席 穎 劉慧剛 袁 喜 張棟棟 任 東 黃應平
(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002;2.湖北省農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測工程技術中心,湖北 宜昌443002;3.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心(三峽大學),湖北 宜昌 443002)
石油產(chǎn)品是復雜的烴類混合物,含有多環(huán)芳烴等有毒化合物[1].柴油作為一種典型的石油類碳氫化合物,對動物和人體健康構(gòu)成威脅,對環(huán)境造成嚴重危害[2].因此,去除環(huán)境中柴油污染物成為一項亟待解決的事情.植物修復作為一項綠色環(huán)保的技術,其修復效率跟植物生長狀況密切相關,植物生長狀態(tài)越好,植物修復效率越高[3].植物的光合熒光特性是評價植物光合作用的重要指標,植物光合作用越強,植物生長狀況越好,具有的植物修復潛能更大.污染土壤中的石油類碳氫化合物質(zhì)量分數(shù)是限制植物生長的重要因素,研究表明高質(zhì)量分數(shù)的柴油會對植物葉肉細胞葉綠素造成損傷,從而抑制植物光合作用,導致植物光合效率下降,影響植物正常生長[4].因此,需要研究一些添加物,能緩解多環(huán)芳烴對植物生長的脅迫作用,提高植物修復效率.
硒(Se)是一種有益的微量元素,低質(zhì)量分數(shù)的硒對生物有益.Hartikainen[5]曾對硒對黑麥草生長的影響,發(fā)現(xiàn)當土壤硒質(zhì)量分數(shù)大于10mg/kg時對植物出現(xiàn)了毒害作用,而當硒質(zhì)量分數(shù)為0.1mg/kg時能促進植物生長.硒能在生物體內(nèi)合成硒蛋白,硒蛋白能幫助生物清除體內(nèi)因為脅迫產(chǎn)生的氧化自由基,從而增加了生物對污染物的耐受性.很多文獻曾報道硒能增強植物在重金屬、鹽堿、干旱等脅迫下耐受性[6-8],緩解污染物對植物生長的抑制,這些文獻都是集中關于硒緩解重金屬、干旱等污染物對植物脅迫的研究,關于硒對高質(zhì)量分數(shù)柴油脅迫下植物生長影響的文獻報道較少.有文獻報道指出三葉草是一種植物修復常見植物物種,具有良好的吸收富集土壤污染物的能力[9].
本文以三葉草(Trifoliumrepens)為研究對象,通過測量三葉草在不同柴油質(zhì)量分數(shù)脅迫下的光合熒光參數(shù),來反映柴油對三葉草的光合作用的影響.通過比較不同質(zhì)量分數(shù)柴油脅迫下加硒與對照組三葉草光合熒光參數(shù)的差別,探討土壤加硒對于柴油脅迫下三葉草光合熒光特性的影響,以期為植物修復提供新思路和新方法.
供試土壤取自三峽大學植物園內(nèi)20~60cm 的土層.土壤pH,有機質(zhì)、總磷、總氮、土壤粒徑和硒的測定分別通過玻璃電極測定方法(NY/T 1377-2007);重鉻酸鉀(NY/T1121.6-2006);MoSb分光光度法(HJ632-2011);凱氏定氮法(HJ717-2014);比重法(FHZDZTR0008);以及耦合等離子質(zhì)譜法(ICPMS,Thermo Fisher Scientific,USA)進行.土壤pH值為7.41,有機質(zhì)2.79g/kg,土壤總磷445.1mg/kg,總氮316mg/kg,土壤砂粒、粉粒、粘粒的百分比分別為32、57、11%,土壤硒本底值為0.02mg/kg.
供試植物取自三峽大學植物園內(nèi)長勢一致三葉草幼苗,平均株高(18±0.5cm),所有幼苗進行3d預培養(yǎng),然后移栽到實驗盆內(nèi),每盆內(nèi)選4顆健康幼苗.
實驗盆為6L容量,每盆裝3000g過2mm 篩的細土.將柴油加入土壤中拌勻,形成質(zhì)量分數(shù)為0,15,20,25g/kg 柴油污染土壤.再將硒(Na2SeO3)(Sigma,St.Louis,MO,USA)溶解于蒸餾水中制備硒質(zhì)量分數(shù)為0.5mg/kg的Na2SeO3溶液加入實驗組的盆中,對照組加入等體積的蒸餾水.充分攪拌均勻置于陰暗處平衡3d.將三葉草幼苗移栽到實驗盆內(nèi).試驗盆被分為4組:無硒對照組,加硒對照組,無硒實驗組,加硒實驗組.對照組為只有柴油污染的土壤無植物.實驗組為柴油污染土壤及植物.4組試驗組包含3個柴油質(zhì)量分數(shù),每個質(zhì)量分數(shù)梯度設置3個重復.試驗在戶外大棚內(nèi)進行,實驗周期60d,實驗過程中每3d澆一次水,保持土壤持水量約70%.
在植物生長60d后,將植物從盆中小心拔出,用蒸餾水洗凈,在根莖的分界處用剪刀分開,用干凈抹布擦干,用天平分別稱量根莖的鮮重.
選取植物從上往下數(shù)第二片完全生長擴展開的葉片,利用LI-6400XT 便攜式光合儀(Li-COR,USA)測定植物凈光合速率(Pn,μmol/m2/s1)、細胞間二氧化碳質(zhì)量分數(shù)(Ci,μmol/mol)、氣孔導度(Gs,mol/m2/s1)和蒸騰速率(Tr,mmol/m2/s1).光合參數(shù)的測定選擇在晴天的上午約9:30~11:30的時間段進行.空氣相對濕度,二氧化碳質(zhì)量分數(shù),以及光合作用光子通量密度(PPFD)分別為25℃、80%~90%、400μmol/mol和1000μmol/(m2·s-1).植物熒光參數(shù)也是采用相同的儀器,去植物從上往下數(shù)第二片完全擴展開的葉片,在經(jīng)過30min的黑暗適應后進行熒光參數(shù)測定和計算最大光化學效率(Fv/Fm)、非光化學淬滅系數(shù)(qN)、光化學淬滅系數(shù)(qP)和PSⅡ?qū)嶋H光化學效率(ФPSⅡ).每盆取4片葉子計算平均值.具體測定方法參照Huang關于植物光合熒光的研究報道[10].
每個處理均重復3次,數(shù)據(jù)結(jié)果以均值±標準誤差來表示,采用SPSS17.0運用Duncan檢驗比較不同柴油質(zhì)量分數(shù)對光合熒光參數(shù)影響的差別.運用Turkey檢驗來比較加硒和不加硒的區(qū)別.P<0.05視為有顯著性差異.采用Origin 8.0軟件進行作圖.
60d后,對三葉草根莖的鮮重進行稱量,稱量結(jié)果見表1,三葉草在高質(zhì)量分數(shù)柴油脅迫下,植物的生長受到明顯的抑制.植物莖鮮重在3個不同質(zhì)量分數(shù)柴油脅迫下顯著降低(P<0.05),根的鮮重在柴油質(zhì)量分數(shù)為20、25g/kg時顯著高于其在稍低質(zhì)量分數(shù)時的根重(P<0.05).莖和根的最大抑制率分別在最高質(zhì)量分數(shù)處為55.3%和74.3%.由表1可知,植物處于最高質(zhì)量分數(shù)柴油脅迫下根莖質(zhì)量比最低,顯示高質(zhì)量分數(shù)柴油會對植物生長產(chǎn)生顯著的脅迫.然而,加硒顯著改善了柴油對三葉草的脅迫,加硒后,植物根莖鮮重得到顯著改善(P<0.05),在15、20、25g/kg莖鮮重較不加硒對照組分別提高了5.8%、28.9%、28.9%,根鮮重提高了18.8%、36.2%、59.4%.加硒顯著提高了根莖質(zhì)量比,在柴油質(zhì)量分數(shù)為25g/kg時提高了43%.
表1 硒對植物根莖鮮重及跟莖鮮重比的影響
如圖1所示,三葉草光合參數(shù)除了Ci外,Pn、Gs和Tr都隨著柴油質(zhì)量分數(shù)的增加呈顯著降低的趨勢(P<0.05).
試驗結(jié)果表明:三葉草光合特性收到柴油的抑制.Pn、Gs和Tr在柴油質(zhì)量分數(shù)為20g/kg時下降的最快;最低值均在柴油質(zhì)量分數(shù)最高25g/kg時.而Ci隨著柴油質(zhì)量分數(shù)梯度的增加不斷增加,在柴油質(zhì)量分數(shù)為15g/kg時顯著增加(P<0.05),在柴油質(zhì)量分數(shù)為20,25g/kg時無顯著性差異.加硒后,Pn、Gs和Tr相對于對照組得到了顯著改善(P<0.05).相對于不加硒的對照組,Pn 顯著增加了49%、48%、18%、21%;Gs顯著增加了24%、32%、32%、31%;Tr增加了14%、31%、11%、6%.Ci加硒后相對于不加硒組降低,但減少并不顯著.
如圖2所示,柴油脅迫下三葉草葉綠素熒光特性均發(fā)生了顯著的變化.Fv/Fm、qP、ФPSⅡ隨著柴油質(zhì)量分數(shù)的增加顯著降低(P<0.05);柴油質(zhì)量分數(shù)為20g/kg和25g/kg時Fv/Fm、qP、ФPSⅡ無顯著差異;在柴 油 質(zhì) 量 分 數(shù) 為15、20、25g/kg,F(xiàn)v/Fm、qP 和ФPSⅡ?qū)Ρ炔裼蜐舛葹?g/kg時分別降低了2.3%、3.7%、4.8%;30.1%、41.1%、53.4%;14.2%、32.7%、37.1%.qN 隨著柴油質(zhì)量分數(shù)梯度的升高呈現(xiàn)上升趨勢,且低質(zhì)量分數(shù)(0、15g/kg)與高質(zhì)量分數(shù)(20、25g/kg)之間存在顯著性差異,而兩個高質(zhì)量分數(shù)和低質(zhì)量分數(shù)內(nèi)部差異性并不顯著(P<0.05).然而,加硒顯著增加了Fv/Fm、qP、ФPSⅡ值,表現(xiàn)為相對于不加硒對照組,F(xiàn)v/Fm增加了4.1%、3.2%、1.4%、1.8%;qP 增 加 了11.4%、21.5%、19.2%、18.3%;ФPSⅡ增 加 了19.3%、19.6%、21.0%、14.4%.qN 表現(xiàn)為隨著柴油質(zhì)量分數(shù)升高逐漸增加的趨勢;且低質(zhì)量分數(shù)(0、15g/kg)與高質(zhì)量分數(shù)(20、25g/kg)之間存在顯著性差異,而兩個高質(zhì)量分數(shù)和低質(zhì)量分數(shù)內(nèi)部差異性并不顯著.加硒后,這種增加的趨勢得到控制,表現(xiàn)為相對于不加硒對照組,qP降低了1.3%、1.5%、2.1%、0.8%.
植物的生長狀況能指示植物生長環(huán)境.本研究發(fā)現(xiàn)植物的根和莖的鮮重受到柴油質(zhì)量分數(shù)的顯著抑制,且質(zhì)量分數(shù)越高,抑制作用越明顯.這個結(jié)果與Zhang等人關于藨草的研究結(jié)果一致[11].有文獻報道指出根莖的質(zhì)量比能反映植物受到的脅迫程度,低根莖比值指示植物受到更嚴重的環(huán)境脅迫[12].植物處于最高質(zhì)量分數(shù)柴油脅迫下根莖質(zhì)量比最低,顯示高質(zhì)量分數(shù)柴油會對植物生長產(chǎn)生顯著的脅迫,與前人研究結(jié)論一致.然而加硒有效減少了柴油對三葉草的脅迫,緩解了植物生長受抑制的狀況.硒是一種微量元素,低質(zhì)量分數(shù)的硒能促進植物的生長[13],因此在柴油質(zhì)量分數(shù)為0g/kg時,三葉草的莖和根鮮重也有增加.關于硒改善植物生長的報道很多[6,14],主要原因可能是由于硒能保護細胞免受羥基自由基的攻擊,起到管理植物抗氧化酶系統(tǒng)的作用[15].
植物的光合作用為植物生長提供能量.光合參數(shù)能直接反應柴油對三葉草的脅迫程度.在外界環(huán)境脅迫下,植物的光合作用也會受到影響.Ahammed[16]曾對5種植物在多環(huán)芳烴脅迫下光合作用變化做了研究,研究發(fā)現(xiàn),菲的質(zhì)量分數(shù)顯著抑制了植物的光合作用.在柴油脅迫下,造成植物光合作用的減弱的因素分為氣孔因素和非氣孔因素.研究指出,若隨著Pn的降低,Ci也降低,則屬于氣孔因素;若Ci隨著Pn的降低而增加則屬于非氣孔因素[17].在本試驗中,Ci隨著Pn的降低呈現(xiàn)升高的趨勢,因此三葉草光合作用減弱的原因在于非氣孔因素.高質(zhì)量分數(shù)柴油脅迫下,植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的羥基自由基,羥基自由基的累積對植物細胞內(nèi)的光合組織造成了不可逆?zhèn)?,使得葉肉細胞中的氣孔擴散阻力增強,植物組織細胞活性降低,非氣孔限制因素成為抑制植物光合效率的只要因素.Chaves[18]發(fā)現(xiàn)Gs的下降可能起到保護細胞作用,而硒在調(diào)控植物細胞氣孔方面扮演著重要的角色[19].植物根系在柴油作用下限制了根從土壤中吸收水分的能力,于是葉片氣孔只能關閉以減少植物體內(nèi)水分的散失來維持植物正常生長,從而降低了植物的蒸騰速率[20].當氣孔關閉時,植物胞間二氧化碳質(zhì)量分數(shù)也就減少,植物光合所需的原料減少直接導致植物光合作用受到抑制.
葉綠素熒光參數(shù)常被用于描述植物光合作用過程以及光合生理狀況,能反映環(huán)境復植物光合作用的影響[21].PSII的功能受外界環(huán)境脅迫的影響很大,而影響程度的高低可以通過葉綠素光合熒光參數(shù)的變化來反映.有研究指出最大光化學效率Fv/Fm在植物正常良好生長時維持在一個穩(wěn)定值,當植物收到脅迫時,F(xiàn)v/Fm會下降[22].這與本試驗結(jié)論一致.ФPSⅡ的減少預示著PSII開放反應中心開放程度(qP)減弱[23].非光化學淬火(qN)通過將多余的光能轉(zhuǎn)化為熱能來保護外界環(huán)境脅迫下的植物光合組織結(jié)構(gòu).qN 的增加表明受到了來自外界的脅迫[24].在本次研究中,F(xiàn)v/Fm、ФPSⅡ和qP的減少,以及qN 的增加,都是三葉草針對不同質(zhì)量分數(shù)梯度柴油脅迫的反映.然而,硒的存在減少了Ci、qN 和增強的Fv/Fm、ФPSⅡ、qP、Pn、Tr和Gs,可能是由于硒保護植物重要的光合結(jié)構(gòu)-葉綠素,提高了光合能力,并增強了對各種環(huán)境脅迫的抵抗力.
綜上所述,柴油脅迫會導致植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的羥基自由基,大量的羥基自由基供給植物葉肉細胞以及破壞葉綠素,導致三葉草的光合熒光特性受到了抑制,使植物的生長受到抑制.而向土壤施加低質(zhì)量分數(shù)的硒,能在植物體內(nèi)合成硒蛋白,保護葉肉細胞抵御羥基自由基的供給,從而增加了三葉草對柴油的耐受性,改善了三葉草光合熒光受抑制的狀況,從而促進了三葉草的生長.本研究為豐富和補充土壤中石油烴污染的植物修復技術提供支持.