覆蓋少花龍葵秸稈對樹番茄幼苗鎘積累的影響

練華山，李紅艷，林立金

(1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院，四川 成都 611130； 2.四川農(nóng)業(yè)大學 果蔬研究所，四川 成都 611130)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國大面積耕地的重金屬含量均超過規(guī)定閾值，主要是鉛、鎘、砷、汞等元素，在礦區(qū)附近的農(nóng)田污染更加明顯，其中，果園的重金屬鎘污染問題尤其突出[1-2]。重金屬鎘具有較強的毒性，難以被生物體降解，耕地中的大部分重金屬鎘被作物吸收后，通過食物鏈的傳遞，最終聚集在人體，影響人體健康[3]。秸稈覆蓋常被生產(chǎn)者應用于農(nóng)田雜草的治理和病蟲害的防治等，還可以促進生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)[4-5]。土壤覆蓋秸稈可以影響蔬菜、糧食作物或果樹等植物的代謝過程，大部分可以降低植物對土壤中鎘的吸收，或者抑制鎘元素轉(zhuǎn)運到可食用部分，從而提高鎘污染土壤中農(nóng)產(chǎn)品的安全系數(shù)。近年來，大量研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫、干旱脅迫和重金屬污染等條件下覆蓋秸稈能有效提高農(nóng)作物的抗逆性[6]。KOSTERNA[5]在栽培有花椰菜和番茄幼苗的土壤表面覆蓋蕎麥、黑麥、玉米和油菜秸稈，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤覆蓋4種秸稈均能抑制雜草的生長。有學者在牛膝菊和芥菜等方面也有所研究[7-9]。鎘污染土壤中覆蓋植物秸稈可促進或抑制植物的生長及對重金屬元素的積累。

樹番茄(Cyphomandraberacea)是茄科樹番茄屬多年生木本植物，具有較強的觀賞價值和食用價值，在我國多個地區(qū)均有引種栽培[10]。目前，許多果園的重金屬污染問題已經(jīng)嚴重制約著果樹產(chǎn)量和品質(zhì)[11-12]。鑒于此，對土壤進行人工施鎘處理，再將鎘超富集植物少花龍葵(Solanumphoteinocarpum)根系、莖稈和葉片秸稈覆蓋在土壤表面，之后種植樹番茄幼苗，研究覆蓋少花龍葵秸稈對樹番茄幼苗生長及鎘積累的影響，為鎘污染區(qū)的樹番茄安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用土為四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田的未污染水稻土[13]。2014年9月—2015年5月，在農(nóng)田(未污染區(qū))內(nèi)采集少花龍葵秸稈。采集到的少花龍葵各器官分別于75 ℃干燥箱中烘干至恒定質(zhì)量，粉碎機粉碎后過1 mm篩備用。于4月將樹番茄種子撒播于農(nóng)田育苗。

1.2 試驗方法

試驗于2015年4—6月在四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)進行。2015年4月，分別稱取3.0 kg的風干、壓碎土壤裝于15 cm×18 cm(高×直徑)的塑料盆內(nèi)，以溶液形式加入10 mg/kg的鎘(分析純CdCl2·2.5H2O)，混勻，保持濕潤自然放置4周后混合備用。2015年5月，將處理好的少花龍葵秸稈各器官分別覆蓋于土壤表面，覆蓋量為每盆6 g，即每千克土2 g，將長勢一致的樹番茄幼苗(3～4片真葉)移栽至盆中，每盆栽植2株，共24盆，48株。共設置4個處理：未覆蓋，覆蓋少花龍葵根系、莖稈、葉片秸稈，每個處理重復6次。日常澆水、除草、防蟲管理，保持盆中土壤的田間持水量約為80%。60 d后，測定成熟葉片光合色素含量[14]，之后整株收獲，同時收獲部分土壤自然風干待測。用自來水洗凈植物器官，再用去離子水沖洗3次后，將幼苗各器官分開封裝，殺青后于75 ℃鼓風干燥箱烘干至恒定質(zhì)量，稱取各器官干質(zhì)量，粉碎后測定鎘含量。鎘含量測定參照鮑士旦[15]的方法，并計算轉(zhuǎn)運系數(shù)，轉(zhuǎn)運系數(shù)=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量[16]。將土壤樣品過1 mm篩，測定土壤pH值和土壤有效態(tài)鎘含量[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行方差分析，并用Excel 2013進行表格和圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤覆蓋少花龍葵秸稈對樹番茄幼苗生物量的影響

從表1可以看出，土壤覆蓋少花龍葵各器官秸稈后，樹番茄的各器官生物量較未覆蓋對照均有所提高。覆蓋根系秸稈后的樹番茄幼苗根系、莖稈、葉片及地上部分的生物量分別比未覆蓋增加13.87%(P<0.05)、8.33%(P<0.05)、24.59%(P<0.05)和20.18%(P<0.05)，覆蓋莖稈秸稈后其相應器官分別比未覆蓋增加5.35%(P<0.05)、1.16%(P>0.05)、10.27%(P<0.05)和7.79%(P<0.05)，覆蓋葉片秸稈后分別比未覆蓋增加6.33%(P<0.05)、3.94%(P<0.05)、13.63%(P<0.05)和11.00%(P<0.05)。覆蓋少花龍葵不同器官秸稈的樹番茄幼苗莖稈、葉片及地上部分的生物量之間具有顯著差異，不同器官秸稈處理的樹番茄幼苗各器官生物量大小順序相同，均為根系秸稈>葉片秸稈>莖稈秸稈>未覆蓋。不同秸稈處理的樹番茄幼苗根冠比均低于未覆蓋，其大小順序為未覆蓋>莖稈秸稈>葉片秸稈>根系秸稈。

2.2 土壤覆蓋少花龍葵秸稈對樹番茄幼苗葉片光合色素的影響

土壤覆蓋少花龍葵各器官秸稈后，樹番茄幼苗光合色素含量均高于未覆蓋(表2)。覆蓋少花龍葵根系秸稈后的樹番茄幼苗葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類胡蘿卜素含量較未覆蓋分別增加21.20%(P<0.05)、20.10%(P>0.05)、19.41%(P>0.05)、20.93%(P<0.05)，覆蓋少花龍葵莖稈秸稈后的樹番茄幼苗相應指標分別較未覆蓋增加3.00%(P>0.05)、0.52%(P>0.05)、2.71%(P>0.05)、2.38%(P>0.05)。各處理的葉綠素b和總?cè)~綠素含量之間均無顯著差異，但覆蓋少花龍葵根系秸稈后其葉綠素a含量和類胡蘿卜素含量與未覆蓋以及覆蓋莖稈秸稈處理相比均有顯著差異，而與覆蓋葉片秸稈相比相應指標差異不顯著。土壤覆蓋少花龍葵秸稈后，樹番茄幼苗的光合色素含量的大小順序相同，均為根系秸稈>葉片秸稈>莖稈秸稈>未覆蓋。覆蓋少花龍葵秸稈處理的樹番茄幼苗葉綠素a/b值均高于未覆蓋，其大小順序為莖稈秸稈>葉片秸稈>根系秸稈>未覆蓋。

表1 不同處理樹番茄幼苗的生物量比較Tab.1 Comparison of biomass of C.beracea seedlings among different treatments

注：同列數(shù)據(jù)不同字母表示在5%水平差異顯著，下同。
Note:Different letters in the same column indicate significant differences at the 5% level,the same below.

表2 不同處理樹番茄幼苗的葉片光合色素含量比較Tab.2 Comparison of photosynthetic pigment content in leaves of C.beracea seedlings among different treatments

2.3 土壤覆蓋少花龍葵秸稈對樹番茄幼苗鎘含量的影響

覆蓋處理后樹番茄幼苗各器官鎘含量較未覆蓋均顯著降低(表3)。覆蓋少花龍葵根系、莖稈和葉片秸稈后樹番茄幼苗的根系鎘含量較未覆蓋分別減少25.32%(P<0.05)、15.71%(P<0.05)和21.73%(P<0.05)，其莖稈鎘含量較未覆蓋分別減少12.94%(P<0.05)、4.52%(P<0.05)和8.83%(P<0.05)，葉片鎘含量分別減少14.60%(P<0.05)、12.53%(P<0.05)和13.02%(P<0.05)，地上部分鎘含量分別降低13.73%(P<0.05)、10.50%(P<0.05)和11.76%(P<0.05)。未覆蓋處理與覆蓋秸稈處理相比，樹番茄幼苗各器官鎘含量差異均達到顯著水平，覆蓋少花龍葵根系秸稈和莖稈秸稈之間的各器官鎘含量差異也達到顯著水平。就轉(zhuǎn)運系數(shù)而言，各處理下樹番茄幼苗的轉(zhuǎn)運系數(shù)大小順序為根系秸稈>葉片秸稈>莖稈秸稈>未覆蓋。

表3 不同處理樹番茄幼苗的鎘含量比較Tab.3 Comparison of cadmium content in C.beracea seedlings among different treatments

2.4 土壤覆蓋少花龍葵秸稈對土壤pH值和有效態(tài)鎘含量的影響

土壤覆蓋少花龍葵各器官秸稈后，土壤有效態(tài)鎘含量均顯著低于未覆蓋(圖1)，而土壤pH值均顯著高于未覆蓋(圖2)。覆蓋少花龍葵根系、莖稈和葉片秸稈后的有效態(tài)鎘含量依次較未覆蓋減少8.73%(P<0.05)、3.44%(P<0.05)和5.28%(P<0.05)。就土壤pH值而言，覆蓋少花龍葵秸稈后，土壤pH值的大小順序為根系秸稈>葉片秸稈>莖稈秸稈>未覆蓋，覆蓋根系、莖稈和葉片秸稈后的土壤pH值依次較未覆蓋提高3.94%(P<0.05)、2.69%(P<0.05)和3.40%(P<0.05)。

不同小寫字母表示在5%水平差異顯著，圖2同Different letters indicate significant differences at the 5% level,the same as Fig.2圖1 不同處理土壤有效態(tài)鎘含量比較Fig.1 Comparison of available Cd content in soil among different treatments

圖2 不同處理土壤pH值比較Fig.2 Comparison of soil pH value among different treatments

3 結(jié)論與討論

秸稈還田是一種新型的培肥和增產(chǎn)方法，避免了燃燒秸稈所造成的大氣污染。土壤覆蓋植物秸稈后，秸稈在土壤表面腐化，將其體內(nèi)大量有機物釋放入土壤，從而改善土壤結(jié)構(gòu)、肥力狀況和養(yǎng)分循環(huán)，經(jīng)由土壤反作用于植物根系，影響植物各種代謝活動[17]。王恒等[18]將土壤覆蓋4種鎘耐性植物秸稈后，薺菜的各器官生物量較未覆蓋有所增加。本試驗中，在土壤鎘脅迫條件下，向栽植樹番茄的土壤表面分別覆蓋少花龍葵根系、莖稈和葉片秸稈，各覆蓋秸稈處理的樹番茄各器官生物量較未覆蓋均有所增加，說明覆蓋少花龍葵各器官秸稈均能促進樹番茄幼苗的生長，可能與少花龍葵秸稈所釋放的養(yǎng)分有關。這與前人研究有所差異[7]，可能是因為同一秸稈對不同植物的作用效果不同，還有待研究。

秸稈是通過其分解過程中釋放的化感物質(zhì)來促進或抑制植物的光合作用，而具體是促進還是抑制與植物的種類有關[19-20]。大量研究指出秸稈覆蓋能促進植物光合作用[20-22]。在本試驗研究中，土壤覆蓋少花龍葵各器官秸稈后，樹番茄幼苗的光合色素含量均高于未覆蓋，這說明在鎘脅迫條件下，土壤表面覆蓋少花龍葵各器官秸稈后，樹番茄幼苗的光合作用增強，光合色素含量增加。

植物對重金屬元素的吸收差異主要集中在根際環(huán)境中[23]。本研究中，土壤覆蓋少花龍葵各器官秸稈后，樹番茄幼苗根系及地上部分鎘含量均低于未覆蓋。在10 mg/kg鎘污染果園中，土壤覆蓋少花龍葵根系秸稈，能夠在促進樹番茄幼苗生長的同時降低植株體內(nèi)鎘含量，可應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中。土壤中的有效態(tài)鎘含量與土壤pH值直接相關，而土壤pH值的改變主要是由秸稈腐化中釋放的有機酸引起的，植物秸稈中的養(yǎng)分在秸稈腐化過程中被釋放出來，從而被其他活體植物吸收[24-26]。湯福義等[9]研究認為，土壤中施入秸稈后土壤pH值降低且土壤鎘有效性升高。本試驗中，土壤覆蓋少花龍葵秸稈顯著提高了土壤pH值，而土壤有效態(tài)鎘含量均有所降低。

本試驗結(jié)果表明，土壤覆蓋少花龍葵根系、莖稈和葉片秸稈均提高了樹番茄幼苗各部分的生物量和光合色素含量，也降低了樹番茄幼苗各器官的鎘含量。此外，覆蓋少花龍葵秸稈后再種植樹番茄幼苗提高了土壤環(huán)境中的pH值，也降低了土壤有效態(tài)鎘含量。因此，覆蓋少花龍葵秸稈有利于鎘污染土壤環(huán)境中樹番茄的安全生產(chǎn)，覆蓋其根系秸稈的效果最佳。