螳螂川流域土壤中氯離子富集對農作物生長發(fā)育的影響

錢文敏，楊 迪，曾 偉，雷小麗，劉 帥，齊佳敏，李 彬

(1.昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院,云南 昆明 650500；2.湖南惟創(chuàng)環(huán)境科技有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

氯是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一，雖然植物對氯元素的需求量很小，僅占植物體的0.1%左右，但植物對氯的需要量卻是最多的[1]。氯離子對植物的生長發(fā)育具有很重要的作用：氯作為錳的輔助因子，參與植物光合作用中水的光解反應；氯參與氣孔開張和關閉的調節(jié)；氯離子與陽離子保持電荷平衡，維持細胞的滲透壓等。在一定的氯離子濃度范圍內，對植物的生長發(fā)育具有促進作用，但氯離子濃度過高易發(fā)生氯中毒，導致植物生長發(fā)育緩慢甚至死亡。不同的植物也存在一定的耐氯臨界值[2]。作物耐氯能力劃分為三種類型：第一類為強耐氯作物：其耐氯臨界濃度>600mg/kg，包括水稻、棉花、紅麻、波菜等；第二類為中等耐氯作物：大麥、小麥、大豆、蠶豆、豌豆、玉米、油菜、蘿卜、甘蔗等，適應的土壤臨界濃度為300～600mg/kg；第三類為弱耐氯作物：萵苣、烤煙、甘薯等，適應的土壤臨界濃度為<300mg/kg。此外，作物的耐受能力還受到不同的作物品種和土壤類型、土壤性質的影響[2-4]。云南省螳螂川流域水體流量變化較大,水體雖然較小,但利用價值較大,它是?？?、安寧以及沿岸工業(yè)、農業(yè)、生活用水的主要水源,也是容納生產、生活污水的唯一水體。流域內土壤剖面發(fā)育完善，土層深厚，質地較重且分異明顯，土壤酸性較強，有機質及鉀素含量較豐富，該地區(qū)土壤有機質含量高(>15.3 g/kg)，最高可達63.6 g/kg，具有從谷底到山頂逐漸增加的趨勢，但人為影響大，侵蝕嚴重。周邊農業(yè)主要以種植玉米、蔬菜和加工型玫瑰為主。螳螂川流域上游的海口鎮(zhèn)是昆明的工業(yè)重鎮(zhèn)，境內有云南北方光學電子集團有限公司、云南西儀工業(yè)有限公司、云南圓正軸承有限公司、云南水泥廠、云南省化學工業(yè)有限公司等中央省屬企業(yè)。為探究人為因素對螳螂川流域內主要作物的影響，對流域內土壤和作物氯離子含量特征進行了調查。根據對螳螂川流域的土壤氯離子含量變化規(guī)律的研究和主要農作物不同氯離子濃度的盆栽種植試驗，得出螳螂川流域土壤氯離子濃度對周邊農作物的影響及其規(guī)律，以期為螳螂川流域農作物的種植提供指導依據。

1 材料與方法

1.1 取樣試驗

從云南滇池流域的海口到富民，根據河流的典型地段和周圍工廠分布，在4月份和8月份分別設置了20個采樣點，分布見圖1。于2019年4月底和8月底分別采集了距離螳螂川50m范圍內的作物及對應土壤。4月采集到的農作物主要是油菜(6個樣品)、蠶豆(7個樣品)、小麥(5個樣品)、油麥菜(1個樣品)和青菜(1個樣品)。受耕種習慣限制，8月份20個樣品均為玉米。主要測試品種大田與盆栽試驗保持一致，玉米(Zea mays Linn.)品種為云瑞8號，蠶豆(Vicia faba L.)品種為云豆324。

1.2 種子萌發(fā)實驗

種子發(fā)芽率，是指種子發(fā)芽終止在規(guī)定時間內的全部正常發(fā)芽種子粒數占供檢種子粒數的百分率，用以判斷田間出苗率，可以表示群體種子形成幼苗的潛勢。玉米、蠶豆種子用10%次氯酸鈉消毒10min，25℃浸種24h，然后置于鋪有一層濾紙的培養(yǎng)皿內，每皿8粒，每處理重復3次，共計21盆。然后分別加入如下處理溶液，氯離子(CaCl2)濃度設計：100mg/kg、200mg/kg、400mg/kg、800mg/kg、1600mg/kg、2400mg/kg和3200mg/kg，3d后開始測定指標。

圖1 采樣點分布示意圖

1.3 盆栽試驗

盆栽實驗氯(CaCl2)濃度設計：100mg/kg、200mg/kg、400mg/kg、800mg/kg、1600mg/kg、2400mg/kg和3200mg/kg，每種處理設3盆，共計21盆。種植的時間：2019年7月1日—9月15日。收獲時，測定各指標。

1.4 測定項目與方法

各個采樣點土壤和作物氯離子的含量測定：土壤氯離子含量測定采用NY/T 1378-2007硝酸銀滴定法[5]，植物氯含量測定采用電極電位滴定法[6]。盆栽實驗中各項指標的測定：根系活力測定采用改良TTC法[7]，葉片膜傷害程度測定采用電導率法[8]，葉片葉綠素含量測定采用丙醇提取法[9]，此外還包括生物量、丙二醛含量[10]和植物不同部位平均氯含量[6]的測定。

種子萌發(fā)實驗中各項指標的測定：培養(yǎng)至連續(xù)3d內無種子萌發(fā)為止，每日定時記錄萌發(fā)的種子數，測定種子的發(fā)芽率：即發(fā)芽率=規(guī)定發(fā)芽率測定天數內正常發(fā)芽的種子粒數/供試種子粒數× 100%。然后從每個樣品中隨機選取4株幼苗，測量其胚根長和植株總長，作好記錄，對結果進行統(tǒng)計分析。

使用 Microsoft Excel 2010對數據進行整理和統(tǒng)計及制圖，用 Origin 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同采樣點土壤氯離子變化規(guī)律

4月份土壤氯離子平均含量為53.80mg/kg,變化范圍為5.67～219.76mg/kg。8月份土壤氯離子平均含量為36.62mg/kg，變化范圍為4.25～172.95mg/kg(表1)。我國土壤平均氯離子含量為24.5mg/kg，螳螂川流域土壤氯離子含量屬于較高水平[2]。

土壤氯離子含量具有從?？诘礁幻裰饾u下降的趨勢(圖2)。4月份出現(xiàn)了6個峰值，依次出現(xiàn)在5昆明閩海紙業(yè)廠下游10m、2云天化集團附近、8小貴甸村、16青龍峽、13官莊村下游和11邑尾里村。8月份出現(xiàn)4個峰值，依次出現(xiàn)在5昆明閩海紙業(yè)廠下游10m、12官莊村上游、7馬料河口下游10m和9前山崀村。4月份和8月份最大值都出現(xiàn)在第5個采樣點，即昆明閩海紙業(yè)廠下游10m，可見該工廠的存在對土壤中氯離子含量的增加具有直接關系。其次是第2號采樣點云天化集團附近，云天化集團污染物也是土壤氯離子含量增加的重要因素。

表1 螳螂川流域土壤和作物氯離子含量

圖2 流域土壤氯離子含量變化規(guī)律

比較4月份和8月份的土壤氯離子含量，4月份的含量比8月份的含量高，特別是8月份土壤的氯離子含量除4個峰值外，基本比較穩(wěn)定。可能是由于4月屬于旱季，土壤氯離子逐漸累積，而8份屬于雨季，雨水對土壤中氯離子的淋洗作用，可能導致氯離子含量的降低(圖2和圖3)。

圖3 4月和8月土壤氯離子含量空間分布

從不同植物所對應的土壤來看，油菜地土壤氯離子含量平均為49.62mg/kg，范圍為14.18～79.39mg/kg。蠶豆地土壤氯離子含量平均為 48.81mg/kg，范圍為24.10～104.91mg/kg。小麥地土壤氯離子含量平均為28.07mg/kg，范圍為5.67～66.63mg/kg。油麥菜土壤氯離子含量為 76.50mg/kg，青菜地土壤氯離子含量為 219.76mg/kg。分析比較不同植物對土壤氯離子的耐性和敏感性，小麥、蠶豆、玉米和油菜都屬于中等耐氯作物，耐氯臨界濃度為600mg/kg。土壤氯離子含量處于其耐受范圍內，不會對小麥、蠶豆、玉米和油菜的生長產生較大的影響。

根據安景文等[11]研究結果，白菜的耐氯臨界濃度為200mg/kg，2個蔬菜樣品采樣點土壤氯離子含量均較高，特別是青菜地位于昆明閩海紙業(yè)廠下游10m，土壤氯離子含量超過200mg/kg，可能會對蔬菜的生長產生一定的影響。因此，應該注意作物或蔬菜的選擇和布局。

2.2 不同采樣點植物氯離子變化規(guī)律

4月份植物氯平均含量為0.32%，變化范圍為0.06%～0.82%。油菜氯含量平均為0.32%，范圍為0.06%～0.62%。蠶豆氯含量平均為0.31%，范圍為0.13%～0.52%。小麥氯含量平均為0.17%，范圍為0.07%～0.31%。油麥菜氯含量為0.53%，青菜氯含量為0.82%。8月份玉米氯平均含量為0.27%, 變化范圍為0.06%～0.57%(表1)。一般植物氯含量為0.03%～1.5%，可見螳螂川流域植物氯含量為正常水平。

實驗采樣測定了4月份和8月份的土壤和植物中氯含量，表明土壤和植物中氯含量之間存在顯著的正相關關系(見圖4)。因此，通過土壤氯離子含量預測植物中氯含量具有可行性，土壤氯含量的變化將影響植物中氯的積累。

2.3 不同氯離子濃度對玉米/蠶豆生長發(fā)育的影響

2.3.1 氯離子濃度對玉米/蠶豆種子萌發(fā)的影響

玉米種子經不同的氯離子濃度處理3d后，發(fā)芽率、芽長和根長隨著氯離子濃度的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(見表2)。當氯離子添加濃度<400mg/kg時，種子萌發(fā)情況良好，可能是由于氯離子濃度處于適宜水平，提高了種子萌發(fā)酶的活性，促進了種子萌發(fā)[12]。當氯離子添加濃度>400mg/kg時，樣品的發(fā)芽率、芽長和根長均下降了許多，說明種子萌發(fā)受到了脅迫，氯離子濃度過高會對玉米種子的萌發(fā)產生抑制作用，并且隨著氯離子濃度的升高，抑制作用會愈加強烈[13,14]。

從表2可知，蠶豆種子經不同的氯離子濃度處理3d后，發(fā)芽率、芽長和根長隨著氯離子濃度的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢， 400～800mg/kg氯離子濃度處理下的樣品的發(fā)芽率、芽長和根長與其他濃度處理下的樣品相比屬于較高水平，當氯離子添加濃度>800mg/kg時，樣品的發(fā)芽率、芽長和根長相比之前有明顯降低，說明蠶豆種子萌發(fā)需要大量的氯元素，氯離子濃度在400～800mg/kg時可以提高種子萌發(fā)酶的活性[12]，對蠶豆種子的萌發(fā)具有促進作用。

圖4 土壤氯離子與植物氯含量相關性(4月份和8月份)

表2 氯離子濃度處理對玉米/蠶豆種子萌發(fā)的影響

2.3.2 氯離子濃度對玉米/蠶豆生物量的影響

氯濃度處理>400mg/kg時，玉米出苗推遲5～7d，且出苗緩慢不整齊，植株矮小，出葉率低，新生葉片小，葉色暗綠，分枝數少或無分枝[15]。圖5a表明，在土壤含氯100～200mg/kg時玉米幼苗生長無異常，且有一定的促進作用，這可能是由于氯離子在植物體內的少量積累促進了植物的生長[16]。

氯濃度處理>800mg/kg時，蠶豆出苗推遲3～5d，且出苗緩慢不整齊，植株矮小，出葉率低，新生葉片小，葉色暗綠，分枝數少或無分枝，這說明鹽脅迫明顯地降低了植物的生物量[15]。圖5b表明，在土壤含氯100～400mg/kg時蠶豆幼苗生長無異常，這可能是由于氯離子在植物體內的少量積累產生了對植物生長發(fā)育的促進作用[16]。

2.3.3 氯離子濃度對玉米/蠶豆根系活力的影響

植物的根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長情況和活力水平直接影響地上部的營養(yǎng)狀況及產量水平[17]。從圖6a可知，當土壤中氯處理為100mg/kg時，玉米根系活力為179.87μg/(g*h), 當土壤中氯處理為3200mg/kg時， 根系活力為2.53μg/(g*h)，與根系活力最強時相比下降了98.5%。從圖6b可知，當土壤中氯處理為200mg/kg時，蠶豆根系活力為30.89μg/(g*h)，當土壤中氯處理為3200mg/kg時，根系活力為4.37μg/(g*h)，與根系活力最強時相比下降了85.8%。

圖5 氯離子濃度對玉米/蠶豆生物量的影響

圖6 氯處理對玉米/蠶豆根系活力的影響

2.3.4 氯離子濃度對玉米葉片膜傷害程度的影響

細胞膜是選擇透過性膜，它能調節(jié)和控制細胞內外物質的運輸和交換，其透性是評定植物對污染物反應的指標之一[18]。當植株體受到離子毒害時，在結構上表現(xiàn)為細胞膜結構發(fā)生了嚴重破壞，由圖7a可知，玉米莖葉外滲液電導率隨氯處理濃度增加而增加。這可能是因為氯進入植株后，氯與細胞膜蛋白的—SH或磷酸分子層的磷酸脂類物質反應，造成膜蛋白的磷脂結構變化，致使細胞膜結構改變，膜系統(tǒng)遭受破壞，透性增大，使細胞內一些可溶性物質外滲，從而使電導率增大。由圖7b可知，蠶豆莖葉外滲液電導率隨氯處理濃度增加而增加。這可能是因為氯進入植株后，氯與細胞膜蛋白的—SH或磷酸分子層的磷酸脂類物質反應，造成膜蛋白的磷脂結構變化，致使細胞膜結構改變，膜系統(tǒng)遭受破壞，透性增大，使細胞內一些可溶性物質外滲，從而導致電導率增大。

圖7 氯處理對玉米/蠶豆莖葉細胞膜透性的影響

2.3.5 氯離子濃度對玉米/蠶豆丙二醛含量的影響

MDA(丙二醛)是生物膜系統(tǒng)脂質過氧化物的產物之一，是一種重要的逆境生理指標，其含量反映著細胞活性氧引起脂質過氧化，導致植物細胞傷害程度。其形成速率一定程度上反映機體內清除自由基能力的大小和活性氧代謝水平。從圖8a可知，隨著氯離子濃度的增加，玉米體內的MDA含量呈現(xiàn)增加的趨勢，加氯100mg/kg和200mg/kg處理玉米體內MDA含量平均為1.65μmol/g，加氯3200mg/kg處理玉米體內MDA含量為 13.38μmol/g，與100mg/kg和 200mg/kg 處理相比增加了87.67%。這說明在鹽脅迫條件下會增加植物體內MDA的含量[19]。從圖8b可知，隨著氯離子濃度的增加，蠶豆體內的MDA含量呈現(xiàn)增加的趨勢[19]，加氯100>1200mg/kg處理蠶豆體內MDA含量平均為7.43μmol/g，加氯3200mg/kg處理蠶豆體內MDA含量為21.82μmol/g。

圖8 氯處理對玉米/蠶豆葉丙二醛(MDA)含量的影響

2.3.6 氯離子濃度對玉米/蠶豆葉片葉綠素含量的影響

葉綠素含量是反映植物葉片光合作用的重要生理指標，葉綠素含量高低在一定程度反映了光合作用水平(圖9)。葉綠素含量低，光合作用弱，會導致植物鮮重降低，植物在逆境脅迫或衰老過程中，葉綠素含量下降。由圖9a可知，不同濃度的氯對玉米的葉綠素含量影響明顯，隨氯濃度增加葉綠素含量持續(xù)降低。由圖9b可知，不同濃度的氯對蠶豆的葉綠素含量影響明顯，隨氯濃度的增加葉綠素含量持續(xù)降低，當氯含量為3200mg/kg時蠶豆體內葉綠素a為2.33mg/L、葉綠素b為0.58mg/L，與200mg/kg處理時分別為9.55mg/L和2.39mg/L相比，分別下降了75.58%和75.67%。這可能是由于植物體內氯離子濃度過高，導致合成葉綠素的中間產物減少而造成的[20-21]。

圖9 氯處理對玉米/蠶豆葉片的葉綠素含量的影響

2.3.7 玉米/蠶豆對土壤氯離子含量的富集能力

土壤氯離子含量高玉米體內吸收的氯含量也隨著增高，玉米對氯離子有明顯的奢侈吸收(圖10a)。土壤氯濃度為100～800mg/kg時，玉米植株中氯含量從0.20%增加到0.84%，1600mg/kg時，玉米植株中氯含量開始大幅度增加，3200mg/kg 時，達到9.05%，由于作物能從土壤中吸收大量的氯，作物收獲后僅根系殘留在土壤中，而莖、葉、籽粒被從農田帶走，從而也帶走了農田中大量的氯離子。從圖10b可知，蠶豆體內吸收的氯含量隨土壤氯離子含量增加而增高，蠶豆對氯離子有明顯的奢侈吸收。土壤氯濃度為100～1200mg/kg時，蠶豆植株中氯含量平均為2.73%，1600mg/kg時，玉米植株中氯含量開始大幅度增加，3200mg/kg時，達到12.61%，與100 ～1200mg/kg相比增加了78.35%。

圖10 土壤氯離子與玉米/蠶豆吸收氯離子量的關系

2.4 討論

從圖5～圖10和表2中可以看出，在100mg/kg時根系活力、葉綠素a和b 的含量是最高的，葉片膜傷害程度、植物氯含量是最低的；在200mg/kg時，玉米的生物量、種子萌發(fā)率是最高的，MDA含量是最低的；在400mg/kg及以上玉米的生物量、葉綠素a和b的含量呈下降趨勢，葉片膜傷害程度、MDA含量均呈下降趨勢，僅根系活力在400～800mg/kg保持相對穩(wěn)定的水平，說明在土壤氯離子濃度為100～400mg/kg時玉米的生長狀況良好，當氯離子含量高于400mg/kg之后，濃度越高對玉米生長發(fā)育的負面影響越大。蠶豆的葉片膜傷害程度、MDA含量、植物體氯含量均隨著土壤氯離子濃度的升高而逐漸升高。在200mg/kg時葉綠素a和b的含量、根系活力最高，在400mg/kg時蠶豆地上部的含量最高，在800mg/kg時，種子的萌發(fā)率最高，在1200mg/kg時蠶豆地下部生物量最高，在1600mg/kg之后，隨著土壤氯離子濃度的升高，蠶豆的生長發(fā)育狀況也隨之受到影響，在400～800mg/kg時，蠶豆種子萌發(fā)率、葉綠素a和b、地下部生物量均保持相對穩(wěn)定的水平，說明在土壤氯離子濃度為400～800mg/kg時適宜蠶豆的的生長發(fā)育。綜上可知，玉米的耐氯性要低于蠶豆的耐氯性。螳螂川流域土壤氯離子含量最高為219.76mg/kg，因此螳螂川流域土壤氯離子含量對農作物的生長發(fā)育基本無影響。

4 結論

(1)螳螂川流域土壤氯離子含量屬于較高水平，閩海紙業(yè)廠和云天化集團所排污染物對其附近的土壤氯離子濃度有顯著的影響。

(2)2個蔬菜樣品的采樣點因靠近昆明閩海紙業(yè)廠下游而導致土壤氯離子含量均較高，可能對蔬菜的生長產生影響。因此，應該注意作物或蔬菜的選擇和布局。

(3)玉米和蠶豆均為中等耐氯植物，螳螂川流域土壤氯離子含量對其生長發(fā)育基本無負面影響，甚至在部分采樣點對其的生長發(fā)育有一定的促進作用。