覆盖富集植物秸秆对葡萄幼苗镉积累的影响

王均，李红艳，刘兴旺，王进，刘磊，王铤，岁立云，吕秀兰，廖明安，林立金

(1.四川农业大学园艺学院，四川 成都 611130；2.成都市龙泉驿区和平小学校，四川 成都 610100；3.四川农业大学果蔬研究所，四川 成都 611130；4.成都市农林科学院，四川 成都 611130)

近年来，随着工业“三废”的排放以及各种化肥、农药等化学物质的过量施用，我国大部分地区均存在着果园土壤重金属污染的问题，从而影响果品的质量和安全[1].镉作为“重金属五毒”之一，毒性极强，不易被生物体降解，果园土壤中的镉被果树吸收后，从而通过果实进入人体，进一步危害人体健康[2].我国西南地区一些矿区及其周边果园的土壤均出现镉污染的情况，西南地区的果园镉污染现象已日趋严重，果园土壤镉污染修复迫在眉睫[3].植物秸秆是农业生产中重要的有机生物资源，将植物秸秆粉碎后覆盖在地表，腐烂后会增加土壤有机质，促进作物生长.目前秸秆覆盖在提高农作物对抗非生物胁迫(如盐胁迫、干旱胁迫、重金属污染)等方面有所研究[4-6].林立金等[7]研究表明，覆盖镉耐性植物秸秆能显著提高牛膝菊各器官的生物量及镉积累量.贾乐等[8]研究证明秸秆还田能显著降低在镉污染水稻土上种植的白菜镉含量.李国富[9]试验发现单一施用稻草秸秆肥对小白菜吸收镉的抑制效果较好.何静等[10]研究发现覆盖车前秸秆能够促进树番茄幼苗的生长，降低其地上部分镉含量.因而，土壤施用或覆盖不同的植物秸秆可促进或抑制植物的生长及对重金属元素的积累，但在普通果树上的研究甚少.如果能够将秸秆覆盖于果园土壤上，有可能会影响果树的生理代谢过程，降低果树对土壤中重金属元素的吸收或抑制其向可食用部分的转运，进而调控其组织中的重金属积累量.

葡萄为葡萄科葡萄属木质藤本植物，原产亚洲西部，世界各地均有栽培，其果实主要用于生食、制葡萄干和酿酒。鉴于此，本研究将4种富集植物多茎鼠麴草(Gnaphaliumpolycaulon)[11]、荠菜(Capsellabursa-pastoris)[12]、猪殃殃(Galiumaparine)[13]及小飞蓬(Conyzacanadensis)[14]秸秆分别覆盖在镉污染土壤表面，再种植葡萄幼苗，研究4种富集植物秸秆对葡萄幼苗生长及镉积累的影响，为镉污染果园的安全生产提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为水稻土，取自四川农业大学成都校区农田(N 30°71′，E 103°86′)，土壤本底值如下：pH 7.42，有机质31.73 g/kg，全氮1.05 g/kg，全磷0.37 g/kg，全钾25.71 g/kg，碱解氮56.13 mg/kg，速效磷17.15 mg/kg，速效钾56.65 mg/kg.土壤理化性质按照鲍士旦[15]的方法测定.多茎鼠麴草、荠菜、猪殃殃及小飞蓬秸秆于2017年10～2018年2月采自四川农业大学成都校区周边农田(未污染区).供试葡萄为夏黑的扦插苗，于2018年3月购置于四川省成都市龙泉驿区苗木基地.

1.2 试验方法

2018年4月，将提前收集到的富集植物(多茎鼠麴草、荠菜、猪殃殃及小飞蓬)地上部洗净，并用去离子水冲洗3次，于110 ℃杀青15 min，80 ℃烘干至衡质量，分别用剪刀剪成小于1 cm的小段，备用.将土壤风干、压碎、过5 mm筛后称质量，加入分析纯CdCl2·2.5H2O溶液，使其镉浓度为5 mg/kg[16]，充分混匀，浇水浸润土壤，自然放置平衡4周后，再次混匀.分别称取3.5 kg装于15 cm×18 cm(高×直径)的塑料盆内.将处理好的富集植物秸秆分别覆盖在制备好的镉污染土壤中，使其覆盖在土壤表层，覆盖量为2 g/kg[7]，即每盆7 g秸秆.浇水保持湿润，平衡一周.

2018年5月22日，选择生长健壮、长势一致的葡萄苗移栽至盆中，每盆种植3株，试验设5个处理：不覆盖秸秆(CK)、覆盖多茎鼠麴草秸秆、覆盖荠菜秸秆、覆盖猪殃殃秸秆及覆盖小飞蓬秸秆，每个处理重复5次.每天浇水，保持土壤田间持水量约为80%，每周随机交换盆位置以消除边际效应.60 d后，选取每株葡萄苗植株顶部幼嫩叶片进行采样，采用氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性，愈创木酚比色法测定过氧化物酶(POD)活性，高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)活性，考马斯亮兰G-250法测定可溶性蛋白含量.选取从上往下的第3或第4片功能叶，采用丙酮-乙醇浸提法测定其叶片光合色素(叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)含量，硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量[17].之后整株收获，将葡萄苗根系、茎杆、叶片和土壤分别封装.葡萄苗根系、茎杆、叶片分别用自来水洗净，再用去离子水冲洗3次后，于110 ℃杀青15 min，80 ℃烘干至衡质量，称质量.粉碎过100目筛后分别存放，测定葡萄苗各部分镉含量.土壤样品在干燥阴凉环境下自然风干后研磨过1 mm尼龙筛，pH计测定土壤pH，高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性，苯酚钠-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性，磷酸苯二钠比色法测定土壤碱性磷酸酶活性，3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性，原子荧光光度计测定土壤有效态镉含量[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).转运系数=植物地上部分镉含量/根系镉含量[18].

2 结果与分析

2.1 覆盖富集植物秸秆对葡萄幼苗生物量的影响

由表1可以看出，覆盖猪殃殃秸秆后葡萄幼苗的各部分生物量达到最高，根系、茎杆、叶片和地上部分生物量较未覆盖分别增加了41.10%、79.32%、48.98%和56.30%.另外，覆盖多茎鼠麴草、荠菜和小飞蓬秸秆后葡萄幼苗的各部分生物量较未覆盖也呈现不同程度的增加.覆盖不同富集植物秸秆处理的葡萄幼苗根冠比大小顺序依次为：未覆盖>猪殃殃>多茎鼠麴草>荠菜>小飞蓬，这说明土壤覆盖富集植物秸秆对葡萄地上部分生长的促进作用高于对根系的促进作用，从而使根系的比重降低.

表1 不同覆盖物下葡萄幼苗的生物量

不同小写字母表示不同处理在5%显著水平上差异显著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

2.2 覆盖富集植物秸秆对葡萄幼苗叶片光合色素的影响

由表2可知，土壤覆盖富集植物秸秆后，葡萄幼苗的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量的变化与生物量变化相似，其类胡萝卜素含量均无显著差异.覆盖猪殃殃秸秆后的葡萄幼苗叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量较未覆盖分别增加了8.01%、5.94%和7.29%，但其类胡萝卜素含量减少了5.00%，覆盖多茎鼠麴草和小飞蓬秸秆后的葡萄幼苗应指标均低于未覆盖，而覆盖荠菜秸秆后的葡萄幼苗相应指标较未覆盖分别减少了7.06%、8.53%、7.47%和9.44%.土壤覆盖富集植物秸秆后，葡萄幼苗的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量大小顺序均为：猪殃殃>多茎鼠麴草>未覆盖>小飞蓬>荠菜，类胡萝卜素含量的大小顺序为：多茎鼠麴草>未覆盖>小飞蓬>猪殃殃>荠菜.通过土壤覆盖富集植物秸秆处理的葡萄幼苗叶绿素a/b的值均高于未覆盖.

表2 不同覆盖物下葡萄幼苗的叶片光合色素含量

不同小写字母表示不同处理在5%显著水平上差异显著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

2.3 覆盖富集植物秸秆对葡萄幼苗叶片酶活性的影响

由表3可知，土壤覆盖富集植物猪殃殃秸秆后，葡萄幼苗的SOD、POD和CAT活性均显著高于未覆盖，较未覆盖分别提高了65.82%、77.40%和52.30%.覆盖多茎鼠麴草秸秆的葡萄幼苗SOD活性高于未覆盖但差异不显著，POD活性和CAT活性显著高于未覆盖.覆盖荠菜秸秆的葡萄幼苗SOD、POD和CAT活性均显著低于未覆盖.覆盖小飞蓬秸秆的葡萄幼苗SOD活性较未覆盖有所降低但差异不显著，但其POD活性和CAT活性显著低于未覆盖.覆盖猪殃殃和多茎鼠麴草秸秆后葡萄幼苗的可溶性蛋白含量均高于未覆盖但差异不显著，覆盖荠菜和小飞蓬秸秆后较未覆盖均有所降低.土壤覆盖富集植物秸秆后，葡萄幼苗的丙二醛含量大小顺序依次是：荠菜>小飞蓬>未覆盖>多茎鼠麴草>猪殃殃.

2.4 覆盖富集植物秸秆对葡萄幼苗镉含量的影响

由表4可知，土壤覆盖富集植物秸秆后葡萄幼苗的根系镉含量均显著高于未覆盖，其大小顺序为：荠菜>小飞蓬>多茎鼠麴草>猪殃殃>未覆盖，其中覆盖荠菜秸秆后葡萄幼苗的根系镉含量较对照增加了59.03%.覆盖富集植物秸秆后葡萄幼苗的茎杆、叶片和地上部分镉含量大小顺序均表现为：未覆盖>荠菜>多茎鼠麴草>猪殃殃>小飞蓬，其中覆盖荠菜、多茎鼠麴草、猪殃殃和小飞蓬秸秆后的葡萄幼苗地上部分镉含量分别减少了4.14%、23.92%、27.12%和91.56%.就转运系数而言，其大小顺序为：未覆盖>荠菜>多茎鼠麴草>猪殃殃>小飞蓬.

表3 不同覆盖物下葡萄幼苗的抗氧化酶活性

不同小写字母表示不同处理在5%显著水平上差异显著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

表4 不同覆盖物下葡萄幼苗的镉含量

不同小写字母表示不同处理在5%显著水平上差异显著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

2.5 覆盖富集植物秸秆对土壤酶活性的影响

由表5可知，土壤覆盖多茎鼠麴草秸秆后土壤过氧化氢酶活性较未覆盖升高了1.26%，覆盖荠菜、猪殃殃和小飞蓬秸秆后较未覆盖降低了0.96%、13.12%和22.68%，其大小顺序为：多茎鼠麴草>未覆盖>荠菜>猪殃殃>小飞蓬.土壤覆盖富集植物秸秆后的土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性均显著高于未覆盖.覆盖富集植物秸秆后的土壤脲酶活性大小顺序均为：小飞蓬>多茎鼠麴草>荠菜>猪殃殃>未覆盖.土壤蔗糖酶活性大小顺序均为：小飞蓬>多茎鼠麴草>荠菜>猪殃殃>未覆盖.土壤碱性磷酸酶活性大小顺序均为：小飞蓬>荠菜>猪殃殃>多茎鼠麴草>未覆盖.

表5 不同覆盖物下土壤酶活性

不同小写字母表示不同处理在5%显著水平上差异显著.

Different lowercase letters showed significant difference at 5% significant level between different treatment.

2.6 覆盖富集植物秸秆对土壤有效态镉和pH值的影响

土壤覆盖富集植物秸秆后，葡萄的土壤有效态镉含量均低于未覆盖(图1)，而土壤pH值均高于未覆盖(图2).土壤有效态镉含量大小顺序为：未覆盖>多茎鼠麴草>荠菜>猪殃殃>小飞蓬，依次较未覆盖降低了0.53%、8.00%、11.73%和15.47%.就土壤pH值而言，土壤pH值的大小顺序为：荠菜>多茎鼠麴草>猪殃殃>小飞蓬>未覆盖，依次较未覆盖提高了2.48%、1.61%、1.12%和0.50%.

图1 土壤有效态镉含量Figure 1 Available Cd in soil

图2 土壤pH值Figure 2 Soil pH value

3 讨论

土壤覆盖秸秆后，植物秸秆自身含有的各种矿质元素及有机物会通过腐烂分解释放入土壤中，而土壤养分环境直接作用于植物根系，从而影响植物的代谢活动[19].秸秆在腐烂分解期间，大部分秸秆碳进入土壤而补充到土壤碳库中，改善土壤理化性质[20].王进等[21]发现施用富集植物秸秆能提高水田芥生物量.也有研究发现镉耐性植物秸秆能降低荠菜地上部分生物量[22].本试验中，在镉胁迫条件下，覆盖多茎鼠麴草和猪殃殃秸秆能显著提高葡萄幼苗的各部分生物量，说明覆盖多茎鼠麴草和猪殃殃秸秆能够促进镉胁迫下葡萄幼苗的生长，可能与秸秆所释放的养分有关，但覆盖荠菜和小飞蓬秸秆后葡萄幼苗的各部分生物量较未覆盖均有所降低.

秸秆在分解过程中会释放的一些化感物质，从而可以达到促进或抑制植物光合作用的效果[23-24].有研究发现秸秆还田能够通过延缓叶片衰老从而改善植物的光合特性[25-28].在本试验研究中，土壤覆盖富集植物秸秆后，葡萄幼苗的叶绿素含量大小顺序均为：猪殃殃>多茎鼠麴草>未覆盖>小飞蓬>荠菜，但类胡萝卜素含量的大小顺序为：多茎鼠麴草>未覆盖>小飞蓬>猪殃殃>荠菜.这说明在镉胁迫条件下，土壤覆盖多茎鼠麴草秸秆促进了葡萄幼苗的光合作用，从而促进光合色素的合成.SOD，POD和CAT是植物抗氧化酶系统中重要的保护酶系，可以有效的清除或减少植株体内破坏性自由基.有研究表明，秸秆覆盖镉污染土壤会促进或抑制植物的抗氧化酶活性[10,29].本试验中，土壤覆盖富集植物秸秆后葡萄幼苗的抗氧化酶活性和可溶性糖含量表现与生物量表现一致，这可能是因为富集植物秸秆的化感物质[23-24]可以促进或抑制葡萄幼苗的生理代谢.

有学者研究发现秸秆还田可以原位钝化土壤中的重金属，因为在秸秆还田过程中会产生各种生化反应，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[30-31].张娜等[32]研究发现秸秆灰、秸秆生物炭和秸秆有机肥均能固定土壤中的铅和镉.悦飞雪等[33]研究发现施用秸秆生物炭能显著降低玉米根、茎、叶中镉含量、富集系数和转运系数.本试验研究表明，土壤覆盖富集植物秸秆后，葡萄幼苗根系镉含量均高于未覆盖，覆盖荠菜秸秆时葡萄幼苗的根系镉含量最多.覆盖富集植物秸秆后葡萄幼苗的地上部分镉含量较未覆盖均有所降低，这与根系镉含量表现差异较大，这可能是因为植物对土壤中重金属的吸收主要是集中在根部.覆盖富集植物秸秆后葡萄幼苗的转运系数均低于未覆盖，说明覆盖秸秆抑制了植物根系向地上部分转运的能力.

土壤酶参与土壤微生物生命过程所必需的反应，是评价土壤微生物学的重要指标.秸秆还田后土壤的微生物性状会随秸秆物质组成、还田量及还田方式的不同而变化.大量研究表明秸秆还田可以提升土壤酶活性[34-35].在本试验中，只有覆盖多茎鼠麴草秸秆的土壤过氧化氢酶活性高于未覆盖，覆盖其余3种秸秆的过氧化氢酶活性均低于未覆盖，覆盖秸秆的土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶酶活性均高于未覆盖，这说明覆盖富集植物秸秆均能有效提高土壤酶活性，其中以小飞蓬效果最佳.土壤有效态镉含量与植物所受镉胁迫和土壤pH值直接相关，也直接影响植物的镉吸收.在汤福义[36]等研究中，土壤中施入秸秆会降低土壤pH值，且导致土壤镉有效性的升高.本试验中，土壤覆盖富集植物秸秆较未覆盖提高了土壤pH值，但土壤有效态镉含量较未覆盖均有所降低，这与其他学者的研究一致[7-8]，可能与秸秆腐烂分解后形成的有机质有关[32,34].

4 结论

覆盖富集植物多茎鼠麴草和猪殃殃秸秆均能提高葡萄各器官生物量、叶绿素含量、可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性，覆盖荠菜和小飞蓬秸秆后葡萄幼苗的相应指标较未覆盖有所降低，但覆盖这四种富集植物秸秆均能降低葡萄幼苗茎杆、叶片和地上部分镉含量.此外，土壤覆盖富集植物秸秆后土壤的脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性均高于未覆盖，提高了土壤pH值，也降低了土壤有效态镉含量.因此，土壤覆盖多茎鼠麴草和猪殃殃秸秆能促进镉胁迫下葡萄幼苗的生长，降低葡萄幼苗地上部分镉含量，有利于镉污染土壤中葡萄的安全生产.