重金屬污染土壤對三種豆科作物光合生理和產(chǎn)量的影響

張盼盼,崔亦沐,袁琴琴,賈韓飛,李 智

(榆林學院 生命科學學院,陜西 榆林 719000)

黑豆(Glycinemax(L.)Merr.) 為豆科植物大豆的黑色種子[1],營養(yǎng)豐富,含有蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維等多種營養(yǎng)物質(zhì)[2]。綠豆(VignaradiataL.)籽粒中含有生物堿、香豆素、植物甾醇等生理活性物質(zhì),對人類和動物的生理代謝活動具有重要的促進作用[3-4],常被作為醫(yī)用和保健等方面。小豆(Vignaangularis) 因其有較高的營養(yǎng)價值和藥用價值,一直以來都是陜北地區(qū)傳統(tǒng)的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品,當?shù)剞r(nóng)民致富的一大支柱產(chǎn)業(yè)[5]。大豆、綠豆和小豆屬于陜北地區(qū)主要特色優(yōu)勢作物,不僅是良好的間作套種作物,也是谷物、薯類的良好前茬。隨著人民生活水平的提高,對豆類作物的需求量逐年增加。因此發(fā)展陜北地區(qū)的豆類作物生產(chǎn),對于實現(xiàn)農(nóng)民增收、促進產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6]。

陜北地區(qū)作為我國重要的煤炭資源開發(fā)地區(qū),在加工利用的過程中有著嚴重的礦區(qū)環(huán)境污染問題,其中最為嚴重的即為土壤重金屬污染[7-8]。近幾年來,隨著陜北煤礦產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)用地不斷減少,現(xiàn)有的耕地大多受到不同重金屬的污染。對于以農(nóng)業(yè)為主要經(jīng)濟來源的陜北地區(qū)來說,耕地土壤環(huán)境質(zhì)量顯得尤為重要[9]。為了治理土壤重金屬污染,最有效可行的措施是植物修復(fù)技術(shù)[10]。

有研究表明,豆科植物具有固氮作用,在植物修復(fù)中可作為優(yōu)先選擇的對象[11]。大豆、綠豆和小豆作為陜北地區(qū)的優(yōu)勢作物,其生育期短、適應(yīng)性廣,耐旱耐瘠薄、易于種植管理,常作為填閑補種和救災(zāi)作物。因此,開展重金屬污染土壤對三種豆科作物光合生理和產(chǎn)量的影響,對于明確三種豆科植物耐重金屬脅迫的差異性,提高陜北礦區(qū)土地生產(chǎn)力、治理陜北礦區(qū)污染土壤具有非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為神木黑豆(大豆)、大明綠豆(綠豆)、冀紅9218(小豆),均由榆林市農(nóng)科院小雜糧研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗以盆栽方式進行,采用雙因素完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計,品種處理3 個,土壤處理2 個,分別是基本農(nóng)田土壤作為對照組(CK),土和煤泥1 ∶2配比成的模擬礦區(qū)重金屬污染區(qū)土壤為處理組(T,經(jīng)前期試驗篩選得出),共設(shè)置以下6 個處理,具體見表1?；巨r(nóng)田土壤和煤泥重金屬含量見表2。每個處理10 盆,共60 盆。處理組每盆裝土(2 kg)、煤泥(4 kg)、砂石(1 kg),對照組每盆裝土(6 kg)、砂石(1 kg),同時每盆中安裝長50 cm、直徑2 cm 的PVC 管,澆透水分,待用;選取3 種植物材料的優(yōu)質(zhì)種子,采用點播方式播種,大豆播種深度5 cm,紅豆和綠豆播種深度3 cm,每盆播種20 粒,放置在室外相似環(huán)境中;播種初期在表面澆水500～1 000 mL/盆/天,之后沿PVC 管澆水使土壤保持在正常含水量(即占田間持水量的70%左右);于第一片復(fù)葉長全并且第二片復(fù)葉剛出現(xiàn)時開始定苗,每盆定苗5 株。

表1 供試處理

表2 供試土壤和煤泥重金屬含量(mg·kg-1)

1.3 測定項目及其方法

1.3.1 光合特性測定

在作物鼓粒期,使用美國LI-COR 公司生產(chǎn)的LI-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)測定植株倒二葉三出復(fù)葉中部葉片的凈光合速率(μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(mmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(mmol·m-2·s-1),注意要錯開葉片的主葉脈,每個處理重復(fù)4次。

1.3.2 葉綠素相對含量測定

采用日本Minolta 公司生產(chǎn)的美能達牌SPAD-502 手持便攜式葉綠素儀測定葉綠素相對含量(SPAD 值)。測定時,每個處理和對照選取5 株長勢一致的植株,用葉綠素儀測定每個植株倒二葉上,中,下不同部分SPAD 值,取其平均值,同時注意避開有損傷的葉片。

1.3.3 農(nóng)藝性狀測定

(1)株高:在植株苗期和成熟期,分別從每種處理和對照中選5 株長勢一致的植株測量其株高。

(2)莖粗:在植株苗期和成熟期,結(jié)合株高測定對應(yīng)植株子葉痕處的莖粗,取其平均值。

(3)分枝數(shù):在植株成熟期,分別從每種處理和對照中選5 株長勢一致的植株記錄其分枝數(shù),取其平均值。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定

成熟期,每個處理選取3 株植株用于測定產(chǎn)量及其構(gòu)成要素,用電子天平測定不同處理與對照的單株粒重,人工數(shù)出單株莢數(shù)、單株粒數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2013 進行不同處理間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,采用SPSS 23.0 軟件對處理間數(shù)據(jù)進行方差分析(采用Duncan 多重比較法,以P≤0.05 作為差異顯著性判斷標準),并使用Origin 9.0 進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬污染土壤對不同豆科作物光合生理的影響

2.1.1 重金屬污染土壤對不同豆科作物葉片凈光合速率的影響

由圖1 可知,與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆和大豆的葉片凈光合速率分別下降了21.38%、24.56%,并且小豆和大豆葉片凈光合速率在CK 與T 之間均存在顯著差異(P≤0.05);而綠豆的葉片凈光合速率在不同土壤處理間無顯著差異。

圖1 不同土壤處理對豆科作物葉片凈光合速率的影響

2.1.2 重金屬污染土壤對不同豆科作物蒸騰速率的影響

由圖2 可知,小豆和大豆葉片蒸騰速率在重金屬污染土壤處理下較基本農(nóng)田土壤下降,分別下降了29.32%、48.25%,并且在兩種土壤處理間差異達顯著水平(P≤0.05)。與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下綠豆葉片蒸騰速率增加,增加了13.29%,并且在兩種土壤處理間無顯著差異。

圖2 不同土壤處理對豆科作物蒸騰速率的影響

2.1.3 重金屬污染土壤對不同豆科作物氣孔導(dǎo)度的影響

由圖3 可以看出,與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆和大豆的葉片氣孔導(dǎo)度均表現(xiàn)不同程度的下降趨勢,且小豆和大豆葉片氣孔導(dǎo)度在CK 與T 之間的差異達顯著水平(P≤0.05);與對照相比,重金屬污染土壤處理下小豆與大豆的葉片氣孔導(dǎo)度分別下降了38.67%、57.13%。重金屬污染土壤處理下綠豆葉片氣孔導(dǎo)度高于基本農(nóng)田土壤,且在CK 與T 之間無顯著性差異。

圖3 不同土壤處理對豆科作物氣孔導(dǎo)度的影響

2.1.4 重金屬污染土壤對不同豆科作物葉綠素相對含量的影響

如圖4 可得,在重金屬土壤種植環(huán)境下,三種豆科作物的葉綠素相對含量均呈下降趨勢,并且三種豆科作物的葉綠素相對含量在重金屬污染土壤處理與對照之間差異均達顯著水平(P≤0.05)。與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤下小豆、綠豆和大豆葉綠素相對含量分別下降了28.80%、23.81%、20.10%。

圖4 不同土壤處理對豆科作物葉綠素相對含量的影響

2.2 重金屬污染土壤對不同豆科作物株高的影響

2.2.1 重金屬污染土壤對不同豆科作物株高的影響

由圖5 可以得出,苗期,三種豆科作物株高在基本農(nóng)田土壤與重金屬污染土壤之間均無顯著差異,說明重金屬污染土壤對三種豆科作物苗期株高影響不明顯。苗期,重金屬污染土壤處理下小豆、綠豆和大豆株高均略微高于基本農(nóng)田土壤;而在成熟期,三種豆科作物株高在重金屬污染土壤處理下低于基本農(nóng)田土壤,并且在兩種土壤處理之間均存在顯著差異(P≤0.05)。

圖5 不同土壤處理對豆科作物株高的影響

2.2.2 重金屬污染土壤對不同豆科作物莖粗的影響

如圖6 可知,苗期,重金屬污染土壤種植環(huán)境與基本農(nóng)田土壤種植環(huán)境相比,三種豆科作物的莖粗受重金屬土壤環(huán)境影響較大,均呈增長趨勢,并且小豆和綠豆莖粗在兩種土壤處理之間差異達顯著水平(P≤0.05);重金屬污染土壤下小豆、綠豆和大豆分別較基本農(nóng)田土壤增加了18.58%、57.83%、11.75%。在植株成熟期,小豆、綠豆和大豆莖粗在重金屬污染土壤處理下低于基本農(nóng)田土壤,且在兩種土壤處理之間無顯著差異。

圖6 不同土壤處理對豆科作物莖粗的影響

2.2.3 重金屬污染土壤對不同豆科作物分枝數(shù)的影響

如圖7 可知,在植株成熟期,重金屬污染土壤種植環(huán)境與基本農(nóng)田土壤種植環(huán)境相比,小豆的分枝數(shù)量減少,下降幅度為23.08%,并且在重金屬污染土壤與基本農(nóng)田土壤之間無顯著性差異;綠豆的分枝數(shù)量在兩種土壤處理之間無明顯變化;三種豆科作物中大豆的分枝數(shù)量下降最多,并且在重金屬污染土壤與基本農(nóng)田土壤之間差異達顯著水平(P≤0.05)。

圖7 不同土壤對豆科作物分枝數(shù)的影響

2.3 重金屬污染土壤對不同豆科作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同土壤處理對三種豆科作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響見表3。由表3 可以得出,與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆、綠豆和大豆的單株莢數(shù)均有所降低,并且小豆和大豆的單株莢數(shù)在兩種土壤處理之間差異達顯著水平(P≤0.05),而綠豆的單株莢數(shù)在兩種土壤處理之間無顯著差異。

表3 不同土壤處理對三種豆科作物產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆和綠豆的單莢粒數(shù)均呈下降趨勢,分別下降17.07%、9.64%,并且小豆和綠豆的單莢粒數(shù)在兩種土壤處理之間存在顯著性差異(P<0.05);而大豆單莢粒數(shù)在重金屬污染土壤處理下高于基本農(nóng)田土壤,并且兩種土壤處理之間無顯著差異。

重金屬污染土壤處理與基本農(nóng)田土壤相比,三種豆科作物的單株粒重均呈下降趨勢,且小豆和綠豆的單株粒重在兩種土壤處理之間達顯著差異,而大豆的單株粒重在兩種土壤處理之間無顯著差異。

3 討論與結(jié)論

土壤中的重金屬元素存在的潛在危害性較大,并且礦山資源開發(fā)引起的生態(tài)效應(yīng)和毒理效應(yīng)具有明顯的滯后作用,因此土壤一旦受到重金屬元素污染,治理和修復(fù)將十分困難[12]。土壤重金屬可能導(dǎo)致植物出現(xiàn)生長問題,而且一些重金屬元素會聚集在作物中,嚴重影響作物的產(chǎn)量、品質(zhì)以及食用安全問題[13]。如何在重金屬污染土壤上種出安全的農(nóng)作物受到廣泛的關(guān)注。

3.1 重金屬污染土壤對不同豆科作物光合生理的影響

葉片的凈光合速率是反映植物光合能力及光合特性的直接指標,較高的葉片凈光合速率是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)[14-15]。植物葉片的蒸騰速率能夠影響或指示植物對環(huán)境的適應(yīng)特征或能力[16]。氣孔導(dǎo)度是衡量植物和大氣間水分、能量及CO2平衡和循環(huán)的重要指標[17]。本試驗結(jié)果表明,重金屬污染土壤會抑制冀紅9218(小豆)和神木黑豆(大豆)這兩種豆科作物的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度,這與魯艷[18]等人、張金秀[19]等人的研究結(jié)果一致,而大明綠豆(綠豆)的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度略微有些增長,可能是由于作物種類不同所致。葉綠素相對含量降低是重金屬對植物毒害的普遍現(xiàn)象[20-21],葉綠素是植物進行光合作用所必需的,葉綠素含量減少必然導(dǎo)致植物光合作用降低,生長受阻,發(fā)育延遲,生物量隨之減少[22]。本試驗結(jié)果表明,重金屬污染土壤會抑制三種豆科作物的葉綠素相對含量,其含量明顯降低,這與郭暉[23]等人的研究結(jié)果一致。

3.2 重金屬污染土壤對不同豆科作物農(nóng)藝性狀的影響

作物產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀關(guān)系密切,如株高、莖粗、分枝數(shù),因此,分析作物農(nóng)藝性狀是十分必要的[24]。覃勇榮[25]等人研究表明,在重金屬污染脅迫下,作物生長會受到抑制。本試驗結(jié)果顯示,在植株苗期,三種豆科作物的株高受重金屬污染土壤影響較小,但在成熟時期,重金屬污染土壤會明顯抑制三種豆科作物的株高生長。在植株苗期,莖粗受重金屬污染土壤影響較為明顯,三種豆科作物的莖粗呈現(xiàn)上升趨勢,說明重金屬污染土壤促進了苗期豆科作物莖稈橫向生長;在成熟時期,重金屬污染土壤對三種豆科作物的莖粗有抑制作用。不同豆科作物主莖分枝數(shù)對重金屬污染的響應(yīng)不同,這與柳婷婷[26]等人的研究結(jié)果一致。

3.3 重金屬污染土壤對不同豆科作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

畢淑芹[27]等人研究表明,重金屬污染會直接或間接影響植株的產(chǎn)量和品質(zhì),且不同的重金屬種類對不同的作物產(chǎn)量的影響也不盡相同。本試驗結(jié)果表明,重金屬污染土壤會抑制三種豆科作物的單株莢數(shù)、單株粒重、單莢粒數(shù),其中冀紅9218(小豆)和大明綠豆(綠豆)對重金屬污染土壤較敏感,其單株粒重在處理組與對照組之間存在顯著差異;而神木黑豆(大豆)的單株粒重在處理組與對照組之間無顯著差異。與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆、綠豆和大豆單株粒重分別下降了22.15%、29.02%、42.11%,說明小豆單株粒重受重金屬污染土壤抑制程度低于綠豆和大豆。綜上所述,與綠豆和大豆相比,小豆葉片光合生理和農(nóng)藝性狀受重金屬污染土壤影響明顯,且產(chǎn)量降低幅度最小,可以作為修復(fù)陜北重金屬污染土壤優(yōu)先選擇的對象。