王 進(jìn)，陳發(fā)波，林立金，呂秀蘭，廖明安，蔣 偉，任 緯

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬研究所，成都 611130；2.長江師范學(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)園藝學(xué)院，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)院玉米研究所，四川內(nèi)江 641000）

秸稈是一種重要的可再生資源，在提倡低碳、高效和生態(tài)農(nóng)業(yè)的需求下，具有很大的綜合利用價(jià)值[1]。秸稈施入農(nóng)田腐解后會(huì)釋放出其中所含有的有機(jī)質(zhì)以及氮、磷、鉀等養(yǎng)分，并且能夠改善土壤的理化性質(zhì)，降低土壤容重，增加孔隙度，增強(qiáng)生物和多數(shù)酶的活性，促進(jìn)后茬作物的生長發(fā)育和提高產(chǎn)量[2]。徐國偉等[3]發(fā)現(xiàn)秸稈還田有利于根系分泌物中有機(jī)酸的增加，增強(qiáng)根系活力，降低土壤pH值，從而促進(jìn)水稻的生長，提高水稻產(chǎn)量。南雄雄等[4]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后能夠顯著提高土壤中有機(jī)碳、微生物量碳、全氮以及微生物量氮的含量，土壤供肥水平明顯提高。然而，植物秸稈在改善土壤環(huán)境的同時(shí)，也可能釋放出一些化感物質(zhì)抑制其他植物的生長；侯永俠等[5]發(fā)現(xiàn)，辣椒秸稈在腐解過程中產(chǎn)生的化感物質(zhì)會(huì)使辣椒的植株生長緩慢，葉綠素含量降低，根系保護(hù)酶活性受到抑制，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。已有研究[6]顯示秸稈還田能夠改善土壤環(huán)境，為土壤中微生物提供養(yǎng)分，促進(jìn)微生物的繁殖，提高土壤酶活性和養(yǎng)分的有效利用率。T.Susan等[7]研究發(fā)現(xiàn)在重金屬污染的農(nóng)田土壤中施入秸稈能夠降低土壤中醋酸銨對(duì)Zn、Pb和Cu的浸提，原位鈍化重金屬，從而減少作物對(duì)重金屬的吸收。張晶等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在未被鎘污染的土壤中，玉米和菜豆根茬連續(xù)還田對(duì)大白菜和小麥均無顯著影響，但是在鎘的土壤根茬連續(xù)還田卻能夠顯著增加后茬大白菜對(duì)鎘的吸收與積累，但對(duì)小麥卻無影響。這說明植物秸稈還田后能夠改變土壤中重金屬元素的生物有效性，進(jìn)而影響植物對(duì)重金屬元素的吸收。

水田芥（Nasturtium officinale），又名豆瓣菜，十字花科水芥菜屬，多年生水生草本植物，是一種鎘富集植物[9]。本試驗(yàn)將陸生鎘富集植物白三葉（Trifolium pratense）[10]、旱蓮草（Eclipta prostrata）[11]、小飛蓬（Conyza canadensis）[12]、繁縷（Stellaria media）[13]的秸稈施入土壤中，再種上水田芥，研究4種鎘富集植物秸稈施入土壤對(duì)水田芥生長及鎘積累的影響，以期篩選出能促進(jìn)水田芥鎘積累的富集植物，為提高水田芥對(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

鎘富集植物白三葉、旱蓮草、小飛蓬、繁縷地上部分于2014年7月采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田（29°59′N，102°59′E），采集區(qū)土壤未被重金屬污染。將4種鎘富集植物用去離子水洗凈后，取地上部分于110℃殺青15 min，80℃烘干至恒重，分別用剪刀剪成小于1 cm的小段，備用。4種富集植物的碳氮比如下：白三葉15.76，旱蓮草23.52，小飛蓬 21.77，繁縷 30.84。

水田芥幼苗取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場溝渠內(nèi)。

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)場農(nóng)田，其基本理化性質(zhì)如下：土壤pH值6.53，有機(jī)質(zhì)含量38.23 g/kg，堿解氮含量55.84 mg/kg，速效磷含量26.63 mg/kg，速效鉀含量109.36 mg/kg。鎘全量0.101 mg/kg，有效態(tài)鎘含量0.021 mg/kg，土壤理化性質(zhì)及重金屬含量的測定方法參見參考文獻(xiàn)[14]。

1.2 試驗(yàn)方法

盆栽試驗(yàn)于2014年6—9月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場進(jìn)行。2014年6月，將土壤風(fēng)干、壓碎、過5 mm篩后稱重，加入分析純CdCl2·2.5H2O溶液，使其鎘濃度為10 mg/kg，并與土壤充分混勻，保持淹水狀態(tài)，自然放置平衡4周后，再次混勻。分別稱取3.0 kg裝于15 cm×18 cm（高×直徑）沒有排水孔的塑料盆內(nèi)。2014年7月，處理好的4種鎘富集植物秸稈分別施入制備好的鎘污染土壤中，使其覆蓋在土壤表層，施入量為每盆6 g，即2 g/kg，使土壤保持淹水狀態(tài)，平衡一周。試驗(yàn)共計(jì)5個(gè)處理：未施用（CK）、施用白三葉秸稈、施用旱蓮草秸稈、施用小飛蓬秸稈、施用繁縷秸稈。選擇長勢一致，約3 cm高的水田芥幼苗扦插入盆中，每盆種植3株，每個(gè)處理重復(fù)3次，管理方法參見參考文獻(xiàn)[15]。

第40天后，選取每株水田芥植株頂部約2 cm長的幼嫩葉片用分光光度法測定抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性，考馬斯亮藍(lán)比色法測定可溶性蛋白含量[16]。之后整株收獲，將植株根、莖、葉和土壤分別封裝。水田芥根、莖、葉分別用自來水洗凈，再用去離子水沖洗3次后，于110℃殺青15 min，80℃烘干至恒重，稱重，粉碎，過0.15 mm篩子。稱取1.5 g植物樣品，加入硝酸-高氯酸（體積比為4∶1）放置12 h后消化至溶液透明，過濾，定容至50 mL，用iCAP 6300型 ICP光譜儀（Thermo Scientific，USA）測定鎘含量[17]。

土壤樣品在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干后，研碎過1mm篩，稱取5 g，用0.005 mol/L DTPA-TEA浸提（土液比 1∶2.5），25℃震蕩 2 h，用 iCAP6300 型 ICP 光譜儀測定土壤有效鎘含量[17]。土壤酶活性按照《土壤酶學(xué)》[18]的方法測定，其中土壤過氧化氫酶活性以每克土壤在室溫下（30 min）消耗0.02 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示，土壤脲酶活性以每克土在37℃培養(yǎng)24 h釋放NH3-N的毫克數(shù)表示，土壤蔗糖酶活性以每克土壤在37℃培養(yǎng)24 h釋放葡萄糖的毫克數(shù)表示。

根冠比=根部生物量/地上部生物量[19]；

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量[17]；

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）[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)采用SPSS系統(tǒng)進(jìn)行方差分析（Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較）。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用富集植物秸稈對(duì)水田芥生物量的影響

從表1中可以看出，施用富集植物秸稈后水田芥的根系生物量均有所升高，其大小順序?yàn)椋菏┯眯★w蓬秸稈＞施用白三葉秸稈＞施用繁縷秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞未施用，較未施用分別增加了45.25%（P ＜0.05）、42.45%（P ＜0.05）、16.20%（P ＜0.05）和5.03%（P＞0.05）。施用富集植物秸稈后水田芥的莖稈、葉片以及地上部分生物量均顯著增加，其大小順序均為施用白三葉秸稈＞施用小飛蓬秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞施用繁縷秸稈＞未施用，其中施用白三葉秸稈的水田芥莖稈、葉片以及地上部分生物量較未施用分別增加了 26.36%（P＜0.05）、27.46%（P＜0.05）和 26.85%（P＜0.05），施用繁縷秸稈的水田芥莖稈、葉片以及地上部分生物量較未施用分別增加了9.32%（P＜0.05）、6.56%（P＞0.05）和 8.11%（P＞0.05）。從根冠比來看，除施用旱蓮草秸稈外，其他3種處理的水田芥的根冠比均大于未施用，大小順序?yàn)椋菏┯眯★w蓬秸稈＞施用白三葉秸稈＞施用繁縷秸稈＞未施用＞施用旱蓮草秸稈，這說明施用小飛蓬、白三葉和繁縷有利于促進(jìn)水田芥的生長，使水田芥地上部分的比重增加。

表1 水田芥的生物量Table 1 Biomass of Nasturtium officinale

2.2 施用富集植物秸稈對(duì)水田芥葉片抗氧化酶活性與可溶性蛋白含量的影響

如表2可知，施用富集植物秸稈后，水田芥葉片的SOD、POD和CAT活性較未施用均顯著升高，其大小順序均為施用白三葉秸稈＞施用小飛蓬秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞施用繁縷秸稈＞未施用，其中施用白三葉秸稈的水田芥葉片的SOD、POD和CAT活性較各自未施用分別升高了34.04%（P＜0.05）、48.38%（P＜0.05）和 164.60%（P＜0.05）。從可溶性蛋白含量來看，施用富集植物秸稈均能增加水田芥葉片中的可溶性蛋白含量，其大小順序?yàn)槭┯冒兹~秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞施用小飛蓬秸稈＞施用繁縷秸稈＞未施用，其較未施用分別升高了64.24%（P＜0.05）、46.70%（P＜0.05）25.74%（P＜0.05）和 11.62%（P＜0.05）。這些結(jié)果與水田芥生物量結(jié)果一致，這說明施用4種富集植物秸稈均能夠增加水田芥對(duì)鎘脅迫的抵抗能力。

2.3 施用富集植物秸稈對(duì)水田芥鎘含量的影響

從表3可以看出，土壤中施用富集植物秸稈后水田芥的根系鎘含量均顯著降低，其大小順序?yàn)椋何词┯茫臼┯梅笨|秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞施用小飛蓬秸稈＞施用白三葉。就水田芥莖稈、葉片以及地上部分的鎘含量而言，水田芥的莖稈、葉片以及地上部分的鎘含量的大小順序均為：施用繁縷秸稈＞未施用＞施用旱蓮草秸稈＞施用小飛蓬秸稈＞施用白三葉秸稈，只有施用繁縷秸稈的水田芥的莖稈、葉片以及地上部分的鎘含量較未施用顯著增加，分別增加了 40.57%（P＜0.05）、13.76%（P＜0.05）和 25.44%（P＜0.05）。水田芥轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的大小順序?yàn)椋菏┯梅笨|秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞施用小飛蓬秸稈＞未施用＞施用白三葉秸稈，施用旱蓮草、繁縷和小飛蓬秸稈的水田芥的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均高于未施用，這說明施用旱蓮草、小飛蓬和繁縷秸稈有利于鎘元素從水田芥的根系向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，有利于提高水田芥對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)能力。

2.4 施用富集植物秸稈對(duì)水田芥鎘積累量的影響

表2 水田芥葉片抗氧化酶活性與可溶性蛋白含量Table 2 Soluble protein content and antioxidant enzyme activity in leaf of Nasturtium officinale

表3 水田芥的鎘含量Table 3 Cadmium content in Nasturtium officinale

表4 水田芥的鎘積累量Table 4 Cadmium extraction in Nasturtium officinale

由表4可知，施用小飛蓬和繁縷秸稈的水田芥根系的鎘積累量都高于未施用，而其他2個(gè)處理的水田芥根系鎘積累量則低于未施用，其大小順序?yàn)椋菏┯眯★w蓬秸稈＞施用繁縷秸稈＞未施用＞施用白三葉秸稈＞施用旱蓮草秸稈。施用繁縷和小飛蓬秸稈的水田芥的根系鎘積累量較未施用分別增加了 4.34%（P＞0.05）和 12.75%（P＞0.05）。施用繁縷和旱蓮草秸稈的水田芥的莖稈、葉片以及地上部分的鎘積累量較未施用增加，而其他兩個(gè)處理的水田芥莖稈、葉片以及地上部分的鎘積累量則低于未施用，施用繁縷秸稈的水田芥莖稈、葉片和地上部分的鎘積累量的大小順序均為：施用繁縷秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞未施用＞施用小飛蓬秸稈＞施用白三葉秸稈，施用旱蓮草秸稈的水田芥的莖稈、葉片與地上部分的鎘積累量較未施用分別增加了6.73%（P＞0.05）和 4.09%（P＞0.05）和 5.26%（P＞0.05）；而施用繁縷秸稈的水田芥莖稈、葉片和地上部分的鎘積累量較未施用分別增加了 53.70%（P＜0.05）、21.19%（P＜0.05）和 35.62%（P＜0.05），這增加了水田芥的鎘污染修復(fù)能力。從轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)來看，施用繁縷和旱蓮草秸稈的水田芥的轉(zhuǎn)運(yùn)量系數(shù)均大于未施用，而其他兩個(gè)處理則低于未施用，其大小順序?yàn)槭┯梅笨|秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞未施用＞施用小飛蓬秸稈＞施用白三葉。

2.5 施用富集植物秸稈對(duì)土壤pH值和有效態(tài)鎘含量的影響

從表5可以看出，施用富集植物秸稈后，土壤pH值較未施用均有所降低，其大小順序?yàn)椋何词┯茫臼┯冒兹~秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞施用小飛蓬秸稈＞施用繁縷秸稈。就土壤中有效態(tài)鎘含量而言，只有施用繁縷秸稈較未施用有所增加，而施用白三葉、旱蓮草和小飛蓬秸稈較未施用均有所降低。施用繁縷秸稈的土壤有效態(tài)鎘含量較未施用增加了2.17%（P＞0.05）。這說明施用富集植物秸稈能夠降低土壤pH值，并且施用繁縷秸稈能夠提高土壤中有效態(tài)鎘含量。

表5 土壤pH值、有效態(tài)鎘含量和土壤酶活性的影響Table 5 Effect of accumulator on the soil pH value，soil available Cd concentration and soil enzyme activity

2.6 施用富集植物秸稈對(duì)土壤酶活性的影響

從表5可以看出，施用富集植物秸稈后的土壤過氧化氫酶活性的大小順序?yàn)椋菏┯梅笨|秸稈＞施用旱蓮草秸稈＞未施用＞施用白三葉秸稈＞施用小飛蓬秸稈，而土壤脲酶和蔗糖酶活性的大小順序?yàn)椋菏┯梅笨|秸稈＞未施用＞施用旱蓮草秸稈＞施用白三葉秸稈＞施用小飛蓬秸稈，其中施用繁縷秸稈的土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性較未施用分別增加了 20.31%（P＜0.05）、5.05%（P＞0.05）和 2.70%（P＜0.05）。這說明施用繁縷秸稈有利于增加土壤酶活性。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

秸稈還田在腐解期間，大部分秸稈碳進(jìn)入土壤而補(bǔ)充到土壤碳庫中，從而改善了土壤理化性質(zhì)、增加了土壤中養(yǎng)分含量與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及數(shù)量，進(jìn)而提高了土壤肥力，促進(jìn)植物的生長[21-22]，最新研究證實(shí)蚯蚓在污染條件下對(duì)植物生長也有促進(jìn)作用[23-24]。本試驗(yàn)研究表明，在鎘脅迫條件下，施用4種富集植物白三葉、旱蓮草、小飛蓬和繁縷秸稈后，水田芥的生物量與未施用相比有所增加，這說明秸稈進(jìn)入土壤后，釋放出的養(yǎng)分促進(jìn)了水田芥植株的生長。已有研究表明，在水淹或者重金屬脅迫下，植物會(huì)產(chǎn)生活性氧類物質(zhì)，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能，損傷大分子生物[25-26]；但是植物又會(huì)在這種脅迫條件下產(chǎn)生超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等抗氧化酶類物質(zhì)來進(jìn)行防御，從而減少細(xì)胞受到傷害[27]。韓旭[28]研究發(fā)現(xiàn)大蒜秸稈腐解物能夠顯著促進(jìn)大白菜以及番茄葉片中SOD的活性，但是卻會(huì)降低番茄葉片中POD的活性，以及玉米葉片中SOD和POD的活性，這說明大蒜秸稈腐解物對(duì)不同受體作物表現(xiàn)出不同的化感促進(jìn)或者是抑制作用；陳旭陽[29]研究發(fā)現(xiàn)木麻黃通過葉淋和根泌等途徑能夠產(chǎn)生某些化感物質(zhì)，并且這些化感物質(zhì)能夠提高潺槁葉片抗氧化酶活性。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用富集植物秸稈均能增加水田芥葉片的抗氧化酶活性與可溶性蛋白含量，其中以施用白三葉秸稈的抗氧化酶活性與可溶性蛋白含量最大，結(jié)果與其生物量結(jié)果一致，這說明了施用富集植物秸稈能夠提高水田芥的抗氧化酶活性與可溶性蛋白含量，從而促進(jìn)水田芥的生長。

P.Alvarenga等[30]認(rèn)為施用秸稈等有機(jī)物可以原位鈍化土壤中的重金屬，其主要原因與在秸稈還田過程中的各種生化反應(yīng)有關(guān)，秸稈轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過程中能夠增加對(duì)重金屬的吸附，從而降低重金屬的生物有效性，其他相關(guān)的研究也證明了此推斷[31-32]。單玉華等[33]認(rèn)為在水淹情況下，污染土壤中重金屬的溶出直接關(guān)系到重金屬在環(huán)境中的遷移以及生物有效性，秸稈施入土壤后，會(huì)分解釋放出有機(jī)碳，由于有機(jī)碳對(duì)土壤中鎘的活化作用增加了鎘與銅的生物有效性。前期研究表明，本試驗(yàn)所用的繁縷秸稈的碳氮比要明顯高于其他3種富集植物秸稈[32]，在未添加其他氮肥的情況下，土壤中有效氮的不足限制了微生物對(duì)有機(jī)碳的利用，使得施用繁縷秸稈的土壤中有機(jī)碳的積累水平更高，更能促進(jìn)鎘的生物有效性[32-33]。萬紅友等[34]則認(rèn)為土壤重金屬的生物有效性與其化學(xué)形態(tài)密切相關(guān)，并且這還會(huì)影響植物對(duì)重金屬元素的吸收。本試驗(yàn)研究表明，與未施用相比，施用4種富集植物秸稈均降低了土壤pH值，只有施用繁縷秸稈的土壤有效態(tài)鎘含量增加，而施用白三葉、小飛蓬和旱蓮草秸稈的土壤有效態(tài)鎘含量則明顯降低，可能的原因是繁縷秸稈在分解時(shí)釋放出來的物質(zhì)對(duì)土壤中鎘的活化作用大于鈍化作用，而其他3種富集植物的秸稈對(duì)土壤中的鎘的鈍化作用大于活化作用，這與不同植物秸稈分解的物質(zhì)不同有關(guān)，這與前人的研究相似[15]。

土壤酶活性與土壤物理特征與結(jié)構(gòu)、各營養(yǎng)元素的釋放與貯存以及土壤腐殖質(zhì)的形成與發(fā)育等密切相關(guān)[32]。蔗糖酶對(duì)增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起著重要的作用，蔗糖酶與土壤有機(jī)質(zhì)氮、磷含量，微生物數(shù)量及土壤呼吸強(qiáng)度等有關(guān)，主要的作用就是分解土壤養(yǎng)分，使其便于被植物吸收；脲酶能酶促有機(jī)物質(zhì)分子中酞鍵的水解，其作用是水解尿素，提高尿素氮肥的利用率[18]。土壤過氧化氫酶能夠促過氧化氫的分解，有利于防止它對(duì)植物體的毒害作用，其活性與土壤中有機(jī)質(zhì)含量與微生物數(shù)量等密切相關(guān)[35]。本試驗(yàn)研究表明，施用繁縷秸稈的土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性顯著高于未施用，即施用繁縷秸稈顯著提高了土壤酶活性，這與前人研究結(jié)果相同[6，36]。湯福義等[37]研究表明施用旱蓮草和豆瓣菜秸稈會(huì)降低土壤酶活性，本試驗(yàn)研究結(jié)果也表明施用白三葉、小飛蓬和施用旱蓮草秸稈會(huì)降低土壤酶活性，可能是由于這3種富集植物秸稈在分解時(shí)釋放的某些物質(zhì)抑制了土壤酶活性。

3.2 結(jié)論

施用白三葉、旱蓮草、小飛蓬和繁縷秸稈能夠提高水田芥莖稈、葉片和地上部生物量以及葉片的抗氧化酶活性和可溶性蛋白活性，這說明4種富集植物秸稈都能夠促進(jìn)水田芥的生長。施用4種富集植物秸稈后，只有施用繁縷秸稈提高了水田芥莖稈、葉片以及地上部分的鎘含量，同時(shí)也提高了土壤的有效態(tài)鎘含量。從水田芥對(duì)鎘的積累量上來看，施用旱蓮草和繁縷秸稈均能提高水田芥莖稈、葉片以及地上部分的鎘積累量，但后者提高更為顯著，并且只有施用繁縷秸稈能夠提高土壤酶活性。

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