有機肥對桃幼樹鉻脅迫緩解效果的研究

王娜娜+彭福田+張亞飛

摘要：以2年生‘魯星/毛桃（ Amygdalus persica Linn.）為試材，通過盆栽模擬試驗，研究不同濃度鉻（0、100、200 mg/kg）脅迫下有機肥對桃幼樹生長狀況、土壤酶活性及桃幼樹各部位對Cr吸收分配的影響。結果表明，隨著外源Cr脅迫程度的加劇，桃幼樹表現出葉綠素含量下降、光合作用減弱、干周增長速率減小、干物質積累量降低的趨勢。施加有機肥可以不同程度地緩解Cr脅迫對桃幼樹生長的影響，增大植株生物量。Cr脅迫下，土壤酶活性受到抑制，有機肥能緩解Cr對土壤酶活性的抑制作用，除蔗糖酶外，脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶和蛋白酶活性較未施有機肥處理顯著提高。通過測定植株內Cr含量可知，Cr脅迫下桃幼樹各部位Cr含量顯著增加；施用有機肥對降低植株各部位Cr積累效果顯著，重度Cr脅迫下，施加有機肥處理比未施有機肥處理桃幼樹各部位Cr含量降低了39.2%～85.3%。可見，通過增施有機肥能夠明顯減緩Cr脅迫對桃幼樹的傷害，增強植株對Cr的抵抗力。

關鍵詞：桃樹；有機肥；鉻脅迫；緩解

中圖分類號：S141.2：S662.1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2016）11-0093-07

Abstract Using two-year-old ‘Luxing/wild peach（Amygdalus persica Linn.） as the research object， the pot experiment was conducted to study the effects of organic manure on plant growth， soil enzyme activities and Cr concentration in each part of peach trees under different levels of Cr stress （0， 100， 200 mg/kg）. The results showed that with the increase of Cr stress level， the peach trees showed a decreasing trend on the chlorophyll content， photosynthesis， growth rate of trunk girth and accumulation amount of dry mass. The application of organic manure could mitigate the impact of Cr stress on the growth of young peach trees to some extent and increase the plant biomass. Under the Cr stress， the activities of soil enzymes were inhibited. Applying organic manure could alleviate the inhibitory effects of Cr on soil enzyme activities. The activities of urease， phosphatase， catalase and protease except for invertase were significantly enhanced by applying organic manure than those of no organic manure treatment. The Cr concentration in plant samples were studied by ICP-Ms using microwave digestion. It showed that the concentration of Cr in various organs significantly increased under Cr stress. Organic manure could remarkably reduce the accumulation of Cr in plants under exogenous Cr stress. Under the high Cr dosage stress， the Cr concentration in each part of peach trees decreased by 39.2%～85.3% after organic manure application than those of no organic manure application. Above all， the application of organic manure could obviously mitigate the injury of peach trees by Cr stress and enhance the resistance of plants to Cr pollution.

Keywords Peach tree； Organic manure； Cr stress； Remission

土壤污染源中主要的污染物是有害金屬和農藥[1]。近年來，隨著工業、農業和交通運輸業的快速發展，通過各種途徑進入土壤的重金屬不斷增加（如Hg、Cd、Pb、Cr 和 As 等），土壤的重金屬污染問題及其危害已成為環境科學領域研究的熱點問題。中國綠色食品發展中心發布的《綠色食品標準》，規定了不同類型土壤中汞、鎘、鉛、砷、鉻5種有害物質和DDT、六六六2種有機氯農藥的殘留標準[2]。研究表明，土壤受鎘污染后顯著抑制水稻生長，降低生物量及其經濟性狀[3]。鉛脅迫下黃瓜幼苗地上部POD活性均隨鉛濃度的增加而逐漸降低，SOD活性隨鉛濃度的增加先增大后急劇下降， CAT酶譜帶無明顯變化，而表達量存在差異[4]。因此，作物一旦受到重金屬污染，就會直接影響其生理生化過程和生長發育，從而影響產量和品質。

目前，針對重金屬污染的土壤修復方法主要有化學修復法、物理修復法和微生物修復法等。近年來，添加改良劑進行原位修復已成為改善重金屬污染土壤新的研究重點，較傳統方法具有成本低、操作簡單、不影響土壤原有理化性質等優點，得到廣泛實踐和應用。改良劑的選擇一般為具有吸附作用的活性無機物質和禽畜糞便等有機物料。有機肥本身含有大量有機質，可以通過絡合作用將重金屬固定，從而減少植物的吸收利用，同時還可提高土壤肥力，改良土壤環境，有利于植株生長。已有研究表明，施入有機肥可以不同程度緩解鉛脅迫對小麥生長的影響，延緩小麥根系的衰老，促進根系的生長和發育，最終使小麥產量增加，籽粒鉛含量降低[5]。馮圣東等[6]發現在高Hg脅迫下，施用有機肥可以使葡萄葉片相對電導率在整個生育期不同程度增大，通過增施有機肥能夠明顯減緩高Hg脅迫對葡萄葉片的傷害，增強葡萄樹對Hg的抵抗力，尤其開花期抗性表現較為突出。但有機肥對不同濃度鉻脅迫下植物生長的緩解效果尚少見報道。為此，本試驗擬以桃幼樹為試驗材料，對外源鉻脅迫下有機肥對其生長及鉻吸收進行研究，以期為重金屬污染區的農業生產提供有效參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以2年生‘魯星/毛桃（ Amygdalus persica Linn.）為試材，于2014年3-10月在山東農業大學試驗站進行，采用上直徑32 cm、下直徑22 cm、高28 cm的塑料花盆進行試驗，每盆裝土10 kg。供試用土取自試驗站未受重金屬鉻污染的桃園土壤，主要理化性質為：pH值6.5，堿解氮48.53 mg/kg，速效磷31.93 mg/kg，速效鉀84.72 mg/kg，有機質12.68 g/kg。土壤全鉻35.13 mg/kg。供試有機肥為未受鉻污染的兔糞，其全氮含量7.81 g/kg，全磷（P2O5）16.02 g/kg，全鉀（K2O） 3.46 g/kg，全鉻39.7 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用裂區試驗設計，主處理設置施有機肥（OF）和不施有機肥（CK）兩種形式，副處理分別為：對照（0 mg/kg，Cr0）、中度鉻脅迫（100 mg/kg，Cr1）和重度鉻脅迫（200 mg/kg，Cr2）3個水平，外源鉻以分析純K2Cr2O7形式添加。有機肥施入按土重的5%（0.5 kg），共6個處理，每處理重復9次。按盆栽作物對養分的需求，基肥氮、磷、鉀用量分別為N 4 g/kg土、P2O5 2 g/kg土、K2O 4 g/kg土。按照試驗設計要求將土壤和肥料及外源鉻混合均勻裝盆，平衡兩周后，在盆中定植生長勢基本一致、無病蟲害的桃樹幼苗，栽后正常管理。試驗期間保持田間持水量為60%，旺盛生長期測定各項生理指標，2014年10月對桃幼樹整株解析后采樣分析。

1.3 測定項目和方法

土壤脲酶用苯酚鈉比色法測定；土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤酸性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定；土壤蛋白酶活性用茚三酮比色法；土壤過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定[7]。

將采集的桃樹葉片擦凈，剪碎去脈混勻，加入石英砂和碳酸鈣及95%乙醇研磨后過濾，在652 nm下測定吸光度，計算葉綠素含量[8]。光合速率用英國PP System公司生產的CIRAS-3型光合儀測定。葉綠素熒光動力學參數采用英國Hansatech生產的PEA植物熒光儀測定，根據Strasser等[9]的方法進行葉綠素熒光誘導曲線及其參數的測定。

桃幼樹樣品采集后，先用自來水沖洗，再用超純水洗凈，然后將植株分為細根、粗根木質部、粗根韌皮部、主干木質部、主干韌皮部、新梢木質部、新梢韌皮部、葉8部分，105℃殺青后80℃烘干至恒量后測定干物質量。

將烘干的各部分桃樹植株分別用不銹鋼粉碎機粉碎，過0.5 mm篩。稱取0.3 g植株樣品（精確至0.0001）采用HNO3-H2O2混酸體系，用微波消解儀（Mars 6，CEM，美國）完全消解至淺黃色澄清溶液，再用超純水稀釋定容，用電感耦合等離子質譜儀（NexION 300X， PerKin Elmer，美國）測定全鉻含量。

1.4 數據處理

試驗數據采用Micorsoft Excel和DPS軟件進行整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 有機肥對鉻脅迫下桃幼樹營養生長的影響

試驗結果表明，有機肥處理的植株長勢均優于不施有機肥處理。無論施肥與否，桃幼樹長勢隨鉻濃度的增加而減弱，但在不同水平鉻脅迫下減弱幅度不同，而且在不同生長時期的表現也有所不同。

由表1可知，施有機肥的桃幼樹葉綠素含量均高于不施有機肥處理，提高幅度在2.2%～10.7%，但隨鉻濃度的增加，處理間葉綠素含量逐漸降低。Cr0OF各時期桃樹葉片葉綠素含量增幅不明顯，在2%～4%之間。Cr1OF增幅大于Cr0OF，Cr2OF對葉綠素含量的提高效果在8月下旬比Cr2CK高10.7%。Cr0處理下，施有機肥與否對桃樹凈光合速率在各生長期的影響基本不明顯。在 Cr1脅迫下，施用有機肥后桃樹凈光合速率在6-8月份比未施有機肥的處理提高了6.97%～12.85%。在Cr2脅迫下，施用有機肥比未施有機肥提高了11.8%～24.8%。由此可見，土壤高Cr脅迫時，施加有機肥可使桃樹葉片光合作用顯著增強，這說明施加有機肥可以有效增強桃幼樹對逆境的適應能力，緩解外源鉻污染對植株的毒害。在Cr0處理下，施用有機肥顯著提高了干粗增長量；中濃度鉻脅迫下，在8月份有機肥顯著提高了干粗增長量；高濃度鉻脅迫下有機肥的改良作用不明顯。

2.2 有機肥對鉻脅迫下桃幼樹葉片熒光參數的影響

葉綠素熒光特性是PSⅡ光化學過程的指示器。ΦPSⅡ反映了葉片光照條件下光合系統Ⅱ反應中心部分關閉時的實際光化學效率，體現光下植物葉片用于電子傳遞的能量占所捕獲光能的比例，常用于表示植物光合電子傳遞速率快慢。由圖1A可見，施有機肥提高了桃樹葉片的ΦPSⅡ，由低到高Cr濃度下分別為未施有機肥處理的1.16、1.19、1.35倍。Fv/Fm代表了PSⅡ的最大光化學量子產量，圖1B顯示未施有機肥處理下隨著Cr濃度的升高，桃樹葉片Fv/Fm明顯降低。這表明重金屬Cr離子使PSⅡ反應中心受損，從而抑制了光合作用的原初反應，阻礙了光合電子的傳遞過程。但在相同的Cr濃度下，施加有機肥處理有效提高了脅迫作用下桃樹葉片的Fv/Fm值，為對照的1.22～1.53倍。qP為光化學猝滅系數，它在一定程度上反映了PSⅡ反應中心的開放程度，由圖1C看出，隨著Cr濃度的增加，桃幼樹葉片的qP明顯下降，同等脅迫條件下，施加有機肥處理的桃葉片qP值遠高于不施加有機肥處理。圖1D顯示，隨著Cr濃度的升高，施與不施有機肥處理的PSⅡ潛在活性Fv/Fo 均呈下降趨勢，但有機肥處理均比未施有機肥的桃樹葉片Fv/Fo值大，在Cr0、Cr1、Cr2處理下，分別為未施有機肥的1.04、1.12、1.02倍，其中Cr2脅迫下有機肥效果最明顯。由此可見，有機肥的添加在一定程度上可以減緩重金屬Cr對桃樹葉片PSⅡ反應中心的不可逆或可逆的破壞，促進桃幼樹生長。

2.3 有機肥對不同濃度鉻脅迫下桃幼樹干重的影響

不同濃度Cr脅迫下有機肥對桃幼樹地上部干重和根部干重的影響不同。由圖2可知，有機肥處理后桃幼樹干重均與對照存在顯著差異。地上部和根部干重在未施有機肥時表現出隨Cr濃度的升高而明顯減少的趨勢，Cr1、Cr2脅迫下地上部干重分別比對照（Cr0）下降了31.9%和 49.0%，根部干重比對照下降了29.2%和35.1%。施加有機肥后在Cr1、Cr2脅迫下顯著提高了桃樹干重，與未施加有機肥的相同濃度Cr處理相比，地上部干重分別提高了58.1%和45.6%，根部干重提高了54.4%和12.7%。有機肥提高桃幼樹干重的效果在中度Cr脅迫條件下效果最明顯。

2.4 有機肥對不同濃度鉻脅迫下土壤酶活性的影響

由圖3可知，在無重金屬鉻污染的土壤中，施加有機肥提高了土壤中脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶和蛋白酶的活性，但對蔗糖酶無影響。添加外源Cr后土壤酶活性受到抑制。在中度Cr脅迫下有機肥提高土壤脲酶活性效果最佳，與未施有機肥處理相比提高了33.3%。土壤蔗糖酶活性隨外源Cr濃度的增大而減小，但變化不顯著。中度Cr脅迫時，施加有機肥對土壤酸性磷酸酶活性提高效果不顯著，重度Cr脅迫時，有機肥處理的土壤磷酸酶活性是未施有機肥的1.48倍。中、重度Cr脅迫下，施加有機肥均提高了土壤過氧化氫酶和蛋白酶的活性，比未施有機肥提高了15.4%～28.6%。有機肥在土壤受到Cr污染時對土壤酶活性提高有明顯作用。

2.5 有機肥對不同濃度鉻脅迫下桃幼樹各部位鉻含量的影響

有機肥處理對不同濃度Cr脅迫下桃幼樹植株各部位鉻分配的影響不同。由表2可知，未施加有機肥處理中，隨著Cr濃度的增加，桃幼樹各部位Cr含量明顯升高，表現為根>主干>葉>新梢，且韌皮部>木質部。重度Cr脅迫下各部位Cr含量達到對照的16.3～77.02倍。在無Cr處理中，桃幼樹各部位Cr含量很少，施加有機肥對減少Cr含量效果不顯著。在同等濃度Cr脅迫條件下，施加有機肥的則可降低桃幼樹各部位Cr含量。在中度Cr脅迫下，施加有機肥處理后桃幼樹葉、新梢、主干、根分別比對照降低了39.3%、66.8%～69.7%、31.8%～63.1%、25.3%～70.8%。在重度Cr脅迫下，施加有機肥處理后桃幼樹葉、新梢、主干、根分別比對照降低了56.4%、54.0%～71.5%、39.2%～58.0%、55.6%～85.3%。由此可以看出，有機肥對Cr污染土壤有一定的改良效果，可減少Cr脅迫下桃樹對Cr的吸收分配。

3 討論

有研究表明，植物在受到Cr脅迫時生理生化反應會發生一系列變化，如光合作用減弱[10]，植物根細胞分化受抑制[11]，從而導致植株矮小、葉片失綠、生物量降低等。喬莎莎等[5]研究發現，施用有機肥可緩解小麥在Pb脅迫下表現出的株高下降、長勢減弱等毒害癥狀。本研究結果表明，添加外源高濃度Cr（200 mg/kg）后桃幼樹葉片的葉綠素含量、凈光合速率和桃樹干周粗度增長量都顯著降低，說明外源Cr對桃幼樹產生了嚴重的脅迫毒害作用，降低了桃樹葉片葉綠素合成及植株生長。本研究發現，同等濃度Cr脅迫下，施加有機肥處理的桃幼樹葉片葉綠素含量、凈光合速率及桃樹干周粗度增長量均高于未施有機肥處理，兩者之間差異顯著，表明施加有機肥可以有效減弱Cr對桃幼樹的毒害作用，促進葉片葉綠素的合成，加強桃樹光合作用的進行，增大桃樹的生長速率。這與前人的研究結果一致。

葉綠素熒光分析技術是研究和探測植物在逆境脅迫條件下生理狀況的理想探針[12]。本試驗中，Cr脅迫引起桃幼樹ΦPSⅡ、Fv/Fm、qP及Fv/Fo下降，暗示了Cr使桃樹光合系統受到破壞，阻礙了PSⅡ電子傳遞的過程，進而導致了光抑制的發生。同等Cr脅迫條件下，施加有機肥不同程度地減小了熒光參數的下降幅度。說明有機肥對桃幼樹在Cr脅迫下葉綠素熒光特性的傷害具有一定的緩解作用。

土壤酶是土壤的重要組成部分，在土壤的物質和能量轉化過程中發揮著至關重要的作用[13]。植物受重金屬脅迫時，土壤酶的活性中心會受重金屬離子的作用，結合形成較為穩定的絡合物，從而降低酶活性；同時外源重金屬的加入還會改變土壤原有的理化性質，破壞土壤微生物的生長環境，抑制其生長，進而降低酶活性[14，15]。張國慶等[16]研究發現，土壤脲酶等在一定程度上可表征土壤Cr污染的程度。鄧波兒等[17]研究發現，改良劑的添加可以固定土壤中重金屬離子，改變土壤微生物活性，使土壤酶活性升高，所以土壤酶活性的變化也可作為修復重金屬污染土效果的指標。本試驗研究表明，在Cr脅迫下，施加有機肥在相同濃度Cr處理下可以提高土壤脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶和蛋白酶活性，中濃度Cr（100 mg/kg）處理下提高土壤酶活性的效果最好。可能是有機肥的添加改善了土壤的化學、生物和物理特性，提高了土壤中的微生物含量，進而激活了土壤酶活性。

Chiu等[18]研究發現，隨著土壤中Pb含量的增加，小麥籽粒中Pb含量也呈上升趨勢，而有機肥的施用有效抑制了Pb含量在小麥籽粒中的積累，說明有機肥可抑制小麥對土壤中Pb的吸收。本試驗研究發現，在同等濃度Cr脅迫條件下，施加有機肥可降低桃幼樹各部位Cr含量，在中度Cr脅迫下，施加有機肥處理后桃幼樹各部位鉻含量比對照降低了25.3%～70.8%；在重度Cr脅迫下，施加有機肥處理后桃幼樹各部位鉻含量比對照降低了39.2%～85.3%。由此可以看出，有機肥對Cr污染土壤有一定的改良效果，可減少Cr脅迫下桃樹對Cr的吸收分配。這與有機肥中有大量官能團，可促進土壤中重金屬離子與其形成穩定絡合物，增大了土壤對重金屬離子的吸附作用，降低土壤中重金屬離子活性有關[19]。

4 結論

土壤添加外源Cr處理后，桃幼樹的葉綠素含量、凈光合速率、干物質積累量減小，葉綠素熒光參數下降，最終影響桃幼樹生長。Cr脅迫顯著增加了桃幼樹各部分的Cr積累量。

有機肥的施加使桃幼樹葉綠素含量、凈光合速率、干物質積累量顯著增加。有機肥改善了土壤環境，在同等Cr脅迫條件下，較未施有機肥處理不同程度地提高了土壤酶活性。有機肥的施用顯著降低了桃幼樹Cr的積累，說明有機肥可抑制桃樹對土壤中Cr的吸收。本研究結果對存在Cr污染的農業區生產和發展具有借鑒意義

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