胡容平, 石 軍, 黃廷友, 林立金

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)研究所/農(nóng)業(yè)部西南作物有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610066;2.綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 四川 綿陽 621023; 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 果蔬研究所, 四川 成都 611130)

土施超富集植物秸稈對薺菜生長及鎘積累的影響

胡容平1, 石 軍2, 黃廷友2, 林立金3

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)研究所/農(nóng)業(yè)部西南作物有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610066;2.綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 四川 綿陽 621023; 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 果蔬研究所, 四川 成都 611130)

[目的] 研究超富集植物秸稈對富集植物重金屬積累的化感作用，為鎘污染土壤的植物修復(fù)研究提供參考。[方法] 通過在鎘污染土壤中施用鎘超富集植物〔(紅果黃鵪菜Youngiaerythrocarpa)、三葉鬼針草(Bidenspilosa)、少花龍葵(Solanumamericanum)和豨薟(Siegesbeckiaorientalis)〕秸稈,研究了4種鎘超富集植物秸稈施入土壤對鎘富集植物薺菜生長及鎘積累的影響。[結(jié)果] 4種鎘超富集植物秸稈施入土壤均提高了薺菜地上部分生物量、總生物量和抗性系數(shù),同時提高了薺菜葉片SPAD值(綠色度)。土施紅果黃鵪菜秸稈提高了薺菜根系、莖、葉片及地上部分的鎘含量,分別比各自對照高11.81%,102.07%,12.00%和54.95%,同時也提高了土樣有效態(tài)鎘含量,其余3種處理均低于各自對照。土施紅果黃鵪菜秸稈的薺菜地上部分和整株的鎘積累量均高于對照,分別為42.11和54.74 μg/株,比各自對照高83.09%和54.11%,而其余3種處理的鎘積累量均低于對照。[結(jié)論] 土施紅果黃鵪菜能夠提高薺菜對土壤鎘的積累,有利于提高薺菜對鎘污染土壤的修復(fù)效果。

超富集植物秸稈; 薺菜; 鎘; 植物化感

植物修復(fù)技術(shù)是重金屬污染土壤修復(fù)中的一種常用方法，能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境、保持土壤結(jié)構(gòu)和微生物的狀況下，通過植物的根系直接將重金屬從土壤中吸收并轉(zhuǎn)移到植物地上部分，從而達(dá)到修復(fù)被污染土壤的目的[1]。植物修復(fù)具有可在污染現(xiàn)場進(jìn)行、成本相對低廉、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。植物修復(fù)的主要材料是重金屬超富集植物，而已經(jīng)篩選出的重金屬超富集植物存在著生長緩慢、生物量小等缺點(diǎn)，這也就限制了植物修復(fù)技術(shù)的推廣與應(yīng)用[3]。為此，通過農(nóng)藝措施提高超富集植物生物量及對重金屬的吸收，從而提高植物修復(fù)的效率，對重金屬污染土壤的修復(fù)有極大的實(shí)踐意義。

植物化感作用是植物生長過程或植物腐爛過程中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)對周圍植物(包括微生物)產(chǎn)生直接或間接的、有害或有利的作用[4]。植物化感作用廣泛存在于自然界中，與植物間的光、水分、養(yǎng)分和空間的競爭一起構(gòu)成了植物之間的相互作用[4]。植物化感作用的媒介是化感物質(zhì)，化感作用的大小主要取決于物種產(chǎn)生化感物質(zhì)的潛在能力和化感物質(zhì)釋放的時間與頻率兩個方面[5]。植物化感作用會影響土壤養(yǎng)分有效性、土壤酶活性、微生物種群結(jié)構(gòu)和植物生長[6]。目前，植物化感作用已成為森林保護(hù)、有害生物控制、增加作物產(chǎn)量和促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑之一[7]。研究表明，作物秸稈還田不僅能提高土壤養(yǎng)分含量，還能促進(jìn)作物生長，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)[8]。這說明植物秸稈中的化感物質(zhì)改變了作物的生理代謝，能夠促進(jìn)作物對養(yǎng)分元素的吸收。但有關(guān)植物秸稈分解所產(chǎn)生的化感作用與重金屬植物修復(fù)技術(shù)相關(guān)性的研究卻尚未見報(bào)道。作為夏季生長的鎘超富集植物紅果黃鵪菜(Youngiaerythrocarpa)[9]、三葉鬼針草(Bidenspilosa)[10]、少花龍葵(Solanumphoteinocarpum)[11]、豨薟(Siegesbeckiaorientalis)[12]對鎘具有很強(qiáng)的耐性。為此，本研究將這4種鎘超富集植物的地上部分施入鎘污染土壤并種植冬季生長的鎘富集植物薺菜(Capsellabursa-pastoris)[13]，研究4種鎘超富集植物秸稈施入土壤對薺菜生長及鎘積累的影響，以期篩選出促進(jìn)薺菜生長和鎘積累的鎘超富集植物，為提高薺菜對鎘污染土壤的植物修復(fù)能力提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為紫色土，取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田(29°59′N，102°59′E)，其基本理化性質(zhì)詳見參考文獻(xiàn)[14]。

鎘超富集植物紅果黃鵪菜、三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟于2013年8月采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田，采集區(qū)土壤未被重金屬污染。將采集到的四種鎘超富集植物地上部分于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至衡重，粉碎，過5 mm篩，備用。

薺菜幼苗于2013年9月直接采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田(未被重金屬污染區(qū))。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2013年8—10月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場進(jìn)行。2013年8月，將土壤風(fēng)干、壓碎、過5 mm篩后，分別稱取3.0 kg裝于15 cm×18 cm(高×直徑)的塑料盆內(nèi)，加入分析純CdCl2·2.5 H2O溶液，使其鎘濃度為50 mg/kg，并與土壤充分混勻，保持淹水狀態(tài)，自然放置平衡4周后再次混合備用。2013年9月，處理好的4種鎘超富集植物秸稈分別施入制備好的鎘污染土壤中，施入量為每盆6 g，即每千克土2 g，混勻，澆水保持濕潤，平衡1周后種植薺菜幼苗。將選擇長勢一致，2片真葉展開的薺菜幼苗移栽至盆中，每盆種植4株，每個處理重復(fù)3次，每天澆水以保持盆中土壤的田間持水量約為80%。試驗(yàn)共計(jì)5個處理：未施用(CK)、施用紅果黃鵪菜、施用三葉鬼針草、施用少花龍葵、施用豨薟。35 d后薺菜處于盛花期，用葉綠素儀(SPAD-502 PLUS，日本產(chǎn))測定葉片SPAD值(綠色度，相對于葉綠素含量的讀數(shù))，每株測定完全展開的成熟新葉2片，測定位置為葉片的中心。之后，整株收獲，將植物地上部分、地下部分和土壤分別封裝。薺菜根系和地上部分分別用自來水洗凈，再用去離子水沖洗3次后，于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，稱重，粉碎，過100目篩。稱取0.500 g植物樣品，加入硝酸—高氯酸(體積比為4∶1)放置12 h后消化至溶液透明，過濾，定容至50 ml，用iCAP 6 300型ICP光譜儀測定(Thermo Scientific,USA)鎘含量[15]。土壤樣品風(fēng)干后，過1 mm篩，稱取5.000 g用0.005 mol/L DTPA-TEA浸提(土液比1∶2.5)，25 ℃震蕩2 h，用iCAP 6 300型ICP光譜儀測定土壤有效鎘含量[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采用DPS系統(tǒng)進(jìn)行方差分析(Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較)?？剐韵禂?shù)=處理組總生物量/對照組總生物量[16]，富集系數(shù)(BCF)=根系鎘含量(地上部分鎘含量)/土壤鎘含量[17]，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量[17]，轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)(TAF)=(地上部鎘含量×地上部分生物量)/(根系鎘含量×根系生物量)[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土施超富集植物秸稈對薺菜生物量的影響

從表1可以看出，土施超富集植物秸稈后，只有施用少花龍葵秸稈的薺菜根系生物量高于未施用(對照)，其余3種處理均低于對照。4種處理的薺菜莖生物量均高于對照，而土施紅果黃鵪菜、三葉鬼針草、少花龍葵秸稈的薺菜葉片生物量高于對照，土施豨薟秸稈的薺菜葉片生物量低于對照。與對照相比，4種處理的薺菜地上部分生物量和總生物量均高于對照，其中，土施紅果黃鵪菜、三葉鬼針草、少花龍葵秸稈的薺菜地上部分生物量和總生物量與對照的差異均達(dá)顯著水平，而土施豨薟秸稈的薺菜地上部分生物量和總生物量與對照的差異均不顯著。薺菜地上部分生物量和總生物量的大小順序均為：土施少花龍葵秸稈>土施紅果黃鵪菜秸稈>土施三葉鬼針草秸稈>土施豨薟秸稈>對照，這說明土施超富集植物能夠促進(jìn)薺菜的生長。4種處理的薺菜抗性系數(shù)均大于對照，且大小順序與薺菜地上生物量一致，說明土施超富集植物秸稈能夠提高薺菜的抗性。

表1 薺菜植株的生物量

注：同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 土施超富集植物秸稈對薺菜鎘含量的影響

從表2可知，土施超富集植物秸稈后，只有施用紅果黃鵪菜秸稈的薺菜根系、莖、葉片及地上部分的鎘含量均高于各自對照，分別比各自對照高11.81%，102.07%，12.00%和54.95%，其余3種處理均低于各自對照。

薺菜地上部分鎘含量的大小順序?yàn)椋和潦┘t果黃鵪菜秸稈>對照>土施豨薟秸稈>土施少花龍葵秸稈>土施三葉鬼針草秸稈，這說明提高薺菜植株的鎘含量與超富集植物的種類有關(guān)。土施紅果黃鵪菜秸稈的薺菜根系富集系數(shù)(BCF)和地上部分富集系數(shù)(BCF)均高于對照，其余3種處理均低于對照，這與鎘含量一致。就轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)而言，土施超富集植物秸稈的薺菜TF均高于對照，這說明土施超富集植物秸稈在一定程度上促進(jìn)了鎘從薺菜根系向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)。

表2 薺菜植株的鎘含量

2.3 土施超富集植物秸稈對薺菜鎘積累量的影響

植物修復(fù)效果的好壞與植物體內(nèi)的重金屬積累量有直接關(guān)系，而植物體內(nèi)的重金屬積累量與植物的重金屬含量和生物量有關(guān)。從表3可得，土施紅果黃鵪菜秸稈的薺菜根系、莖、地上部分和整株的鎘積累量均高于對照，而其余3種處理的鎘積累量均低于對照。就薺菜葉片鎘積累量而言，土施紅果黃鵪菜和少花龍葵秸稈的薺菜葉片鎘積累量均高于各自對照，而其余兩種處理的鎘積累量均低于各自對照。薺菜地上部分及整株鎘積累量的大小順序?yàn)椋和潦┘t果黃鵪菜秸稈>對照>土施少花龍葵秸稈>土施三葉鬼針草秸稈>土施豨薟秸稈。與對照相比，4種處理的薺菜地上部分及整株鎘積累量的差異均達(dá)顯著水平。4種處理的薺菜轉(zhuǎn)運(yùn)量吸收(TAF)均大于對照。

表3 薺菜植株的鎘積累量

2.4 土施超富集植物秸稈對薺菜葉片SPAD值的影響

SPAD值是相對于葉綠素含量的讀數(shù)，反映葉綠素含量的大小。從圖1可以看出，4種處理的薺菜葉片SPAD值均高于對照，其大小順序?yàn)椋和潦┥倩埧斩?土施紅果黃鵪菜秸稈>土施三葉鬼針草秸稈>土施豨薟秸稈>對照，這與薺菜地上部分生物量一致。與對照相比，土施紅果黃鵪菜、三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟的薺菜葉片SPAD值分別比對照高12.65%,11.07%,26.48%,和8.70%。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 薺菜葉片的SPAD值

2.5 土施超富集植物秸稈對土壤有效態(tài)鎘含量的影響

從圖2可知，土施紅果黃鵪菜秸稈的土壤有效態(tài)鎘含量高于對照，比對照高4.12%。土施三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈的土壤有效態(tài)鎘含量均低于對照，分別比對照低10.54%,9.24%和7.99%。土壤有效態(tài)鎘含量的大小順序?yàn)椋和潦┘t果黃鵪菜秸稈>對照>土施豨薟秸稈>土施少花龍葵秸稈>土施三葉鬼針草秸稈。

圖2 土壤有效態(tài)鎘含量

3 討 論

植物秸稈進(jìn)入土壤后，在微生物作用下逐漸腐爛、分解，其體內(nèi)的化感物質(zhì)也逐漸釋放出來[4]。植物秸稈腐爛、分解過程中會釋放一部分的養(yǎng)分，這些養(yǎng)分能促進(jìn)其他植物的生長[8]。本試驗(yàn)研究表明，土施紅果黃鵪菜、三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈后，薺菜地上部分生物量及總生物量均高于未施用的對照，提高了薺菜的抗性系數(shù)，這與4種超富集植物秸稈腐爛、分解釋放的養(yǎng)分有直接關(guān)系。同時，土施超富集植物秸稈后，只有施用少花龍葵秸稈的薺菜根系生物量高于未施用的對照，施用紅果黃鵪菜、三葉鬼針草和豨薟秸稈的薺菜根系生物量均低于對照，這說明紅果黃鵪菜、三葉鬼針草和豨薟秸稈能夠在一定程度上抑制薺菜根系的生長，降低其根冠比；而少花龍葵秸稈則能夠促進(jìn)薺菜根系生長，增加了根冠比，這與不同超富集植物秸稈分泌的化感物質(zhì)不同有關(guān)。

葉片是綠色植物進(jìn)行光合作用的重要器官，而葉綠素則是光合作用最重要的色素，其含量的高低直接影響光合產(chǎn)物合成的產(chǎn)量[19]。劉義國等[8]研究表明，秸稈還田能夠顯著提高小麥生長后期葉片中葉綠素的含量，提高光合作用，這說明秸稈還田能夠延長小麥的后期生長。本試驗(yàn)研究表明，土施紅果黃鵪菜、三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈均能提高薺菜葉片的SPAD值，這有利于薺菜光合作用的提高，促進(jìn)光合產(chǎn)物的生成，從而促進(jìn)其生長。

土壤重金屬的生物有效性直接影響植物對重金屬的吸收，而影響土壤重金屬生物有效性的物質(zhì)與植物根系分泌的有機(jī)酸有關(guān)[3-4]。本試驗(yàn)研究表明，土施紅果黃鵪菜秸稈的土壤有效態(tài)鎘含量高于對照，土施三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈的土壤有效態(tài)鎘含量均低于對照。從薺菜植株的鎘含量來看，土施超富集植物秸稈后，只有施用紅果黃鵪菜秸稈的薺菜根系、莖、葉片及地上部分的鎘含量均高于各自對照，而施用三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈的均低于各自對照。說明紅果黃鵪菜秸稈與薺菜根系共同作用后提高了土壤鎘的生物有效性，可能是紅果黃鵪菜秸稈的化感物質(zhì)促進(jìn)了薺菜根系分泌有機(jī)酸，也可能是紅果黃鵪菜秸稈在腐爛、分解過程中能夠產(chǎn)生更多的有機(jī)酸，這有待進(jìn)一步研究。此外，本試驗(yàn)研究還表明，土施紅果黃鵪菜秸稈的薺菜根系、莖、地上部分和整株的鎘積累量均高于對照，而其余3種處理的鎘積累量均低于各自對照。因此，利用紅果黃鵪菜秸稈施入土壤能夠提高薺菜對土壤鎘污染的修復(fù)能力，在植物修復(fù)中可加以應(yīng)用。

4 結(jié) 論

土施紅果黃鵪菜、三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈后，能夠提高薺菜地上部分生物量、總生物量和葉片的SPAD值，同時提高了薺菜的抗性系數(shù)，這說明4種超富集植物秸稈能夠促進(jìn)薺菜的生長。土施紅果黃鵪菜、三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈后，只有紅果黃鵪菜秸稈提高了土壤有效態(tài)鎘含量，也提高了薺菜根系、莖、葉片及地上部分的鎘含量，這與幾種超富集植物的化感作用有關(guān)。從薺菜對鎘的積累量來看，土施紅果黃鵪菜秸稈的薺菜根系、莖、地上部分和整株的鎘積累量高于對照，而其余3種處理的鎘積累量均低于各自對照。

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Effects of Applying Hyperaccumulator Straw in Soil on Growth and Cadmium Accumulation ofCapsellaBursa-pastoris

HU Rongping1, SHI Jun2, HUANG Tingyou2, LIN Lijin3

(1.InstituteofPlantProtection,SichuanAcademyofAgriculturalSciences/MOAKeyLaboratoryofIntegratedManagementofPestsonCropsinSouthwestChina,Chengdu,Sichuan610066,China; 2.MianyangAcademyofAgriculturalSciences,Mianyang,Sichuan621023,China;3.InstituteofPomologyandOlericulture,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu,Sichuan611130,China)

[Objective] The objective of this paper is to study the allelopathy effects of hyperaccumulator straw on heavy metal accumulation of accumulator in order to provide basis for the study of phytoremediation of cadmium-contaminated soil. [Methods] By applying different straws of hyperaccumulators(Youngiaerythrocarpa,Bidenspilosa,SolanumphoteinocarpumandSiegesbeckiaorientalis) in cadmium contaminated soil, the effects of hyperaccumulator straw on growth and cadmium accumulation ofCapsellabursa-pastoriswere studied. [Results] The above-ground biomass, total biomass, resistance coefficient and leaf SPAD(soil and plant analyzer development) value ofC.bursa-pastoriswas increased by applying four Cd-hyperaccumulators straws in soil, compared with the control treatment. By applying straw ofY.erythrocarpain soil, the cadmium contents in root, stem, leaf and above-ground part ofC.bursa-pastoriswere increased by 11.81%, 102.07%, 12.00% and 54.95%, respectively, compared with the control treatment. The available cadmium concentration in soil was also increased. By applying the straws ofB.pilosa,S.photeinocarpumandS.orientalisin soil, cadmium content inC.bursa-pastoriswas decreased. By applying straw ofY.erythrocarpain soil, the cadmium accumulation in above-ground part and whole plant ofC.bursa-pastoriswas 42.11 and 54.74 μg/plant, which was 83.09% and 54.11% greater than that in the control treatment, respectively. By applying the straws ofB.pilosa,S.photeinocarpumandS.orientalisin soil, cadmium accumulation inC.bursa-pastoriswas decreased. [Conclusion] Applying the straw ofY.erythrocarpain soil can improve the cadmium accumulation ofC.bursa-pastoris, which is beneficial to the remediation of soil contaminated by cadmium.

hyperaccumulator straw;Capsellabursa-pastoris; cadmium; allelopathy

2014-05-29

2014-06-17

四川省科學(xué)技術(shù)廳應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目“四川幾種重要藥用植物病害調(diào)查及川芎根腐病防治研究”(2014JY0046); 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年資助項(xiàng)目“四川獼猴桃儲藏期病害主要種類、發(fā)生特點(diǎn)及防治技術(shù)研究”(2014CXSF-018)

胡容平(1980—),男(漢族),四川省營山縣人,碩士,助理研究員,主要從事植物病理及生物防治研究。 E-mail:44573780@qq.com。

林立金(1980—),男(漢族),四川省成都市人,博士,助理研究員,主要從事果樹生理生態(tài)及栽培研究。 E-mail:llj800924@163.com。

A

1000-288X(2015)05-0217-05

X53， S154