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作者简介:

李欣欣(1994-),女,四川雅安人,硕士生,主要从事果树生理生态及栽培研究。E-mail:347319112@qq.com。

通讯作者:

廖明安,E-mail:lman@sicau.edu.cn。

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目录contents

    摘要

    通过盆栽试验,研究了在镉污染条件下,土施 3 种镉超富集植物(龙葵、野茼蒿、三叶鬼针草)秸秆对葡萄生长及镉含量的影响。结果表明:幼苗试验中,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗生物量、 光合作用强度、抗氧化酶活性和代谢物质含量均增加,且葡萄幼苗地上部分镉含量减少,较未施用分别减少了 37.63%、18.31% 和 22.25%。结果树试验中,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄果实镉含量均减少且提高了果实品质,其中果实镉含量较未施用分别减少了 22.11%、14.07% 和 19.25%。因此,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆能促进葡萄的生长和降低其镉含量,有利于镉污染果园中葡萄的正常生长及安全生产,其中土施龙葵秸秆效果最佳。

    Abstract

    Pot experiments were conducted to study the effects of soil application of cadmium-hyperaccumulator plant straw (Solanum nigrum,Crassocephalum crepidioides,Bidens pilosa)on grape growth and cadmium content under cadmium stress. The results showed that the biomass,photosynthesis intensity,antioxidant enzyme activity and metabolite content in grape seedlings increased after applying S. nigrum,C. crepidioides and B. pilosa straw,while the cadmium content in shoots of grape seedlings decreased by 37.63%,18.31% and 22.25%,respectively,compared with that without application. The tree experiment showed that the cadmium content in grape fruits decreased and the quality of grape fruits improved after applying S. nigrum,C. crepidioides and B. pilosa straw. The cadmium content in grape fruits decreased by 22.11%,14.07% and 19.25%,respectively,compared with that without application. Therefore,soil application of S. nigrum,C. crepidioides and B. pilosa straw can promote the growth of grapes and reduce their cadmium content,which is conducive to the normal growth and safe production of grapes in cadmium-contaminated orchards,and among them,applying S. nigrum straw had the best effect

  • 镉是土壤重金属污染中面积最广的重金属元素之一[1]。据调查显示,耕地中重金属污染点位以镉超标最为显著[2],中国已有11 个省、25 个地区的农田遭受镉污染,受镉污染的农田面积达到28 万hm2,每年生产镉含量超标农产品1.46×109 kg[3]。 镉也是土壤重金属污染中危害最大的重金属元素之一[1],因其生物毒性强、迁移性大和不被生物体降解,容易通过食物链在人体和动植物内富集,对动植物及人体的健康产生毒害作用[4-5]

  • 葡萄具有较高的营养价值和医疗保健功能,是重要的果品之一,其栽培面积和产量一直位于世界水果生产前列[6]。随着葡萄产业的发展,农药和肥料等使用不当以及环境污染等[7]致使中国各地区的葡萄园土壤受到不同程度的镉污染,如长沙、株洲地区、天津市西青区等地区的葡萄园[8-9]。且葡萄的多年生特性使其地上部分累积镉的可能性增加,从而对葡萄正常生长和果品安全造成影响。因此,为确保果品绿色生产和安全食用,土壤镉污染治理和修复显得尤为重要。

  • 目前,重金属植物修复技术相较于传统的物理、化学和工程措施具有经济、高效、环保和适用范围广等优点,已成为修复土壤重金属污染的一项重要技术[10]。但由于超富集植物生物量低、生长缓慢、地域性较强和修复时间较长等缺陷因素,使得植物修复技术难以大范围推广应用[11]。为克服植物修复技术存在的缺陷,可采取一些农艺措施来提高其修复效率[12]。在农业生产上,秸秆还田是利用秸秆的一种重要且有效的方式,不仅具有良好的土壤、生物和农田效应,还能提高作物产量和品质[13-14],且有研究表明秸秆对植物吸收重金属也有一定影响[15]。如在镉胁迫下,覆盖镉超富集植物牛膝菊秸秆使树番茄、大五星和川早枇杷地上部分镉含量均增加[16-17],但施用镉耐性植物车前秸秆、镉富集植物小飞蓬秸秆和镉超富集植物少花龙葵秸秆使树番茄地上部分镉含量均减少[17-19]。因此,选用适宜的秸秆施入土壤能减少植物对镉的吸收。经前期混种试验表明,龙葵(Solanum nigrum)[20]、 野茼蒿(Crassocephalum crepidioides)[21] 和三叶鬼针草(Bidens pilosa)[22]这3 种生长周期短、生物量大、分布广和对镉富集能力强的镉超富集植物[23-24] 能显著降低植物镉含量[25-26]。但混种材料前期生长速度快于作物,会争夺作物养分、光照等资源, 后期作物长大荫蔽混种材料使混种效果弱化[27]。 而相关研究表明,混种和施用混种试验材料秸秆会对植物重金属吸收产生相同或不同影响[1728]。因此,本试验选用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草地上部分秸秆作为试验材料,施入镉污染土壤中种植葡萄,研究其对葡萄生长及镉含量的影响,以期筛选出能降低葡萄镉含量的植物秸秆,为葡萄果园镉污染防治提供参考。

  • 1  材料与方法

  • 1.1  试验材料

  • 1.1.1  植物材料

  • 于2018 年3 月在四川农业大学成都校区周围农田(未被重金属污染区)采集供试镉超富集植物龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草地上部分,然后分别用去离子水洗净后,于110℃杀青15 min,80℃烘干至衡重,分别剪成小于1 cm的小段密封袋,装袋保存备用。

  • 供试葡萄品种为‘巨峰’,供试葡萄幼苗于2018 年5 月购置于四川省成都市龙泉驿区苗木基地,供试葡萄结果树为两年生苗木。

  • 1.1.2 试验土壤及重金属

  • 供试土壤取自四川农业大学成都校区周围农田,为紫色土,基本理化性质如下:土壤pH值为7.09,全氮含量为1.50 g/kg,全磷含量为0.76 g/kg, 全钾含量为18.02 g/kg,碱解氮含量为94.82 mg/kg, 有效磷含量为6.30 mg/kg,速效钾含量为149.59 mg/kg,全镉含量为0.02 mg/kg,土壤背景有效镉含量未检出[26]。土壤理化性质及重金属含量均参照鲍士旦[29]的方法测定。

  • 供试重金属为镉,以分析纯CdCl2·2.5H2O形式按设计浓度加入供试土壤(根据每盆土的重量及设计浓度,按镉占CdCl2·2.5H2O相对分子质量的比重,精确计算加入CdCl2·2.5H2O的量,以保证土壤镉浓度准确)。

  • 1.2 试验设计

  • 盆栽试验于2018 年4 ~ 11 月在四川农业大学成都校区五教进行。2018 年4 月,将土壤风干、 压碎过5 mm筛后分别称取3.0 和6.0 kg土分别装入15 cm×18 cm和30 cm×35 cm(高 × 直径)规格塑料盆内,再加入分析纯CdCl2·2.5H2O溶液, 使其镉浓度达到5 mg/kg,保持淹水状态,自然放置平衡4 周。2018 年5 月将处理好的龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草地上部分秸秆分别与镉污染土壤混匀,每千克土施2 g秸秆,浇水保持湿润,平衡2 周;挑选生长基本一致且无病虫害的当年扦插巨峰葡萄幼苗(新梢长约15 cm)定植至15 cm×18 cm(高 × 直径)盆中,两年生结果树定植至30 cm×35 cm(高 × 直径)盆中,幼苗每盆种植3 株, 结果树每盆种植1 株,每个处理重复3 次。本试验共有4 个处理:未施秸秆(CK)、施龙葵秸秆、施野茼蒿秸秆和施三叶鬼针草秸秆。葡萄的管理按照标准的盆栽管理方式进行,各盆(盆间距约15 cm) 随机摆放并不定期随机调换位置,保证盆土的含水量约为田间持水量的80%,同时注意防治杂草和病虫害。

  • 1.3 测试项目与方法

  • 60d后,选取每株葡萄幼苗植株顶部约2 cm长的幼嫩叶片进行处理,测定抗氧化酶(SOD、 POD和CAT)活性和可溶性蛋白含量[30]。选取从上往下的第3 或第4 片功能叶,测定叶绿素含量[30]。选取葡萄幼苗从上往下的第2 片完全展开叶测定光合参数。之后收获整株葡萄幼苗,并收集盆栽土各部位不含根系和杂质的土壤。葡萄幼苗根系、茎秆和叶片分别用自来水洗净,再用去离子水冲洗3 次后,于110℃杀青15 min,80℃烘干至衡重,称重,粉碎,过0.149 mm筛后分别称取相应重量干物质用于可溶性糖含量[30]及镉含量的测定[29]。将收集的土壤铺开放置,阴干过1 mm×1 mm筛后测定土壤pH值[29] 及土壤5种形态镉含量[31]

  • 8月中旬,待葡萄完全成熟,选取每果穗上、 中、下各部位3 个果粒测定果实可溶性糖含量[30]、 可滴定酸含量[32]、Vc含量[32]及可溶性固形物。 将葡萄果实用自来水洗净,再用去离子水冲洗3 次后,于110℃杀青15 min,80℃烘干至衡重,粉碎, 过0.149 mm筛后称取相应重量干物质用于镉含量的测定[29]

  • 1.4 数据处理

  • 采用Excel 2010 进行数据记录与整理,采用SPSS 20.0 系统进行Duncan差异显著性分析。转运系数=植物地上部分镉含量/根系镉含量[33]

  • 2 结果与分析

  • 2.1 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗生物量的影响

  • 由表1 可知,与未施用相比,施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗叶片生物量增加, 较未施用分别增加了38.66%、8.19%和20.28%。 施用3 种秸秆后葡萄幼苗根系、茎秆及地上部分较未施用无显著性差异,但未施用秸秆葡萄幼苗根系、茎秆及地上部分生物量均为最低。施用3 种秸秆后葡萄幼苗的根冠比大小顺序为:施用三叶鬼针草秸秆> 施用龙葵秸秆=未施用> 施用野茼蒿秸秆。

  • 表1 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗生物量的影响

  • 注:不同小写字母表示不同处理在5%显著水平上差异显著,下同。

  • 2.2 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗光合色素含量的影响

  • 的影响由表2 可知,施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗叶绿素a含量、类胡萝卜素含量及叶绿素总量较未施用均增加,但叶绿素b含量与未施用无显著性差异。施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗叶绿素a含量较未施用分别增加了9.42%、1.61%和7.31%,叶绿素总量较未施用分别增加了7.93%、0.95%和5.69%。就葡萄幼苗叶绿素a/b值而言,施用3 种秸秆后葡萄幼苗叶绿素a/b值均高于未施用。

  • 表2 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗光合色素含量的影响

  • 2.3 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗叶片光合参数的影响

  • 由表3 可知,施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后,除葡萄幼苗叶片蒸腾速率和胞间CO2 浓度与未施用无显著性差异,净光合速率、叶温下蒸气压亏缺值和气孔导度均显著高于未施用,净光合速率较未施用分别升高了41.30%、5.43%和9.94%, 叶温下蒸气压亏缺值较未施用分别升高了62.15%、 29.05%和39.11%,气孔导度较未施用分别升高了115.69%、70.59%和113.73%。

  • 表3 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗叶片光合参数的影响

  • 2.4 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗抗氧化酶活性及物质代谢的影响

  • 由表4 可知,施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗POD活性较未施用显著升高, SOD和CAT活性与未施用无显著性差异。施用3 种秸秆后葡萄幼苗POD活性较未施用分别升高了53.59%、17.29%和31.39%。 与未施用相比,施用3 种秸秆后葡萄幼苗可溶性糖含量和可溶性蛋白含量均增加,其中可溶性糖含量较未施用分别增加了74.95%、37.87%和55.70%,可溶性蛋白含量较未施用分别了增加了58.62%、17.60%和30.10%。

  • 表4 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗抗氧化酶活性及物质代谢的影响

  • 2.5 土施超富集植物秸秆对土壤pH值和土壤5 种形态镉含量的影响

  • 由表5 可知,与未施用相比,施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后土壤残渣态镉含量增加, 较未施用分别增加了81.64%、26.56%和69.18%, 而土壤铁锰氧化物结合态和有机结合态镉含量与未施用无显著性差异。施用龙葵和三叶鬼针草秸秆后离子交换态镉较未施用分别减少了26.93%和15.13%,施用野茼蒿秸秆与未施用无显著性差异。施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后碳酸盐结合态镉较未施用分别减少了20.02%、3.46%和16.07%。就土壤pH值,其大小排序为:施用龙葵秸秆> 施用三叶鬼针草秸秆> 施用野茼蒿秸秆> 未施用。

  • 表5 土施超富集植物秸秆对土壤pH值和土壤5 种形态镉含量的影响

  • 2.6 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗镉含量的影响

  • 由表6 可知,与未施用相比,施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗根系和茎秆镉含量均减少,其大小排序为:未施用> 施用野茼蒿秸秆> 施用三叶鬼针草秸秆> 施用龙葵秸秆。施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗根系镉含量较未施用分别减少了29.85%、7.80%和20.12%, 茎秆镉含量较未施用分别减少了32.71%、7.39%和18.87%。而施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄幼苗叶片及地上部分与未施用无显著性差异。 施用3 种秸秆后葡萄幼苗的转运系数大小顺序为: 未施用> 施用三叶鬼针草秸秆> 施用龙葵秸秆=施用野茼蒿秸秆。

  • 表6 土施超富集植物秸秆对葡萄幼苗镉含量的影响

  • 2.7 土施超富集植物秸秆对葡萄果实镉含量及品质的影响

  • 由表7 可知,与未施用相比,施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄果实镉含量均减少,和施用秸秆后幼苗镉含量均减少表现一致,分别减少了22.11%、14.07%和19.25%。施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后葡萄果实品质提高,果实可溶性糖含量分别比未施用增加了45.03%、 10.00%和28.34%,果实可溶性固形物比未施用增加了12.25%、4.72%和9.80%。 而施用3 种秸秆后可滴定酸和Vc含量与未施用均无显著性差异。

  • 表7 土施超富集植物秸秆对葡萄果实镉含量及品质的影响

  • 3 讨论

  • 土施秸秆后,秸秆自身的各种矿质元素和有机物等通过腐解进入土壤,有效地改善土壤结构、 理化性质和养分水平,进而促进植物干物质的形成[14]。研究表明,镉胁迫下施用不同秸秆后释放的养分和分泌的化感物质等会对植物的生长产生促进、抑制或无显著变化3 种影响,如施用超富集植物少花龙葵和万寿菊秸秆增加了树番茄的生物量,施用牛膝菊秸秆则降低,而施用三叶鬼针草秸秆则对其无显著影响[17]。本试验中,在镉胁迫下土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后较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],说明在镉胁迫下施用3 种秸秆后释放出的养分等物质对葡萄幼苗生长的促进作用强于镉对其的毒害作用。可能是因为土施超富集植物秸秆腐解产生的物质作用改变了镉胁迫下植物体内的生理代谢,使其生长情况发生了变化。

  • 当植物受到重金属胁迫时,叶绿体结构和功能均受到破坏,叶绿素含量降低,光合作用强度降低;植物体内抗氧化酶系统功能产生紊乱,使植物不能有效清除活性氧自由基,对质膜产生毒害作用,影响植物的代谢功能[36-37]。研究表明,秸秆覆盖镉污染土壤会对植物的光合特性、抗氧化酶活性和代谢物质含量产生促进或抑制作用,如在镉污染土壤表面覆盖通泉草秸秆分泌的化感物质增加了牛膝菊的叶绿素含量,提高了其光合能力和抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶) 的活性,降低了牛膝菊可溶性糖含量,但覆盖扬子毛茛秸秆和邻近风轮菜秸秆后却相反[38-39]。本试验中,在镉胁迫下土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后较未施用葡萄幼苗光合色素含量,光合能力,抗氧化酶活性和代谢物质含量均不同程度的增加,与生物量变化表现一致。这说明在镉胁迫下, 土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆缓解了镉胁迫下对葡萄幼苗的毒害,增强葡萄幼苗的光合作用和对镉胁迫的抗性,这可能与镉胁迫下施用超富集植物秸秆后对葡萄幼苗镉吸收含量多少的影响存在差异有关。

  • 秸秆施入土壤腐解时释放的腐殖质、有机酸等可以改变土壤酸碱度和氧化还原电位等,从而影响根际土壤中重金属的存在形式及生物可利用性[1540]。 研究表明, 秸秆还田分解时有机酸阴离子脱碳作用和氨化作用加强会提高土壤pH值[1541],且土壤pH值高于6 时,土壤镉生物有效性表现为随pH值升高而降低[42]。本试验中,镉胁迫下土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆后土壤pH值均增加,且施3 种秸秆后土壤镉生物有效性随pH值上升而降低,和前人研究相似[18-19]。在土壤重金属污染下,植物对重金属吸收效应的研究主要在根际土壤环境中。植物对镉的吸收量与所受镉胁迫程度与土壤镉的存在形式及生物可利用性直接相关[19]。研究表明,施用秸秆等有机物能原位钝化土壤中重金属镉,增加对土壤重金属镉的吸附, 降低重金属镉的有效性[43]。本试验表明,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆的葡萄幼苗根系、茎秆、叶片镉含量均低于未施用,与土壤镉的生物有效性大小变化一致,同时也符合重金属在植物中的分配规律,由高到低顺序为:根系> 茎秆> 叶片。 随着生长,葡萄根系吸收的镉会转运到地上部分进入果实中,研究表明,当镉进入果实后,果实品质下降,且随镉含量越高而果实品质越低[44]。本试验中,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆的葡萄果实镉含量均低于未施用且葡萄果实品质较未施用提高,其中施用野茼蒿秸秆的品质最佳,和葡萄果实中镉含量大小表现一致。因此,土施龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草3 种秸秆均能促进葡萄生长及降低镉含量,其中土壤施用龙葵秸秆效果最佳。

  • 4 结论

  • 幼苗试验中,土壤施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆增加了葡萄幼苗生物量、光合作用强度、 抗氧化酶活性和代谢物质含量,且减少了葡萄幼苗镉含量以及降低了土壤镉的生物有效性。结果树试验中,土壤施用龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草秸秆减少了葡萄果实镉含量以及提高了果实品质。因此, 土壤龙葵、野茼蒿和三叶鬼针草3 种秸秆均能够促进葡萄的生长和降低其镉含量,有利于镉污染果园中葡萄幼苗的正常生长及安全生产,其中土壤施用龙葵秸秆效果最佳,其次是三叶鬼针草秸秆。

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