土施鎘超富集植物秸稈對鎘脅迫牛膝菊光合特性的影響

摘要：通過在鎘污染土壤中施用夏季生長的鎘超富集植物紅果黃鵪菜[Youngia erythrocarpa （Vaniot） Babcock et Stebbins ]、三葉鬼針草（Bidens pilosa L.）、少花龍葵（Solanum photeinocarpum Nakamura et Odashima）和豨薟（Siegesbeckia orientalis L.）的秸稈，再種植秋冬季節(jié)生長的鎘脅迫超富集植物牛膝菊（Galinsoga parviflora Cav.），研究了不同鎘超富集植物秸稈對鎘脅迫后牛膝菊光合特性的影響。結果表明，在土壤中施用紅果黃鵪菜秸稈后，鎘脅迫牛膝菊葉片的凈光合速率較未施用秸稈的提高了4.29%，地上部生物量增加了7.33%，而施用三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈的則降低了鎘脅迫牛膝菊葉片凈光合速率和地上部生物量。同時，土壤中施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片水分利用效率、光能利用率、胞間CO2濃度、氣孔導度和葉片表面蒸汽壓虧缺等光合參數均較未施用秸稈的有所提高，蒸騰速率則較未施用秸稈的降低，而施用三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈的光合參數則高低不同，可能是紅果黃鵪菜秸稈的化感物質能提高鎘脅迫牛膝菊的光合能力、促進牛膝菊的生長所致，而三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈的化感物質則抑制了鎘脅迫牛膝菊的光合能力與生長。就光合色素含量而言，只有施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量較未施用秸稈的增加，分別較未施用秸稈的增加了5.97%、30.42%、10.94%和12.88%，施用三葉鬼針草、少花龍葵和豨薟秸稈的均低于未施用秸稈的。此外，土壤施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊植株可溶性糖含量較未施用秸稈的增加。因此，在鎘脅迫條件下，土壤施用紅果黃鵪菜秸稈能夠提高牛膝菊的光合能力，促進其生長，有利于牛膝菊修復鎘污染的土壤。

關鍵詞：鎘；超富集植物；脅迫；牛膝菊（Galinsoga parviflora Cav.）；光合生理；化感作用

中圖分類號：Q945.78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）02-0393-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.032

鎘是植物非必需元素，植物吸收鎘之后很難被降解、去除[1]，并且會導致植物體內出現一系列生理紊亂，從而影響生長[2，3]。研究表明，隨著鎘濃度的增加，植物葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量降低，光合性能也相應減弱[4]。對于鎘污染土壤的修復，目前采用最多的是植物修復技術，即利用鎘超富集植物將土壤中的鎘提取并轉移[5]。現在已經篩選出的鎘超富集植物有少花龍葵（Solanum photeinocarpum Nakamura et Odashima）[6]、牛膝菊（Galinsoga parviflora Cav.）[7]、紅果黃鵪菜[Youngia erythrocarpa（Vaniot）Babcock et Stebbins][8]、葉用紅菾菜（Beta vulgaris var. cicla L.）[9]、三葉鬼針草（Bidens pilosa L.）[10]、豨薟（Siegesbeckia orientalis L.）[11]、球果蔊菜[Rorippa globosa（Turcz.）Thell.][12]等幾十種，但這些鎘超富集植物大多數存在生物量小、生長較為緩慢的缺陷[13]，因而在進一步篩選鎘超富集植物種質資源的同時，采取一些農藝措施提高現有鎘超富集植物的生物量，也是促進植物修復技術發(fā)展的重要手段。

植物化感作用（Allalopathy）是指植物之間通過物理或化學的方式向周圍環(huán)境釋放某些化學物質從而影響周圍植物生長和發(fā)育的化學生態(tài)學現象[14]。植物主要通過根部分泌和殘根的分解、植株的分（降）解4種途徑釋放化感物質[15]，目前對植物化感作用的研究多集中在植株的分（降）解上，特別是在秸稈還田方面[16]；相關研究表明，秸稈還田能夠改善土壤的理化性質、增加土壤有機質含量，從而提高作物的水分利用效率和光合速率，進而提高作物的產量與質量[17-19]。這說明秸稈還田所產生的化感作用改變了作物體內的生理代謝，使其生長情況發(fā)生變化。然而，有關植物秸稈分解所產生的化感作用對重金屬脅迫下植物光合特性的影響研究尚未見報道。

作為夏季生長的鎘超富集植物少花龍葵[6]、紅果黃鵪菜[8]、三葉鬼針草[10]、豨薟[11]對鎘具有很強的耐性，為此，試驗將這4種鎘超富集植物的秸稈施入鎘污染的土壤里，并種植秋冬季生長的鎘超富集植物牛膝菊[7]，研究4種鎘超富集植物秸稈對牛膝菊光合生理的影響，為牛膝菊修復鎘污染土壤技術的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤為紫色土，取自四川農業(yè)大學雅安校區(qū)（29°59′N，102°59′E）實驗農場農田，其基本理化性質[20]為pH 6.94、有機質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。

鎘超富集植物少花龍葵、紅果黃鵪菜、三葉鬼針草和豨薟于2013年8月采自四川農業(yè)大學雅安校區(qū)農場農田，采集區(qū)土壤未被重金屬污染。將采集到的4種鎘富集植物地上部分帶回農業(yè)部西南作物有害生物綜合治理重點實驗室，于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，粉碎，過5 mm篩，備用。牛膝菊幼苗于2013年9月直接采自四川農業(yè)大學雅安校區(qū)農場農田未被重金屬污染的區(qū)域。

1.2 方法

2013年8月，將供試土壤風干、壓碎、過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，加入分析純CdCl2·2.5 H2O溶液，使其鎘濃度為40 mg/kg（使牛膝菊處于鎘脅迫狀態(tài)[7]），并與土壤充分混勻，保持濕潤狀態(tài)，以確保鎘在土壤中充分擴散；自然放置平衡4周后再次混合，備用。

2013年9月，將處理好的4種鎘超富集植物秸稈分別施入制備好的鎘污染土壤中，施入量為每盆6 g，即2 g/kg（用量參照陳良華等[14]設置的中等濃度），混勻，澆水保持濕潤，平衡1周后種植牛膝菊幼苗。選擇長勢一致、2對真葉展開的牛膝菊幼苗移栽至盆中，每盆種植4株，每個處理重復3次，每天澆水以保持盆中土壤田間含水量在80%左右。試驗分5個處理，對照：未施用秸稈（CK），處理1：施用少花龍葵，處理2：施用紅果黃鵪菜，處理3：施用三葉鬼針草，處理4：施用豨薟。待牛膝菊生長50 d后，測定牛膝菊葉片的光合色素含量、光合作用參數。之后，將整盆土輕輕倒出，置于水中浸泡，待土壤浸透松散時輕輕搖晃牛膝菊植物，完整地取出根系，并將根系與地上部分分別用自來水洗凈，再用去離子水沖洗3次。最后，將根系、莖稈、葉片分別于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，粉碎，用于測定可溶性糖含量。

1.3 測定指標

牛膝菊光合色素含量（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素）采用丙酮-乙醇混合（1∶1）浸提法[21]測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法[21]測定。光合作用參數采用LI-6400便攜式光合測定儀（美國LI-COR公司）測定，連續(xù)測定3 d，于每日上午10：00開始測定（0.5 h內測完）。測定時，人工控制CO2濃度為400 μmol （CO2）/mol、溫度25 ℃、光強為1 200 μmol/（m2·s），測定項目主要有葉片凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、光合有效輻射（Photosynthetically active radiation，PAR）、蒸騰速率Transpiration rate，Tr）、葉片氣孔導度（Stomatal conductance，Gs）、胞間CO2濃度（Intercellular CO2 concentration，Ci）和葉表面蒸汽壓虧缺（Vapor pressure deficit of leaf，Vpdl）等光合參數，每個處理重復3次。

水分利用效率（Water use efficiency，WUE）=凈光合速率（Pn）/蒸騰速率（Tr），

光能利用率（Light use efficiency，LUE）=凈光合速率（Pn）/光合有效輻射（PAR）[22]。

1.4 數據處理

試驗所得數據用Microsoft Office Excel 2003軟件處理，應用DPS系統進行方差分析，采用鄧肯氏新復極差檢驗法（Duncan′s new multiple range test，DMRT）進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土施鎘超富集植物秸稈對鎘脅迫牛膝菊生物量及葉片氣體交換參數的影響

鎘超富集植物秸稈施入后對鎘脅迫牛膝菊生物量及葉片氣體交換參數的影響情況見表1。從表1可知，土壤施用紅果黃鵪菜秸稈（處理2）后，鎘脅迫牛膝菊的地上部生物量（干重）高于未施用秸稈的對照，比對照增加了7.33%，2個處理之間差異顯著（P<0.05）；而施用少花龍葵（處理1）、三葉鬼針草（處理3）、豨薟（處理4）秸稈后的鎘脅迫牛膝菊地上部生物量均低于對照，說明紅果黃鵪菜秸稈能促進鎘脅迫牛膝菊的生長，可能是其釋放的養(yǎng)分和化感物質有利于鎘脅迫牛膝菊生長所致；而少花龍葵、豨薟和三葉鬼針草秸稈所釋放的化感物質對鎘脅迫牛膝菊生長的抑制作用大于其釋放養(yǎng)分的促進作用。在土壤中施入超富集植物秸稈后，施用少花龍葵、紅果黃鵪菜和豨薟秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片的胞間CO2濃度較未施用秸稈的對照均有所提高，但之間的差異均不顯著（P>0.05），而施用三葉鬼針草秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片胞間CO2濃度較未施用秸稈的對照降低了5.35%，2個處理之間差異顯著（P<0.05）。就氣孔導度而言，施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片氣孔導度最大，比未施用秸稈的對照提高了7.08%，2個處理之間差異顯著（P<0.05），這有利于光合作用的提高，其余3種鎘超富集植物秸稈的處理均降低了鎘脅迫牛膝菊葉片的氣孔導度，都與對照差異顯著（P<0.05）。鎘脅迫牛膝菊葉片表面蒸汽壓虧缺的大小順序為施用少花龍葵秸稈、施用豨薟秸稈、對照、施用紅果黃鵪菜秸稈、施用三葉鬼針草秸稈。

2.2 土施鎘超富集植物秸稈對鎘脅迫牛膝菊葉片光合速率及蒸騰速率的影響

鎘超富集植物秸稈施入后對鎘脅迫牛膝菊葉片光合速率及蒸騰速率的影響情況見表2。從表2可以看出，與未施用秸稈的對照相比，土壤中施入紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片凈光合速率升高，較對照提高了4.29%，但2個處理間差異不顯著（P>0.05）。土壤中施用少花龍葵、三葉鬼針草、豨薟的鎘脅迫牛膝菊葉片凈光合速率均低于對照，分別較對照下降了12.87%、9.12%和13.00%，其中施用少花龍葵秸稈、豨薟秸稈與對照之間差異顯著（P<0.05）。這說明不同的鎘超富集植物秸稈對鎘脅迫牛膝菊的光合作用影響不同，與植物的種類有密切關系。與凈光合速率不同，土壤中施用鎘超富集植物秸稈后，只有施用少花龍葵秸稈處理的鎘脅迫牛膝菊葉片蒸騰速率升高，較對照升高了3.85%，但2個處理間差異不顯著（P>0.05），其余3種鎘超富集植物秸稈處理均降低了鎘脅迫牛膝菊葉片的蒸騰速率，其中施入三葉鬼針草秸稈的處理最低，較對照降低了37.82%，與對照差異顯著（P<0.05）。從水分利用效率來看，施用紅果黃鵪菜和三葉鬼針草秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片水分利用效率較對照有所提高，施用三葉鬼針草秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片水分利用效率比對照大幅度提高，這有利于鎘脅迫牛膝菊的水分代謝；但施用少花龍葵和豨薟秸稈的處理則降低了鎘脅迫牛膝菊葉片的水分利用效率，可能是這些植物秸稈的化感物質抑制了鎘脅迫牛膝菊的水分代謝所致。就光能利用率而言，各處理的高低排序為施用紅果黃鵪菜秸稈、對照、施用三葉鬼針草秸稈、施用少花龍葵秸稈、施用豨薟秸稈，各處理間差異均不顯著（P>0.05），這與凈光合速率密切相關。

2.3 土施鎘超富集植物秸稈對鎘脅迫牛膝菊葉片光合色素含量的影響

鎘超富集植物秸稈施入后對鎘脅迫牛膝菊葉片光合色素含量的影響情況見表3。從表3可以看出，在土壤中施入鎘超富集植物秸稈后，只有施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量較未施用秸稈的對照有所增加，分別增加了5.97%、30.42%、10.94%和12.88%，且差異均達到了顯著水平（P<0.05），而其余3種處理均低于對照。說明只有紅果黃鵪菜秸稈釋放的化感物質能促進鎘脅迫牛膝菊葉片的光合色素合成，從而促進其光合速率的提高，這與光合速率的表現一致。從表3還可見，鎘脅迫牛膝菊葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量之和的高低排序為施用紅果黃鵪菜秸稈、對照、施用三葉鬼針草秸稈、施用少花龍葵秸稈、施用豨薟秸稈。葉綠素a是光合作用的中心，其含量低則不利于光合作用的正常進行。鎘脅迫牛膝菊葉片的葉綠素a/b高低排序為對照、施用少花龍葵秸稈、施用豨薟秸稈、施用三葉鬼針草秸稈、施用紅果黃鵪菜秸稈，這可能也是導致施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片凈光合速率與對照差異不顯著的主要原因。

2.4 土施鎘超富集植物對鎘脅迫牛膝菊植株可溶性糖含量的影響

可溶性糖是光合作用的主要產物，其含量高低與植物的抗性有一定關系；鎘超富集植物秸稈施入后對鎘脅迫牛膝菊根系、莖稈、葉片可溶性糖含量的影響情況見表4。從表4可見，在土壤中施入鎘超富集植物秸稈后，鎘脅迫牛膝菊根系的可溶性糖含量均有所增加，其中，施用紅果黃鵪菜和三葉鬼針草秸稈的鎘脅迫牛膝菊根系可溶性糖含量分別比對照增加了26.81%、12.09%，與對照的差異達到了顯著水平（P<0.05），而施用少花龍葵、豨薟秸稈的鎘脅迫牛膝菊莖稈的可溶性糖含量與對照差異不顯著（P>0.05）。這說明鎘超富集植物紅果黃鵪菜和三葉鬼針草的秸稈可以增強鎘脅迫牛膝菊對土壤鎘脅迫的抗性。與根系不同，在土壤中施入鎘超富集植物秸稈后，施用少花龍葵、紅果黃鵪菜和豨薟秸稈的鎘脅迫牛膝菊莖稈的可溶性糖含量較對照顯著增加（P<0.05）；但施用三葉鬼針草秸稈的鎘脅迫牛膝菊莖稈的可溶性糖含量比對照降低了29.20%，與對照差異顯著（P<0.05）。在葉片方面，土壤中施入鎘超富集植物秸稈后，施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片的可溶性糖含量較對照顯著增加（P<0.05），比對照增加了32.82%，與對照差異顯著（P<0.05）；而施用少花龍葵的比對照增加了一些，但與對照差異不顯著（P>0.05）；施用豨薟的比對照減少，與對照差異不顯著（P>0.05）；施用三葉鬼針草的低于對照，與對照差異顯著（P<0.05）。這些結果反映了鎘超富集植物秸稈能直接影響鎘脅迫牛膝菊光合產物在源、流、庫中的分配比例，進而影響牛膝菊的生長。

3 小結

1）土壤施用紅果黃鵪菜秸稈提高了鎘脅迫牛膝菊葉片的凈光合速率、光能利用效率和生物積累量，而施用三葉鬼針草、豨薟和少花龍葵秸稈的則降低了鎘脅迫牛膝菊葉片的凈光合速率、光能利用效率和生物積累量。

2）土壤施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片蒸騰速率和表面蒸汽壓虧缺低于未施用秸稈的處理，水分利用效率、胞間CO2濃度和氣孔導度均高于未施用秸稈處理，這與光合作用進行時的各種參數之間的對應關系有關。

3）施用紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量較未施用秸稈的處理有所增加，施用三葉鬼針草、豨薟和少花龍葵秸稈的鎘脅迫牛膝菊葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及葉綠素總量均低于未施用秸稈處理。土壤施用鎘超富集植物后，鎘脅迫牛膝菊葉片的葉綠素a/b之值均低于未施用秸稈處理，其中施用紅果黃鵪菜秸稈處理的最低。

4）土壤施用少花龍葵和紅果黃鵪菜秸稈的鎘脅迫牛膝菊植株可溶性糖含量在根系、莖稈、葉片3個器官里都比未施用秸稈處理的提高，其中作為光合產物源和庫的牛膝菊葉片中的可溶性糖含量以施用紅果黃鵪菜秸稈處理的最高。土壤施用三葉鬼針草秸稈處理只增加了鎘脅迫牛膝菊根系的可溶性糖含量，施用豨薟秸稈處理則增加了鎘脅迫牛膝菊根系和莖稈的可溶性糖含量。

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