种植密度、施肥及种植方式对紫苏铜富集能力的影响

陈 楠, 黄明田, 郑新宇,2, 肖清铁,2, 林瑞余,2

(1.福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002;2.作物生态与分子生理学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

重金属可通过植物的富集作用进入食物链并在人体内累积而威胁人体健康[1]。铜虽是必需的微量元素，但过量的铜会影响细胞的代谢和离子平衡，对动、植物产生毒害作用[2]。作物吸收与积累重金属的能力在种间呈现显著差异，我国已经筛选出铜低积累的茄子、西红柿、茼蒿、油白菜等作物[3]。作物对重金属的吸收和富集受栽培方式、施肥方式等影响[4]，施用氮肥会显著提高小麦籽粒中的铜含量[5]；增加种植密度和延长生长期能降低春小麦的重金属积累[6]；施用菌肥能增强铜在玉米根部的富集，降低籽粒的铜含量[7]；施用有机肥可提高作物可食部位的铜、锌、镉、铅含量，其含量高低与施用有机肥的种类与用量、土壤类型、土壤pH及作物种类等有关[8]；有机肥与无机肥配施能减少铜向番茄根际迁移[9]；栽培管理方式显著影响作物体内的鳌合铁、锰、铜、锌含量[10]，但有关育苗移栽与直播等综合措施影响作物重金属富集作用的研究还较少。

紫苏[Perillafrutescens(L.) Britt] 是唇形科1年生草本植物，具特异芳香，是我国传统的药食、油料作物，栽培历史近2 000年[11-12]。紫苏营养价值极高，紫苏籽富含α-亚麻酸，具有预防心血管疾病和抗癌作用[13]；紫苏叶富含类胡萝卜素、迷迭香酸、多酚、黄酮、紫苏醛、多糖等生物活性物质，具抗氧化、防衰老、抗菌消炎、防过敏及抗肿瘤等多种生理功能[13-15]；紫苏嫩叶常被用作蔬菜或茶叶，其加工产品作为佐料大量出口国外[13]。但一些研究表明，紫苏具有较强的镉、铜耐性[2]及重金属富集能力[15-16]。在铜含量较高的环境中种植紫苏，具有食、药用的潜在危险。为此，本研究探讨了栽培措施对紫苏铜吸收能力的影响，以期为其安全栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地设在福建省上杭县现代农业示范基地，试验地概况、试验安排及紫苏的栽培管理方案参见文献[14]。试验地土壤铜质量分数为31.9 mg·kg-1。采用随机区组设计，设置以下处理。(1)种植密度：株行距30 cm×20 cm (D1)、25 cm×20 cm (D2)和20 cm×20 cm (D3)；(2)施肥方式：有机肥(F1)、复合肥(F2)和混合施肥(F3)；(3)种植方式：育苗移栽(P1)、直播(P2)。各小区10 m2，各处理3次重复。在成熟期，各小区随机采集3株紫苏，测定生物量及各部位铜含量。

1.2 生物量及铜含量测定

1.2.1 生物量 各小区采集紫苏3株。采样时将紫苏整株取出，去除土壤并洗净根部。将植株分为根、茎叶及籽粒3个部位，经105 ℃杀青1 h后，72 ℃烘干48 h，测定干重。生物量以干重表示。干样经粉碎、过60目筛后，用于测定铜含量。

1.2.2 铜含量 采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定，测试样品采用微波消解法制备[16]。紫苏地上部、全株铜含量为加权平均值。计算铜富集系数(bioconcentration factor, BCF)、转运系数(translocation factor, TF)和富集量。BCF=地上部铜含量/土壤中铜含量；TF=地上部铜含量/根部铜含量；富集量=铜含量×生物量[16]。

1.3 统计与分析

应用EXCEL 16.0软件处理数据，结果以“平均值±标准偏差”表示；统计分析采用SSPS 23.0软件进行，采用LSD法进行差异显著性检验(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 栽培措施对紫苏各部位铜含量的影响

由表1可见，不同种植密度、施肥方式和种植方式处理的紫苏铜含量均存在显著差异(P<0.05)。紫苏根、茎叶、地上部及全株的铜含量在种植密度与施肥、种植密度与种植方式、施肥与种植方式及三者间均具显著的互作效应(P<0.05)，而籽粒在种植密度与施肥、种植密度与种植方式、施肥与种植方式及三者间互作效应不显著(P>0.05)。从表2可见，不同栽培措施下紫苏根、茎叶、籽粒、地上部及全株铜含量分别在33.6～42.2、26.1～73.9、34.2～43.0、27.3～70.6、29.8～65.4 mg·kg-1之间，各部位铜含量依次为：茎叶(40.5 mg·kg-1)>籽粒(38.3 mg·kg-1)≈根(37.5 mg·kg-1)。

表1 紫苏不同部位铜含量方差分析1)Table 1 ANOVA of copper content in different parts of P.frutescens

表2 不同处理紫苏铜含量1)Table 2 Copper content of P.frutescens plants under different treatments mg·kg-1

2.1.1 单一措施 (1)种植密度。D3处理(株行距为20 cm×20 cm)紫苏茎叶、籽粒、地上部及全株铜平均含量分别为48.4、40.3、47.5、45.6 mg·kg-1，分别比D1处理(株行距为30 cm×20 cm)高34.3%、8.9%、31.6%、24.5%，比D2处理(株行距为25 cm×20 cm)高30.0%、6.7%、27.5%、22.7%。D1处理根部铜平均含量为39.3 mg·kg-1，分别比D2(36.6 mg·kg-1)、D3(36.6 mg·kg-1)高7.4%和7.5%。(2)施肥方式。F2处理(45%复合肥)紫苏茎叶、籽粒、地上部及全株铜平均含量分别为44.0、39.3、43.6、42.7 mg·kg-1，分别比F1(有机肥)高20.2%、3.4%、18.6%、15.4%，比F3(混合施肥)高7.6%、4.6%、7.5%、7.2%，F1处理根铜平均含量为38.1 mg·kg-1，分别比F2(37.8 mg·kg-1)、F3(36.1 mg·kg-1)高0.7%和5.5%。(3)种植方式。P2处理(直播)紫苏茎叶、籽粒、地上部及全株铜的平均含量分别为41.0、40.4、40.9、40.2 mg·kg-1，分别比P1处理(育苗移栽)高2.4%、11.1%、3.0%、1.7%。P1处理(育苗移栽)紫苏根铜平均含量为38.6 mg·kg-1，比P2处理(36.4 mg·kg-1)高6.0%。

2.1.2 组合措施 从表2可以看出，紫苏根部铜含量以D1F2P1处理最高(42.2 mg·kg-1)，D2F3P2处理最低(33.6 mg·kg-1)；茎叶铜含量以D3F2P1处理最高(73.9 mg·kg-1)，D2F1P2处理最低(26.1 mg·kg-1)；籽粒铜含量以D2F2P2处理最高(43.0 mg ·kg-1)，D2F2P1处理最低(34.2 mg ·kg-1)；地上部及全株铜含量均以D3F2P1处理最高，分别为70.6、65.4 mg·kg-1，D2F1P2处理最低，分别为27.3、29.8 mg·kg-1。

2.2 栽培措施对紫苏铜BCF和TF的影响

从图1可见，紫苏的铜富集能力较高， BCF在0.86～2.21之间，均值为1.26；铜转运能力也较高， TF在0.70～1.79之间，均值为1.08。方差分析表明，BCF在不同种植密度、施肥方式及种植方式之间存在显著差异，表现为：D3>D1>D2、F2>F3>F1、P2>P1；TF在种植密度、施肥方式及种植方式间也存在显著差异，表现为：D3>D2>D1、F2>F1>F3、P2>P1。从不同组合措施的影响来看，BCF以D3F2P1处理最高(2.21)，显著高于其他处理(P<0.05)，D2F1P2处理最低(0.86)；TF以D3F3P2处理最高(1.79)，与D3F2P1处理(1.73)无显著差异，且两者显著高于其他处理(P<0.05)，D2F1P2处理最低(0.70)。

2.3 栽培措施对紫苏铜富集量的影响

方差分析(表3)表明，施肥方式显著影响紫苏的铜富集量，种植密度、种植方式显著影响根、茎叶、地上部和全株的铜富集量，但对籽粒的铜富集量无显著影响(P>0.05)。籽粒铜富集量在不同栽培措施间无显著的互作效应(P>0.05)。

表3 紫苏不同部位铜富集量、分配比的方差分析1)Table 3 ANOVA of copper accumulation and distribution ratio in P.frutescens under different treatments

从表4可见，不同处理紫苏铜富集量在61.3～173.0 g·hm-2之间，平均115.0 g·hm-2，表现出较高的富集能力。D3处理紫苏根部的铜富集量为85.5 g·hm-2，显著高于D2(78.4 g·hm-2)和D1(64.9 g·hm-2)处理；D3处理紫苏茎叶的铜富集量为56.6 g·hm-2，显著高于D2(33.0 g·hm-2)和D1(15.1 g·hm-2)处理。F1处理紫苏的铜富集量为101.6 g·hm-2，显著低于F2(123.2 g·hm-2)和F3(120.1 g·hm-2)处理。P2处理紫苏根部的铜富集量为82.5 g·hm-2，显著高于P1处理(70.0 g·hm-2)；P2处理紫苏茎叶的铜富集量为37.9 g·hm-2，显著高于P1处理(31.9 g·hm-2)。由表4可见，不同栽培措施组合处理以D3F2P2的铜富集量最大，达173.0 g·hm-2，而D1F1P1处理的铜富集量最小，为61.3 g·hm-2，前者是后者的2.82倍。

表4 不同处理紫苏铜富集量1)Table 4 Copper accumulation in P.frutescens under different treatments g·hm-2

2.4 栽培措施对紫苏铜分配的影响

方差分析表明，种植密度和施肥方式显著影响铜在紫苏根、茎叶的分布(P<0.05)；种植方式对铜在茎叶和籽粒中的分配比影响较大，但不影响其在根中的分配比(表3)。从图2可见，铜在紫苏各部位的分配比为：根>茎叶>籽粒，根部的比例在48.3%～80.3%之间，茎叶在15.0%～47.8%之间，籽粒在1.4%～6.6%之间。D1、D2和D3处理富集的铜分配到紫苏根的比例依次为77.8%、68.5%和59.1%，茎叶为17.9%、28.0%和38.2%，籽粒为4.3%、3.4%和2.7%；F1、F2和F3处理富集的铜分配到紫苏根的比例依次为72.1%、67.1%和66.1%，茎叶为25.8%、29.4%和28.9%，籽粒为2.0%、3.4%和5.0%；P1和P2处理富集的铜分配到紫苏根的比例分别为68.5%和68.4%，茎叶为27.7%和28.4%，籽粒为3.8%和3.1%。

3 讨论与结论

3.1 紫苏铜富集能力及其食用安全风险

紫苏在我国种植广泛，具有多方面的用途及较高的经济价值，其重金属污染风险也是人们关注的问题。在田间条件下，紫苏表现出较强的镉富集能力[16]，但其铅富集能力较低[14]。本研究发现，在土壤铜含量为31.9 mg·kg-1条件下，不同栽培措施处理下紫苏全株铜的含量为29.8～65.4 mg·kg-1，地上部铜含量为27.3～70.6 mg·kg-1，根部铜含量为33.6～42.2 mg·kg-1，其铜含量未达到超富集植物标准，不属于超富集植物[17-18]，但其铜BCF在0.86～2.21之间，均值为1.26， TF在0.70～1.79之间，均值为1.08，BCF和TF均值大于1，表明紫苏具有一定的铜富集能力[17-18]。紫苏茎叶、籽粒的铜含量分别为26.1～73.9、34.2～43.0 mg·kg-1，高于蔬菜类铜含量的国家最高限量(10.0 mg·kg-1)。因此，将铜含量较高的土壤上种植的紫苏作为蔬菜食用，具有较高的安全风险。紫苏作为佐料或药材使用，其摄入量及安全风险有待进一步评估。

3.2 栽培措施对紫苏铜富集能力的影响

作物对重金属的吸收受多方面因素的影响，如重金属种类、存在形态、重金属间的交互作用、土壤利用类型[19-20]、土壤条件、作物品种与基因型[21-23]、生态类型[21]等。杨肖娥等[24]研究表明，作物可通过根系分泌质子、螯合配体等方式活化土壤中的重金属，促进重金属通过质外体或共质体途径进入根系，贮存于根系或继续向上运输到地上部，实现在作物中的富集。栽培措施能够改变作物的生长环境，进而影响作物对重金属的吸收与转移[25]。种植密度是影响作物群体质量与产量的关键因子之一，合理密植是提高作物产量的关键。密度太高易导致作物群体通风不良，造成水分、养分、光照等资源的竞争，从而改变光合产物的合成与分配[26]。种植密度的增大一般会导致作物间的竞争加剧，引起水分蒸腾加剧，从而导致作物吸收更多的重金属，并通过质体流途径分配到作物不同部位[26-27]。马新旺[6]发现，种植密度增大可降低春小麦重金属的积累。但本研究发现，紫苏根部铜含量随种植密度的升高而降低，铜累积量则随种植密度的升高而增大。紫苏茎叶、籽粒、地上部及全株铜含量随种植密度的增大而升高，且茎叶、地上部及全株的铜累积量也随种植密度的增大而增大，这与施亚星等[27]模拟研究发现植物地上部重金属含量随着种植密度的增大而升高的结论相一致。

施肥是农业生产中调控作物生长、产量与品质的重要措施，不同的施肥处理通常能够影响作物对重金属的吸收[28]。施用氮肥能降低土壤的pH值，增加土壤中重金属溶解度，促进植物对重金属的吸收；施用磷肥能沉淀土壤中的重金属离子，降低其有效性以减轻污染[29]；施用有机肥会改变土壤中铜的形态[30]，使重金属污染土壤中的有机质含量、全氮及全磷含量、脲酶和过氧化氢酶活性提高，并使土壤pH值和全钾含量下降[31]，从而影响作物的重金属吸收。这与施肥改变了土壤溶液的离子组成、阳离子交换量及其pH值等，进而影响土壤重金属的生物有效性有关[29]。李峰等[5]发现,施用氮肥的小麦籽粒锌、铜含量均显著高于不施氮肥的;王美等[8]发现,施用有机肥可提高作物体内Cu、Zn、Cd、Pb的含量;周慧等[29]发现,施复合肥会使土壤的有效铜含量升高，提高作物对铜的吸收。本研究发现，施肥显著影响紫苏根、茎叶、籽粒、地上部和全株的铜含量与铜富集量。施用复合肥显著提高紫苏对铜的吸收与积累，施用有机肥能提高紫苏根部的铜含量，该结果与前人的研究结论相一致。这也与施肥显著影响紫苏的籽粒千粒重、产量，有机肥与复合肥混施下紫苏产量最高，导致生物量对紫苏体内的重金属含量具有稀释效应有关[32]。

种植方式显著影响紫苏的生长与产量、各部位的铜含量以及根、茎叶、地上部和全株的铜富集量。直播的紫苏根、茎叶、地上部及全株铜的积累分别比移栽处理高出17.9%、18.6%、17.2%、17.6%，这与肖清铁等[16]发现移栽的紫苏的镉富集量显著低于直播紫苏的结果相一致。移栽的作物对土壤中重金属的富集能力低于直播的作物，说明在生产实践中，使用移栽的种植方式在一定程度上可以降低作物对重金属的吸收。

3.3 栽培措施对紫苏铜分配作用的影响

栽培措施能够显著影响作物的生长环境，从而影响重金属在土壤—作物系统中的吸收、迁移和积累，改变重金属在作物各部位间的分配[27]。本研究表明，种植密度能够显著影响铜在紫苏根和茎叶中的分配比例，施肥方式显著影响铜在紫苏各个部位的分配，种植方式则显著影响铜在茎叶和籽粒中的分配。种植密度较低的D1处理紫苏根部铜分配比显著高于密度较高的D2和D3处理，而D3处理的茎叶铜分配比显著高于D1和D2，表明随着密度的增大，促进了铜在地上部的积累。高密度种植提高了单位面积紫苏茎叶的生物量，可能导致根部铜分配比的下降[32]。F2处理紫苏茎叶的铜分配比显著高于F1和F3处理，F3处理紫苏籽粒的铜分配比显著高于F1和F2，表明施用复合肥能够显著提高紫苏食用部位的铜分配比。种植方式对紫苏根部的铜积累量无影响，P1处理紫苏茎叶的铜分配比显著高于P2，而其籽粒的铜分配比显著低于P2处理，这表明移栽种植显著影响铜从紫苏根部向地上部转运。