园林绿化废弃物堆肥对铅、锌污染土壤上小白菜生理特性的影响.pdf

浙江农业学报Acta Agriculturae Zhejiangensis 2020 32 11 2027 2034 http www zjnyxb cn 马其雪 孙向阳 李素艳 等 园林绿化废弃物堆肥对铅 锌污染土壤上小白菜生理特性的影响 J 浙江农业学报 2020 32 11 2027 2034 DOI 10 3969 j issn 1004 1524 2020 11 13 收稿日期 2020 05 12 基金项目 北京市教委生态修复工程学高精尖学科建设项目 北京市科技计划 Z161100001116061 作者简介 马其雪 1994 女 安徽蚌埠人 硕士研究生 主要从事土壤重金属污染修复研究 E mail 1214615479 qq com 通信作者 孙向阳 E mail sunxy bjfu edu cn 园林绿化废弃物堆肥对铅 锌污染土壤上小白菜生理特性的影响 马其雪 孙向阳 李素艳 李 松 刘源鑫 周文洁 北京林业大学林学院 北京100083 摘 要 为探讨园林绿化废弃物堆肥 GWC 对重金属污染下小白菜 Brassica chinensis L 生理特性的影响 采用盆栽试验 研究不同GWC施用量 质量分数分别为0 1 2 5 对铅 500 mg kg 1 锌 1 000 mg kg 1 单一和复合污染下小白菜生物量 叶绿素含量 丙二醛 MDA 含量 超氧化物歧化酶 SOD 活性 过氧 化氢酶 CAT 活性和游离脯氨酸含量的影响 结果表明 随着GWC施用量的增加 铅 锌单一和复合污染下 小白菜生物量 叶绿素含量 游离脯氨酸含量呈上升趋势 MDA含量有不同程度的下降 施用GWC能提高 铅 锌单一和复合污染下小白菜CAT活性 施用适当量的GWC能促进小白菜生长 改善小白菜生理特性 提高小白菜抵御铅 锌胁迫的能力 关键词 园林绿化废弃物堆肥 铅 锌 小白菜 氧化胁迫 中图分类号 S634 3 X712文献标志码 A文章编号 1004 1524 2020 11 2027 08 Effects of applying green waste compost on physiological characteristics of pakchoi in Pb Zn contaminated soil MA Qixue SUN Xiangyang LI Suyan LI Song LIU Yuanxin ZHOU Wenjie College of Forestry Beijing Forestry University Beijing 100083 China Abstract To investigate the effects of green waste compost GWC on the physiological characteristics of pakchoi Brassica chinensis L under heavy metal pollution a greenhouse pot experiment was carried out Soils of lead Pb contamination 500 mg kg 1 zinc Zn contamination 1 000 mg kg 1 and Pb Zn combined contamina tion were amended with three levels of GWC 1 2 5 to study the effects on the biomass chlorophyll con tent malondialdehyde MDA content superoxide dismutase SOD and catalase CAT activity and free proline content in pakchoi The results showed that the biomass chlorophyll content and free proline content of pakchoi in creased with the increasing application rate of GWC but MDA content decreased The GWC application increased the CAT activity of pakchoi under Pb Zn and Pb Zn combined contamination In conclusion GWC could promote the growth of pakchoi improve the physiological characteristics of pakchoi and enhance the resistance to the stress of Pb and Zn with appropriate application level Key words green waste compost Pb Zn pakchoi oxidative stress 随着工农业生产的快速发展 重金属污染问 题日益凸显 铅和锌是污染环境的主要重金属 据2014年 全国土壤污染状况调查公报 显示 铅 锌的点位超标率分别达到了1 5 和 0 9 1 蔬菜种植区受铅 锌污染的问题尤为 严重 2 土壤中过量的铅 锌会迁移到蔬菜中 3 引起蔬菜生理特性的改变 有研究表明 铅 锌 可以与小白菜叶片中的叶绿素结合 造成叶绿素 正常结构和功能的损坏 影响其光合作用 从而 对小白菜生长产生不利影响 4 铅 锌胁迫还会 导致蕹菜体内活性氧代谢的平衡被破坏 体内抗 氧化酶活性下降 严重影响蕹菜品质 5 施用土壤改良剂 可以固定土壤中的铅 锌 减轻铅 锌对蔬菜的氧化胁迫作用 改善蔬菜的 生理特性 6 目前 常用的土壤改良剂主要有含 磷物质 7 粉煤灰 8 生物炭 9 有机废弃物 10 和堆肥 11 等 它们能有效降低重金属在土壤中 的移动性 缓解重金属对植物的毒害作用 且成 本低廉 其中 堆肥是借助微生物作用将城市污 泥 畜禽粪便 生活垃圾 园林绿化废弃物等有机 固体废弃物进行无害化 资源化的产物 12 堆 肥主要通过吸附 沉淀 络合和氧化还原反应来 固定土壤中的重金属 降低其生物有效性 减少 植物对重金属的吸收 从而缓解重金属对植物的 氧化胁迫 13 此外 堆肥本身还具有较高的营 养价值 可提供植物生长所需的多种营养元 素 14 受堆肥原材料固有属性的影响 有些堆 肥 如污泥堆肥 畜禽粪便堆肥中重金属含量过 高 应用到土壤中 可能会造成更高的污染风 险 15 相对而言 园林绿化废弃物中的重金属 含量较低 它主要来源于绿地或郊区林地中绿化 植物自然或养护过程中所产生的乔灌木修剪物 枯枝落叶 花园内废弃草花等 在清洁安全等方 面更具优势 16 调查显示 北京市每年产生 2 37 106 t的园林绿化废弃物 17 这些废弃物 给城市生态带来了巨大的压力 将园林绿化废 弃物进行堆沤处理后施用于重金属污染土壤中 既能改善土壤环境 提高植物品质 又能减少废 弃物的堆积 18 近年来 对园林绿化废弃物利用的研究 多 集中在堆肥化 生产新型花木基质 生产有机覆 盖物等方面 19 而有关园林绿化废弃物堆肥 GWC 对重金属胁迫下蔬菜生理特性影响的研 究较少 鉴于此 本试验以种植广泛 生长周期 短的小白菜为对象 通过盆栽试验研究施用不同 比例的GWC对铅 锌单一和复合污染下小白菜 生物量 叶绿素 丙二醛 游离脯氨酸含量 及抗 氧化酶活性的影响 探讨GWC作为改良剂促进 铅 锌胁迫下小白菜生长 改善小白菜生理特性 和提高其抗胁迫能力的可行性 为铅 锌污染土 壤上小白菜的种植提供一定的参考 1 材料与方法 1 1 供试材料 供试土壤采自北京市通州区无污染苗圃地 39 45 N 116 43 E 取0 20 cm表层土壤 风 干 去砂石和植物残体 过2 mm筛 备用 供试 小白菜品种为京绿1号 购于京研益农 北京 种 业科技有限公司 供试GWC由北京市某园林绿 化废弃物消纳中心提供 将其风干 研磨 过2 mm筛 备用 供试土壤的基本理化性质 pH值 8 02 有机质14 52 g kg 1 全氮1 37 g kg 1 碱 解氮29 75 mg kg 1 有效磷27 81 mg kg 1 速 效钾149 48 mg kg 1 总铅0 58 mg kg 1 总锌 0 99 mg kg 1 GWC的基本理化性质 pH值 8 18 有机质302 62 g kg 1 全氮17 50 g kg 1 全磷3 20 g kg 1 全钾6 20 g kg 1 总铅20 82 mg kg 1 总锌201 18 mg kg 1 1 2 试验设计 盆栽试验于2019年2 10月在北京林大林 业科技股份有限公司的温室中进行 试验采取 向供试土壤中添加外源Pb NO3 2 Zn NO3 2的 方式来模拟铅 锌单一和复合污染土壤 依据农用地土壤污染风险管控标准 GB 15618 2018 对于pH 7 5的土壤 铅 锌污染 的风险筛选值分别为170 300 mg kg 1 根据 2014年 全国土壤污染状况调查公报 我国铅 锌污染以中轻度为主 300 1 000 mg kg 1 1 参照上述标准 最后确定本试验的铅 锌污染水 平分别为500 1 000 mg kg 1 将供试土壤分为3份 分别平铺在塑料薄膜 上 然后分别均匀喷洒Pb NO3 2 Zn NO3 2溶 液 并充分混合 按照设计的质量分数模拟污染 8202 浙江农业学报 第32卷 第11期 土壤 保持含水率在40 60 培育6个月 在铅 锌单一和复合污染土壤上分别设4个 GWC施用水平 以质量分数计 CK 0 D1 1 D2 2 D5 5 共计12个处理 每个处理重复 3次 共36盆 将GWC与污染土壤混合均匀 放 入盆中 盆高15 cm 上直径18 cm 下直径13 5 cm 带托盘 每盆装土1 5 kg 培养2周后播小 白菜种子 当苗高超过5 cm后每盆定苗2株 试 验过程中定期进行浇水 杀虫等日常管理 保持 土壤湿度在田间持水量的60 35 d后收获取 样 测定小白菜生理指标 1 3 测定项目与方法 将收获的小白菜样品先用自来水清洗干净 再用去离子水淋洗 用滤纸吸干表面水分 然后 用剪刀将小白菜新鲜叶片剪碎备用 1 3 1 生物量 采用称量法 在剪碎叶片前称取每盆小白菜 的鲜重 1 3 2 叶绿素含量 称取0 1 g剪碎的新鲜小白菜叶片 置于10 mL的丙酮 乙醇 体积比1 1 溶液中 放在黑暗 处浸提24 h 待叶片完全发白后 用UV 6100紫 外分光光度计 上海元析仪器有限公司 测定 663 645 nm处的光密度值 计算叶绿素 叶绿素 a 叶绿素b 含量 20 1 3 3 丙二醛 MDA 含量 称取0 5 g剪碎的新鲜小白菜叶片 加5 mL 5 质量分数 三氯乙酸溶液进行研磨提取 研 磨的匀浆经过离心取上清液 采用硫代巴比妥酸 法 用UV 6100紫外分光光度计测定532 600 nm 处的光密度值 20 1 3 4 超氧化物歧化酶 SOD 活性 称取0 5 g剪碎的新鲜小白菜叶片 加5 mL 0 05 mol L 1磷酸缓冲液 pH值7 8 进行冰浴 研磨 研磨的匀浆经过离心 取上清液即为酶提 液 采用氮蓝四唑 NBT 法 以抑制NBT光化还 原的50 为1个酶活单位 U 利用UV 6100紫 外分光光度计测定560 nm处的光密度值 21 1 3 5 过氧化氢酶 CAT 活性 称取1 5 g剪碎的新鲜小白菜叶片 加5 mL 0 2 mol L 1磷酸缓冲液 pH值7 8 进行冰浴研 磨 研磨的匀浆转移定容至25 mL 经过离心取上 清液即为酶提液 采用紫外吸收法 以1 min内 240 nm下吸光度减少0 1的酶量为1个酶活性 单位 U 计算CAT活性 22 1 3 6 游离脯氨酸含量 参照李合生 21 的方法先配制脯氨酸系列标 准溶液 绘制脯氨酸标准曲线 然后称取0 5 g剪 碎的新鲜小白菜叶片 采用磺基水杨酸法 利用 UV 6100紫外分光光度计测定520 nm处的光密 度值 按照制得的标准曲线测算对应的脯氨酸 含量 1 4 数据分析 利用Microsoft Excel 2010进行数据整理和绘 图 用R语言3 5 1进行完全随机设计二因子方 差分析 对有显著差异 P 0 05 的 利用忠实显 著性差异 Tukey s HSD test 进行多重比较 2 结果与分析 2 1 对小白菜生物量的影响 从图1可以看出 随着GWC施用量的增加 铅 锌单一和复合污染土壤上小白菜的生物量均 呈上升趋势 且均在D5处理下小白菜生物量达 到最大值 分别是对照组 CK 的1 68 1 24 2 09倍 在铅单一和铅锌复合污染土壤上 D2 相同污染土壤各柱上无相同字母的表示处理间差异显著 P 0 05 下同 Bars marked without the same letters indicated significant differ ence at P 0 05 in the same contamination soil The same as be low 图1 GWC对铅 锌污染土壤上小白菜鲜重的影响 Fig 1 Effects of GWC on fresh weight of pakchoi in Pb Zn contaminated soil 9202 马其雪 等 园林绿化废弃物堆肥对铅 锌污染土壤上小白菜生理特性的影响 D5处理的小白菜生物量较CK差异显著 P 0 05 在锌单一污染土壤上 仅有D5处理的小 白菜生物量显著 P 0 05 高于CK 总体而言 GWC的施用促进了小白菜的生长 2 2 对小白菜叶绿素含量的影响 从图2可以看出 随着GWC施用量的增加 铅 锌单一和复合污染土壤上小白菜叶绿素含量 均呈上升趋势 且均在D5处理下小白菜叶绿素 含量达到最大值 分别是CK的1 35 1 28 1 19 倍 在铅 锌单一污染土壤上 各处理的小白菜 叶绿素含量均显著 P 0 05 高于CK 在铅锌 复合污染土壤上 仅D5处理的小白菜叶绿素含 量较CK差异显著 P 0 05 其余处理较CK差 异不显著 这可能是由于铅 锌的共同胁迫加剧 了对小白菜叶绿素合成的影响 少量的GWC虽 然能促进叶绿素的合成 但作用不显著 总体而 言 GWC的施用减轻了铅 锌对叶绿素的毒害作 用 提高了小白菜的叶绿素含量 且施用量越高 叶绿素含量增加越明显 2 3 对小白菜MDA含量的影响 如图3所示 在铅单一污染土壤上 随着 GWC施用量的增加 小白菜MDA含量呈下降趋 势 D5处理的小白菜MDA含量较CK显著 P 0 05 下降了34 78 在锌单一污染土壤上 各 处理的小白菜MDA含量无显著差异 在铅锌复 合污染土壤上 随着GWC施用量的增加 小白菜 MDA含量呈下降趋势 D2 D5处理的小白菜MDA 含量较CK分别显著 P 0 05 下降了25 00 图2 GWC对铅 锌污染土壤上小白菜叶绿素含量的 影响 Fig 2 Effects of GWC on chlorophyll content of pakchoi in Pb Zn contaminated soil 图3 GWC对铅 锌污染土壤上小白菜MDA含量的 影响 Fig 3 Effects of GWC on MDA content of pakchoi in Pb Zn contaminated soil 39 29 总体而言 GWC的施用减轻了铅 锌 对小白菜产生的氧化胁迫 小白菜MDA含量有 不同程度的下降 2 4 对铅 锌污染土壤上小白菜SOD活性的 影响 如图4所示 GWC对铅 锌单一和铅锌复合 污染土壤上小白菜的SOD活性均无显著影响 2 5 对铅 锌污染土壤上小白菜CAT活性的 影响 如图5所示 在铅单一污染土壤上 D1 D2 处理的小白菜CAT活性显著 P 0 05 高于 CK 分别是CK的1 49 2 00倍 在锌单一污染 土壤上施用GWC 小白菜CAT活性升高 且D2 D5处理的小白菜CAT活性显著 P 0 05 高于 CK 分别是CK的2 14 2 06倍 在铅锌复合污染 图4 GWC对铅 锌污染土壤上小白菜SOD活性的 影响 Fig 4 Effects of GWC on SOD activity of pakchoi in Pb Zn contaminated soil 0302 浙江农业学报 第32卷 第11期 图5 GWC对铅 锌污染土壤上小白菜CAT活性的 影响 Fig 5 Effects of GWC on CAT activity of pakchoi in Pb Zn contaminated soil 土壤上 各处理的小白菜CAT活性均显著 P 0 05 高于CK 在D2处理下达到最大值 是CK 的3 77倍 总体而言 施用GWC能减轻铅 锌 对小白菜CAT活性的抑制作用 提高其清除体内 大量过氧化氢的能力 减轻机体遭受过氧化氢毒 害的程度 2 6 对铅 锌污染土壤上小白菜游离脯氨酸含 量的影响 如图6所示 在铅单一污染土壤上 随着 GWC施用量的增加 小白菜游离脯氨酸含量呈 上升趋势 且D2 D5处理的小白菜游离脯氨酸含 量显著 P 0 05 高于CK 并在D5处理下达到 最大值 是CK的2 20倍 在锌单一污染土壤上 D2 D5处理的小白菜游离脯氨酸含量显著 P 0 05 高于CK 并于D2处理下达到最大值 是CK 图6 GWC对铅 锌污染土壤上小白菜游离脯氨酸含 量的影响 Fig 6 Effects of GWC on free proline content of pakchoi in Pb Zn contaminated soil 的1 33倍 在铅锌复合污染土壤上 随着GWC 施用量的增加 小白菜游离脯氨酸含量呈上升趋 势 各处理的小白菜游离脯氨酸含量均显著 P 0 05 高于CK 并在D5处理下达到最大值 是 CK的2 31倍 总体而言 GWC的施用减轻了 铅 锌对游离脯氨酸合成的影响 提高了小白菜 体内的游离脯氨酸含量 有助于增强其抗逆性 3 讨论 本研究表明 施用GWC有利于提高铅 锌单 一和复合污染下小白菜生物量与叶绿素含量 施用GWC降低了铅 锌单一和复合污染下小白 菜MDA含量 提高了铅 锌单一和复合污染下小 白菜的CAT活性和游离脯氨酸含量 从而有利于 保护铅 锌污染下小白菜的生长 在一定程度上 增强了小白菜抵抗铅 锌胁迫的能力 叶绿素含量与植物光合作用和氮素营养有 密切的关系 在一定程度上可反映植物的生长状 况和光合能力 已有研究表明 铅 锌胁迫会导 致小白菜叶绿素含量降低 影响小白菜正常生 长 23 24 本研究中 施用GWC提高了铅 锌单 一和复合污染土壤上小白菜的生物量与叶绿素 含量 图1 2 且随着GWC施用量的增加 小白 菜生物量与叶绿素含量呈上升趋势 与Liu等 25 研究结果相似 这可能是由于不同的GWC配比 造成了土壤营养的差异 从而导致小白菜生物量 与叶绿素含量随着GWC施用量增加呈递增趋 势 26 王意锟等 6 研究发现 添加腐植酸能显 著提高铅 锌 铜 镉复合污染土壤上菜用大豆的 生物量和叶片叶绿素含量 这主要是因为腐植 酸含有羧基 羟基等具有络合重金属作用的官能 团 这些官能团具有刺激作物生长的作用 能促 进作物叶绿素的合成 GWC中也含有大量的腐 植酸 其表面所带的电荷和官能团对土壤中的 铅 锌离子有较强的吸附能力 27 能使土壤中的 铅 锌发生钝化 从而减轻铅 锌对小白菜的危 害 这可能是施用GWC能提高小白菜生物量与 叶绿素含量的另一个原因 在重金属胁迫下 植物细胞会产生活性氧自 由基 活性氧积累会诱发膜脂过氧化 MDA是脂 质氧化的终产物 MDA含量可反映膜脂过氧化的 1302 马其雪 等 园林绿化废弃物堆肥对铅 锌污染土壤上小白菜生理特性的影响 程度 以间接判断膜系统的受损程度 28 本研 究中 施用GWC不同限度地降低了铅 锌单一与 复合污染土壤上小白菜的MDA含量 图3 缓 解了铅 锌对小白菜的胁迫作用 这与前人研究 结果是一致的 王意锟等 29 向铅 锌 铜 镉复 合污染土壤施用腐植酸显著降低了豇豆叶片的 MDA含量 减轻了重金属对豇豆的氧化胁迫 李 张伟等 30 使用羟基磷灰石修复铅污染土壤 使 得土壤中的小白菜MDA含量显著下降 缓解了 铅对小白菜的胁迫作用 腐植酸和羟基磷灰石 的作用相同 都是通过吸附沉淀土壤中的重金 属 减少植物对重金属的吸收 从而减轻重金属 对植物叶片质膜的损伤 GWC可能也是通过自 身的吸附沉淀能力降低了铅 锌的活性 31 从而 缓解了铅 锌对小白菜的氧化胁迫 SOD与CAT是植物体内重要的抗氧化酶 SOD是活性氧自由基的消除剂 能够催化超氧阴 离子自由基歧化生成氧和过氧化氢 在机体氧化 与抗氧化平衡中起到重要作用 32 CAT能催化 过氧化氢分解生成氧和水 使细胞免于遭受过氧 化氢的毒害 33 本研究中 施用GWC提高了 铅 锌单一和复合污染土壤上小白菜的CAT活性 图5 有类似研究发现 纳米羟基磷灰石在一 定添加范围内可提高铅污染土壤上小白菜的抗 氧化酶活性 30 王兴明等 34 研究表明 向铅 锌 铜 镉复合污染土壤上添加矸石 能显著提高 香根草体内的抗氧化酶活性 王意锟等 29 研究 发现 腐植酸能明显提高重金属复合污染土壤上 豇豆的SOD活性 国外研究表明 施用膨胀土能 使铅 镉复合污染土壤上水稻的SOD活性升 高 35 以上研究中的改良剂均通过降低土壤中 重金属活性减少了植物对重金属的吸收 从而缓 解重金属对植物体内抗氧化酶活性的抑制作用 GWC可能也通过降低铅 锌活性 36 减轻铅 锌 对小白菜抗氧化酶活性的抑制 提高了CAT活 性 从而消除由铅 锌胁迫而产生的氧化反应 本研究中施用GWC各处理的小白菜的SOD活 性较CK差异不显著 图4 说明GWC的施入对 SOD活性的影响不明显 这与Ibrahim等 37 的研 究结果相似 游离脯氨酸是植物体内一种重要的亲和性 渗透调节物 在抗逆境中的主要作用是调节细胞 渗透平衡和增加蛋白质的可溶性 保护生物大分 子结构与稳定性和阻止氧自由基产生 38 本研 究中 施用GWC提高了铅 锌单一和复合污染土 壤上小白菜的游离脯氨酸含量 且游离脯氨酸含 量随着GWC施用量的增加呈上升趋势 图6 这可能是由于GWC的施入对土壤中的铅 锌浓 度有一定的稀释作用 25 同时由于GWC能吸附 一定的铅 锌 36 从而减轻了铅 锌对小白菜游 离脯氨酸合成的影响 这与王兴明等 34 的研究 结果一致 而与王意锟等 29 的研究中腐植酸 泥 炭对铅 锌 铜 镉复合污染土壤上豇豆脯氨酸含 量的影响有差异 推测脯氨酸的变化可能与改良 剂 重金属离子和植物种类有关 参考文献 References 1 环境保护部 国土资源部 全国土壤污染状况调查公报 R 北京 环境保护部 国土资源部 2014 Ministry of Environmental Protection Ministry of Land and Resources Bulletin of national survey on soil pollution R Beijing Ministry of Environmental Protection Ministry of Land and Resources 2014 in Chinese 2 阳丹萍 蔬菜重金属累积特征及生物炭施用影响效应研 究 D 重庆 西南大学 2017 YANG D P Heavy metal 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