水土农化因子与利川莼菜产量的相关关系研究

龚汉雨,柯金松，董琪琪，邓红平，冉 露，周富忠,邓楚洪，余光辉

(1.中南民族大学武陵山区特色资源植物种质保护与利用湖北省重点实验室，湖北武汉 430074;2.中南民族大学南方少数民族地区资源保护综合利用联合工程中心，湖北武汉 430074;3.中南民族大学生命科学学院，中国莼菜研究所，湖北武汉 430074;4.利川市农业农村局，湖北利川 445000)

莼菜(J.F.Gmel.) 隶属于睡莲科或水盾草科或莼菜科(Cabombaceae) 莼菜属()多年生植物，也是极具民族地区特色的水生蔬菜，被列为利川市脱贫攻坚的支柱产业。莼菜的嫩芽和嫩叶依附有透明果胶质，其内含有丰富的多糖、氨基酸、多酚、蛋白质、维生素、组胺及锌、钙、铁和硒等微量元素，具有抗肿瘤、抗溃疡、抗菌消炎和促进免疫等生物活性功能，被冠以“世界珍奇”“中国一绝”“21世纪生态蔬菜”“生命蔬菜”“美容蔬菜”“人类的免疫促进剂”等多种荣誉称号，是我国传统药食两用的名贵蔬菜。近年来，随着全球气候变暖和人为活动的影响，野生莼菜的自然种群数量急剧减少，分布范围大幅缩减，被列为国家一级濒危植物。其栽培种则主要分布于利川市佛宝山和凉雾乡、浙江西湖、江苏太湖以及四川螺吉山地区。

莼菜是多年生宿根草本植物，以无性繁殖为主，遗传多样性较低，种群结构单一。莼菜栖息于山区原生态水田或者沼泽湿地中，喜清澈、冷凉且流动的优质山泉水，要求土壤有机质含量丰富，生态环境和谐，才能确保形成厚实的黏液果胶。

利川市拥有适宜莼菜生长的独特生态环境和山地高寒气候，人工栽培种和作为水生蔬菜的产业都方兴未艾，被誉为中国莼菜之乡。 利川莼菜因质优量大、营养丰富而被评为国家地理标志产品。鉴于莼菜野生种群处于极度濒危状态，通过研发高产栽培技术，促进生长发育，改善产量性状进而促进莼菜栽培种群的稳定和均衡发展，是目前保护该濒危植物不被灭绝的最有效方式。笔者通过对利川市莼菜主产区水土样品随机进行农化检测和分析，探讨其和莼菜生长及产量的相关性，为研究莼菜抵御不良环境因子的内在生物学机理、濒危原因，进而制定相关的保护措施奠定基础。

1 材料与方法

取样时间为 2019 年 6 月 6 日，取样地点为利川市莼菜主产区——凉雾乡的仙女洞(XND,108°48′06″E，30°12′01″N) 、陶家沟(TJG,108°50′16″E，30°13′09″N)、水源头村(SYT,108°56′51″E，30°12′35″N) 、继昌村(JCC,108°47′52″E，30°10′10″N) 和玉尔沟(YEG,108°41′09″E，30°14′21″N)，每个地点不同田块中随机9次取样。

水土农化检测方法。水环境和土壤环境农化检测方法和仪器见表1、2。

产量检测。鉴于莼菜嫩芽为主要食用部分，重复检测田中单位面积(1 m) 上莼菜嫩芽产量和单个嫩芽的重量，重复样本为=9。

使用 GraphPad Prism 8软件进行显著性差异(One way ANOVA,Multiple comparisons) 和相关性的数据分析(Linear regression,Correlation)。

2 结果与分析

水质检测结果见图1，结合国家生态环境部于2021年1月20日发布的农田灌溉水质标准(GB 5084—2021) 的限值，结果表明，水源头村(SYT) 的五日生化需氧量分别与TJG、JCC和YEG之间存在极显著差异，与XND之间存在显著差异，但均远低于60 mg/L；化学需氧量和五日生化需氧量类似，只是增加了XND和JCC之间的显著差异，也远低于150 mg/L的标准(图1A、B)。同时，依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002) ，化学需氧量和五日生化需氧量基本处于二三类水质指标范围内；氯化物和全盐量含量在各田块间差异极显著，但氯化物含量远低于350 mg/L，甚至远低于生活饮用水卫生标准(GB 5749—2006) 的250 mg/L限值(图1C)；全盐量也远低于非盐碱地1 000 mg/L的标准值(图1D)，说明水体受人类活动影响较小，未受到污染； pH在田块间显著差异，均处于5.5～8.5正常值范围内(图1E)。此外，阴离子表面活性剂、硫化物和六价铬均未检出(数据未提供)。上述结果说明水体中的各种化学成分和污染物未超出国家标准，未受到人类活动的污染，化学性质总体上较稳定。

表 1 水环境农化检测方法和仪器Table 1 Detection methods and instruments of agricultural chemistry in water

表 2 土壤环境农化检测方法和仪器Table 2 Detection methods and instruments of agricultural chemistry in soil

注：*表示差异显著(P<0.05),**表示差异极显著(P<0.01) Note:*indicated significant different level (P<0.05),**indicated significant different level(P<0.01)图1 水质检测分析结果Fig.1 Analysis results of water quality test

检测结果见图2，滴滴涕和六六六在田块间差异不显著，远低于《农用地土壤污染风险管控标准(试行)GB 15618—2018》中风险筛选值0.1 mg/kg(图2A、B)，说明利川当地各个不同小气候条件下莼菜田土壤未受到明显农事活动的污染，农药残留量极小。

全氮含量基本超过了《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价(NY/T 1749—2009)》中有关南方地区土壤肥力评价的主要理化指标建议值，且在不同田块间出现显著或者极显著差异，但水解氮在各个田块间差异不显著，根据全国第二次土壤普查养分分级标准，全氮和水解氮含量基本处于三级水平之上(图2C、D)，与湖北省主要稻田土壤数值变化范围一致，可能是土壤中的难溶解有机氮的差异导致全氮的显著差异，但对于莼菜生长供应有效氮素的能力方面则差异不显著。

结合绿色食品产地土壤肥力等级标准，速效钾为100～150 mg/kg，基本处于一、二级范围内(图2E)，有效磷>15 mg/kg，处于一级指标范围内(图2F)；也与王伟妮等研究的鄂西南地区变幅17.0～243.0相一致，达到二级水平，超过了《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价(NY/T 1749—2009)》中南方地区土壤肥力评价主要理化指标标准值；各田块间pH无显著差异，且处于5.5～8.5正常值范围内 (图2G)，与湖北省主要水田土壤pH变化范围相一致(《湖北土壤》2015)，也处于5.5～7.5的变化范围内，为3～4级土壤。根据全国第二次土壤普查推荐的肥力分级标准，虽然仙女洞(XND) 田内土壤有机质含量极显著超过了其他田块，水源头村也显著高于继昌村，但基本处于一、二级范围内(>3%)，为“丰富”级(图2H)，且与底质含水量(图1F) 变化范围相一致。

随机分析5个村田块内单个嫩芽和单位面积(1 m) 内嫩芽的鲜重，结果表明，5个田块间产量指标无显著差异(>0.05)，所有田块内莼菜生长发育状况和产量基本一致(图3)。

分析了单个茎尖鲜重WSS(weight of single shoot) 和单位面积产量(=9) 分别与水体中5种、土壤中9种农化指标的相关性(图4、5)。结果表明，水体中农化指标与单芽重和产量均无显著相关性；而在土壤农化指标中，除仙女洞田块中底质含水量与产量表现出显著相关性外 (<0.05)，其他均无显著差异 (>0.05)，表明水土中各类农化因子未对莼菜生长发育和产量指标产生明显影响，也说明田内生态环境和水土条件比较适宜莼菜生长发育，该地区的莼菜长势和产量比较稳定。

3 讨论

结合国家各类水质标准，各田块内水体在一些农化指标上出现极显著或显著差异，但均远低于相关标准，部分指标尚未检出，农药残留量极低，说明水质总体上保持优良，基本处于二三类水质指标范围内，与前人研究结果一致。说明水体受人类农事活动影响较小，未受到污染，化学性质总体上较稳定。由于莼菜田长期实行流动的活泉水灌溉，也证明了该方式是保持水质优良和莼菜良好生长的主要原因。

土壤是农业生态系统营养元素循环中的重要组成成分，调控各类营养元素的贮存、释放和转化，并受到成土母质、气候条件、土地耕作方式、植被变化以及施肥方式等人为和自然因素的综合影响。各田块内速效养分如水解氮处于三级水平之上；有效磷达到二级水平；速效钾基本处于一、二级范围内；且差异不显著。速效养分能够较灵敏地反映土壤氮、磷、钾素动态和供应水平，且含量稳定，莼菜生长和产量未出现显著差异且保持稳定，说明田内速效养分能满足莼菜生长所需。该研究还发现莼菜田内速效钾含量略高于水稻田，而莼菜田为多年长期淹水状态，淹水时间长于水稻田，再次印证了长期淹水环境有利于钾元素通过“向下淋溶”效应而富集在土壤中的这一结论。全量养分如全氮含量超过相关标准，且出现显著或者极显著差异，但还处于三级水平之上；有机质含量和底质含水量相对于其他田块间达极显著或者显著水平，基本都处于一、二级范围以内。导致上述结果的原因可能是土壤中难溶解的有机氮的差异致使全氮含量出现显著差异，小气候和小环境以及独特的当地土壤母质导致有机质含量差异；由于莼菜田实行的是活泉水流动灌溉，各类速效养分交换频繁，导致差异不显著，但又能够满足莼菜生长所需。说明有机质虽然出现了显著差异，但仍能够持续为莼菜田提供足够的速效养分，是速效养分供应的基石，且对于莼菜减少对重金属的吸收，保持天然无公害的特性具有重要作用。

注：*表示差异显著(P<0.05),**表示差异极显著(P<0.01) Note:*indicated significant different level (P<0.05),**indicated extremely significant different level(P<0.01)图2 土壤检测分析结果Fig.2 Analysis results of soil test

图3 产量分析Fig.3 Output analysis

注：A、B为仙女洞村(XND)；C、D 为陶家沟村(TJG)；E、F为水源头村(SYT)；G、H为继昌村(JCC)；I、J分别为玉尔沟村(YEG)图4 单个茎尖鲜重和产量与水质农化指标相关性分析Fig.4 Correlation analysis of agricultural chemical factors in water between fresh mass and production of shoot buds

注：A、B为仙女洞村(XND)；C、D 为陶家沟村(TJG)；E、F为水源头村(SYT)；G、H为继昌村(JCC)；I、J为玉尔沟村(YEG) 图5 单个茎尖鲜重和产量与土壤农化指标相关性分析Fig.5 Correlation analysis of agricultural chemical factors in soil between fresh mass and production of shoot buds

各田块间pH无显著差异，且处于5.5～8.5正常值范围内，有利于维持土壤养分的有效性、微生物的生物量和多样性以及土壤酶活性。同时DDT和六六六含量极低，未出现显著差异且远低于国家相关标准，说明周边小环境生态条件优越、农事活动较少、保护措施严格。

各田块水土农化指标与莼菜生长和产量之间无显著相关性。说明莼菜田内水土营养元素和优良生态环境完全能够满足莼菜生长需要，莼菜长势和产量已经达到稳定的平衡状态。鉴于莼菜对环境条件要求较高，对水土中各种农化因子含量变化极为敏感，因此，可以考虑在人工控制条件下调节某些因子，以探索对莼菜生长和产量产生显著影响的“临界浓度”，构建更高的水土养分平衡状态，从而实现产量提升。

由于莼菜是国家一级濒危植物，对水土质量和生态环境要求极高，水土中的农化因子含量对其生长发育、产量以及品质都有全方位的影响。该试验结果提供了当前莼菜田中水土的部分化学性质，为保护这一珍稀植物资源，进一步促进莼菜产业可持续发展，有必要对利川莼菜田水土农化因子含量等化学因素的变化持续监测和研究，为确立莼菜的最佳生长条件和研发标准化高产栽培管理技术，以及制定保护策略奠定基础。