混種鬼針草屬植物對(duì)葡萄幼苗生長(zhǎng)及鎘積累的影響

黃佳璟，林立金，陳發(fā)波，王 鋌，劉 磊，廖明安*，任 緯

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬研究所，成都 611130；3.長(zhǎng)江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 408100；4.成都市農(nóng)林科學(xué)院，成都 611130；5.四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，四川內(nèi)江 641000）

近年來(lái)，由于我國(guó)工業(yè)“三廢”的排放以及化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的過(guò)量施用，大量重金屬進(jìn)入果園土壤系統(tǒng)，使得果園土壤重金屬污染日益嚴(yán)重[1]。其中，鎘因其不能在生物體內(nèi)降解而成為一種極具毒性的重金屬元素[2]。葡萄具有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，外形美觀且產(chǎn)品形式多樣，是我國(guó)重要的果品之一。目前，我國(guó)葡萄園已面臨著重金屬鎘污染的危害。研究表明一些地區(qū)葡萄園土壤中的鎘含量已超過(guò)綠色食品產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或鎘污染已達(dá)到輕度污染等級(jí)[3-5]。因此，為了確保葡萄果品的安全、綠色生產(chǎn)，葡萄園鎘污染修復(fù)顯得尤為重要。

植物修復(fù)技術(shù)普遍被認(rèn)為具有物理、化學(xué)修復(fù)方法所無(wú)法比擬的成本低廉、安全美觀、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。但目前該方法仍存在如植物生長(zhǎng)慢，長(zhǎng)勢(shì)弱，抗性低等缺點(diǎn)，因而限制了植物修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮[9-10]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，混種可提高作物對(duì)土壤養(yǎng)分、水、光等資源的有效利用，從而提高其產(chǎn)量與品質(zhì)[11]。S.N.Whiting等[12] 蓂

將鋅超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜和普通植物菥 混種后發(fā)現(xiàn)，超富集植物的鋅積累量顯著提高，而普通植物的鋅積累量卻明顯降低。有研究發(fā)現(xiàn)[13]，與大麥混種使得豌豆地上部的Cu、Pb、Zn、Cd和Fe濃度是分別是單種的1.5、1.8、1.4、1.4和1.3倍。研究表明[14]，深根的Cd/Zn富集植物柳樹(shù)（Salix）和矮小的超富集植物擬南芥（Arabidopsis halleri）混種并未增加植物對(duì)Cd和Zn的提取效率。由此可見(jiàn)，只有通過(guò)合理的混種，才能提高富集植物對(duì)重金屬的積累，降低果樹(shù)對(duì)重金屬的吸收，有效地將植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于果園土壤重金屬污染修復(fù)。一些研究表明[15-17]，鬼針草屬（Bidens L.）植物對(duì)重金屬具有一定的富集特性，且生物量較大、抗性強(qiáng)，可作為先鋒植物去除土壤中的重金屬污染。本研究通過(guò)將4種鬼針草屬植物（婆婆針、三葉鬼針草、小花鬼針草、金盞銀盤(pán)）分別與葡萄幼苗混種，以期篩選出能顯著降低葡萄幼苗鎘含量的鬼針草屬植物，同時(shí)為葡萄園鎘污染修復(fù)提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料及土壤

供試鬼針草屬植物種子采集于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)（東經(jīng) 103°50′，北緯 30°42′）周?chē)r(nóng)田，鬼針草屬植物包括婆婆針（Bidens bipinnata L.）、三葉鬼針草（Bidens pilosa L.）、小花鬼針草（Bidens parviflora Willd.）、金盞銀盤(pán)（Bidens biternata Merr.et Scherff.）4種；供試葡萄為巨峰的扦插苗，購(gòu)置于四川省成都市龍泉驛區(qū)苗木基地。供試土壤取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)周邊農(nóng)田，其基本理化特性為：pH值7.09，全氮1.50 g/kg，全磷0.76 g/kg，全鉀18.02 g/kg，堿解氮 94.82 mg/kg，速效磷 6.30 mg/kg，速效鉀149.59 mg/kg，其中供試土壤背景有效鎘含量未檢出。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年4—7月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)進(jìn)行。2016年4月，將風(fēng)干后的供試土壤過(guò)6.72 mm（3目）篩用21 cm×20 cm（直徑×高）塑料盆每盆裝入3.0 kg，以CdCl2·2.5H2O分析純形式加入重金屬鎘并混勻，使土壤鎘濃度為5 mg/kg。保持土壤濕潤(rùn)，自然放置平衡4周，不定期翻土混合，保證土壤充分混合均勻。2016年5月挑選生長(zhǎng)基本一致的巨峰葡萄當(dāng)年扦插幼苗（新梢長(zhǎng)約15 cm）及生長(zhǎng)一致的鬼針草屬植物幼苗（一對(duì)真葉展開(kāi)）栽入塑料盆中，葡萄單種每盆3株，葡萄與超富集植物混種為每盆葡萄2株，鬼針草屬植物2株，每個(gè)處理重復(fù)3次。盆與盆之間的距離為15 cm，完全隨機(jī)擺放。保證其在自然狀況下生長(zhǎng)，根據(jù)盆中土壤缺水情況，不定期澆水（水中未檢出鎘），使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的80%左右。為防止污染物淋溶滲漏損失，在盆下放置塑料托盤(pán)并將滲漏液倒回盆中。在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中不定期的交換盆與盆的位置以減弱邊際效應(yīng)的影響，并及時(shí)去除雜草，防治病蟲(chóng)害。

60 d后，選取葡萄植株采集其從上往下的第3或第4片功能葉，測(cè)定光合色素（葉綠素a、葉綠素b和類(lèi)胡蘿卜素）含量及抗氧化酶（SOD、CAT）活性，其中光合素色含量采用紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定[18]55-56，SOD活性采用氮藍(lán)四唑法進(jìn)行測(cè)定[18]124-126，CAT活性采用高錳酸鉀滴定法進(jìn)行測(cè)定[18]75-76。之后將葡萄和鬼針草屬植物整株收獲，土壤分開(kāi)存放。將葡萄植株分成根、莖、葉3部分，將鬼針草屬植物植株分為根系和地上部?jī)刹糠?，分別用自來(lái)水洗凈，再用去離子水沖洗3次后，于110℃殺青15 min，80℃烘干至恒重，稱(chēng)重，然后粉碎，過(guò)100目篩，植物樣品由硝酸和高氯酸（體積比為4∶1）消化后用iCAP 6300型 ICP光譜儀測(cè)定（Thermo Scientific，USA）鎘含量[19]。土壤自然風(fēng)干后過(guò)1mm篩，土壤pH值采用土水比1∶2.5進(jìn)行測(cè)定，土壤有效態(tài)鎘含量由DTPATEA提取并用ICP-MS分析測(cè)定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS17.0系統(tǒng)進(jìn)行方差分析（Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較）。根冠比=根系生物量/地上部分生物量，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄幼苗的生物量

從表1可知，與鬼針草屬植物混種的葡萄幼苗的根系、莖稈、葉片及地上部分生物量均低于單種。葡萄幼苗的根系及地上部分的生物量均表現(xiàn)為：?jiǎn)畏N＞混種婆婆針＞混種三葉鬼針草＞混種小花鬼針草＞混種金盞銀盤(pán)，與婆婆針、三葉鬼針草、小花鬼針草和金盞銀盤(pán)混種的葡萄幼苗的根系生物量分別較單種降低了 3.32%、8.53%、12.80%和 38.39（P＜0.05），葡萄幼苗地上部分生物量分別較單種降低了5.01%、9.35%、24.93%和 29.13%（P＜0.05）。就根冠比而言，除與金盞銀盤(pán)混種外，與其他3種鬼針草屬植物混種的葡萄幼苗的根冠比均表現(xiàn)為混種高于單種。

表1 混種四種鬼針草屬植物對(duì)葡萄幼苗生物量的影響Table1 Effects on biomass of grape seedlings by intercropping with four species of Bidens L.

2.2 葡萄幼苗的光合色素含量

由表2可知，與鬼針草屬植物混種的葡萄幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類(lèi)胡蘿卜素含量均低于單種。葡萄幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素總及類(lèi)胡蘿卜素含量均表現(xiàn)為：?jiǎn)畏N＞混種婆婆針＞混種三葉鬼針草＞混種小花鬼針草＞混種金盞銀盤(pán)。與婆婆針、三葉鬼針草、小花鬼針草和金盞銀盤(pán)混種的葡萄幼苗葉片的葉綠素a含量較單種分別降低了4.11%、6.93%、9.42%和12.99%（P＜0.05），葡萄幼苗葉片的葉綠素b含量較單種分別降低了 4.58%、6.02%、12.61%和 24.36%（P＜0.05），葡萄幼苗葉片的類(lèi)胡蘿卜素含量較單種分別降低了5.24%、6.54%、8.64%、和10.21%（P＜0.05）。就葡萄幼苗葉片的葉綠素a/b來(lái)看，除混種金盞銀盤(pán)的葡萄幼苗的葉綠素a/b的值達(dá)到了3.045之外，混種其他3種鬼針草屬植物及單種的葡萄幼苗的葉綠素a/b的值之間差異很小，均在2.700左右。

2.3 葡萄幼苗的抗氧化酶活性

在鎘脅迫條件下，混種鬼針草屬植物對(duì)葡萄幼苗葉片的抗氧化酶（SOD、CAT）活性具有提高或降低作用。從圖1可知，混種4種鬼針草屬植物均使葡萄幼苗葉片SOD活性顯著高于單種（P＜0.05），與婆婆針、三葉鬼針草、小花鬼針草和金盞銀盤(pán)混種的葡萄幼苗葉片SOD活性分別為單種的2.05倍、2.09倍、1.76倍和2.01倍。由圖2可知，混種不同的鬼針草屬植物對(duì)葡萄幼苗葉片的CAT活性影響不同。與婆婆針、三葉鬼針草和小花鬼針草混種使得葡萄幼苗葉片CAT活性降低，分別較單種降低了8.26%、23.91%和 30.43%（P＜0.05），與金盞銀盤(pán)混種使得葡萄幼苗葉片CAT活性提高，較單種提高了18.70%（P＜0.05）。

表2 混種四種鬼針草屬植物對(duì)葡萄幼苗光合色素含量的影響Table2 Effects on photosynthetic pigment content of grape seedlings by intercropping with four species of Bidens L.

圖1 葡萄幼苗的SOD活性Figure1 SOD activity of grape seedlings

2.4 葡萄幼苗的鎘含量

圖2 葡萄幼苗的CAT活性Figure2 CAT activity of grape seedlings

由表3可見(jiàn)，與鬼針草屬植物混種的葡萄幼苗的根系、莖稈、葉片及地上部分鎘含量均低于單種。葡萄幼苗的根系、莖稈、葉片及地上部分鎘含量均表現(xiàn)為：?jiǎn)畏N＞混種婆婆針＞混種金盞銀盤(pán)＞混種小花鬼針草＞混種三葉鬼針草。按鎘含量由高到低，混種的葡萄幼苗的根系鎘含量分別較單種降低了5.48%、39.88%、43.46%和 50.72（P＜0.05）；混種的葡萄幼苗的地上部分鎘含量分別較單種降低了13.42%、19.05%、21.86%和 92.21（P＜0.05）。就轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)而言，混種婆婆針和三葉鬼針草降低了葡萄幼苗的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，而混種小花鬼針草和金盞銀盤(pán)則提高了葡萄幼苗的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大小順序?yàn)椋夯旆N小花鬼針草＞混種金盞銀盤(pán)＞單種＞混種婆婆針＞混種三葉鬼針草。

2.5 鬼針草屬植物的生物量及鎘積累

由表4可知，與葡萄幼苗混種的鬼針草屬植物的根系及地上部分生物量均表現(xiàn)為：金盞銀盤(pán)＞小花鬼針草＞三葉鬼針草＞婆婆針，與葡萄幼苗混種的鬼針草屬植物的根系鎘含量表現(xiàn)為：三葉鬼針草＞婆婆針＞小花鬼針草＞金盞銀盤(pán)，地上部分鎘含量表現(xiàn)為：三葉鬼針草＞小花鬼針草＞金盞銀盤(pán)＞婆婆針。與葡萄幼苗混種的鬼針草屬植物的根系鎘積累量表現(xiàn)為：小花鬼針草＞三葉鬼針草＞婆婆針＞金盞銀盤(pán)，地上部分鎘積累量表現(xiàn)為：小花鬼針草＞金盞銀盤(pán)＞三葉鬼針草＞婆婆針。

表3 混種4種鬼針草屬植物對(duì)葡萄幼苗鎘含量的影響Table3 Effects on cadmium content in grape seedlings by intercropping with four species of Bidens L.

表4 與葡萄混種的四種鬼針草屬植物生物量及鎘積累Table4 The biomass and cadmium accumulation of four species of Bidens L.by intercropping with grape seedlings

2.6 混種后土壤pH值及有效態(tài)鎘含量

由圖3可知，各混種處理后土壤的pH值均顯著低于單種（P＜0.05），具體表現(xiàn)為：?jiǎn)畏N＞婆婆針混種葡萄＞三葉鬼針草混種葡萄＞小花鬼針草混種葡萄＞金盞銀盤(pán)混種葡萄。就土壤有效態(tài)鎘含量而言（見(jiàn)圖4），除了金盞銀盤(pán)與葡萄混種后的土壤有效態(tài)鎘含量高于單種外，其余3種混種處理后土壤的有效態(tài)鎘含量均顯著低于單種（P＜0.05），具體表現(xiàn)為：?jiǎn)畏N＞婆婆針混種葡萄＞小花鬼針草混種葡萄＞三葉鬼針草混種葡萄，與婆婆針、三葉鬼針草和小花鬼針草混種后土壤的有效態(tài)鎘含量分別較單種降低了1.38%、4.84%和4.61%。

圖3 土壤pH值Figure3 Soil pH value

3 討論

圖4 土壤有效態(tài)鎘含量Figure4 Soil available cadmium concentration

在重金屬污染條件下，混種的植物通過(guò)根系分泌不同的有機(jī)物改變土壤根際環(huán)境狀況，從而可以降低或升高土壤中重金屬的生物有效性，促進(jìn)或抑制植物的生長(zhǎng)及生理生化過(guò)程[22-24]。所以，合理的搭配混種植物，才能得到促進(jìn)植物生長(zhǎng)及減少重金屬吸收的最佳方式?；旆N對(duì)于重金屬脅迫條件下不同種類(lèi)植物的生物量的影響存在3種情況：一是使一方生物量增加，另一方生物量減少；二是使雙方的生物量均增加；三是對(duì)雙方生物量均無(wú)明顯影響[25]。本研究中，由于混種的4種鬼針草屬植物均為農(nóng)田雜草，生長(zhǎng)速度及生存競(jìng)爭(zhēng)力均高于葡萄幼苗，故本研究結(jié)果表現(xiàn)為混種的葡萄幼苗生物量均低于單種，即混種使得葡萄一方的生物量降低，這與前人對(duì)櫻桃混種富集植物的研究結(jié)果相似[26]。光合作用是植物最重要的生理反應(yīng)之一，其光合色素含量水平高低直接反映了光合能力的強(qiáng)弱。本研究中，與鬼針草屬植物混種的葡萄幼苗葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總含量及類(lèi)胡蘿卜素含量均低于單種，與葡萄幼苗生物量的表現(xiàn)一致，表明光合素色含量同植物的生長(zhǎng)表現(xiàn)基本一致，促進(jìn)植物生長(zhǎng)的同時(shí)一般會(huì)伴隨光合色素含量水平的提高，而生物量的減少一般也會(huì)伴隨著植物光合色素含量水平的降低。重金屬脅迫可導(dǎo)致植物體改變自身防御機(jī)制從而免受活性氧自由基的損傷，其中活性氧自由基的清除是一種普遍的防御機(jī)制，它通過(guò)抗氧化酶系統(tǒng)中的重要酶類(lèi)（如SOD、CAT）進(jìn)行保護(hù)防御[27]。本研究中，在重金屬鎘脅迫下，與4種鬼針草屬植物混種提高了葡萄幼苗葉片的SOD活性，這與對(duì)鉛鋅脅迫下混種三葉草對(duì)假繁縷的研究結(jié)果一致[28]。另外，本研究除與金盞銀盤(pán)混種提高了葡萄幼苗葉片的CAT活性，與其他3種鬼針草屬植物混種則降低了葡萄幼苗葉片的CAT活性，這與對(duì)鉛鋅脅迫下混種黑麥草對(duì)假繁縷的研究結(jié)果基本一致[28]。表明混種鬼針草屬植物對(duì)葡萄幼苗的各抗氧化酶影響不同，可能是由于不同抗氧化酶對(duì)重金屬的敏感度不同[29]。

不同植物混種后，由于各自對(duì)養(yǎng)分和重金屬的吸收能力與抗性的不同及根系分泌物的差異，會(huì)導(dǎo)致根際土壤環(huán)境的改變，進(jìn)而表現(xiàn)為促進(jìn)或抑制植株生長(zhǎng)和重金屬吸收[24]。本研究中，混種4種鬼針草屬植物使得葡萄幼苗的根系及地上部分的鎘含量均低于單種，表明混種富集植物可以降低普通植物的鎘含量，這與前人的一些研究結(jié)果一致[26，30]。本研究的葡萄幼苗根系及地上部分鎘含量表現(xiàn)為：?jiǎn)畏N＞混種婆婆針＞混種金盞銀盤(pán)＞混種小花鬼針草＞混種三葉鬼針草，結(jié)合生物量來(lái)看，葡萄根系及地上部分生物量表現(xiàn)為：?jiǎn)畏N＞混種婆婆針＞混種三葉鬼針草＞混種小花鬼針草＞混種金盞銀盤(pán)，生物量是混種均低于單種不利于植物的生長(zhǎng)，但混種后葡萄幼苗特別是地上部分的鎘含量顯著降低有利于降低植物的鎘積累從而用于植物的鎘修復(fù)的生產(chǎn)應(yīng)用，特別是有利于果品的安全綠色生產(chǎn)。其中與三葉鬼針草混種的葡萄幼苗鎘含量顯著低于其他處理及單種，且生物量下降幅度相對(duì)較小，故綜合比較，三葉鬼針草混種葡萄最有利于葡萄的生長(zhǎng)及鎘修復(fù)的生產(chǎn)應(yīng)用。另外，與葡萄混種后，4種鬼針草屬植物地上部分鎘含量表現(xiàn)為：三葉鬼針草＞小花鬼針草＞金盞銀盤(pán)＞婆婆針。表明2種植物混種后，可能會(huì)增加其中一種植物的重金屬積累量，而減少另一種植物對(duì)重金屬的吸收[12，31]，本研究即表現(xiàn)為葡萄鎘吸收減少，鬼針草屬植物鎘吸收增加。重金屬污染下，根際環(huán)境是影響植物提取土壤重金屬的主要因素，而混種產(chǎn)生的“根際對(duì)話”則可影響植物及土壤環(huán)境的重金屬含量水平[32-33]。本研究中，混種后土壤的pH值顯著低于單種，表明混種鬼針草屬植物會(huì)使得葡萄園土壤酸性增強(qiáng)，此改變趨勢(shì)與前人關(guān)于混種小飛蓬對(duì)酸櫻桃的土壤pH值的改變趨勢(shì)相同[34]。對(duì)于土壤的有效態(tài)鎘含量，除金盞銀盤(pán)與葡萄混種外，其余3種混種處理后土壤的有效態(tài)鎘含量均低于單種，這與前人在混種富集植物對(duì)櫻桃及酸櫻桃的土壤有效態(tài)鎘含量的結(jié)果不一致，可能是由于除土壤pH值會(huì)影響土壤的鎘的有效性及固化外，還存在其他影響因素[26，34]。其中三葉鬼針草混種葡萄后土壤有效態(tài)鎘含量最低，表明混種某些鬼針草屬植物可降低土壤的鎘含量，減少環(huán)境中鎘的影響，從而有助于改善土壤環(huán)境狀況。由此可見(jiàn)，本研究與葡萄混種的4種鬼針草屬植物中，三葉鬼針草使葡萄幼苗鎘含量降低最多且生物量不大幅下降，故三葉鬼針草是能顯著降低葡萄幼苗鎘含量，用于葡萄園土壤鎘修復(fù)的最佳材料。

4 結(jié)論

混種4種鬼針草屬植物（婆婆針、三葉鬼針草、小花鬼針草、金盞銀盤(pán)）降低了葡萄幼苗生物量、光合色素含量及除與金盞銀盤(pán)混種的葡萄幼苗的CAT活性，但提高了混種的葡萄幼苗的SOD活性?；旆N4種鬼針草屬植物使得葡萄幼苗的鎘含量均低于單種，其中與三葉鬼針草混種的葡萄幼苗鎘含量最低，顯著低于與其他3種鬼針草屬植物混種的及單種的葡萄幼苗鎘含量。對(duì)于土壤有效態(tài)鎘含量，除了金盞銀盤(pán)與葡萄混種后的土壤有效態(tài)鎘含量高于單種外，其余3種混種處理后土壤的有效態(tài)鎘含量均低于單種，其中三葉鬼針草混種葡萄后土壤有效態(tài)鎘含量最低。因此，本研究的4種鬼針草屬植物均可降低葡萄幼苗的鎘含量，可應(yīng)用于葡萄園鎘污染土壤的修復(fù)，且最佳材料是三葉鬼針草。