种植密度、施肥及种植方式对紫苏铅富集能力的影响

朱胜男, 陈 楠, 郑新宇, 肖清铁, 汪敦飞, 王玉洁, 吕昭君, 樊荣荣, 吕荣海, 林瑞余

(1.福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002; 2.作物生态与分子生理学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002；3.福建省上杭县农业技术推广站，福建 上杭 364000)

我国土壤重金属总的超标率为16.1%，其中铅污染的点位超标率达到1.5%[1].土壤中的铅极易通过食物链进入人体，并在人体内积累，危害人体健康[2-4].近年来，我国多地发生儿童血铅超标事件[5].降低农产品的铅残留，对保证食品安全和促进我国农业可持续发展具有重要意义.作物对铅的吸收与积累受基因型、环境条件等多种因素影响.筛选低积累基因型以及采取合理的栽培措施减少铅进入食物链，是在轻、中度污染土壤上安全生产农产品的有效途径[6,7].目前，我国已筛选出一些铅低积累大白菜[8]、玉米[9]、大豆[6]、油菜[10]等作物品种，在铅污染土壤中进行安全生产.施肥、种植密度等栽培措施能够显著影响作物对重金属的吸收与富集，同一施肥水平、不同种植密度下高粱穗部的铅含量及单位面积的铅富集量随种植密度的增大而增大[11]，但春小麦组织的重金属(尤其是籽粒Pb和Cd)的积累随种植密度的增大而降低[12].苎麻高密度种植能够降低其地上部的Pb、As含量，但促进了Pb、As的累积[13].合理的氮肥、磷肥施用量不仅提高小白菜的产量，地上部分吸收的Pb也较少[14];施用钙镁磷肥能显著抑制Cd、Pb、Zn对小白菜的毒害，降低重金属向地上部迁移[15]；施用有机肥可提高作物食用部位Cu、Zn、Cd、Pb的含量，其含量高低还与有机肥种类、用量、土壤类型、土壤pH以及作物种类等有关[16].但有关移栽、直播对作物铅吸收影响的研究还较少.

紫苏(PerillafrutescensL. Britt)属唇形科(Labiatae)一年生草本植物，广布于我国各地，在我国已有2 000多年的栽培历史[17].紫苏籽富含酚酸、黄酮和三萜酚类化合物，具有抗氧化、抗生素和解热作用[18].紫苏精油富含迷迭香酸，具有保护血管的作用[19]；紫苏叶含有酚类化合物、迷迭香酸、花青素、精油、维生素和矿物质等，具有抗氧化、抗糖尿、抗过敏、抗菌、抗肿瘤和抗癌等功效[20,21]；紫苏嫩叶可食用，常作为鱼虾去荤腥的佐料[8]，提取的色素可用作着色剂[10].紫苏具有较高的药用、食用价值，亦可作为工业原料，极具开发价值[22].但研究[23]发现，紫苏具有较强的重金属富集能力，这对紫苏的安全生产造成潜在威胁.在Cd、Pb单一和复合污染条件下，紫苏对Pb、Cd均具有一定的富集作用.水培条件下紫苏的镉富集系数达50以上[24]，田间栽培条件下，紫苏镉富集系数可达2.24[25].种植密度、施肥、种植方式不仅显著影响紫苏的生长与产量[26]，也显著影响紫苏对镉的富集作用[25].但有关栽培措施对紫苏的铅富集特性的研究尚未见报道.本研究探讨了种植密度、施肥与种植方式对紫苏铅含量、铅富集系数与迁移系数、铅富集量及铅分配比的影响，以期为紫苏田间栽培的安全性评价提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 栽培方案

试验地位于福建省上杭县庐丰乡上坊村，地理坐标N24°59.832′，E116°28.481′，前茬作物为水稻.土壤pH 5.31，有机质含量56.3 g·kg-1，全氮含量2.4 g·kg-1，速效氮含量50.7 mg·kg-1.全磷含量2.52 g·kg-1，速效磷含量274.4 mg·kg-1，全钾含量467.6 mg·kg-1，速效钾含量386.0 mg·kg-1，土壤Pb含量为58.4 mg·kg-1.

试验采用随机区组设计，以种植密度为主区，以种植方式为裂区，以施肥方式为再裂区.密度设3个水平(D1：株行距30 cm×20 cm;D2：株行距25 cm×20 cm;D3：株行距20 cm×20 cm)；施肥设置3个方式(F1为有机肥，其中包含75 kg·hm-2基肥和75 kg·hm-2追肥；F2为45%复合肥，其中包含30 kg·hm-2基肥和30 kg·hm-2追肥；F3为混合施肥，其中基肥为有机肥(37.5 kg·hm-2)+45%复合肥(15 kg·hm-2)，追肥为45%复合肥(15 kg·hm-2)+有机肥(37.5 kg·hm-2).种植方式设置2种处理(P1：育苗移栽;P2：直播).各小区面积为10 m2,各处理设置3次重复.商品有机肥的有机质含量为45%，N、P、K含量为6% ；商品复合肥的N、P、K含量之比为15∶15∶15.混合施肥为有机肥与复合肥按照比例混施.紫苏的栽培管理参照文献[21].

1.2 栽培管理

移栽与直播紫苏的播种均在2018年4月1日进行.直播紫苏采用穴播，播种量7.5 kg·hm-2.先整地作畦，开2～3 cm浅沟，畦宽1.8～2.0 m，株行与移栽紫苏相同.播种时先在沟里浇水，再将种子均匀播入，覆盖薄土，保持土壤湿润，10～15 d后出苗，苗高3～6 cm时进行间苗，保留每穴1株.紫苏移栽在播种30 d后进行，移栽前先翻地、浇水，带土移栽每穴1～2棵苗，覆土压实.苗高10～15 cm时进行定苗、补苗；株高70 cm左右时打顶追肥、除草、培土.在成熟期，随机采集各小区紫苏植株，测定生物量及各部位铅含量.

1.3 生物量及铅含量的测定

采样时选取长势均匀的紫苏，将其整株取出，清除根部土壤并洗净，分为根、茎叶和籽粒3个部分，分别置于烘干箱105 ℃杀青1 h后，72 ℃烘干至恒重，测定各部位生物量和铅含量.同时取土样经粉碎、过60目筛后，测定铅含量.采用微波消解法制样，铅含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定.地上部、全株铅含量为相应部位的加权平均值；铅转移系数(TF)=地上部铅含量/根铅含量；铅富集系数(BCF)=地上部铅含量/土壤中铅含量[25].

1.4 数据处理与统计

数据处理采用EXCEL 16.0，采用DPS 7.05软件(杭州睿封信息技术有限公司提供)进行统计分析，采用LSD法进行数据差异显著性检验(P=0.05).

2 结果与分析

2.1 栽培措施对紫苏各部位铅含量的影响

由表1可知，种植密度显著影响紫苏根、茎叶、籽粒及全株的铅含量，施肥方式显著影响紫苏根和籽粒的铅含量，种植方式显著影响紫苏各部位的铅含量(P<0.05).紫苏各部位的铅含量在种植方式与种植密度、种植方式与施肥间均具显著的互作效应.不同栽培措施下，紫苏根、茎叶、籽粒、地上部及全株的铅含量分别为7.10～16.87 mg·kg-1、1.50～5.50 mg·kg-1、0.23～5.73 mg·kg-1、1.29～5.30 mg·kg-1、2.92～6.36 mg·kg-1，平均值大小表现为根(11.71 mg·kg-1)>籽粒(3.00 mg·kg-1)≈茎叶(2.78 mg·kg-1).

D1处理紫苏根、茎叶、地上部及全株铅平均含量依次为13.32、3.07 、2.98 、4.78 mg·kg-1，分别比D2处理高出31.2%、10.4%、8.0%、14.9%，比D3处理高出14.4%、23.3%、13.3%、13.5%，但D3处理紫苏籽粒铅的平均含量为3.64 mg·kg-1，分别比D2(2.94 mg·kg-1)、D1(2.43 mg·kg-1)高出23.8 %和49.8%.F1处理紫苏根铅的平均含量最高(13.21 mg·kg-1)，分别比F2处理(11.13 mg·kg-1)和F3处理(10.78 mg·kg-1)高出18.6 %和22.5 %；但F3处理紫苏籽粒的铅含量最高(3.49 mg·kg-1)，分别比F1处理(2.84 mg·kg-1)、F2处理(2.68 mg·kg-1)高出22.9%和30.2%；茎叶、地上部及全株的铅含量在不同施肥方式间无显著差异(表1).P2处理紫苏根、茎叶、籽粒、地上部及全株铅的平均含量依次为12.12、3.20、4.86、3.37、4.98 mg·kg-1，分别比P1处理高出7.4%、36.2%、326.3%、52.5%、31.7%.从表1可知，紫苏根部铅含量以D1F3P1处理最高(16.87 mg·kg-1)；籽粒铅含量以D3F1P2处理最高(5.73 mg·kg-1)；茎叶、地上部及全株铅含量均以D1F2P2处理最高，分别为5.50、5.30、6.36 mg·kg-1；全株铅含量在D1F2P2与D1F1P2处理(6.21 mg·kg-1)间无显著差异，D1F1P1处理最低(2.92 mg·kg-1).

2.2 栽培措施对紫苏铅富集系数(BCF)和迁移系数(TF)的影响

在不同栽培措施下，紫苏的铅富集能力较低，BCF为0.02～0.09；铅转运能力也较小，TF为0.09～0.51(图1).方差分析(表1)表明，BCF在不同种植密度及施肥方式间无显著差异，均值为0.05；P2处理的BCF为0.06，比P1处理(0.04)高出50.0%(P<0.05).TF以D2处理最大，均值为0.30，分别比D3处理(0.25)、D1(0.22)高出20.0%和36.4%(P<0.05).F3处理的TF为0.29，分别比F1处理、F2处理高出48.3%和3.3%.P2处理的TF为0.27，比P2处理(0.24)高出12.5%.结果表明：D1F2P2处理的BCF最高，为0.09，显著高于其他处理(P<0.05)；D1F1P1处理的BCF最低，为0.02；D1F2P2处理的TF最高，为0.51，显著高于其他处理(P<0.05)；D1F3P1处理的TF最低，为0.09(图1).

表1 不同处理紫苏铅含量及其方差分析1)

Table 1 ANOVA of Pb contents in P.frutescens under different treatments mg·kg-1

1)小写字母代表不同处理间铅含量的差异显著性(P<0.05).

2.3 栽培措施对紫苏铅富集量的影响

方差分析(表2)表明，种植密度、种植方式显著影响紫苏的铅富集量(P<0.05)，施肥方式影响茎叶、籽粒和地上部的铅富集量，但对根部及全株的铅富集量无显著影响.籽粒铅富集量在不同栽培措施间无显著的互作效应，地上部铅富集量在施肥方式与种植密度、种植方式间，以及全株铅富集量在施肥方式与种植方式间无显著的互作效应(表2).

表2 紫苏不同部位铅富集量、分配比的方差分析Table 2 ANOVA of Pb accumulation and distribution ratio in P.frutescens under different treatments

不同措施栽培下紫苏铅富集量为14.91～43.48 g·hm-2，平均值为26.16 g·hm-2，表现出较低的铅富集能力.铅富集量总体上随种植密度的增大而增大，D3处理的铅富集量(31.00 g·hm-2)显著高于D1(23.22 g·hm-2)和D2(24.27 g·hm-2)处理，后二者无显著差异(图2).F1处理紫苏茎叶的铅富集量为1.83 g·hm-2，显著低于F2(2.45 g·hm-2)和F3(2.46 g·hm-2)处理；F3处理籽粒的铅富集量为0.54 g·hm-2，分别是F2和F1处理的2.03和4.06倍；P2处理紫苏的铅富集量为30.21 g·hm-2，显著高于移栽种植(22.12 g·hm-2)，是移栽种植的1.37倍(图2).不同栽培措施组合处理，以D3F2P2的铅富集量最大，达43.48 g·hm-2，与D3F1P2(40.90 g·hm-2)无显著差异，是D1F1P1(14.91 g·hm-2)的2.92倍；而D1F1P1组合与D1F2P1、D2F3P1组合间无显著差异(图2).

2.4 栽培措施对铅分配的影响

从表2可知，种植密度和施肥方式的改变会显著影响紫苏富集的铅在根、茎叶及籽粒中的分布(P<0.05)；种植方式对铅在籽粒中的分配比例影响较大，但不影响其在根、茎叶中的分配比例.由图3可见，紫苏富集的铅分配于各部位的比例大小表现为根>茎叶>籽粒，根部的比例为80.67%～97.67%，茎叶的比例为2%～17%，籽粒中的比例为0～3.3%.种植密度、施肥方式对紫苏茎叶和籽粒铅的分配比例影响较大.D1、D2和D3处理紫苏茎叶的铅分配比例依次为5.67%、10.72%和10.00%，籽粒的分配比例依次为0.83%、1.44%和1.22%；F1、F2和F3处理紫苏茎叶铅分配比例分别为6.87%、9.33%和10.28%，籽粒铅分配比例分别为0.39%、0.89%和2.22%；P2处理紫苏籽粒的铅分配比例(1.78%)显著高于P1处理，是P1处理的3.18倍(图3).

3 小结与讨论

3.1 紫苏的铅积累能力

种植重金属低积累作物可降低重金属毒害风险.刘维涛等[27]提出重金属低积累植物应具备以下条件：(1)地上部和根部的铅含量低或者可食用部位低于有关标准；(2)BCF<1；(3)TF<1；(4)该植物在较高的铅污染下能够正常生长，生物量没有显著降低.本研究发现，紫苏在土壤Pb含量为58.4 mg·kg-1的环境条件下，其生物量并未显著降低，其茎叶的铅含量为1.50～5.50 mg·kg-1，籽粒铅含量为0.23～5.73 mg·kg-1，其铅BCF为0.02～0.09，TF为0.09～0.51，表明紫苏对铅的吸收转运能力相对较低.在田间条件下，紫苏铅富集量为14.91～43.48 g·hm-2，明显低于高粱(50.05～65.54 g·hm-2)[28]，表现出较弱的铅富集能力，不属于铅富集植物.宋佳等[23]研究发现紫苏具有比较强的铅富集能力，与本研究结果不一致，可能是因为田间栽培条件与室内单因子模拟试验明显不同.植物对铅的吸收与转运除了与土壤中铅的含量有关外，还受栽培环境等多因子影响，包括土壤有机质、pH值、CEC和Eh值等理化性质以及根际土壤微生物等.因田间试验的光温、土壤等条件的综合作用，加上栽培措施的调控作用，以及植物基因型、年龄和营养状况等众多因素的影响，可能导致紫苏在田间条件下无法发挥其铅富集潜力，导致铅的吸收与积累能力下降.

3.2 栽培措施对紫苏铅积累能力的影响

作物对重金属的吸收与积累除受重金属的种类、含量与形态、土壤条件、接触时间影响外，还受作物品种[29,30]、生育期[31]、生态类型[32]等多种因素影响.根系是作物吸收重金属的主要器官，一些研究表明，到达作物根系的重金属离子，一般首先沉积在根表面，然后主要以非共质体的方式扩散进入根冠细胞层，进而横穿根的中柱，进入导管后随蒸腾拉力向地上部移动[32].栽培措施能够在一定程度上改变作物的生长环境，从而影响植物对重金属的吸收与积累[33].本研究结果表明紫苏籽粒铅含量随种植密度的增大而升高，这与高粱穗部的铅含量及单位面积的铅富集量随种植密度增大而增大[28]相一致，根、茎叶、地上部及全株的铅含量随种植密度的增大而降低，但铅累积量随种植密度的增大而增大.马新旺等[12]发现种植密度增大可降低了春小麦组织重金属的积累，但其单位面积重金属积累量随种植密度的增大而下降.由于种植密度增大引起作物对空间、营养等资源的竞争，使得水分蒸腾加剧，从而导致作物吸收更多的重金属，并通过质体流途径分配到作物不同部位[34-36].

施肥是农业生产中调节作物生长的重要措施，它不仅可以提高作物产量、作物的生长速度和作物品质，改变土壤pH、CEC等理化性质，亦可改变重金属的生物有效性，进而影响作物对重金属的吸收[37].本研究结果表明，施肥对紫苏根、茎叶和籽粒的铅含量和铅富集量具有显著的影响，施用有机肥能够降低紫苏对铅的吸收，而王美等[16]发现施用有机肥可提高作物可食部位Cu、Zn、Cd、Pb的含量；乔莎莎等[38]研究表明对小麦施用有机肥可降低其籽粒铅含量.由于施用氮肥通常能够降低土壤的pH，增大土壤溶液的电导，增加重金属溶解度，从而提高植物对重金属的吸收；施用磷肥则能使土壤中的重金属离子发生沉淀，降低其有效性，从而减轻污染；有机肥矿化后可生成低分子量有机酸和腐殖酸，一方面能够活化土壤中的重金属，另一方面又可螯合重金属，起到解毒作用，提高作物的重金属耐性[39].郑梅琴等[40]研究发现施肥能够促进紫苏生长，显著影响紫苏的生物量，增大紫苏千粒重，以混合施肥紫苏的千粒重最高，生物量的增大对紫苏体内的铅含量亦具有一定的稀释效应.

此外，种植方式显著影响紫苏的生长与铅的吸收，直播紫苏的单株生物量显著高于移栽紫苏[40].直播紫苏根、茎叶、籽粒、地上部及全株铅的积累分别比移栽处理高出7.4%、36.2%、326.3%、52.5%、31.7%，这与直播紫苏的根系比较发达，吸收能力较强有关.肖清铁等[25]也发现移栽种植紫苏的镉富集量显著低于直播种植.可见，在生产实践中，紫苏育苗移栽可在一定程度上降低作物对重金属的吸收.

不同栽培方式对铅在紫苏茎叶和籽粒的分配存在显著的影响.种植密度、施肥方式对紫苏茎叶和籽粒铅的分配比例影响较大.D1处理紫苏的茎叶和籽粒的铅分配比例显著低于D2和D3.高密度种植会提高单位面积紫苏茎叶生物量，其生物学产量达13 462 kg·hm-2，比低密度栽培紫苏生物量高出42.5%[40].高密度种植的紫苏铅的分配比例高于中低密度，这可能是因为生物量的增加，稀释了紫苏体内铅的含量，从而导致茎叶和籽粒分配比例降低.F1处理紫苏茎叶和籽粒的铅分配比显著低于F2和F3.不同种植方式对紫苏籽粒的铅分配比具有显著影响，P2处理紫苏籽粒的铅分配比例显著高于P1处理，表明紫苏在P1处理下，铅在紫苏体内向上转运分配的作用降低，主要是由于P2处理的紫苏籽粒的铅含量和生物量均高于P1处理，这与肖清铁等[25]的研究结果一致.