李欣欣，鐘莉莎，馬倩倩，張 瀟，林立金，廖明安*

（1．四川農(nóng)業(yè)大學園藝學院，四川 成都 611130；2．達州市農(nóng)業(yè)科學研究院，四川 達州 635000；3．邛崍市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 成都 611530；4．四川農(nóng)業(yè)大學果蔬研究所，四川 成都 611130）

鎘是土壤重金屬污染中面積最廣的重金屬元素之一［1］。據(jù)調(diào)查顯示，耕地中重金屬污染點位以鎘超標最為顯著［2］，中國已有11 個省、25 個地區(qū)的農(nóng)田遭受鎘污染，受鎘污染的農(nóng)田面積達到28 萬hm2，每年生產(chǎn)鎘含量超標農(nóng)產(chǎn)品1.46×109kg［3］。鎘也是土壤重金屬污染中危害最大的重金屬元素之一［1］，因其生物毒性強、遷移性大和不被生物體降解，容易通過食物鏈在人體和動植物內(nèi)富集，對動植物及人體的健康產(chǎn)生毒害作用［4-5］。

葡萄具有較高的營養(yǎng)價值和醫(yī)療保健功能，是重要的果品之一，其栽培面積和產(chǎn)量一直位于世界水果生產(chǎn)前列［6］。隨著葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)藥和肥料等使用不當以及環(huán)境污染等［7］致使中國各地區(qū)的葡萄園土壤受到不同程度的鎘污染，如長沙、株洲地區(qū)、天津市西青區(qū)等地區(qū)的葡萄園［8-9］。且葡萄的多年生特性使其地上部分累積鎘的可能性增加，從而對葡萄正常生長和果品安全造成影響。因此，為確保果品綠色生產(chǎn)和安全食用，土壤鎘污染治理和修復顯得尤為重要。

目前，重金屬植物修復技術相較于傳統(tǒng)的物理、化學和工程措施具有經(jīng)濟、高效、環(huán)保和適用范圍廣等優(yōu)點，已成為修復土壤重金屬污染的一項重要技術［10］。但由于超富集植物生物量低、生長緩慢、地域性較強和修復時間較長等缺陷因素，使得植物修復技術難以大范圍推廣應用［11］。為克服植物修復技術存在的缺陷，可采取一些農(nóng)藝措施來提高其修復效率［12］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，秸稈還田是利用秸稈的一種重要且有效的方式，不僅具有良好的土壤、生物和農(nóng)田效應，還能提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［13-14］，且有研究表明秸稈對植物吸收重金屬也有一定影響［15］。如在鎘脅迫下，覆蓋鎘超富集植物牛膝菊秸稈使樹番茄、大五星和川早枇杷地上部分鎘含量均增加［16-17］，但施用鎘耐性植物車前秸稈、鎘富集植物小飛蓬秸稈和鎘超富集植物少花龍葵秸稈使樹番茄地上部分鎘含量均減少［17-19］。因此，選用適宜的秸稈施入土壤能減少植物對鎘的吸收。經(jīng)前期混種試驗表明，龍葵（Solanum nigrum）［20］、野茼蒿（Crassocephalum crepidioides）［21］和三葉鬼針草（Bidens pilosa）［22］這3 種生長周期短、生物量大、分布廣和對鎘富集能力強的鎘超富集植物［23-24］能顯著降低植物鎘含量［25-26］。但混種材料前期生長速度快于作物，會爭奪作物養(yǎng)分、光照等資源，后期作物長大蔭蔽混種材料使混種效果弱化［27］。而相關研究表明，混種和施用混種試驗材料秸稈會對植物重金屬吸收產(chǎn)生相同或不同影響［17，28］。因此，本試驗選用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草地上部分秸稈作為試驗材料，施入鎘污染土壤中種植葡萄，研究其對葡萄生長及鎘含量的影響，以期篩選出能降低葡萄鎘含量的植物秸稈，為葡萄果園鎘污染防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 植物材料

于2018 年3 月在四川農(nóng)業(yè)大學成都校區(qū)周圍農(nóng)田（未被重金屬污染區(qū)）采集供試鎘超富集植物龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草地上部分，然后分別用去離子水洗凈后，于110℃殺青15 min，80℃烘干至衡重，分別剪成小于1 cm 的小段密封袋，裝袋保存?zhèn)溆谩?/p>

供試葡萄品種為‘巨峰’，供試葡萄幼苗于2018 年5 月購置于四川省成都市龍泉驛區(qū)苗木基地，供試葡萄結果樹為兩年生苗木。

1.1.2 試驗土壤及重金屬

供試土壤取自四川農(nóng)業(yè)大學成都校區(qū)周圍農(nóng)田，為紫色土，基本理化性質(zhì)如下:土壤pH 值為7.09，全氮含量為1.50 g/kg，全磷含量為0.76 g/kg，全鉀含量為18.02 g/kg，堿解氮含量為94.82 mg/kg，有效磷含量為6.30 mg/kg，速效鉀含量為149.59 mg/kg，全鎘含量為0.02 mg/kg，土壤背景有效鎘含量未檢出［26］。土壤理化性質(zhì)及重金屬含量均參照鮑士旦［29］的方法測定。

供試重金屬為鎘，以分析純CdCl2·2.5H2O 形式按設計濃度加入供試土壤（根據(jù)每盆土的重量及設計濃度，按鎘占CdCl2·2.5H2O 相對分子質(zhì)量的比重，精確計算加入CdCl2·2.5H2O 的量，以保證土壤鎘濃度準確）。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2018 年4 ～11 月在四川農(nóng)業(yè)大學成都校區(qū)五教進行。2018 年4 月，將土壤風干、壓碎過5 mm 篩后分別稱取3.0 和6.0 kg 土分別裝入15 cm×18 cm 和30 cm×35 cm（高×直徑）規(guī)格塑料盆內(nèi)，再加入分析純CdCl2·2.5H2O 溶液，使其鎘濃度達到5 mg/kg，保持淹水狀態(tài)，自然放置平衡4 周。2018 年5 月將處理好的龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草地上部分秸稈分別與鎘污染土壤混勻，每千克土施2 g 秸稈，澆水保持濕潤，平衡2 周；挑選生長基本一致且無病蟲害的當年扦插巨峰葡萄幼苗（新梢長約15 cm）定植至15 cm×18 cm（高×直徑）盆中，兩年生結果樹定植至30 cm×35 cm（高×直徑）盆中，幼苗每盆種植3 株，結果樹每盆種植1 株，每個處理重復3 次。本試驗共有4 個處理:未施秸稈（CK）、施龍葵秸稈、施野茼蒿秸稈和施三葉鬼針草秸稈。葡萄的管理按照標準的盆栽管理方式進行，各盆（盆間距約15 cm）隨機擺放并不定期隨機調(diào)換位置，保證盆土的含水量約為田間持水量的80%，同時注意防治雜草和病蟲害。

1.3 測試項目與方法

60 d 后，選取每株葡萄幼苗植株頂部約2 cm長的幼嫩葉片進行處理，測定抗氧化酶（SOD、POD 和CAT）活性和可溶性蛋白含量［30］。選取從上往下的第3 或第4 片功能葉，測定葉綠素含量［30］。選取葡萄幼苗從上往下的第2 片完全展開葉測定光合參數(shù)。之后收獲整株葡萄幼苗，并收集盆栽土各部位不含根系和雜質(zhì)的土壤。葡萄幼苗根系、莖稈和葉片分別用自來水洗凈，再用去離子水沖洗3 次后，于110℃殺青15 min，80℃烘干至衡重，稱重，粉碎，過0.149 mm 篩后分別稱取相應重量干物質(zhì)用于可溶性糖含量［30］及鎘含量的測定［29］。將收集的土壤鋪開放置，陰干過1 mm×1 mm 篩后測定土壤pH 值［29］及土壤5 種形態(tài)鎘含量［31］。

8 月中旬，待葡萄完全成熟，選取每果穗上、中、下各部位3 個果粒測定果實可溶性糖含量［30］、可滴定酸含量［32］、Vc 含量［32］及可溶性固形物。將葡萄果實用自來水洗凈，再用去離子水沖洗3 次后，于110℃殺青15 min，80℃烘干至衡重，粉碎，過0.149 mm 篩后稱取相應重量干物質(zhì)用于鎘含量的測定［29］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進行數(shù)據(jù)記錄與整理，采用SPSS 20.0 系統(tǒng)進行Duncan 差異顯著性分析。轉(zhuǎn)運系數(shù)=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量［33］。

2 結果與分析

2.1 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗生物量的影響

由表1 可知，與未施用相比，施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄幼苗葉片生物量增加，較未施用分別增加了38.66%、8.19%和20.28%。施用3 種秸稈后葡萄幼苗根系、莖稈及地上部分較未施用無顯著性差異，但未施用秸稈葡萄幼苗根系、莖稈及地上部分生物量均為最低。施用3 種秸稈后葡萄幼苗的根冠比大小順序為:施用三葉鬼針草秸稈＞施用龍葵秸稈＝未施用＞施用野茼蒿秸稈。

表1 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗生物量的影響

2.2 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗光合色素含量的影響

由表2 可知，施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄幼苗葉綠素a 含量、類胡蘿卜素含量及葉綠素總量較未施用均增加，但葉綠素b 含量與未施用無顯著性差異。施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄幼苗葉綠素a 含量較未施用分別增加了9.42%、1.61%和7.31%，葉綠素總量較未施用分別增加了7.93%、0.95%和5.69%。就葡萄幼苗葉綠素a/b 值而言，施用3 種秸稈后葡萄幼苗葉綠素a/b 值均高于未施用。

表2 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗光合色素含量的影響

2.3 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗葉片光合參數(shù)的影響

由表3 可知，施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后，除葡萄幼苗葉片蒸騰速率和胞間CO2濃度與未施用無顯著性差異，凈光合速率、葉溫下蒸氣壓虧缺值和氣孔導度均顯著高于未施用，凈光合速率較未施用分別升高了41.30%、5.43%和9.94%，葉溫下蒸氣壓虧缺值較未施用分別升高了62.15%、29.05%和39.11%，氣孔導度較未施用分別升高了115.69%、70.59%和113.73%。

表3 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗葉片光合參數(shù)的影響

2.4 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗抗氧化酶活性及物質(zhì)代謝的影響

由表4 可知，施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄幼苗POD 活性較未施用顯著升高，SOD 和CAT 活性與未施用無顯著性差異。施用3種秸稈后葡萄幼苗POD 活性較未施用分別升高了53.59%、17.29%和31.39%。與未施用相比，施用3 種秸稈后葡萄幼苗可溶性糖含量和可溶性蛋白含量均增加，其中可溶性糖含量較未施用分別增加了74.95%、37.87% 和55.70%，可溶性蛋白含量較未施用分別了增加了58.62%、17.60%和30.10%。

表4 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗抗氧化酶活性及物質(zhì)代謝的影響

2.5 土施超富集植物秸稈對土壤pH 值和土壤5 種形態(tài)鎘含量的影響

由表5 可知，與未施用相比，施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后土壤殘渣態(tài)鎘含量增加，較未施用分別增加了81.64%、26.56%和69.18%，而土壤鐵錳氧化物結合態(tài)和有機結合態(tài)鎘含量與未施用無顯著性差異。施用龍葵和三葉鬼針草秸稈后離子交換態(tài)鎘較未施用分別減少了26.93%和15.13%，施用野茼蒿秸稈與未施用無顯著性差異。施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后碳酸鹽結合態(tài)鎘較未施用分別減少了20.02%、3.46%和16.07%。就土壤pH 值，其大小排序為:施用龍葵秸稈＞施用三葉鬼針草秸稈＞施用野茼蒿秸稈＞未施用。

表5 土施超富集植物秸稈對土壤pH 值和土壤5 種形態(tài)鎘含量的影響

2.6 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗鎘含量的影響

由表6 可知，與未施用相比，施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄幼苗根系和莖稈鎘含量均減少，其大小排序為:未施用＞施用野茼蒿秸稈＞施用三葉鬼針草秸稈＞施用龍葵秸稈。施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄幼苗根系鎘含量較未施用分別減少了29.85%、7.80%和20.12%，莖稈鎘含量較未施用分別減少了32.71%、7.39%和18.87%。而施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄幼苗葉片及地上部分與未施用無顯著性差異。施用3 種秸稈后葡萄幼苗的轉(zhuǎn)運系數(shù)大小順序為:未施用＞施用三葉鬼針草秸稈＞施用龍葵秸稈＝施用野茼蒿秸稈。

表6 土施超富集植物秸稈對葡萄幼苗鎘含量的影響

2.7 土施超富集植物秸稈對葡萄果實鎘含量及品質(zhì)的影響

由表7 可知，與未施用相比，施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄果實鎘含量均減少，和施用秸稈后幼苗鎘含量均減少表現(xiàn)一致，分別減少了22.11%、14.07%和19.25%。施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后葡萄果實品質(zhì)提高，果實可溶性糖含量分別比未施用增加了45.03%、10.00%和28.34%，果實可溶性固形物比未施用增加了12.25%、4.72% 和9.80%。而施用3 種秸稈后可滴定酸和Vc 含量與未施用均無顯著性差異。

表7 土施超富集植物秸稈對葡萄果實鎘含量及品質(zhì)的影響

3 討論

土施秸稈后，秸稈自身的各種礦質(zhì)元素和有機物等通過腐解進入土壤，有效地改善土壤結構、理化性質(zhì)和養(yǎng)分水平，進而促進植物干物質(zhì)的形成［14］。研究表明，鎘脅迫下施用不同秸稈后釋放的養(yǎng)分和分泌的化感物質(zhì)等會對植物的生長產(chǎn)生促進、抑制或無顯著變化3 種影響，如施用超富集植物少花龍葵和萬壽菊秸稈增加了樹番茄的生物量，施用牛膝菊秸稈則降低，而施用三葉鬼針草秸稈則對其無顯著影響［17］。本試驗中，在鎘脅迫下土施龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后較未施用葡萄幼苗生物量均不同程度的增加，和前人研究相似［34-35］，說明在鎘脅迫下施用3 種秸稈后釋放出的養(yǎng)分等物質(zhì)對葡萄幼苗生長的促進作用強于鎘對其的毒害作用。可能是因為土施超富集植物秸稈腐解產(chǎn)生的物質(zhì)作用改變了鎘脅迫下植物體內(nèi)的生理代謝，使其生長情況發(fā)生了變化。

當植物受到重金屬脅迫時，葉綠體結構和功能均受到破壞，葉綠素含量降低，光合作用強度降低；植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)功能產(chǎn)生紊亂，使植物不能有效清除活性氧自由基，對質(zhì)膜產(chǎn)生毒害作用，影響植物的代謝功能［36-37］。研究表明，秸稈覆蓋鎘污染土壤會對植物的光合特性、抗氧化酶活性和代謝物質(zhì)含量產(chǎn)生促進或抑制作用，如在鎘污染土壤表面覆蓋通泉草秸稈分泌的化感物質(zhì)增加了牛膝菊的葉綠素含量，提高了其光合能力和抗氧化酶（超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶）的活性，降低了牛膝菊可溶性糖含量，但覆蓋揚子毛茛秸稈和鄰近風輪菜秸稈后卻相反［38-39］。本試驗中，在鎘脅迫下土施龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后較未施用葡萄幼苗光合色素含量，光合能力，抗氧化酶活性和代謝物質(zhì)含量均不同程度的增加，與生物量變化表現(xiàn)一致。這說明在鎘脅迫下，土施龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈緩解了鎘脅迫下對葡萄幼苗的毒害，增強葡萄幼苗的光合作用和對鎘脅迫的抗性，這可能與鎘脅迫下施用超富集植物秸稈后對葡萄幼苗鎘吸收含量多少的影響存在差異有關。

秸稈施入土壤腐解時釋放的腐殖質(zhì)、有機酸等可以改變土壤酸堿度和氧化還原電位等，從而影響根際土壤中重金屬的存在形式及生物可利用性［15，40］。研究表明，秸稈還田分解時有機酸陰離子脫碳作用和氨化作用加強會提高土壤pH值［15，41］，且土壤pH 值高于6 時，土壤鎘生物有效性表現(xiàn)為隨pH 值升高而降低［42］。本試驗中，鎘脅迫下土施龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈后土壤pH 值均增加，且施3 種秸稈后土壤鎘生物有效性隨pH 值上升而降低，和前人研究相似［18-19］。在土壤重金屬污染下，植物對重金屬吸收效應的研究主要在根際土壤環(huán)境中。植物對鎘的吸收量與所受鎘脅迫程度與土壤鎘的存在形式及生物可利用性直接相關［19］。研究表明，施用秸稈等有機物能原位鈍化土壤中重金屬鎘，增加對土壤重金屬鎘的吸附，降低重金屬鎘的有效性［43］。本試驗表明，土施龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈的葡萄幼苗根系、莖稈、葉片鎘含量均低于未施用，與土壤鎘的生物有效性大小變化一致，同時也符合重金屬在植物中的分配規(guī)律，由高到低順序為:根系＞莖稈＞葉片。隨著生長，葡萄根系吸收的鎘會轉(zhuǎn)運到地上部分進入果實中，研究表明，當鎘進入果實后，果實品質(zhì)下降，且隨鎘含量越高而果實品質(zhì)越低［44］。本試驗中，土施龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈的葡萄果實鎘含量均低于未施用且葡萄果實品質(zhì)較未施用提高，其中施用野茼蒿秸稈的品質(zhì)最佳，和葡萄果實中鎘含量大小表現(xiàn)一致。因此，土施龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草3 種秸稈均能促進葡萄生長及降低鎘含量，其中土壤施用龍葵秸稈效果最佳。

4 結論

幼苗試驗中，土壤施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈增加了葡萄幼苗生物量、光合作用強度、抗氧化酶活性和代謝物質(zhì)含量，且減少了葡萄幼苗鎘含量以及降低了土壤鎘的生物有效性。結果樹試驗中，土壤施用龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草秸稈減少了葡萄果實鎘含量以及提高了果實品質(zhì)。因此，土壤龍葵、野茼蒿和三葉鬼針草3 種秸稈均能夠促進葡萄的生長和降低其鎘含量，有利于鎘污染果園中葡萄幼苗的正常生長及安全生產(chǎn)，其中土壤施用龍葵秸稈效果最佳，其次是三葉鬼針草秸稈。