覆蓋富集植物秸稈對葡萄幼苗鎘積累的影響

王均，李紅艷，劉興旺，王進(jìn)，劉磊，王鋌，歲立云，呂秀蘭，廖明安，林立金

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，四川 成都 611130；2.成都市龍泉驛區(qū)和平小學(xué)校，四川 成都 610100；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬研究所，四川 成都 611130；4.成都市農(nóng)林科學(xué)院，四川 成都 611130)

近年來，隨著工業(yè)“三廢”的排放以及各種化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的過量施用，我國大部分地區(qū)均存在著果園土壤重金屬污染的問題，從而影響果品的質(zhì)量和安全[1].鎘作為“重金屬五毒”之一，毒性極強(qiáng)，不易被生物體降解，果園土壤中的鎘被果樹吸收后，從而通過果實(shí)進(jìn)入人體，進(jìn)一步危害人體健康[2].我國西南地區(qū)一些礦區(qū)及其周邊果園的土壤均出現(xiàn)鎘污染的情況，西南地區(qū)的果園鎘污染現(xiàn)象已日趨嚴(yán)重，果園土壤鎘污染修復(fù)迫在眉睫[3].植物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的有機(jī)生物資源，將植物秸稈粉碎后覆蓋在地表，腐爛后會增加土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)作物生長.目前秸稈覆蓋在提高農(nóng)作物對抗非生物脅迫(如鹽脅迫、干旱脅迫、重金屬污染)等方面有所研究[4-6].林立金等[7]研究表明，覆蓋鎘耐性植物秸稈能顯著提高牛膝菊各器官的生物量及鎘積累量.賈樂等[8]研究證明秸稈還田能顯著降低在鎘污染水稻土上種植的白菜鎘含量.李國富[9]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單一施用稻草秸稈肥對小白菜吸收鎘的抑制效果較好.何靜等[10]研究發(fā)現(xiàn)覆蓋車前秸稈能夠促進(jìn)樹番茄幼苗的生長，降低其地上部分鎘含量.因而，土壤施用或覆蓋不同的植物秸稈可促進(jìn)或抑制植物的生長及對重金屬元素的積累，但在普通果樹上的研究甚少.如果能夠?qū)⒔斩捀采w于果園土壤上，有可能會影響果樹的生理代謝過程，降低果樹對土壤中重金屬元素的吸收或抑制其向可食用部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而調(diào)控其組織中的重金屬積累量.

葡萄為葡萄科葡萄屬木質(zhì)藤本植物，原產(chǎn)亞洲西部，世界各地均有栽培，其果實(shí)主要用于生食、制葡萄干和釀酒。鑒于此，本研究將4種富集植物多莖鼠麴草(Gnaphaliumpolycaulon)[11]、薺菜(Capsellabursa-pastoris)[12]、豬殃殃(Galiumaparine)[13]及小飛蓬(Conyzacanadensis)[14]秸稈分別覆蓋在鎘污染土壤表面，再種植葡萄幼苗，研究4種富集植物秸稈對葡萄幼苗生長及鎘積累的影響，為鎘污染果園的安全生產(chǎn)提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為水稻土，取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)農(nóng)田(N 30°71′，E 103°86′)，土壤本底值如下：pH 7.42，有機(jī)質(zhì)31.73 g/kg，全氮1.05 g/kg，全磷0.37 g/kg，全鉀25.71 g/kg，堿解氮56.13 mg/kg，速效磷17.15 mg/kg，速效鉀56.65 mg/kg.土壤理化性質(zhì)按照鮑士旦[15]的方法測定.多莖鼠麴草、薺菜、豬殃殃及小飛蓬秸稈于2017年10～2018年2月采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)周邊農(nóng)田(未污染區(qū)).供試葡萄為夏黑的扦插苗，于2018年3月購置于四川省成都市龍泉驛區(qū)苗木基地.

1.2 試驗(yàn)方法

2018年4月，將提前收集到的富集植物(多莖鼠麴草、薺菜、豬殃殃及小飛蓬)地上部洗凈，并用去離子水沖洗3次，于110 ℃殺青15 min，80 ℃烘干至衡質(zhì)量，分別用剪刀剪成小于1 cm的小段，備用.將土壤風(fēng)干、壓碎、過5 mm篩后稱質(zhì)量，加入分析純CdCl2·2.5H2O溶液，使其鎘濃度為5 mg/kg[16]，充分混勻，澆水浸潤土壤，自然放置平衡4周后，再次混勻.分別稱取3.5 kg裝于15 cm×18 cm(高×直徑)的塑料盆內(nèi).將處理好的富集植物秸稈分別覆蓋在制備好的鎘污染土壤中，使其覆蓋在土壤表層，覆蓋量為2 g/kg[7]，即每盆7 g秸稈.澆水保持濕潤，平衡一周.

2018年5月22日，選擇生長健壯、長勢一致的葡萄苗移栽至盆中，每盆種植3株，試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：不覆蓋秸稈(CK)、覆蓋多莖鼠麴草秸稈、覆蓋薺菜秸稈、覆蓋豬殃殃秸稈及覆蓋小飛蓬秸稈，每個(gè)處理重復(fù)5次.每天澆水，保持土壤田間持水量約為80%，每周隨機(jī)交換盆位置以消除邊際效應(yīng).60 d后，選取每株葡萄苗植株頂部幼嫩葉片進(jìn)行采樣，采用氮藍(lán)四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，愈創(chuàng)木酚比色法測定過氧化物酶(POD)活性，高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶(CAT)活性，考馬斯亮蘭G-250法測定可溶性蛋白含量.選取從上往下的第3或第4片功能葉，采用丙酮-乙醇浸提法測定其葉片光合色素(葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)含量，硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量[17].之后整株收獲，將葡萄苗根系、莖桿、葉片和土壤分別封裝.葡萄苗根系、莖桿、葉片分別用自來水洗凈，再用去離子水沖洗3次后，于110 ℃殺青15 min，80 ℃烘干至衡質(zhì)量，稱質(zhì)量.粉碎過100目篩后分別存放，測定葡萄苗各部分鎘含量.土壤樣品在干燥陰涼環(huán)境下自然風(fēng)干后研磨過1 mm尼龍篩，pH計(jì)測定土壤pH，高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性，苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，磷酸苯二鈉比色法測定土壤堿性磷酸酶活性，3,5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性，原子熒光光度計(jì)測定土壤有效態(tài)鎘含量[15].

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采用DPS系統(tǒng)進(jìn)行方差分析(Duncan新

復(fù)極差法進(jìn)行多重比較).轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量[18].

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋富集植物秸稈對葡萄幼苗生物量的影響

由表1可以看出，覆蓋豬殃殃秸稈后葡萄幼苗的各部分生物量達(dá)到最高，根系、莖桿、葉片和地上部分生物量較未覆蓋分別增加了41.10%、79.32%、48.98%和56.30%.另外，覆蓋多莖鼠麴草、薺菜和小飛蓬秸稈后葡萄幼苗的各部分生物量較未覆蓋也呈現(xiàn)不同程度的增加.覆蓋不同富集植物秸稈處理的葡萄幼苗根冠比大小順序依次為：未覆蓋>豬殃殃>多莖鼠麴草>薺菜>小飛蓬，這說明土壤覆蓋富集植物秸稈對葡萄地上部分生長的促進(jìn)作用高于對根系的促進(jìn)作用，從而使根系的比重降低.

表1 不同覆蓋物下葡萄幼苗的生物量

不同小寫字母表示不同處理在5%顯著水平上差異顯著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

2.2 覆蓋富集植物秸稈對葡萄幼苗葉片光合色素的影響

由表2可知，土壤覆蓋富集植物秸稈后，葡萄幼苗的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量的變化與生物量變化相似，其類胡蘿卜素含量均無顯著差異.覆蓋豬殃殃秸稈后的葡萄幼苗葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量較未覆蓋分別增加了8.01%、5.94%和7.29%，但其類胡蘿卜素含量減少了5.00%，覆蓋多莖鼠麴草和小飛蓬秸稈后的葡萄幼苗應(yīng)指標(biāo)均低于未覆蓋，而覆蓋薺菜秸稈后的葡萄幼苗相應(yīng)指標(biāo)較未覆蓋分別減少了7.06%、8.53%、7.47%和9.44%.土壤覆蓋富集植物秸稈后，葡萄幼苗的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量大小順序均為：豬殃殃>多莖鼠麴草>未覆蓋>小飛蓬>薺菜，類胡蘿卜素含量的大小順序?yàn)椋憾嗲o鼠麴草>未覆蓋>小飛蓬>豬殃殃>薺菜.通過土壤覆蓋富集植物秸稈處理的葡萄幼苗葉綠素a/b的值均高于未覆蓋.

表2 不同覆蓋物下葡萄幼苗的葉片光合色素含量

不同小寫字母表示不同處理在5%顯著水平上差異顯著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

2.3 覆蓋富集植物秸稈對葡萄幼苗葉片酶活性的影響

由表3可知，土壤覆蓋富集植物豬殃殃秸稈后，葡萄幼苗的SOD、POD和CAT活性均顯著高于未覆蓋，較未覆蓋分別提高了65.82%、77.40%和52.30%.覆蓋多莖鼠麴草秸稈的葡萄幼苗SOD活性高于未覆蓋但差異不顯著，POD活性和CAT活性顯著高于未覆蓋.覆蓋薺菜秸稈的葡萄幼苗SOD、POD和CAT活性均顯著低于未覆蓋.覆蓋小飛蓬秸稈的葡萄幼苗SOD活性較未覆蓋有所降低但差異不顯著，但其POD活性和CAT活性顯著低于未覆蓋.覆蓋豬殃殃和多莖鼠麴草秸稈后葡萄幼苗的可溶性蛋白含量均高于未覆蓋但差異不顯著，覆蓋薺菜和小飛蓬秸稈后較未覆蓋均有所降低.土壤覆蓋富集植物秸稈后，葡萄幼苗的丙二醛含量大小順序依次是：薺菜>小飛蓬>未覆蓋>多莖鼠麴草>豬殃殃.

2.4 覆蓋富集植物秸稈對葡萄幼苗鎘含量的影響

由表4可知，土壤覆蓋富集植物秸稈后葡萄幼苗的根系鎘含量均顯著高于未覆蓋，其大小順序?yàn)椋核j菜>小飛蓬>多莖鼠麴草>豬殃殃>未覆蓋，其中覆蓋薺菜秸稈后葡萄幼苗的根系鎘含量較對照增加了59.03%.覆蓋富集植物秸稈后葡萄幼苗的莖桿、葉片和地上部分鎘含量大小順序均表現(xiàn)為：未覆蓋>薺菜>多莖鼠麴草>豬殃殃>小飛蓬，其中覆蓋薺菜、多莖鼠麴草、豬殃殃和小飛蓬秸稈后的葡萄幼苗地上部分鎘含量分別減少了4.14%、23.92%、27.12%和91.56%.就轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)而言，其大小順序?yàn)椋何锤采w>薺菜>多莖鼠麴草>豬殃殃>小飛蓬.

表3 不同覆蓋物下葡萄幼苗的抗氧化酶活性

不同小寫字母表示不同處理在5%顯著水平上差異顯著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

表4 不同覆蓋物下葡萄幼苗的鎘含量

不同小寫字母表示不同處理在5%顯著水平上差異顯著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

2.5 覆蓋富集植物秸稈對土壤酶活性的影響

由表5可知，土壤覆蓋多莖鼠麴草秸稈后土壤過氧化氫酶活性較未覆蓋升高了1.26%，覆蓋薺菜、豬殃殃和小飛蓬秸稈后較未覆蓋降低了0.96%、13.12%和22.68%，其大小順序?yàn)椋憾嗲o鼠麴草>未覆蓋>薺菜>豬殃殃>小飛蓬.土壤覆蓋富集植物秸稈后的土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均顯著高于未覆蓋.覆蓋富集植物秸稈后的土壤脲酶活性大小順序均為：小飛蓬>多莖鼠麴草>薺菜>豬殃殃>未覆蓋.土壤蔗糖酶活性大小順序均為：小飛蓬>多莖鼠麴草>薺菜>豬殃殃>未覆蓋.土壤堿性磷酸酶活性大小順序均為：小飛蓬>薺菜>豬殃殃>多莖鼠麴草>未覆蓋.

表5 不同覆蓋物下土壤酶活性

不同小寫字母表示不同處理在5%顯著水平上差異顯著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

2.6 覆蓋富集植物秸稈對土壤有效態(tài)鎘和pH值的影響

土壤覆蓋富集植物秸稈后，葡萄的土壤有效態(tài)鎘含量均低于未覆蓋(圖1)，而土壤pH值均高于未覆蓋(圖2).土壤有效態(tài)鎘含量大小順序?yàn)椋何锤采w>多莖鼠麴草>薺菜>豬殃殃>小飛蓬，依次較未覆蓋降低了0.53%、8.00%、11.73%和15.47%.就土壤pH值而言，土壤pH值的大小順序?yàn)椋核j菜>多莖鼠麴草>豬殃殃>小飛蓬>未覆蓋，依次較未覆蓋提高了2.48%、1.61%、1.12%和0.50%.

圖1 土壤有效態(tài)鎘含量Figure 1 Available Cd in soil

圖2 土壤pH值Figure 2 Soil pH value

3 討論

土壤覆蓋秸稈后，植物秸稈自身含有的各種礦質(zhì)元素及有機(jī)物會通過腐爛分解釋放入土壤中，而土壤養(yǎng)分環(huán)境直接作用于植物根系，從而影響植物的代謝活動(dòng)[19].秸稈在腐爛分解期間，大部分秸稈碳進(jìn)入土壤而補(bǔ)充到土壤碳庫中，改善土壤理化性質(zhì)[20].王進(jìn)等[21]發(fā)現(xiàn)施用富集植物秸稈能提高水田芥生物量.也有研究發(fā)現(xiàn)鎘耐性植物秸稈能降低薺菜地上部分生物量[22].本試驗(yàn)中，在鎘脅迫條件下，覆蓋多莖鼠麴草和豬殃殃秸稈能顯著提高葡萄幼苗的各部分生物量，說明覆蓋多莖鼠麴草和豬殃殃秸稈能夠促進(jìn)鎘脅迫下葡萄幼苗的生長，可能與秸稈所釋放的養(yǎng)分有關(guān)，但覆蓋薺菜和小飛蓬秸稈后葡萄幼苗的各部分生物量較未覆蓋均有所降低.

秸稈在分解過程中會釋放的一些化感物質(zhì)，從而可以達(dá)到促進(jìn)或抑制植物光合作用的效果[23-24].有研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田能夠通過延緩葉片衰老從而改善植物的光合特性[25-28].在本試驗(yàn)研究中，土壤覆蓋富集植物秸稈后，葡萄幼苗的葉綠素含量大小順序均為：豬殃殃>多莖鼠麴草>未覆蓋>小飛蓬>薺菜，但類胡蘿卜素含量的大小順序?yàn)椋憾嗲o鼠麴草>未覆蓋>小飛蓬>豬殃殃>薺菜.這說明在鎘脅迫條件下，土壤覆蓋多莖鼠麴草秸稈促進(jìn)了葡萄幼苗的光合作用，從而促進(jìn)光合色素的合成.SOD，POD和CAT是植物抗氧化酶系統(tǒng)中重要的保護(hù)酶系，可以有效的清除或減少植株體內(nèi)破壞性自由基.有研究表明，秸稈覆蓋鎘污染土壤會促進(jìn)或抑制植物的抗氧化酶活性[10,29].本試驗(yàn)中，土壤覆蓋富集植物秸稈后葡萄幼苗的抗氧化酶活性和可溶性糖含量表現(xiàn)與生物量表現(xiàn)一致，這可能是因?yàn)楦患参锝斩挼幕形镔|(zhì)[23-24]可以促進(jìn)或抑制葡萄幼苗的生理代謝.

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以原位鈍化土壤中的重金屬，因?yàn)樵诮斩掃€田過程中會產(chǎn)生各種生化反應(yīng)，秸稈轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過程中能夠增加對重金屬的吸附，從而降低重金屬的生物有效性[30-31].張娜等[32]研究發(fā)現(xiàn)秸稈灰、秸稈生物炭和秸稈有機(jī)肥均能固定土壤中的鉛和鎘.悅飛雪等[33]研究發(fā)現(xiàn)施用秸稈生物炭能顯著降低玉米根、莖、葉中鎘含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù).本試驗(yàn)研究表明，土壤覆蓋富集植物秸稈后，葡萄幼苗根系鎘含量均高于未覆蓋，覆蓋薺菜秸稈時(shí)葡萄幼苗的根系鎘含量最多.覆蓋富集植物秸稈后葡萄幼苗的地上部分鎘含量較未覆蓋均有所降低，這與根系鎘含量表現(xiàn)差異較大，這可能是因?yàn)橹参飳ν寥乐兄亟饘俚奈罩饕羌性诟?覆蓋富集植物秸稈后葡萄幼苗的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均低于未覆蓋，說明覆蓋秸稈抑制了植物根系向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)的能力.

土壤酶參與土壤微生物生命過程所必需的反應(yīng)，是評價(jià)土壤微生物學(xué)的重要指標(biāo).秸稈還田后土壤的微生物性狀會隨秸稈物質(zhì)組成、還田量及還田方式的不同而變化.大量研究表明秸稈還田可以提升土壤酶活性[34-35].在本試驗(yàn)中，只有覆蓋多莖鼠麴草秸稈的土壤過氧化氫酶活性高于未覆蓋，覆蓋其余3種秸稈的過氧化氫酶活性均低于未覆蓋，覆蓋秸稈的土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶酶活性均高于未覆蓋，這說明覆蓋富集植物秸稈均能有效提高土壤酶活性，其中以小飛蓬效果最佳.土壤有效態(tài)鎘含量與植物所受鎘脅迫和土壤pH值直接相關(guān)，也直接影響植物的鎘吸收.在湯福義[36]等研究中，土壤中施入秸稈會降低土壤pH值，且導(dǎo)致土壤鎘有效性的升高.本試驗(yàn)中，土壤覆蓋富集植物秸稈較未覆蓋提高了土壤pH值，但土壤有效態(tài)鎘含量較未覆蓋均有所降低，這與其他學(xué)者的研究一致[7-8]，可能與秸稈腐爛分解后形成的有機(jī)質(zhì)有關(guān)[32,34].

4 結(jié)論

覆蓋富集植物多莖鼠麴草和豬殃殃秸稈均能提高葡萄各器官生物量、葉綠素含量、可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性，覆蓋薺菜和小飛蓬秸稈后葡萄幼苗的相應(yīng)指標(biāo)較未覆蓋有所降低，但覆蓋這四種富集植物秸稈均能降低葡萄幼苗莖桿、葉片和地上部分鎘含量.此外，土壤覆蓋富集植物秸稈后土壤的脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均高于未覆蓋，提高了土壤pH值，也降低了土壤有效態(tài)鎘含量.因此，土壤覆蓋多莖鼠麴草和豬殃殃秸稈能促進(jìn)鎘脅迫下葡萄幼苗的生長，降低葡萄幼苗地上部分鎘含量，有利于鎘污染土壤中葡萄的安全生產(chǎn).