李培嶺，李轉(zhuǎn)玲

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南昌 330045；2.江西青年職業(yè)學(xué)院，南昌 330045)

0 引 言

土壤重金屬污染植物修復(fù)研究已較為廣泛，其中植物生物量累積以及重金屬富集、轉(zhuǎn)移是影響修復(fù)效率的關(guān)鍵[1,3]。水肥是影響植物生理特性重要因素，目前水肥一體灌溉方式是重要的植物節(jié)水節(jié)肥調(diào)控技術(shù)，肥液濃度是影響植物生長發(fā)育的主要調(diào)節(jié)因素[4,5]。常規(guī)均勻灌溉方式，水肥的深層滲漏損失及地表徑流損失問題突出[5,6]，而且容易造成土壤重金屬污染擴(kuò)散。采用根區(qū)交替灌溉等方式節(jié)約水資源同時(shí)，減少了灌水入滲面積和地表徑流，可顯著降低土壤剖面根區(qū)水分、養(yǎng)分的深層滲漏[7,8]，可能有利于控制重金屬污染地表遷移和深層擴(kuò)散。另外現(xiàn)有的水肥供應(yīng)制度下植物根系發(fā)育誘導(dǎo)作用不明顯，且養(yǎng)分與重金屬吸收相互制約問題突出，不利于土壤復(fù)合重金屬植物之間的吸收[9,10]；現(xiàn)有水肥調(diào)配制度下植物生理代謝與修復(fù)特性的相互制約問題突出，影響植物重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)效率和累積能力[11-13]。據(jù)此需要進(jìn)一步探索土壤復(fù)合重金屬污染環(huán)境的水肥調(diào)節(jié)機(jī)制，多植物復(fù)合重金屬吸收的水肥供應(yīng)機(jī)制，以及植物生理代謝與修復(fù)特性的水肥協(xié)調(diào)機(jī)制等，為提高植物重金屬修復(fù)特性奠定基礎(chǔ)。本文從植物重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積等方面，深入探索土壤重金屬污染修復(fù)植物的水肥利用機(jī)制，為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重金屬污染修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

2014年1月至2015年12月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，進(jìn)行了水肥一體分根區(qū)灌溉下土壤重金屬污染植物修復(fù)調(diào)節(jié)機(jī)制研究。經(jīng)實(shí)驗(yàn)前期田間土壤重金屬含量檢測(cè)，鎘含量在4.14～4.78 mg/kg，鋅含量在528～610 mg/kg，其他土壤重金屬含量未超出國家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)區(qū)屬于鎘鋅復(fù)合重金屬污染土壤環(huán)境。由于芥菜對(duì)重金屬鎘富集能力強(qiáng)，莧菜對(duì)鋅富集能力較強(qiáng)[7,9]，本文以芥菜與莧菜起壟間作修復(fù)土壤鎘鋅復(fù)合重金屬污染為例，創(chuàng)新設(shè)計(jì)水肥一體隔溝灌溉試驗(yàn)。設(shè)置肥水溶液濃度水平，以及隔溝固定灌溉與隔溝交替灌溉對(duì)比試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目依據(jù)土壤重金屬植物修復(fù)特性，針對(duì)土壤鎘鋅復(fù)合重金屬污染采用兩種植物間作修復(fù)，通過起壟種植且每壟種植兩行、其中一行為芥菜和另一行為莧菜。每壟長為10 m，壟頂寬為0.3 m，壟底寬為0.4 m；壟間灌水溝底寬為0.15 m、灌水溝頂寬為0.3 m。每8壟為一試驗(yàn)小區(qū)，每小區(qū)重復(fù)3次，共45小區(qū)。設(shè)置隔溝固定灌溉C1、隔溝交替灌溉C2、常規(guī)溝灌C3三種模式，灌水定額相同(120 mm)，整個(gè)生育期共灌溉5次，設(shè)置不同肥水比溶液濃度(氮含量：水質(zhì)量比分別為0.000 74、0.000 88、0.001 02、0.001 16、0.001 30，對(duì)應(yīng)水平標(biāo)記為N1、N2、N3、N4、N5水平)，共15處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。試驗(yàn)材料選擇“紅圓葉”莧菜籽，由湖南省長沙市銀田蔬菜種子實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，以及印度芥菜。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

鎘含量采用石墨爐原子吸收光譜法檢測(cè)(GB/T5009.15-2003)；鋅Z含量采用冷原子吸收光譜法檢測(cè)(GB/T5009.17-2003)。采用富集系數(shù)(Bioaccumulation factors，BCFs-蔬菜中的重金屬含量/土壤中的重金屬含量)評(píng)價(jià)莧菜富集土壤重金屬的能力，BCFs越大說明蔬菜富集重金屬的能力越強(qiáng)；采用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(Translocation factors，TFs-地上部重金屬含量/根部重金屬含量)評(píng)價(jià)莧菜由根部向可食部轉(zhuǎn)移重金屬的能力，TFs>1，表明重金屬主要分布于可食部；TFs

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

用SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布且方差齊者多組樣本均數(shù)的比較采用單因素方差分析，組間比較采用SNK-q檢驗(yàn)；數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布或方差不齊者多組樣本均數(shù)的比較采用Kruskal-Wal1is H 檢驗(yàn)，組間比較采用秩變換技術(shù)結(jié)合完全隨機(jī)設(shè)計(jì)的方差分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)前后比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 芥菜與莧菜間作下生物量對(duì)水肥一體隔溝灌溉的響應(yīng)

表1中灌溉方式對(duì)芥菜和莧菜生物量累積影響結(jié)果表明，按大小及差異顯著性排序，常規(guī)溝灌(C3)下芥菜和莧菜地上部和根部的生物累積量最大，其次是水肥一體隔溝交替灌溉(C2)和水肥一體隔溝固定灌溉(C1)，而C2與C3模式下芥菜根部生物量差異不顯著；植物生物量在肥液濃度水平處理下，芥菜地上部生物量表現(xiàn)為N5>N4>N3>N2>N1，芥菜根部和莧菜地上部的生物量表現(xiàn)為N5>N3>N2，莧菜根部則為N5>N2，表明芥菜地上部、芥菜根部及莧菜地上部、莧菜根部的生物量對(duì)肥液濃度敏感度逐漸下降。

表1 水肥一體灌溉下植物生物量對(duì)灌溉方式和肥液濃度單因素處理的響應(yīng) g/株

表2 水肥一體隔溝灌溉下植物生物量的組合處理影響 g/株

表2結(jié)果表明組合處理下C2N5與C3N5的芥菜、莧菜的生物量最高，相比之下C2N4、C3N4處理僅芥菜地上部生物量略小，C3N3下芥菜地上部生物量下降顯著，C2N3下芥菜與莧菜地上部均顯著下降，可見水肥一體交替灌溉、常規(guī)灌溉與肥液濃度耦合對(duì)生物量累積影響趨于一致。另外C1灌溉模式下除C1N5處理芥菜根部生物量外，其余組合處理均小于C2、C3灌溉模式。說明水肥一體隔溝交替灌溉具有同常規(guī)溝灌相同的水肥調(diào)節(jié)效應(yīng)，而植物生物量在水肥一體隔溝交替灌溉下更節(jié)水節(jié)肥。

2.2 芥菜與莧菜間作下重金屬含量對(duì)水肥一體隔溝灌溉的響應(yīng)

表3中灌溉方式對(duì)芥菜和莧菜重金屬含量累積影響試驗(yàn)結(jié)果，按部位、大小及差異顯著性排序，表明芥菜與莧菜的地上部重金屬含量表現(xiàn)為C3>C2>C1，根部則為C3和C2>C1，可見相比常規(guī)灌溉以及水肥一體隔溝固定灌溉，水肥一體隔溝交替灌溉對(duì)植物重金屬含量累積也具有顯著的促進(jìn)作用；植物重金屬含量在肥液濃度影響下，芥菜地上部表現(xiàn)為N5>N3>N2>N1，芥菜根部為N5>N4>N3>N2，莧菜地上部表現(xiàn)為N5>N3，莧菜根部則為N5>N2，表明芥菜重金屬含量受肥液影響敏感度明顯大于莧菜。

表4中植物重金屬含量多重比較分析結(jié)果表明，C3N5組合處理下芥菜地上部、莧菜地上部和根部，以及C2N5的芥菜根部的重金屬含量為兩植物不同部位最高。相比之下C3N4與C3N5處理的植物重金屬含量差異不顯著，與C2N5相比C2N4處理下僅芥菜根部略有下降，說明C2、C3灌溉模式在肥液濃度較高水平(N4、N5)處理下有利于重金屬累積。說明常規(guī)灌溉、水肥一體隔溝交替灌溉下顯著提升芥菜重金屬含量，需要較高肥液濃度水平支持。

表3 水肥一體隔溝灌溉下植物重金屬含量的單因素影響 mg/kg

表4 水肥一體隔溝灌溉下植物重金屬含量的組合處理影響 mg/kg

2.3 芥菜與莧菜間作下重金屬富集及轉(zhuǎn)移對(duì)水肥一體隔溝灌溉響應(yīng)

表5中灌溉方式對(duì)芥菜和莧菜重金屬富集與轉(zhuǎn)移影響，按大小及差異顯著性排序，芥菜與莧菜的重金屬富集系數(shù)表現(xiàn)為C3和C2>C1，且芥菜地上部重金屬富集系數(shù)C3>C2。植物重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)表現(xiàn)為芥菜為C3>C1>C2，莧菜為C3>C2>C1，相比常規(guī)灌溉而水肥一體交替隔溝灌溉模式降低9.3%以下， 水肥一體固定隔溝灌溉降低20.46%以下；肥液濃度對(duì)植物重金屬富集系數(shù)影響，芥菜地上部表現(xiàn)為N5>N4>N2>N1，芥菜根部為N5>N4>N3>N2，莧菜地上部及根部為N5>N2，可見芥菜重金屬富集系數(shù)對(duì)肥液濃度響應(yīng)更敏感，肥液濃度對(duì)植物轉(zhuǎn)移系數(shù)影響僅莧菜表現(xiàn)為N5>N1。

表5 水肥一體隔溝灌溉下植物重金屬富集及轉(zhuǎn)移系數(shù)的單因子影響Tab.5 Single factor influence on plant heavy metal enrichment and transfer coefficient under integrated water and fertilizer separate furrow irrigation

表6中組合處理下植物重金屬富集及轉(zhuǎn)移系數(shù)，結(jié)果表明芥菜地上部為C3N5處理最高，其次為C3模式下N3、N4水平，C2模式下N3、N4和N5水平，C1模式下N4和N5水平等組合，可見較高肥液濃度水平與不同灌溉模式組合對(duì)芥菜地上部的重金屬富集均有促進(jìn)作用。芥菜根部為C2N5處理最高，其次為C3N5和C2N4，表明水肥一體交替隔溝灌溉比常規(guī)灌溉對(duì)芥菜根部重金屬富集作用更顯著。莧菜地上部及根部則C2、C3模式下N3、N4、N5以及C3下N1、N2水平等組合最高；植物重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)，芥菜僅C2N5低于其他處理，莧菜僅C1N2和C1N1低于其他處理，同常規(guī)灌溉相比C2、C3灌溉模式與N4、N5肥液濃度組合下植物重金屬富集系數(shù)較高，兼顧較高的重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)則C2N4、C3N4和C3N5組合處理下植物重金屬修復(fù)效率最為理想。

表6 水肥一體隔溝灌溉下植物重金屬富集及轉(zhuǎn)移系數(shù)的組合處理影響Tab.6 The combination of treatment effect on plant heavy metal plant heavy metal enrichment and transfer coefficient under integrated water and fertilizer separate furrow irrigation

3 討 論

土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)，已經(jīng)取得了一定的研究成果[14-16]，目前針對(duì)水肥調(diào)控影響植物重金屬修復(fù)特性的研究相對(duì)較少，本項(xiàng)目利用重金屬富集植物的生育特點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)水肥一體隔溝灌溉方法，促進(jìn)植物重金屬收獲量、重金屬富集系數(shù)以及重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)等方面的改善，進(jìn)而提高植物的修復(fù)特性。

灌溉方式影響下植物重金屬收獲量(生物量與重金屬含量相乘)，相比常規(guī)灌溉而水肥一體隔溝交替灌溉重金屬收獲量下降22.96%～32.21%，芥菜根部重金屬收獲量則提高6.35%。重金屬富集系數(shù)差異較小，轉(zhuǎn)移系數(shù)降低9.3%以下，水肥一體固定隔溝灌溉降低20.46%以下。水肥一體固定隔溝灌溉則重金屬收獲量、重金屬富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)在三種灌溉方式下均最低；肥液濃度水平處理下，重金屬收獲量隨肥液濃度增加呈上升趨勢(shì)，芥菜地上部、根部及莧菜地上部、根部的重金屬收獲量由肥液濃度N1至N5水平處理分別提高209.15%、246.06%、364.68%和284.21%。植物重金屬富集系數(shù)中芥菜對(duì)肥液濃度響應(yīng)更敏感，肥液濃度對(duì)植物轉(zhuǎn)移系數(shù)影響則相對(duì)較小。

組合處理下植物重金屬收獲量按部位區(qū)分，芥菜地上部、莧菜地上部、莧菜根部均為C3N5處理最高，芥菜根部為C2N5處理最高，其次芥菜地上部、芥菜根部及莧菜地上部、莧菜根部收獲量相對(duì)較高的分別是C2N5、C3N5、C3N4和C2N5，總體上C3N5和C2N5是植物重金屬收獲量較高處理，兩處理之間芥菜地上部及莧菜地上部、莧菜根部分別下降14.82%、18.31%、3.30%，芥菜根部提高31.36%。從不同灌溉方式下水肥溶液利用效率角度分析，相比C3N5處理而C2N5處理的總水肥用量減少一半而水肥利用效率更高。因此C2N5組合處理下植物重金屬修復(fù)特性最為理想。

4 結(jié) 語

(1)灌溉方式影響下，相比常規(guī)灌溉而水肥一體隔溝交替灌溉植物重金屬收獲量，除芥菜根部提高外，芥菜地上部、莧菜地上部以及根部均下降，富集系數(shù)除芥菜地上部降低外則其他部位變化不顯著。水肥一體固定隔溝灌溉則重金屬收獲量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均下降。肥液濃度影響下，植物重金屬收獲量隨肥液濃度增加呈上升趨勢(shì)，而重金屬富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)影響則相對(duì)較小。

(2)組合處理下芥菜及莧菜重金屬收獲量較高的為C3N5和C2N5處理，相比C3N5處理而C2N5處理重金屬收獲量的芥菜地上部及莧菜地上部、莧菜根部下降3.30%～18.31%，芥菜根部提高31.36%，且C2N5處理的水肥利用效率更高，因此C2N5組合處理下植物重金屬修復(fù)特性最為理想。

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