萬(wàn)子棟，高天鵬，周玉霞，王引弟，常國(guó)華，巨天珍，楊穎麗，張慶

1 西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070

2 甘肅省礦區(qū)污染治理與生態(tài)修復(fù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070

3 西安文理學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安 710065

4 蘭州城市學(xué)院 地理與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070

重金屬污染已成為全球性問(wèn)題，2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[1]顯示，我國(guó)土壤總的超標(biāo)率為 16.1%，污染類型以無(wú)機(jī)型為主。其中 Ni和 Cu兩種無(wú)機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為4.8%和2.1%，分別位于重金屬污染物的第2位和第4位。造成土壤重金屬污染的原因眾多，Ove?ka和 Taká?[2]認(rèn)為除重金屬元素土壤背景值高的地區(qū)外，其他地區(qū)的重金屬污染都是由于人類活動(dòng)造成的。重金屬污染會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)造成嚴(yán)重的危害，并通過(guò)植物富集污染食物鏈。重金屬耐受性植物主要通過(guò)降低吸收和細(xì)胞內(nèi)固定來(lái)降低重金屬的危害[2-5]。

Cu和Ni是植物生長(zhǎng)和發(fā)育所必需的重要微量元素，在低濃度時(shí)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，高濃度時(shí)會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒性。前人研究表明植物正常生長(zhǎng)所必需 Ni的量為在 15–20 mg/kg干重，Cu的量為 1–20 mg/kg干重[6-8]。Cu和 Ni的毒性表現(xiàn)在破壞包括碳固定和新陳代謝在內(nèi)的許多生理過(guò)程[8-11]，高濃度 Cu破壞 Ca2+和 K+的通量[12]，高濃度 Ni增加植物體內(nèi)的 Na+、K+和 Ca2+的含量[13]。

金昌市是著名的“鎳都”，也是全國(guó) Cu、Ni重金屬土壤污染的主要地區(qū)。胡小娜等[14]的研究表明金昌市區(qū)土壤中的 Cu、Ni 含量的平均值為397.54、340.57 mg/kg，遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?Cu：24.1 mg/kg、Ni：35.2 mg/kg)。堿蓬Suaeda salsa(L.) Pall.是金昌礦區(qū)比較常見(jiàn)的一種鹽生植物，具有極好的耐鹽堿性[15-16]和重金屬耐受性[17-18]。以往關(guān)于重金屬對(duì)堿蓬的毒理研究主要集中于Pb、Cd和Mn[17-19]，而有關(guān)Ni和Cu對(duì)廣泛分布于金川鎳銅礦區(qū)荒漠植物堿蓬生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為了闡釋金川鎳銅礦區(qū)Cu和Ni對(duì)堿蓬的影響以及堿蓬重金屬富集能力，在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參照當(dāng)?shù)貧夂驐l件，設(shè)置 Cu、Ni單一和復(fù)合脅迫，研究不同脅迫梯度下堿蓬種子萌發(fā)、芽期生理生化指標(biāo)變化情況及其在野外條件下重金屬富集和轉(zhuǎn)移特征，為礦區(qū)重金屬污染植物修復(fù)和荒漠化治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1種子萌發(fā)試驗(yàn)

2018年 10月自金川礦區(qū)周邊荒漠采集試驗(yàn)所用堿蓬S. salsa種子 (千粒重0.605 8 g，本實(shí)驗(yàn)所用皆為飽滿種子)。試驗(yàn)所用試劑主要有CuSO4·5H2O (分析純)，NiCl2·6H2O (分析純)。

依據(jù)金昌土壤背景值 (Cu：24.1 mg/kg、Ni：35.2 mg/kg) 設(shè)計(jì)重金屬濃度最小值，金川礦區(qū)實(shí)測(cè) Cu、Ni含量平均值 (Cu 397.54 mg/kg、Ni 340.57 mg/kg) 設(shè)計(jì)重金屬濃度最大值；以普遍存在于金昌礦區(qū)周邊的荒漠植物堿蓬作為實(shí)驗(yàn)植物；實(shí)驗(yàn)所采用的晝夜時(shí)長(zhǎng)、光照和溫度模擬金昌礦區(qū)4月份堿蓬上年落地種子自然萌發(fā)時(shí)的當(dāng)?shù)仄骄鶞囟?、光照和晝夜時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。

按照國(guó)標(biāo)《草種子檢驗(yàn)規(guī)程發(fā)芽試驗(yàn)》GB/T 2930.4–2017[20]，采用培養(yǎng)皿紙上法，選取顆粒飽滿、消毒完成的堿蓬種子50粒，置于直徑90 mm鋪有3層濾紙的培養(yǎng)皿中。放置于培養(yǎng)箱培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度為 25 ℃/20 ℃ (晝/夜)，光周期 14 h/10 h(晝/夜)，光強(qiáng)5 000 lux。3次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

1.1.2堿蓬重金屬富集和轉(zhuǎn)移能力測(cè)定

為測(cè)定堿蓬的重金屬富集與轉(zhuǎn)移能力，2019年5月，在甘肅省礦區(qū)污染治理與生態(tài)修復(fù)工程研究中心金昌實(shí)驗(yàn)站的試驗(yàn)田中分別設(shè)置5種重金屬梯度類型的土壤，分別是：農(nóng)田土 (T1)、原生態(tài)土 (T2，金昌市周邊未受人類活動(dòng)干擾的下四分荒漠土壤)、原生態(tài)土+尾砂 (T3，質(zhì)量比1︰1，尾砂采自尾礦壩)、原生態(tài)土+凹凸棒+廢渣 (T4，質(zhì)量比1︰1︰1，廢渣采自廢渣堆) 和原生態(tài)土+凹凸棒+尾砂 (T5，質(zhì)量比1︰1︰1)。并在上述類型的每個(gè)梯度試驗(yàn)田中播種堿蓬，正常田間管理，于2019年10月采集了上述5類土壤中的堿蓬植株與根周圍土壤 (距地表5 cm)，并分離出堿蓬的根系、莖和葉。將堿蓬植物樣品 (根系、莖和葉)在105 ℃烘箱中殺青30 min，再于70 ℃烘至恒重，然后研磨、過(guò)篩、裝袋，用于Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量測(cè)定。將土樣風(fēng)干、研磨、過(guò)篩、裝袋后，用于測(cè)定土壤 Cr、Ni、Cu、Zn、Pb含量和土壤pH。pH用pH計(jì)(PHS-3E，上海雷磁電子有限公司)檢測(cè) (水土比 5︰1)，金屬元素用火焰原子吸收分光光度計(jì) (TAS-990F，北京普析通用儀器有限公司)測(cè)定。

表1 試驗(yàn)處理及試驗(yàn)濃度梯度設(shè)置Table 1 Information about the experimental treatment and experimental concentration gradient

1.2 指標(biāo)

1.2.1發(fā)芽指標(biāo)

試驗(yàn)中，堿蓬的發(fā)芽率按照下式計(jì)算：

式中：M1為全部正常發(fā)芽粒數(shù)，M為供試種子粒數(shù)。

當(dāng)堿蓬種子萌發(fā)結(jié)束時(shí) (連續(xù)3 d不發(fā)芽)，每組隨機(jī)抽取15株堿蓬，用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量堿蓬的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng) (以初生根長(zhǎng)度為根長(zhǎng)，初生根以上部分為芽長(zhǎng)，無(wú)法分辨根部的發(fā)芽種子測(cè)量其發(fā)芽長(zhǎng)度)。

1.2.2生理生化指標(biāo)

丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[21]；過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[22]；脯氨酸含量的測(cè)定采用茚三酮比色法[21]；可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)染色法[22]。每組處理每個(gè)生理指標(biāo)重復(fù)測(cè)3次。

1.2.3重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)與富集系數(shù)

堿蓬的轉(zhuǎn)移系數(shù) (Translocation factor，TF)按照下式計(jì)算[23]：

TF=堿蓬地上部分重金屬含量/堿蓬地下部分重金屬含量。

堿蓬的富集系數(shù) (Bioconcentration factors，BCF) 按照下式計(jì)算：

BCF=堿蓬重金屬含量/對(duì)應(yīng)土壤重金屬含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用R 3.4.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Origin 2018作圖，采用單因素方差分析 (ANOVA) 和最小顯著差異法 (LSD) 比較同一處理不同梯度間差異水平堿蓬生理指標(biāo)的差異水平 (α=0.05)，結(jié)果以

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu、Ni脅迫對(duì)堿蓬種子萌發(fā)的影響

2.1.1發(fā)芽率

圖1 Cu、Ni脅迫下堿蓬的發(fā)芽率 (Cu、Ni20和Ni320處理下橫軸濃度表示Cu2+濃度，Ni、Cu20和Cu320處理下橫軸濃度表示Ni2+濃度。不同小寫字母表示同一處理不同梯度間在P＜0.05水平差異顯著)Fig. 1 The germination ratio of S. salsa under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment, horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level.

Cu、Ni脅迫對(duì)堿蓬種子發(fā)芽的影響見(jiàn)圖1。6組不同脅迫下，Cu320復(fù)合脅迫堿蓬發(fā)芽率隨著脅迫濃度升高呈下降趨勢(shì)，在 Cu+Ni [(320+320) mg/L]復(fù)合脅迫時(shí)達(dá)到最低發(fā)芽率，較對(duì)照降低35.6%。其余脅迫水平下，堿蓬種子發(fā)芽率均隨著脅迫濃度升高呈先升后降趨勢(shì)。Cu、Ni、Cu20和 Ni20脅迫下最大發(fā)芽率的脅迫濃度分別為 40、80、(20+80) 和 (20+40) mg/L，較對(duì)照分別增加21.9%、12.3%、13.7%和 13.7%。Cu單一脅迫促進(jìn)發(fā)芽作用最高，Cu320復(fù)合脅迫抑制發(fā)芽程度最高。

脅迫濃度為20、40、80、160、320 mg/L時(shí)，Cu單一脅迫堿蓬發(fā)芽率較Ni單一脅迫分別提高2.6%、8.5%、34.8%、28.8%和 11.7%，表明 Ni對(duì)堿蓬毒性更強(qiáng)。Cu2+濃度為20、320 mg/L時(shí)，Ni20復(fù)合脅迫堿蓬發(fā)芽率較Cu單一脅迫分別高3.8%和6.0%；Ni320復(fù)合脅迫堿蓬發(fā)芽率均低于Cu單一脅迫和Ni20復(fù)合脅迫。Ni2+濃度為20、80、160、320 mg/L時(shí)，Cu20復(fù)合脅迫堿蓬發(fā)芽率較Ni單一脅迫分別提高6.5%、25.8%、6.1%和6.7%；Cu320復(fù)合脅迫的發(fā)芽率均低于Ni單一脅迫和Cu20復(fù)合脅迫。較單一Cu(Ni) 脅迫，低濃度Ni(Cu) 與Cu(Ni) 復(fù)合脅迫促進(jìn)堿蓬發(fā)芽，Cu與 Ni兩種重金屬表現(xiàn)為相互拮抗型；高濃度的Ni(Cu) 與Cu(Ni) 復(fù)合脅迫抑制堿蓬發(fā)芽，Cu與Ni兩種重金屬表現(xiàn)為相互協(xié)同型。

2.1.2芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)

Cu、Ni脅迫對(duì)芽期堿蓬芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的影響見(jiàn)圖2。6組不同脅迫水平下，堿蓬芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)均隨著脅迫濃度的升高而下降。其中 CK組中根長(zhǎng)達(dá)到最大值 (4.79 cm)；Cu+Ni ((20+20) mg/L) 復(fù)合脅迫芽長(zhǎng)達(dá)到最大值 (3.60 cm)，較CK高11.8%；Cu+Ni ((320+320) mg/L) 復(fù)合脅迫下芽長(zhǎng)達(dá)到最小值(0.49 cm)。脅迫濃度為40、80、160、320 mg/L，Cu單一脅迫堿蓬芽長(zhǎng)較 Ni單一脅迫分別高11.2%、7.8%、85.1%和75.3%；Cu脅迫下堿蓬根長(zhǎng)均高于Ni脅迫下堿蓬根長(zhǎng)，表明堿蓬對(duì)于Cu的耐受性高于Ni，Ni對(duì)芽期堿蓬毒性較大。在相同的Cu2+(Ni2+) 濃度下，復(fù)合脅迫下堿蓬根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)均低于單一脅迫，高濃度復(fù)合脅迫對(duì)堿蓬生長(zhǎng)的抑制作用更強(qiáng)，Cu與Ni兩種重金屬表現(xiàn)為相互協(xié)同型。總體上，低濃度 Cu(≤40 mg/L)、Ni(≤20 mg/L) 單一脅迫和低濃度Ni+Cu ((20+20) mg/L)復(fù)合脅迫均促進(jìn)堿蓬地上部分生長(zhǎng)。

2.2 Cu、Ni脅迫對(duì)芽期堿蓬生理指標(biāo)的影響

2.2.1 MDA

Cu、Ni脅迫對(duì)芽期堿蓬MDA含量的影響見(jiàn)圖3。6組不同脅迫下，堿蓬MDA含量整體呈上升趨勢(shì)。Cu+Ni ((320+320) mg/L) 復(fù)合脅迫MDA含量最大(0.223 5 μmol/g FW；FW 表示鮮重)，Cu+Ni ((20+20) mg/L) 復(fù)合脅迫MDA含量最小(0.004 1 μmol/g FW)，較 CK 低 31.8%。

在脅迫濃度為40、80、160、320 mg/L時(shí)，Cu單一脅迫堿蓬MDA含量較Ni單一脅迫分別低4.8%、21.6%、57.7%和18.9%；表明在單一脅迫下，Ni對(duì)堿蓬的毒性強(qiáng)于Cu。Cu2+濃度為80、160、320 mg/L時(shí)，Cu單一脅迫下堿蓬MDA含量較 Ni20復(fù)合脅迫分別低 77.4%、83.5%和49.1%。Cu單一脅迫和Ni20復(fù)合脅迫MDA含量均低于Ni320復(fù)合脅迫；表明低濃度Ni (20 mg/L)和低濃度 Cu (≤40 mg/L) 復(fù)合脅迫對(duì)于堿蓬的毒性較?。桓邼舛萅i和各個(gè)濃度的Cu復(fù)合脅迫對(duì)于堿蓬毒性較大。

Ni2+濃度為40、80、160 mg/L時(shí)，Ni單一脅迫堿蓬 MDA含量較 Cu20復(fù)合脅迫分別低13.9%、79.0%和60.0%。Ni單一脅迫和Cu20復(fù)合脅迫堿蓬MDA含量均低于Cu320復(fù)合脅迫；表明低濃度Cu (20 mg/L)和Ni (20、320 mg/L)復(fù)合脅迫時(shí)對(duì)堿蓬毒性較?。桓邼舛?Cu和各個(gè)濃度的 Ni復(fù)合脅迫對(duì)于堿蓬毒性較大。較單一Cu(Ni)脅迫，低濃度Ni(Cu)與 Cu(Ni)復(fù)合脅迫堿蓬MDA含量較低，Cu與Ni兩種重金屬表現(xiàn)為相互拮抗型；高濃度Ni(Cu)與Cu(Ni)復(fù)合脅迫堿蓬MDA含量較高，Cu與Ni兩種重金屬表現(xiàn)為相互協(xié)同型。

圖2 Cu、Ni脅迫下堿蓬的芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)(Cu、Ni20和Ni320處理下橫軸濃度表示Cu2+濃度，Ni、Cu20和Cu320處理下橫軸濃度表示Ni2+濃度。不同小寫字母表示同一處理不同梯度間在P＜0.05水平差異顯著)Fig. 2 The bud and root length of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment,horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level.

圖3 Cu、Ni脅迫下芽期堿蓬MDA含量(Cu、Ni20和Ni320處理下橫軸濃度表示Cu2+濃度，Ni、Cu20和Cu320處理下橫軸濃度表示Ni2+濃度。不同小寫字母表示同一處理不同梯度間在P＜0.05水平差異顯著)Fig. 3 The MDA content of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment,horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level.

2.2.2可溶性蛋白

Cu、Ni脅迫對(duì)芽期堿蓬可溶性蛋白的影響見(jiàn)圖4。6組不同脅迫下，堿蓬可溶性蛋白含量較CK有顯著提高 (Cu：1.8%–60.1%；Ni：3.4%–284.9%；Cu20：42.5%–174.3%；Ni20：22.2%–57.6%；Cu320：57.6%–149.0%；Ni320：149.0%–239.4%)。Cu20、Cu320和Ni脅迫，堿蓬可溶性蛋白含量均隨著脅迫濃度的升高而呈上升趨勢(shì)；Ni20和Cu脅迫，堿蓬可溶性蛋白含量隨著脅迫濃度的升高呈先降后升的趨勢(shì)；Ni320脅迫，堿蓬可溶性蛋白含量隨著脅迫濃度的升高呈先升后降的趨勢(shì)。Ni320 mg/L脅迫可溶性蛋白含量最大 (8 156.26 μg/g FW)；CK組的最小(2 119.08 μg/g FW)。

在脅迫濃度為40、80、160、320 mg/L時(shí)，Cu單一脅迫堿蓬可溶性蛋白含量較Ni單一脅迫分別低5.5%、46.3%、41.0%和64.7%。Cu2+濃度為80和320 mg/L時(shí)，Cu單一脅迫堿蓬可溶性蛋白含量較Ni20復(fù)合脅迫分別低30.8%和13.9%。Ni2+濃度為20、40、80 mg/L時(shí)，Ni單一脅迫堿蓬可溶性蛋白含量較 Cu20復(fù)合脅迫分別低27.5%、5.1%和 15.7%，較 Cu320復(fù)合脅迫分別低34.4%、23.5%和8.4%。

2.2.3游離脯氨酸

Cu、Ni脅迫對(duì)芽期堿蓬游離脯氨酸的影響見(jiàn)圖 5。6組不同脅迫下，Cu20、Ni20復(fù)合脅迫堿蓬的游離脯氨酸含量均隨脅迫濃度的升高而上升，Ni320復(fù)合脅迫堿蓬游離脯氨酸含量隨脅迫濃度升高呈先升后降的趨勢(shì)，Cu320復(fù)合脅迫堿蓬游離脯氨酸含量隨脅迫濃度升高呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。Cu、Ni單一脅迫堿蓬游離脯氨酸含量隨脅迫濃度升高呈先升后降，最后趨于穩(wěn)定。Cu (40 mg/L)脅迫堿蓬游離脯氨酸含量最大(92.96 μg/g FW)；Cu+Ni ((20+20) mg/L) 復(fù)合脅迫堿蓬游離脯氨酸含量最小(34.49 μg/g FW)，較CK低36.9%。

圖4 Cu、Ni脅迫下芽期堿蓬可溶性蛋白含量(Cu、Ni20和Ni320處理下橫軸濃度表示Cu2+濃度，Ni、Cu20和Cu320處理下橫軸濃度表示Ni2+濃度。不同小寫字母表示同一處理不同梯度間在P＜0.05水平差異顯著)Fig. 4 The soluble protein content of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment, horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level.

圖5 Cu、Ni脅迫下芽期堿蓬游離脯氨酸含量 (Cu、Ni20和 Ni320處理下橫軸濃度表示 Cu2+濃度，Ni、Cu20和Cu320處理下橫軸濃度表示Ni2+濃度。不同小寫字母表示同一處理不同梯度間在P＜0.05水平差異顯著)Fig. 5 The free proline content of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment,horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level.

在脅迫濃度為80、160、320 mg/L時(shí)，Cu單一脅迫堿蓬游離脯氨酸含量較Ni單一脅迫分別低45.2%、3.2%和 8.7%。Cu2+濃度為 80、320 mg/L時(shí)，Cu單一脅迫堿蓬游離脯氨酸含量較Ni20復(fù)合脅迫分別低21.2%和9.8%，較Ni320復(fù)合脅迫分別低15.1%和36.4%。Ni2+濃度為160、320 mg/L時(shí)，Ni單一脅迫堿蓬游離脯氨酸含量較Cu20復(fù)合脅迫分別低20.3%和16.7%。Ni單一脅迫堿蓬游離脯氨酸含量均高于Cu320復(fù)合脅迫。

2.2.4 POD活性

Cu、Ni脅迫對(duì)芽期堿蓬POD活性的影響見(jiàn)圖6。6組不同脅迫下，堿蓬POD活性隨脅迫濃度升高均呈上升趨勢(shì)。Cu20、Ni20復(fù)合脅迫堿蓬POD活性隨脅迫濃度升高而呈局部先升再降再升再降，整體先升后降的趨勢(shì)；Cu320、Ni320復(fù)合脅迫堿蓬POD活性隨脅迫濃度升高呈先降后升，趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。Cu濃度320 mg/L脅迫下堿蓬POD活性最大(1 521.65 U/g FW)；CK活性最小(634.09 U/g FW)。

Cu2+濃度為20、40 mg/L時(shí)，Cu單一脅迫堿蓬POD活性較Ni單一脅迫分別低6.3%和25.9%，較Ni20復(fù)合脅迫分別低38.4%和36.8%，較Ni320復(fù)合脅迫分別低42.1%和21.3%。Ni2+濃度為20、40、80、160 mg/L時(shí)Ni單一脅迫堿蓬POD活性較Cu20復(fù)合脅迫分別低34.3%、17.6%、5.8%和24.0%。Ni濃度為20、40 mg/L時(shí)，Ni單一脅迫堿蓬POD活性較Cu320復(fù)合脅迫分別低41.0%和21.5%。較單一 Cu(Ni)脅迫，低濃度 Ni(Cu)與Cu(Ni)復(fù)合脅迫堿蓬POD活性較高，Cu與Ni兩種重金屬表現(xiàn)為相互拮抗型；高濃度 Ni(Cu)與Cu(Ni)復(fù)合脅迫堿蓬POD活性較低，Cu與Ni兩種重金屬表現(xiàn)為相互協(xié)同型。

2.3 堿蓬富集和轉(zhuǎn)移重金屬能力

堿蓬根周圍土壤、根、莖和葉片重金屬含量見(jiàn)表2。結(jié)果顯示，五類土壤均屬于堿性土壤 (pH值依次為 8.43、8.45、8.23、8.12和 8.73)。通過(guò)內(nèi)梅羅指數(shù)法得五類土壤綜合污染指數(shù)大小順序?yàn)門2(0.21)Cu>Ni>Pb>Cr的趨勢(shì)。

圖6 Cu、Ni脅迫下芽期堿蓬POD活性(Cu、Ni20和Ni320處理下橫軸濃度表示Cu2+濃度，Ni、Cu20和Cu320處理下橫軸濃度表示Ni2+濃度。不同小寫字母表示同一處理不同梯度間在P＜0.05水平差異顯著)Fig. 6 The POD activity of S. salsa during the post-germination stage under Cu and Ni stress on. Horizontal axis represents the concentration of Cu2+ under Cu, Ni20 and Ni320 treatment; while under Ni, Cu20 and Cu320 treatment,horizontal axis represents the concentration of Ni2+. Different lowercase letters meant significant difference gradients in the same treatment at 0.05 level.

表2 堿蓬根周圍土壤、根、莖和葉重金屬含量Table 2 Heavy metals content in bulk soil, root, stem and leaf of S. salsa

堿蓬莖和葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)見(jiàn)表 3。結(jié)果顯示，堿蓬葉片的轉(zhuǎn)移系數(shù)整體上高于堿蓬莖部的轉(zhuǎn)移系數(shù)。各重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)順序?yàn)椋呵o，Pb>Cr>Zn>Ni>Cu；葉，Zn>Pb>Cr>Ni>Cu。在 T1、T2和T5三類土壤中堿蓬莖部Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，T3和T4兩類土壤中堿蓬莖部和葉片Ni的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，T1中堿蓬葉片Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，T2和T5兩類土壤中Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大。五類土壤中堿蓬莖部Pb的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，葉片平均轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1。

堿蓬根、莖和葉的富集系數(shù)見(jiàn)表 4。結(jié)果顯示，五類土壤中堿蓬不同部位的平均富集系數(shù)趨勢(shì)為：葉>根>莖。重金屬的平均富集系數(shù)趨勢(shì)為：根和莖，Zn>Cu>Ni>Pb>Cr；葉，Zn>Cu>Pb>Ni>Cr。其中，T1、T2和T4三類綜合污染指數(shù)小于1的土壤中堿蓬體內(nèi)重金屬含量遠(yuǎn)高于 T3和 T5兩類重污染土壤中堿蓬重金屬含量。此外，不同土壤中堿蓬根部 Cr，莖部 Cr、Cu、Zn、Pb，葉中 Ni、Cu、Zn、Pb的趨勢(shì)同五類土壤的污染指數(shù)趨勢(shì)相反，均為T2>T1>T4>T5>T3。

表3 堿蓬莖和葉轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 3 The heavy metals translocation factor in the stem and leaf of S. salsa

表4 堿蓬根、莖和葉富集系數(shù)Table 4 The bioconcentration factors of heavy metals in the root stem and leaf of S. salsa

3 討論

3.1 Cu、Ni脅迫對(duì)堿蓬種子萌發(fā)的影響

重金屬對(duì)植物毒理作用通常表現(xiàn)為抑制植物發(fā)芽、生根、幼苗生長(zhǎng)和促進(jìn)植物壞死[9-10,24]。發(fā)芽率是反映種子脅迫耐受性的指標(biāo)之一；根和莖是植物運(yùn)輸水和養(yǎng)分的重要部位[25]，也是衡量植物生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。本研究表明，Ni對(duì)堿蓬的毒性高于Cu，堿蓬對(duì)Cu的耐受性較高，與袁華茂等[26]的研究結(jié)論相似，這可能是因?yàn)閴A蓬對(duì)于Cu的需求量高于Ni。低濃度復(fù)合脅迫促進(jìn)堿蓬發(fā)芽，Cu、Ni互為拮抗作用；高濃度復(fù)合脅迫抑制堿蓬發(fā)芽，Cu、Ni互為協(xié)同作用，這與楊佳等[18]的研究結(jié)果類似。這可能是因?yàn)镃u和Ni均為堿蓬生長(zhǎng)所必需的元素，低濃度時(shí)Cu2+和Ni2+濃度處于堿蓬生長(zhǎng)所需求的濃度范圍，促進(jìn)堿蓬生長(zhǎng)，高濃度則高于此濃度范圍，抑制堿蓬生長(zhǎng)[6-8]。所有脅迫組堿蓬根長(zhǎng)均低于對(duì)照組，與 Zhang等[17]的研究結(jié)果類似。堿蓬生長(zhǎng)受到抑制可能是因?yàn)閴A蓬暴露于過(guò)量的重金屬環(huán)境下使得重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞，造成細(xì)胞代謝紊亂，影響細(xì)胞特別是根尖細(xì)胞的有絲分裂，抑制芽期堿蓬的生長(zhǎng)[10,24-25]。在重金屬Cu、Ni脅迫下堿蓬生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制，與Liu等[25]和寇士偉等[27]的研究結(jié)果一致，芽期堿蓬的根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)均隨脅迫濃度的升高而降低，這是因?yàn)楦档陌l(fā)育程度決定了其運(yùn)輸水分和無(wú)機(jī)鹽的效率[28-30]，進(jìn)而影響芽長(zhǎng)。同CK相比，脅迫組芽長(zhǎng)均大于根長(zhǎng)，表明重金屬脅迫對(duì)根部的抑制作用強(qiáng)于芽長(zhǎng)，這是由于芽期堿蓬根部富集較多的重金屬 (Cu：52.7%，Ni：62.9%)[26]，而重金屬的毒性隨其含量的增加而增加[31]，最終使得植物根系生長(zhǎng)受到更加嚴(yán)重的抑制?？傊?，低濃度Cu和Ni單一脅迫和復(fù)合脅迫促進(jìn)堿蓬種子萌發(fā)，高濃度 Cu、Ni單一和復(fù)合脅迫抑制種子萌發(fā)；低濃度 Cu、Ni單一和復(fù)合脅迫促進(jìn)堿蓬芽長(zhǎng)的生長(zhǎng)，高濃度時(shí)抑制芽長(zhǎng)的生長(zhǎng)，所有Cu和Ni脅迫都抑制堿蓬根部的生長(zhǎng)。與對(duì)應(yīng)濃度的單一脅迫相比，復(fù)合脅迫下對(duì)堿蓬的芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的抑制作用更強(qiáng)，表明在堿蓬芽長(zhǎng)與根長(zhǎng)的生長(zhǎng)方面，Cu、Ni互為協(xié)同作用，這可能也和芽期堿蓬根部富集較多的重金屬有關(guān)[26]。

3.2 Cu 與Ni脅迫對(duì)堿蓬芽期生長(zhǎng)的影響

Cu通過(guò)芬頓反應(yīng)和哈伯–韋斯反應(yīng)產(chǎn)生活性氧化物 (ROS)[11-12,32-33]；Ni雖不能直接參與生成ROS，但能通過(guò)影響植物細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶和非酶的抗氧化物的形成而影響 ROS含量[10,24]。ROS會(huì)對(duì)膜脂質(zhì)和蛋白質(zhì)造成氧化損傷，植物通過(guò)抗氧化酶 (POD、CAT和SOD等) 和非酶的抗氧化物質(zhì) (抗壞血酸、酚類、脯氨酸和谷胱甘肽等) 來(lái)降低ROS的毒性[2,10,24]。MDA是膜脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)物，它的含量多少反映細(xì)胞的損壞程度，是衡量植物逆境生長(zhǎng)的重要指標(biāo)[34]。本實(shí)驗(yàn)中芽期堿蓬 MDA含量整體上隨著重金屬脅迫濃度的增加而增加，與以往研究結(jié)果一致[26,35]，說(shuō)明隨著脅迫濃度的增加，Cu、Ni兩種重金屬對(duì)芽期堿蓬的毒性越嚴(yán)重，Cu+Ni ((20+20) mg/L) 脅迫對(duì)細(xì)胞膜損壞最小，Cu+Ni ((320+320) mg/L) 脅迫對(duì)細(xì)胞膜損壞最大；與脅迫下的芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的生長(zhǎng)趨勢(shì)正好相反，推測(cè)植物芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)降低的原因可能是由于重金屬脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化，細(xì)胞膜遭到破壞，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

重金屬脅迫下，植物體通過(guò)增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量來(lái)改變滲透壓、絡(luò)合和轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬離子等途徑來(lái)提高自身對(duì)重金屬的耐受性[24]?？扇苄缘鞍缀陀坞x脯氨酸對(duì)于維持細(xì)胞的滲透平衡和調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的作用?？扇苄缘鞍资菢?gòu)成生物體酶系統(tǒng)的重要組成部分，與植物的耐逆性密切相關(guān)[35]。脯氨酸是植物體內(nèi)緩解重金屬毒性的重要物質(zhì)，通過(guò)螯合重金屬清除 ROS (主要是羥自由基)，防止細(xì)胞過(guò)氧化損傷[24,31-32]。本研究表明，在 Cu、Ni不同脅迫水平下，芽期堿蓬可溶性蛋白與脯氨酸的含量變化各異，但整體上脅迫組堿蓬可溶性蛋白含量較CK高1.8%–284.9%；脅迫組脯氨酸含量整體上高于 CK，與李晶等[36]的研究結(jié)果一致。這表明在重金屬脅迫下植物會(huì)通過(guò)提高可溶性蛋白和脯氨酸的產(chǎn)量來(lái)提高自身的耐逆性。

POD是植物抗氧酶化系統(tǒng)的重要組成部分，它通過(guò)過(guò)氧化氫促進(jìn)酚類物質(zhì)的降解，可以有效清除植物在氧化應(yīng)激下產(chǎn)生的ROS和酚類物質(zhì)[31]。本試驗(yàn)單一脅迫下，芽期堿蓬POD活性均呈上升趨勢(shì)，與劉振國(guó)等[37]和于方明等[38]的研究結(jié)果一致；在4組復(fù)合脅迫下，芽期堿蓬POD活性整體上呈先升后降的趨勢(shì) (臨界濃度均為40 mg/L)，與王昊等[39]的研究結(jié)果相似。表明 POD分解底物有一定的范圍，在此范圍內(nèi)，POD活性隨底物濃度的增加而增加，超出這個(gè)范圍 POD活性下降。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比單一脅迫，低濃度(≤40 mg/L) 時(shí)，Cu和Ni復(fù)合脅迫促進(jìn)POD的活性；高濃度 (≥80 mg/L) 時(shí)，Cu和Ni復(fù)合脅迫會(huì)抑制POD活性。

與對(duì)應(yīng)濃度的單一脅迫相比，復(fù)合脅迫在低濃度時(shí)，MDA含量降低，POD活性升高，促進(jìn)芽期堿蓬的生長(zhǎng)，Cu、Ni互為拮抗作用；高濃度時(shí)，MDA含量升高，POD活性降低，抑制芽期堿蓬的生長(zhǎng)，Cu、Ni互為協(xié)同作用。這與何潔等[40]的研究結(jié)果相似。這是由于低濃度時(shí)Cu2+和Ni2+濃度處于堿蓬生長(zhǎng)所必需的濃度范圍，有益于堿蓬生長(zhǎng)，Cu、Ni互為拮抗作用；高濃度時(shí)則高于此濃度范圍，有害于堿蓬生長(zhǎng)，Cu、Ni互為協(xié)同作用[6-8]。

3.3 堿蓬重金屬富集和轉(zhuǎn)移能力

植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)反映重金屬在植物體內(nèi)的遷移與累積情況，TF>1是重金屬超富集植物區(qū)別于普通植物的重要特征之一[41]。轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，越有利于重金屬在植物地上部的積累。試驗(yàn)結(jié)果顯示，五類土壤堿蓬的葉片的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，堿蓬莖部 Pb的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)大于 1，表明堿蓬體內(nèi)的重金屬主要累積與樣品，而莖部主要累積Pb。富集系數(shù)反映植物從土壤中提取重金屬的能力。試驗(yàn)結(jié)果顯示，堿蓬BCF葉>BCF根>BCF莖，這一結(jié)果和袁華茂等[26]報(bào)道堿蓬 BCF根>BCF葉>BCF莖的結(jié)果有所差異，這可能是由于本研究中堿蓬生長(zhǎng)于干旱地區(qū)，而袁華茂等[26]研究的堿蓬位于濕地。研究中還發(fā)現(xiàn)堿蓬對(duì)于Zn和Cu的富集能力較強(qiáng)，與張樂(lè)添等[42]的研究結(jié)果類似。此外，堿蓬莖和葉的大部分重金屬的富集系數(shù)與土壤污染程度的趨勢(shì)相反，表明堿蓬對(duì)于重金屬的富集能力還與土壤污染程度有關(guān)。

綜上所述，堿蓬在金昌當(dāng)?shù)赝寥?Cu、Ni平均濃度下具有較高的發(fā)芽率，對(duì)Cu和Ni具有較高的耐受性；堿蓬對(duì)于Zn、Cu和Ni的富集系數(shù)較高，可以富集土壤中Zn、Cu、Ni三種重金屬，且堿蓬葉片的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于 1，能夠?qū)⒅亟饘俎D(zhuǎn)移到植物地上部分，便于最終回收處理重金屬。因此在當(dāng)前礦區(qū)土壤環(huán)境背景下(Cu：397.54 mg/L、Ni：340.57 mg/kg)，堿蓬可以作為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)和重金屬污染修復(fù)的備選植物。