種植密度、施肥及種植方式對(duì)紫蘇鉛富集能力的影響

朱勝男, 陳 楠, 鄭新宇, 肖清鐵, 汪敦飛, 王玉潔, 呂昭君, 樊榮榮, 呂榮海, 林瑞余

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002; 2.作物生態(tài)與分子生理學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；3.福建省上杭縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，福建 上杭 364000)

我國土壤重金屬總的超標(biāo)率為16.1%，其中鉛污染的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到1.5%[1].土壤中的鉛極易通過食物鏈進(jìn)入人體，并在人體內(nèi)積累，危害人體健康[2-4].近年來，我國多地發(fā)生兒童血鉛超標(biāo)事件[5].降低農(nóng)產(chǎn)品的鉛殘留，對(duì)保證食品安全和促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.作物對(duì)鉛的吸收與積累受基因型、環(huán)境條件等多種因素影響.篩選低積累基因型以及采取合理的栽培措施減少鉛進(jìn)入食物鏈，是在輕、中度污染土壤上安全生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的有效途徑[6,7].目前，我國已篩選出一些鉛低積累大白菜[8]、玉米[9]、大豆[6]、油菜[10]等作物品種，在鉛污染土壤中進(jìn)行安全生產(chǎn).施肥、種植密度等栽培措施能夠顯著影響作物對(duì)重金屬的吸收與富集，同一施肥水平、不同種植密度下高粱穗部的鉛含量及單位面積的鉛富集量隨種植密度的增大而增大[11]，但春小麥組織的重金屬(尤其是籽粒Pb和Cd)的積累隨種植密度的增大而降低[12].苧麻高密度種植能夠降低其地上部的Pb、As含量，但促進(jìn)了Pb、As的累積[13].合理的氮肥、磷肥施用量不僅提高小白菜的產(chǎn)量，地上部分吸收的Pb也較少[14];施用鈣鎂磷肥能顯著抑制Cd、Pb、Zn對(duì)小白菜的毒害，降低重金屬向地上部遷移[15]；施用有機(jī)肥可提高作物食用部位Cu、Zn、Cd、Pb的含量，其含量高低還與有機(jī)肥種類、用量、土壤類型、土壤pH以及作物種類等有關(guān)[16].但有關(guān)移栽、直播對(duì)作物鉛吸收影響的研究還較少.

紫蘇(PerillafrutescensL. Britt)屬唇形科(Labiatae)一年生草本植物，廣布于我國各地，在我國已有2 000多年的栽培歷史[17].紫蘇籽富含酚酸、黃酮和三萜酚類化合物，具有抗氧化、抗生素和解熱作用[18].紫蘇精油富含迷迭香酸，具有保護(hù)血管的作用[19]；紫蘇葉含有酚類化合物、迷迭香酸、花青素、精油、維生素和礦物質(zhì)等，具有抗氧化、抗糖尿、抗過敏、抗菌、抗腫瘤和抗癌等功效[20,21]；紫蘇嫩葉可食用，常作為魚蝦去葷腥的佐料[8]，提取的色素可用作著色劑[10].紫蘇具有較高的藥用、食用價(jià)值，亦可作為工業(yè)原料，極具開發(fā)價(jià)值[22].但研究[23]發(fā)現(xiàn)，紫蘇具有較強(qiáng)的重金屬富集能力，這對(duì)紫蘇的安全生產(chǎn)造成潛在威脅.在Cd、Pb單一和復(fù)合污染條件下，紫蘇對(duì)Pb、Cd均具有一定的富集作用.水培條件下紫蘇的鎘富集系數(shù)達(dá)50以上[24]，田間栽培條件下，紫蘇鎘富集系數(shù)可達(dá)2.24[25].種植密度、施肥、種植方式不僅顯著影響紫蘇的生長(zhǎng)與產(chǎn)量[26]，也顯著影響紫蘇對(duì)鎘的富集作用[25].但有關(guān)栽培措施對(duì)紫蘇的鉛富集特性的研究尚未見報(bào)道.本研究探討了種植密度、施肥與種植方式對(duì)紫蘇鉛含量、鉛富集系數(shù)與遷移系數(shù)、鉛富集量及鉛分配比的影響，以期為紫蘇田間栽培的安全性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 栽培方案

試驗(yàn)地位于福建省上杭縣廬豐鄉(xiāng)上坊村，地理坐標(biāo)N24°59.832′，E116°28.481′，前茬作物為水稻.土壤pH 5.31，有機(jī)質(zhì)含量56.3 g·kg-1，全氮含量2.4 g·kg-1，速效氮含量50.7 mg·kg-1.全磷含量2.52 g·kg-1，速效磷含量274.4 mg·kg-1，全鉀含量467.6 mg·kg-1，速效鉀含量386.0 mg·kg-1，土壤Pb含量為58.4 mg·kg-1.

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以種植密度為主區(qū)，以種植方式為裂區(qū)，以施肥方式為再裂區(qū).密度設(shè)3個(gè)水平(D1：株行距30 cm×20 cm;D2：株行距25 cm×20 cm;D3：株行距20 cm×20 cm)；施肥設(shè)置3個(gè)方式(F1為有機(jī)肥，其中包含75 kg·hm-2基肥和75 kg·hm-2追肥；F2為45%復(fù)合肥，其中包含30 kg·hm-2基肥和30 kg·hm-2追肥；F3為混合施肥，其中基肥為有機(jī)肥(37.5 kg·hm-2)+45%復(fù)合肥(15 kg·hm-2)，追肥為45%復(fù)合肥(15 kg·hm-2)+有機(jī)肥(37.5 kg·hm-2).種植方式設(shè)置2種處理(P1：育苗移栽;P2：直播).各小區(qū)面積為10 m2,各處理設(shè)置3次重復(fù).商品有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)含量為45%，N、P、K含量為6% ；商品復(fù)合肥的N、P、K含量之比為15∶15∶15.混合施肥為有機(jī)肥與復(fù)合肥按照比例混施.紫蘇的栽培管理參照文獻(xiàn)[21].

1.2 栽培管理

移栽與直播紫蘇的播種均在2018年4月1日進(jìn)行.直播紫蘇采用穴播，播種量7.5 kg·hm-2.先整地作畦，開2～3 cm淺溝，畦寬1.8～2.0 m，株行與移栽紫蘇相同.播種時(shí)先在溝里澆水，再將種子均勻播入，覆蓋薄土，保持土壤濕潤(rùn)，10～15 d后出苗，苗高3～6 cm時(shí)進(jìn)行間苗，保留每穴1株.紫蘇移栽在播種30 d后進(jìn)行，移栽前先翻地、澆水，帶土移栽每穴1～2棵苗，覆土壓實(shí).苗高10～15 cm時(shí)進(jìn)行定苗、補(bǔ)苗；株高70 cm左右時(shí)打頂追肥、除草、培土.在成熟期，隨機(jī)采集各小區(qū)紫蘇植株，測(cè)定生物量及各部位鉛含量.

1.3 生物量及鉛含量的測(cè)定

采樣時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的紫蘇，將其整株取出，清除根部土壤并洗凈，分為根、莖葉和籽粒3個(gè)部分，分別置于烘干箱105 ℃殺青1 h后，72 ℃烘干至恒重，測(cè)定各部位生物量和鉛含量.同時(shí)取土樣經(jīng)粉碎、過60目篩后，測(cè)定鉛含量.采用微波消解法制樣，鉛含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定.地上部、全株鉛含量為相應(yīng)部位的加權(quán)平均值；鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=地上部鉛含量/根鉛含量；鉛富集系數(shù)(BCF)=地上部鉛含量/土壤中鉛含量[25].

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)處理采用EXCEL 16.0，采用DPS 7.05軟件(杭州睿封信息技術(shù)有限公司提供)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(yàn)(P=0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 栽培措施對(duì)紫蘇各部位鉛含量的影響

由表1可知，種植密度顯著影響紫蘇根、莖葉、籽粒及全株的鉛含量，施肥方式顯著影響紫蘇根和籽粒的鉛含量，種植方式顯著影響紫蘇各部位的鉛含量(P<0.05).紫蘇各部位的鉛含量在種植方式與種植密度、種植方式與施肥間均具顯著的互作效應(yīng).不同栽培措施下，紫蘇根、莖葉、籽粒、地上部及全株的鉛含量分別為7.10～16.87 mg·kg-1、1.50～5.50 mg·kg-1、0.23～5.73 mg·kg-1、1.29～5.30 mg·kg-1、2.92～6.36 mg·kg-1，平均值大小表現(xiàn)為根(11.71 mg·kg-1)>籽粒(3.00 mg·kg-1)≈莖葉(2.78 mg·kg-1).

D1處理紫蘇根、莖葉、地上部及全株鉛平均含量依次為13.32、3.07 、2.98 、4.78 mg·kg-1，分別比D2處理高出31.2%、10.4%、8.0%、14.9%，比D3處理高出14.4%、23.3%、13.3%、13.5%，但D3處理紫蘇籽粒鉛的平均含量為3.64 mg·kg-1，分別比D2(2.94 mg·kg-1)、D1(2.43 mg·kg-1)高出23.8 %和49.8%.F1處理紫蘇根鉛的平均含量最高(13.21 mg·kg-1)，分別比F2處理(11.13 mg·kg-1)和F3處理(10.78 mg·kg-1)高出18.6 %和22.5 %；但F3處理紫蘇籽粒的鉛含量最高(3.49 mg·kg-1)，分別比F1處理(2.84 mg·kg-1)、F2處理(2.68 mg·kg-1)高出22.9%和30.2%；莖葉、地上部及全株的鉛含量在不同施肥方式間無顯著差異(表1).P2處理紫蘇根、莖葉、籽粒、地上部及全株鉛的平均含量依次為12.12、3.20、4.86、3.37、4.98 mg·kg-1，分別比P1處理高出7.4%、36.2%、326.3%、52.5%、31.7%.從表1可知，紫蘇根部鉛含量以D1F3P1處理最高(16.87 mg·kg-1)；籽粒鉛含量以D3F1P2處理最高(5.73 mg·kg-1)；莖葉、地上部及全株鉛含量均以D1F2P2處理最高，分別為5.50、5.30、6.36 mg·kg-1；全株鉛含量在D1F2P2與D1F1P2處理(6.21 mg·kg-1)間無顯著差異，D1F1P1處理最低(2.92 mg·kg-1).

2.2 栽培措施對(duì)紫蘇鉛富集系數(shù)(BCF)和遷移系數(shù)(TF)的影響

在不同栽培措施下，紫蘇的鉛富集能力較低，BCF為0.02～0.09；鉛轉(zhuǎn)運(yùn)能力也較小，TF為0.09～0.51(圖1).方差分析(表1)表明，BCF在不同種植密度及施肥方式間無顯著差異，均值為0.05；P2處理的BCF為0.06，比P1處理(0.04)高出50.0%(P<0.05).TF以D2處理最大，均值為0.30，分別比D3處理(0.25)、D1(0.22)高出20.0%和36.4%(P<0.05).F3處理的TF為0.29，分別比F1處理、F2處理高出48.3%和3.3%.P2處理的TF為0.27，比P2處理(0.24)高出12.5%.結(jié)果表明：D1F2P2處理的BCF最高，為0.09，顯著高于其他處理(P<0.05)；D1F1P1處理的BCF最低，為0.02；D1F2P2處理的TF最高，為0.51，顯著高于其他處理(P<0.05)；D1F3P1處理的TF最低，為0.09(圖1).

表1 不同處理紫蘇鉛含量及其方差分析1)

Table 1 ANOVA of Pb contents in P.frutescens under different treatments mg·kg-1

1)小寫字母代表不同處理間鉛含量的差異顯著性(P<0.05).

2.3 栽培措施對(duì)紫蘇鉛富集量的影響

方差分析(表2)表明，種植密度、種植方式顯著影響紫蘇的鉛富集量(P<0.05)，施肥方式影響莖葉、籽粒和地上部的鉛富集量，但對(duì)根部及全株的鉛富集量無顯著影響.籽粒鉛富集量在不同栽培措施間無顯著的互作效應(yīng)，地上部鉛富集量在施肥方式與種植密度、種植方式間，以及全株鉛富集量在施肥方式與種植方式間無顯著的互作效應(yīng)(表2).

表2 紫蘇不同部位鉛富集量、分配比的方差分析Table 2 ANOVA of Pb accumulation and distribution ratio in P.frutescens under different treatments

不同措施栽培下紫蘇鉛富集量為14.91～43.48 g·hm-2，平均值為26.16 g·hm-2，表現(xiàn)出較低的鉛富集能力.鉛富集量總體上隨種植密度的增大而增大，D3處理的鉛富集量(31.00 g·hm-2)顯著高于D1(23.22 g·hm-2)和D2(24.27 g·hm-2)處理，后二者無顯著差異(圖2).F1處理紫蘇莖葉的鉛富集量為1.83 g·hm-2，顯著低于F2(2.45 g·hm-2)和F3(2.46 g·hm-2)處理；F3處理籽粒的鉛富集量為0.54 g·hm-2，分別是F2和F1處理的2.03和4.06倍；P2處理紫蘇的鉛富集量為30.21 g·hm-2，顯著高于移栽種植(22.12 g·hm-2)，是移栽種植的1.37倍(圖2).不同栽培措施組合處理，以D3F2P2的鉛富集量最大，達(dá)43.48 g·hm-2，與D3F1P2(40.90 g·hm-2)無顯著差異，是D1F1P1(14.91 g·hm-2)的2.92倍；而D1F1P1組合與D1F2P1、D2F3P1組合間無顯著差異(圖2).

2.4 栽培措施對(duì)鉛分配的影響

從表2可知，種植密度和施肥方式的改變會(huì)顯著影響紫蘇富集的鉛在根、莖葉及籽粒中的分布(P<0.05)；種植方式對(duì)鉛在籽粒中的分配比例影響較大，但不影響其在根、莖葉中的分配比例.由圖3可見，紫蘇富集的鉛分配于各部位的比例大小表現(xiàn)為根>莖葉>籽粒，根部的比例為80.67%～97.67%，莖葉的比例為2%～17%，籽粒中的比例為0～3.3%.種植密度、施肥方式對(duì)紫蘇莖葉和籽粒鉛的分配比例影響較大.D1、D2和D3處理紫蘇莖葉的鉛分配比例依次為5.67%、10.72%和10.00%，籽粒的分配比例依次為0.83%、1.44%和1.22%；F1、F2和F3處理紫蘇莖葉鉛分配比例分別為6.87%、9.33%和10.28%，籽粒鉛分配比例分別為0.39%、0.89%和2.22%；P2處理紫蘇籽粒的鉛分配比例(1.78%)顯著高于P1處理，是P1處理的3.18倍(圖3).

3 小結(jié)與討論

3.1 紫蘇的鉛積累能力

種植重金屬低積累作物可降低重金屬毒害風(fēng)險(xiǎn).劉維濤等[27]提出重金屬低積累植物應(yīng)具備以下條件：(1)地上部和根部的鉛含量低或者可食用部位低于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；(2)BCF<1；(3)TF<1；(4)該植物在較高的鉛污染下能夠正常生長(zhǎng)，生物量沒有顯著降低.本研究發(fā)現(xiàn)，紫蘇在土壤Pb含量為58.4 mg·kg-1的環(huán)境條件下，其生物量并未顯著降低，其莖葉的鉛含量為1.50～5.50 mg·kg-1，籽粒鉛含量為0.23～5.73 mg·kg-1，其鉛BCF為0.02～0.09，TF為0.09～0.51，表明紫蘇對(duì)鉛的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較低.在田間條件下，紫蘇鉛富集量為14.91～43.48 g·hm-2，明顯低于高粱(50.05～65.54 g·hm-2)[28]，表現(xiàn)出較弱的鉛富集能力，不屬于鉛富集植物.宋佳等[23]研究發(fā)現(xiàn)紫蘇具有比較強(qiáng)的鉛富集能力，與本研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)樘镩g栽培條件與室內(nèi)單因子模擬試驗(yàn)明顯不同.植物對(duì)鉛的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)除了與土壤中鉛的含量有關(guān)外，還受栽培環(huán)境等多因子影響，包括土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、CEC和Eh值等理化性質(zhì)以及根際土壤微生物等.因田間試驗(yàn)的光溫、土壤等條件的綜合作用，加上栽培措施的調(diào)控作用，以及植物基因型、年齡和營(yíng)養(yǎng)狀況等眾多因素的影響，可能導(dǎo)致紫蘇在田間條件下無法發(fā)揮其鉛富集潛力，導(dǎo)致鉛的吸收與積累能力下降.

3.2 栽培措施對(duì)紫蘇鉛積累能力的影響

作物對(duì)重金屬的吸收與積累除受重金屬的種類、含量與形態(tài)、土壤條件、接觸時(shí)間影響外，還受作物品種[29,30]、生育期[31]、生態(tài)類型[32]等多種因素影響.根系是作物吸收重金屬的主要器官，一些研究表明，到達(dá)作物根系的重金屬離子，一般首先沉積在根表面，然后主要以非共質(zhì)體的方式擴(kuò)散進(jìn)入根冠細(xì)胞層，進(jìn)而橫穿根的中柱，進(jìn)入導(dǎo)管后隨蒸騰拉力向地上部移動(dòng)[32].栽培措施能夠在一定程度上改變作物的生長(zhǎng)環(huán)境，從而影響植物對(duì)重金屬的吸收與積累[33].本研究結(jié)果表明紫蘇籽粒鉛含量隨種植密度的增大而升高，這與高粱穗部的鉛含量及單位面積的鉛富集量隨種植密度增大而增大[28]相一致，根、莖葉、地上部及全株的鉛含量隨種植密度的增大而降低，但鉛累積量隨種植密度的增大而增大.馬新旺等[12]發(fā)現(xiàn)種植密度增大可降低了春小麥組織重金屬的積累，但其單位面積重金屬積累量隨種植密度的增大而下降.由于種植密度增大引起作物對(duì)空間、營(yíng)養(yǎng)等資源的競(jìng)爭(zhēng)，使得水分蒸騰加劇，從而導(dǎo)致作物吸收更多的重金屬，并通過質(zhì)體流途徑分配到作物不同部位[34-36].

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)的重要措施，它不僅可以提高作物產(chǎn)量、作物的生長(zhǎng)速度和作物品質(zhì)，改變土壤pH、CEC等理化性質(zhì)，亦可改變重金屬的生物有效性，進(jìn)而影響作物對(duì)重金屬的吸收[37].本研究結(jié)果表明，施肥對(duì)紫蘇根、莖葉和籽粒的鉛含量和鉛富集量具有顯著的影響，施用有機(jī)肥能夠降低紫蘇對(duì)鉛的吸收，而王美等[16]發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可提高作物可食部位Cu、Zn、Cd、Pb的含量；喬莎莎等[38]研究表明對(duì)小麥?zhǔn)┯糜袡C(jī)肥可降低其籽粒鉛含量.由于施用氮肥通常能夠降低土壤的pH，增大土壤溶液的電導(dǎo)，增加重金屬溶解度，從而提高植物對(duì)重金屬的吸收；施用磷肥則能使土壤中的重金屬離子發(fā)生沉淀，降低其有效性，從而減輕污染；有機(jī)肥礦化后可生成低分子量有機(jī)酸和腐殖酸，一方面能夠活化土壤中的重金屬，另一方面又可螯合重金屬，起到解毒作用，提高作物的重金屬耐性[39].鄭梅琴等[40]研究發(fā)現(xiàn)施肥能夠促進(jìn)紫蘇生長(zhǎng)，顯著影響紫蘇的生物量，增大紫蘇千粒重，以混合施肥紫蘇的千粒重最高，生物量的增大對(duì)紫蘇體內(nèi)的鉛含量亦具有一定的稀釋效應(yīng).

此外，種植方式顯著影響紫蘇的生長(zhǎng)與鉛的吸收，直播紫蘇的單株生物量顯著高于移栽紫蘇[40].直播紫蘇根、莖葉、籽粒、地上部及全株鉛的積累分別比移栽處理高出7.4%、36.2%、326.3%、52.5%、31.7%，這與直播紫蘇的根系比較發(fā)達(dá)，吸收能力較強(qiáng)有關(guān).肖清鐵等[25]也發(fā)現(xiàn)移栽種植紫蘇的鎘富集量顯著低于直播種植.可見，在生產(chǎn)實(shí)踐中，紫蘇育苗移栽可在一定程度上降低作物對(duì)重金屬的吸收.

不同栽培方式對(duì)鉛在紫蘇莖葉和籽粒的分配存在顯著的影響.種植密度、施肥方式對(duì)紫蘇莖葉和籽粒鉛的分配比例影響較大.D1處理紫蘇的莖葉和籽粒的鉛分配比例顯著低于D2和D3.高密度種植會(huì)提高單位面積紫蘇莖葉生物量，其生物學(xué)產(chǎn)量達(dá)13 462 kg·hm-2，比低密度栽培紫蘇生物量高出42.5%[40].高密度種植的紫蘇鉛的分配比例高于中低密度，這可能是因?yàn)樯锪康脑黾樱♂屃俗咸K體內(nèi)鉛的含量，從而導(dǎo)致莖葉和籽粒分配比例降低.F1處理紫蘇莖葉和籽粒的鉛分配比顯著低于F2和F3.不同種植方式對(duì)紫蘇籽粒的鉛分配比具有顯著影響，P2處理紫蘇籽粒的鉛分配比例顯著高于P1處理，表明紫蘇在P1處理下，鉛在紫蘇體內(nèi)向上轉(zhuǎn)運(yùn)分配的作用降低，主要是由于P2處理的紫蘇籽粒的鉛含量和生物量均高于P1處理，這與肖清鐵等[25]的研究結(jié)果一致.