種植密度、施肥及種植方式對紫蘇銅富集能力的影響

陳 楠, 黃明田, 鄭新宇,2, 肖清鐵,2, 林瑞余,2

(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)福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002)

重金屬可通過植物的富集作用進(jìn)入食物鏈并在人體內(nèi)累積而威脅人體健康[1]。銅雖是必需的微量元素，但過量的銅會影響細(xì)胞的代謝和離子平衡，對動、植物產(chǎn)生毒害作用[2]。作物吸收與積累重金屬的能力在種間呈現(xiàn)顯著差異，我國已經(jīng)篩選出銅低積累的茄子、西紅柿、茼蒿、油白菜等作物[3]。作物對重金屬的吸收和富集受栽培方式、施肥方式等影響[4]，施用氮肥會顯著提高小麥籽粒中的銅含量[5]；增加種植密度和延長生長期能降低春小麥的重金屬積累[6]；施用菌肥能增強銅在玉米根部的富集，降低籽粒的銅含量[7]；施用有機肥可提高作物可食部位的銅、鋅、鎘、鉛含量，其含量高低與施用有機肥的種類與用量、土壤類型、土壤pH及作物種類等有關(guān)[8]；有機肥與無機肥配施能減少銅向番茄根際遷移[9]；栽培管理方式顯著影響作物體內(nèi)的鰲合鐵、錳、銅、鋅含量[10]，但有關(guān)育苗移栽與直播等綜合措施影響作物重金屬富集作用的研究還較少。

紫蘇[Perillafrutescens(L.) Britt] 是唇形科1年生草本植物，具特異芳香，是我國傳統(tǒng)的藥食、油料作物，栽培歷史近2 000年[11-12]。紫蘇營養(yǎng)價值極高，紫蘇籽富含α-亞麻酸，具有預(yù)防心血管疾病和抗癌作用[13]；紫蘇葉富含類胡蘿卜素、迷迭香酸、多酚、黃酮、紫蘇醛、多糖等生物活性物質(zhì)，具抗氧化、防衰老、抗菌消炎、防過敏及抗腫瘤等多種生理功能[13-15]；紫蘇嫩葉常被用作蔬菜或茶葉，其加工產(chǎn)品作為佐料大量出口國外[13]。但一些研究表明，紫蘇具有較強的鎘、銅耐性[2]及重金屬富集能力[15-16]。在銅含量較高的環(huán)境中種植紫蘇，具有食、藥用的潛在危險。為此，本研究探討了栽培措施對紫蘇銅吸收能力的影響，以期為其安全栽培提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地設(shè)在福建省上杭縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地，試驗地概況、試驗安排及紫蘇的栽培管理方案參見文獻(xiàn)[14]。試驗地土壤銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.9 mg·kg-1。采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置以下處理。(1)種植密度：株行距30 cm×20 cm (D1)、25 cm×20 cm (D2)和20 cm×20 cm (D3)；(2)施肥方式：有機肥(F1)、復(fù)合肥(F2)和混合施肥(F3)；(3)種植方式：育苗移栽(P1)、直播(P2)。各小區(qū)10 m2，各處理3次重復(fù)。在成熟期，各小區(qū)隨機采集3株紫蘇，測定生物量及各部位銅含量。

1.2 生物量及銅含量測定

1.2.1 生物量 各小區(qū)采集紫蘇3株。采樣時將紫蘇整株取出，去除土壤并洗凈根部。將植株分為根、莖葉及籽粒3個部位，經(jīng)105 ℃殺青1 h后，72 ℃烘干48 h，測定干重。生物量以干重表示。干樣經(jīng)粉碎、過60目篩后，用于測定銅含量。

1.2.2 銅含量 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定，測試樣品采用微波消解法制備[16]。紫蘇地上部、全株銅含量為加權(quán)平均值。計算銅富集系數(shù)(bioconcentration factor, BCF)、轉(zhuǎn)運系數(shù)(translocation factor, TF)和富集量。BCF=地上部銅含量/土壤中銅含量；TF=地上部銅含量/根部銅含量；富集量=銅含量×生物量[16]。

1.3 統(tǒng)計與分析

應(yīng)用EXCEL 16.0軟件處理數(shù)據(jù)，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示；統(tǒng)計分析采用SSPS 23.0軟件進(jìn)行，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 栽培措施對紫蘇各部位銅含量的影響

由表1可見，不同種植密度、施肥方式和種植方式處理的紫蘇銅含量均存在顯著差異(P<0.05)。紫蘇根、莖葉、地上部及全株的銅含量在種植密度與施肥、種植密度與種植方式、施肥與種植方式及三者間均具顯著的互作效應(yīng)(P<0.05)，而籽粒在種植密度與施肥、種植密度與種植方式、施肥與種植方式及三者間互作效應(yīng)不顯著(P>0.05)。從表2可見，不同栽培措施下紫蘇根、莖葉、籽粒、地上部及全株銅含量分別在33.6～42.2、26.1～73.9、34.2～43.0、27.3～70.6、29.8～65.4 mg·kg-1之間，各部位銅含量依次為：莖葉(40.5 mg·kg-1)>籽粒(38.3 mg·kg-1)≈根(37.5 mg·kg-1)。

表1 紫蘇不同部位銅含量方差分析1)Table 1 ANOVA of copper content in different parts of P.frutescens

表2 不同處理紫蘇銅含量1)Table 2 Copper content of P.frutescens plants under different treatments mg·kg-1

2.1.1 單一措施 (1)種植密度。D3處理(株行距為20 cm×20 cm)紫蘇莖葉、籽粒、地上部及全株銅平均含量分別為48.4、40.3、47.5、45.6 mg·kg-1，分別比D1處理(株行距為30 cm×20 cm)高34.3%、8.9%、31.6%、24.5%，比D2處理(株行距為25 cm×20 cm)高30.0%、6.7%、27.5%、22.7%。D1處理根部銅平均含量為39.3 mg·kg-1，分別比D2(36.6 mg·kg-1)、D3(36.6 mg·kg-1)高7.4%和7.5%。(2)施肥方式。F2處理(45%復(fù)合肥)紫蘇莖葉、籽粒、地上部及全株銅平均含量分別為44.0、39.3、43.6、42.7 mg·kg-1，分別比F1(有機肥)高20.2%、3.4%、18.6%、15.4%，比F3(混合施肥)高7.6%、4.6%、7.5%、7.2%，F(xiàn)1處理根銅平均含量為38.1 mg·kg-1，分別比F2(37.8 mg·kg-1)、F3(36.1 mg·kg-1)高0.7%和5.5%。(3)種植方式。P2處理(直播)紫蘇莖葉、籽粒、地上部及全株銅的平均含量分別為41.0、40.4、40.9、40.2 mg·kg-1，分別比P1處理(育苗移栽)高2.4%、11.1%、3.0%、1.7%。P1處理(育苗移栽)紫蘇根銅平均含量為38.6 mg·kg-1，比P2處理(36.4 mg·kg-1)高6.0%。

2.1.2 組合措施 從表2可以看出，紫蘇根部銅含量以D1F2P1處理最高(42.2 mg·kg-1)，D2F3P2處理最低(33.6 mg·kg-1)；莖葉銅含量以D3F2P1處理最高(73.9 mg·kg-1)，D2F1P2處理最低(26.1 mg·kg-1)；籽粒銅含量以D2F2P2處理最高(43.0 mg ·kg-1)，D2F2P1處理最低(34.2 mg ·kg-1)；地上部及全株銅含量均以D3F2P1處理最高，分別為70.6、65.4 mg·kg-1，D2F1P2處理最低，分別為27.3、29.8 mg·kg-1。

2.2 栽培措施對紫蘇銅BCF和TF的影響

從圖1可見，紫蘇的銅富集能力較高， BCF在0.86～2.21之間，均值為1.26；銅轉(zhuǎn)運能力也較高， TF在0.70～1.79之間，均值為1.08。方差分析表明，BCF在不同種植密度、施肥方式及種植方式之間存在顯著差異，表現(xiàn)為：D3>D1>D2、F2>F3>F1、P2>P1；TF在種植密度、施肥方式及種植方式間也存在顯著差異，表現(xiàn)為：D3>D2>D1、F2>F1>F3、P2>P1。從不同組合措施的影響來看，BCF以D3F2P1處理最高(2.21)，顯著高于其他處理(P<0.05)，D2F1P2處理最低(0.86)；TF以D3F3P2處理最高(1.79)，與D3F2P1處理(1.73)無顯著差異，且兩者顯著高于其他處理(P<0.05)，D2F1P2處理最低(0.70)。

2.3 栽培措施對紫蘇銅富集量的影響

方差分析(表3)表明，施肥方式顯著影響紫蘇的銅富集量，種植密度、種植方式顯著影響根、莖葉、地上部和全株的銅富集量，但對籽粒的銅富集量無顯著影響(P>0.05)。籽粒銅富集量在不同栽培措施間無顯著的互作效應(yīng)(P>0.05)。

表3 紫蘇不同部位銅富集量、分配比的方差分析1)Table 3 ANOVA of copper accumulation and distribution ratio in P.frutescens under different treatments

從表4可見，不同處理紫蘇銅富集量在61.3～173.0 g·hm-2之間，平均115.0 g·hm-2，表現(xiàn)出較高的富集能力。D3處理紫蘇根部的銅富集量為85.5 g·hm-2，顯著高于D2(78.4 g·hm-2)和D1(64.9 g·hm-2)處理；D3處理紫蘇莖葉的銅富集量為56.6 g·hm-2，顯著高于D2(33.0 g·hm-2)和D1(15.1 g·hm-2)處理。F1處理紫蘇的銅富集量為101.6 g·hm-2，顯著低于F2(123.2 g·hm-2)和F3(120.1 g·hm-2)處理。P2處理紫蘇根部的銅富集量為82.5 g·hm-2，顯著高于P1處理(70.0 g·hm-2)；P2處理紫蘇莖葉的銅富集量為37.9 g·hm-2，顯著高于P1處理(31.9 g·hm-2)。由表4可見，不同栽培措施組合處理以D3F2P2的銅富集量最大，達(dá)173.0 g·hm-2，而D1F1P1處理的銅富集量最小，為61.3 g·hm-2，前者是后者的2.82倍。

表4 不同處理紫蘇銅富集量1)Table 4 Copper accumulation in P.frutescens under different treatments g·hm-2

2.4 栽培措施對紫蘇銅分配的影響

方差分析表明，種植密度和施肥方式顯著影響銅在紫蘇根、莖葉的分布(P<0.05)；種植方式對銅在莖葉和籽粒中的分配比影響較大，但不影響其在根中的分配比(表3)。從圖2可見，銅在紫蘇各部位的分配比為：根>莖葉>籽粒，根部的比例在48.3%～80.3%之間，莖葉在15.0%～47.8%之間，籽粒在1.4%～6.6%之間。D1、D2和D3處理富集的銅分配到紫蘇根的比例依次為77.8%、68.5%和59.1%，莖葉為17.9%、28.0%和38.2%，籽粒為4.3%、3.4%和2.7%；F1、F2和F3處理富集的銅分配到紫蘇根的比例依次為72.1%、67.1%和66.1%，莖葉為25.8%、29.4%和28.9%，籽粒為2.0%、3.4%和5.0%；P1和P2處理富集的銅分配到紫蘇根的比例分別為68.5%和68.4%，莖葉為27.7%和28.4%，籽粒為3.8%和3.1%。

3 討論與結(jié)論

3.1 紫蘇銅富集能力及其食用安全風(fēng)險

紫蘇在我國種植廣泛，具有多方面的用途及較高的經(jīng)濟價值，其重金屬污染風(fēng)險也是人們關(guān)注的問題。在田間條件下，紫蘇表現(xiàn)出較強的鎘富集能力[16]，但其鉛富集能力較低[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，在土壤銅含量為31.9 mg·kg-1條件下，不同栽培措施處理下紫蘇全株銅的含量為29.8～65.4 mg·kg-1，地上部銅含量為27.3～70.6 mg·kg-1，根部銅含量為33.6～42.2 mg·kg-1，其銅含量未達(dá)到超富集植物標(biāo)準(zhǔn)，不屬于超富集植物[17-18]，但其銅BCF在0.86～2.21之間，均值為1.26， TF在0.70～1.79之間，均值為1.08，BCF和TF均值大于1，表明紫蘇具有一定的銅富集能力[17-18]。紫蘇莖葉、籽粒的銅含量分別為26.1～73.9、34.2～43.0 mg·kg-1，高于蔬菜類銅含量的國家最高限量(10.0 mg·kg-1)。因此，將銅含量較高的土壤上種植的紫蘇作為蔬菜食用，具有較高的安全風(fēng)險。紫蘇作為佐料或藥材使用，其攝入量及安全風(fēng)險有待進(jìn)一步評估。

3.2 栽培措施對紫蘇銅富集能力的影響

作物對重金屬的吸收受多方面因素的影響，如重金屬種類、存在形態(tài)、重金屬間的交互作用、土壤利用類型[19-20]、土壤條件、作物品種與基因型[21-23]、生態(tài)類型[21]等。楊肖娥等[24]研究表明，作物可通過根系分泌質(zhì)子、螯合配體等方式活化土壤中的重金屬，促進(jìn)重金屬通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進(jìn)入根系，貯存于根系或繼續(xù)向上運輸?shù)降厣喜?，實現(xiàn)在作物中的富集。栽培措施能夠改變作物的生長環(huán)境，進(jìn)而影響作物對重金屬的吸收與轉(zhuǎn)移[25]。種植密度是影響作物群體質(zhì)量與產(chǎn)量的關(guān)鍵因子之一，合理密植是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵。密度太高易導(dǎo)致作物群體通風(fēng)不良，造成水分、養(yǎng)分、光照等資源的競爭，從而改變光合產(chǎn)物的合成與分配[26]。種植密度的增大一般會導(dǎo)致作物間的競爭加劇，引起水分蒸騰加劇，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[26-27]。馬新旺[6]發(fā)現(xiàn)，種植密度增大可降低春小麥重金屬的積累。但本研究發(fā)現(xiàn)，紫蘇根部銅含量隨種植密度的升高而降低，銅累積量則隨種植密度的升高而增大。紫蘇莖葉、籽粒、地上部及全株銅含量隨種植密度的增大而升高，且莖葉、地上部及全株的銅累積量也隨種植密度的增大而增大，這與施亞星等[27]模擬研究發(fā)現(xiàn)植物地上部重金屬含量隨著種植密度的增大而升高的結(jié)論相一致。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中調(diào)控作物生長、產(chǎn)量與品質(zhì)的重要措施，不同的施肥處理通常能夠影響作物對重金屬的吸收[28]。施用氮肥能降低土壤的pH值，增加土壤中重金屬溶解度，促進(jìn)植物對重金屬的吸收；施用磷肥能沉淀土壤中的重金屬離子，降低其有效性以減輕污染[29]；施用有機肥會改變土壤中銅的形態(tài)[30]，使重金屬污染土壤中的有機質(zhì)含量、全氮及全磷含量、脲酶和過氧化氫酶活性提高，并使土壤pH值和全鉀含量下降[31]，從而影響作物的重金屬吸收。這與施肥改變了土壤溶液的離子組成、陽離子交換量及其pH值等，進(jìn)而影響土壤重金屬的生物有效性有關(guān)[29]。李峰等[5]發(fā)現(xiàn),施用氮肥的小麥籽粒鋅、銅含量均顯著高于不施氮肥的;王美等[8]發(fā)現(xiàn),施用有機肥可提高作物體內(nèi)Cu、Zn、Cd、Pb的含量;周慧等[29]發(fā)現(xiàn),施復(fù)合肥會使土壤的有效銅含量升高，提高作物對銅的吸收。本研究發(fā)現(xiàn)，施肥顯著影響紫蘇根、莖葉、籽粒、地上部和全株的銅含量與銅富集量。施用復(fù)合肥顯著提高紫蘇對銅的吸收與積累，施用有機肥能提高紫蘇根部的銅含量，該結(jié)果與前人的研究結(jié)論相一致。這也與施肥顯著影響紫蘇的籽粒千粒重、產(chǎn)量，有機肥與復(fù)合肥混施下紫蘇產(chǎn)量最高，導(dǎo)致生物量對紫蘇體內(nèi)的重金屬含量具有稀釋效應(yīng)有關(guān)[32]。

種植方式顯著影響紫蘇的生長與產(chǎn)量、各部位的銅含量以及根、莖葉、地上部和全株的銅富集量。直播的紫蘇根、莖葉、地上部及全株銅的積累分別比移栽處理高出17.9%、18.6%、17.2%、17.6%，這與肖清鐵等[16]發(fā)現(xiàn)移栽的紫蘇的鎘富集量顯著低于直播紫蘇的結(jié)果相一致。移栽的作物對土壤中重金屬的富集能力低于直播的作物，說明在生產(chǎn)實踐中，使用移栽的種植方式在一定程度上可以降低作物對重金屬的吸收。

3.3 栽培措施對紫蘇銅分配作用的影響

栽培措施能夠顯著影響作物的生長環(huán)境，從而影響重金屬在土壤—作物系統(tǒng)中的吸收、遷移和積累，改變重金屬在作物各部位間的分配[27]。本研究表明，種植密度能夠顯著影響銅在紫蘇根和莖葉中的分配比例，施肥方式顯著影響銅在紫蘇各個部位的分配，種植方式則顯著影響銅在莖葉和籽粒中的分配。種植密度較低的D1處理紫蘇根部銅分配比顯著高于密度較高的D2和D3處理，而D3處理的莖葉銅分配比顯著高于D1和D2，表明隨著密度的增大，促進(jìn)了銅在地上部的積累。高密度種植提高了單位面積紫蘇莖葉的生物量，可能導(dǎo)致根部銅分配比的下降[32]。F2處理紫蘇莖葉的銅分配比顯著高于F1和F3處理，F(xiàn)3處理紫蘇籽粒的銅分配比顯著高于F1和F2，表明施用復(fù)合肥能夠顯著提高紫蘇食用部位的銅分配比。種植方式對紫蘇根部的銅積累量無影響，P1處理紫蘇莖葉的銅分配比顯著高于P2，而其籽粒的銅分配比顯著低于P2處理，這表明移栽種植顯著影響銅從紫蘇根部向地上部轉(zhuǎn)運。