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)大學農(nóng)學院,四川 成都　611130；2.西南地區(qū)作物栽培重點實驗室,四川 成都　611130)

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有機肥對Pb、Cd污染下馬鈴薯生長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)大學農(nóng)學院,四川 成都611130；2.西南地區(qū)作物栽培重點實驗室,四川 成都611130)

摘要：采用土培盆栽試驗研究基施有機肥對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，探討有機肥對馬鈴薯Pb、Cd毒害的緩解作用。結(jié)果表明：(1)Pb、Cd污染下，底施有機肥對馬鈴薯生長起促進作用。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復合污染下底施有機肥處理馬鈴薯葉片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，底施有機肥處理馬鈴薯平均株高和產(chǎn)量比未施有機肥處理分別增加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%。試驗結(jié)果表明馬鈴薯底施有機肥對Pb、Cd脅迫均有較明顯的緩解效應。

關鍵詞：Pb、Cd復合污染；有機肥；馬鈴薯；酶活性

土壤酶活性是評價土壤肥力的重要指標之一。土壤酶對重金屬敏感性強,具有專一性和綜合性,通過其與植物的生理指標相結(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w(Cd)臨界值為5 mg·kg-1,w(Pb)為500 mg·kg-1[2]。Pb、Cd污染時,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[3]。Pb、Cd污染引起土壤環(huán)境的變化會直接抑制植物生長,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]。隨污染脅迫時間延長,植物體內(nèi)SOD活性迅速下降,減弱植物對重金屬的抵御能力,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沉淀條件,降低土壤Cd、Pb活性和生物有效性,改善土壤環(huán)境。李正強等[8]研究表明,有機肥能促進植物生長,提高植物地下生物量,減少重金屬對作物根系毒害。2014年四川省首次發(fā)布的《土壤污染狀況調(diào)查公報》表明,Cd以超標率28.7%成為主要污染物,對糧食質(zhì)量安全構(gòu)成較大的潛在風險。目前Pb、Cd污染對馬鈴薯(Solanumtuberosum)生長的影響鮮有報道,筆者通過對馬鈴薯底施有機肥,探討有機肥對Pb、Cd污染土壤的緩解效應,為Pb、Cd污染下施加有機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試驗材料

供試土壤取自四川農(nóng)業(yè)大學試驗田,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試驗設計

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57 cm，寬35 cm，高25 cm)中,每桶裝土15 kg。試驗設以下處理:對照(CK)、添加有機肥(有機肥)、添加Pb(Pb)、添加Cd(Cd)、添加Pb和Cd(Pb+Cd)、添加Pb和有機肥(Pb+有機肥)、添加Cd和有機肥(Cd+有機肥)以及添加Pb、Cd和有機肥(Pb+Cd+有機肥)。有機肥和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,有機肥為100 g·kg-1,每處理設3個重復。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指標測定及方法

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定,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定,過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法[9]測定,馬鈴薯葉片中SOD活性采用氮藍四唑(NBT)法測定,葉綠素含量采用分光光度計法測定;馬鈴薯塊莖中Pb、Cd全量采用火焰原子吸收法測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

2結(jié)果與分析

2.1有機肥對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+有機肥和Cd+有機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+有機肥比Pb+Cd處理減少11.1%,但差異不顯著。底施有機肥能提高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復合處理脲酶活性提高率高。

Pb+Cd+有機肥和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,塊莖形成期有機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+有機肥處理比Cd處理顯著增加12.7%(P<0.05);單一Pb污染時,Pb+有機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,有機肥處理蔗糖酶活性與CK對照相比僅增加5.2%,而Pb+有機肥、Cd+有機肥和Pb+Cd+有機肥處理分別比Pb、Cd、Pb+Cd處理組顯著增加58.2%、61.9%和54.8%(P<0.05)。

2.2有機肥對Pb、Cd污染下馬鈴薯葉片生理指標的影響

2.2.1有機肥對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+有機肥、Cd+有機肥和Pb+Cd+有機肥處理葉綠素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%,且有機肥的添加對單一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差異顯著(P<0.05)。

同一幅圖中同一時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差異顯著(P<0.05)。

2.2.2有機肥對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,苗期底施有機肥可顯著增強馬鈴薯葉片中SOD活性(P<0.05)。塊莖成熟期,Pb+有機肥和Cd+有機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+有機肥處理葉片中SOD活性比Pb+Cd處理顯著降低(P<0.05)。

同一時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有機肥對Pb、Cd污染下馬鈴薯形態(tài)指標的影響

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污染時底施有機肥可顯著增加馬鈴薯株高(P<0.05)。塊莖成熟期Pb+有機肥、Cd+有機肥和Pb+Cd+有機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)。施加有機肥可顯著增加馬鈴薯單株產(chǎn)量,Pb+有機肥、Cd+有機肥和Pb+Cd+有機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),表明有機肥可緩解Pb、Cd污染對馬鈴薯產(chǎn)量的脅迫,且對Pb+Cd復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+有機肥21.0±2.7a34.3±0.7a37.3±1.8ab52.09±0.99bCd+有機肥16.7±0.9bc23.6±1.0c36.7±2.9ab51.78±0.05bPb+Cd+有機肥22.0±2.5a32.7±0.5a35.0±2.9b50.75±0.66b有機肥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差異顯著(P<0.05)。

2.4有機肥對馬鈴薯塊莖中Pb、Cd含量的影響

由表2可知,施加有機肥顯著減少馬鈴薯塊莖中Pb、Cd含量(P<0.05)。塊莖成熟期,有機肥、Pb+有機肥和Pb+Cd+有機肥處理組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

有機肥中的胡敏酸、富里酸易與重金屬離子形成絡合物,降低土壤中Pb2+、Cd2+生物活性,保護根際土壤中脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性,降低植物對土壤中重金屬元素的吸收[10]。苗期Cd和Cd+有機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,對脲酶活性產(chǎn)生促進作用,但隨著生育時期推進,Cd脅迫加強,開始出現(xiàn)抑制作用。Pb、Cd污染時,底施有機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污染時葉綠素含量波動較大,因為Cd的絡合物會使植物加速吸收Mg、Fe、K、P等離子,促進葉綠素合成相關酶,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,底施有機肥增加馬鈴薯葉片中SOD活性,主要是因為底施有機肥可促進Pb2+、Cd2+形態(tài)轉(zhuǎn)化,減少自由基產(chǎn)生,降低對馬鈴薯的傷害,使抗氧化系統(tǒng)達到新的平衡[14];底施有機肥酶促效應增強,加速土壤有機質(zhì)分解,有利于馬鈴薯根系對養(yǎng)分吸收,緩解Pb、Cd污染,為馬鈴薯的生長提供更好的環(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差異顯著(P<0.05)。

株高是營養(yǎng)體生長的重要特征,也是植物生長發(fā)育過程內(nèi)在協(xié)調(diào)性強弱的外在表現(xiàn)。底施有機肥可保護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,為馬鈴薯生長提供相對較好的環(huán)境。相關性分析表明,馬鈴薯產(chǎn)量與株高、脲酶活性、蔗糖酶活性呈顯著相關;馬鈴薯株高與SOD活性、過氧化氫酶活性呈顯著相關。

4結(jié)論

在Pb、Cd污染土壤中底施有機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。有機肥對Pb、Cd單一污染的緩解作用明顯高于Pb+Cd復合污染。

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(責任編輯： 陳昕)

收稿日期：2015-06-02

基金項目：四川科技支撐計劃(2012NZ0017);四川省育種攻關配套項目(2011NZ0098-15-5)

通信作者①E-mail: zhengshunlin123@163.com

中圖分類號：X53

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)04-0659-05

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.022

作者簡介：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