有机肥对Pb、Cd污染下马铃薯生长及土壤酶活性的影响

王沛裴,郑顺林,2①,万年鑫,赵婷婷,何彩莲,袁继超,2

(1.四川农业大学农学院,四川 成都　611130；2.西南地区作物栽培重点实验室,四川 成都　611130)



有机肥对Pb、Cd污染下马铃薯生长及土壤酶活性的影响

王沛裴1,郑顺林1,2①,万年鑫1,赵婷婷1,何彩莲1,袁继超1,2

(1.四川农业大学农学院,四川 成都611130；2.西南地区作物栽培重点实验室,四川 成都611130)

摘要：采用土培盆栽试验研究基施有机肥对w(Pb)为900 mg·kg-1、w(Cd)为5 mg·kg-1胁迫下马铃薯植株形态、叶片生理和根际土壤酶活性的影响，探讨有机肥对马铃薯Pb、Cd毒害的缓解作用。结果表明：(1)Pb、Cd污染下，底施有机肥对马铃薯生长起促进作用。块茎成熟期，马铃薯根际土壤中脲酶活性、过氧化氢酶活性和蔗糖酶活性分别比未施有机肥处理增加70.9%、5.6%和58.6%，马铃薯叶片SOD活性和叶绿素含量分别增加4.7%和9.6%；(2)成熟期Pb、Cd复合污染下底施有机肥处理马铃薯叶片SOD活性和叶绿素含量比Pb单因素污染分别低12.7%和4.1%，比Cd单因素污染分别低8.4%和14.7%；(3)Pb、Cd污染下，底施有机肥处理马铃薯平均株高和产量比未施有机肥处理分别增加32.7%和40.8%，块茎中Pb和Cd平均累积量分别减少87.4%和16.7%。试验结果表明马铃薯底施有机肥对Pb、Cd胁迫均有较明显的缓解效应。

关键词：Pb、Cd复合污染；有机肥；马铃薯；酶活性

土壤酶活性是评价土壤肥力的重要指标之一。土壤酶对重金属敏感性强,具有专一性和综合性,通过其与植物的生理指标相结合可确定土壤受重金属污染的程度[1],因此有研究表明土壤酶活性对w(Cd)临界值为5 mg·kg-1,w(Pb)为500 mg·kg-1[2]。Pb、Cd污染时,土壤根际脲酶和蔗糖酶活性随受Pb、Cd污染程度的增加呈先增后减的趋势[3]。Pb、Cd污染引起土壤环境的变化会直接抑制植物生长,其外在表现包括叶片变黄、植株矮小、产量降低等[4],内在表现包括植物体内超氧化物岐化酶活性和叶绿素含量改变等[5]。随污染胁迫时间延长,植物体内SOD活性迅速下降,减弱植物对重金属的抵御能力,破坏植物抗氧化系统的平衡性[6]。

有机肥在受重金属污染土壤中被广泛用作改良剂。COVELO等[7]研究表明,有机物可通过吸附、螯合等作用固定重金属,创造有利于Cd、Pb沉淀条件,降低土壤Cd、Pb活性和生物有效性,改善土壤环境。李正强等[8]研究表明,有机肥能促进植物生长,提高植物地下生物量,减少重金属对作物根系毒害。2014年四川省首次发布的《土壤污染状况调查公报》表明,Cd以超标率28.7%成为主要污染物,对粮食质量安全构成较大的潜在风险。目前Pb、Cd污染对马铃薯(Solanumtuberosum)生长的影响鲜有报道,笔者通过对马铃薯底施有机肥,探讨有机肥对Pb、Cd污染土壤的缓解效应,为Pb、Cd污染下施加有机肥以保障马铃薯安全生产提供依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试土壤取自四川农业大学试验田,土壤理化性质如下:w(Pb)为44.62 mg·kg-1,w(Cd) 为0.54 mg·kg-1,w(有机质) 为10.78 g·kg-1,w(全氮)为2.34 g·kg-1,w(速效磷)为6.99 mg·kg-1,w(速效钾)为42.64 mg·kg-1,pH值为6.83;马铃薯品种为脱毒种薯川芋117;有机肥由四川省阿坝州营养土基地提供:w(N)≥5%,w(P)≥5%,w(K)≥5%，w(有机质)≥30%; Pb(NO3)2和CdCl2由成都市科龙化工试剂厂提供,均为分析纯。

1.2试验设计

采集土壤,移去残枝、石子等杂物且充分混匀后,分装于规格一致的塑料桶(长57 cm，宽35 cm，高25 cm)中,每桶装土15 kg。试验设以下处理:对照(CK)、添加有机肥(有机肥)、添加Pb(Pb)、添加Cd(Cd)、添加Pb和Cd(Pb+Cd)、添加Pb和有机肥(Pb+有机肥)、添加Cd和有机肥(Cd+有机肥)以及添加Pb、Cd和有机肥(Pb+Cd+有机肥)。有机肥和Pb(NO3)2以固体形式与土壤混匀,CdCl2以溶液形式与土壤混匀,Pb添加量为900 mg·kg-1，Cd为5 mg·kg-1,有机肥为100 g·kg-1,每处理设3个重复。于2014年9月10日开始种植马铃薯,每桶6株,2014年12月26日收获马铃薯。

1.3指标测定及方法

在马铃薯苗期、块茎形成期及块茎成熟期分别取样。根际土壤脲酶活性采用靛酚比色法测定,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,过氧化氢酶活性采用紫外分光光度法[9]测定,马铃薯叶片中SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)法测定,叶绿素含量采用分光光度计法测定;马铃薯块茎中Pb、Cd全量采用火焰原子吸收法测定。

1.4数据分析

采用Excel 2007和SPSS 17.0软件对数据进行处理。

2结果与分析

2.1有机肥对Pb、Cd污染下马铃薯土壤根际酶活性的影响

由图1可知,苗期有机肥处理土壤根际脲酶活性显著低于CK处理(P<0.05)。块茎成熟期,Pb+有机肥和Cd+有机肥处理脲酶活性分别比Pb和Cd处理显著增加78.5%和74.1%(P<0.05),Pb+Cd+有机肥比Pb+Cd处理减少11.1%,但差异不显著。底施有机肥能提高Pb、Cd污染下马铃薯根际土壤脲酶活性,且Pb、Cd单一处理比Pb+Cd复合处理脲酶活性提高率高。

Pb+Cd+有机肥和Pb+Cd处理土壤根际过氧化氢酶活性差异不大。单一Cd污染时,块茎形成期有机肥处理马铃薯根际土壤过氧化氢酶活性被显著激活,块茎成熟期Cd+有机肥处理比Cd处理显著增加12.7%(P<0.05);单一Pb污染时,Pb+有机肥处理马铃薯土壤根际过氧化氢酶活性则显著低于Pb处理(P<0.05)。

Pb+Cd+有机肥处理马铃薯根际土壤蔗糖酶活性比Pb+Cd处理显著提高(P<0.05)。块茎成熟期,有机肥处理蔗糖酶活性与CK对照相比仅增加5.2%,而Pb+有机肥、Cd+有机肥和Pb+Cd+有机肥处理分别比Pb、Cd、Pb+Cd处理组显著增加58.2%、61.9%和54.8%(P<0.05)。

2.2有机肥对Pb、Cd污染下马铃薯叶片生理指标的影响

2.2.1有机肥对Pb、Cd污染下马铃薯叶片叶绿素含量的影响

如图2所示,底施有机肥可显著增加Pb、Cd污染土壤的马铃薯叶片叶绿素含量(P<0.05)。块茎成熟期,Pb+有机肥、Cd+有机肥和Pb+Cd+有机肥处理叶绿素a含量分别比Pb、Cd和Pb+Cd处理显著增加23.2%、40.4%和22.8%,叶绿素b含量分别显著增加41.6%、44.5%和14.4%,类胡萝卜素含量分别显著增加27.8%、42.5%和18.4%,且有机肥的添加对单一Cd污染下马铃薯叶绿素和类胡萝卜素含量影响最大。

同一幅图中同一时期直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理组间某指标差异显著(P<0.05)。

同一幅图中同一时期直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理组间某指标差异显著(P<0.05)。

2.2.2有机肥对Pb、Cd污染下马铃薯叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

如图3所示,苗期底施有机肥可显著增强马铃薯叶片中SOD活性(P<0.05)。块茎成熟期,Pb+有机肥和Cd+有机肥处理马铃薯叶片中SOD活性分别比Pb和Cd处理组显著增加23.2% 和13.4%,而Pb+Cd+有机肥处理叶片中SOD活性比Pb+Cd处理显著降低(P<0.05)。

同一时期直方柱上方英文小写字母不同表明不同处理组间马铃薯叶片SOD活性差异显著(P<0.05)。

2.3有机肥对Pb、Cd污染下马铃薯形态指标的影响

如表1所示,苗期各处理组株高为10.2～21.4 cm,块茎成熟期为22.0～41.9 cm。Pb、Cd污染时底施有机肥可显著增加马铃薯株高(P<0.05)。块茎成熟期Pb+有机肥、Cd+有机肥和Pb+Cd+有机肥处理马铃薯株高分别比Pb、Cd、Pb+Cd处理显著增加33.1%、66.7%和50.1%(P<0.05)。

Pb、Cd污染下,Pb、Cd、Pb+Cd处理马铃薯单株产量均显著低于CK,且Pb+Cd处理组马铃薯单株产量最低(24.44 g·株-1)。施加有机肥可显著增加马铃薯单株产量,Pb+有机肥、Cd+有机肥和Pb+Cd+有机肥处理马铃薯单株产量分别比Pb、Cd和Pb+Cd处理显著提高77.2%、37.2%和107.6%(P<0.05),表明有机肥可缓解Pb、Cd污染对马铃薯产量的胁迫,且对Pb+Cd复合污染的缓解效果最好。

表1马铃薯株高和产量的变化

Table 1Changes in plant height and yield of potato

处理组株高/cm苗期块茎形成期块茎成熟期产量/(g·株-1)Pb14.4±2.1c26.0±2.2bc28.0±1.4cd29.40±1.09dCd16.1±1.1c18.0±2.0d22.0±1.9d37.73±0.63cPb+Cd10.2±1.2d17.0±0.9d23.3±1.9d24.44±1.33ePb+有机肥21.0±2.7a34.3±0.7a37.3±1.8ab52.09±0.99bCd+有机肥16.7±0.9bc23.6±1.0c36.7±2.9ab51.78±0.05bPb+Cd+有机肥22.0±2.5a32.7±0.5a35.0±2.9b50.75±0.66b有机肥21.4±1.7a35.0±0.6a41.9±1.9a57.68±0.76aCK19.7±0.9ab27.7±1.7b32.0±1.3bc38.10±1.23c

同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理组间某指标差异显著(P<0.05)。

2.4有机肥对马铃薯块茎中Pb、Cd含量的影响

由表2可知,施加有机肥显著减少马铃薯块茎中Pb、Cd含量(P<0.05)。块茎成熟期,有机肥、Pb+有机肥和Pb+Cd+有机肥处理组Pb累积量分别比CK、Pb和Pb+Cd处理组显著降低54.5%、92.1%和80.5%，Cd累积量分别显著降低43.8%、17.1%和16.3%。

3讨论

有机肥中的胡敏酸、富里酸易与重金属离子形成络合物,降低土壤中Pb2+、Cd2+生物活性,保护根际土壤中脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性,降低植物对土壤中重金属元素的吸收[10]。苗期Cd和Cd+有机肥处理脲酶活性较高,是由于苗期马铃薯逐渐由吸收母体养分转为吸收土壤养分,Cd生物活性较强,对脲酶活性产生促进作用,但随着生育时期推进,Cd胁迫加强,开始出现抑制作用。Pb、Cd污染时,底施有机肥可提高马铃薯根际土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性,其原因是有机肥含有大量微生物和腐殖质,能帮助马铃薯根系代谢,增加根系分泌物,加快微生物繁殖,提高土壤酶活性;有机肥亦能稳定土壤结构,提供生物活性物质,为土壤微生物活动提供基质和能源,从而间接影响土壤中重金属行为[11]。叶绿素和SOD是植物抗氧化系统的防线,它们的变化是植物遭受重金属毒害的重要表现[12]。Pb、Cd污染下底施有机肥可增加马铃薯叶片中叶绿素含量,其原因是马铃薯需要更多能量维持体内正常代谢[13]。Cd污染时叶绿素含量波动较大,因为Cd的络合物会使植物加速吸收Mg、Fe、K、P等离子,促进叶绿素合成相关酶,改变酶的正常构型,抑制酶活性,阻碍叶绿素合成。Pb、Cd污染时,底施有机肥增加马铃薯叶片中SOD活性,主要是因为底施有机肥可促进Pb2+、Cd2+形态转化,减少自由基产生,降低对马铃薯的伤害,使抗氧化系统达到新的平衡[14];底施有机肥酶促效应增强,加速土壤有机质分解,有利于马铃薯根系对养分吸收,缓解Pb、Cd污染,为马铃薯的生长提供更好的环境。

表2成熟期马铃薯块茎中Pb、Cd含量

Table 2Contents of Pb and Cd in potato tubers at the maturing stage

mg·kg-1

“—”表示未测定。同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理组间某指标差异显著(P<0.05)。

株高是营养体生长的重要特征,也是植物生长发育过程内在协调性强弱的外在表现。底施有机肥可保护马铃薯根际土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性并增加马铃薯叶片SOD活性和叶绿素含量,为马铃薯生长提供相对较好的环境。相关性分析表明,马铃薯产量与株高、脲酶活性、蔗糖酶活性呈显著相关;马铃薯株高与SOD活性、过氧化氢酶活性呈显著相关。

4结论

在Pb、Cd污染土壤中底施有机肥可提高土壤根际脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性以及马铃薯叶片SOD活性和叶绿素含量,降低马铃薯块茎中Pb、Cd含量,减缓Pb、Cd危害,提高马铃薯产量。有机肥对Pb、Cd单一污染的缓解作用明显高于Pb+Cd复合污染。

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(责任编辑： 陈昕)

收稿日期：2015-06-02

基金项目：四川科技支撑计划(2012NZ0017);四川省育种攻关配套项目(2011NZ0098-15-5)

通信作者①E-mail: zhengshunlin123@163.com

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0659-05

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.022

作者简介：王沛裴(1991—),女,重庆市人,硕士生,主要从事马铃薯高产栽培技术研究。E-mail: wangpp717@163.com

Effects of Organic Manure on Growth of Potato and Soil Enzyme Activity in Soils Polluted With Pb and Cd.

WANG Pei-pei1， ZHENG Shun-lin1,2， WAN Nian-xin1， ZHAO Ting-ting1， HE Cai-lian1, YUAN Ji-chao1,2

(1.College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China;2.Key Laboratory of Southwest Crop Cultivation, Chengdu 611130, China)

Abstract:A pot experiment was carried out on effects of application of organic manure as base fertilizer on plant morphology and leaf physiology of the potato growing in the soil under lead (900 mg·kg-1) and cadmium (5 mg·kg-1) stresses and on rhizospheric soil enzyme activity for exploration of effects of organic manure mitigating harm of Pb and Cd to the plant. Results of the experiment show:(1) basal application of organic manure promoted growth of the potato growing in the soils polluted with Pb and Cd, and at the tuber maturing stage, urease, catalase and invertase in the rhizosphere of the plant increased by 70.9%, 5.6% and 58.6%, respectively, in activity, and furthermore, superoxide dismutase (SOD) did by 4.7% in activity and chlorophyll content by 9.6% in leaves of the plant as compared with that in the soils without application of organic manure; (2) in the soil under combined pollution of lead and cadmium, basal application of organic manure reduced the activity of SOD by 12.7% and 8.4%, and the content of chlorophyll by 4.1% and 14.7% in leaves of the plant at the maturing stage as compared, respectively, with that of the plant in the soils polluted with lead and cadmium, separately; and (3) basal application of organic manure increased the plant in polluted soils by 32.7% and 40.8% in plant height and yield, respectively, over the plants in the soils without application of organic manure, and reduced mean accumulation of lead and cadmium in tuber by 87.4% and 16.7%, respectively. The pot experiment demonstrates that basal application of organic manure is obviously effective in mitigating the stresses of lead and cadmium to potato.

Key words:lead and cadmium compound pollution; organic manure; potato; enzyme activity