雞糞對鉛脅迫下黃瓜幼苗生理特性的緩解效應

史沉魚，曾小婷

（河池學院化學與生物工程學院，廣西宜州 546300）

21 世紀以來，在經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，大自然中遺留有許許多多的重金屬(如Al、Pb 等)，這些重金屬既有植物進行正常生理活動的必須微量元素，也有非必須元素。隨著全球經(jīng)濟及各個不同行業(yè)的高速發(fā)展，如交通運輸業(yè)、重工業(yè)等的提升，或者人為因素使農(nóng)林業(yè)遭到大量的破壞和摧毀等，在我國產(chǎn)生的真實重金屬污染鉛，面積大約20000000hm2[1]。據(jù)資料顯示，重金屬包括汞、鎘、鉛、砷，微弱毒害性金屬元素也一樣屬于重金屬，金屬As 因其化學性質(zhì)和毒害性等都與重金屬的性質(zhì)相類似，也歸為重金屬[2]，而每年由于重金屬污染削減約10 萬t 糧食，損失人民幣達到200 億元以上[3]，而鉛（Pb）在大自然環(huán)境中屬于持久性的污染物[4]，是土壤累積率最高的元素[5-6]，重金屬鉛污染還可以隨著介質(zhì)移動，因為土壤中大多數(shù)的微生物不能降解該重金屬，從而人們的健康會受到多數(shù)重金屬直接或間接的影響[7]，由此可見，當今高含量的鉛對植物的生長影響非常嚴重。

黃瓜（Cucumis sadvus L.）作為家喻戶曉的蔬菜，是我國發(fā)展蔬菜栽培的主要產(chǎn)品種類之一[8]，在人們的生活中必不可少。近年來，園藝類行業(yè)不斷發(fā)展，黃瓜產(chǎn)業(yè)逐漸成為周年供應的生產(chǎn)模式[9]，其幼苗的生長影響最終產(chǎn)量，而高濃度的重金屬鉛抑制黃瓜幼苗的生長，低濃度時作用相反[10]，其生長會受到重金屬積累的影響。農(nóng)作物肥料的類型一般有化學肥料、農(nóng)家肥、飼料發(fā)酵、沼氣發(fā)酵等[11-14]，在我國眾多的有機肥中，雞糞具有易獲得、成本較低、施用便捷的特點，施用雞糞肥料可提高土壤中有機物的含量[15]，改良土壤性質(zhì)，使植物在生長過程中得到充足的養(yǎng)分，提高生產(chǎn)品質(zhì)。雞糞肥作為農(nóng)家肥中用量之最，其Pb 含量處于較低水平[16]，雖然重金屬含量不高，但是盲目施用糞肥將會弊多利少[17]。適當施用有機肥料，能提高土壤中的礦質(zhì)元素含量和緩沖能力等，還能降低土壤的微生物含量[18]，當前有學者研究表明，適量的雞糞施用量可增加辣椒的可溶性蛋白含量、維生素C 含量以及可溶性糖含量，對土壤性質(zhì)也起到改良作用[19]，除此之外，正確施用雞糞肥還能改良土壤的酸性，降低黑麥草對Pb 的積累[20]，有效提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。雞糞肥料化的關(guān)鍵在于糞肥的無害化處理，可更大程度地利用資源，減少浪費。本研究采用0g/kg、20g/kg、40 g/kg、60 g/kg、80g/kg 和100g/kg 消毒干雞糞肥混土，種植400mg/L 的重金屬Pb 污染的果香水果黃瓜種子，研究其對種子和幼苗的生長影響，探究施用糞肥對重工業(yè)金屬環(huán)境污染下土壤的改良和植物的抗逆性，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和安全水平具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

果香水果黃瓜種子，購于宜州城北種子市場。

1.2 試驗方法

1.2.1 測定果香水果黃瓜最適醋酸鉛含量的脅迫濃度。選取外形飽滿、生長均勻的果香水果黃瓜種子若干，55℃蒸餾水浸種15 min，再換為30℃蒸餾水中浸泡6～ 8h，用0.1%HgCl2消毒3min，用無菌水沖洗干凈，吸水紙吸去表面水分。從中挑選完好且大小一致的種子20 粒，分別用不同濃度的醋酸鉛溶液浸種，每皿溶液大約5mL，不超過種子的1/3，覆蓋濾紙。共設(shè)6 個處理，重復3 次，每天更換處理液并統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，以胚根長≥1/2 種長為標準，第3d 測量發(fā)芽勢，種植前測量發(fā)芽率（見表1）。

表1 不同處理的醋酸鉛溶液濃度

第4d 后將所有種子種植于裝有250g 土的塑料花盆中，每盆5 粒，每個濃度12 盆，共72 盆。25d 左右在每個濃度隨機選取30 株水果黃瓜幼苗測量各指標，具體天數(shù)視真葉情況而定，根據(jù)各指標的顯著差異選出重金屬Pb 的最適脅迫濃度(指標：根長、株高、單葉面積、單株葉面積、真葉數(shù))。

1.2.2 測定最適雞糞肥的含量。試驗選用規(guī)格長×寬×高為10cm×7cm×8.5cm 的花盆，共設(shè)6 個處理，每處理3 盆，每盆5 株苗，重復6 次，共計108 盆。消毒干雞糞添加含量為0（對照）、20、40、60、80 以及100g/kg。

將土壤與各種添加量的消毒干雞糞混合均勻裝入塑料花盆中，每盆凈重250g，隨機排列于實驗室架子上。土壤經(jīng)吸附沉淀10d 后進行播種，每盆播種5 粒（此處種子經(jīng)過400mg/L 醋酸鉛溶液浸種），每天用稱重法加入去離子水補充水分，不添加多余的物質(zhì)。果香水果黃瓜種植35d 后隨機選擇各處理中的3 個重復，測定水果黃瓜的生長指標，以及葉片的葉綠素相對含量、可溶性糖含量、葉片可溶性蛋白含量；每個指標至少重復測量10 次，最后以平均數(shù)記錄其顯著差異。采用丙酮提取方法測定葉綠素含量[21]，采用蒽酮顯色法測定可溶性糖含量[22]，用考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白[23]。

1.2.3 種植環(huán)境。(1)雞糞為東臺市旺德福肥料有限公司生產(chǎn)的消毒發(fā)酵干雞糞肥；（2) 種植器皿規(guī)格：10 cm×7cm×8.5cm；（3)土壤理化性：pH 值7，偏堿性，內(nèi)含腐葉土、酒糟、椰糠、珍珠巖和蛭石；（4)溫度條件：室溫26℃；（5)光照條件：每天7：00-19：00 給予光照12 h，光照強度為750Lux。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb 脅迫下果香水果黃瓜幼苗的生長分析

2.1.1 重金屬Pb 對種子萌發(fā)的影響。由表2 可知，當Pb 濃度≥200mg/L 時，其對應的溶液都可顯著抑制果香水果黃瓜的種子發(fā)芽勢；在大于200mg/L 的鉛溶液浸種下，果香水果黃瓜的平均發(fā)芽率顯著下降；與對照組相比，400mg/L 的鉛溶液浸種后，種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均達到顯著差異；因此本試驗后續(xù)處理選用鉛脅迫濃度為400mg/L。

表2 Pb 對黃瓜種子萌發(fā)影響

2.1.2 重金屬Pb 對幼苗外形的影響。生物生長的抑制或促進，以及外觀形態(tài)變化是外界脅迫下最明顯可見的癥狀之一[24-25]，根作為受不良外界環(huán)境毒害的第一部位，是非常好的測量指標。由表3 可知，與對照相比，施用一定濃度的Pb 溶液處理，可引起黃瓜幼苗的根長和株高均呈現(xiàn)顯著差異(P ＜0.05)，在500mg/L 濃度的鉛溶液下，平均根長和平均株高分別為2.12cm 和4.29cm，達到最小值；當鉛溶液濃度為400mg/L 時，根長和株高的抑制明顯。

表3 Pb 對黃瓜幼苗外觀的影響

比較不同鉛溶液濃度浸種后的幼苗單葉面積和單株葉面積，當Pb 溶液濃度為0mg/L 時，單葉面積和單株葉面積分別為10.45cm2、15.77cm2，當濃度持續(xù)增加至200mg/L 時，與對照組（濃度為0mg/L）之間不存在顯著差異，單株葉面積不因添加Pb 而受到影響；持續(xù)增加Pb 濃度達400mg/L 時，單株葉面積為最低值；在400mg/L 的鉛濃度處理下真葉數(shù)目明顯被抑制，葉片的數(shù)目一旦呈現(xiàn)顯著性減少，將會對其本身的生理功能造成一定的影響。

2.2 消毒干雞糞肥對Pb 脅迫的修復效應

2.2.1 消毒干雞糞肥對植物外觀的效應。由表4 可知，添加不同濃度的消毒干雞糞肥，對株高的促進作用均不明顯。當消毒干雞糞施用量為80g/kg 時，單葉面積顯著增大，為8.80cm2，與添加量為0 的植株單葉面積差異顯著(P ＜0.05)，施用一定量的消毒干雞糞肥會對植物起到促進葉片面積增長的作用。

表4 消毒干雞糞對幼苗外觀的影響

2.2.2 消毒干雞糞對幼苗生理指標的影響。光合作用必不可少的就是葉綠素，能量轉(zhuǎn)換具有吸收效應，其含量可影響光合作用的光合效率，進一步控制植物體內(nèi)能量物質(zhì)的多少等[26]。試驗結(jié)果表明，添加一定量的消毒干雞糞肥，隨濃度的升高，總?cè)~綠素含量總體呈上升趨勢，當消毒干雞糞添加量超過80g/kg 時，與對照相比，葉綠素a，葉綠素b 和總?cè)~綠素的含量均表現(xiàn)出顯著差異(P ＜0.05)，在80 g/kg 和100g/kg 時達道最高（見圖1-A）。即在本試驗中，當消毒干雞糞添加量為80g/kg 時，就既能促進葉綠素a 的合成，又能增加葉綠素b 的含量，使葉綠素總含量達最高值，表現(xiàn)出顯著差異(P＜0.05)。當添加一定濃度的消毒干雞糞施添加量時，果香水果黃瓜幼苗的葉片的可溶性糖含量與對照組有不同程度的降低（見圖1-B），當施用量高于40g/kg時，黃瓜幼苗葉片的可溶性糖含量和對照組之間顯著差異，總之，添加消毒干雞糞并可引起黃瓜幼苗可溶性糖含量降低?？扇苄缘鞍缀康拇笮Q定植物葉片的功能和衰老，具有調(diào)節(jié)和提供營養(yǎng)的功能，可提高細胞的保水能力，對細胞膜也可起到支持和保護作用，免受活氧的傷害[27]，探究果香水果黃瓜的可溶性蛋白含量能較快了解其特性。由圖1-C 可知，與對照相比，添加一定濃度的消毒干雞糞施添加量時，均能引起黃瓜葉片的可溶性蛋白含量升高，當消毒干雞糞添加量大于80g/kg的時，可溶性含量超過0.54mg/g。

圖1 雞糞對幼苗生理指標的影響

3 討論

目前關(guān)于施用消毒干雞糞肥對植物生長發(fā)育的研究主要為微生物發(fā)酵、微生物降解技術(shù)、沼氣發(fā)酵以及畜牧業(yè)，還有的是分析研究各地不同雞糞肥的含量，有關(guān)雞糞肥是否對種植于重金屬污染土壤的植物有修復作用的研究較少，薛同宣等[28]用無抗養(yǎng)殖雞糞與化肥混施研究了玉米的生長，研究表明，40%無抗養(yǎng)殖雞糞與60%化肥一起施用效果最好。在湘西地區(qū)常用發(fā)酵雞糞堆肥，經(jīng)濟實惠，對于該地需求量高的黑麥草種植而言，施用發(fā)酵雞糞能更有效地降低其對Pb 積累，施用發(fā)酵雞糞對土壤堿性磷酸酶活性、脫氫酶活性和脲酶活性有顯著的促進作用等[29]。植物的各項指標能有效表示該地土壤的存在問題，重金屬污染植物的修復問題正在進一步收到重視。

在本試驗中，以果香水果（Cucumis sadvus L.）為試驗材料，醋酸鉛的濃度代表重金屬Pb 的污染程度，消毒干雞糞肥作為“修復劑”，研究不同濃度的消毒干雞糞混土后，對最適Pb 脅迫下果香水果黃瓜幼苗的生長影響，預試驗后的研究結(jié)果表明，0mg/L、100mg/L、200 mg/L、300mg/L、400mg/L、500mg/L 濃度的Pb 溶液對果香水果黃瓜的種子和幼苗都不同程度的影響，隨著Pb濃度的增加，其發(fā)芽勢，發(fā)芽率，株高，葉面積等整體呈下降趨勢。已有研究表明，鉛脅迫對水果黃瓜幼苗生長的影響可從幼苗根長、株高、葉片面積上反應出來[30]，與本實驗也驗證了這一點。試驗結(jié)果還顯示，400 mg/L 的鉛濃度脅迫對幼苗的生長變化表現(xiàn)出較明顯抑制效應。隨著消毒干雞糞的添加量增加，不影響果香水果黃瓜的株高，但單葉面積和單株葉面積呈逐漸增加的趨勢，添加量為80g/kg 時葉面積達到最大。

消毒干雞糞肥的使用對水果黃瓜幼苗的生理特性的影響主要體現(xiàn)在水果黃瓜幼苗可溶性蛋白的含量[30]、葉綠素含量以及可溶性糖的含量。在探究葉綠素含量的試驗中，和對照相比，在消毒干雞糞添加量高于80g/kg后，葉綠素的合成具有促進作用，使葉綠素總含量達最大值，分析葉綠素含量升高原因，可能是施加適量的消毒干雞糞肥能促進相關(guān)酶作用，加速葉綠素前體的合成，促進葉綠素合成，從而增加了葉綠素含量。

已有研究表明，可溶性糖不僅是植物代謝的重要產(chǎn)物之一，它還作為植物感知信號與Ca2+調(diào)節(jié)的蛋白激酶參與不同途徑的信號轉(zhuǎn)導，其含量的高低也影響植物的生長發(fā)育，通過本次實驗研究表明，消毒干雞糞肥能引起黃瓜幼苗葉片可溶性糖含量的降低，這與閆艷華等[31]的研究結(jié)果一致。在消毒干雞糞肥添加量濃度高于80g/kg 時，果香水果黃瓜可溶性蛋白含量與對照組差異顯著。分析產(chǎn)生以上結(jié)果的原因可能是可溶性蛋白的增加和積累能提高細胞的保水能力，對細胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護作用，從而通過負反饋調(diào)節(jié)可溶性糖的含量。推測原因可能是該濃度下雞糞改善土壤肥力效果佳，其含有的養(yǎng)分豐富，不僅能夠為果香水果黃瓜提供養(yǎng)分來源，還可以提高土壤的團粒結(jié)構(gòu)，增加微生物的活動，為其生長提供了良好的土壤環(huán)境，從而促進水果黃瓜的生長，對吸收的重金屬產(chǎn)生“稀釋效應”[32]，減輕重金屬Pb 脅迫，但消毒干雞糞肥對果香水果黃瓜的具體影響機制有待研究，對實際生產(chǎn)中的應用需進一步挖掘。

4 結(jié)論

在探究果香水果黃瓜最適脅迫濃度時，400mg/L 的鉛濃度溶液能顯著抑制種子的發(fā)芽、幼苗的根長、株高、真葉數(shù)目、葉片面積，水果黃瓜幼苗的生長指標影響光合作用以及蛋白質(zhì)的合成等；添加消毒干雞糞后，不同濃度對果香水果黃瓜的株高沒有影響；隨著消毒干雞糞混合土壤的濃度升高，黃瓜幼苗葉片葉面積，葉綠素含量、可溶性蛋白含量總題呈上升趨勢，葉片可溶性糖的含量有降低趨勢。其中80g/kg 的添加量即能有效促進幼苗本身的生理生長，也能引起葉綠素、可溶性糖和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的顯著變化以緩解逆境脅迫引起的損傷。因此，添加一定量的消毒干雞糞對重金屬Pb 脅迫下的果香水果黃瓜生長和生理功能起到修復作用，為糞肥對重工業(yè)金屬環(huán)境污染下土壤的改良和植物的抗逆性，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和安全水平具有重要意義。