重金属污染土壤对三种豆科作物光合生理和产量的影响

张盼盼,崔亦沐,袁琴琴,贾韩飞,李 智

(榆林学院 生命科学学院,陕西 榆林 719000)

黑豆(Glycinemax(L.)Merr.) 为豆科植物大豆的黑色种子[1],营养丰富,含有蛋白质、脂肪、粗纤维等多种营养物质[2]。绿豆(VignaradiataL.)籽粒中含有生物碱、香豆素、植物甾醇等生理活性物质,对人类和动物的生理代谢活动具有重要的促进作用[3-4],常被作为医用和保健等方面。小豆(Vignaangularis) 因其有较高的营养价值和药用价值,一直以来都是陕北地区传统的出口创汇产品,当地农民致富的一大支柱产业[5]。大豆、绿豆和小豆属于陕北地区主要特色优势作物,不仅是良好的间作套种作物,也是谷物、薯类的良好前茬。随着人民生活水平的提高,对豆类作物的需求量逐年增加。因此发展陕北地区的豆类作物生产,对于实现农民增收、促进产区农业可持续发展具有重要意义[6]。

陕北地区作为我国重要的煤炭资源开发地区,在加工利用的过程中有着严重的矿区环境污染问题,其中最为严重的即为土壤重金属污染[7-8]。近几年来,随着陕北煤矿产业的不断发展,农业用地不断减少,现有的耕地大多受到不同重金属的污染。对于以农业为主要经济来源的陕北地区来说,耕地土壤环境质量显得尤为重要[9]。为了治理土壤重金属污染,最有效可行的措施是植物修复技术[10]。

有研究表明,豆科植物具有固氮作用,在植物修复中可作为优先选择的对象[11]。大豆、绿豆和小豆作为陕北地区的优势作物,其生育期短、适应性广,耐旱耐瘠薄、易于种植管理,常作为填闲补种和救灾作物。因此,开展重金属污染土壤对三种豆科作物光合生理和产量的影响,对于明确三种豆科植物耐重金属胁迫的差异性,提高陕北矿区土地生产力、治理陕北矿区污染土壤具有非常重要的意义。

1.1 试验材料

供试品种为神木黑豆(大豆)、大明绿豆(绿豆)、冀红9218(小豆),均由榆林市农科院小杂粮研究所提供。

1.2 试验设计

本试验以盆栽方式进行,采用双因素完全随机区组试验设计,品种处理3 个,土壤处理2 个,分别是基本农田土壤作为对照组(CK),土和煤泥1 ∶2配比成的模拟矿区重金属污染区土壤为处理组(T,经前期试验筛选得出),共设置以下6 个处理,具体见表1。基本农田土壤和煤泥重金属含量见表2。每个处理10 盆,共60 盆。处理组每盆装土(2 kg)、煤泥(4 kg)、砂石(1 kg),对照组每盆装土(6 kg)、砂石(1 kg),同时每盆中安装长50 cm、直径2 cm 的PVC 管,浇透水分,待用;选取3 种植物材料的优质种子,采用点播方式播种,大豆播种深度5 cm,红豆和绿豆播种深度3 cm,每盆播种20 粒,放置在室外相似环境中;播种初期在表面浇水500～1 000 mL/盆/天,之后沿PVC 管浇水使土壤保持在正常含水量(即占田间持水量的70%左右);于第一片复叶长全并且第二片复叶刚出现时开始定苗,每盆定苗5 株。

表1 供试处理

表2 供试土壤和煤泥重金属含量(mg·kg-1)

1.3 测定项目及其方法

1.3.1 光合特性测定

在作物鼓粒期,使用美国LI-COR 公司生产的LI-6400 便携式光合测定系统测定植株倒二叶三出复叶中部叶片的净光合速率(μmol·m-2·s-1)、蒸腾速率(mmol·m-2·s-1)、气孔导度(mmol·m-2·s-1),注意要错开叶片的主叶脉,每个处理重复4次。

1.3.2 叶绿素相对含量测定

采用日本Minolta 公司生产的美能达牌SPAD-502 手持便携式叶绿素仪测定叶绿素相对含量(SPAD 值)。测定时,每个处理和对照选取5 株长势一致的植株,用叶绿素仪测定每个植株倒二叶上,中,下不同部分SPAD 值,取其平均值,同时注意避开有损伤的叶片。

1.3.3 农艺性状测定

(1)株高:在植株苗期和成熟期,分别从每种处理和对照中选5 株长势一致的植株测量其株高。

(2)茎粗:在植株苗期和成熟期,结合株高测定对应植株子叶痕处的茎粗,取其平均值。

(3)分枝数:在植株成熟期,分别从每种处理和对照中选5 株长势一致的植株记录其分枝数,取其平均值。

1.3.4 产量及其构成因素测定

成熟期,每个处理选取3 株植株用于测定产量及其构成要素,用电子天平测定不同处理与对照的单株粒重,人工数出单株荚数、单株粒数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2013 进行不同处理间数据的统计,采用SPSS 23.0 软件对处理间数据进行方差分析(采用Duncan 多重比较法,以P≤0.05 作为差异显著性判断标准),并使用Origin 9.0 进行绘图。

2.1 重金属污染土壤对不同豆科作物光合生理的影响

2.1.1 重金属污染土壤对不同豆科作物叶片净光合速率的影响

由图1 可知,与基本农田土壤相比,重金属污染土壤处理下小豆和大豆的叶片净光合速率分别下降了21.38%、24.56%,并且小豆和大豆叶片净光合速率在CK 与T 之间均存在显著差异(P≤0.05);而绿豆的叶片净光合速率在不同土壤处理间无显著差异。

图1 不同土壤处理对豆科作物叶片净光合速率的影响

2.1.2 重金属污染土壤对不同豆科作物蒸腾速率的影响

由图2 可知,小豆和大豆叶片蒸腾速率在重金属污染土壤处理下较基本农田土壤下降,分别下降了29.32%、48.25%,并且在两种土壤处理间差异达显著水平(P≤0.05)。与基本农田土壤相比,重金属污染土壤处理下绿豆叶片蒸腾速率增加,增加了13.29%,并且在两种土壤处理间无显著差异。

图2 不同土壤处理对豆科作物蒸腾速率的影响

2.1.3 重金属污染土壤对不同豆科作物气孔导度的影响

由图3 可以看出,与基本农田土壤相比,重金属污染土壤处理下小豆和大豆的叶片气孔导度均表现不同程度的下降趋势,且小豆和大豆叶片气孔导度在CK 与T 之间的差异达显著水平(P≤0.05);与对照相比,重金属污染土壤处理下小豆与大豆的叶片气孔导度分别下降了38.67%、57.13%。重金属污染土壤处理下绿豆叶片气孔导度高于基本农田土壤,且在CK 与T 之间无显著性差异。

图3 不同土壤处理对豆科作物气孔导度的影响

2.1.4 重金属污染土壤对不同豆科作物叶绿素相对含量的影响

如图4 可得,在重金属土壤种植环境下,三种豆科作物的叶绿素相对含量均呈下降趋势,并且三种豆科作物的叶绿素相对含量在重金属污染土壤处理与对照之间差异均达显著水平(P≤0.05)。与基本农田土壤相比,重金属污染土壤下小豆、绿豆和大豆叶绿素相对含量分别下降了28.80%、23.81%、20.10%。

图4 不同土壤处理对豆科作物叶绿素相对含量的影响

2.2 重金属污染土壤对不同豆科作物株高的影响

2.2.1 重金属污染土壤对不同豆科作物株高的影响

由图5 可以得出,苗期,三种豆科作物株高在基本农田土壤与重金属污染土壤之间均无显著差异,说明重金属污染土壤对三种豆科作物苗期株高影响不明显。苗期,重金属污染土壤处理下小豆、绿豆和大豆株高均略微高于基本农田土壤;而在成熟期,三种豆科作物株高在重金属污染土壤处理下低于基本农田土壤,并且在两种土壤处理之间均存在显著差异(P≤0.05)。

图5 不同土壤处理对豆科作物株高的影响

2.2.2 重金属污染土壤对不同豆科作物茎粗的影响

如图6 可知,苗期,重金属污染土壤种植环境与基本农田土壤种植环境相比,三种豆科作物的茎粗受重金属土壤环境影响较大,均呈增长趋势,并且小豆和绿豆茎粗在两种土壤处理之间差异达显著水平(P≤0.05);重金属污染土壤下小豆、绿豆和大豆分别较基本农田土壤增加了18.58%、57.83%、11.75%。在植株成熟期,小豆、绿豆和大豆茎粗在重金属污染土壤处理下低于基本农田土壤,且在两种土壤处理之间无显著差异。

图6 不同土壤处理对豆科作物茎粗的影响

2.2.3 重金属污染土壤对不同豆科作物分枝数的影响

如图7 可知,在植株成熟期,重金属污染土壤种植环境与基本农田土壤种植环境相比,小豆的分枝数量减少,下降幅度为23.08%,并且在重金属污染土壤与基本农田土壤之间无显著性差异;绿豆的分枝数量在两种土壤处理之间无明显变化;三种豆科作物中大豆的分枝数量下降最多,并且在重金属污染土壤与基本农田土壤之间差异达显著水平(P≤0.05)。

图7 不同土壤对豆科作物分枝数的影响

2.3 重金属污染土壤对不同豆科作物产量及其构成因素的影响

不同土壤处理对三种豆科作物产量及其构成因素的影响见表3。由表3 可以得出,与基本农田土壤相比,重金属污染土壤处理下小豆、绿豆和大豆的单株荚数均有所降低,并且小豆和大豆的单株荚数在两种土壤处理之间差异达显著水平(P≤0.05),而绿豆的单株荚数在两种土壤处理之间无显著差异。

表3 不同土壤处理对三种豆科作物产量及其构成要素的影响

与基本农田土壤相比,重金属污染土壤处理下小豆和绿豆的单荚粒数均呈下降趋势,分别下降17.07%、9.64%,并且小豆和绿豆的单荚粒数在两种土壤处理之间存在显著性差异(P<0.05);而大豆单荚粒数在重金属污染土壤处理下高于基本农田土壤,并且两种土壤处理之间无显著差异。

重金属污染土壤处理与基本农田土壤相比,三种豆科作物的单株粒重均呈下降趋势,且小豆和绿豆的单株粒重在两种土壤处理之间达显著差异,而大豆的单株粒重在两种土壤处理之间无显著差异。

土壤中的重金属元素存在的潜在危害性较大,并且矿山资源开发引起的生态效应和毒理效应具有明显的滞后作用,因此土壤一旦受到重金属元素污染,治理和修复将十分困难[12]。土壤重金属可能导致植物出现生长问题,而且一些重金属元素会聚集在作物中,严重影响作物的产量、品质以及食用安全问题[13]。如何在重金属污染土壤上种出安全的农作物受到广泛的关注。

3.1 重金属污染土壤对不同豆科作物光合生理的影响

叶片的净光合速率是反映植物光合能力及光合特性的直接指标,较高的叶片净光合速率是作物高产的基础[14-15]。植物叶片的蒸腾速率能够影响或指示植物对环境的适应特征或能力[16]。气孔导度是衡量植物和大气间水分、能量及CO2平衡和循环的重要指标[17]。本试验结果表明,重金属污染土壤会抑制冀红9218(小豆)和神木黑豆(大豆)这两种豆科作物的叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度,这与鲁艳[18]等人、张金秀[19]等人的研究结果一致,而大明绿豆(绿豆)的叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度略微有些增长,可能是由于作物种类不同所致。叶绿素相对含量降低是重金属对植物毒害的普遍现象[20-21],叶绿素是植物进行光合作用所必需的,叶绿素含量减少必然导致植物光合作用降低,生长受阻,发育延迟,生物量随之减少[22]。本试验结果表明,重金属污染土壤会抑制三种豆科作物的叶绿素相对含量,其含量明显降低,这与郭晖[23]等人的研究结果一致。

3.2 重金属污染土壤对不同豆科作物农艺性状的影响

作物产量与农艺性状关系密切,如株高、茎粗、分枝数,因此,分析作物农艺性状是十分必要的[24]。覃勇荣[25]等人研究表明,在重金属污染胁迫下,作物生长会受到抑制。本试验结果显示,在植株苗期,三种豆科作物的株高受重金属污染土壤影响较小,但在成熟时期,重金属污染土壤会明显抑制三种豆科作物的株高生长。在植株苗期,茎粗受重金属污染土壤影响较为明显,三种豆科作物的茎粗呈现上升趋势,说明重金属污染土壤促进了苗期豆科作物茎秆横向生长;在成熟时期,重金属污染土壤对三种豆科作物的茎粗有抑制作用。不同豆科作物主茎分枝数对重金属污染的响应不同,这与柳婷婷[26]等人的研究结果一致。

3.3 重金属污染土壤对不同豆科作物产量及其构成因素的影响

毕淑芹[27]等人研究表明,重金属污染会直接或间接影响植株的产量和品质,且不同的重金属种类对不同的作物产量的影响也不尽相同。本试验结果表明,重金属污染土壤会抑制三种豆科作物的单株荚数、单株粒重、单荚粒数,其中冀红9218(小豆)和大明绿豆(绿豆)对重金属污染土壤较敏感,其单株粒重在处理组与对照组之间存在显著差异;而神木黑豆(大豆)的单株粒重在处理组与对照组之间无显著差异。与基本农田土壤相比,重金属污染土壤处理下小豆、绿豆和大豆单株粒重分别下降了22.15%、29.02%、42.11%,说明小豆单株粒重受重金属污染土壤抑制程度低于绿豆和大豆。综上所述,与绿豆和大豆相比,小豆叶片光合生理和农艺性状受重金属污染土壤影响明显,且产量降低幅度最小,可以作为修复陕北重金属污染土壤优先选择的对象。