彭 麟，陳發(fā)波，黃佳璟，溫 鏗，廖明安，林立金，蔣 偉，李華雄

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，成都 611130；2.長(zhǎng)江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 408100；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬研究所，成都 611130；4.成都師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，成都 611130；5.四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院林果研究所，四川內(nèi)江 641000）

植物修復(fù)技術(shù)是一種新型環(huán)保生物技術(shù)，它通過(guò)利用可富集重金屬的植物來(lái)吸收和積累環(huán)境中的重金屬污染物，達(dá)到降低毒害的作用[1]。它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在成本相對(duì)較低，對(duì)土壤環(huán)境的影響較小，效果持久，并且可以美化環(huán)境[2]。但是由于天然富集植物的生長(zhǎng)速率和生物量限制，目前植物修復(fù)效率不高[3]。如何提高植物修復(fù)效率成為目前研究的難點(diǎn)，前人的研究中已經(jīng)討論過(guò)一些方法[4]，如秸稈還田[5]。由于土壤微生物的作用，秸稈中的營(yíng)養(yǎng)成分和氮、磷、鉀等元素緩慢釋進(jìn)入土壤中，改善了土壤營(yíng)養(yǎng)條件[6]。徐國(guó)偉等[7]的研究表明秸稈還田也能促進(jìn)作物對(duì)氮素的吸收，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高其產(chǎn)量。王璞等[8]的研究表明，小麥產(chǎn)生的3種化感物質(zhì)p-HA、VA和FA殘留會(huì)抑制棉花發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)。以上結(jié)果都表明秸稈腐解產(chǎn)生的化感物質(zhì)會(huì)對(duì)其他植物根系產(chǎn)生影響，從而影響其他植物的生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)，秸稈腐解往往會(huì)釋放出一定量的有機(jī)酸，導(dǎo)致土壤pH值降低，進(jìn)一步提高土壤重金屬的生物有效性[9-11]。就植物修復(fù)而言，施用秸稈可影響鎘富集植物薺菜[12-13]和鎘超富集植物牛膝菊[14]的鎘提取量。

硫華菊（Cosmos sulphureus）是菊科秋英屬的一年生草本花卉，也是一種鎘富集植物[15]。與其他鎘超富集植物龍葵（Solanum nigrum）[16]豨和 薟（Siegesbeckia orientalis）[17]相比，硫華菊的鎘提取能力較小。鑒于此，為了進(jìn)一步提高硫華菊的鎘提取能力，本研究將常見(jiàn)農(nóng)作物水稻、小麥、油菜和蠶豆秸稈覆蓋于種植了硫華菊的鎘污染土壤表面，通過(guò)硫華菊生物量和鎘積累量等相關(guān)生理指標(biāo)的檢測(cè)，篩選出能促使硫華菊鎘提取的覆蓋秸稈種類，為提高硫華菊對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)能力提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為紫色土，取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)田（29°59′N，102°59′E），該農(nóng)田位于四川省雅安市雨城區(qū)，平均海拔620 m，亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫16.2℃，平均降雨量1 743.3 mm，平均日照1 035 h，平均蒸發(fā)量1 011.2 mm。農(nóng)田土壤的pH值為6.94，有機(jī)質(zhì)43.64 g/kg，全氮3.63 g/kg，全磷 0.38 g/kg，全鉀 17.54 g/kg，全鎘 0.103 mg/kg，堿解氮 195.00 mg/kg，速效磷 6.25 mg/kg，速效鉀191.13 mg/kg，有效態(tài)鎘0.022 mg/kg[18]。水稻、小麥、油菜和蠶豆秸稈于2014年9月—2015年5月采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)田。將采集到的作物秸稈于110℃殺青15 min，75℃烘干至恒重，剪碎至1 cm左右，備用。硫華菊種子于2015年4月直接撒播于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場(chǎng)花卉苗圃基地。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2015年4—6月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。2015年4月，將土壤風(fēng)干、壓碎、過(guò)5 mm×5 mm篩后，分別稱取3.0 kg裝于15 cm×18 cm（高×直徑）的塑料盆內(nèi)，加入分析純CdCl2·2.5H2O溶液，使其鎘濃度為10 mg/kg[14]，并與土壤充分混勻，保持濕潤(rùn)，自然放置平衡4 w后再次混合備用。2015年5月，從四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場(chǎng)花卉苗圃基地采集生長(zhǎng)一致的4對(duì)真葉展開(kāi)的硫華菊幼苗直接移栽至盆中，每盆2株，并將處理好的作物秸稈分別覆蓋于土壤表面，覆蓋量為每盆6 g，即每千克土2 g，混勻，澆水保持土壤濕潤(rùn)，每天澆水以保持盆中土壤的田間持水量約為80%。試驗(yàn)共計(jì)5個(gè)處理：未覆蓋秸稈（CK）、覆蓋水稻秸稈、覆蓋小麥秸稈、覆蓋油菜秸稈和覆蓋蠶豆秸稈，每個(gè)處理重復(fù)6次。60 d后硫華菊處于盛花期，采用丙酮-乙醇提取法測(cè)定葉片光合色素（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素）含量[19]之后，整株收獲，將植物根系、莖稈、葉片和土壤分別封裝。植物器官分別用自來(lái)水洗凈，再用去離子水沖洗3次后，于110℃殺青15 min，75℃烘干至恒重，稱重，粉碎。植物樣品用硝酸-高氯酸（體積比為4∶1）放置12 h后消化至溶液透明，過(guò)濾，定容至50 mL，用iCAP 6300型ICP光譜儀測(cè)定（Thermo Scientific，USA）鎘含量[20]。土壤樣品風(fēng)干后，過(guò)1 mm×1 mm篩，采用pH計(jì)測(cè)定土壤pH值，采用DTPA-TEA浸提法測(cè)定土壤有效鎘含量[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析（方差分析顯著后采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較）。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量[21]，轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)（TAF）=（地上部鎘含量×地上部分生物量）/（根系鎘含量×根系生物量）[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫華菊的生物量

從表1可以看出，在不同覆蓋物處理?xiàng)l件下，硫華菊的根系、莖稈、葉片及地上部分生物量均低于未覆蓋處理，說(shuō)明秸稈覆蓋在不同程度上減弱了硫華菊的生長(zhǎng)。在覆蓋物分別為水稻秸稈、小麥秸稈、油菜秸稈、蠶豆秸稈時(shí)，硫華菊的根系生物量分別降低了 9.76%（P＜0.05），12.09%（P＜0.05），24.18%（P＜0.05），21.74%（P＜0.05），地上部分生物量分別較未覆蓋降低了 0.72%（P＞0.05），2.64%（P＞0.05），16.70%（P＜0.05），12.08%（P＜0.05）。說(shuō)明 4 種秸稈覆蓋處理中，水稻秸稈覆蓋處理對(duì)硫華菊生長(zhǎng)的影響較小，而小麥、油菜、蠶豆秸稈覆蓋處理對(duì)硫華菊生長(zhǎng)的影響較大，其中油菜秸稈覆蓋對(duì)硫華菊生長(zhǎng)影響最大。就根冠比而言，4種覆蓋物處理均較未覆蓋有所降低，這說(shuō)明覆蓋作物秸稈對(duì)硫華菊根系影響比對(duì)硫華菊地上部分影響更大。

表1 硫華菊的生物量Table1 Biomass of Cosmos sulphureus

2.2 硫華菊的光合色素含量

在秸稈覆蓋處理下，硫華菊葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量均低于未覆蓋（見(jiàn)表2）。具體表現(xiàn)為，與未覆蓋相比，水稻、小麥、油菜和蠶豆秸稈覆蓋的硫華菊葉綠素a分別降低了1.22%（P＞0.05）、8.33%（P＞0.05）、14.45 （P＜0.05）、9.39%（P＜0.05），葉綠素 b分別降低了 4.03%（P＞0.05）、6.80%（P＞0.05）、26.20%（P＜0.05）、10.33%（P＞0.05）；類胡蘿卜素分別降低了 7.16%（P＜0.05）、14.99%（P＜0.05）、23.94%（P＜0.05）、17.00%（P＜0.05）。綜合來(lái)看，秸稈覆蓋對(duì)硫華菊光合色素的生成有抑制作用，且油菜秸稈覆蓋對(duì)硫華菊光合色素的抑制作用最為明顯。

表2 硫華菊光合色素含量Table2 Photosynthetic pigment content in Cosmos sulphureus

2.3 硫華菊的鎘含量

用水稻秸稈覆蓋，硫華菊根系、莖稈、葉片及地上部分的鎘含量均有所降低，而小麥秸稈、油菜秸稈、蠶豆秸稈增加了硫華菊各器官鎘含量（見(jiàn)表3）。油菜秸稈覆蓋時(shí)硫華菊鎘含量增加最顯著，其根系、莖稈、葉片及地上部分的鎘含量分別高出未覆蓋 13.82%（P＜0.05）、45.60%（P＜0.05）、103.38%（P＜0.05）和 58.51%（P＜0.05）。這說(shuō)明水稻秸稈覆蓋抑制了硫華菊對(duì)土壤鎘的吸收，而小麥秸稈、油菜秸稈和蠶豆秸稈則促進(jìn)了硫華菊對(duì)土壤鎘的吸收。硫華菊轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）的大小順序?yàn)椋河筒私斩挘拘←溄斩挘拘Q豆秸稈＞未覆蓋＞水稻秸稈，這說(shuō)明水稻秸稈覆蓋還抑制了鎘從硫華菊根系向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，而小麥、油菜和蠶豆秸稈則促進(jìn)了鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)。

表3 硫華菊的鎘含量Table3 Cadmium content in Cosmos sulphureus

2.4 硫華菊的鎘積累量

用水稻秸稈覆蓋，硫華菊根系、莖稈、葉片及地上部分的鎘積累量均有所降低，而小麥秸稈、油菜秸稈、蠶豆秸稈覆蓋時(shí)除根系外各部分鎘積累量均有所增加（見(jiàn)表4）。硫華菊莖稈及地上部分鎘積累量的大小順序?yàn)橛筒私斩挘拘←溄斩挘拘Q豆秸稈＞未覆蓋＞水稻秸稈，葉片中鎘積累量蠶豆秸稈＞小麥秸稈。油菜秸稈覆蓋時(shí)硫華菊鎘積累量增加最顯著，其莖稈、葉片及地上部分鎘積累量分別較未覆蓋增加了 23.49%（P＜0.05）、65.54%（P＜0.05）和 32.04%（P＜0.05）。就轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)而言，水稻覆蓋硫華菊TAF降低，而小麥秸稈、油菜秸稈、蠶豆秸稈覆蓋后硫華菊TAF升高，油菜秸稈覆蓋后TAF最高。

表4 硫華菊的鎘積累量Table4 Cadmium accumulation of in Cosmos sulphureus

2.5 土壤pH值及有效態(tài)鎘含量

水稻秸稈覆蓋后土壤pH值升高65.54%（P＜0.05），小麥秸稈覆蓋土壤pH值降低65.54%（P＜0.05），油菜和蠶豆覆蓋土壤pH值變化不顯著（見(jiàn)圖1）。不同秸稈覆蓋后，土壤中有效態(tài)鎘含量均發(fā)生變化（見(jiàn)圖2）。水稻秸稈覆蓋土壤有效態(tài)鎘含量降低65.54%（P＜0.05），油菜覆蓋使土壤中有效態(tài)鎘含量升高65.54%（P＜0.05），小麥和蠶豆秸稈覆蓋后土壤有效態(tài)鎘含量變化不顯著。

3 討論與結(jié)論

圖1 土壤pH值Figure1 Soil pH value

農(nóng)作物的秸稈含有豐富的有機(jī)質(zhì)和大量的碳、氮、磷、鉀等元素，還田后這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放到土壤中，能夠有效地改善土壤水分和養(yǎng)分環(huán)境，利于作物生長(zhǎng)[6]。在陸文龍等[23]的試驗(yàn)中，秸稈還田促進(jìn)玉米株高增長(zhǎng)，提高葉寬和單穗籽粒重。在本試驗(yàn)中，鎘脅迫條件下，土壤覆蓋4種作物（水稻、小麥、油菜和蠶豆）秸稈后，硫華菊根系及地上部分的生物量均低于未覆蓋，這說(shuō)明4種秸稈在分解的過(guò)程中，提高土壤肥力的同時(shí)可能釋放出了某些化感物質(zhì)抑制了硫華菊的生長(zhǎng)。

圖2 土壤有效態(tài)鎘含量Figure2 Soil available cadmium content

植物對(duì)光能的利用離不開(kāi)葉綠素和類胡蘿卜素。高青海等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能提高了黃瓜葉片葉綠素含量和光合速率，提高了光能利用效率。根據(jù)劉義國(guó)等[25]的研究，秸稈還田改變了土壤和水分環(huán)境，加強(qiáng)了小麥旗葉的總體光合效應(yīng)從而提高了光合速率，同時(shí)還減緩了小麥籽粒形成后期葉綠素的降解。劉陽(yáng)等[26]發(fā)現(xiàn)適量的玉米秸稈（9 000 kg/hm2）還田有利于小麥光合色素積累，但過(guò)量的玉米秸稈還田反而會(huì)促進(jìn)了葉綠素a和葉綠素b的降解。這是因?yàn)檫m量的秸稈還田能夠增加土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氮、磷、鉀等元素的含量，利于植株生長(zhǎng)和葉綠素的合成，但過(guò)量的秸稈還田會(huì)造成氮素和其他養(yǎng)分的大量流失。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在鎘污染條件下，覆蓋作物秸稈后，硫華菊的葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素含量均低于未覆蓋，其中以覆蓋油菜秸稈光合色素含量最低。可能是由于加入秸稈過(guò)量，從而促進(jìn)了葉綠素降解，減弱硫華菊的光合作用，最終抑制硫華菊的生長(zhǎng)。

植物對(duì)重金屬的吸收受土壤中重金屬生物有效性的影響，而生物有效性又與重金屬的化學(xué)形態(tài)有關(guān)，二者都能改變植物對(duì)其的吸收[27]。A.Tessier等[28]認(rèn)為，重金屬的交換態(tài)在土壤中移動(dòng)性最強(qiáng)，易被植物吸收，因此通常被認(rèn)為是重金屬的活性態(tài)。單玉華等[29]研究表明，小麥和水稻秸稈在淹水條件下促進(jìn)了鎘和銅的溶出，增加了這兩種重金屬元素的生物有效性。本試驗(yàn)研究表明，覆蓋小麥和油菜秸稈降低了土壤pH值，提高了土壤有效態(tài)鎘含量，而覆蓋水稻和蠶豆秸稈則提高了土壤pH值，降低了土壤有效態(tài)鎘含量，這可能與不同秸稈釋放的有機(jī)酸的數(shù)量及種類不同有關(guān)[29]。就硫華菊植株鎘含量而言，覆蓋小麥、油菜和蠶豆秸稈均提高了硫華菊地上部分鎘含量，但覆蓋水稻秸稈則降低了硫華菊地上部分鎘含量。硫華菊地上部分鎘積累量表現(xiàn)出類似的規(guī)律。

因此，覆蓋水稻、小麥、油菜和蠶豆秸稈處理在一定程度上均會(huì)導(dǎo)致硫華菊生物量的降低、光合色素含量的下降。而覆蓋小麥、油菜和蠶豆秸稈處理能顯著提高硫華菊的鎘含量及鎘積累量，提高硫華菊對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)能力，其中油菜秸稈覆蓋處理的效果最顯著。