許志敏,劉燕珍,陳 琳,吳建芳,劉 戀,丁國昌

(福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院,福建 福州 350002)

銅和鋅不僅是生物體的必備微量營養(yǎng)元素，也是環(huán)境污染元素，全球年均釋放到環(huán)境中的鋅為27.6萬t，銅為14.7萬t。在我國，水體和土壤中的鋅、銅污染已經(jīng)占較大比例[1]。在現(xiàn)實環(huán)境中，單一重金屬污染物對環(huán)境的影響比較少見，大多數(shù)情況下，往往是多種污染物對環(huán)境產(chǎn)生復(fù)合污染。復(fù)合污染物的聯(lián)合作用方式有相加、拮抗、協(xié)同與獨立作用等[2]，增加了治理重金屬污染的難度。工業(yè)和礦業(yè)廢棄物是最主要的重金屬污染來源[3-4]，積累在土壤中的重金屬能夠通過食物鏈進入人體從而危害人類健康和生命[5]，嚴重威脅生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)和人類生存及社會活動等。

在眾多的土壤修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)具有成本低廉、操作簡便、二次污染易控制、凈化效率高且能大面積推廣應(yīng)用等特點，其應(yīng)用推廣前景和機制研究備受關(guān)注[6]。植物修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵工作是培育篩選出超富集植物和先鋒植物[7]。觀賞草是一類株型優(yōu)美、色彩豐富、觀賞價值高，具有樸素飄逸、清新自然等特性的草本植物[8]。其中狼尾草屬和芒屬觀賞草在園林景觀應(yīng)用、生態(tài)修復(fù)治理等方面被大量運用，且二者具備超富集植物的部分特性，可能存在潛在的超富集植物。種子萌發(fā)是植物整個生命周期最關(guān)鍵且敏感的發(fā)育階段[9]，抗性及耐性強的植物才能夠正常萌發(fā)和生長，因而采用逆境脅迫條件下種子萌發(fā)和幼苗生長狀況進行植物的抗逆性評價[10-11]，能夠較好且全面地評估植物的耐受性強弱[12-13]。

目前，觀賞草的研究主要集中于種質(zhì)資源搜集[14-15]、生理生化[16-17]和園林應(yīng)用[18-19]等方面，關(guān)于重金屬脅迫對觀賞草種子萌發(fā)特性影響的研究鮮見報道。鑒于此，結(jié)合孟曉蕊[20]及何新杰等[21]的相關(guān)研究結(jié)果，初步篩選出8種觀賞草種子作為供試材料，設(shè)置不同梯度的銅鋅復(fù)合脅迫試驗，探究其對8種觀賞草種子萌發(fā)特性及幼苗生長的影響，并利用隸屬函數(shù)法進行耐受性綜合評析，旨在揭示禾本科觀賞草對銅鋅復(fù)合脅迫的適應(yīng)性和耐受性，為銅鋅超富集植物的種質(zhì)資源篩選奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及處理

試驗材料為8種觀賞草種子，分別為金紅羽狼尾草(P.setaceum)、小兔子狼尾草(P.alopecuroidescv.‘Little Bunny’)、紫葉狼尾草(P.setaceum‘Rubrum’)、大布尼狼尾草(P.orientale‘Tall tails’)、細葉芒(M.sinensis‘Gracillimus’)、花葉芒(M.sinensis‘Variegatus’)、晨光芒(M.sinensis‘Morning Light’)、斑葉芒(M.sinensis‘Zebrinus’)，采購自江蘇省沭陽縣溢芳花卉園。用0.1%高錳酸鉀溶液消毒浸泡種子15 min，蒸餾水反復(fù)沖洗5～6遍后，用蒸餾水浸泡24 h，除去漂浮的劣質(zhì)種子，余下的種子用濾紙吸干表面的水分，用于脅迫試驗。

1.2 試驗條件及方法

依據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準值，銅和鋅溶液分別采用CuSO4·5H2O和ZnSO4·7H2O配制，梯度值如表1所示。設(shè)6個處理：T1、T2、T3、T4、T5，以蒸餾水為對照(CK)。培養(yǎng)條件為溫度25 ℃、空氣相對濕度75%、光照14 h/d、光強6 000 lx、黑暗10 h/d。取直徑9 cm的一次性培養(yǎng)皿，鋪置1層脫脂棉和濾紙作為發(fā)芽床，每個培養(yǎng)皿50粒種子，每處理重復(fù)3次。培養(yǎng)期間每天通過往培養(yǎng)皿內(nèi)增加相應(yīng)的處理液來維持質(zhì)量濃度基本不變并保持濕潤。每天觀察記錄種子萌發(fā)情況。

表1 銅鋅復(fù)合脅迫梯度值Tab.1 Copper-zinc combined stress gradient values mg/L

1.3 測定指標與方法

1.3.1 種子發(fā)芽指標的測定 發(fā)芽以胚根露白為標準，每天定時觀察記錄種子發(fā)芽數(shù)[22]。第4天統(tǒng)計種子發(fā)芽勢，第14天結(jié)束發(fā)芽試驗，統(tǒng)計種子發(fā)芽率。

發(fā)芽勢=第4天萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽率=第14天萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)=ΣGt/Dt(Gt指在t時間內(nèi)發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的萌發(fā)天數(shù))[23]；

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×苗長度。

1.3.2 形態(tài)學(xué)指標的測定 從培養(yǎng)皿中各取出10株長勢一致的幼苗，用游標卡尺測量胚芽長和胚根長，讀數(shù)精確到0.01 mm,用電子天平稱量幼苗鮮質(zhì)量。

1.3.3 耐銅鋅脅迫能力評價 采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)值的方法進行抗逆性綜合評定[24]。

隸屬函數(shù)值的換算方法：

A：R(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin);

B：R(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin);

C：R(Xi)=Xij/n。

式中：R(Xij)表示i處理j指標的耐銅鋅隸屬函數(shù)值，Xij表示i處理j指標的測定值，Xjmax和Xjmin分別表示各處理的最大和最小測定值，Xi為i處理的耐銅鋅隸屬函數(shù)值的平均值，n為指標數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析均基于Excel 2010和SPSS 23.0軟件進行，采用Excel 2010軟件作圖。運用One-Way ANOVA進行方差分析，有顯著或極顯著差異時用Duncan’s法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅鋅復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

隨著重金屬脅迫質(zhì)量濃度的增大，8種觀賞草種子的發(fā)芽率均呈逐漸下降的趨勢，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽率明顯高于4種芒屬觀賞草(圖1)。T1、T2處理，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽率與對照無顯著性差異(P>0.05)，T2處理小兔子狼尾草、大布尼狼尾草、金紅羽狼尾草和紫葉狼尾草較對照分別降低7.27%、2.14%、7.10%和4.13%；芒屬觀賞草種子發(fā)芽率變化幅度較大，T2處理與對照存在顯著性差異(P<0.05)，斑葉芒、晨光芒、花葉芒和細葉芒分別較對照降低73.87%、58.50%、55.82%和57.89%。T5處理對8種觀賞草發(fā)芽率的抑制作用達到最大。

不同小寫字母代表同一觀賞草品種不同銅鋅復(fù)合脅迫處理間差異顯著(P<0.05Different lowercase letters represent significant differences among different copper-zinc combined stress treatments of the same ornamental grass species(P<0.05圖1 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination rate of ornamental grasses

8種觀賞草的發(fā)芽勢與重金屬質(zhì)量濃度呈反比(圖2)，即隨著重金屬質(zhì)量濃度的升高，發(fā)芽勢逐漸降低，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽勢明顯高于4種芒屬觀賞草。T1、T2處理時，4種狼尾草屬觀賞草發(fā)芽勢與對照相近且無顯著性差異(P>0.05)，表明一定質(zhì)量濃度脅迫下(Cu2+≤200 mg/L，Zn2+≤200 mg/L)，4種狼尾草屬觀賞草具有較強耐性。而4種芒屬觀賞草發(fā)芽勢在T2處理時顯著低于對照(P<0.05)，斑葉芒、晨光芒、花葉芒和細葉芒分別較對照降低54.53%、42.24%、44.46%和36.94%。T5處理時，8種觀賞草發(fā)芽勢受到的抑制作用達到最大，但4種狼尾草屬觀賞草發(fā)芽勢均在50%左右，而4種芒屬觀賞草的發(fā)芽勢均低于10%。

2.2 銅鋅復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的影響

8種觀賞草的發(fā)芽指數(shù)均隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高而呈下降的趨勢(圖3)，且在各個質(zhì)量濃度下均低于對照。在各個質(zhì)量濃度脅迫下，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽指數(shù)均明顯高于4種芒屬觀賞草。在T1處理時，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽指數(shù)均與對照無顯著性差異(P>0.05)，小兔子狼尾草的發(fā)芽指數(shù)最高，為44.89。在T2處理時，4種芒屬觀賞草的發(fā)芽指數(shù)下降幅度大且均顯著低于對照(P<0.05)；4種狼尾草屬觀賞草發(fā)芽指數(shù)下降幅度較小，其中大布尼狼尾草、紫葉狼尾草和小兔子狼尾草與對照仍無顯著性差異(P>0.05)。隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高，供試材料的發(fā)芽指數(shù)均逐漸降低，在高質(zhì)量濃度T5處理時，4種狼尾草屬觀賞草的發(fā)芽指數(shù)均在20以上，而芒屬觀賞草發(fā)芽指數(shù)均下降至1左右。

圖2 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽勢的影響Fig.2 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination potential of ornamental grasses

圖3 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草種子發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.3 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed germination index of ornamental grasses

隨著銅鋅復(fù)合脅迫質(zhì)量濃度的增加，8種觀賞草的活力指數(shù)持續(xù)降低(圖4)。在各個質(zhì)量濃度時，供試材料的活力指數(shù)均與對照呈顯著性差異(P<0.05)。T1處理4種狼尾草屬觀賞草的活力指數(shù)平均是4種芒屬觀賞草的7.94倍，4種狼尾草屬觀賞草的種子活力指數(shù)明顯高于4種芒屬觀賞草。此外，在T1處理時，供試材料的活力指數(shù)下降幅度最大，在T5處理時，供試材料的活力指數(shù)下降至最低值，其中，小兔子狼尾草最高，為67.71，斑葉芒最低，為0.26。

2.3 銅鋅復(fù)合脅迫對觀賞草胚芽和胚根生長的影響

不同質(zhì)量濃度銅鋅復(fù)合脅迫下供試材料幼苗的生長狀況存在差異(表2)。總體而言，4種狼尾草屬觀賞草的生長狀況優(yōu)于4種芒屬觀賞草。在各個脅迫處理下，除斑葉芒外，其他3種芒屬觀賞草的胚芽均長于4種狼尾草屬觀賞草，但8種觀賞草的胚芽長均顯著低于對照(P<0.05)。T1處理8種觀賞草的胚根長受到強烈的抑制，胚根長均下降至10 mm以下，與對照存在顯著性差異(P<0.05)。T2處理斑葉芒、花葉芒和細葉芒已出現(xiàn)無根苗現(xiàn)象；T3處理4種芒屬觀賞草均出現(xiàn)無根苗，而4種狼尾草屬觀賞草在T5處理時亦存在胚根，表明4種芒屬觀賞草的胚根受到的抑制作用顯著強于4種狼尾草屬觀賞草。此外，8種觀賞草的幼苗鮮質(zhì)量和胚芽長的生長變化趨勢一致，各個質(zhì)量濃度處理下的幼苗鮮質(zhì)量均顯著低于對照，但4種芒屬觀賞草的幼苗鮮質(zhì)量明顯小于4種狼尾草屬觀賞草。

圖4 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草種子活力指數(shù)的影響Fig.4 Effect of different Cu2+ and Zn2+ combined stress on seed vitality index of ornamental grasses

表2 不同質(zhì)量濃度Cu2+、Zn2+復(fù)合脅迫對觀賞草幼苗生長的影響
Tab.2 Effect of different Cu2+and Zn2+combined stress on the growth of ornamental grass seedings

指標Index處理Treatment小兔子狼尾草P.alopecuroidescv.‘LittleBunny’大布尼狼尾草P.orientale‘Talltails’金紅羽狼尾草P.setaceum紫葉狼尾草P.setaceum‘Rubrum’斑葉芒M.sinensis‘Zebrinus’晨光芒M.sinensis‘MorningLight’花葉芒M.sinensis‘Variegatus’細葉芒M.sinensis‘Gracillimus’胚芽長/mmGermlengthCK66.03±1.13a62.60±1.39a68.89±1.44a64.47±1.34a79.96±1.58a88.87±1.79a80.36±2.26a72.19±1.92aT134.90±0.59b32.70±0.80b34.49±0.58b33.04±0.68b46.51±0.92b50.47±1.32b47.43±0.80b51.88±0.86bT229.07±0.70c27.14±0.65c26.19±0.58c30.07±0.44c37.96±1.06c40.28±1.04c37.58±0.77c42.76±2.20cT322.78±0.74d22.89±0.40d20.54±0.56d24.40±0.34d21.37±0.48d29.60±0.87d30.44±0.60d32.69±0.97dT419.90±0.45e20.54±0.45e19.29±0.45d19.32±0.47e17.66±0.59e26.33±0.64e26.09±0.73e30.63±1.00dT519.53±0.63e19.49±0.45e15.22±0.50e15.26±0.36f12.15±0.42f23.65±0.65e20.41±0.56f21.27±0.71e胚根長/mmRadiclelengthCK57.95±2.89a61.72±2.36a63.35±2.42a54.23±2.46a87.73±1.48a89.74±2.38a80.29±2.86a77.65±3.12aT17.44±0.63b7.26±0.51b7.08±0.42b7.63±0.86b7.75±0.36b8.07±1.01b4.87±0.23b8.38±0.26bT25.29±0.31c5.33±0.56bc4.54±0.23bc6.04±0.37bc-2.09±0.75c--T33.30±0.22cd3.41±0.20cd3.30±0.17c4.68±0.3bcd----T42.95±0.26cd2.77±0.17cd2.94±0.13c3.45±0.22cd----T51.26±0.36d1.28±0.30d2.84±0.23c2.15±0.14d----幼苗鮮質(zhì)量/mgSeedlingfreshweightCK27.50±1.21a25.73±1.30a27.55±1.12a28.00±1.20a8.04±0.25a9.69±0.53a8.34±0.28a7.67±0.33aT113.52±0.90b13.48±0.82b13.66±0.42b14.71±0.81b6.01±0.38b6.82±0.24b7.11±0.39b6.59±0.43bT211.61±0.78bc11.93±0.59bc11.80±0.72bc14.05±0.61bc4.80±0.32c5.28±0.27c4.78±0.32c6.02±0.35bT310.18±0.62cd10.98±0.31cd10.95±0.58cd12.34±0.63c2.49±0.21d3.59±0.27d4.00±0.17c4.72±0.37cT49.96±0.42cd10.23±0.47cd9.60±0.51de9.09±0.58d1.69±0.12cd3.15±0.3cd3.54±0.24c4.07±0.63cT58.72±0.46d9.43±0.74d8.73±0.59d8.81±0.49d0.87±0.01d2.93±0.27d2.31±0.13d3.01±0.18d

注：-表示根沒有生長。表中同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
Note:- indicates that there is no root growth.Different letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level.

2.4 銅鋅復(fù)合脅迫下觀賞草種子發(fā)芽及幼苗生長指標相關(guān)性分析

發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量均與脅迫質(zhì)量濃度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)(表3)，而發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量7個指標間均兩兩呈極顯著正相關(guān)。說明銅鋅復(fù)合脅迫不僅抑制觀賞草種子的萌發(fā)，降低種子的發(fā)芽率和活力指數(shù)，還影響胚芽和胚根的生長。此外，發(fā)芽相關(guān)指標與幼苗生長相關(guān)指標間呈極顯著相關(guān)性，相互影響。

表3 觀賞草種子發(fā)芽及幼苗生長指標相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis between germination and seedling growth

注：**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。
Note:**represent extremely significant correlation(P<0.01).

2.5 8種觀賞草種子萌發(fā)期耐受性評價

運用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法，將各個脅迫處理下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量7個指標相對值的平均值作為實測值，計算各指標的隸屬函數(shù)值和綜合評價值(表4)。萌發(fā)期的8種觀賞草種子對重金屬銅鋅耐受性強弱依次為小兔子狼尾草>紫葉狼尾草>大布尼狼尾草>金紅羽狼尾草>細葉芒>花葉芒>晨光芒>斑葉芒。

表4 觀賞草種子各指標的隸屬函數(shù)值及綜合評價值Tab.4 Value of subordinate function and comprehensive evalution of each index

3 結(jié)論與討論

大量研究表明，逆境脅迫(干旱、鹽堿、高低溫、重金屬)對植物的影響主要表現(xiàn)在種子萌發(fā)、生長、生物量和生理生化等方面[25]。種子萌發(fā)和幼苗生長是植物生長發(fā)育關(guān)鍵但又最脆弱的階段，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽長、胚根長、幼苗鮮質(zhì)量是種子萌發(fā)和幼苗生長的重要指標，其能反映植物在逆境條件下的受傷害程度。本研究結(jié)果表明，銅鋅復(fù)合脅迫下8種觀賞草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量均低于對照，且隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高，各項指標均呈下降趨勢，抑制影響程度與脅迫質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān)，說明銅鋅復(fù)合脅迫能夠抑制觀賞草種子的萌發(fā)和生長。除發(fā)芽勢外，其與鄒文桐等[12]研究銅鋅復(fù)合脅迫對菜薹種子萌發(fā)、幼苗生長及子葉生理代謝的影響一致。究其原因可能與供試觀賞草對銅鋅復(fù)合污染比較敏感和設(shè)置的初始質(zhì)量濃度較高有關(guān)，銅鋅復(fù)合脅迫對觀賞草生長發(fā)育的影響可能是由于大量銅鋅離子進入體內(nèi)，破壞了觀賞草的正常生理代謝，對其呼吸代謝、光合等功能產(chǎn)生嚴重影響，從而導(dǎo)致供試觀賞草萌發(fā)和生長不良。此外，幼苗胚根長受到的抑制作用明顯高于胚芽長和幼苗鮮質(zhì)量，4種芒屬觀賞草甚至出現(xiàn)無根苗，表明重金屬脅迫下植物根系比莖葉受害程度更加劇烈，這與王彥梅等[26]、孫金金等[27]的研究結(jié)果一致。因為根部是植物吸收水分和養(yǎng)分的器官[28]，在其生長發(fā)育過程中完全與重金屬溶液接觸，導(dǎo)致根的重金屬累積量以及受迫時間比胚芽長，因此胚根比胚芽受到的毒害作用更強[29]。

銅鋅復(fù)合脅迫條件下，針對8種觀賞草種子萌發(fā)和幼苗生長的變化，可以從多角度評價植物對重金屬的抗性強弱，但單一的指標評判植物對重金屬的抗性存在一定的片面性[30-31]，因此,本試驗采用隸屬函數(shù)法既消除了個別指標帶來的片面性，又使各材料抗性差異具有可比性。本研究結(jié)果表明，不同品種之間耐受性存在較大差異，小兔子狼尾草和紫葉狼尾草的抗逆性較強，斑葉芒最弱。

本試驗主要探究銅鋅復(fù)合脅迫對8種觀賞草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，但不同逆境脅迫對植物葉片生理代謝、植物生態(tài)和生理機制的影響是多方面、復(fù)雜的體系，因此還有待進一步研究和探討其成株的耐性機制。

本試驗結(jié)果表明，8種觀賞草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長和幼苗鮮質(zhì)量均隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高而下降。種子萌發(fā)和幼苗生長均受到不同程度的抑制，且隨著脅迫質(zhì)量濃度的升高抑制作用加重。在種子萌發(fā)期，4種狼尾草屬觀賞草耐銅鋅能力強于4種芒屬觀賞草。采用性狀相對值進行隸屬函數(shù)法綜合評析得出，種子萌發(fā)期耐受性強弱依次為小兔子狼尾草>紫葉狼尾草>大布尼狼尾草>金紅羽狼尾草>細葉芒>花葉芒>晨光芒>斑葉芒。