張盼盼,崔亦沐,袁琴琴,賈韓飛,李 智

(榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 榆林 719000)

黑豆(Glycinemax(L.)Merr.) 為豆科植物大豆的黑色種子[1],營(yíng)養(yǎng)豐富,含有蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2]。綠豆(VignaradiataL.)籽粒中含有生物堿、香豆素、植物甾醇等生理活性物質(zhì),對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物的生理代謝活動(dòng)具有重要的促進(jìn)作用[3-4],常被作為醫(yī)用和保健等方面。小豆(Vignaangularis) 因其有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值,一直以來(lái)都是陜北地區(qū)傳統(tǒng)的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民致富的一大支柱產(chǎn)業(yè)[5]。大豆、綠豆和小豆屬于陜北地區(qū)主要特色優(yōu)勢(shì)作物,不僅是良好的間作套種作物,也是谷物、薯類(lèi)的良好前茬。隨著人民生活水平的提高,對(duì)豆類(lèi)作物的需求量逐年增加。因此發(fā)展陜北地區(qū)的豆類(lèi)作物生產(chǎn),對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收、促進(jìn)產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6]。

陜北地區(qū)作為我國(guó)重要的煤炭資源開(kāi)發(fā)地區(qū),在加工利用的過(guò)程中有著嚴(yán)重的礦區(qū)環(huán)境污染問(wèn)題,其中最為嚴(yán)重的即為土壤重金屬污染[7-8]。近幾年來(lái),隨著陜北煤礦產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)用地不斷減少,現(xiàn)有的耕地大多受到不同重金屬的污染。對(duì)于以農(nóng)業(yè)為主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源的陜北地區(qū)來(lái)說(shuō),耕地土壤環(huán)境質(zhì)量顯得尤為重要[9]。為了治理土壤重金屬污染,最有效可行的措施是植物修復(fù)技術(shù)[10]。

有研究表明,豆科植物具有固氮作用,在植物修復(fù)中可作為優(yōu)先選擇的對(duì)象[11]。大豆、綠豆和小豆作為陜北地區(qū)的優(yōu)勢(shì)作物,其生育期短、適應(yīng)性廣,耐旱耐瘠薄、易于種植管理,常作為填閑補(bǔ)種和救災(zāi)作物。因此,開(kāi)展重金屬污染土壤對(duì)三種豆科作物光合生理和產(chǎn)量的影響,對(duì)于明確三種豆科植物耐重金屬脅迫的差異性,提高陜北礦區(qū)土地生產(chǎn)力、治理陜北礦區(qū)污染土壤具有非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為神木黑豆(大豆)、大明綠豆(綠豆)、冀紅9218(小豆),均由榆林市農(nóng)科院小雜糧研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以盆栽方式進(jìn)行,采用雙因素完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),品種處理3 個(gè),土壤處理2 個(gè),分別是基本農(nóng)田土壤作為對(duì)照組(CK),土和煤泥1 ∶2配比成的模擬礦區(qū)重金屬污染區(qū)土壤為處理組(T,經(jīng)前期試驗(yàn)篩選得出),共設(shè)置以下6 個(gè)處理,具體見(jiàn)表1?；巨r(nóng)田土壤和煤泥重金屬含量見(jiàn)表2。每個(gè)處理10 盆,共60 盆。處理組每盆裝土(2 kg)、煤泥(4 kg)、砂石(1 kg),對(duì)照組每盆裝土(6 kg)、砂石(1 kg),同時(shí)每盆中安裝長(zhǎng)50 cm、直徑2 cm 的PVC 管,澆透水分,待用;選取3 種植物材料的優(yōu)質(zhì)種子,采用點(diǎn)播方式播種,大豆播種深度5 cm,紅豆和綠豆播種深度3 cm,每盆播種20 粒,放置在室外相似環(huán)境中;播種初期在表面澆水500～1 000 mL/盆/天,之后沿PVC 管澆水使土壤保持在正常含水量(即占田間持水量的70%左右);于第一片復(fù)葉長(zhǎng)全并且第二片復(fù)葉剛出現(xiàn)時(shí)開(kāi)始定苗,每盆定苗5 株。

表1 供試處理

表2 供試土壤和煤泥重金屬含量(mg·kg-1)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及其方法

1.3.1 光合特性測(cè)定

在作物鼓粒期,使用美國(guó)LI-COR 公司生產(chǎn)的LI-6400 便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定植株倒二葉三出復(fù)葉中部葉片的凈光合速率(μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(mmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(mmol·m-2·s-1),注意要錯(cuò)開(kāi)葉片的主葉脈,每個(gè)處理重復(fù)4次。

1.3.2 葉綠素相對(duì)含量測(cè)定

采用日本Minolta 公司生產(chǎn)的美能達(dá)牌SPAD-502 手持便攜式葉綠素儀測(cè)定葉綠素相對(duì)含量(SPAD 值)。測(cè)定時(shí),每個(gè)處理和對(duì)照選取5 株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株,用葉綠素儀測(cè)定每個(gè)植株倒二葉上,中,下不同部分SPAD 值,取其平均值,同時(shí)注意避開(kāi)有損傷的葉片。

1.3.3 農(nóng)藝性狀測(cè)定

(1)株高:在植株苗期和成熟期,分別從每種處理和對(duì)照中選5 株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株測(cè)量其株高。

(2)莖粗:在植株苗期和成熟期,結(jié)合株高測(cè)定對(duì)應(yīng)植株子葉痕處的莖粗,取其平均值。

(3)分枝數(shù):在植株成熟期,分別從每種處理和對(duì)照中選5 株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株記錄其分枝數(shù),取其平均值。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測(cè)定

成熟期,每個(gè)處理選取3 株植株用于測(cè)定產(chǎn)量及其構(gòu)成要素,用電子天平測(cè)定不同處理與對(duì)照的單株粒重,人工數(shù)出單株莢數(shù)、單株粒數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2013 進(jìn)行不同處理間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),采用SPSS 23.0 軟件對(duì)處理間數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(采用Duncan 多重比較法,以P≤0.05 作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)),并使用Origin 9.0 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物光合生理的影響

2.1.1 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物葉片凈光合速率的影響

由圖1 可知,與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆和大豆的葉片凈光合速率分別下降了21.38%、24.56%,并且小豆和大豆葉片凈光合速率在CK 與T 之間均存在顯著差異(P≤0.05);而綠豆的葉片凈光合速率在不同土壤處理間無(wú)顯著差異。

圖1 不同土壤處理對(duì)豆科作物葉片凈光合速率的影響

2.1.2 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物蒸騰速率的影響

由圖2 可知,小豆和大豆葉片蒸騰速率在重金屬污染土壤處理下較基本農(nóng)田土壤下降,分別下降了29.32%、48.25%,并且在兩種土壤處理間差異達(dá)顯著水平(P≤0.05)。與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下綠豆葉片蒸騰速率增加,增加了13.29%,并且在兩種土壤處理間無(wú)顯著差異。

圖2 不同土壤處理對(duì)豆科作物蒸騰速率的影響

2.1.3 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物氣孔導(dǎo)度的影響

由圖3 可以看出,與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆和大豆的葉片氣孔導(dǎo)度均表現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì),且小豆和大豆葉片氣孔導(dǎo)度在CK 與T 之間的差異達(dá)顯著水平(P≤0.05);與對(duì)照相比,重金屬污染土壤處理下小豆與大豆的葉片氣孔導(dǎo)度分別下降了38.67%、57.13%。重金屬污染土壤處理下綠豆葉片氣孔導(dǎo)度高于基本農(nóng)田土壤,且在CK 與T 之間無(wú)顯著性差異。

圖3 不同土壤處理對(duì)豆科作物氣孔導(dǎo)度的影響

2.1.4 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物葉綠素相對(duì)含量的影響

如圖4 可得,在重金屬土壤種植環(huán)境下,三種豆科作物的葉綠素相對(duì)含量均呈下降趨勢(shì),并且三種豆科作物的葉綠素相對(duì)含量在重金屬污染土壤處理與對(duì)照之間差異均達(dá)顯著水平(P≤0.05)。與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤下小豆、綠豆和大豆葉綠素相對(duì)含量分別下降了28.80%、23.81%、20.10%。

圖4 不同土壤處理對(duì)豆科作物葉綠素相對(duì)含量的影響

2.2 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物株高的影響

2.2.1 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物株高的影響

由圖5 可以得出,苗期,三種豆科作物株高在基本農(nóng)田土壤與重金屬污染土壤之間均無(wú)顯著差異,說(shuō)明重金屬污染土壤對(duì)三種豆科作物苗期株高影響不明顯。苗期,重金屬污染土壤處理下小豆、綠豆和大豆株高均略微高于基本農(nóng)田土壤;而在成熟期,三種豆科作物株高在重金屬污染土壤處理下低于基本農(nóng)田土壤,并且在兩種土壤處理之間均存在顯著差異(P≤0.05)。

圖5 不同土壤處理對(duì)豆科作物株高的影響

2.2.2 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物莖粗的影響

如圖6 可知,苗期,重金屬污染土壤種植環(huán)境與基本農(nóng)田土壤種植環(huán)境相比,三種豆科作物的莖粗受重金屬土壤環(huán)境影響較大,均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),并且小豆和綠豆莖粗在兩種土壤處理之間差異達(dá)顯著水平(P≤0.05);重金屬污染土壤下小豆、綠豆和大豆分別較基本農(nóng)田土壤增加了18.58%、57.83%、11.75%。在植株成熟期,小豆、綠豆和大豆莖粗在重金屬污染土壤處理下低于基本農(nóng)田土壤,且在兩種土壤處理之間無(wú)顯著差異。

圖6 不同土壤處理對(duì)豆科作物莖粗的影響

2.2.3 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物分枝數(shù)的影響

如圖7 可知,在植株成熟期,重金屬污染土壤種植環(huán)境與基本農(nóng)田土壤種植環(huán)境相比,小豆的分枝數(shù)量減少,下降幅度為23.08%,并且在重金屬污染土壤與基本農(nóng)田土壤之間無(wú)顯著性差異;綠豆的分枝數(shù)量在兩種土壤處理之間無(wú)明顯變化;三種豆科作物中大豆的分枝數(shù)量下降最多,并且在重金屬污染土壤與基本農(nóng)田土壤之間差異達(dá)顯著水平(P≤0.05)。

圖7 不同土壤對(duì)豆科作物分枝數(shù)的影響

2.3 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同土壤處理對(duì)三種豆科作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響見(jiàn)表3。由表3 可以得出,與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆、綠豆和大豆的單株莢數(shù)均有所降低,并且小豆和大豆的單株莢數(shù)在兩種土壤處理之間差異達(dá)顯著水平(P≤0.05),而綠豆的單株莢數(shù)在兩種土壤處理之間無(wú)顯著差異。

表3 不同土壤處理對(duì)三種豆科作物產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆和綠豆的單莢粒數(shù)均呈下降趨勢(shì),分別下降17.07%、9.64%,并且小豆和綠豆的單莢粒數(shù)在兩種土壤處理之間存在顯著性差異(P<0.05);而大豆單莢粒數(shù)在重金屬污染土壤處理下高于基本農(nóng)田土壤,并且兩種土壤處理之間無(wú)顯著差異。

重金屬污染土壤處理與基本農(nóng)田土壤相比,三種豆科作物的單株粒重均呈下降趨勢(shì),且小豆和綠豆的單株粒重在兩種土壤處理之間達(dá)顯著差異,而大豆的單株粒重在兩種土壤處理之間無(wú)顯著差異。

3 討論與結(jié)論

土壤中的重金屬元素存在的潛在危害性較大,并且礦山資源開(kāi)發(fā)引起的生態(tài)效應(yīng)和毒理效應(yīng)具有明顯的滯后作用,因此土壤一旦受到重金屬元素污染,治理和修復(fù)將十分困難[12]。土壤重金屬可能導(dǎo)致植物出現(xiàn)生長(zhǎng)問(wèn)題,而且一些重金屬元素會(huì)聚集在作物中,嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量、品質(zhì)以及食用安全問(wèn)題[13]。如何在重金屬污染土壤上種出安全的農(nóng)作物受到廣泛的關(guān)注。

3.1 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物光合生理的影響

葉片的凈光合速率是反映植物光合能力及光合特性的直接指標(biāo),較高的葉片凈光合速率是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)[14-15]。植物葉片的蒸騰速率能夠影響或指示植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)特征或能力[16]。氣孔導(dǎo)度是衡量植物和大氣間水分、能量及CO2平衡和循環(huán)的重要指標(biāo)[17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,重金屬污染土壤會(huì)抑制冀紅9218(小豆)和神木黑豆(大豆)這兩種豆科作物的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度,這與魯艷[18]等人、張金秀[19]等人的研究結(jié)果一致,而大明綠豆(綠豆)的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度略微有些增長(zhǎng),可能是由于作物種類(lèi)不同所致。葉綠素相對(duì)含量降低是重金屬對(duì)植物毒害的普遍現(xiàn)象[20-21],葉綠素是植物進(jìn)行光合作用所必需的,葉綠素含量減少必然導(dǎo)致植物光合作用降低,生長(zhǎng)受阻,發(fā)育延遲,生物量隨之減少[22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,重金屬污染土壤會(huì)抑制三種豆科作物的葉綠素相對(duì)含量,其含量明顯降低,這與郭暉[23]等人的研究結(jié)果一致。

3.2 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物農(nóng)藝性狀的影響

作物產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀關(guān)系密切,如株高、莖粗、分枝數(shù),因此,分析作物農(nóng)藝性狀是十分必要的[24]。覃勇榮[25]等人研究表明,在重金屬污染脅迫下,作物生長(zhǎng)會(huì)受到抑制。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,在植株苗期,三種豆科作物的株高受重金屬污染土壤影響較小,但在成熟時(shí)期,重金屬污染土壤會(huì)明顯抑制三種豆科作物的株高生長(zhǎng)。在植株苗期,莖粗受重金屬污染土壤影響較為明顯,三種豆科作物的莖粗呈現(xiàn)上升趨勢(shì),說(shuō)明重金屬污染土壤促進(jìn)了苗期豆科作物莖稈橫向生長(zhǎng);在成熟時(shí)期,重金屬污染土壤對(duì)三種豆科作物的莖粗有抑制作用。不同豆科作物主莖分枝數(shù)對(duì)重金屬污染的響應(yīng)不同,這與柳婷婷[26]等人的研究結(jié)果一致。

3.3 重金屬污染土壤對(duì)不同豆科作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

畢淑芹[27]等人研究表明,重金屬污染會(huì)直接或間接影響植株的產(chǎn)量和品質(zhì),且不同的重金屬種類(lèi)對(duì)不同的作物產(chǎn)量的影響也不盡相同。本試驗(yàn)結(jié)果表明,重金屬污染土壤會(huì)抑制三種豆科作物的單株莢數(shù)、單株粒重、單莢粒數(shù),其中冀紅9218(小豆)和大明綠豆(綠豆)對(duì)重金屬污染土壤較敏感,其單株粒重在處理組與對(duì)照組之間存在顯著差異;而神木黑豆(大豆)的單株粒重在處理組與對(duì)照組之間無(wú)顯著差異。與基本農(nóng)田土壤相比,重金屬污染土壤處理下小豆、綠豆和大豆單株粒重分別下降了22.15%、29.02%、42.11%,說(shuō)明小豆單株粒重受重金屬污染土壤抑制程度低于綠豆和大豆。綜上所述,與綠豆和大豆相比,小豆葉片光合生理和農(nóng)藝性狀受重金屬污染土壤影響明顯,且產(chǎn)量降低幅度最小,可以作為修復(fù)陜北重金屬污染土壤優(yōu)先選擇的對(duì)象。