土施超富集植物秸秆对荠菜生长及镉积累的影响

胡容平, 石 军, 黄廷友, 林立金

(1.四川省农业科学院 植物保护研究所/农业部西南作物有害生物综合治理重点实验室, 四川 成都 610066;2.绵阳市农业科学研究院, 四川 绵阳 621023; 3.四川农业大学 果蔬研究所, 四川 成都 611130)

土施超富集植物秸秆对荠菜生长及镉积累的影响

胡容平1, 石 军2, 黄廷友2, 林立金3

(1.四川省农业科学院 植物保护研究所/农业部西南作物有害生物综合治理重点实验室, 四川 成都 610066;2.绵阳市农业科学研究院, 四川 绵阳 621023; 3.四川农业大学 果蔬研究所, 四川 成都 611130)

[目的] 研究超富集植物秸秆对富集植物重金属积累的化感作用，为镉污染土壤的植物修复研究提供参考。[方法] 通过在镉污染土壤中施用镉超富集植物〔(红果黄鹌菜Youngiaerythrocarpa)、三叶鬼针草(Bidenspilosa)、少花龙葵(Solanumamericanum)和豨莶(Siegesbeckiaorientalis)〕秸秆,研究了4种镉超富集植物秸秆施入土壤对镉富集植物荠菜生长及镉积累的影响。[结果] 4种镉超富集植物秸秆施入土壤均提高了荠菜地上部分生物量、总生物量和抗性系数,同时提高了荠菜叶片SPAD值(绿色度)。土施红果黄鹌菜秸秆提高了荠菜根系、茎、叶片及地上部分的镉含量,分别比各自对照高11.81%,102.07%,12.00%和54.95%,同时也提高了土样有效态镉含量,其余3种处理均低于各自对照。土施红果黄鹌菜秸秆的荠菜地上部分和整株的镉积累量均高于对照,分别为42.11和54.74 μg/株,比各自对照高83.09%和54.11%,而其余3种处理的镉积累量均低于对照。[结论] 土施红果黄鹌菜能够提高荠菜对土壤镉的积累,有利于提高荠菜对镉污染土壤的修复效果。

超富集植物秸秆; 荠菜; 镉; 植物化感

植物修复技术是重金属污染土壤修复中的一种常用方法，能在不破坏土壤生态环境、保持土壤结构和微生物的状况下，通过植物的根系直接将重金属从土壤中吸收并转移到植物地上部分，从而达到修复被污染土壤的目的[1]。植物修复具有可在污染现场进行、成本相对低廉、适用范围广等优点[2]。植物修复的主要材料是重金属超富集植物，而已经筛选出的重金属超富集植物存在着生长缓慢、生物量小等缺点，这也就限制了植物修复技术的推广与应用[3]。为此，通过农艺措施提高超富集植物生物量及对重金属的吸收，从而提高植物修复的效率，对重金属污染土壤的修复有极大的实践意义。

植物化感作用是植物生长过程或植物腐烂过程中产生的化学物质对周围植物(包括微生物)产生直接或间接的、有害或有利的作用[4]。植物化感作用广泛存在于自然界中，与植物间的光、水分、养分和空间的竞争一起构成了植物之间的相互作用[4]。植物化感作用的媒介是化感物质，化感作用的大小主要取决于物种产生化感物质的潜在能力和化感物质释放的时间与频率两个方面[5]。植物化感作用会影响土壤养分有效性、土壤酶活性、微生物种群结构和植物生长[6]。目前，植物化感作用已成为森林保护、有害生物控制、增加作物产量和促进环境可持续性发展的重要途径之一[7]。研究表明，作物秸秆还田不仅能提高土壤养分含量，还能促进作物生长，提高产量，改善品质[8]。这说明植物秸秆中的化感物质改变了作物的生理代谢，能够促进作物对养分元素的吸收。但有关植物秸秆分解所产生的化感作用与重金属植物修复技术相关性的研究却尚未见报道。作为夏季生长的镉超富集植物红果黄鹌菜(Youngiaerythrocarpa)[9]、三叶鬼针草(Bidenspilosa)[10]、少花龙葵(Solanumphoteinocarpum)[11]、豨莶(Siegesbeckiaorientalis)[12]对镉具有很强的耐性。为此，本研究将这4种镉超富集植物的地上部分施入镉污染土壤并种植冬季生长的镉富集植物荠菜(Capsellabursa-pastoris)[13]，研究4种镉超富集植物秸秆施入土壤对荠菜生长及镉积累的影响，以期筛选出促进荠菜生长和镉积累的镉超富集植物，为提高荠菜对镉污染土壤的植物修复能力提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为紫色土，取自四川农业大学雅安校区农场农田(29°59′N，102°59′E)，其基本理化性质详见参考文献[14]。

镉超富集植物红果黄鹌菜、三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶于2013年8月采自四川农业大学雅安校区农场农田，采集区土壤未被重金属污染。将采集到的四种镉超富集植物地上部分于110 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至衡重，粉碎，过5 mm筛，备用。

荠菜幼苗于2013年9月直接采自四川农业大学雅安校区农场农田(未被重金属污染区)。

1.2 试验方法

试验于2013年8—10月在四川农业大学雅安校区农场进行。2013年8月，将土壤风干、压碎、过5 mm筛后，分别称取3.0 kg装于15 cm×18 cm(高×直径)的塑料盆内，加入分析纯CdCl2·2.5 H2O溶液，使其镉浓度为50 mg/kg，并与土壤充分混匀，保持淹水状态，自然放置平衡4周后再次混合备用。2013年9月，处理好的4种镉超富集植物秸秆分别施入制备好的镉污染土壤中，施入量为每盆6 g，即每千克土2 g，混匀，浇水保持湿润，平衡1周后种植荠菜幼苗。将选择长势一致，2片真叶展开的荠菜幼苗移栽至盆中，每盆种植4株，每个处理重复3次，每天浇水以保持盆中土壤的田间持水量约为80%。试验共计5个处理：未施用(CK)、施用红果黄鹌菜、施用三叶鬼针草、施用少花龙葵、施用豨莶。35 d后荠菜处于盛花期，用叶绿素仪(SPAD-502 PLUS，日本产)测定叶片SPAD值(绿色度，相对于叶绿素含量的读数)，每株测定完全展开的成熟新叶2片，测定位置为叶片的中心。之后，整株收获，将植物地上部分、地下部分和土壤分别封装。荠菜根系和地上部分分别用自来水洗净，再用去离子水冲洗3次后，于110 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至恒重，称重，粉碎，过100目筛。称取0.500 g植物样品，加入硝酸—高氯酸(体积比为4∶1)放置12 h后消化至溶液透明，过滤，定容至50 ml，用iCAP 6 300型ICP光谱仪测定(Thermo Scientific,USA)镉含量[15]。土壤样品风干后，过1 mm筛，称取5.000 g用0.005 mol/L DTPA-TEA浸提(土液比1∶2.5)，25 ℃震荡2 h，用iCAP 6 300型ICP光谱仪测定土壤有效镉含量[15]。

1.3 数据处理方法

数据采用DPS系统进行方差分析(Duncan新复极差法进行多重比较)。抗性系数=处理组总生物量/对照组总生物量[16]，富集系数(BCF)=根系镉含量(地上部分镉含量)/土壤镉含量[17]，转运系数(TF)=植物地上部分镉含量/根系镉含量[17]，转运量系数(TAF)=(地上部镉含量×地上部分生物量)/(根系镉含量×根系生物量)[18]。

2 结果与分析

2.1 土施超富集植物秸秆对荠菜生物量的影响

从表1可以看出，土施超富集植物秸秆后，只有施用少花龙葵秸秆的荠菜根系生物量高于未施用(对照)，其余3种处理均低于对照。4种处理的荠菜茎生物量均高于对照，而土施红果黄鹌菜、三叶鬼针草、少花龙葵秸秆的荠菜叶片生物量高于对照，土施豨莶秸秆的荠菜叶片生物量低于对照。与对照相比，4种处理的荠菜地上部分生物量和总生物量均高于对照，其中，土施红果黄鹌菜、三叶鬼针草、少花龙葵秸秆的荠菜地上部分生物量和总生物量与对照的差异均达显著水平，而土施豨莶秸秆的荠菜地上部分生物量和总生物量与对照的差异均不显著。荠菜地上部分生物量和总生物量的大小顺序均为：土施少花龙葵秸秆>土施红果黄鹌菜秸秆>土施三叶鬼针草秸秆>土施豨莶秸秆>对照，这说明土施超富集植物能够促进荠菜的生长。4种处理的荠菜抗性系数均大于对照，且大小顺序与荠菜地上生物量一致，说明土施超富集植物秸秆能够提高荠菜的抗性。

表1 荠菜植株的生物量

注：同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。下同。

2.2 土施超富集植物秸秆对荠菜镉含量的影响

从表2可知，土施超富集植物秸秆后，只有施用红果黄鹌菜秸秆的荠菜根系、茎、叶片及地上部分的镉含量均高于各自对照，分别比各自对照高11.81%，102.07%，12.00%和54.95%，其余3种处理均低于各自对照。

荠菜地上部分镉含量的大小顺序为：土施红果黄鹌菜秸秆>对照>土施豨莶秸秆>土施少花龙葵秸秆>土施三叶鬼针草秸秆，这说明提高荠菜植株的镉含量与超富集植物的种类有关。土施红果黄鹌菜秸秆的荠菜根系富集系数(BCF)和地上部分富集系数(BCF)均高于对照，其余3种处理均低于对照，这与镉含量一致。就转运系数(TF)而言，土施超富集植物秸秆的荠菜TF均高于对照，这说明土施超富集植物秸秆在一定程度上促进了镉从荠菜根系向地上部分的转运。

表2 荠菜植株的镉含量

2.3 土施超富集植物秸秆对荠菜镉积累量的影响

植物修复效果的好坏与植物体内的重金属积累量有直接关系，而植物体内的重金属积累量与植物的重金属含量和生物量有关。从表3可得，土施红果黄鹌菜秸秆的荠菜根系、茎、地上部分和整株的镉积累量均高于对照，而其余3种处理的镉积累量均低于对照。就荠菜叶片镉积累量而言，土施红果黄鹌菜和少花龙葵秸秆的荠菜叶片镉积累量均高于各自对照，而其余两种处理的镉积累量均低于各自对照。荠菜地上部分及整株镉积累量的大小顺序为：土施红果黄鹌菜秸秆>对照>土施少花龙葵秸秆>土施三叶鬼针草秸秆>土施豨莶秸秆。与对照相比，4种处理的荠菜地上部分及整株镉积累量的差异均达显著水平。4种处理的荠菜转运量吸收(TAF)均大于对照。

表3 荠菜植株的镉积累量

2.4 土施超富集植物秸秆对荠菜叶片SPAD值的影响

SPAD值是相对于叶绿素含量的读数，反映叶绿素含量的大小。从图1可以看出，4种处理的荠菜叶片SPAD值均高于对照，其大小顺序为：土施少花龙葵秸秆>土施红果黄鹌菜秸秆>土施三叶鬼针草秸秆>土施豨莶秸秆>对照，这与荠菜地上部分生物量一致。与对照相比，土施红果黄鹌菜、三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶的荠菜叶片SPAD值分别比对照高12.65%,11.07%,26.48%,和8.70%。

注：不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。下同。图1 荠菜叶片的SPAD值

2.5 土施超富集植物秸秆对土壤有效态镉含量的影响

从图2可知，土施红果黄鹌菜秸秆的土壤有效态镉含量高于对照，比对照高4.12%。土施三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶秸秆的土壤有效态镉含量均低于对照，分别比对照低10.54%,9.24%和7.99%。土壤有效态镉含量的大小顺序为：土施红果黄鹌菜秸秆>对照>土施豨莶秸秆>土施少花龙葵秸秆>土施三叶鬼针草秸秆。

图2 土壤有效态镉含量

3 讨 论

植物秸秆进入土壤后，在微生物作用下逐渐腐烂、分解，其体内的化感物质也逐渐释放出来[4]。植物秸秆腐烂、分解过程中会释放一部分的养分，这些养分能促进其他植物的生长[8]。本试验研究表明，土施红果黄鹌菜、三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶秸秆后，荠菜地上部分生物量及总生物量均高于未施用的对照，提高了荠菜的抗性系数，这与4种超富集植物秸秆腐烂、分解释放的养分有直接关系。同时，土施超富集植物秸秆后，只有施用少花龙葵秸秆的荠菜根系生物量高于未施用的对照，施用红果黄鹌菜、三叶鬼针草和豨莶秸秆的荠菜根系生物量均低于对照，这说明红果黄鹌菜、三叶鬼针草和豨莶秸秆能够在一定程度上抑制荠菜根系的生长，降低其根冠比；而少花龙葵秸秆则能够促进荠菜根系生长，增加了根冠比，这与不同超富集植物秸秆分泌的化感物质不同有关。

叶片是绿色植物进行光合作用的重要器官，而叶绿素则是光合作用最重要的色素，其含量的高低直接影响光合产物合成的产量[19]。刘义国等[8]研究表明，秸秆还田能够显著提高小麦生长后期叶片中叶绿素的含量，提高光合作用，这说明秸秆还田能够延长小麦的后期生长。本试验研究表明，土施红果黄鹌菜、三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶秸秆均能提高荠菜叶片的SPAD值，这有利于荠菜光合作用的提高，促进光合产物的生成，从而促进其生长。

土壤重金属的生物有效性直接影响植物对重金属的吸收，而影响土壤重金属生物有效性的物质与植物根系分泌的有机酸有关[3-4]。本试验研究表明，土施红果黄鹌菜秸秆的土壤有效态镉含量高于对照，土施三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶秸秆的土壤有效态镉含量均低于对照。从荠菜植株的镉含量来看，土施超富集植物秸秆后，只有施用红果黄鹌菜秸秆的荠菜根系、茎、叶片及地上部分的镉含量均高于各自对照，而施用三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶秸秆的均低于各自对照。说明红果黄鹌菜秸秆与荠菜根系共同作用后提高了土壤镉的生物有效性，可能是红果黄鹌菜秸秆的化感物质促进了荠菜根系分泌有机酸，也可能是红果黄鹌菜秸秆在腐烂、分解过程中能够产生更多的有机酸，这有待进一步研究。此外，本试验研究还表明，土施红果黄鹌菜秸秆的荠菜根系、茎、地上部分和整株的镉积累量均高于对照，而其余3种处理的镉积累量均低于各自对照。因此，利用红果黄鹌菜秸秆施入土壤能够提高荠菜对土壤镉污染的修复能力，在植物修复中可加以应用。

4 结 论

土施红果黄鹌菜、三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶秸秆后，能够提高荠菜地上部分生物量、总生物量和叶片的SPAD值，同时提高了荠菜的抗性系数，这说明4种超富集植物秸秆能够促进荠菜的生长。土施红果黄鹌菜、三叶鬼针草、少花龙葵和豨莶秸秆后，只有红果黄鹌菜秸秆提高了土壤有效态镉含量，也提高了荠菜根系、茎、叶片及地上部分的镉含量，这与几种超富集植物的化感作用有关。从荠菜对镉的积累量来看，土施红果黄鹌菜秸秆的荠菜根系、茎、地上部分和整株的镉积累量高于对照，而其余3种处理的镉积累量均低于各自对照。

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Effects of Applying Hyperaccumulator Straw in Soil on Growth and Cadmium Accumulation ofCapsellaBursa-pastoris

HU Rongping1, SHI Jun2, HUANG Tingyou2, LIN Lijin3

(1.InstituteofPlantProtection,SichuanAcademyofAgriculturalSciences/MOAKeyLaboratoryofIntegratedManagementofPestsonCropsinSouthwestChina,Chengdu,Sichuan610066,China; 2.MianyangAcademyofAgriculturalSciences,Mianyang,Sichuan621023,China;3.InstituteofPomologyandOlericulture,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu,Sichuan611130,China)

[Objective] The objective of this paper is to study the allelopathy effects of hyperaccumulator straw on heavy metal accumulation of accumulator in order to provide basis for the study of phytoremediation of cadmium-contaminated soil. [Methods] By applying different straws of hyperaccumulators(Youngiaerythrocarpa,Bidenspilosa,SolanumphoteinocarpumandSiegesbeckiaorientalis) in cadmium contaminated soil, the effects of hyperaccumulator straw on growth and cadmium accumulation ofCapsellabursa-pastoriswere studied. [Results] The above-ground biomass, total biomass, resistance coefficient and leaf SPAD(soil and plant analyzer development) value ofC.bursa-pastoriswas increased by applying four Cd-hyperaccumulators straws in soil, compared with the control treatment. By applying straw ofY.erythrocarpain soil, the cadmium contents in root, stem, leaf and above-ground part ofC.bursa-pastoriswere increased by 11.81%, 102.07%, 12.00% and 54.95%, respectively, compared with the control treatment. The available cadmium concentration in soil was also increased. By applying the straws ofB.pilosa,S.photeinocarpumandS.orientalisin soil, cadmium content inC.bursa-pastoriswas decreased. By applying straw ofY.erythrocarpain soil, the cadmium accumulation in above-ground part and whole plant ofC.bursa-pastoriswas 42.11 and 54.74 μg/plant, which was 83.09% and 54.11% greater than that in the control treatment, respectively. By applying the straws ofB.pilosa,S.photeinocarpumandS.orientalisin soil, cadmium accumulation inC.bursa-pastoriswas decreased. [Conclusion] Applying the straw ofY.erythrocarpain soil can improve the cadmium accumulation ofC.bursa-pastoris, which is beneficial to the remediation of soil contaminated by cadmium.

hyperaccumulator straw;Capsellabursa-pastoris; cadmium; allelopathy

2014-05-29

2014-06-17

四川省科学技术厅应用基础项目“四川几种重要药用植物病害调查及川芎根腐病防治研究”(2014JY0046); 四川省农业科学院青年资助项目“四川猕猴桃储藏期病害主要种类、发生特点及防治技术研究”(2014CXSF-018)

胡容平(1980—),男(汉族),四川省营山县人,硕士,助理研究员,主要从事植物病理及生物防治研究。 E-mail:44573780@qq.com。

林立金(1980—),男(汉族),四川省成都市人,博士,助理研究员,主要从事果树生理生态及栽培研究。 E-mail:llj800924@163.com。

A

1000-288X(2015)05-0217-05

X53， S154