覆蓋耐性植物秸稈對牛膝菊光合生理的影響

石軍　黃廷友　林立金等

摘要：通過盆栽試驗，在鎘污染土壤表面覆蓋鎘耐性植物（揚子毛茛、通泉草、鄰近風(fēng)輪菜和車前草）秸稈，研究了鎘耐性植物秸稈對鎘超富集植物牛膝菊光合生理的影響。結(jié)果表明：土壤表面覆蓋揚子毛茛、鄰近風(fēng)輪菜和車前草秸稈后，牛膝菊葉片的凈光合速率、蒸騰速率、光能利用率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量均降低，水分利用效率、葉表面蒸汽壓虧缺提高。土壤覆蓋通泉草秸稈后，牛膝菊葉片的凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率、光能利用率和氣孔導(dǎo)度均得到提高，分別較未覆蓋提高了13.02%、8.51%、 4.15%、12.89%和12.94%，降低了胞間CO2濃度和葉表面蒸汽壓虧缺。土壤表面覆蓋通泉草秸稈的牛膝菊葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量均高于未覆蓋，分別較未覆蓋提高了12.04%、8.51%、11.19%和10.14%。土壤表面覆蓋改變了牛膝菊植株的可溶性糖含量，其中覆蓋通泉草秸稈降低了牛膝菊根、莖、葉的可溶性糖含量。因此，在鎘污染土壤表面覆蓋通泉草秸稈可以有效提高牛膝菊的光合作用，促進牛膝菊生長。

關(guān)鍵詞：牛膝菊；耐性植物；光合生理；化感作用

中圖分類號： X53；Q945.11文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0269-03

收稿日期：2014-11-17

基金項目：國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金（編號：2011GB2F000006）。

作者簡介：石軍（1980—），男，四川綿陽人，博士，研究方向為植物病理學(xué)。E-mail：tibm@163.com。

通信作者：廖明安，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事果樹生理生態(tài)及栽培研究。E-mail：lman@sicau.edu.cn。目前，農(nóng)田重金屬污染嚴重，而生物修復(fù)技術(shù)被認為具有物理、化學(xué)修復(fù)方法所無法比擬的優(yōu)點，諸如費用低廉、不破壞場地結(jié)構(gòu)、不造成二次污染等 [1-2]，能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境、保持土壤結(jié)構(gòu)和微生物的狀態(tài)下，通過植物的根系直接將重金屬從土壤中吸收并轉(zhuǎn)移到植物地上部分，從而達到修復(fù)被污染土壤的目的[3]，已成為修復(fù)土壤重金屬污染研究領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，并在全球范圍內(nèi)開展重金屬超富集植物的篩選，取得了很好的成果。然而，已知的重金屬超富集植物生物量普遍偏小，生長緩慢，從而限制了植物修復(fù)技術(shù)的推廣與應(yīng)用[4]。因而進一步開展重金屬超富集植物的篩選或改良現(xiàn)有的金屬超富集植物是很有必要的。

植物化感作用是指一種植物向環(huán)境釋放某些化學(xué)物質(zhì)而影響其他植物的生長和發(fā)育的化學(xué)生態(tài)學(xué)現(xiàn)象，包括促進和抑制兩方面作用，其產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)稱為化感物質(zhì)[5]。植物化感作用廣泛存在于自然界中，與植物間的光、水分、養(yǎng)分和空間的競爭一起構(gòu)成了植物之間的相互作用[6-7]。植物化感物質(zhì)通過雨霧淋溶、自然揮發(fā)、根系分泌和植株分解4種途徑釋放到環(huán)境中[8]，對植物化感作用的研究也多集中在植株分（降）解上[9-10]。有研究表明，化感物質(zhì)會對植物的光合作用產(chǎn)生顯著的影響[11]，如巨桉凋落葉釋放化感物質(zhì)能引起小白菜光合效能下降、光合機構(gòu)受損、光合速率下降[12]，也能抑制假儉草的生長、生物量的積累以及光合色素的合成[13]。由此推斷，若將植物秸稈施入土壤中，利用化感物質(zhì)也應(yīng)該能夠改變重金屬超富集植物的光合生理特性和生長，但有關(guān)植物秸稈分解所產(chǎn)生的化感物質(zhì)對超富集植物光合生理的影響研究尚未見報道。

揚子毛茛（Ranunculus sieboldii）、通泉草（Mazus japonicus）、鄰近風(fēng)輪菜（Clinopodium confine）和車前草（Plantago asiatica）是本研究前期篩選的鎘耐性植物，對鎘具有很強的耐性。牛膝菊（Galinsoga parviflora）為菊科牛膝菊屬一年生草本植物，是一種鎘超富集植物[14]。本研究將這4種鎘耐性植物秸稈覆蓋在鎘污染土壤表面，研究鎘耐性植物對牛膝菊光合生理的影響，以期為篩選出能提高牛膝菊光合能力的耐性植物，為牛膝菊修復(fù)鎘污染土壤提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤為紫色土，取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田（29°59′N，102°59′E），其基本理化性質(zhì)詳見參考文獻[15]。

鎘耐性植物揚子毛茛（Ranunculus sieboldii）、通泉草（Mazus japonicus）、鄰近風(fēng)輪菜（Clinopodium confine）和車前草（Plantago asiatica）于2013年8月采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田，采集區(qū)土壤未被重金屬污染。

牛膝菊幼苗于2013年9月直接采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田（未被重金屬污染區(qū)）。

1.2試驗方法

試驗于2013年8—10月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場進行。2013年8月，將土壤風(fēng)干、壓碎、過5 mm篩后，分別稱取4.0 kg裝于高18 cm、直徑21 cm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，并與土壤充分混勻，保持淹水狀態(tài)，自然放置平衡4周后再次混合備用。2013年9月，選擇長勢一致，2對真葉展開的牛膝菊幼苗移栽至盆中，之后將處理好的4種鎘耐性植物秸稈直接覆蓋于盆栽土壤表面，每盆覆蓋6 g，折合225 g/m2。試驗設(shè)置5個處理，分別為未覆蓋（CK）、覆蓋揚子毛茛、覆蓋鄰近風(fēng)輪菜、覆蓋通泉草、覆蓋車前草。每盆種植牛膝菊幼苗5株，每個處理重復(fù)3次。于透明遮雨棚內(nèi)栽培，根據(jù)土壤水分實際情況不定期澆水確保土壤水分保持在田間持水量的80%左右。50 d后牛膝菊處于盛花期，測定牛膝菊葉片的光合色素含量、光合作用及根、莖、葉的可溶性糖含量。

1.3各項指標的測定方法

光合色素含量（葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量）采用丙酮-乙醇混合（1 ∶1）浸提法[16]測定。光合作用采用LI-6400便攜式光合測定儀（LI-COR Inc.，USA）測定，人工控制CO2濃度為400 μmol/mol、溫度25 ℃、光照強度為1 200 μmol/（m2·s），測定葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和葉表面蒸汽壓虧缺（VpdL），每個測定重復(fù)3次?？扇苄蕴呛坎捎幂焱壬╗16]測定。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采用DPS系統(tǒng)進行方差分析（Duncans新復(fù)極差法進行多重比較）。水分利用效率（WUE）=凈光合速率（Pn）/蒸騰速率（Tr）；光能利用率（LUE）=凈光合速率（Pn）/光照強度[17]。

2結(jié)果與分析

2.1覆蓋耐性植物秸稈對牛膝菊葉片光合速率及蒸騰速率的影響

由表1可知，土壤表面覆蓋耐性植物秸稈后，只有覆蓋通泉草秸稈的牛膝菊葉片凈光合速率、蒸騰速率和光能利用率均高于未覆蓋，分別比各自未覆蓋提高了13.02% （P<0.05）、8.51%（P<0.05）和12.97%（P<0.05），其余3種處理的牛膝菊葉片凈光合速率、蒸騰速率和光能利用率均低于未覆蓋，這說明能否提高牛膝菊葉片的光合速率與耐性植物的種類有關(guān)。牛膝菊葉片凈光合速率和光能利用率的大小順序相同，為覆蓋通泉草>未覆蓋>覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>覆蓋車前草>覆蓋揚子毛茛，蒸騰速率的大小順序為覆蓋通泉草>未覆蓋>覆蓋揚子毛茛>覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>覆蓋車前草。土壤表面覆蓋揚子毛茛、通泉草、鄰近風(fēng)輪菜和車前草秸稈后，牛膝菊葉片水分利用效率均高于未覆蓋，分別較未覆蓋提高了8.05%、4.15%、15.61%和12.93%，這說明土壤表面覆蓋耐性植物秸稈在一定程度上促進了牛膝菊葉片的水分利用效率。

。

2.2覆蓋耐性植物秸稈對牛膝菊葉片氣體交換參數(shù)的影響

由表2可知，土壤表面覆蓋耐性植物后，牛膝菊葉片胞間CO2濃度均低于未覆蓋，其大小順序為未覆蓋>覆蓋通泉草>覆蓋揚子毛茛>覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>覆蓋車前草。覆蓋通泉草秸稈提高了牛膝菊葉片的氣孔導(dǎo)度，較未覆蓋提高了 12.94% （P>0.05），其余3種處理均低于未覆蓋。牛膝菊葉片氣孔導(dǎo)度大小順序為覆蓋通泉草>未覆蓋>覆蓋揚子毛茛>覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>覆蓋車前草。就葉表面蒸汽壓虧缺而言，覆蓋通泉草秸稈的牛膝菊葉片葉表面蒸汽壓虧缺低于未覆蓋，較未覆蓋降低了3.19%（P>0.05），覆蓋揚子毛茛、鄰近風(fēng)輪菜和車前草的牛膝菊葉片葉表面蒸汽壓虧缺則高于未覆蓋，分別較未覆蓋提高了2.55%（P>0.05）、2.02% （P>0.05） 和6.70%（P<0.05）。

2.3覆蓋耐性植物秸稈對牛膝菊葉片光合色素含量的影響

從表3可以看出，土壤表面覆蓋耐性植物秸稈后，只有覆蓋通泉草秸稈的牛膝菊葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量均高于未覆蓋，分別比各自未覆蓋提高了12.04%（P<0.05）、8.51%（P<0.05）、11.19% （P<0.05） 和10.14%（P<0.05），其他3種處理均低于未覆蓋。牛膝菊葉片的葉綠素a含量與葉綠素總量大小順序相同，為覆蓋通泉草>未覆蓋>覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>覆蓋車前草>覆蓋揚子毛茛，葉綠素b含量大小順序為覆蓋通泉草>未覆蓋>覆蓋車前草>覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>覆蓋揚子毛茛。對于葉綠素a/葉綠素b而言，土壤表面覆蓋耐性植物秸稈后，牛膝菊葉片的葉綠素a/葉綠素b均高于未覆蓋，其大小順序為覆蓋揚子毛茛>覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>覆蓋車前草>覆蓋通泉草>未覆蓋。

2.4覆蓋耐性植物秸稈對牛膝菊植物可溶性糖含量的影響

從表4中可以看出，在土壤表面覆蓋耐性植物秸稈以后，牛膝菊根系的可溶性糖含量均顯著低于未覆蓋（P<0.05），其中覆蓋通泉草秸稈的可溶性糖含量最低，比未覆蓋降低了72.24%，這說明覆蓋耐性植物能夠降低牛膝菊根部可溶性糖的消耗。牛膝菊莖的可溶性糖含量大小順序為覆蓋揚子毛莨>覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>未覆蓋>覆蓋車前草>覆蓋通泉草，葉片的可溶性糖含量大小順序為覆蓋鄰近風(fēng)輪菜>覆蓋通泉草>未覆蓋>覆蓋揚子毛茛>覆蓋車前草。這說明覆蓋耐性植物秸稈能夠影響光合產(chǎn)物在牛膝菊源流庫中的分配。

3討論

植株秸稈在分解過程中會釋放化學(xué)物質(zhì)，直接或間接地影響其自身發(fā)育以及周圍植被和微生物生長[18]?；形镔|(zhì)是植物秸稈在微生物的作用下腐爛、分解逐漸釋放出來的化學(xué)物質(zhì)，對植物產(chǎn)生有利或有害的作用[7]。研究表明，化感物質(zhì)對植物的光合作用能夠產(chǎn)生促進或抑制作用，這與植物的種類有關(guān)[11-13]。本試驗結(jié)果表明，土壤表面覆蓋耐性植物秸稈后，只有覆蓋通泉草秸稈的牛膝菊植株葉片凈光合速率、蒸騰速率與光能利用率均高于未覆蓋，其他3種處理均低于未覆蓋，這說明提高牛膝菊葉片的光合速率與蒸騰速率和不同耐性植物秸稈分解的化感物質(zhì)不同有關(guān)。土壤表面覆蓋揚子毛茛、通泉草、鄰近風(fēng)輪菜和車前草秸稈后，牛膝菊葉片水分利用效率均高于未覆蓋，說明土壤表面覆蓋耐性植物秸稈在一定程度上促進了牛膝菊葉片的水分利用效率，可能與這些植物秸稈覆蓋土壤表面后，減少了土壤表面水分蒸發(fā)有關(guān)。

在光合作用過程中，CO2從空氣中向葉片葉綠體光合部位的傳播受到眾多因素的影響（如細胞內(nèi)CO2濃度、氣孔導(dǎo)度等），而氣孔是植物葉片中最重要的氣體運輸通道，直接控制了CO2向葉片的傳導(dǎo)以及葉片的蒸騰效率[19]。Wong等研究表明，光合速率與氣孔導(dǎo)度之間存在一定的反饋調(diào)節(jié)機制，在有利于葉肉光合作用時，氣孔導(dǎo)度增大；反之則減小[20]。Mersie等研究也表明阿魏酸和香草酸這2種化感物質(zhì)能導(dǎo)致天鵝絨葉片的氣孔導(dǎo)度降低，葉片阻力上升，光合速率顯著下降[21]。本試驗研究表明，通泉草秸稈的化感作用導(dǎo)致牛膝菊葉片氣孔導(dǎo)度增加，葉片光合作用所需的CO2量也隨之增加，降低了胞間CO2濃度和葉表面蒸汽壓虧缺，從而增強了牛膝菊葉片光合作用的進行。土壤表面覆蓋揚子毛茛、鄰近風(fēng)輪菜和車前草秸稈的化感作用則導(dǎo)致牛膝菊葉片氣孔度降低，提高了葉表面蒸汽壓虧缺，抑制了牛膝菊葉片光合作用的進行。

葉片是綠色植物進行光合作用的重要器官，而葉綠素則是光合作用最重要的色素，其含量的高低直接影響光合產(chǎn)物合成的產(chǎn)量[22]。陳曉麗等研究證實，小麥秸稈能夠顯著提高番茄葉片中葉綠素的含量，提高光合作用[23]。然而，陳良華等研究表明，土壤施用巨桉凋落葉卻降低了小白菜葉綠素含量，抑制其光合作用[12]。本試驗研究表明，覆蓋通泉草秸稈能夠提高牛膝菊葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量，這有利于提高牛膝菊光合作用的提高，而其他處理則降低了牛膝菊葉片的光合色素含量。就光合產(chǎn)物而言，覆蓋鎘耐性植物秸稈后，牛膝菊植物的可溶性糖含量在源流庫中的分配被改變，進而影響了牛膝菊對鎘污染的抗性。

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