水土農(nóng)化因子與利川莼菜產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系研究

龔漢雨,柯金松，董琪琪，鄧紅平，冉 露，周富忠,鄧楚洪，余光輝

(1.中南民族大學(xué)武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074;2.中南民族大學(xué)南方少數(shù)民族地區(qū)資源保護(hù)綜合利用聯(lián)合工程中心，湖北武漢 430074;3.中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，中國莼菜研究所，湖北武漢 430074;4.利川市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖北利川 445000)

莼菜(J.F.Gmel.) 隸屬于睡蓮科或水盾草科或莼菜科(Cabombaceae) 莼菜屬()多年生植物，也是極具民族地區(qū)特色的水生蔬菜，被列為利川市脫貧攻堅的支柱產(chǎn)業(yè)。莼菜的嫩芽和嫩葉依附有透明果膠質(zhì)，其內(nèi)含有豐富的多糖、氨基酸、多酚、蛋白質(zhì)、維生素、組胺及鋅、鈣、鐵和硒等微量元素，具有抗腫瘤、抗?jié)?、抗菌消炎和促進(jìn)免疫等生物活性功能，被冠以“世界珍奇”“中國一絕”“21世紀(jì)生態(tài)蔬菜”“生命蔬菜”“美容蔬菜”“人類的免疫促進(jìn)劑”等多種榮譽(yù)稱號，是我國傳統(tǒng)藥食兩用的名貴蔬菜。近年來，隨著全球氣候變暖和人為活動的影響，野生莼菜的自然種群數(shù)量急劇減少，分布范圍大幅縮減，被列為國家一級瀕危植物。其栽培種則主要分布于利川市佛寶山和涼霧鄉(xiāng)、浙江西湖、江蘇太湖以及四川螺吉山地區(qū)。

莼菜是多年生宿根草本植物，以無性繁殖為主，遺傳多樣性較低，種群結(jié)構(gòu)單一。莼菜棲息于山區(qū)原生態(tài)水田或者沼澤濕地中，喜清澈、冷涼且流動的優(yōu)質(zhì)山泉水，要求土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，生態(tài)環(huán)境和諧，才能確保形成厚實(shí)的黏液果膠。

利川市擁有適宜莼菜生長的獨(dú)特生態(tài)環(huán)境和山地高寒氣候，人工栽培種和作為水生蔬菜的產(chǎn)業(yè)都方興未艾，被譽(yù)為中國莼菜之鄉(xiāng)。 利川莼菜因質(zhì)優(yōu)量大、營養(yǎng)豐富而被評為國家地理標(biāo)志產(chǎn)品。鑒于莼菜野生種群處于極度瀕危狀態(tài)，通過研發(fā)高產(chǎn)栽培技術(shù)，促進(jìn)生長發(fā)育，改善產(chǎn)量性狀進(jìn)而促進(jìn)莼菜栽培種群的穩(wěn)定和均衡發(fā)展，是目前保護(hù)該瀕危植物不被滅絕的最有效方式。筆者通過對利川市莼菜主產(chǎn)區(qū)水土樣品隨機(jī)進(jìn)行農(nóng)化檢測和分析，探討其和莼菜生長及產(chǎn)量的相關(guān)性，為研究莼菜抵御不良環(huán)境因子的內(nèi)在生物學(xué)機(jī)理、瀕危原因，進(jìn)而制定相關(guān)的保護(hù)措施奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

取樣時間為 2019 年 6 月 6 日，取樣地點(diǎn)為利川市莼菜主產(chǎn)區(qū)——涼霧鄉(xiāng)的仙女洞(XND,108°48′06″E，30°12′01″N) 、陶家溝(TJG,108°50′16″E，30°13′09″N)、水源頭村(SYT,108°56′51″E，30°12′35″N) 、繼昌村(JCC,108°47′52″E，30°10′10″N) 和玉爾溝(YEG,108°41′09″E，30°14′21″N)，每個地點(diǎn)不同田塊中隨機(jī)9次取樣。

水土農(nóng)化檢測方法。水環(huán)境和土壤環(huán)境農(nóng)化檢測方法和儀器見表1、2。

產(chǎn)量檢測。鑒于莼菜嫩芽為主要食用部分，重復(fù)檢測田中單位面積(1 m) 上莼菜嫩芽產(chǎn)量和單個嫩芽的重量，重復(fù)樣本為=9。

使用 GraphPad Prism 8軟件進(jìn)行顯著性差異(One way ANOVA,Multiple comparisons) 和相關(guān)性的數(shù)據(jù)分析(Linear regression,Correlation)。

2 結(jié)果與分析

水質(zhì)檢測結(jié)果見圖1，結(jié)合國家生態(tài)環(huán)境部于2021年1月20日發(fā)布的農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084—2021) 的限值，結(jié)果表明，水源頭村(SYT) 的五日生化需氧量分別與TJG、JCC和YEG之間存在極顯著差異，與XND之間存在顯著差異，但均遠(yuǎn)低于60 mg/L；化學(xué)需氧量和五日生化需氧量類似，只是增加了XND和JCC之間的顯著差異，也遠(yuǎn)低于150 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)(圖1A、B)。同時，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002) ，化學(xué)需氧量和五日生化需氧量基本處于二三類水質(zhì)指標(biāo)范圍內(nèi)；氯化物和全鹽量含量在各田塊間差異極顯著，但氯化物含量遠(yuǎn)低于350 mg/L，甚至遠(yuǎn)低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749—2006) 的250 mg/L限值(圖1C)；全鹽量也遠(yuǎn)低于非鹽堿地1 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)值(圖1D)，說明水體受人類活動影響較小，未受到污染； pH在田塊間顯著差異，均處于5.5～8.5正常值范圍內(nèi)(圖1E)。此外，陰離子表面活性劑、硫化物和六價鉻均未檢出(數(shù)據(jù)未提供)。上述結(jié)果說明水體中的各種化學(xué)成分和污染物未超出國家標(biāo)準(zhǔn)，未受到人類活動的污染，化學(xué)性質(zhì)總體上較穩(wěn)定。

表 1 水環(huán)境農(nóng)化檢測方法和儀器Table 1 Detection methods and instruments of agricultural chemistry in water

表 2 土壤環(huán)境農(nóng)化檢測方法和儀器Table 2 Detection methods and instruments of agricultural chemistry in soil

注：*表示差異顯著(P<0.05),**表示差異極顯著(P<0.01) Note:*indicated significant different level (P<0.05),**indicated significant different level(P<0.01)圖1 水質(zhì)檢測分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of water quality test

檢測結(jié)果見圖2，滴滴涕和六六六在田塊間差異不顯著，遠(yuǎn)低于《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)GB 15618—2018》中風(fēng)險篩選值0.1 mg/kg(圖2A、B)，說明利川當(dāng)?shù)馗鱾€不同小氣候條件下莼菜田土壤未受到明顯農(nóng)事活動的污染，農(nóng)藥殘留量極小。

全氮含量基本超過了《南方地區(qū)耕地土壤肥力診斷與評價(NY/T 1749—2009)》中有關(guān)南方地區(qū)土壤肥力評價的主要理化指標(biāo)建議值，且在不同田塊間出現(xiàn)顯著或者極顯著差異，但水解氮在各個田塊間差異不顯著，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，全氮和水解氮含量基本處于三級水平之上(圖2C、D)，與湖北省主要稻田土壤數(shù)值變化范圍一致，可能是土壤中的難溶解有機(jī)氮的差異導(dǎo)致全氮的顯著差異，但對于莼菜生長供應(yīng)有效氮素的能力方面則差異不顯著。

結(jié)合綠色食品產(chǎn)地土壤肥力等級標(biāo)準(zhǔn)，速效鉀為100～150 mg/kg，基本處于一、二級范圍內(nèi)(圖2E)，有效磷>15 mg/kg，處于一級指標(biāo)范圍內(nèi)(圖2F)；也與王偉妮等研究的鄂西南地區(qū)變幅17.0～243.0相一致，達(dá)到二級水平，超過了《南方地區(qū)耕地土壤肥力診斷與評價(NY/T 1749—2009)》中南方地區(qū)土壤肥力評價主要理化指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值；各田塊間pH無顯著差異，且處于5.5～8.5正常值范圍內(nèi) (圖2G)，與湖北省主要水田土壤pH變化范圍相一致(《湖北土壤》2015)，也處于5.5～7.5的變化范圍內(nèi)，為3～4級土壤。根據(jù)全國第二次土壤普查推薦的肥力分級標(biāo)準(zhǔn)，雖然仙女洞(XND) 田內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量極顯著超過了其他田塊，水源頭村也顯著高于繼昌村，但基本處于一、二級范圍內(nèi)(>3%)，為“豐富”級(圖2H)，且與底質(zhì)含水量(圖1F) 變化范圍相一致。

隨機(jī)分析5個村田塊內(nèi)單個嫩芽和單位面積(1 m) 內(nèi)嫩芽的鮮重，結(jié)果表明，5個田塊間產(chǎn)量指標(biāo)無顯著差異(>0.05)，所有田塊內(nèi)莼菜生長發(fā)育狀況和產(chǎn)量基本一致(圖3)。

分析了單個莖尖鮮重WSS(weight of single shoot) 和單位面積產(chǎn)量(=9) 分別與水體中5種、土壤中9種農(nóng)化指標(biāo)的相關(guān)性(圖4、5)。結(jié)果表明，水體中農(nóng)化指標(biāo)與單芽重和產(chǎn)量均無顯著相關(guān)性；而在土壤農(nóng)化指標(biāo)中，除仙女洞田塊中底質(zhì)含水量與產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著相關(guān)性外 (<0.05)，其他均無顯著差異 (>0.05)，表明水土中各類農(nóng)化因子未對莼菜生長發(fā)育和產(chǎn)量指標(biāo)產(chǎn)生明顯影響，也說明田內(nèi)生態(tài)環(huán)境和水土條件比較適宜莼菜生長發(fā)育，該地區(qū)的莼菜長勢和產(chǎn)量比較穩(wěn)定。

3 討論

結(jié)合國家各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，各田塊內(nèi)水體在一些農(nóng)化指標(biāo)上出現(xiàn)極顯著或顯著差異，但均遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)尚未檢出，農(nóng)藥殘留量極低，說明水質(zhì)總體上保持優(yōu)良，基本處于二三類水質(zhì)指標(biāo)范圍內(nèi)，與前人研究結(jié)果一致。說明水體受人類農(nóng)事活動影響較小，未受到污染，化學(xué)性質(zhì)總體上較穩(wěn)定。由于莼菜田長期實(shí)行流動的活泉水灌溉，也證明了該方式是保持水質(zhì)優(yōu)良和莼菜良好生長的主要原因。

土壤是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素循環(huán)中的重要組成成分，調(diào)控各類營養(yǎng)元素的貯存、釋放和轉(zhuǎn)化，并受到成土母質(zhì)、氣候條件、土地耕作方式、植被變化以及施肥方式等人為和自然因素的綜合影響。各田塊內(nèi)速效養(yǎng)分如水解氮處于三級水平之上；有效磷達(dá)到二級水平；速效鉀基本處于一、二級范圍內(nèi)；且差異不顯著。速效養(yǎng)分能夠較靈敏地反映土壤氮、磷、鉀素動態(tài)和供應(yīng)水平，且含量穩(wěn)定，莼菜生長和產(chǎn)量未出現(xiàn)顯著差異且保持穩(wěn)定，說明田內(nèi)速效養(yǎng)分能滿足莼菜生長所需。該研究還發(fā)現(xiàn)莼菜田內(nèi)速效鉀含量略高于水稻田，而莼菜田為多年長期淹水狀態(tài)，淹水時間長于水稻田，再次印證了長期淹水環(huán)境有利于鉀元素通過“向下淋溶”效應(yīng)而富集在土壤中的這一結(jié)論。全量養(yǎng)分如全氮含量超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且出現(xiàn)顯著或者極顯著差異，但還處于三級水平之上；有機(jī)質(zhì)含量和底質(zhì)含水量相對于其他田塊間達(dá)極顯著或者顯著水平，基本都處于一、二級范圍以內(nèi)。導(dǎo)致上述結(jié)果的原因可能是土壤中難溶解的有機(jī)氮的差異致使全氮含量出現(xiàn)顯著差異，小氣候和小環(huán)境以及獨(dú)特的當(dāng)?shù)赝寥滥纲|(zhì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量差異；由于莼菜田實(shí)行的是活泉水流動灌溉，各類速效養(yǎng)分交換頻繁，導(dǎo)致差異不顯著，但又能夠滿足莼菜生長所需。說明有機(jī)質(zhì)雖然出現(xiàn)了顯著差異，但仍能夠持續(xù)為莼菜田提供足夠的速效養(yǎng)分，是速效養(yǎng)分供應(yīng)的基石，且對于莼菜減少對重金屬的吸收，保持天然無公害的特性具有重要作用。

注：*表示差異顯著(P<0.05),**表示差異極顯著(P<0.01) Note:*indicated significant different level (P<0.05),**indicated extremely significant different level(P<0.01)圖2 土壤檢測分析結(jié)果Fig.2 Analysis results of soil test

圖3 產(chǎn)量分析Fig.3 Output analysis

注：A、B為仙女洞村(XND)；C、D 為陶家溝村(TJG)；E、F為水源頭村(SYT)；G、H為繼昌村(JCC)；I、J分別為玉爾溝村(YEG)圖4 單個莖尖鮮重和產(chǎn)量與水質(zhì)農(nóng)化指標(biāo)相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis of agricultural chemical factors in water between fresh mass and production of shoot buds

注：A、B為仙女洞村(XND)；C、D 為陶家溝村(TJG)；E、F為水源頭村(SYT)；G、H為繼昌村(JCC)；I、J為玉爾溝村(YEG) 圖5 單個莖尖鮮重和產(chǎn)量與土壤農(nóng)化指標(biāo)相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of agricultural chemical factors in soil between fresh mass and production of shoot buds

各田塊間pH無顯著差異，且處于5.5～8.5正常值范圍內(nèi)，有利于維持土壤養(yǎng)分的有效性、微生物的生物量和多樣性以及土壤酶活性。同時DDT和六六六含量極低，未出現(xiàn)顯著差異且遠(yuǎn)低于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說明周邊小環(huán)境生態(tài)條件優(yōu)越、農(nóng)事活動較少、保護(hù)措施嚴(yán)格。

各田塊水土農(nóng)化指標(biāo)與莼菜生長和產(chǎn)量之間無顯著相關(guān)性。說明莼菜田內(nèi)水土營養(yǎng)元素和優(yōu)良生態(tài)環(huán)境完全能夠滿足莼菜生長需要，莼菜長勢和產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。鑒于莼菜對環(huán)境條件要求較高，對水土中各種農(nóng)化因子含量變化極為敏感，因此，可以考慮在人工控制條件下調(diào)節(jié)某些因子，以探索對莼菜生長和產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響的“臨界濃度”，構(gòu)建更高的水土養(yǎng)分平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提升。

由于莼菜是國家一級瀕危植物，對水土質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境要求極高，水土中的農(nóng)化因子含量對其生長發(fā)育、產(chǎn)量以及品質(zhì)都有全方位的影響。該試驗(yàn)結(jié)果提供了當(dāng)前莼菜田中水土的部分化學(xué)性質(zhì)，為保護(hù)這一珍稀植物資源，進(jìn)一步促進(jìn)莼菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有必要對利川莼菜田水土農(nóng)化因子含量等化學(xué)因素的變化持續(xù)監(jiān)測和研究，為確立莼菜的最佳生長條件和研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化高產(chǎn)栽培管理技術(shù)，以及制定保護(hù)策略奠定基礎(chǔ)。