 含量，比 Cd 处理增加了 68.09%。施用 Mn 肥显著降低了土壤有效 Cd 含量，较 Cd 处理降低了 25.61%（图4C）。土壤 pH 与土壤有效 Cd 含量呈显著负相关（图4D）。

2.5 小麦植株各部位离子含量以及土壤理化性质之间的相关性分析

对小麦产量、土壤有效 Cd、Mn 含量与小麦各部位 Cd、Mn 含量以及小麦根部向地上部 Cd 转移系数进行了相关性分析，结果如表3 所示。小麦籽粒产量与土壤有效 Cd 含量、小麦根部和地上部 Cd 含量以及小麦根部-地上部 Cd 转运系数呈显著负相关；而与土壤有效 Mn 含量、小麦根部和地上部 Mn 含量呈正相关。土壤有效 Cd 含量与小麦根部和地上部 Cd 含量以及小麦-地上部 Cd 转运系数均呈正相关（P<0.01），而与土壤有效 Mn 含量、小麦地上部 Mn 含量呈负相关。土壤有效 Mn 含量与小麦根部和地上部 Mn 含量呈显著正相关（P<0.01），且小麦地上部 Mn 含量与小麦根部和地上部 Cd 含量呈负相关，表明施用 Mn 肥提高了土壤有效 Mn 含量，使得小麦根部和地上部对土壤中 Mn 的吸收增强，从而抑制其对 Cd 的吸收。然而，根部 Mn 含量与小麦根部和地上部 Cd 含量呈正相关。小麦籽粒 Cd 含量与小麦根部和籽粒中各元素含量的拟合曲线如图5 所示，小麦籽粒 Cd 含量与根部和籽粒的 Mn、Fe、Zn 含量呈显著负相关（P<0.05），与土壤有效 Cd 含量、根部 Cd 含量呈显著正相关（P<0.05），表明 Mn 肥的施用促进了籽粒中 Fe、Mn、Zn 的吸收和累积，从而抑制了 Cd 的累积。

注：* 表示在 P<0.05 水平上显著相关；* * 表示在 P<0.01 水平上显著相关。

3 讨论

3.1 Cd 胁迫下施 Mn 对小麦生物量的影响

Mn 作为植物生长所需的微量营养元素，在植物体内的代谢过程中发挥着重要作用。本研究中，施 Mn 显著促进了 Cd 胁迫下小麦的生长发育，提高了籽粒产量和各部位生物量（图1），这与胡艳美等^[5]在玉米上的研究结果一致。在本试验中，施用 Mn 肥增加了小麦的产量，但低于 CK 处理，可能是由于本试验中外源 Cd 的添加浓度较高（4 mg/kg），而 Mn 肥的添加仅仅为 100 mg/kg，对 Cd 的缓解有一定的局限性。

3.2 Cd 胁迫下施 Mn 对土壤 Cd、Mn 有效性以及小麦体内 Cd、Mn 含量的影响

本研究中，施用 Mn 肥显著降低了小麦体内各部位的 Cd 含量，且提高了各部位 Mn 含量。小麦体内 Cd 含量的降低与土壤中有效 Cd 含量的降低有关（图4C、5A，表3）。在本研究中，外源 Cd 的添加显著降低了土壤的 pH，提高了土壤中 Cd 的有效性，促进了小麦中 Cd 的累积，但降低了土壤中的有效 Mn 含量。有研究表明，土壤中的 Cd²⁺ 通过形成水溶性的 CdSO₄ 络合物来提高土壤中 Cd 的活性^[31-32]。本试验中，Mn 的添加略微提高了土壤的 pH，但依然低于 CK 处理，降低了有效 Cd 含量，抑制了小麦中 Cd 的吸收和转运，这可能是由于 MnSO₄ 的添加也促进了其他阳离子的迁移和 Cd 对结合位点的竞争性吸附^[33-34]所致。周香玉等^[23] 研究发现，低量 MnSO₄ 能有效降低小麦籽粒和秸秆中 Cd 的浓度，高量反而会增加 Cd 的吸收。本试验中，施用 Mn 降低了土壤中的有效 Cd 含量，可能是土壤胶体表面形成了一定的锰氧化物，增加了土壤胶体与 Cd 之间的亲和性，促进土壤对 Cd 的吸附固定，从而实现了 Cd 的有效性降低^[35]。

在本研究中，Mn 肥的施用显著提高了土壤中有效 Mn 的含量，促进了小麦各部位对 Mn 的吸收和累积，进而降低了小麦对 Cd 的吸收，这与 Wang 等^[36]研究的结果相一致。前人的研究表明，Cd²⁺ 和 Mn²⁺ 在大多数作物体内使用相同的转运蛋白通道进行转运，当 Cd、Mn 共存时，Mn²⁺ 会成为优势电子，与载体蛋白优先结合，而 Cd²⁺ 在植物体内的运输受到抑制，导致植物体内 Cd 含量降低，缓解毒害^[37]。本试验中，Mn 肥的添加降低了小麦根部 Cd 的吸收，抑制了 Cd 从根部向地上部的转运以及小麦籽粒的 Cd 富集，表明在小麦根部 Mn 与 Cd 可能会竞争同一转运蛋白，在共存条件下，Mn 和 Cd 会产生拮抗作用^[38]。相关性分析结果也进一步说明施 Mn 对小麦 Cd 的吸收具有良好的拮抗效果（表3）。

本研究中，土壤添加 MnSO₄ 显著降低了土壤 Cd 的生物有效性，增加了土壤 Mn 的生物有效性，促进了 Mn 在小麦体内的累积，减少了 Cd 在小麦中的积累，这与以往的研究结果一致^[26]。还有研究表明，土壤中添加 MnSO₄ 会促进 Cd 通过液泡的区隔化，从而减少 Cd 向上运输^[26]。因此，土壤中可溶性 Mn 的增加和可溶性 Cd 的减少同时抑制了小麦对 Cd 的吸收^[37]。在本研究中，施用 Mn 降低了小麦籽粒的 Cd 富集系数（表2），表明土壤溶液向根部细胞流入的 Cd 减少，从而降低了向地上部籽粒中 Cd 的转运^[38]。小麦根系 Cd 浓度不仅受土壤 Cd 流入的控制，还受到根部至茎部 Cd 转运的外排控制^[39]。植物根系液泡对 Cd 的固存是降低根到茎转运外排的有效途径^[40]。本试验中，施 Mn 降低了根部至秸秆、穗轴至颖壳、颖壳至籽粒的 Cd 转运，这一结果与 Wang 等^[36]研究的结果相一致： MnSO₄ 的添加降低了低 Cd 小麦中根系向籽粒中的 Cd 转运。此外，Yu 等^[41] 在水稻中的研究发现， Mn 和 Cd 会在根系竞争一种未知的外排转运蛋白，导致木质部、茎部和籽粒中 Cd 的减少。总之，施用 Mn 可以减少 Cd 从根部向籽粒中的转运。

3.3 Cd 胁迫下施用 Mn 对小麦体内 Fe、Zn 含量的影响

在本研究中，土壤施用 Mn 肥不仅仅影响 Cd 和 Mn 的吸收和累积，而且还影响了小麦各部位 Fe 和 Zn 的吸收（图3）。施 Mn 促进了小麦根部、秸秆和籽粒中 Fe 和 Zn 含量，这与以往的研究相一致^[27，33]。此外，本试验中小麦籽粒中的 Cd 含量与小麦根部和籽粒中的 Mn、Fe、Zn 含量均呈显著负相关关系（P<0.05）（图5）。有研究表明，Cd 与 Mn 和 Zn 在水稻茎部的转运表现出协同效应^[42]，而在小麦的根部 Mn 的二价阳离子通道也可以运输 Zn 和 Fe。因此，土壤施 Mn 不仅可以增加小麦对 Mn 的吸收，还能促进小麦根系对 Zn 和 Fe 的吸收，通过养分与 Cd 的拮抗作用减少 Cd 的累积^[14]。

北方石灰性土壤作为我国冬小麦的主要产区，降低小麦籽粒中的 Cd 浓度尤为重要，但缺乏有效的修复和改良措施，特别是在石灰性土壤中。目前有大量研究表明，通过叶面喷施和土壤施用相结合的措施可以进一步降低小麦籽粒中 Cd 的积累^[43]。因此，在石灰性土壤中，应选择多种修复措施相结合，以实现北方石灰性土壤中 Cd 污染的安全利用。

4 结论

（1）施 Mn 缓解了 Cd 对小麦的毒害作用，促进了小麦的生长发育，增加了各部位的生物量和产量。

（2）施 Mn 降低了土壤的 pH 和土壤的有效 Cd 含量，同时显著提高了土壤中的有效 Mn 含量，促进了小麦根部对 Mn 的吸收以及 Fe、Zn 的生物可给性，减少了根部 Cd 向小麦地上部的转运，降低了小麦籽粒的 Cd 累积。

参考文献