不同作物秸稈覆蓋處理對硫華菊鎘積累的影響

彭 麟，陳發(fā)波，黃佳璟，溫 鏗，廖明安，林立金，蔣 偉，李華雄

（1.四川農(nóng)業(yè)大學園藝學院，成都 611130；2.長江師范學院生命科學與技術(shù)學院，重慶 408100；3.四川農(nóng)業(yè)大學果蔬研究所，成都 611130；4.成都師范學院化學與生命科學學院，成都 611130；5.四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學院林果研究所，四川內(nèi)江 641000）

植物修復技術(shù)是一種新型環(huán)保生物技術(shù)，它通過利用可富集重金屬的植物來吸收和積累環(huán)境中的重金屬污染物，達到降低毒害的作用[1]。它的優(yōu)點主要表現(xiàn)在成本相對較低，對土壤環(huán)境的影響較小，效果持久，并且可以美化環(huán)境[2]。但是由于天然富集植物的生長速率和生物量限制，目前植物修復效率不高[3]。如何提高植物修復效率成為目前研究的難點，前人的研究中已經(jīng)討論過一些方法[4]，如秸稈還田[5]。由于土壤微生物的作用，秸稈中的營養(yǎng)成分和氮、磷、鉀等元素緩慢釋進入土壤中，改善了土壤營養(yǎng)條件[6]。徐國偉等[7]的研究表明秸稈還田也能促進作物對氮素的吸收，從而促進作物的生長，提高其產(chǎn)量。王璞等[8]的研究表明，小麥產(chǎn)生的3種化感物質(zhì)p-HA、VA和FA殘留會抑制棉花發(fā)芽和幼苗生長。以上結(jié)果都表明秸稈腐解產(chǎn)生的化感物質(zhì)會對其他植物根系產(chǎn)生影響，從而影響其他植物的生長發(fā)育。同時，秸稈腐解往往會釋放出一定量的有機酸，導致土壤pH值降低，進一步提高土壤重金屬的生物有效性[9-11]。就植物修復而言，施用秸稈可影響鎘富集植物薺菜[12-13]和鎘超富集植物牛膝菊[14]的鎘提取量。

硫華菊（Cosmos sulphureus）是菊科秋英屬的一年生草本花卉，也是一種鎘富集植物[15]。與其他鎘超富集植物龍葵（Solanum nigrum）[16]豨和 薟（Siegesbeckia orientalis）[17]相比，硫華菊的鎘提取能力較小。鑒于此，為了進一步提高硫華菊的鎘提取能力，本研究將常見農(nóng)作物水稻、小麥、油菜和蠶豆秸稈覆蓋于種植了硫華菊的鎘污染土壤表面，通過硫華菊生物量和鎘積累量等相關(guān)生理指標的檢測，篩選出能促使硫華菊鎘提取的覆蓋秸稈種類，為提高硫華菊對鎘污染土壤的修復能力提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤為紫色土，取自四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田（29°59′N，102°59′E），該農(nóng)田位于四川省雅安市雨城區(qū)，平均海拔620 m，亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫16.2℃，平均降雨量1 743.3 mm，平均日照1 035 h，平均蒸發(fā)量1 011.2 mm。農(nóng)田土壤的pH值為6.94，有機質(zhì)43.64 g/kg，全氮3.63 g/kg，全磷 0.38 g/kg，全鉀 17.54 g/kg，全鎘 0.103 mg/kg，堿解氮 195.00 mg/kg，速效磷 6.25 mg/kg，速效鉀191.13 mg/kg，有效態(tài)鎘0.022 mg/kg[18]。水稻、小麥、油菜和蠶豆秸稈于2014年9月—2015年5月采自四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田。將采集到的作物秸稈于110℃殺青15 min，75℃烘干至恒重，剪碎至1 cm左右，備用。硫華菊種子于2015年4月直接撒播于四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場花卉苗圃基地。

1.2 試驗方法

試驗于2015年4—6月在四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場進行。2015年4月，將土壤風干、壓碎、過5 mm×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CdCl2·2.5H2O溶液，使其鎘濃度為10 mg/kg[14]，并與土壤充分混勻，保持濕潤，自然放置平衡4 w后再次混合備用。2015年5月，從四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場花卉苗圃基地采集生長一致的4對真葉展開的硫華菊幼苗直接移栽至盆中，每盆2株，并將處理好的作物秸稈分別覆蓋于土壤表面，覆蓋量為每盆6 g，即每千克土2 g，混勻，澆水保持土壤濕潤，每天澆水以保持盆中土壤的田間持水量約為80%。試驗共計5個處理：未覆蓋秸稈（CK）、覆蓋水稻秸稈、覆蓋小麥秸稈、覆蓋油菜秸稈和覆蓋蠶豆秸稈，每個處理重復6次。60 d后硫華菊處于盛花期，采用丙酮-乙醇提取法測定葉片光合色素（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素）含量[19]之后，整株收獲，將植物根系、莖稈、葉片和土壤分別封裝。植物器官分別用自來水洗凈，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。植物樣品用硝酸-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 6300型ICP光譜儀測定（Thermo Scientific，USA）鎘含量[20]。土壤樣品風干后，過1 mm×1 mm篩，采用pH計測定土壤pH值，采用DTPA-TEA浸提法測定土壤有效鎘含量[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進行方差分析（方差分析顯著后采用Duncan新復極差法進行多重比較）。轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量[21]，轉(zhuǎn)運量系數(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）[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫華菊的生物量

從表1可以看出，在不同覆蓋物處理條件下，硫華菊的根系、莖稈、葉片及地上部分生物量均低于未覆蓋處理，說明秸稈覆蓋在不同程度上減弱了硫華菊的生長。在覆蓋物分別為水稻秸稈、小麥秸稈、油菜秸稈、蠶豆秸稈時，硫華菊的根系生物量分別降低了 9.76%（P＜0.05），12.09%（P＜0.05），24.18%（P＜0.05），21.74%（P＜0.05），地上部分生物量分別較未覆蓋降低了 0.72%（P＞0.05），2.64%（P＞0.05），16.70%（P＜0.05），12.08%（P＜0.05）。說明 4 種秸稈覆蓋處理中，水稻秸稈覆蓋處理對硫華菊生長的影響較小，而小麥、油菜、蠶豆秸稈覆蓋處理對硫華菊生長的影響較大，其中油菜秸稈覆蓋對硫華菊生長影響最大。就根冠比而言，4種覆蓋物處理均較未覆蓋有所降低，這說明覆蓋作物秸稈對硫華菊根系影響比對硫華菊地上部分影響更大。

表1 硫華菊的生物量Table1 Biomass of Cosmos sulphureus

2.2 硫華菊的光合色素含量

在秸稈覆蓋處理下，硫華菊葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量均低于未覆蓋（見表2）。具體表現(xiàn)為，與未覆蓋相比，水稻、小麥、油菜和蠶豆秸稈覆蓋的硫華菊葉綠素a分別降低了1.22%（P＞0.05）、8.33%（P＞0.05）、14.45 （P＜0.05）、9.39%（P＜0.05），葉綠素 b分別降低了 4.03%（P＞0.05）、6.80%（P＞0.05）、26.20%（P＜0.05）、10.33%（P＞0.05）；類胡蘿卜素分別降低了 7.16%（P＜0.05）、14.99%（P＜0.05）、23.94%（P＜0.05）、17.00%（P＜0.05）。綜合來看，秸稈覆蓋對硫華菊光合色素的生成有抑制作用，且油菜秸稈覆蓋對硫華菊光合色素的抑制作用最為明顯。

表2 硫華菊光合色素含量Table2 Photosynthetic pigment content in Cosmos sulphureus

2.3 硫華菊的鎘含量

用水稻秸稈覆蓋，硫華菊根系、莖稈、葉片及地上部分的鎘含量均有所降低，而小麥秸稈、油菜秸稈、蠶豆秸稈增加了硫華菊各器官鎘含量（見表3）。油菜秸稈覆蓋時硫華菊鎘含量增加最顯著，其根系、莖稈、葉片及地上部分的鎘含量分別高出未覆蓋 13.82%（P＜0.05）、45.60%（P＜0.05）、103.38%（P＜0.05）和 58.51%（P＜0.05）。這說明水稻秸稈覆蓋抑制了硫華菊對土壤鎘的吸收，而小麥秸稈、油菜秸稈和蠶豆秸稈則促進了硫華菊對土壤鎘的吸收。硫華菊轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）的大小順序為：油菜秸稈＞小麥秸稈＞蠶豆秸稈＞未覆蓋＞水稻秸稈，這說明水稻秸稈覆蓋還抑制了鎘從硫華菊根系向地上部分的轉(zhuǎn)運，而小麥、油菜和蠶豆秸稈則促進了鎘的轉(zhuǎn)運。

表3 硫華菊的鎘含量Table3 Cadmium content in Cosmos sulphureus

2.4 硫華菊的鎘積累量

用水稻秸稈覆蓋，硫華菊根系、莖稈、葉片及地上部分的鎘積累量均有所降低，而小麥秸稈、油菜秸稈、蠶豆秸稈覆蓋時除根系外各部分鎘積累量均有所增加（見表4）。硫華菊莖稈及地上部分鎘積累量的大小順序為油菜秸稈＞小麥秸稈＞蠶豆秸稈＞未覆蓋＞水稻秸稈，葉片中鎘積累量蠶豆秸稈＞小麥秸稈。油菜秸稈覆蓋時硫華菊鎘積累量增加最顯著，其莖稈、葉片及地上部分鎘積累量分別較未覆蓋增加了 23.49%（P＜0.05）、65.54%（P＜0.05）和 32.04%（P＜0.05）。就轉(zhuǎn)運量系數(shù)而言，水稻覆蓋硫華菊TAF降低，而小麥秸稈、油菜秸稈、蠶豆秸稈覆蓋后硫華菊TAF升高，油菜秸稈覆蓋后TAF最高。

表4 硫華菊的鎘積累量Table4 Cadmium accumulation of in Cosmos sulphureus

2.5 土壤pH值及有效態(tài)鎘含量

水稻秸稈覆蓋后土壤pH值升高65.54%（P＜0.05），小麥秸稈覆蓋土壤pH值降低65.54%（P＜0.05），油菜和蠶豆覆蓋土壤pH值變化不顯著（見圖1）。不同秸稈覆蓋后，土壤中有效態(tài)鎘含量均發(fā)生變化（見圖2）。水稻秸稈覆蓋土壤有效態(tài)鎘含量降低65.54%（P＜0.05），油菜覆蓋使土壤中有效態(tài)鎘含量升高65.54%（P＜0.05），小麥和蠶豆秸稈覆蓋后土壤有效態(tài)鎘含量變化不顯著。

3 討論與結(jié)論

圖1 土壤pH值Figure1 Soil pH value

農(nóng)作物的秸稈含有豐富的有機質(zhì)和大量的碳、氮、磷、鉀等元素，還田后這些營養(yǎng)物質(zhì)釋放到土壤中，能夠有效地改善土壤水分和養(yǎng)分環(huán)境，利于作物生長[6]。在陸文龍等[23]的試驗中，秸稈還田促進玉米株高增長，提高葉寬和單穗籽粒重。在本試驗中，鎘脅迫條件下，土壤覆蓋4種作物（水稻、小麥、油菜和蠶豆）秸稈后，硫華菊根系及地上部分的生物量均低于未覆蓋，這說明4種秸稈在分解的過程中，提高土壤肥力的同時可能釋放出了某些化感物質(zhì)抑制了硫華菊的生長。

圖2 土壤有效態(tài)鎘含量Figure2 Soil available cadmium content

植物對光能的利用離不開葉綠素和類胡蘿卜素。高青海等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能提高了黃瓜葉片葉綠素含量和光合速率，提高了光能利用效率。根據(jù)劉義國等[25]的研究，秸稈還田改變了土壤和水分環(huán)境，加強了小麥旗葉的總體光合效應(yīng)從而提高了光合速率，同時還減緩了小麥籽粒形成后期葉綠素的降解。劉陽等[26]發(fā)現(xiàn)適量的玉米秸稈（9 000 kg/hm2）還田有利于小麥光合色素積累，但過量的玉米秸稈還田反而會促進了葉綠素a和葉綠素b的降解。這是因為適量的秸稈還田能夠增加土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)和氮、磷、鉀等元素的含量，利于植株生長和葉綠素的合成，但過量的秸稈還田會造成氮素和其他養(yǎng)分的大量流失。本試驗結(jié)果表明，在鎘污染條件下，覆蓋作物秸稈后，硫華菊的葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素含量均低于未覆蓋，其中以覆蓋油菜秸稈光合色素含量最低?？赡苁怯捎诩尤虢斩掃^量，從而促進了葉綠素降解，減弱硫華菊的光合作用，最終抑制硫華菊的生長。

植物對重金屬的吸收受土壤中重金屬生物有效性的影響，而生物有效性又與重金屬的化學形態(tài)有關(guān)，二者都能改變植物對其的吸收[27]。A.Tessier等[28]認為，重金屬的交換態(tài)在土壤中移動性最強，易被植物吸收，因此通常被認為是重金屬的活性態(tài)。單玉華等[29]研究表明，小麥和水稻秸稈在淹水條件下促進了鎘和銅的溶出，增加了這兩種重金屬元素的生物有效性。本試驗研究表明，覆蓋小麥和油菜秸稈降低了土壤pH值，提高了土壤有效態(tài)鎘含量，而覆蓋水稻和蠶豆秸稈則提高了土壤pH值，降低了土壤有效態(tài)鎘含量，這可能與不同秸稈釋放的有機酸的數(shù)量及種類不同有關(guān)[29]。就硫華菊植株鎘含量而言，覆蓋小麥、油菜和蠶豆秸稈均提高了硫華菊地上部分鎘含量，但覆蓋水稻秸稈則降低了硫華菊地上部分鎘含量。硫華菊地上部分鎘積累量表現(xiàn)出類似的規(guī)律。

因此，覆蓋水稻、小麥、油菜和蠶豆秸稈處理在一定程度上均會導致硫華菊生物量的降低、光合色素含量的下降。而覆蓋小麥、油菜和蠶豆秸稈處理能顯著提高硫華菊的鎘含量及鎘積累量，提高硫華菊對鎘污染土壤的修復能力，其中油菜秸稈覆蓋處理的效果最顯著。