鸡粪对铅胁迫下黄瓜幼苗生理特性的缓解效应

史沉鱼，曾小婷

（河池学院化学与生物工程学院，广西宜州 546300）

21 世纪以来，在经济快速发展的同时，大自然中遗留有许许多多的重金属(如Al、Pb 等)，这些重金属既有植物进行正常生理活动的必须微量元素，也有非必须元素。随着全球经济及各个不同行业的高速发展，如交通运输业、重工业等的提升，或者人为因素使农林业遭到大量的破坏和摧毁等，在我国产生的真实重金属污染铅，面积大约20000000hm2[1]。据资料显示，重金属包括汞、镉、铅、砷，微弱毒害性金属元素也一样属于重金属，金属As 因其化学性质和毒害性等都与重金属的性质相类似，也归为重金属[2]，而每年由于重金属污染削减约10 万t 粮食，损失人民币达到200 亿元以上[3]，而铅（Pb）在大自然环境中属于持久性的污染物[4]，是土壤累积率最高的元素[5-6]，重金属铅污染还可以随着介质移动，因为土壤中大多数的微生物不能降解该重金属，从而人们的健康会受到多数重金属直接或间接的影响[7]，由此可见，当今高含量的铅对植物的生长影响非常严重。

黄瓜（Cucumis sadvus L.）作为家喻户晓的蔬菜，是我国发展蔬菜栽培的主要产品种类之一[8]，在人们的生活中必不可少。近年来，园艺类行业不断发展，黄瓜产业逐渐成为周年供应的生产模式[9]，其幼苗的生长影响最终产量，而高浓度的重金属铅抑制黄瓜幼苗的生长，低浓度时作用相反[10]，其生长会受到重金属积累的影响。农作物肥料的类型一般有化学肥料、农家肥、饲料发酵、沼气发酵等[11-14]，在我国众多的有机肥中，鸡粪具有易获得、成本较低、施用便捷的特点，施用鸡粪肥料可提高土壤中有机物的含量[15]，改良土壤性质，使植物在生长过程中得到充足的养分，提高生产品质。鸡粪肥作为农家肥中用量之最，其Pb 含量处于较低水平[16]，虽然重金属含量不高，但是盲目施用粪肥将会弊多利少[17]。适当施用有机肥料，能提高土壤中的矿质元素含量和缓冲能力等，还能降低土壤的微生物含量[18]，当前有学者研究表明，适量的鸡粪施用量可增加辣椒的可溶性蛋白含量、维生素C 含量以及可溶性糖含量，对土壤性质也起到改良作用[19]，除此之外，正确施用鸡粪肥还能改良土壤的酸性，降低黑麦草对Pb 的积累[20]，有效提高作物的产量和品质。鸡粪肥料化的关键在于粪肥的无害化处理，可更大程度地利用资源，减少浪费。本研究采用0g/kg、20g/kg、40 g/kg、60 g/kg、80g/kg 和100g/kg 消毒干鸡粪肥混土，种植400mg/L 的重金属Pb 污染的果香水果黄瓜种子，研究其对种子和幼苗的生长影响，探究施用粪肥对重工业金属环境污染下土壤的改良和植物的抗逆性，对提高农作物产量和安全水平具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

果香水果黄瓜种子，购于宜州城北种子市场。

1.2 试验方法

1.2.1 测定果香水果黄瓜最适醋酸铅含量的胁迫浓度。选取外形饱满、生长均匀的果香水果黄瓜种子若干，55℃蒸馏水浸种15 min，再换为30℃蒸馏水中浸泡6～ 8h，用0.1%HgCl2消毒3min，用无菌水冲洗干净，吸水纸吸去表面水分。从中挑选完好且大小一致的种子20 粒，分别用不同浓度的醋酸铅溶液浸种，每皿溶液大约5mL，不超过种子的1/3，覆盖滤纸。共设6 个处理，重复3 次，每天更换处理液并统计发芽数，以胚根长≥1/2 种长为标准，第3d 测量发芽势，种植前测量发芽率（见表1）。

表1 不同处理的醋酸铅溶液浓度

第4d 后将所有种子种植于装有250g 土的塑料花盆中，每盆5 粒，每个浓度12 盆，共72 盆。25d 左右在每个浓度随机选取30 株水果黄瓜幼苗测量各指标，具体天数视真叶情况而定，根据各指标的显著差异选出重金属Pb 的最适胁迫浓度(指标：根长、株高、单叶面积、单株叶面积、真叶数)。

1.2.2 测定最适鸡粪肥的含量。试验选用规格长×宽×高为10cm×7cm×8.5cm 的花盆，共设6 个处理，每处理3 盆，每盆5 株苗，重复6 次，共计108 盆。消毒干鸡粪添加含量为0（对照）、20、40、60、80 以及100g/kg。

将土壤与各种添加量的消毒干鸡粪混合均匀装入塑料花盆中，每盆净重250g，随机排列于实验室架子上。土壤经吸附沉淀10d 后进行播种，每盆播种5 粒（此处种子经过400mg/L 醋酸铅溶液浸种），每天用称重法加入去离子水补充水分，不添加多余的物质。果香水果黄瓜种植35d 后随机选择各处理中的3 个重复，测定水果黄瓜的生长指标，以及叶片的叶绿素相对含量、可溶性糖含量、叶片可溶性蛋白含量；每个指标至少重复测量10 次，最后以平均数记录其显著差异。采用丙酮提取方法测定叶绿素含量[21]，采用蒽酮显色法测定可溶性糖含量[22]，用考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白[23]。

1.2.3 种植环境。(1)鸡粪为东台市旺德福肥料有限公司生产的消毒发酵干鸡粪肥；（2) 种植器皿规格：10 cm×7cm×8.5cm；（3)土壤理化性：pH 值7，偏碱性，内含腐叶土、酒糟、椰糠、珍珠岩和蛭石；（4)温度条件：室温26℃；（5)光照条件：每天7：00-19：00 给予光照12 h，光照强度为750Lux。

2 结果与分析

2.1 Pb 胁迫下果香水果黄瓜幼苗的生长分析

2.1.1 重金属Pb 对种子萌发的影响。由表2 可知，当Pb 浓度≥200mg/L 时，其对应的溶液都可显著抑制果香水果黄瓜的种子发芽势；在大于200mg/L 的铅溶液浸种下，果香水果黄瓜的平均发芽率显著下降；与对照组相比，400mg/L 的铅溶液浸种后，种子的发芽率和发芽势均达到显著差异；因此本试验后续处理选用铅胁迫浓度为400mg/L。

表2 Pb 对黄瓜种子萌发影响

2.1.2 重金属Pb 对幼苗外形的影响。生物生长的抑制或促进，以及外观形态变化是外界胁迫下最明显可见的症状之一[24-25]，根作为受不良外界环境毒害的第一部位，是非常好的测量指标。由表3 可知，与对照相比，施用一定浓度的Pb 溶液处理，可引起黄瓜幼苗的根长和株高均呈现显著差异(P ＜0.05)，在500mg/L 浓度的铅溶液下，平均根长和平均株高分别为2.12cm 和4.29cm，达到最小值；当铅溶液浓度为400mg/L 时，根长和株高的抑制明显。

表3 Pb 对黄瓜幼苗外观的影响

比较不同铅溶液浓度浸种后的幼苗单叶面积和单株叶面积，当Pb 溶液浓度为0mg/L 时，单叶面积和单株叶面积分别为10.45cm2、15.77cm2，当浓度持续增加至200mg/L 时，与对照组（浓度为0mg/L）之间不存在显著差异，单株叶面积不因添加Pb 而受到影响；持续增加Pb 浓度达400mg/L 时，单株叶面积为最低值；在400mg/L 的铅浓度处理下真叶数目明显被抑制，叶片的数目一旦呈现显著性减少，将会对其本身的生理功能造成一定的影响。

2.2 消毒干鸡粪肥对Pb 胁迫的修复效应

2.2.1 消毒干鸡粪肥对植物外观的效应。由表4 可知，添加不同浓度的消毒干鸡粪肥，对株高的促进作用均不明显。当消毒干鸡粪施用量为80g/kg 时，单叶面积显著增大，为8.80cm2，与添加量为0 的植株单叶面积差异显著(P ＜0.05)，施用一定量的消毒干鸡粪肥会对植物起到促进叶片面积增长的作用。

表4 消毒干鸡粪对幼苗外观的影响

2.2.2 消毒干鸡粪对幼苗生理指标的影响。光合作用必不可少的就是叶绿素，能量转换具有吸收效应，其含量可影响光合作用的光合效率，进一步控制植物体内能量物质的多少等[26]。试验结果表明，添加一定量的消毒干鸡粪肥，随浓度的升高，总叶绿素含量总体呈上升趋势，当消毒干鸡粪添加量超过80g/kg 时，与对照相比，叶绿素a，叶绿素b 和总叶绿素的含量均表现出显著差异(P ＜0.05)，在80 g/kg 和100g/kg 时达道最高（见图1-A）。即在本试验中，当消毒干鸡粪添加量为80g/kg 时，就既能促进叶绿素a 的合成，又能增加叶绿素b 的含量，使叶绿素总含量达最高值，表现出显著差异(P＜0.05)。当添加一定浓度的消毒干鸡粪施添加量时，果香水果黄瓜幼苗的叶片的可溶性糖含量与对照组有不同程度的降低（见图1-B），当施用量高于40g/kg时，黄瓜幼苗叶片的可溶性糖含量和对照组之间显著差异，总之，添加消毒干鸡粪并可引起黄瓜幼苗可溶性糖含量降低。可溶性蛋白含量的大小决定植物叶片的功能和衰老，具有调节和提供营养的功能，可提高细胞的保水能力，对细胞膜也可起到支持和保护作用，免受活氧的伤害[27]，探究果香水果黄瓜的可溶性蛋白含量能较快了解其特性。由图1-C 可知，与对照相比，添加一定浓度的消毒干鸡粪施添加量时，均能引起黄瓜叶片的可溶性蛋白含量升高，当消毒干鸡粪添加量大于80g/kg的时，可溶性含量超过0.54mg/g。

图1 鸡粪对幼苗生理指标的影响

3 讨论

目前关于施用消毒干鸡粪肥对植物生长发育的研究主要为微生物发酵、微生物降解技术、沼气发酵以及畜牧业，还有的是分析研究各地不同鸡粪肥的含量，有关鸡粪肥是否对种植于重金属污染土壤的植物有修复作用的研究较少，薛同宣等[28]用无抗养殖鸡粪与化肥混施研究了玉米的生长，研究表明，40%无抗养殖鸡粪与60%化肥一起施用效果最好。在湘西地区常用发酵鸡粪堆肥，经济实惠，对于该地需求量高的黑麦草种植而言，施用发酵鸡粪能更有效地降低其对Pb 积累，施用发酵鸡粪对土壤碱性磷酸酶活性、脱氢酶活性和脲酶活性有显著的促进作用等[29]。植物的各项指标能有效表示该地土壤的存在问题，重金属污染植物的修复问题正在进一步收到重视。

在本试验中，以果香水果（Cucumis sadvus L.）为试验材料，醋酸铅的浓度代表重金属Pb 的污染程度，消毒干鸡粪肥作为“修复剂”，研究不同浓度的消毒干鸡粪混土后，对最适Pb 胁迫下果香水果黄瓜幼苗的生长影响，预试验后的研究结果表明，0mg/L、100mg/L、200 mg/L、300mg/L、400mg/L、500mg/L 浓度的Pb 溶液对果香水果黄瓜的种子和幼苗都不同程度的影响，随着Pb浓度的增加，其发芽势，发芽率，株高，叶面积等整体呈下降趋势。已有研究表明，铅胁迫对水果黄瓜幼苗生长的影响可从幼苗根长、株高、叶片面积上反应出来[30]，与本实验也验证了这一点。试验结果还显示，400 mg/L 的铅浓度胁迫对幼苗的生长变化表现出较明显抑制效应。随着消毒干鸡粪的添加量增加，不影响果香水果黄瓜的株高，但单叶面积和单株叶面积呈逐渐增加的趋势，添加量为80g/kg 时叶面积达到最大。

消毒干鸡粪肥的使用对水果黄瓜幼苗的生理特性的影响主要体现在水果黄瓜幼苗可溶性蛋白的含量[30]、叶绿素含量以及可溶性糖的含量。在探究叶绿素含量的试验中，和对照相比，在消毒干鸡粪添加量高于80g/kg后，叶绿素的合成具有促进作用，使叶绿素总含量达最大值，分析叶绿素含量升高原因，可能是施加适量的消毒干鸡粪肥能促进相关酶作用，加速叶绿素前体的合成，促进叶绿素合成，从而增加了叶绿素含量。

已有研究表明，可溶性糖不仅是植物代谢的重要产物之一，它还作为植物感知信号与Ca2+调节的蛋白激酶参与不同途径的信号转导，其含量的高低也影响植物的生长发育，通过本次实验研究表明，消毒干鸡粪肥能引起黄瓜幼苗叶片可溶性糖含量的降低，这与闫艳华等[31]的研究结果一致。在消毒干鸡粪肥添加量浓度高于80g/kg 时，果香水果黄瓜可溶性蛋白含量与对照组差异显著。分析产生以上结果的原因可能是可溶性蛋白的增加和积累能提高细胞的保水能力，对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用，从而通过负反馈调节可溶性糖的含量。推测原因可能是该浓度下鸡粪改善土壤肥力效果佳，其含有的养分丰富，不仅能够为果香水果黄瓜提供养分来源，还可以提高土壤的团粒结构，增加微生物的活动，为其生长提供了良好的土壤环境，从而促进水果黄瓜的生长，对吸收的重金属产生“稀释效应”[32]，减轻重金属Pb 胁迫，但消毒干鸡粪肥对果香水果黄瓜的具体影响机制有待研究，对实际生产中的应用需进一步挖掘。

4 结论

在探究果香水果黄瓜最适胁迫浓度时，400mg/L 的铅浓度溶液能显著抑制种子的发芽、幼苗的根长、株高、真叶数目、叶片面积，水果黄瓜幼苗的生长指标影响光合作用以及蛋白质的合成等；添加消毒干鸡粪后，不同浓度对果香水果黄瓜的株高没有影响；随着消毒干鸡粪混合土壤的浓度升高，黄瓜幼苗叶片叶面积，叶绿素含量、可溶性蛋白含量总题呈上升趋势，叶片可溶性糖的含量有降低趋势。其中80g/kg 的添加量即能有效促进幼苗本身的生理生长，也能引起叶绿素、可溶性糖和可溶性蛋白等渗透调节物质的显著变化以缓解逆境胁迫引起的损伤。因此，添加一定量的消毒干鸡粪对重金属Pb 胁迫下的果香水果黄瓜生长和生理功能起到修复作用，为粪肥对重工业金属环境污染下土壤的改良和植物的抗逆性，对提高农作物产量和安全水平具有重要意义。