覆盖耐性植物秸秆对牛膝菊光合生理的影响

石军　黄廷友　林立金等

摘要：通过盆栽试验，在镉污染土壤表面覆盖镉耐性植物（扬子毛茛、通泉草、邻近风轮菜和车前草）秸秆，研究了镉耐性植物秸秆对镉超富集植物牛膝菊光合生理的影响。结果表明：土壤表面覆盖扬子毛茛、邻近风轮菜和车前草秸秆后，牛膝菊叶片的净光合速率、蒸腾速率、光能利用率、胞间CO2浓度、气孔导度、叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量及类胡萝卜素含量均降低，水分利用效率、叶表面蒸汽压亏缺提高。土壤覆盖通泉草秸秆后，牛膝菊叶片的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、光能利用率和气孔导度均得到提高，分别较未覆盖提高了13.02%、8.51%、 4.15%、12.89%和12.94%，降低了胞间CO2浓度和叶表面蒸汽压亏缺。土壤表面覆盖通泉草秸秆的牛膝菊叶片的叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量及类胡萝卜素含量均高于未覆盖，分别较未覆盖提高了12.04%、8.51%、11.19%和10.14%。土壤表面覆盖改变了牛膝菊植株的可溶性糖含量，其中覆盖通泉草秸秆降低了牛膝菊根、茎、叶的可溶性糖含量。因此，在镉污染土壤表面覆盖通泉草秸秆可以有效提高牛膝菊的光合作用，促进牛膝菊生长。

关键词：牛膝菊；耐性植物；光合生理；化感作用

中图分类号： X53；Q945.11文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0269-03

收稿日期：2014-11-17

基金项目：国家农业科技成果转化资金（编号：2011GB2F000006）。

作者简介：石军（1980—），男，四川绵阳人，博士，研究方向为植物病理学。E-mail：tibm@163.com。

通信作者：廖明安，博士，教授，博士生导师，主要从事果树生理生态及栽培研究。E-mail：lman@sicau.edu.cn。目前，农田重金属污染严重，而生物修复技术被认为具有物理、化学修复方法所无法比拟的优点，诸如费用低廉、不破坏场地结构、不造成二次污染等 [1-2]，能在不破坏土壤生态环境、保持土壤结构和微生物的状态下，通过植物的根系直接将重金属从土壤中吸收并转移到植物地上部分，从而达到修复被污染土壤的目的[3]，已成为修复土壤重金属污染研究领域的一项新兴技术，并在全球范围内开展重金属超富集植物的筛选，取得了很好的成果。然而，已知的重金属超富集植物生物量普遍偏小，生长缓慢，从而限制了植物修复技术的推广与应用[4]。因而进一步开展重金属超富集植物的筛选或改良现有的金属超富集植物是很有必要的。

植物化感作用是指一种植物向环境释放某些化学物质而影响其他植物的生长和发育的化学生态学现象，包括促进和抑制两方面作用，其产生的化学物质称为化感物质[5]。植物化感作用广泛存在于自然界中，与植物间的光、水分、养分和空间的竞争一起构成了植物之间的相互作用[6-7]。植物化感物质通过雨雾淋溶、自然挥发、根系分泌和植株分解4种途径释放到环境中[8]，对植物化感作用的研究也多集中在植株分（降）解上[9-10]。有研究表明，化感物质会对植物的光合作用产生显著的影响[11]，如巨桉凋落叶释放化感物质能引起小白菜光合效能下降、光合机构受损、光合速率下降[12]，也能抑制假俭草的生长、生物量的积累以及光合色素的合成[13]。由此推断，若将植物秸秆施入土壤中，利用化感物质也应该能够改变重金属超富集植物的光合生理特性和生长，但有关植物秸秆分解所产生的化感物质对超富集植物光合生理的影响研究尚未见报道。

扬子毛茛（Ranunculus sieboldii）、通泉草（Mazus japonicus）、邻近风轮菜（Clinopodium confine）和车前草（Plantago asiatica）是本研究前期筛选的镉耐性植物，对镉具有很强的耐性。牛膝菊（Galinsoga parviflora）为菊科牛膝菊属一年生草本植物，是一种镉超富集植物[14]。本研究将这4种镉耐性植物秸秆覆盖在镉污染土壤表面，研究镉耐性植物对牛膝菊光合生理的影响，以期为筛选出能提高牛膝菊光合能力的耐性植物，为牛膝菊修复镉污染土壤提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

供试土壤为紫色土，取自四川农业大学雅安校区农场农田（29°59′N，102°59′E），其基本理化性质详见参考文献[15]。

镉耐性植物扬子毛茛（Ranunculus sieboldii）、通泉草（Mazus japonicus）、邻近风轮菜（Clinopodium confine）和车前草（Plantago asiatica）于2013年8月采自四川农业大学雅安校区农场农田，采集区土壤未被重金属污染。

牛膝菊幼苗于2013年9月直接采自四川农业大学雅安校区农场农田（未被重金属污染区）。

1.2试验方法

试验于2013年8—10月在四川农业大学雅安校区农场进行。2013年8月，将土壤风干、压碎、过5 mm筛后，分别称取4.0 kg装于高18 cm、直径21 cm的塑料盆内，加入分析纯CdCl2·2.5H2O溶液，使其镉浓度为10 mg/kg，并与土壤充分混匀，保持淹水状态，自然放置平衡4周后再次混合备用。2013年9月，选择长势一致，2对真叶展开的牛膝菊幼苗移栽至盆中，之后将处理好的4种镉耐性植物秸秆直接覆盖于盆栽土壤表面，每盆覆盖6 g，折合225 g/m2。试验设置5个处理，分别为未覆盖（CK）、覆盖扬子毛茛、覆盖邻近风轮菜、覆盖通泉草、覆盖车前草。每盆种植牛膝菊幼苗5株，每个处理重复3次。于透明遮雨棚内栽培，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分保持在田间持水量的80%左右。50 d后牛膝菊处于盛花期，测定牛膝菊叶片的光合色素含量、光合作用及根、茎、叶的可溶性糖含量。

1.3各项指标的测定方法

光合色素含量（叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量及类胡萝卜素含量）采用丙酮-乙醇混合（1 ∶1）浸提法[16]测定。光合作用采用LI-6400便携式光合测定仪（LI-COR Inc.，USA）测定，人工控制CO2浓度为400 μmol/mol、温度25 ℃、光照强度为1 200 μmol/（m2·s），测定叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和叶表面蒸汽压亏缺（VpdL），每个测定重复3次。可溶性糖含量采用蒽酮比色法[16]测定。

1.4数据处理方法

数据采用DPS系统进行方差分析（Duncans新复极差法进行多重比较）。水分利用效率（WUE）=净光合速率（Pn）/蒸腾速率（Tr）；光能利用率（LUE）=净光合速率（Pn）/光照强度[17]。

2结果与分析

2.1覆盖耐性植物秸秆对牛膝菊叶片光合速率及蒸腾速率的影响

由表1可知，土壤表面覆盖耐性植物秸秆后，只有覆盖通泉草秸秆的牛膝菊叶片净光合速率、蒸腾速率和光能利用率均高于未覆盖，分别比各自未覆盖提高了13.02% （P<0.05）、8.51%（P<0.05）和12.97%（P<0.05），其余3种处理的牛膝菊叶片净光合速率、蒸腾速率和光能利用率均低于未覆盖，这说明能否提高牛膝菊叶片的光合速率与耐性植物的种类有关。牛膝菊叶片净光合速率和光能利用率的大小顺序相同，为覆盖通泉草>未覆盖>覆盖邻近风轮菜>覆盖车前草>覆盖扬子毛茛，蒸腾速率的大小顺序为覆盖通泉草>未覆盖>覆盖扬子毛茛>覆盖邻近风轮菜>覆盖车前草。土壤表面覆盖扬子毛茛、通泉草、邻近风轮菜和车前草秸秆后，牛膝菊叶片水分利用效率均高于未覆盖，分别较未覆盖提高了8.05%、4.15%、15.61%和12.93%，这说明土壤表面覆盖耐性植物秸秆在一定程度上促进了牛膝菊叶片的水分利用效率。

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2.2覆盖耐性植物秸秆对牛膝菊叶片气体交换参数的影响

由表2可知，土壤表面覆盖耐性植物后，牛膝菊叶片胞间CO2浓度均低于未覆盖，其大小顺序为未覆盖>覆盖通泉草>覆盖扬子毛茛>覆盖邻近风轮菜>覆盖车前草。覆盖通泉草秸秆提高了牛膝菊叶片的气孔导度，较未覆盖提高了 12.94% （P>0.05），其余3种处理均低于未覆盖。牛膝菊叶片气孔导度大小顺序为覆盖通泉草>未覆盖>覆盖扬子毛茛>覆盖邻近风轮菜>覆盖车前草。就叶表面蒸汽压亏缺而言，覆盖通泉草秸秆的牛膝菊叶片叶表面蒸汽压亏缺低于未覆盖，较未覆盖降低了3.19%（P>0.05），覆盖扬子毛茛、邻近风轮菜和车前草的牛膝菊叶片叶表面蒸汽压亏缺则高于未覆盖，分别较未覆盖提高了2.55%（P>0.05）、2.02% （P>0.05） 和6.70%（P<0.05）。

2.3覆盖耐性植物秸秆对牛膝菊叶片光合色素含量的影响

从表3可以看出，土壤表面覆盖耐性植物秸秆后，只有覆盖通泉草秸秆的牛膝菊叶片叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量和类胡萝卜素含量均高于未覆盖，分别比各自未覆盖提高了12.04%（P<0.05）、8.51%（P<0.05）、11.19% （P<0.05） 和10.14%（P<0.05），其他3种处理均低于未覆盖。牛膝菊叶片的叶绿素a含量与叶绿素总量大小顺序相同，为覆盖通泉草>未覆盖>覆盖邻近风轮菜>覆盖车前草>覆盖扬子毛茛，叶绿素b含量大小顺序为覆盖通泉草>未覆盖>覆盖车前草>覆盖邻近风轮菜>覆盖扬子毛茛。对于叶绿素a/叶绿素b而言，土壤表面覆盖耐性植物秸秆后，牛膝菊叶片的叶绿素a/叶绿素b均高于未覆盖，其大小顺序为覆盖扬子毛茛>覆盖邻近风轮菜>覆盖车前草>覆盖通泉草>未覆盖。

2.4覆盖耐性植物秸秆对牛膝菊植物可溶性糖含量的影响

从表4中可以看出，在土壤表面覆盖耐性植物秸秆以后，牛膝菊根系的可溶性糖含量均显著低于未覆盖（P<0.05），其中覆盖通泉草秸秆的可溶性糖含量最低，比未覆盖降低了72.24%，这说明覆盖耐性植物能够降低牛膝菊根部可溶性糖的消耗。牛膝菊茎的可溶性糖含量大小顺序为覆盖扬子毛莨>覆盖邻近风轮菜>未覆盖>覆盖车前草>覆盖通泉草，叶片的可溶性糖含量大小顺序为覆盖邻近风轮菜>覆盖通泉草>未覆盖>覆盖扬子毛茛>覆盖车前草。这说明覆盖耐性植物秸秆能够影响光合产物在牛膝菊源流库中的分配。

3讨论

植株秸秆在分解过程中会释放化学物质，直接或间接地影响其自身发育以及周围植被和微生物生长[18]。化感物质是植物秸秆在微生物的作用下腐烂、分解逐渐释放出来的化学物质，对植物产生有利或有害的作用[7]。研究表明，化感物质对植物的光合作用能够产生促进或抑制作用，这与植物的种类有关[11-13]。本试验结果表明，土壤表面覆盖耐性植物秸秆后，只有覆盖通泉草秸秆的牛膝菊植株叶片净光合速率、蒸腾速率与光能利用率均高于未覆盖，其他3种处理均低于未覆盖，这说明提高牛膝菊叶片的光合速率与蒸腾速率和不同耐性植物秸秆分解的化感物质不同有关。土壤表面覆盖扬子毛茛、通泉草、邻近风轮菜和车前草秸秆后，牛膝菊叶片水分利用效率均高于未覆盖，说明土壤表面覆盖耐性植物秸秆在一定程度上促进了牛膝菊叶片的水分利用效率，可能与这些植物秸秆覆盖土壤表面后，减少了土壤表面水分蒸发有关。

在光合作用过程中，CO2从空气中向叶片叶绿体光合部位的传播受到众多因素的影响（如细胞内CO2浓度、气孔导度等），而气孔是植物叶片中最重要的气体运输通道，直接控制了CO2向叶片的传导以及叶片的蒸腾效率[19]。Wong等研究表明，光合速率与气孔导度之间存在一定的反馈调节机制，在有利于叶肉光合作用时，气孔导度增大；反之则减小[20]。Mersie等研究也表明阿魏酸和香草酸这2种化感物质能导致天鹅绒叶片的气孔导度降低，叶片阻力上升，光合速率显著下降[21]。本试验研究表明，通泉草秸秆的化感作用导致牛膝菊叶片气孔导度增加，叶片光合作用所需的CO2量也随之增加，降低了胞间CO2浓度和叶表面蒸汽压亏缺，从而增强了牛膝菊叶片光合作用的进行。土壤表面覆盖扬子毛茛、邻近风轮菜和车前草秸秆的化感作用则导致牛膝菊叶片气孔度降低，提高了叶表面蒸汽压亏缺，抑制了牛膝菊叶片光合作用的进行。

叶片是绿色植物进行光合作用的重要器官，而叶绿素则是光合作用最重要的色素，其含量的高低直接影响光合产物合成的产量[22]。陈晓丽等研究证实，小麦秸秆能够显著提高番茄叶片中叶绿素的含量，提高光合作用[23]。然而，陈良华等研究表明，土壤施用巨桉凋落叶却降低了小白菜叶绿素含量，抑制其光合作用[12]。本试验研究表明，覆盖通泉草秸秆能够提高牛膝菊叶片的叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量及类胡萝卜素含量，这有利于提高牛膝菊光合作用的提高，而其他处理则降低了牛膝菊叶片的光合色素含量。就光合产物而言，覆盖镉耐性植物秸秆后，牛膝菊植物的可溶性糖含量在源流库中的分配被改变，进而影响了牛膝菊对镉污染的抗性。

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