王沛裴,鄭順林,2①,萬年鑫,趙婷婷,何彩蓮,袁繼超,2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,四川 成都　611130；2.西南地區(qū)作物栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都　611130)

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有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd污染下馬鈴薯生長(zhǎng)及土壤酶活性的影響

王沛裴1,鄭順林1,2①,萬年鑫1,趙婷婷1,何彩蓮1,袁繼超1,2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,四川 成都611130；2.西南地區(qū)作物栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都611130)

摘要：采用土培盆栽試驗(yàn)研究基施有機(jī)肥對(duì)w(Pb)為900 mg·kg-1、w(Cd)為5 mg·kg-1脅迫下馬鈴薯植株形態(tài)、葉片生理和根際土壤酶活性的影響，探討有機(jī)肥對(duì)馬鈴薯Pb、Cd毒害的緩解作用。結(jié)果表明：(1)Pb、Cd污染下，底施有機(jī)肥對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。塊莖成熟期，馬鈴薯根際土壤中脲酶活性、過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性分別比未施有機(jī)肥處理增加70.9%、5.6%和58.6%，馬鈴薯葉片SOD活性和葉綠素含量分別增加4.7%和9.6%；(2)成熟期Pb、Cd復(fù)合污染下底施有機(jī)肥處理馬鈴薯葉片SOD活性和葉綠素含量比Pb單因素污染分別低12.7%和4.1%，比Cd單因素污染分別低8.4%和14.7%；(3)Pb、Cd污染下，底施有機(jī)肥處理馬鈴薯平均株高和產(chǎn)量比未施有機(jī)肥處理分別增加32.7%和40.8%，塊莖中Pb和Cd平均累積量分別減少87.4%和16.7%。試驗(yàn)結(jié)果表明馬鈴薯底施有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd脅迫均有較明顯的緩解效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：Pb、Cd復(fù)合污染；有機(jī)肥；馬鈴薯；酶活性

土壤酶活性是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。土壤酶對(duì)重金屬敏感性強(qiáng),具有專一性和綜合性,通過其與植物的生理指標(biāo)相結(jié)合可確定土壤受重金屬污染的程度[1],因此有研究表明土壤酶活性對(duì)w(Cd)臨界值為5 mg·kg-1,w(Pb)為500 mg·kg-1[2]。Pb、Cd污染時(shí),土壤根際脲酶和蔗糖酶活性隨受Pb、Cd污染程度的增加呈先增后減的趨勢(shì)[3]。Pb、Cd污染引起土壤環(huán)境的變化會(huì)直接抑制植物生長(zhǎng),其外在表現(xiàn)包括葉片變黃、植株矮小、產(chǎn)量降低等[4],內(nèi)在表現(xiàn)包括植物體內(nèi)超氧化物岐化酶活性和葉綠素含量改變等[5]。隨污染脅迫時(shí)間延長(zhǎng),植物體內(nèi)SOD活性迅速下降,減弱植物對(duì)重金屬的抵御能力,破壞植物抗氧化系統(tǒng)的平衡性[6]。

有機(jī)肥在受重金屬污染土壤中被廣泛用作改良劑。COVELO等[7]研究表明,有機(jī)物可通過吸附、螯合等作用固定重金屬,創(chuàng)造有利于Cd、Pb沉淀?xiàng)l件,降低土壤Cd、Pb活性和生物有效性,改善土壤環(huán)境。李正強(qiáng)等[8]研究表明,有機(jī)肥能促進(jìn)植物生長(zhǎng),提高植物地下生物量,減少重金屬對(duì)作物根系毒害。2014年四川省首次發(fā)布的《土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》表明,Cd以超標(biāo)率28.7%成為主要污染物,對(duì)糧食質(zhì)量安全構(gòu)成較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。目前Pb、Cd污染對(duì)馬鈴薯(Solanumtuberosum)生長(zhǎng)的影響鮮有報(bào)道,筆者通過對(duì)馬鈴薯底施有機(jī)肥,探討有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd污染土壤的緩解效應(yīng),為Pb、Cd污染下施加有機(jī)肥以保障馬鈴薯安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試土壤取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田,土壤理化性質(zhì)如下:w(Pb)為44.62 mg·kg-1,w(Cd) 為0.54 mg·kg-1,w(有機(jī)質(zhì)) 為10.78 g·kg-1,w(全氮)為2.34 g·kg-1,w(速效磷)為6.99 mg·kg-1,w(速效鉀)為42.64 mg·kg-1,pH值為6.83;馬鈴薯品種為脫毒種薯川芋117;有機(jī)肥由四川省阿壩州營養(yǎng)土基地提供:w(N)≥5%,w(P)≥5%,w(K)≥5%，w(有機(jī)質(zhì))≥30%; Pb(NO3)2和CdCl2由成都市科龍化工試劑廠提供,均為分析純。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采集土壤,移去殘枝、石子等雜物且充分混勻后,分裝于規(guī)格一致的塑料桶(長(zhǎng)57 cm，寬35 cm，高25 cm)中,每桶裝土15 kg。試驗(yàn)設(shè)以下處理:對(duì)照(CK)、添加有機(jī)肥(有機(jī)肥)、添加Pb(Pb)、添加Cd(Cd)、添加Pb和Cd(Pb+Cd)、添加Pb和有機(jī)肥(Pb+有機(jī)肥)、添加Cd和有機(jī)肥(Cd+有機(jī)肥)以及添加Pb、Cd和有機(jī)肥(Pb+Cd+有機(jī)肥)。有機(jī)肥和Pb(NO3)2以固體形式與土壤混勻,CdCl2以溶液形式與土壤混勻,Pb添加量為900 mg·kg-1，Cd為5 mg·kg-1,有機(jī)肥為100 g·kg-1,每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。于2014年9月10日開始種植馬鈴薯,每桶6株,2014年12月26日收獲馬鈴薯。

1.3指標(biāo)測(cè)定及方法

在馬鈴薯苗期、塊莖形成期及塊莖成熟期分別取樣。根際土壤脲酶活性采用靛酚比色法測(cè)定,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法[9]測(cè)定,馬鈴薯葉片中SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定,葉綠素含量采用分光光度計(jì)法測(cè)定;馬鈴薯塊莖中Pb、Cd全量采用火焰原子吸收法測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2結(jié)果與分析

2.1有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd污染下馬鈴薯土壤根際酶活性的影響

由圖1可知,苗期有機(jī)肥處理土壤根際脲酶活性顯著低于CK處理(P<0.05)。塊莖成熟期,Pb+有機(jī)肥和Cd+有機(jī)肥處理脲酶活性分別比Pb和Cd處理顯著增加78.5%和74.1%(P<0.05),Pb+Cd+有機(jī)肥比Pb+Cd處理減少11.1%,但差異不顯著。底施有機(jī)肥能提高Pb、Cd污染下馬鈴薯根際土壤脲酶活性,且Pb、Cd單一處理比Pb+Cd復(fù)合處理脲酶活性提高率高。

Pb+Cd+有機(jī)肥和Pb+Cd處理土壤根際過氧化氫酶活性差異不大。單一Cd污染時(shí),塊莖形成期有機(jī)肥處理馬鈴薯根際土壤過氧化氫酶活性被顯著激活,塊莖成熟期Cd+有機(jī)肥處理比Cd處理顯著增加12.7%(P<0.05);單一Pb污染時(shí),Pb+有機(jī)肥處理馬鈴薯土壤根際過氧化氫酶活性則顯著低于Pb處理(P<0.05)。

Pb+Cd+有機(jī)肥處理馬鈴薯根際土壤蔗糖酶活性比Pb+Cd處理顯著提高(P<0.05)。塊莖成熟期,有機(jī)肥處理蔗糖酶活性與CK對(duì)照相比僅增加5.2%,而Pb+有機(jī)肥、Cd+有機(jī)肥和Pb+Cd+有機(jī)肥處理分別比Pb、Cd、Pb+Cd處理組顯著增加58.2%、61.9%和54.8%(P<0.05)。

2.2有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd污染下馬鈴薯葉片生理指標(biāo)的影響

2.2.1有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd污染下馬鈴薯葉片葉綠素含量的影響

如圖2所示,底施有機(jī)肥可顯著增加Pb、Cd污染土壤的馬鈴薯葉片葉綠素含量(P<0.05)。塊莖成熟期,Pb+有機(jī)肥、Cd+有機(jī)肥和Pb+Cd+有機(jī)肥處理葉綠素a含量分別比Pb、Cd和Pb+Cd處理顯著增加23.2%、40.4%和22.8%,葉綠素b含量分別顯著增加41.6%、44.5%和14.4%,類胡蘿卜素含量分別顯著增加27.8%、42.5%和18.4%,且有機(jī)肥的添加對(duì)單一Cd污染下馬鈴薯葉綠素和類胡蘿卜素含量影響最大。

同一幅圖中同一時(shí)期直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理組間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

同一幅圖中同一時(shí)期直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理組間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.2.2有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd污染下馬鈴薯葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

如圖3所示,苗期底施有機(jī)肥可顯著增強(qiáng)馬鈴薯葉片中SOD活性(P<0.05)。塊莖成熟期,Pb+有機(jī)肥和Cd+有機(jī)肥處理馬鈴薯葉片中SOD活性分別比Pb和Cd處理組顯著增加23.2% 和13.4%,而Pb+Cd+有機(jī)肥處理葉片中SOD活性比Pb+Cd處理顯著降低(P<0.05)。

同一時(shí)期直方柱上方英文小寫字母不同表明不同處理組間馬鈴薯葉片SOD活性差異顯著(P<0.05)。

2.3有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd污染下馬鈴薯形態(tài)指標(biāo)的影響

如表1所示,苗期各處理組株高為10.2～21.4 cm,塊莖成熟期為22.0～41.9 cm。Pb、Cd污染時(shí)底施有機(jī)肥可顯著增加馬鈴薯株高(P<0.05)。塊莖成熟期Pb+有機(jī)肥、Cd+有機(jī)肥和Pb+Cd+有機(jī)肥處理馬鈴薯株高分別比Pb、Cd、Pb+Cd處理顯著增加33.1%、66.7%和50.1%(P<0.05)。

Pb、Cd污染下,Pb、Cd、Pb+Cd處理馬鈴薯單株產(chǎn)量均顯著低于CK,且Pb+Cd處理組馬鈴薯單株產(chǎn)量最低(24.44 g·株-1)。施加有機(jī)肥可顯著增加馬鈴薯單株產(chǎn)量,Pb+有機(jī)肥、Cd+有機(jī)肥和Pb+Cd+有機(jī)肥處理馬鈴薯單株產(chǎn)量分別比Pb、Cd和Pb+Cd處理顯著提高77.2%、37.2%和107.6%(P<0.05),表明有機(jī)肥可緩解Pb、Cd污染對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的脅迫,且對(duì)Pb+Cd復(fù)合污染的緩解效果最好。

表1馬鈴薯株高和產(chǎn)量的變化

Table 1Changes in plant height and yield of potato

處理組株高/cm苗期塊莖形成期塊莖成熟期產(chǎn)量/(g·株-1)Pb14.4±2.1c26.0±2.2bc28.0±1.4cd29.40±1.09dCd16.1±1.1c18.0±2.0d22.0±1.9d37.73±0.63cPb+Cd10.2±1.2d17.0±0.9d23.3±1.9d24.44±1.33ePb+有機(jī)肥21.0±2.7a34.3±0.7a37.3±1.8ab52.09±0.99bCd+有機(jī)肥16.7±0.9bc23.6±1.0c36.7±2.9ab51.78±0.05bPb+Cd+有機(jī)肥22.0±2.5a32.7±0.5a35.0±2.9b50.75±0.66b有機(jī)肥21.4±1.7a35.0±0.6a41.9±1.9a57.68±0.76aCK19.7±0.9ab27.7±1.7b32.0±1.3bc38.10±1.23c

同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理組間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.4有機(jī)肥對(duì)馬鈴薯塊莖中Pb、Cd含量的影響

由表2可知,施加有機(jī)肥顯著減少馬鈴薯塊莖中Pb、Cd含量(P<0.05)。塊莖成熟期,有機(jī)肥、Pb+有機(jī)肥和Pb+Cd+有機(jī)肥處理組Pb累積量分別比CK、Pb和Pb+Cd處理組顯著降低54.5%、92.1%和80.5%，Cd累積量分別顯著降低43.8%、17.1%和16.3%。

3討論

有機(jī)肥中的胡敏酸、富里酸易與重金屬離子形成絡(luò)合物,降低土壤中Pb2+、Cd2+生物活性,保護(hù)根際土壤中脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性,降低植物對(duì)土壤中重金屬元素的吸收[10]。苗期Cd和Cd+有機(jī)肥處理脲酶活性較高,是由于苗期馬鈴薯逐漸由吸收母體養(yǎng)分轉(zhuǎn)為吸收土壤養(yǎng)分,Cd生物活性較強(qiáng),對(duì)脲酶活性產(chǎn)生促進(jìn)作用,但隨著生育時(shí)期推進(jìn),Cd脅迫加強(qiáng),開始出現(xiàn)抑制作用。Pb、Cd污染時(shí),底施有機(jī)肥可提高馬鈴薯根際土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性,其原因是有機(jī)肥含有大量微生物和腐殖質(zhì),能幫助馬鈴薯根系代謝,增加根系分泌物,加快微生物繁殖,提高土壤酶活性;有機(jī)肥亦能穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu),提供生物活性物質(zhì),為土壤微生物活動(dòng)提供基質(zhì)和能源,從而間接影響土壤中重金屬行為[11]。葉綠素和SOD是植物抗氧化系統(tǒng)的防線,它們的變化是植物遭受重金屬毒害的重要表現(xiàn)[12]。Pb、Cd污染下底施有機(jī)肥可增加馬鈴薯葉片中葉綠素含量,其原因是馬鈴薯需要更多能量維持體內(nèi)正常代謝[13]。Cd污染時(shí)葉綠素含量波動(dòng)較大,因?yàn)镃d的絡(luò)合物會(huì)使植物加速吸收Mg、Fe、K、P等離子,促進(jìn)葉綠素合成相關(guān)酶,改變酶的正常構(gòu)型,抑制酶活性,阻礙葉綠素合成。Pb、Cd污染時(shí),底施有機(jī)肥增加馬鈴薯葉片中SOD活性,主要是因?yàn)榈资┯袡C(jī)肥可促進(jìn)Pb2+、Cd2+形態(tài)轉(zhuǎn)化,減少自由基產(chǎn)生,降低對(duì)馬鈴薯的傷害,使抗氧化系統(tǒng)達(dá)到新的平衡[14];底施有機(jī)肥酶促效應(yīng)增強(qiáng),加速土壤有機(jī)質(zhì)分解,有利于馬鈴薯根系對(duì)養(yǎng)分吸收,緩解Pb、Cd污染,為馬鈴薯的生長(zhǎng)提供更好的環(huán)境。

表2成熟期馬鈴薯塊莖中Pb、Cd含量

Table 2Contents of Pb and Cd in potato tubers at the maturing stage

mg·kg-1

“—”表示未測(cè)定。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理組間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

株高是營養(yǎng)體生長(zhǎng)的重要特征,也是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程內(nèi)在協(xié)調(diào)性強(qiáng)弱的外在表現(xiàn)。底施有機(jī)肥可保護(hù)馬鈴薯根際土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性并增加馬鈴薯葉片SOD活性和葉綠素含量,為馬鈴薯生長(zhǎng)提供相對(duì)較好的環(huán)境。相關(guān)性分析表明,馬鈴薯產(chǎn)量與株高、脲酶活性、蔗糖酶活性呈顯著相關(guān);馬鈴薯株高與SOD活性、過氧化氫酶活性呈顯著相關(guān)。

4結(jié)論

在Pb、Cd污染土壤中底施有機(jī)肥可提高土壤根際脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性以及馬鈴薯葉片SOD活性和葉綠素含量,降低馬鈴薯塊莖中Pb、Cd含量,減緩Pb、Cd危害,提高馬鈴薯產(chǎn)量。有機(jī)肥對(duì)Pb、Cd單一污染的緩解作用明顯高于Pb+Cd復(fù)合污染。

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(責(zé)任編輯： 陳昕)

收稿日期：2015-06-02

基金項(xiàng)目：四川科技支撐計(jì)劃(2012NZ0017);四川省育種攻關(guān)配套項(xiàng)目(2011NZ0098-15-5)

通信作者①E-mail: zhengshunlin123@163.com

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-4831(2016)04-0659-05

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.022

作者簡(jiǎn)介：王沛裴(1991—),女,重慶市人,碩士生,主要從事馬鈴薯高產(chǎn)栽培技術(shù)研究。E-mail: wangpp717@163.com

Effects of Organic Manure on Growth of Potato and Soil Enzyme Activity in Soils Polluted With Pb and Cd.

WANG Pei-pei1， ZHENG Shun-lin1,2， WAN Nian-xin1， ZHAO Ting-ting1， HE Cai-lian1, YUAN Ji-chao1,2

(1.College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China;2.Key Laboratory of Southwest Crop Cultivation, Chengdu 611130, China)

Abstract:A pot experiment was carried out on effects of application of organic manure as base fertilizer on plant morphology and leaf physiology of the potato growing in the soil under lead (900 mg·kg-1) and cadmium (5 mg·kg-1) stresses and on rhizospheric soil enzyme activity for exploration of effects of organic manure mitigating harm of Pb and Cd to the plant. Results of the experiment show:(1) basal application of organic manure promoted growth of the potato growing in the soils polluted with Pb and Cd, and at the tuber maturing stage, urease, catalase and invertase in the rhizosphere of the plant increased by 70.9%, 5.6% and 58.6%, respectively, in activity, and furthermore, superoxide dismutase (SOD) did by 4.7% in activity and chlorophyll content by 9.6% in leaves of the plant as compared with that in the soils without application of organic manure; (2) in the soil under combined pollution of lead and cadmium, basal application of organic manure reduced the activity of SOD by 12.7% and 8.4%, and the content of chlorophyll by 4.1% and 14.7% in leaves of the plant at the maturing stage as compared, respectively, with that of the plant in the soils polluted with lead and cadmium, separately; and (3) basal application of organic manure increased the plant in polluted soils by 32.7% and 40.8% in plant height and yield, respectively, over the plants in the soils without application of organic manure, and reduced mean accumulation of lead and cadmium in tuber by 87.4% and 16.7%, respectively. The pot experiment demonstrates that basal application of organic manure is obviously effective in mitigating the stresses of lead and cadmium to potato.

Key words:lead and cadmium compound pollution; organic manure; potato; enzyme activity