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砷对烤烟碳氮代谢的影响及铁和黄腐酸的减害效应

常思敏  
【摘要】: 砷是土壤中污染最严重的重金属之一。研究砷毒害对烤烟碳、氮代谢和产量、品质的影响及其在烟草体内的积累情况,探索减少土壤中砷对烤烟毒害的有效途径,在预防或减少砷对烟草产量和经济损失、最大可能地保护烟农利益和吸食者的健康等方面具有重要的理论和现实意义。为此,2004-2005年以云烟85为供试品种,采用400 mm×340 mm的聚乙烯花盆在河南农业大学科教园区进行了3个盆栽试验。1)砷毒害试验:以砷酸钠(Na_3AsO_4·12H_2O)为污染源,按纯砷含量计算,2004年设置0(CK),5,20,40,60,100,200,400 mg·kg~(-1)8个处理,2005年设置0(CK),5,20,40,60 mg·kg~(-1)5个处理。2)铁减害试验:以硫酸亚铁(FeSO_4·7H_2O)为土壤添加剂,按纯铁含量计算,设置0,200,400,600,800 mg·kg~(-1)5个处理,各处理均加入纯砷50 mg·kg~(-1)。3)黄腐酸减害试验:以95%的黄腐酸(FA)为土壤添加剂,设置0,200,400,600,800 mg·kg~(-1)5个处理,各处理均加入纯砷50 mg·kg~(-1)。系统地研究了砷对烤烟全生育期碳、氮代谢及其过程、生长发育、产量和品质的影响,以及烤烟对砷的吸收、积累和分配情况,并探讨了铁和黄腐酸在这些方面的减害效应。 1砷对烤烟碳氮代谢及其产量、品质的影响 砷严重影响了烤烟的碳代谢。砷降低了烤烟整个生育期的叶绿素含量、光合速率、蔗糖合成酶(SS,合成方向)活性和现蕾以后的蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性,提高了全生育期的SS(分解方向)活性和可溶性糖含量,因而抑制了碳的同化和蔗糖的合成,促进了蔗糖的分解,不利于碳向积累方向转化。同时,砷降低了团棵期和采收期的可溶性淀粉酶(SSS)活性,提高了全生育期的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)活性,增加了团棵期和现蕾期淀粉的积累,又降低了采收期的淀粉含量,从而导致了碳积累代谢的紊乱,最终造成碳积累的减少。 砷毒害对烤烟的氮代谢有显著影响。砷降低了整个生育期的硝酸还原酶(NR)活性,抑制了烤烟对硝态氮(NO_3~--N)的同化:提高了全生育期的谷氨酰胺合成酶(GS)活性,增强了烤烟对铵态氮(NH_4~+-N)的同化。砷提高了全生育期的谷氨酸—丙酮酸转氨酶(GPT)活性和天冬酰胺酶(asparaginase,ASG)活性,以及现蕾以后的游离氨基酸含量,使烤烟的氮转化代谢表现旺盛。与此同时,砷引起了烤烟生育前期的蛋白质含量降低,随着生育进程的推进,又引起中、后期的蛋白质含量增加,最终导致烤烟蛋白质的积累,但使整个生育期的烟碱含量降低。 砷抑制了烤烟的生长发育,导致其生育时期延迟,叶片数和叶面积减少,株高和产量降低,同时,砷造成了烤烟产值、均价和上中等烟比例降低,使其经济性状变差,总糖、还原糖、总氮、蛋白质含量提高,烟碱和K~+,Ca~(2+),Mg~(2+),C1~-含量降低,糖氮比、糖碱比、氮碱比等比例失调,因而降低了烤烟的商品价值和化学品质。本研究的结果还表明,当土壤中的砷含量达到100 mg·kg~(-1)时,烤烟的生长发育受到严重抑制,已没有生产价值,当达到200mg·kg~(-1)以上时,烤烟不能成活,使烤烟减产10%的土壤施砷量阈值为16.89 mg·kg~(-1)。若以食品中砷含量≤0.5 mg·kg~(-1)为参照,下、中、上部叶和中部叶燃烧后烟气中要求的土壤施砷量阈值分别为2.63,6.56,13.91和12.90 mg·kg~(-1)。 土壤中施砷可增加烤烟对砷的吸收和积累,且土壤中施砷越多,烤烟吸收也越多。与之相反,施砷可降低烤烟由地下部向地上部运输砷的能力,土壤中砷含量越高,其向地上部的运输能力越低。砷被烤烟吸收后,能分布在作物的各个部位。砷在烤烟植株中的分布、积累规律为根>下部叶>茎>中部叶>上部叶。中部叶燃烧后,有39.58%的砷残留在灰分中,有60.42%随烟气被吸烟者吸收或扩散到空气中。 2铁对砷毒害烤烟碳氮代谢、产量和品质的影响 土壤中施用硫酸亚铁可减轻砷对烤烟碳代谢的毒害。叶绿素含量和光合速率的提高,说明铁明显改善了其全生育期的碳同化能力。SS(合成方向)活性和SPS活性的提高、SS(分解方向)活性和可溶性糖含量的降低,有利于蔗糖合成和向碳积累方向的转化,抑制了砷造成的碳转化代谢旺盛问题。虽然烤烟前期或中期的淀粉含量、团棵期的SSS活性和现蕾期的ADPG-PPase活性降低,不利于碳的积累,但这些指标在生育后期的表现说明碳积累得到明显改善。 铁能提高砷毒害烤烟的NR活性,降低其GS活性,促进了NO_3~--N的同化,抑制了砷毒害造成的NH_4~--N的同化。现蕾以后GPT活性和游离氨基酸含量、全生育期的ASG活性的降低说明铁抑制了氮转化代谢的旺盛问题。铁提高了全生育期烟碱的合成能力,但增加了生育中后期的蛋白质含量。 铁可改善砷毒害烤烟全生育期的生长发育状况,导致其株高、叶片数、叶面积增加,且对生育中、后期的影响大于前期,并能极显著地提高其产量。铁对砷毒害烤烟的品质有利有弊。铁可造成砷毒害烤烟的总糖含量、还原糖含量、糖氮比、糖碱比和氮碱比的降低,使砷毒害烤烟的烟气酸性减少,受焦油危害的可能性减小,安全性得到改善。土壤中铁含量较高(≥600 mg·kg~(-1))时烟碱含量的提高,可改善其劲头,但总氮和蛋白质含量的提高会增加烤烟的刺激性,当土壤中铁含量较低(≤400 mg·kg~(-1))时,总氮和蛋白质含量的降低则有利于其刺激性和香气质的改善,但烟碱含量降低。K~+含量的增加有利于燃烧性,但Cl~-含量的增加则不利于此方面性状的改善。 施铁可增加砷在土壤中的残留率,降低烤烟对砷的吸收和单株含砷量,以及各部位叶片砷的含量,致使烤烟的富集系数和烟灰、烟气中的砷含量减少,但铁能提高砷在烤烟体内的位移系数,因而相对地增加了单株地上部含砷量。铁还可导致不同部位叶片之间的砷含量存在差异,各处理均表现出以下规律性:根>茎>下部叶>中部叶>上部叶。同时,铁可造成砷毒害烤烟对铁的吸收减少,但造成单株地上部含铁量和位移系数增加,促进了铁向砷毒害烤烟地上部的迁移,致使其地上部的铁积累增加。铁还影响砷毒害烤烟中铁在各部位的分布,随着施铁量的增加,根、茎中铁含量降低,而下部叶、中部叶和上部叶的铁含量均明显提高。同一施铁处理各部位铁的分布均为:根>下部叶>中部叶>上部叶>茎。 3 FA对砷毒害烤烟碳氮代谢、产量和品质的影响 适量的FA可提高砷毒害烤烟全生育期的叶绿素含量和光合速率,增强其碳同化能力,但造成了碳转化和积累代谢的紊乱。虽然不适当的施用量和适当的施用量在生育前期均不利于碳转化和积累,但随着生育进程的推进,适量的黄腐酸施用量最终能改善砷毒害烤烟的碳转化和积累,造成了对产量形成有利的影响。 FA提高了砷毒害烤烟的NR活性,降低了GS活性,改善了NO_3~--N的同化能力,抑制了NH_4~+-N的同化。不同的FA施用量对氮转化代谢的砷毒害影响不同。适量的黄腐酸施用量在生育前期也协同砷的毒害,但随着生育进程的推进,适量的黄腐酸施用量最终能抑制氮转化代谢的旺盛问题。FA降低砷毒害烤烟团棵期的蛋白质含量,提高现蕾以后的蛋白质含量和全生育期的烟碱含量。 适量的FA可改善砷毒害烤烟的生长发育状况,导致其株高、叶片数、叶面积增加,提高其产量。FA处理与相应的化学成分及其协调性之间也没有必然的相关性,但FA600处理能使砷毒害烤烟的总糖、还原糖、蛋白质含量和糖碱比、氮碱比、糖氮比降低,烟碱、K~+含量提高,显著改善其化学成分及其协调性,提高了砷毒害烤烟的化学品质。 土壤中施用适量的FA可增加砷在土壤中的残留率,降低烤烟对砷的吸收和单株含砷量,致使烤烟的富集系数和烟灰、烟气中的砷含量减少,但FA能提高砷在烤烟体内的位移系数,因而相对地增加了单株地上部含砷量。FA还能降低烤烟各部位砷的分布,影响烤烟各部位砷的含量,同一FA处理不同部位叶片之间的砷含量存在差异,各处理均表现出以下规律性:根>下部叶>茎>中部叶>上部叶。不同FA处理对烤烟砷含量的也有显著影响,但以FA600的烤烟砷含量为最低。 本试验条件下,以土壤中施用600 mg·kg~(-1)的FA减轻砷毒害的效果最好。


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