螳螂川流域土壤中氯離子富集對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響

錢文敏，楊 迪，曾 偉，雷小麗，劉 帥，齊佳敏，李 彬

(1.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650500；2.湖南惟創(chuàng)環(huán)境科技有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

氯是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一，雖然植物對氯元素的需求量很小，僅占植物體的0.1%左右，但植物對氯的需要量卻是最多的[1]。氯離子對植物的生長發(fā)育具有很重要的作用：氯作為錳的輔助因子，參與植物光合作用中水的光解反應(yīng)；氯參與氣孔開張和關(guān)閉的調(diào)節(jié)；氯離子與陽離子保持電荷平衡，維持細(xì)胞的滲透壓等。在一定的氯離子濃度范圍內(nèi)，對植物的生長發(fā)育具有促進(jìn)作用，但氯離子濃度過高易發(fā)生氯中毒，導(dǎo)致植物生長發(fā)育緩慢甚至死亡。不同的植物也存在一定的耐氯臨界值[2]。作物耐氯能力劃分為三種類型：第一類為強耐氯作物：其耐氯臨界濃度>600mg/kg，包括水稻、棉花、紅麻、波菜等；第二類為中等耐氯作物：大麥、小麥、大豆、蠶豆、豌豆、玉米、油菜、蘿卜、甘蔗等，適應(yīng)的土壤臨界濃度為300～600mg/kg；第三類為弱耐氯作物：萵苣、烤煙、甘薯等，適應(yīng)的土壤臨界濃度為<300mg/kg。此外，作物的耐受能力還受到不同的作物品種和土壤類型、土壤性質(zhì)的影響[2-4]。云南省螳螂川流域水體流量變化較大,水體雖然較小,但利用價值較大,它是海口、安寧以及沿岸工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水的主要水源,也是容納生產(chǎn)、生活污水的唯一水體。流域內(nèi)土壤剖面發(fā)育完善，土層深厚，質(zhì)地較重且分異明顯，土壤酸性較強，有機質(zhì)及鉀素含量較豐富，該地區(qū)土壤有機質(zhì)含量高(>15.3 g/kg)，最高可達(dá)63.6 g/kg，具有從谷底到山頂逐漸增加的趨勢，但人為影響大，侵蝕嚴(yán)重。周邊農(nóng)業(yè)主要以種植玉米、蔬菜和加工型玫瑰為主。螳螂川流域上游的海口鎮(zhèn)是昆明的工業(yè)重鎮(zhèn)，境內(nèi)有云南北方光學(xué)電子集團(tuán)有限公司、云南西儀工業(yè)有限公司、云南圓正軸承有限公司、云南水泥廠、云南省化學(xué)工業(yè)有限公司等中央省屬企業(yè)。為探究人為因素對螳螂川流域內(nèi)主要作物的影響，對流域內(nèi)土壤和作物氯離子含量特征進(jìn)行了調(diào)查。根據(jù)對螳螂川流域的土壤氯離子含量變化規(guī)律的研究和主要農(nóng)作物不同氯離子濃度的盆栽種植試驗，得出螳螂川流域土壤氯離子濃度對周邊農(nóng)作物的影響及其規(guī)律，以期為螳螂川流域農(nóng)作物的種植提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 取樣試驗

從云南滇池流域的海口到富民，根據(jù)河流的典型地段和周圍工廠分布，在4月份和8月份分別設(shè)置了20個采樣點，分布見圖1。于2019年4月底和8月底分別采集了距離螳螂川50m范圍內(nèi)的作物及對應(yīng)土壤。4月采集到的農(nóng)作物主要是油菜(6個樣品)、蠶豆(7個樣品)、小麥(5個樣品)、油麥菜(1個樣品)和青菜(1個樣品)。受耕種習(xí)慣限制，8月份20個樣品均為玉米。主要測試品種大田與盆栽試驗保持一致，玉米(Zea mays Linn.)品種為云瑞8號，蠶豆(Vicia faba L.)品種為云豆324。

1.2 種子萌發(fā)實驗

種子發(fā)芽率，是指種子發(fā)芽終止在規(guī)定時間內(nèi)的全部正常發(fā)芽種子粒數(shù)占供檢種子粒數(shù)的百分率，用以判斷田間出苗率，可以表示群體種子形成幼苗的潛勢。玉米、蠶豆種子用10%次氯酸鈉消毒10min，25℃浸種24h，然后置于鋪有一層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，每皿8粒，每處理重復(fù)3次，共計21盆。然后分別加入如下處理溶液，氯離子(CaCl2)濃度設(shè)計：100mg/kg、200mg/kg、400mg/kg、800mg/kg、1600mg/kg、2400mg/kg和3200mg/kg，3d后開始測定指標(biāo)。

圖1 采樣點分布示意圖

1.3 盆栽試驗

盆栽實驗氯(CaCl2)濃度設(shè)計：100mg/kg、200mg/kg、400mg/kg、800mg/kg、1600mg/kg、2400mg/kg和3200mg/kg，每種處理設(shè)3盆，共計21盆。種植的時間：2019年7月1日—9月15日。收獲時，測定各指標(biāo)。

1.4 測定項目與方法

各個采樣點土壤和作物氯離子的含量測定：土壤氯離子含量測定采用NY/T 1378-2007硝酸銀滴定法[5]，植物氯含量測定采用電極電位滴定法[6]。盆栽實驗中各項指標(biāo)的測定：根系活力測定采用改良TTC法[7]，葉片膜傷害程度測定采用電導(dǎo)率法[8]，葉片葉綠素含量測定采用丙醇提取法[9]，此外還包括生物量、丙二醛含量[10]和植物不同部位平均氯含量[6]的測定。

種子萌發(fā)實驗中各項指標(biāo)的測定：培養(yǎng)至連續(xù)3d內(nèi)無種子萌發(fā)為止，每日定時記錄萌發(fā)的種子數(shù)，測定種子的發(fā)芽率：即發(fā)芽率=規(guī)定發(fā)芽率測定天數(shù)內(nèi)正常發(fā)芽的種子粒數(shù)/供試種子粒數(shù)× 100%。然后從每個樣品中隨機選取4株幼苗，測量其胚根長和植株總長，作好記錄，對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

使用 Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計及制圖，用 Origin 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采樣點土壤氯離子變化規(guī)律

4月份土壤氯離子平均含量為53.80mg/kg,變化范圍為5.67～219.76mg/kg。8月份土壤氯離子平均含量為36.62mg/kg，變化范圍為4.25～172.95mg/kg(表1)。我國土壤平均氯離子含量為24.5mg/kg，螳螂川流域土壤氯離子含量屬于較高水平[2]。

土壤氯離子含量具有從海口到富民逐漸下降的趨勢(圖2)。4月份出現(xiàn)了6個峰值，依次出現(xiàn)在5昆明閩海紙業(yè)廠下游10m、2云天化集團(tuán)附近、8小貴甸村、16青龍峽、13官莊村下游和11邑尾里村。8月份出現(xiàn)4個峰值，依次出現(xiàn)在5昆明閩海紙業(yè)廠下游10m、12官莊村上游、7馬料河口下游10m和9前山崀村。4月份和8月份最大值都出現(xiàn)在第5個采樣點，即昆明閩海紙業(yè)廠下游10m，可見該工廠的存在對土壤中氯離子含量的增加具有直接關(guān)系。其次是第2號采樣點云天化集團(tuán)附近，云天化集團(tuán)污染物也是土壤氯離子含量增加的重要因素。

表1 螳螂川流域土壤和作物氯離子含量

圖2 流域土壤氯離子含量變化規(guī)律

比較4月份和8月份的土壤氯離子含量，4月份的含量比8月份的含量高，特別是8月份土壤的氯離子含量除4個峰值外，基本比較穩(wěn)定。可能是由于4月屬于旱季，土壤氯離子逐漸累積，而8份屬于雨季，雨水對土壤中氯離子的淋洗作用，可能導(dǎo)致氯離子含量的降低(圖2和圖3)。

圖3 4月和8月土壤氯離子含量空間分布

從不同植物所對應(yīng)的土壤來看，油菜地土壤氯離子含量平均為49.62mg/kg，范圍為14.18～79.39mg/kg。蠶豆地土壤氯離子含量平均為 48.81mg/kg，范圍為24.10～104.91mg/kg。小麥地土壤氯離子含量平均為28.07mg/kg，范圍為5.67～66.63mg/kg。油麥菜土壤氯離子含量為 76.50mg/kg，青菜地土壤氯離子含量為 219.76mg/kg。分析比較不同植物對土壤氯離子的耐性和敏感性，小麥、蠶豆、玉米和油菜都屬于中等耐氯作物，耐氯臨界濃度為600mg/kg。土壤氯離子含量處于其耐受范圍內(nèi)，不會對小麥、蠶豆、玉米和油菜的生長產(chǎn)生較大的影響。

根據(jù)安景文等[11]研究結(jié)果，白菜的耐氯臨界濃度為200mg/kg，2個蔬菜樣品采樣點土壤氯離子含量均較高，特別是青菜地位于昆明閩海紙業(yè)廠下游10m，土壤氯離子含量超過200mg/kg，可能會對蔬菜的生長產(chǎn)生一定的影響。因此，應(yīng)該注意作物或蔬菜的選擇和布局。

2.2 不同采樣點植物氯離子變化規(guī)律

4月份植物氯平均含量為0.32%，變化范圍為0.06%～0.82%。油菜氯含量平均為0.32%，范圍為0.06%～0.62%。蠶豆氯含量平均為0.31%，范圍為0.13%～0.52%。小麥氯含量平均為0.17%，范圍為0.07%～0.31%。油麥菜氯含量為0.53%，青菜氯含量為0.82%。8月份玉米氯平均含量為0.27%, 變化范圍為0.06%～0.57%(表1)。一般植物氯含量為0.03%～1.5%，可見螳螂川流域植物氯含量為正常水平。

實驗采樣測定了4月份和8月份的土壤和植物中氯含量，表明土壤和植物中氯含量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(見圖4)。因此，通過土壤氯離子含量預(yù)測植物中氯含量具有可行性，土壤氯含量的變化將影響植物中氯的積累。

2.3 不同氯離子濃度對玉米/蠶豆生長發(fā)育的影響

2.3.1 氯離子濃度對玉米/蠶豆種子萌發(fā)的影響

玉米種子經(jīng)不同的氯離子濃度處理3d后，發(fā)芽率、芽長和根長隨著氯離子濃度的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(見表2)。當(dāng)氯離子添加濃度<400mg/kg時，種子萌發(fā)情況良好，可能是由于氯離子濃度處于適宜水平，提高了種子萌發(fā)酶的活性，促進(jìn)了種子萌發(fā)[12]。當(dāng)氯離子添加濃度>400mg/kg時，樣品的發(fā)芽率、芽長和根長均下降了許多，說明種子萌發(fā)受到了脅迫，氯離子濃度過高會對玉米種子的萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用，并且隨著氯離子濃度的升高，抑制作用會愈加強烈[13,14]。

從表2可知，蠶豆種子經(jīng)不同的氯離子濃度處理3d后，發(fā)芽率、芽長和根長隨著氯離子濃度的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢， 400～800mg/kg氯離子濃度處理下的樣品的發(fā)芽率、芽長和根長與其他濃度處理下的樣品相比屬于較高水平，當(dāng)氯離子添加濃度>800mg/kg時，樣品的發(fā)芽率、芽長和根長相比之前有明顯降低，說明蠶豆種子萌發(fā)需要大量的氯元素，氯離子濃度在400～800mg/kg時可以提高種子萌發(fā)酶的活性[12]，對蠶豆種子的萌發(fā)具有促進(jìn)作用。

圖4 土壤氯離子與植物氯含量相關(guān)性(4月份和8月份)

表2 氯離子濃度處理對玉米/蠶豆種子萌發(fā)的影響

2.3.2 氯離子濃度對玉米/蠶豆生物量的影響

氯濃度處理>400mg/kg時，玉米出苗推遲5～7d，且出苗緩慢不整齊，植株矮小，出葉率低，新生葉片小，葉色暗綠，分枝數(shù)少或無分枝[15]。圖5a表明，在土壤含氯100～200mg/kg時玉米幼苗生長無異常，且有一定的促進(jìn)作用，這可能是由于氯離子在植物體內(nèi)的少量積累促進(jìn)了植物的生長[16]。

氯濃度處理>800mg/kg時，蠶豆出苗推遲3～5d，且出苗緩慢不整齊，植株矮小，出葉率低，新生葉片小，葉色暗綠，分枝數(shù)少或無分枝，這說明鹽脅迫明顯地降低了植物的生物量[15]。圖5b表明，在土壤含氯100～400mg/kg時蠶豆幼苗生長無異常，這可能是由于氯離子在植物體內(nèi)的少量積累產(chǎn)生了對植物生長發(fā)育的促進(jìn)作用[16]。

2.3.3 氯離子濃度對玉米/蠶豆根系活力的影響

植物的根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長情況和活力水平直接影響地上部的營養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平[17]。從圖6a可知，當(dāng)土壤中氯處理為100mg/kg時，玉米根系活力為179.87μg/(g*h), 當(dāng)土壤中氯處理為3200mg/kg時， 根系活力為2.53μg/(g*h)，與根系活力最強時相比下降了98.5%。從圖6b可知，當(dāng)土壤中氯處理為200mg/kg時，蠶豆根系活力為30.89μg/(g*h)，當(dāng)土壤中氯處理為3200mg/kg時，根系活力為4.37μg/(g*h)，與根系活力最強時相比下降了85.8%。

圖5 氯離子濃度對玉米/蠶豆生物量的影響

圖6 氯處理對玉米/蠶豆根系活力的影響

2.3.4 氯離子濃度對玉米葉片膜傷害程度的影響

細(xì)胞膜是選擇透過性膜，它能調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的運輸和交換，其透性是評定植物對污染物反應(yīng)的指標(biāo)之一[18]。當(dāng)植株體受到離子毒害時，在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重破壞，由圖7a可知，玉米莖葉外滲液電導(dǎo)率隨氯處理濃度增加而增加。這可能是因為氯進(jìn)入植株后，氯與細(xì)胞膜蛋白的—SH或磷酸分子層的磷酸脂類物質(zhì)反應(yīng)，造成膜蛋白的磷脂結(jié)構(gòu)變化，致使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)改變，膜系統(tǒng)遭受破壞，透性增大，使細(xì)胞內(nèi)一些可溶性物質(zhì)外滲，從而使電導(dǎo)率增大。由圖7b可知，蠶豆莖葉外滲液電導(dǎo)率隨氯處理濃度增加而增加。這可能是因為氯進(jìn)入植株后，氯與細(xì)胞膜蛋白的—SH或磷酸分子層的磷酸脂類物質(zhì)反應(yīng)，造成膜蛋白的磷脂結(jié)構(gòu)變化，致使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)改變，膜系統(tǒng)遭受破壞，透性增大，使細(xì)胞內(nèi)一些可溶性物質(zhì)外滲，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。

圖7 氯處理對玉米/蠶豆莖葉細(xì)胞膜透性的影響

2.3.5 氯離子濃度對玉米/蠶豆丙二醛含量的影響

MDA(丙二醛)是生物膜系統(tǒng)脂質(zhì)過氧化物的產(chǎn)物之一，是一種重要的逆境生理指標(biāo)，其含量反映著細(xì)胞活性氧引起脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致植物細(xì)胞傷害程度。其形成速率一定程度上反映機體內(nèi)清除自由基能力的大小和活性氧代謝水平。從圖8a可知，隨著氯離子濃度的增加，玉米體內(nèi)的MDA含量呈現(xiàn)增加的趨勢，加氯100mg/kg和200mg/kg處理玉米體內(nèi)MDA含量平均為1.65μmol/g，加氯3200mg/kg處理玉米體內(nèi)MDA含量為 13.38μmol/g，與100mg/kg和 200mg/kg 處理相比增加了87.67%。這說明在鹽脅迫條件下會增加植物體內(nèi)MDA的含量[19]。從圖8b可知，隨著氯離子濃度的增加，蠶豆體內(nèi)的MDA含量呈現(xiàn)增加的趨勢[19]，加氯100>1200mg/kg處理蠶豆體內(nèi)MDA含量平均為7.43μmol/g，加氯3200mg/kg處理蠶豆體內(nèi)MDA含量為21.82μmol/g。

圖8 氯處理對玉米/蠶豆葉丙二醛(MDA)含量的影響

2.3.6 氯離子濃度對玉米/蠶豆葉片葉綠素含量的影響

葉綠素含量是反映植物葉片光合作用的重要生理指標(biāo)，葉綠素含量高低在一定程度反映了光合作用水平(圖9)。葉綠素含量低，光合作用弱，會導(dǎo)致植物鮮重降低，植物在逆境脅迫或衰老過程中，葉綠素含量下降。由圖9a可知，不同濃度的氯對玉米的葉綠素含量影響明顯，隨氯濃度增加葉綠素含量持續(xù)降低。由圖9b可知，不同濃度的氯對蠶豆的葉綠素含量影響明顯，隨氯濃度的增加葉綠素含量持續(xù)降低，當(dāng)氯含量為3200mg/kg時蠶豆體內(nèi)葉綠素a為2.33mg/L、葉綠素b為0.58mg/L，與200mg/kg處理時分別為9.55mg/L和2.39mg/L相比，分別下降了75.58%和75.67%。這可能是由于植物體內(nèi)氯離子濃度過高，導(dǎo)致合成葉綠素的中間產(chǎn)物減少而造成的[20-21]。

圖9 氯處理對玉米/蠶豆葉片的葉綠素含量的影響

2.3.7 玉米/蠶豆對土壤氯離子含量的富集能力

土壤氯離子含量高玉米體內(nèi)吸收的氯含量也隨著增高，玉米對氯離子有明顯的奢侈吸收(圖10a)。土壤氯濃度為100～800mg/kg時，玉米植株中氯含量從0.20%增加到0.84%，1600mg/kg時，玉米植株中氯含量開始大幅度增加，3200mg/kg 時，達(dá)到9.05%，由于作物能從土壤中吸收大量的氯，作物收獲后僅根系殘留在土壤中，而莖、葉、籽粒被從農(nóng)田帶走，從而也帶走了農(nóng)田中大量的氯離子。從圖10b可知，蠶豆體內(nèi)吸收的氯含量隨土壤氯離子含量增加而增高，蠶豆對氯離子有明顯的奢侈吸收。土壤氯濃度為100～1200mg/kg時，蠶豆植株中氯含量平均為2.73%，1600mg/kg時，玉米植株中氯含量開始大幅度增加，3200mg/kg時，達(dá)到12.61%，與100 ～1200mg/kg相比增加了78.35%。

圖10 土壤氯離子與玉米/蠶豆吸收氯離子量的關(guān)系

2.4 討論

從圖5～圖10和表2中可以看出，在100mg/kg時根系活力、葉綠素a和b 的含量是最高的，葉片膜傷害程度、植物氯含量是最低的；在200mg/kg時，玉米的生物量、種子萌發(fā)率是最高的，MDA含量是最低的；在400mg/kg及以上玉米的生物量、葉綠素a和b的含量呈下降趨勢，葉片膜傷害程度、MDA含量均呈下降趨勢，僅根系活力在400～800mg/kg保持相對穩(wěn)定的水平，說明在土壤氯離子濃度為100～400mg/kg時玉米的生長狀況良好，當(dāng)氯離子含量高于400mg/kg之后，濃度越高對玉米生長發(fā)育的負(fù)面影響越大。蠶豆的葉片膜傷害程度、MDA含量、植物體氯含量均隨著土壤氯離子濃度的升高而逐漸升高。在200mg/kg時葉綠素a和b的含量、根系活力最高，在400mg/kg時蠶豆地上部的含量最高，在800mg/kg時，種子的萌發(fā)率最高，在1200mg/kg時蠶豆地下部生物量最高，在1600mg/kg之后，隨著土壤氯離子濃度的升高，蠶豆的生長發(fā)育狀況也隨之受到影響，在400～800mg/kg時，蠶豆種子萌發(fā)率、葉綠素a和b、地下部生物量均保持相對穩(wěn)定的水平，說明在土壤氯離子濃度為400～800mg/kg時適宜蠶豆的的生長發(fā)育。綜上可知，玉米的耐氯性要低于蠶豆的耐氯性。螳螂川流域土壤氯離子含量最高為219.76mg/kg，因此螳螂川流域土壤氯離子含量對農(nóng)作物的生長發(fā)育基本無影響。

4 結(jié)論

(1)螳螂川流域土壤氯離子含量屬于較高水平，閩海紙業(yè)廠和云天化集團(tuán)所排污染物對其附近的土壤氯離子濃度有顯著的影響。

(2)2個蔬菜樣品的采樣點因靠近昆明閩海紙業(yè)廠下游而導(dǎo)致土壤氯離子含量均較高，可能對蔬菜的生長產(chǎn)生影響。因此，應(yīng)該注意作物或蔬菜的選擇和布局。

(3)玉米和蠶豆均為中等耐氯植物，螳螂川流域土壤氯離子含量對其生長發(fā)育基本無負(fù)面影響，甚至在部分采樣點對其的生長發(fā)育有一定的促進(jìn)作用。