钾肥对铅污染土壤白菜生长及品质的效应

王小晶，陈　怡，唐　静，张晓玲，王　菲，王正银①

(1.西南大学资源环境学院，重庆　400716；2.重庆市北碚区农业委员会，重庆　400700)



钾肥对铅污染土壤白菜生长及品质的效应

王小晶1,2，陈怡1，唐静1，张晓玲1，王菲1，王正银1①

(1.西南大学资源环境学院，重庆400716；2.重庆市北碚区农业委员会，重庆400700)

摘要：为阐明钾对铅污染土壤白菜生长品质及食用安全性的影响，通过盆栽试验研究2种浓度铅污染土壤下不同钾肥施用量对白菜生长、生理特性、重金属含量及食用品质的影响。结果表明，铅污染土壤增施钾肥白菜地上部和地下部生物量分别显著提高5.1%～30.0%和10.0%～33.3%(P<0.05)。铅污染土壤增施钾肥(100～400 mg·kg(-1))可显著提高白菜叶绿素a含量(P<0.05)，叶绿素b含量变化不明显。铅污染土壤增施钾肥能显著降低白菜中镉、铅、铬和砷含量(P<0.05)，显著提高维生素C含量(P<0.05)，显著降低硝酸盐含量(P<0.05)，但对白菜还原糖含量的影响不一致。该试验条件下铅污染土壤白菜最佳施钾浓度为200～400 mg·kg(-1)。

关键词：铅；钾肥；白菜；生理生长；矿质品质

铅是导致环境重金属污染的重要元素之一[1-2],介质中高浓度铅污染会造成蔬菜毒害,导致产量下降,甚至绝收[3-5]。白菜(Brassicapekinensis)是我国南方地区广泛栽培和食用的叶类蔬菜,极易受铅毒害,表现出生长缓慢、植株矮小、退绿等症状,严重影响产量,并可通过食物链进一步危害人类健康[6-7]。钾是植物生长所必需的营养元素,施钾肥是重要的农业增产措施,很多研究表明施钾肥能增加蔬菜产量并提高品质。近年来,土壤中重金属含量对蔬菜富集重金属元素的影响报道较多[8-13],但涉及增施钾肥对重金属污染土壤上蔬菜矿质元素含量影响的研究甚少。笔者研究了不同铅污染水平土壤上增施钾肥对白菜生长品质和食用安全性的影响,旨在为科学施肥提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

于2014年10月—2015年1月在西南大学1号玻璃温室中进行温室土壤盆栽试验,供试土壤为中性紫色土,其基本农化性状:pH值为6.35,w(有机质)为14.9 g·kg-1,w(碱解氮)为79.5 mg·kg-1,w(有效磷)为28.61 mg·kg-1,w(速效钾)为148.7 mg·kg-1;供试土壤重金属含量:w(全镉)为0.158 mg·kg-1,w(全铅)为15.0 mg·kg-1,w(全铬)为22.9 mg·kg-1,w(全汞)为0.041 5 mg·kg-1,w(全砷)为2.53 mg·kg-1,供试土壤重金属含量均在GB 15618—1995《土壤环境质量标准》1级标准范围内;供试白菜品种为华新抗70一代杂交。供试肥料为尿素〔w(N)=46%〕、磷酸二氢铵〔w(P2O5)=52%，w(N)=12%〕和硫酸钾(分析纯)。重金属添加剂为二水合氯化镉(CdCl2·2H2O,分析纯)。

1.2研究方法

盆栽试验共设11个处理,分别为CK、Q1J0、Q1J1、Q1J2、Q1J3、Q1J4、Q2J0、Q2J1、Q2J2、Q2J3和Q2J4。CK指未添加Pb,不施钾肥；Q1和Q2指Pb添加量分别为50和200 mg·kg-1;J0、J1、J2、J3和J4分别指钾肥(以K2O计)添加量为0、100、200、400和600 mg·kg-1。每个处理设7次重复。试验采用17 cm×25 cm塑料盆,将添加的铅与2.5 kg土壤混匀装盆,平衡4周。各处理均施200 mg·kg-1N和100 mg·kg-1P2O5,其中全部磷肥和40%的氮肥作为底肥一次性施入,剩余氮肥分2次追施;钾肥按预设浓度一次性施用。在60%的田间持水量下平衡15 d后播种,三叶期每盆定苗3株。根据土壤水分状况每1～2 d浇灌1次去离子水,以保持土壤含水量达到田间持水量的80%左右,并进行常规栽培管理。

在试验60 d时进行采样,收获白菜的地上部及地下部。将收获的地下部用水洗净,擦干称质量。用去离子水将收获地上部(可食用部分)的泥土快速冲洗干净,滤纸吸干,记录白菜生物量。取每个处理长势有代表性的白菜同一位置叶片样品,用不锈钢剪刀剪碎混匀,一部分待测白菜叶绿素含量及食用品质,其余在80～90 ℃条件下杀青10 min后,于65 ℃烘箱中干燥待测重金属含量。

1.3测定指标和方法

土壤碱解氮采用碱解扩散法测定,速效磷采用NaHCO3法测定,速效钾采用NH4OAc浸提、火焰光度法测定。白菜叶绿素a、b及叶绿素总量采用80%丙酮提取、722S分光光度法测定。土壤及白菜重金属含量的测定:土壤采用V(HCl)∶V(HNO3)∶V(HClO4)=3∶1∶2的混合液消解,白菜采用V(HNO3)∶V(HClO4)=4∶1的混合液消解,均采用原子吸收分光光度法测定。白菜还原糖采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,维生素C 采用2,6-二氯靛酚滴定法测定,游离氨基酸采用水合茚三酮溶液显色法测定,硝酸盐含量采用紫外分光光度法测定[14]。

1.4数据处理

数据采用SAS 9.3处理,采用新复极差法(Duncan法)进行平均数的多重比较,并进行相关分析[15]。

2结果与讨论

2.1钾肥对铅污染土壤白菜生物量的影响

土壤的铅污染具有较强的隐蔽性,植物对铅的生理反应不明显,更容易对人体造成潜在危害[16-18]。由表1可见,未施钾肥条件下,2种铅污染土壤上白菜地上部生物量与CK相比均有提高,增幅分别为6.8%和1.6%。低铅和高铅污染土壤增施钾肥后白菜地上部生物量均显著增加(P<0.05),增幅分别为2.5%～17.7%和19.9%～30.0%,且在低铅污染土壤施钾浓度为400 mg·kg-1时最大,高铅污染土壤施钾浓度为600 mg·kg-1时最大。

由于植物根系是重金属的最初接纳者,且重金属在根部富集明显,因此根系往往是最直接、最严重的受害器官之一[19-20]。2种浓度铅胁迫下白菜地下部长势严重受阻,其中,低铅污染土壤(Q1J0)白菜地下部生物量较CK处理显著降低(P<0.05),降幅为26.7%,增施钾肥后略有提高,但仍显著低于CK处理。高铅污染土壤(Q2J0)白菜地下部生物量较CK处理显著降低(P<0.05),降幅为23.8%,增施钾肥浓度为600 mg·kg-1时显著上升。

表1铅污染土壤不同钾肥处理白菜生物量

Table 1Fresh weight of cabbage in lead-polluted soils relative to application rate of potash fertilizer

处理 地上部生物量/g地下部生物量/gCK38.1±0.935g1.0±0.031bQ1J040.7±0.660f0.7±0.008gQ1J142.8±0.484e1.0±0.021cQ1J244.6±0.504d0.9±0.010dQ1J347.9±0.741b0.9±0.020dQ1J441.7±0.471ef0.9±0.010dQ2J038.7±0.437g0.8±0.011fQ2J146.4±0.424c1.0±0.011bQ2J248.1±0.544b0.9±0.010dQ2J350.2±1.170a0.8±0.011eQ2J450.3±0.568a1.2±0.014a

同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。CK表示未添加Pb,不施钾肥处理;Q1和Q2表示Pb添加浓度分别为50 和200 mg·kg-1;J0、J1、J2、J3和J4表示施钾浓度分别为0、100、200、400和600 mg·kg-1。

2.2钾肥对铅污染土壤白菜生理特性的影响

叶绿素是植物进行光合作用的色素,主要有叶绿素a和叶绿素b这2种。叶绿素含量的高低可以在一定程度上反映植物光合作用的水平。叶绿素含量降低,光合作用减弱,会导致植物生长受抑制,生物量下降。由表2可知,与CK处理相比,低铅污染土壤上白菜叶绿素a含量略有升高,可能是因为金属离子是细胞分裂素代谢酶的触媒剂,可以刺激细胞生长从而增加体内叶绿素含量的积累[21-22],增施钾肥(100～400 mg·kg-1)能显著提高白菜中叶绿素a含量(P<0.05),施钾量达600 mg·kg-1时(Q1J4)白菜叶绿素a含量反而降低。在低铅污染土壤中增施钾肥白菜叶绿素b含量升高,但不显著。与CK处理相比,高铅污染土壤白菜叶绿素a含量显著降低(P<0.05),叶绿素b含量略有降低。增施钾肥(100～400 mg·kg-1)白菜叶绿素a含量显著上升(P<0.05),对叶绿素b含量影响不显著。低铅污染土壤各施肥处理叶绿素a/b比值稳定在3左右,高铅污染土壤叶绿素a/b比值均小于3,且植株叶片明显较其他处理偏黄,表现出受毒害现象。

表2铅污染土壤不同钾肥处理白菜叶绿素含量

Table 2Chlorophyll content of cabbage in lead polluted soils relative to application rate of potash fertilizer

处理w(叶绿素a)/(mg·kg-1)w(叶绿素b)/(mg·kg-1)w(叶绿素)/(mg·kg-1)叶绿素a/b比值CK0.815±0.011d0.267±0.033b1.082±0.046bcd3.05Q1J00.831±0.012cd0.281±0.015ab1.112±0.047bc2.96Q1J10.897±0.015b0.270±0.017b1.167±0.017b3.32Q1J20.962±0.003a0.307±0.007a1.269±0.039a3.13Q1J30.835±0.004c0.270±0.020b1.105±0.027bc3.09Q1J40.813±0.012d0.269±0.011b1.083±0.052bcd3.02Q2J00.744±0.024f0.260±0.010b1.004±0.011de2.87Q2J10.776±0.005e0.267±0.014b1.043±0.022cde2.91Q2J20.839±0.006c0.282±0.016ab1.121±0.132bc2.97Q2J30.778±0.015e0.275±0.006b1.052±0.022cde2.83Q2J40.718±0.001g0.263±0.009b0.981±0.030e2.73

同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。CK表示未添加Pb,不施钾肥处理;Q1和Q2表示Pb添加浓度分别为50和200 mg·kg-1;J0、J1、J2、J3和J4表示施钾浓度分别为0、100、200、400和600 mg·kg-1。

2.3钾肥对铅污染土壤白菜重金属含量的影响

关于肥料不同形态及肥料中阴、阳离子对土壤重金属的影响研究结果表明,钾肥对土壤中重金属的影响主要表现在钾肥伴随阴离子影响重金属形态、吸附解吸过程及生物有效性等方面[20,23]。施入钾肥后,可通过影响土壤组分中活性硅、铁、铝、锰,黏粒种类和含量以及胶体组分等作用于土壤对重金属的吸附和解析。

由表3可知,铅胁迫下白菜中镉含量较CK处理显著升高(P<0.05),但均未超过GB 2762—2012规定的食品污染限量标准(≤0.05 mg·kg-1)。低铅污染土壤增施钾肥能显著降低白菜对镉的吸收(P<0.05),降幅为7.0%～26.5%。高铅污染土壤增施钾肥(100～400 mg·kg-1)时白菜中镉含量显著降低3.4%～14.3%(P<0.05);当施钾浓度达600 mg·kg-1时,白菜中镉含量反而上升。

与CK处理相比,铅污染土壤白菜中铅含量显著升高(P<0.05),大部分超过GB 2762—2012规定的食品安全国家标准(≤0.2 mg·kg-1),说明白菜是易富集铅的作物。在低铅污染土壤上增施钾肥可显著降低白菜中铅含量(P<0.05),降幅为11.3%～34.4%。高铅污染土壤钾肥施用量为200～400 mg·kg-1时,白菜中铅含量比不施钾肥处理显著降低7.5%～10.7%(P<0.05)。

与CK处理相比,铅污染土壤白菜铬含量略有升高,但均未超过GB 2762—2012规定的食品污染限量标准(≤0.5 mg·kg-1)。与不施钾肥相比,低铅污染土壤增施钾肥(400～600 mg·kg-1)能显著降低白菜对铬的吸收(P<0.05),降幅为6.3%～11.6%。高铅污染土壤增施钾肥(200～400 mg·kg-1)能显著降低白菜对铬的吸收(P<0.05),降幅为3.9%～5.9%。

该试验条件下所有白菜汞含量均远低于GB 2762—2012规定的食品安全国家标准(≤0.01 mg·kg-1)。与不施钾肥相比,低铅污染土壤增施钾肥(200～400 mg·kg-1)能显著降低白菜对汞的吸收(P<0.05),降幅为6.2%～10.4%。高铅污染土壤增施钾肥对白菜中汞含量的影响作用不一致,只有当施钾量为100 mg·kg-1时,白菜中汞含量显著降低,当施钾量为600 mg·kg-1时白菜中汞含量反而上升。

该试验条件下所有白菜砷含量均远低于GB 2762—2012规定的食品安全国家标准(≤0.5 mg·kg-1)。在低铅浓度污染土壤增施钾肥(400 mg·kg-1)可显著降低白菜砷含量(P<0.05)。与CK相比,高铅污染土壤不施用钾肥时白菜砷含量较CK处理显著提高33.9%,增施钾肥(200～400 mg·kg-1)后白菜砷含量显著降低,施钾浓度为600 mg·kg-1时白菜中砷含量则上升。

表3铅污染土壤不同钾肥处理白菜重金属含量

Table 3Contents of heavy metal elements of cabbage in lead polluted soils relative to application rate of potash fertilizer

mg·kg-1

同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。CK表示未添加Pb,不施钾肥处理;Q1和Q2表示Pb添加浓度分别为50 和200 mg·kg-1;J0、J1、J2、J3和J4表示施钾浓度分别为0、100、200、400和600 mg·kg-1。

2.4钾肥对铅污染土壤白菜食用品质的影响

钾一直被公认为植物生产中的“品质元素”,因为它是生物体中多种酶的活化剂,与植物体内的许多代谢过程密切相关,缺钾会扰乱叶片的新陈代谢,因此施钾肥不仅可显著提高产量,亦可改善其食用品质[20-21]。

由表4可知,与CK相比,低铅与高铅胁迫土壤白菜维生素C含量均显著升高(P<0.05),增幅分别为22.8%和33.3%。2种铅污染土壤增施钾肥均能显著提高白菜维生素C含量(P<0.05),增幅分别为22.8%～39.5%和33.3%～52.6%,且白菜中维生素C含量与施钾肥浓度呈正相关关系。

表4铅污染土壤不同钾肥处理白菜食用品质

Table 4Food quality of cabbage in lead polluted soils relative to application rate of potash fertilizer

处理w(Vc)/(mg·kg-1)w(游离氨基酸)/(mg·kg-1)w(还原糖)/(mg·kg-1)w(粗蛋白)/%w(硝酸盐)/(g·kg-1)CK644.9±34.9g291.3±12.8ab0.7±0.012e23.9±1.1a3.56±1.53aQ1J0792.0±30.0f253.0±11.1c0.8±0.014c24.4±1.1a3.34±1.10bcQ1J1827.8±27.8e272.2±11.1c0.8±0.014c22.0±1.0b3.04±1.00defQ1J2869.5±13.5cd185.4±9.5e0.9±0.015b18.3±0.9e3.09±0.04deQ1J3879.0±12.0cd215.0±8.2f0.8±0.013d21.8±1.0bc2.70±0.11hQ1J4899.8±21.8bc223.1±9.8e0.6±0.010h19.1±0.9de3.17±0.17cdQ2J0859.9±13.9de279.5±12.3b0.8±0.013d24.9±1.2a3.51±0.12abQ2J1891.8±7.2cd213.1±10.3de0.9±0.016a21.6±1.0bc3.21±0.12cdQ2J2925.6±15.6b281.1±12.4b0.8±0.014bc20.2±0.9cd2.96±0.04fgQ2J3972.0±12.2a249.4±10.9cd0.6±0.011g17.9±0.8e2.83±0.02ghQ2J4984.1±7.11a306.3±13.5a0.7±0.011f18.8±0.9de2.90±0.09fg

同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。CK表示未添加Pb,不施钾肥处理;Q1和Q2表示Pb添加浓度分别为50和200 mg·kg-1;J0、J1、J2、J3和J4表示施钾浓度分别为0、100、200、400和600 mg·kg-1。

与CK相比,低铅胁迫下白菜中游离氨基酸含量显著降低(P<0.05)。与不施钾肥相比,低铅污染土壤增施钾肥(200～600 mg·kg-1)白菜游离氨基酸含量显著降低11.8%～26.7%(P<0.05)。高铅污染土壤增施钾肥对白菜中游离氨基酸含量的影响不一致,施钾浓度为100 mg·kg-1时白菜中游离氨基酸含量比不施钾肥降低23.8%,施钾浓度为600 mg·kg-1时则升高9.6%。

铅污染土壤增施钾肥对白菜中还原糖含量的影响不一致。低铅污染土壤增施钾肥200 mg·kg-1时白菜中还原糖含量最高,达0.9 mg·kg-1;高铅污染土壤增施钾肥100 mg·kg-1时白菜中还原糖含量最高,达0.9 mg·kg-1。

低铅和高铅污染土壤增施钾肥均显著降低白菜中粗蛋白含量(P<0.05),降幅分别达9.8%～25.0%和13.2%～28.1%。在低铅胁迫下施钾肥浓度为200 mg·kg-1时白菜中粗蛋白含量最高,在高铅胁迫下施钾肥浓度为400 mg·kg-1时最高。

白菜属于易富集硝酸盐作物,人体过量摄入硝酸盐可能诱发癌症,有关硝酸盐累积及其调控问题已引起人们极大关注[13]。由表4可知,与CK相比,2种铅污染土壤白菜硝酸盐含量虽有降低，但仍超过GB 19338—2003《蔬菜中硝酸盐限量》(≤3 g·kg-1),增施钾肥后白菜中硝酸盐含量均显著降低。低铅胁迫下,施钾肥浓度为400 mg·kg-1时白菜中硝酸盐含量最低,为2.70 g·kg-1;高铅胁迫下,施钾肥浓度为400 mg·kg-1时白菜中硝酸盐含量最低,为2.83 g·kg-1。

3结论

(1)在2种铅污染土壤上增施钾肥，白菜的地上部和地下部生物量均显著增加,增幅分别为5.1%～30.0%和10.0%～33.3%(P<0.05)。

(2)铅污染土壤增施钾肥(100～400 mg·kg-1)白菜中叶绿素a含量显著升高(P<0.05),叶绿素b含量变化不明显。高铅污染土壤不施钾肥白菜叶绿素a/b比值小于3,植株叶片较其他处理偏黄,表现出明显的受毒害现象。

(3)铅污染土壤增施钾肥能显著降低白菜中镉、铅、铬和砷含量(P<0.05),显著提高维生素C含量(P<0.05),显著降低硝酸盐含量(P<0.05),但对白菜还原糖含量的影响不一致。

(4)该试验条件下铅污染土壤上白菜最佳施钾浓度为200～400 mg·kg-1。

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(责任编辑： 陈昕)

Effects of Potash Fertilizer on Cabbage Growth and Quality in Lead-Polluted Soil.

WANGXiao-jing1,2,CHENYi1,TANGJing1,ZHANGXiao-ling1,WANGFei1,WANGZheng-yin1

(1.College of Resources and Environmental Sciences, Southwest University, Chongqing 400716, China;2.Beibei Agriculture Committee, Chongqing 400700, China)

Abstract:In order to further explain how potassium affects cabbage growing in lead contaminated soils in growth and quality, a pot experiment was carried out to study effects of dosages of potash fertilizer on yield, chlorophyll content, nutrition and mineral content of the cabbage growing in two soils different in lead contamination degree. Results show that after application of potash fertilizer the cabbage in the lead-contaminated soil increased by 5.1%-30.0% and 10.0%-33.3% in fresh weight of the above-ground part and the under-ground part, respectively(P<0.05). Application of potash fertilizer at a rate of 100-400 mg·kg(-1) could increase the concentration of chlorophyll-a significantly(P<0.05), while that of chlorophyll-b did not show any constant changes. Potash fertilizer application was found to significantly decrease the concentration of Cd, Pb, Cr and Se(P<0.05), increase the concentration of vitamin C(P<0.05), decrease the concentration of nitrate(P<0.05), but did not have any constant effects on reducing the concentration of sugar. The findings in the study indicate that the optimal dosage of potash fertilizer is about 200-400 mg·kg(-1) for cabbage in lead-stress soils.

Key words:lead;potash fertilizer;cabbage;physiological growth;mineral element content

作者简介：王小晶(1986—),女,安徽凤台人,农艺师,硕士,主要从事植物营养与品质方面的研究。E-mail: crystalprincess86@163.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.022

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0315-05

通信作者①E-mail: wang-zhengyin@163.com

基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项(201203013-5);国际植物营养研究所(IPNI)资助项目(2012-Chongqing-02)

收稿日期：2015-05-04