羅 艷，李裕冬，羅曉波,2，王瓊瑤，姚 民

(1.四川省自然資源科學(xué)研究院，四川 成都 610024;2. 峨眉山生物資源實(shí)驗(yàn)站，四川 峨眉山 614201; 3.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064)

重金屬污染是造成土壤污染的一個(gè)重要因素，其中以鎘(Cd)污染最為突出。重金屬鎘不僅使土壤肥力退化，農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，水環(huán)境惡化，而且可以通過食物鏈進(jìn)入人體，直接影響和危及人類的健康[1]。金屬形態(tài)的鎘一旦進(jìn)入土壤環(huán)境極難被微生物降解，但以Cd2+及其絡(luò)合物形式存在時(shí)，極易被植物吸收并積累[2]。1983年，美國(guó)科學(xué)家Chaney首次提出了利用能夠富集重金屬的植物來清除土壤重金屬污染的設(shè)想[3]。利用植物，特別是利用生長(zhǎng)迅速、生物量大、根系發(fā)達(dá)的木本植物來修復(fù)重金屬的技術(shù)，其由于具有廉價(jià)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)研究也成了土壤重金屬修復(fù)的熱點(diǎn)之一[4～12]。

根據(jù)《四川省土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》(2014)，鎘是四川省土壤污染的主要特征污染物，以攀西地區(qū)、成都平原區(qū)和川南地區(qū)等部分區(qū)域?yàn)檩^重污染區(qū)，尤其是在礦藏資源豐富的地區(qū)，土壤鎘含量偏高。同時(shí)，近年來工業(yè)的迅速發(fā)展、農(nóng)業(yè)化肥施用以及礦山開發(fā)等人為活動(dòng)，也使土壤中鎘污染愈見明顯。目前四川省土壤鎘污染以輕微為主(占污染區(qū)域的86.8%，本數(shù)據(jù)根據(jù)《四川省土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》(2014)估算而得。具體計(jì)算方法為：鎘輕微污染點(diǎn)位比例/鎘點(diǎn)位超標(biāo)率×100%)。但考慮到鎘污染的嚴(yán)重危害，開展相關(guān)的研究和治理工作已迫在眉睫。四川省地形復(fù)雜、山地較多，種植草本植物開展鎘污染土壤修復(fù)，存在著后期處理困難、二次污染風(fēng)險(xiǎn)較高的問題，若能夠篩選出合適的速生木本植物開展土壤修復(fù),將會(huì)取得更明顯的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于重金屬鎘對(duì)植物的毒害以及植物耐受性的研究主要涉及水生植物、農(nóng)作物、草坪草和一些豆科牧草，而對(duì)于木本植物的研究相對(duì)較少，主要集中于楊樹、柳樹等[5,9]。在重金屬鎘修復(fù)方面，四川鄉(xiāng)土樹種的應(yīng)用研究也相對(duì)較少[4,13]。因此，為篩選適宜的鄉(xiāng)土植物在四川境內(nèi)開展鎘污染土壤修復(fù)，選取4種生命力強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)成本低、具有一定景觀效果、生長(zhǎng)迅速的木本植物，進(jìn)行鎘脅迫種子發(fā)芽及幼苗生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，比較這4種植物對(duì)重金屬鎘耐受性的強(qiáng)弱，為人們利用木本植物修復(fù)、治理重金屬污染的土壤提供可行性理論以及可供參考選擇的樹種。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

研究實(shí)驗(yàn)于2017年在成都進(jìn)行，種子來自野外采集(見表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)用4種林木種子概況

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 種子預(yù)處理

五小葉槭去掉果翅，提前4℃冷藏處理一周。一周后，分別用1%次氯酸鈉對(duì)云南松、榿木、紅椿和五小葉槭的種子進(jìn)行消毒，消毒20 min， 超純水清洗3次，然后晾干。

1.2.2 萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

精選飽滿種子置于裝有滅菌蛭石的大小規(guī)格一致的培養(yǎng)容器中，每個(gè)容器均勻放入50粒，每處理設(shè)3組平行，分別加入5 mg·L-1、25 mg·L-1、50 mg·L-1、75 mg·L-1、100 mg·L-1的氯化鎘溶液，該溶液用分析純CdCl·22.5H2O配制，以等量蒸餾水培養(yǎng)作對(duì)照。然后將培養(yǎng)容器置于光照培養(yǎng)箱(光周期12 h/12 h，20℃/18℃(光/暗比)，濕度80%)中，每 24 h 更換相應(yīng)濃度處理液 1 次， 對(duì)照組更換蒸餾水。以子葉頂出土壤記為萌發(fā)，萌發(fā)過程中每24h統(tǒng)計(jì) 1次，記錄種子萌發(fā)數(shù)，直至對(duì)照種子發(fā)芽基本不再變化為止。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為：2017年8月23日到2017年10月3日。

1.2.3 幼苗培育實(shí)驗(yàn)

將萌發(fā)的幼苗保留在原培養(yǎng)容器中繼續(xù)在光照培養(yǎng)箱(光周期12 h/12 h，20℃/18℃(光/暗比)，濕度80%)培養(yǎng)，按萌發(fā)實(shí)驗(yàn)處理的濃度梯度，每周一次給幼苗澆灌不同的溶液。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為2017年10月3日到2017年11月29日。

1.2.4 測(cè)試指標(biāo)與分析方法

各指標(biāo)測(cè)定參照《種子生理研究》[14]，相關(guān)計(jì)算公式如下。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將幼苗取出，分別測(cè)量幼苗的苗高和根長(zhǎng)，數(shù)據(jù)取各平行組均值。

發(fā)芽率=(供試種子的發(fā)芽數(shù)/50)×100%

(1)

開始萌發(fā)時(shí)間=種子從處理到開始萌發(fā)所需時(shí)間

(2)

發(fā)芽勢(shì)=(開始萌發(fā) 20d 后萌發(fā)種子總數(shù)/50)×100%

(3)

耐性指數(shù)(TI)=(重金屬脅迫下植物發(fā)芽指標(biāo)/對(duì)照組植物相應(yīng)發(fā)芽指標(biāo))×100%

(4)

發(fā)芽指數(shù)=(Gt為第t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù))

(5)

1.2.5 耐性綜合評(píng)價(jià)

應(yīng)用隸屬函數(shù)法對(duì)4種林木種子萌發(fā)期鎘耐受性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。先按公式(6)分別計(jì)算每份材料相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)苗長(zhǎng)在不同鎘濃度下的具體隸屬函數(shù)值[15]。

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(6)

式中，X為參試植物某-指標(biāo)的測(cè)定值，Xmax和Xmin分別為所有材料中該指標(biāo)的最大值和最小值，然后把每一指標(biāo)在不同鎘濃度下的隸屬值累加求平均值，最后把每份材料各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值累加求平均值，根據(jù)各材料平均隸屬函數(shù)值大小確定其萌發(fā)期對(duì)鎘的耐受性，隸屬函數(shù)值越大，耐受性越強(qiáng)。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理及方差分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果采用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用最小顯著差法(LSD法)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘對(duì)種子萌發(fā)的影響

不同的鎘濃度對(duì)不同種類的林木種子的發(fā)芽率具有不同影響(表2)。對(duì)云南松而言，發(fā)芽率最高的是鎘濃度50 mg·L-1組，最低的是75 mg·L-1組；總體上鎘濃度變化對(duì)云南松種子的發(fā)芽率未造成顯著影響，各處理濃度下的發(fā)芽率均無(wú)顯著差異(p>0.05)。對(duì)榿木而言，發(fā)芽率最高的是對(duì)照組，總體上鎘對(duì)榿木種子的萌發(fā)具有抑制作用，隨著鎘濃度的增加，其發(fā)芽率有所降低(p>0.05)，在濃度75 mg·L-1和100 mg·L-1時(shí)其發(fā)芽率顯著降低(p<0.05)。紅椿和五小葉槭的發(fā)芽率并沒有受到脅迫影響，反而有不同程度地促進(jìn)，其中紅椿在50 mg·L-1時(shí)發(fā)芽率最高(29.3%)，五小葉槭在25 mg·L-1時(shí)發(fā)芽率最高(15.3%)。總體而言，鎘對(duì)對(duì)云南松的萌發(fā)沒有明顯影響，對(duì)榿木種子的萌發(fā)具有抑制作用，對(duì)紅椿和五小葉槭的萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用。

鎘對(duì)4種林木種子的起始萌發(fā)時(shí)間總體影響不大，除云南松外，處理組的起始萌發(fā)時(shí)間與對(duì)照組均沒有顯著差異；云南松僅在濃度為75 mg·L-1時(shí)，其起始萌發(fā)時(shí)間顯著長(zhǎng)于對(duì)照組(p<0.05)(見表2)。發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)方面，與對(duì)照組相比，4種林木的發(fā)芽勢(shì)均無(wú)顯著差異，僅五小葉槭在25 mg·L-1處理組顯著大于5 mg·L-1處和75 mg·L-1處理組。

表2 不同濃度鎘脅迫下對(duì)4種林木種子萌發(fā)的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，N=3；每一元素相同行同一字母代表無(wú)顯著差異(p>0.05)，不同字母代表差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 鎘對(duì)幼苗生長(zhǎng)的影響

鎘對(duì)4種林木幼苗苗長(zhǎng)的影響如圖1所示。鎘處理對(duì)云南松的苗長(zhǎng)具有促進(jìn)作用， 各處理組的苗長(zhǎng)均高于對(duì)照組，但僅5 mg·L-1濃度時(shí)該差異具有顯著性(p<0.05)；隨著鎘濃度加大，苗長(zhǎng)耐受性略降(p>0.05)。鎘處理對(duì)榿木苗長(zhǎng)同樣具有促進(jìn)作用，各處理組的苗長(zhǎng)均高于對(duì)照組，且在5 mg·L-1、50 mg·L-1和100 mg·L-1濃度時(shí)該差異具有顯著性(p<0.05)；隨著鎘濃度加大，其苗長(zhǎng)耐受性呈無(wú)規(guī)律變化(p>0.05)。鎘處理對(duì)紅椿的苗長(zhǎng)具有抑制作用，處理組的苗長(zhǎng)均小于對(duì)照組，且在25 mg·L-1、75 mg·L-1和100 mg·L-1濃度時(shí)該差異具有顯著性(p<0.05)；雖然各處理組平均苗長(zhǎng)耐受性小于100%，但均在80%以上，表現(xiàn)出良好的耐受性。鎘處理對(duì)五小葉槭的苗長(zhǎng)具有“低抑高促”的作用，除了5 mg·L-1組外，其它處理組的平均苗長(zhǎng)耐受性均大于100%，但這種差異并不顯著(p>0.05)。

圖1 鎘對(duì)幼苗苗長(zhǎng)的影響

鎘對(duì)4種林木幼苗根長(zhǎng)的影響與苗長(zhǎng)差異較大(見圖2)。云南松對(duì)重金屬鎘的耐受性最高，不同鎘濃度處理下的根長(zhǎng)均顯著大于對(duì)照組(p<0.05)，且隨著鎘濃度的增高，其根長(zhǎng)未出現(xiàn)顯著變化(p>0.05)；紅椿對(duì)重金屬鎘也表現(xiàn)出良好的耐受性，不同鎘濃度處理下的根長(zhǎng)均大于對(duì)照組(p>0.05)，且隨著鎘濃度的增高，其根長(zhǎng)未出現(xiàn)顯著變化(p>0.05)；五小葉槭對(duì)重金屬鎘也表現(xiàn)出良好的耐受性排名第3，在低濃度時(shí)(5 mg·L-1)，其根長(zhǎng)與對(duì)照組差異不顯著(p>0.05)，但在25 mg·L-1后其根長(zhǎng)與對(duì)照組差異顯著(p<0.05)，但其對(duì)鎘具有較高的耐受性，在75 mg·L-1時(shí)，其耐性指數(shù)仍有51.0%；榿木對(duì)鎘的耐受性最低，在低濃度時(shí)(5 mg·L-1)，其根長(zhǎng)就顯著小于對(duì)照組(p<0.05)，且對(duì)50 mg·L-1以上的鎘濃度耐受性較差(低于50%)。

2.3 耐受性綜合評(píng)價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，對(duì)4種林木種子發(fā)芽耐受性、發(fā)芽指數(shù)耐受性、苗長(zhǎng)耐受性和根長(zhǎng)耐受性進(jìn)行隸屬函數(shù)值計(jì)算，得出其種子萌發(fā)期暨幼苗期耐鎘脅迫的隸屬函數(shù)總平均值(見表3)。據(jù)此確定，耐鎘的強(qiáng)弱順序?yàn)椋杭t椿>云南松>五小葉槭>榿木。

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)是植物生長(zhǎng)的第一個(gè)關(guān)鍵階段。不同植物種子雖然在鎘脅迫下的反應(yīng)有所不同，但總體上表現(xiàn)為低濃度鎘不影響或提高種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)并促進(jìn)芽生長(zhǎng)；高濃度鎘則會(huì)降低種子的發(fā)芽率[15～21]。不同鎘濃度處理對(duì)4種鄉(xiāng)土林木種子的萌發(fā)均有不同程度的影響?？紤]到差異的顯著性，則榿木對(duì)鎘的耐受性最差，鎘脅迫造成其發(fā)芽率顯著降低(p<0.05)；五小葉槭和紅椿的發(fā)芽率總體表現(xiàn)為“低促高抑”的現(xiàn)象；云南松不同濃度處理下其發(fā)芽率差異不顯著。造成低促高抑現(xiàn)象的原因，可能是低濃度鎘可提高胚的生理活性，促進(jìn)萌發(fā)；而高濃度鎘會(huì)對(duì)胚、芽等部位產(chǎn)生傷害，并且高濃度鎘脅迫能夠抑制淀粉酶、蛋白酶的活性，進(jìn)而抑制種子內(nèi)貯藏淀粉和蛋白質(zhì)的分解，從而影響種子萌發(fā)所需要的物質(zhì)和能力，使種子萌發(fā)受到抑制[22]。據(jù)此推測(cè)，本研究設(shè)置的濃度梯度對(duì)于云南松種子還未造成明顯傷害，云南松種子萌發(fā)可能可以耐受更高濃度的鎘脅迫，這需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)予以證實(shí)。

表3 4種林木種子萌發(fā)期暨幼苗期對(duì)鎘的耐性隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)值

圖2 鎘對(duì)幼苗根長(zhǎng)的影響

與種子時(shí)期以及成熟期相比，幼苗期往往是植物最脆弱的時(shí)期，在幼苗期表現(xiàn)出較高的耐受性的植物，其成體在鎘脅迫環(huán)境下也能生長(zhǎng)良好。此外，植物根系對(duì)重金屬的吸收和積累能力很強(qiáng)，并承擔(dān)著物質(zhì)代謝、生理功能的重要作用。因此評(píng)價(jià)植物對(duì)重金屬耐受性的強(qiáng)弱，根系耐性指數(shù)是最重要的指標(biāo)之一，可通過比較植物幼苗根在重金屬脅迫下的生長(zhǎng)情況，來判斷各植物幼苗對(duì)重金屬的耐受性[17]。根據(jù)這一理論推斷，本研究所用的4種植物，其幼苗的鎘耐受性從強(qiáng)到弱依次為：云南松、紅椿、五小葉槭和榿木。

綜上所述，從種子萌發(fā)而言，4種林木種子對(duì)重金屬鎘的耐受性為云南松>紅椿≈五小葉槭>榿木；從幼苗期而言，其耐受性為云南松>紅椿>榿木>五小葉槭；從綜合評(píng)價(jià)來看，其耐受性為紅椿>云南松 >榿木>五小葉槭。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-1995)》，土壤環(huán)境質(zhì)量3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的鎘濃度為≤1 mg·kg-1，而目前四川省土壤鎘污染總體以輕度污染為主。4種林木種子及其幼苗均表現(xiàn)出較高的低濃度鎘耐受性(耐受性大于70%)。因此，在四川省鎘輕度污染的造林地區(qū)，只要?dú)夂驐l件適宜，云南松、紅椿、榿木和五小葉槭均可作為備選樹種；而對(duì)于鎘污染嚴(yán)重區(qū)域，則可選擇云南松和紅椿。

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