施用富集植物秸秆对水田芥生长及镉积累的影响

王 进，陈发波，林立金，吕秀兰，廖明安，蒋 伟，任 纬

（1.四川农业大学果蔬研究所，成都 611130；2.长江师范学院生命科学与技术学院，重庆 408100；3.四川农业大学园艺学院，成都 611130；4.成都师范学院化学与生命科学学院，成都 611130；5.四川省内江市农业科学院玉米研究所，四川内江 641000）

秸秆是一种重要的可再生资源，在提倡低碳、高效和生态农业的需求下，具有很大的综合利用价值[1]。秸秆施入农田腐解后会释放出其中所含有的有机质以及氮、磷、钾等养分，并且能够改善土壤的理化性质，降低土壤容重，增加孔隙度，增强生物和多数酶的活性，促进后茬作物的生长发育和提高产量[2]。徐国伟等[3]发现秸秆还田有利于根系分泌物中有机酸的增加，增强根系活力，降低土壤pH值，从而促进水稻的生长，提高水稻产量。南雄雄等[4]研究发现，秸秆还田后能够显著提高土壤中有机碳、微生物量碳、全氮以及微生物量氮的含量，土壤供肥水平明显提高。然而，植物秸秆在改善土壤环境的同时，也可能释放出一些化感物质抑制其他植物的生长；侯永侠等[5]发现，辣椒秸秆在腐解过程中产生的化感物质会使辣椒的植株生长缓慢，叶绿素含量降低，根系保护酶活性受到抑制，从而导致产量下降。已有研究[6]显示秸秆还田能够改善土壤环境，为土壤中微生物提供养分，促进微生物的繁殖，提高土壤酶活性和养分的有效利用率。T.Susan等[7]研究发现在重金属污染的农田土壤中施入秸秆能够降低土壤中醋酸铵对Zn、Pb和Cu的浸提，原位钝化重金属，从而减少作物对重金属的吸收。张晶等[8]研究发现，在未被镉污染的土壤中，玉米和菜豆根茬连续还田对大白菜和小麦均无显著影响，但是在镉的土壤根茬连续还田却能够显著增加后茬大白菜对镉的吸收与积累，但对小麦却无影响。这说明植物秸秆还田后能够改变土壤中重金属元素的生物有效性，进而影响植物对重金属元素的吸收。

水田芥（Nasturtium officinale），又名豆瓣菜，十字花科水芥菜属，多年生水生草本植物，是一种镉富集植物[9]。本试验将陆生镉富集植物白三叶（Trifolium pratense）[10]、旱莲草（Eclipta prostrata）[11]、小飞蓬（Conyza canadensis）[12]、繁缕（Stellaria media）[13]的秸秆施入土壤中，再种上水田芥，研究4种镉富集植物秸秆施入土壤对水田芥生长及镉积累的影响，以期筛选出能促进水田芥镉积累的富集植物，为提高水田芥对镉污染土壤的修复能力提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

镉富集植物白三叶、旱莲草、小飞蓬、繁缕地上部分于2014年7月采自四川农业大学雅安校区农场农田（29°59′N，102°59′E），采集区土壤未被重金属污染。将4种镉富集植物用去离子水洗净后，取地上部分于110℃杀青15 min，80℃烘干至恒重，分别用剪刀剪成小于1 cm的小段，备用。4种富集植物的碳氮比如下：白三叶15.76，旱莲草23.52，小飞蓬 21.77，繁缕 30.84。

水田芥幼苗取自四川农业大学雅安校区农场沟渠内。

供试土壤为紫色土，取自四川农业大学雅安校区农场农田，其基本理化性质如下：土壤pH值6.53，有机质含量38.23 g/kg，碱解氮含量55.84 mg/kg，速效磷含量26.63 mg/kg，速效钾含量109.36 mg/kg。镉全量0.101 mg/kg，有效态镉含量0.021 mg/kg，土壤理化性质及重金属含量的测定方法参见参考文献[14]。

1.2 试验方法

盆栽试验于2014年6—9月在四川农业大学雅安校区农场进行。2014年6月，将土壤风干、压碎、过5 mm筛后称重，加入分析纯CdCl2·2.5H2O溶液，使其镉浓度为10 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，再次混匀。分别称取3.0 kg装于15 cm×18 cm（高×直径）没有排水孔的塑料盆内。2014年7月，处理好的4种镉富集植物秸秆分别施入制备好的镉污染土壤中，使其覆盖在土壤表层，施入量为每盆6 g，即2 g/kg，使土壤保持淹水状态，平衡一周。试验共计5个处理：未施用（CK）、施用白三叶秸秆、施用旱莲草秸秆、施用小飞蓬秸秆、施用繁缕秸秆。选择长势一致，约3 cm高的水田芥幼苗扦插入盆中，每盆种植3株，每个处理重复3次，管理方法参见参考文献[15]。

第40天后，选取每株水田芥植株顶部约2 cm长的幼嫩叶片用分光光度法测定抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性，考马斯亮蓝比色法测定可溶性蛋白含量[16]。之后整株收获，将植株根、茎、叶和土壤分别封装。水田芥根、茎、叶分别用自来水洗净，再用去离子水冲洗3次后，于110℃杀青15 min，80℃烘干至恒重，称重，粉碎，过0.15 mm筛子。称取1.5 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 6300型 ICP光谱仪（Thermo Scientific，USA）测定镉含量[17]。

土壤样品在阴凉通风处自然风干后，研碎过1mm筛，称取5 g，用0.005 mol/L DTPA-TEA浸提（土液比 1∶2.5），25℃震荡 2 h，用 iCAP6300 型 ICP 光谱仪测定土壤有效镉含量[17]。土壤酶活性按照《土壤酶学》[18]的方法测定，其中土壤过氧化氢酶活性以每克土壤在室温下（30 min）消耗0.02 mol/L KMnO4的毫升数表示，土壤脲酶活性以每克土在37℃培养24 h释放NH3-N的毫克数表示，土壤蔗糖酶活性以每克土壤在37℃培养24 h释放葡萄糖的毫克数表示。

根冠比=根部生物量/地上部生物量[19]；

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）[20]。

1.3 数据处理分析

数据采用SPSS系统进行方差分析（Duncan新复极差法进行多重比较）。

2 结果与分析

2.1 施用富集植物秸秆对水田芥生物量的影响

从表1中可以看出，施用富集植物秸秆后水田芥的根系生物量均有所升高，其大小顺序为：施用小飞蓬秸秆＞施用白三叶秸秆＞施用繁缕秸秆＞施用旱莲草秸秆＞未施用，较未施用分别增加了45.25%（P ＜0.05）、42.45%（P ＜0.05）、16.20%（P ＜0.05）和5.03%（P＞0.05）。施用富集植物秸秆后水田芥的茎秆、叶片以及地上部分生物量均显著增加，其大小顺序均为施用白三叶秸秆＞施用小飞蓬秸秆＞施用旱莲草秸秆＞施用繁缕秸秆＞未施用，其中施用白三叶秸秆的水田芥茎秆、叶片以及地上部分生物量较未施用分别增加了 26.36%（P＜0.05）、27.46%（P＜0.05）和 26.85%（P＜0.05），施用繁缕秸秆的水田芥茎秆、叶片以及地上部分生物量较未施用分别增加了9.32%（P＜0.05）、6.56%（P＞0.05）和 8.11%（P＞0.05）。从根冠比来看，除施用旱莲草秸秆外，其他3种处理的水田芥的根冠比均大于未施用，大小顺序为：施用小飞蓬秸秆＞施用白三叶秸秆＞施用繁缕秸秆＞未施用＞施用旱莲草秸秆，这说明施用小飞蓬、白三叶和繁缕有利于促进水田芥的生长，使水田芥地上部分的比重增加。

表1 水田芥的生物量Table 1 Biomass of Nasturtium officinale

2.2 施用富集植物秸秆对水田芥叶片抗氧化酶活性与可溶性蛋白含量的影响

如表2可知，施用富集植物秸秆后，水田芥叶片的SOD、POD和CAT活性较未施用均显著升高，其大小顺序均为施用白三叶秸秆＞施用小飞蓬秸秆＞施用旱莲草秸秆＞施用繁缕秸秆＞未施用，其中施用白三叶秸秆的水田芥叶片的SOD、POD和CAT活性较各自未施用分别升高了34.04%（P＜0.05）、48.38%（P＜0.05）和 164.60%（P＜0.05）。从可溶性蛋白含量来看，施用富集植物秸秆均能增加水田芥叶片中的可溶性蛋白含量，其大小顺序为施用白三叶秸秆＞施用旱莲草秸秆＞施用小飞蓬秸秆＞施用繁缕秸秆＞未施用，其较未施用分别升高了64.24%（P＜0.05）、46.70%（P＜0.05）25.74%（P＜0.05）和 11.62%（P＜0.05）。这些结果与水田芥生物量结果一致，这说明施用4种富集植物秸秆均能够增加水田芥对镉胁迫的抵抗能力。

2.3 施用富集植物秸秆对水田芥镉含量的影响

从表3可以看出，土壤中施用富集植物秸秆后水田芥的根系镉含量均显著降低，其大小顺序为：未施用＞施用繁缕秸秆＞施用旱莲草秸秆＞施用小飞蓬秸秆＞施用白三叶。就水田芥茎秆、叶片以及地上部分的镉含量而言，水田芥的茎秆、叶片以及地上部分的镉含量的大小顺序均为：施用繁缕秸秆＞未施用＞施用旱莲草秸秆＞施用小飞蓬秸秆＞施用白三叶秸秆，只有施用繁缕秸秆的水田芥的茎秆、叶片以及地上部分的镉含量较未施用显著增加，分别增加了 40.57%（P＜0.05）、13.76%（P＜0.05）和 25.44%（P＜0.05）。水田芥转运系数的大小顺序为：施用繁缕秸秆＞施用旱莲草秸秆＞施用小飞蓬秸秆＞未施用＞施用白三叶秸秆，施用旱莲草、繁缕和小飞蓬秸秆的水田芥的转运系数均高于未施用，这说明施用旱莲草、小飞蓬和繁缕秸秆有利于镉元素从水田芥的根系向地上部分的转运，有利于提高水田芥对镉污染土壤的修复能力。

2.4 施用富集植物秸秆对水田芥镉积累量的影响

表2 水田芥叶片抗氧化酶活性与可溶性蛋白含量Table 2 Soluble protein content and antioxidant enzyme activity in leaf of Nasturtium officinale

表3 水田芥的镉含量Table 3 Cadmium content in Nasturtium officinale

表4 水田芥的镉积累量Table 4 Cadmium extraction in Nasturtium officinale

由表4可知，施用小飞蓬和繁缕秸秆的水田芥根系的镉积累量都高于未施用，而其他2个处理的水田芥根系镉积累量则低于未施用，其大小顺序为：施用小飞蓬秸秆＞施用繁缕秸秆＞未施用＞施用白三叶秸秆＞施用旱莲草秸秆。施用繁缕和小飞蓬秸秆的水田芥的根系镉积累量较未施用分别增加了 4.34%（P＞0.05）和 12.75%（P＞0.05）。施用繁缕和旱莲草秸秆的水田芥的茎秆、叶片以及地上部分的镉积累量较未施用增加，而其他两个处理的水田芥茎秆、叶片以及地上部分的镉积累量则低于未施用，施用繁缕秸秆的水田芥茎秆、叶片和地上部分的镉积累量的大小顺序均为：施用繁缕秸秆＞施用旱莲草秸秆＞未施用＞施用小飞蓬秸秆＞施用白三叶秸秆，施用旱莲草秸秆的水田芥的茎秆、叶片与地上部分的镉积累量较未施用分别增加了6.73%（P＞0.05）和 4.09%（P＞0.05）和 5.26%（P＞0.05）；而施用繁缕秸秆的水田芥茎秆、叶片和地上部分的镉积累量较未施用分别增加了 53.70%（P＜0.05）、21.19%（P＜0.05）和 35.62%（P＜0.05），这增加了水田芥的镉污染修复能力。从转运量系数来看，施用繁缕和旱莲草秸秆的水田芥的转运量系数均大于未施用，而其他两个处理则低于未施用，其大小顺序为施用繁缕秸秆＞施用旱莲草秸秆＞未施用＞施用小飞蓬秸秆＞施用白三叶。

2.5 施用富集植物秸秆对土壤pH值和有效态镉含量的影响

从表5可以看出，施用富集植物秸秆后，土壤pH值较未施用均有所降低，其大小顺序为：未施用＞施用白三叶秸秆＞施用旱莲草秸秆＞施用小飞蓬秸秆＞施用繁缕秸秆。就土壤中有效态镉含量而言，只有施用繁缕秸秆较未施用有所增加，而施用白三叶、旱莲草和小飞蓬秸秆较未施用均有所降低。施用繁缕秸秆的土壤有效态镉含量较未施用增加了2.17%（P＞0.05）。这说明施用富集植物秸秆能够降低土壤pH值，并且施用繁缕秸秆能够提高土壤中有效态镉含量。

表5 土壤pH值、有效态镉含量和土壤酶活性的影响Table 5 Effect of accumulator on the soil pH value，soil available Cd concentration and soil enzyme activity

2.6 施用富集植物秸秆对土壤酶活性的影响

从表5可以看出，施用富集植物秸秆后的土壤过氧化氢酶活性的大小顺序为：施用繁缕秸秆＞施用旱莲草秸秆＞未施用＞施用白三叶秸秆＞施用小飞蓬秸秆，而土壤脲酶和蔗糖酶活性的大小顺序为：施用繁缕秸秆＞未施用＞施用旱莲草秸秆＞施用白三叶秸秆＞施用小飞蓬秸秆，其中施用繁缕秸秆的土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性较未施用分别增加了 20.31%（P＜0.05）、5.05%（P＞0.05）和 2.70%（P＜0.05）。这说明施用繁缕秸秆有利于增加土壤酶活性。

3 讨论与结论

3.1 讨论

秸秆还田在腐解期间，大部分秸秆碳进入土壤而补充到土壤碳库中，从而改善了土壤理化性质、增加了土壤中养分含量与土壤微生物群落结构以及数量，进而提高了土壤肥力，促进植物的生长[21-22]，最新研究证实蚯蚓在污染条件下对植物生长也有促进作用[23-24]。本试验研究表明，在镉胁迫条件下，施用4种富集植物白三叶、旱莲草、小飞蓬和繁缕秸秆后，水田芥的生物量与未施用相比有所增加，这说明秸秆进入土壤后，释放出的养分促进了水田芥植株的生长。已有研究表明，在水淹或者重金属胁迫下，植物会产生活性氧类物质，破坏细胞结构与功能，损伤大分子生物[25-26]；但是植物又会在这种胁迫条件下产生超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等抗氧化酶类物质来进行防御，从而减少细胞受到伤害[27]。韩旭[28]研究发现大蒜秸秆腐解物能够显著促进大白菜以及番茄叶片中SOD的活性，但是却会降低番茄叶片中POD的活性，以及玉米叶片中SOD和POD的活性，这说明大蒜秸秆腐解物对不同受体作物表现出不同的化感促进或者是抑制作用；陈旭阳[29]研究发现木麻黄通过叶淋和根泌等途径能够产生某些化感物质，并且这些化感物质能够提高潺槁叶片抗氧化酶活性。本试验结果表明，施用富集植物秸秆均能增加水田芥叶片的抗氧化酶活性与可溶性蛋白含量，其中以施用白三叶秸秆的抗氧化酶活性与可溶性蛋白含量最大，结果与其生物量结果一致，这说明了施用富集植物秸秆能够提高水田芥的抗氧化酶活性与可溶性蛋白含量，从而促进水田芥的生长。

P.Alvarenga等[30]认为施用秸秆等有机物可以原位钝化土壤中的重金属，其主要原因与在秸秆还田过程中的各种生化反应有关，秸秆转化为腐殖质的过程中能够增加对重金属的吸附，从而降低重金属的生物有效性，其他相关的研究也证明了此推断[31-32]。单玉华等[33]认为在水淹情况下，污染土壤中重金属的溶出直接关系到重金属在环境中的迁移以及生物有效性，秸秆施入土壤后，会分解释放出有机碳，由于有机碳对土壤中镉的活化作用增加了镉与铜的生物有效性。前期研究表明，本试验所用的繁缕秸秆的碳氮比要明显高于其他3种富集植物秸秆[32]，在未添加其他氮肥的情况下，土壤中有效氮的不足限制了微生物对有机碳的利用，使得施用繁缕秸秆的土壤中有机碳的积累水平更高，更能促进镉的生物有效性[32-33]。万红友等[34]则认为土壤重金属的生物有效性与其化学形态密切相关，并且这还会影响植物对重金属元素的吸收。本试验研究表明，与未施用相比，施用4种富集植物秸秆均降低了土壤pH值，只有施用繁缕秸秆的土壤有效态镉含量增加，而施用白三叶、小飞蓬和旱莲草秸秆的土壤有效态镉含量则明显降低，可能的原因是繁缕秸秆在分解时释放出来的物质对土壤中镉的活化作用大于钝化作用，而其他3种富集植物的秸秆对土壤中的镉的钝化作用大于活化作用，这与不同植物秸秆分解的物质不同有关，这与前人的研究相似[15]。

土壤酶活性与土壤物理特征与结构、各营养元素的释放与贮存以及土壤腐殖质的形成与发育等密切相关[32]。蔗糖酶对增加土壤中易溶性营养物质起着重要的作用，蔗糖酶与土壤有机质氮、磷含量，微生物数量及土壤呼吸强度等有关，主要的作用就是分解土壤养分，使其便于被植物吸收；脲酶能酶促有机物质分子中酞键的水解，其作用是水解尿素，提高尿素氮肥的利用率[18]。土壤过氧化氢酶能够促过氧化氢的分解，有利于防止它对植物体的毒害作用，其活性与土壤中有机质含量与微生物数量等密切相关[35]。本试验研究表明，施用繁缕秸秆的土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性显著高于未施用，即施用繁缕秸秆显著提高了土壤酶活性，这与前人研究结果相同[6，36]。汤福义等[37]研究表明施用旱莲草和豆瓣菜秸秆会降低土壤酶活性，本试验研究结果也表明施用白三叶、小飞蓬和施用旱莲草秸秆会降低土壤酶活性，可能是由于这3种富集植物秸秆在分解时释放的某些物质抑制了土壤酶活性。

3.2 结论

施用白三叶、旱莲草、小飞蓬和繁缕秸秆能够提高水田芥茎秆、叶片和地上部生物量以及叶片的抗氧化酶活性和可溶性蛋白活性，这说明4种富集植物秸秆都能够促进水田芥的生长。施用4种富集植物秸秆后，只有施用繁缕秸秆提高了水田芥茎秆、叶片以及地上部分的镉含量，同时也提高了土壤的有效态镉含量。从水田芥对镉的积累量上来看，施用旱莲草和繁缕秸秆均能提高水田芥茎秆、叶片以及地上部分的镉积累量，但后者提高更为显著，并且只有施用繁缕秸秆能够提高土壤酶活性。

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