不同作物秸秆覆盖处理对硫华菊镉积累的影响

彭 麟，陈发波，黄佳璟，温 铿，廖明安，林立金，蒋 伟，李华雄

（1.四川农业大学园艺学院，成都 611130；2.长江师范学院生命科学与技术学院，重庆 408100；3.四川农业大学果蔬研究所，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林果研究所，四川内江 641000）

植物修复技术是一种新型环保生物技术，它通过利用可富集重金属的植物来吸收和积累环境中的重金属污染物，达到降低毒害的作用[1]。它的优点主要表现在成本相对较低，对土壤环境的影响较小，效果持久，并且可以美化环境[2]。但是由于天然富集植物的生长速率和生物量限制，目前植物修复效率不高[3]。如何提高植物修复效率成为目前研究的难点，前人的研究中已经讨论过一些方法[4]，如秸秆还田[5]。由于土壤微生物的作用，秸秆中的营养成分和氮、磷、钾等元素缓慢释进入土壤中，改善了土壤营养条件[6]。徐国伟等[7]的研究表明秸秆还田也能促进作物对氮素的吸收，从而促进作物的生长，提高其产量。王璞等[8]的研究表明，小麦产生的3种化感物质p-HA、VA和FA残留会抑制棉花发芽和幼苗生长。以上结果都表明秸秆腐解产生的化感物质会对其他植物根系产生影响，从而影响其他植物的生长发育。同时，秸秆腐解往往会释放出一定量的有机酸，导致土壤pH值降低，进一步提高土壤重金属的生物有效性[9-11]。就植物修复而言，施用秸秆可影响镉富集植物荠菜[12-13]和镉超富集植物牛膝菊[14]的镉提取量。

硫华菊（Cosmos sulphureus）是菊科秋英属的一年生草本花卉，也是一种镉富集植物[15]。与其他镉超富集植物龙葵（Solanum nigrum）[16]豨和 莶（Siegesbeckia orientalis）[17]相比，硫华菊的镉提取能力较小。鉴于此，为了进一步提高硫华菊的镉提取能力，本研究将常见农作物水稻、小麦、油菜和蚕豆秸秆覆盖于种植了硫华菊的镉污染土壤表面，通过硫华菊生物量和镉积累量等相关生理指标的检测，筛选出能促使硫华菊镉提取的覆盖秸秆种类，为提高硫华菊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

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），该农田位于四川省雅安市雨城区，平均海拔620 m，亚热带湿润季风气候，年均气温16.2℃，平均降雨量1 743.3 mm，平均日照1 035 h，平均蒸发量1 011.2 mm。农田土壤的pH值为6.94，有机质43.64 g/kg，全氮3.63 g/kg，全磷 0.38 g/kg，全钾 17.54 g/kg，全镉 0.103 mg/kg，碱解氮 195.00 mg/kg，速效磷 6.25 mg/kg，速效钾191.13 mg/kg，有效态镉0.022 mg/kg[18]。水稻、小麦、油菜和蚕豆秸秆于2014年9月—2015年5月采自四川农业大学雅安校区农场农田。将采集到的作物秸秆于110℃杀青15 min，75℃烘干至恒重，剪碎至1 cm左右，备用。硫华菊种子于2015年4月直接撒播于四川农业大学雅安校区农场花卉苗圃基地。

1.2 试验方法

试验于2015年4—6月在四川农业大学雅安校区农场进行。2015年4月，将土壤风干、压碎、过5 mm×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CdCl2·2.5H2O溶液，使其镉浓度为10 mg/kg[14]，并与土壤充分混匀，保持湿润，自然放置平衡4 w后再次混合备用。2015年5月，从四川农业大学雅安校区农场花卉苗圃基地采集生长一致的4对真叶展开的硫华菊幼苗直接移栽至盆中，每盆2株，并将处理好的作物秸秆分别覆盖于土壤表面，覆盖量为每盆6 g，即每千克土2 g，混匀，浇水保持土壤湿润，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：未覆盖秸秆（CK）、覆盖水稻秸秆、覆盖小麦秸秆、覆盖油菜秸秆和覆盖蚕豆秸秆，每个处理重复6次。60 d后硫华菊处于盛花期，采用丙酮-乙醇提取法测定叶片光合色素（叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量和类胡萝卜素）含量[19]之后，整株收获，将植物根系、茎秆、叶片和土壤分别封装。植物器官分别用自来水洗净，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。植物样品用硝酸-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光谱仪测定（Thermo Scientific，USA）镉含量[20]。土壤样品风干后，过1 mm×1 mm筛，采用pH计测定土壤pH值，采用DTPA-TEA浸提法测定土壤有效镉含量[20]。

1.3 数据处理

数据采用SPSS软件进行方差分析（方差分析显著后采用Duncan新复极差法进行多重比较）。转运系数（TF）=植物地上部分镉含量/根系镉含量[21]，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）[22]。

2 结果与分析

2.1 硫华菊的生物量

从表1可以看出，在不同覆盖物处理条件下，硫华菊的根系、茎秆、叶片及地上部分生物量均低于未覆盖处理，说明秸秆覆盖在不同程度上减弱了硫华菊的生长。在覆盖物分别为水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆、蚕豆秸秆时，硫华菊的根系生物量分别降低了 9.76%（P＜0.05），12.09%（P＜0.05），24.18%（P＜0.05），21.74%（P＜0.05），地上部分生物量分别较未覆盖降低了 0.72%（P＞0.05），2.64%（P＞0.05），16.70%（P＜0.05），12.08%（P＜0.05）。说明 4 种秸秆覆盖处理中，水稻秸秆覆盖处理对硫华菊生长的影响较小，而小麦、油菜、蚕豆秸秆覆盖处理对硫华菊生长的影响较大，其中油菜秸秆覆盖对硫华菊生长影响最大。就根冠比而言，4种覆盖物处理均较未覆盖有所降低，这说明覆盖作物秸秆对硫华菊根系影响比对硫华菊地上部分影响更大。

表1 硫华菊的生物量Table1 Biomass of Cosmos sulphureus

2.2 硫华菊的光合色素含量

在秸秆覆盖处理下，硫华菊叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量及类胡萝卜素含量均低于未覆盖（见表2）。具体表现为，与未覆盖相比，水稻、小麦、油菜和蚕豆秸秆覆盖的硫华菊叶绿素a分别降低了1.22%（P＞0.05）、8.33%（P＞0.05）、14.45 （P＜0.05）、9.39%（P＜0.05），叶绿素 b分别降低了 4.03%（P＞0.05）、6.80%（P＞0.05）、26.20%（P＜0.05）、10.33%（P＞0.05）；类胡萝卜素分别降低了 7.16%（P＜0.05）、14.99%（P＜0.05）、23.94%（P＜0.05）、17.00%（P＜0.05）。综合来看，秸秆覆盖对硫华菊光合色素的生成有抑制作用，且油菜秸秆覆盖对硫华菊光合色素的抑制作用最为明显。

表2 硫华菊光合色素含量Table2 Photosynthetic pigment content in Cosmos sulphureus

2.3 硫华菊的镉含量

用水稻秸秆覆盖，硫华菊根系、茎秆、叶片及地上部分的镉含量均有所降低，而小麦秸秆、油菜秸秆、蚕豆秸秆增加了硫华菊各器官镉含量（见表3）。油菜秸秆覆盖时硫华菊镉含量增加最显著，其根系、茎秆、叶片及地上部分的镉含量分别高出未覆盖 13.82%（P＜0.05）、45.60%（P＜0.05）、103.38%（P＜0.05）和 58.51%（P＜0.05）。这说明水稻秸秆覆盖抑制了硫华菊对土壤镉的吸收，而小麦秸秆、油菜秸秆和蚕豆秸秆则促进了硫华菊对土壤镉的吸收。硫华菊转运系数（TF）的大小顺序为：油菜秸秆＞小麦秸秆＞蚕豆秸秆＞未覆盖＞水稻秸秆，这说明水稻秸秆覆盖还抑制了镉从硫华菊根系向地上部分的转运，而小麦、油菜和蚕豆秸秆则促进了镉的转运。

表3 硫华菊的镉含量Table3 Cadmium content in Cosmos sulphureus

2.4 硫华菊的镉积累量

用水稻秸秆覆盖，硫华菊根系、茎秆、叶片及地上部分的镉积累量均有所降低，而小麦秸秆、油菜秸秆、蚕豆秸秆覆盖时除根系外各部分镉积累量均有所增加（见表4）。硫华菊茎秆及地上部分镉积累量的大小顺序为油菜秸秆＞小麦秸秆＞蚕豆秸秆＞未覆盖＞水稻秸秆，叶片中镉积累量蚕豆秸秆＞小麦秸秆。油菜秸秆覆盖时硫华菊镉积累量增加最显著，其茎秆、叶片及地上部分镉积累量分别较未覆盖增加了 23.49%（P＜0.05）、65.54%（P＜0.05）和 32.04%（P＜0.05）。就转运量系数而言，水稻覆盖硫华菊TAF降低，而小麦秸秆、油菜秸秆、蚕豆秸秆覆盖后硫华菊TAF升高，油菜秸秆覆盖后TAF最高。

表4 硫华菊的镉积累量Table4 Cadmium accumulation of in Cosmos sulphureus

2.5 土壤pH值及有效态镉含量

水稻秸秆覆盖后土壤pH值升高65.54%（P＜0.05），小麦秸秆覆盖土壤pH值降低65.54%（P＜0.05），油菜和蚕豆覆盖土壤pH值变化不显著（见图1）。不同秸秆覆盖后，土壤中有效态镉含量均发生变化（见图2）。水稻秸秆覆盖土壤有效态镉含量降低65.54%（P＜0.05），油菜覆盖使土壤中有效态镉含量升高65.54%（P＜0.05），小麦和蚕豆秸秆覆盖后土壤有效态镉含量变化不显著。

3 讨论与结论

图1 土壤pH值Figure1 Soil pH value

农作物的秸秆含有丰富的有机质和大量的碳、氮、磷、钾等元素，还田后这些营养物质释放到土壤中，能够有效地改善土壤水分和养分环境，利于作物生长[6]。在陆文龙等[23]的试验中，秸秆还田促进玉米株高增长，提高叶宽和单穗籽粒重。在本试验中，镉胁迫条件下，土壤覆盖4种作物（水稻、小麦、油菜和蚕豆）秸秆后，硫华菊根系及地上部分的生物量均低于未覆盖，这说明4种秸秆在分解的过程中，提高土壤肥力的同时可能释放出了某些化感物质抑制了硫华菊的生长。

图2 土壤有效态镉含量Figure2 Soil available cadmium content

植物对光能的利用离不开叶绿素和类胡萝卜素。高青海等[24]的研究发现，秸秆还田能提高了黄瓜叶片叶绿素含量和光合速率，提高了光能利用效率。根据刘义国等[25]的研究，秸秆还田改变了土壤和水分环境，加强了小麦旗叶的总体光合效应从而提高了光合速率，同时还减缓了小麦籽粒形成后期叶绿素的降解。刘阳等[26]发现适量的玉米秸秆（9 000 kg/hm2）还田有利于小麦光合色素积累，但过量的玉米秸秆还田反而会促进了叶绿素a和叶绿素b的降解。这是因为适量的秸秆还田能够增加土壤中的营养物质和氮、磷、钾等元素的含量，利于植株生长和叶绿素的合成，但过量的秸秆还田会造成氮素和其他养分的大量流失。本试验结果表明，在镉污染条件下，覆盖作物秸秆后，硫华菊的叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量均低于未覆盖，其中以覆盖油菜秸秆光合色素含量最低。可能是由于加入秸秆过量，从而促进了叶绿素降解，减弱硫华菊的光合作用，最终抑制硫华菊的生长。

植物对重金属的吸收受土壤中重金属生物有效性的影响，而生物有效性又与重金属的化学形态有关，二者都能改变植物对其的吸收[27]。A.Tessier等[28]认为，重金属的交换态在土壤中移动性最强，易被植物吸收，因此通常被认为是重金属的活性态。单玉华等[29]研究表明，小麦和水稻秸秆在淹水条件下促进了镉和铜的溶出，增加了这两种重金属元素的生物有效性。本试验研究表明，覆盖小麦和油菜秸秆降低了土壤pH值，提高了土壤有效态镉含量，而覆盖水稻和蚕豆秸秆则提高了土壤pH值，降低了土壤有效态镉含量，这可能与不同秸秆释放的有机酸的数量及种类不同有关[29]。就硫华菊植株镉含量而言，覆盖小麦、油菜和蚕豆秸秆均提高了硫华菊地上部分镉含量，但覆盖水稻秸秆则降低了硫华菊地上部分镉含量。硫华菊地上部分镉积累量表现出类似的规律。

因此，覆盖水稻、小麦、油菜和蚕豆秸秆处理在一定程度上均会导致硫华菊生物量的降低、光合色素含量的下降。而覆盖小麦、油菜和蚕豆秸秆处理能显著提高硫华菊的镉含量及镉积累量，提高硫华菊对镉污染土壤的修复能力，其中油菜秸秆覆盖处理的效果最显著。