劉新亮，唐星林，黃文超，駱昱春，王麗艷

(江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032)

鎘(Cd)是一種重金屬元素，對(duì)動(dòng)植物有高度的毒害性。由于礦產(chǎn)開采、污水排放、農(nóng)藥及化肥施用等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，我國(guó)土壤Cd污染變得越來(lái)越嚴(yán)重[1]。土壤Cd易被植物根系吸收，并在植物器官內(nèi)積累，對(duì)植物產(chǎn)生毒害[2]。Cd毒害會(huì)導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)缺乏、葉綠素合成受阻、光合能力下降等，抑制植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物死亡[2-3]。Cd還可以在作物可食用部分積累，進(jìn)入食物鏈，威脅人類健康[1]。因此，土壤Cd污染防治已成為我國(guó)亟待解決的重大問(wèn)題之一。植物修復(fù)技術(shù)是一項(xiàng)利用植物來(lái)穩(wěn)定、提取土壤重金屬的技術(shù)，具有成本低、無(wú)二次污染、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[4]。重金屬超富集植物對(duì)重金屬有超量積累作用，是土壤重金屬植物修復(fù)的優(yōu)良材料，但大多數(shù)超積累植物存在生長(zhǎng)緩慢、生物量小等特點(diǎn)，以致植物修復(fù)效率不高，限制了其在土壤重金屬植物修復(fù)工程中的應(yīng)用[5-6]。合理施肥可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增大植株生物量及重金屬富集量，具有經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)，是提高植物修復(fù)效率的重要技術(shù)[7]。氮(N)是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程必需的大量元素，對(duì)植物生長(zhǎng)和光合作用有顯著的調(diào)節(jié)作用[8-9]。Cd脅迫會(huì)抑制植株硝酸還原酶活性，導(dǎo)致植株N含量下降[10]。有研究發(fā)現(xiàn)施N有利于保護(hù)Cd脅迫下植物光合器官結(jié)構(gòu)，保持葉綠素合成途徑穩(wěn)定，增大PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、電子傳遞速率、氣孔導(dǎo)度和光合速率，進(jìn)而促進(jìn)植株生長(zhǎng)和生物量積累[11-14]。由此可見，N在緩解植物Cd脅迫的毒害方面起著重要作用。

龍葵(Solanumnigrum)是茄科(Solanaceae)茄屬(Solanum)1 a生或多年生草本植物，魏樹和等[15-16]發(fā)現(xiàn)龍葵具有Cd超積累特性，是修復(fù)Cd污染土壤的良好植物材料。楊容孑等[6]研究表明Cd會(huì)顯著抑制龍葵生長(zhǎng)，降低各器官生物量，而施N可以提高龍葵葉綠素含量、抗氧化酶活性，增加地上部分生物量和鎘積累量。光合作用是植物有機(jī)物積累和生長(zhǎng)基礎(chǔ)，研究施N對(duì)Cd脅迫下龍葵光合作用的影響，可以更好地揭示N素對(duì)植物Cd毒害的緩解作用。但施N對(duì)Cd脅迫下龍葵光合特性的影響仍不清楚。本研究以龍葵為試驗(yàn)材料，探討了不同施N水平對(duì)Cd脅迫下龍葵生長(zhǎng)及光合作用的影響，以期獲得合適的N肥施用濃度，為植物高效修復(fù)Cd污染土壤提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

植物材料為龍葵1 a生幼苗。供試土壤為園土(黃壤)，采自江西省林業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地0～20 cm表層土壤，將土壤自然風(fēng)干、去除雜物，粉碎，過(guò)5 mm篩。泥炭采用丹麥進(jìn)口的Pindstrup基質(zhì)。栽培基質(zhì)為黃壤和泥炭的混合種植土(質(zhì)量比1︰1)，其物理化學(xué)性質(zhì)為速效氮53.7 mg/kg、速效磷95.0 mg/kg、速效鉀110.0 mg/kg、有機(jī)質(zhì)75.58 mg/kg、pH值5.75。氮肥為尿素[CO(NH2)2]；試驗(yàn)試劑為CdCl2·2H2O。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在江西省林業(yè)科學(xué)院溫室大棚內(nèi)(28°45′N，115°49′E)進(jìn)行，采用盆栽方法，塑料花盆高15 cm、上口徑18 cm、下口徑13 cm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下，(1)對(duì)照(CK)為無(wú)添加；(2)CdN0為20 mg/kg Cd；(3)CdN150為20 mg/kg Cd+150 mg/kg CO(NH2)2；(4)CdN300為20 mg/kg Cd+300 mg/kg CO(NH2)2；(5)CdN450為20 mg/kg Cd+450 mg/kg CO(NH2)2(不含背景值，以Cd2+計(jì))。將準(zhǔn)備好的栽培基質(zhì)與CO(NH2)2、CdCl2·2H2O充分混勻，平衡18 d，待用。2019年5月底，將龍葵種子播種于育苗穴盤。待幼苗長(zhǎng)出5片真葉時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)較一致幼苗進(jìn)行試驗(yàn)，每盆1株，每個(gè)處理重復(fù)6次。進(jìn)行日常澆水管理，用托盤墊在盆下收集滲漏的Cd和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并將其倒回盆中。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 氣體交換參數(shù)

2019年8月晴天9:00—16:30，采用Ciras-3便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(Ppsystems，美國(guó))進(jìn)行氣體交換數(shù)據(jù)的測(cè)定。植物葉片先在樣本室CO2濃度400 μmol/mol、葉室溫度(26±2)℃、葉室空氣相對(duì)濕度(60±5)%和光強(qiáng)1 200 μmol/(m2·s)等條件下，誘導(dǎo)30 min以上，直到光合速率和氣孔導(dǎo)度相對(duì)穩(wěn)定。其他環(huán)境條件不變，采用Ciras-3內(nèi)置自動(dòng)程序?qū)⒐鈴?qiáng)梯度設(shè)置為1 400、1 200、1 000、800、600、400、300、200、150、100、50、20、0 μmol/(m2·s)(藍(lán)光10%)，依次測(cè)定葉片氣體交換數(shù)據(jù)。每處理重復(fù)測(cè)量3株。從光響應(yīng)曲線中獲取1 200 μmol/(m2·s)下的光合參數(shù)：凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、水分利用效率(WUE=Pn/E)。

1.3.2 直角雙曲線修正模型

采用直角雙曲線修正模型[17]對(duì)不同處理下龍葵葉片的光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，獲得最大凈光合速率(Pnmax)、初始量子效率(AQY)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)和光下暗呼吸速率(Rd)等光響應(yīng)參數(shù)，其表達(dá)式如下：

令Pn=0，計(jì)算的PAR值為L(zhǎng)CP。

1.3.3 生長(zhǎng)指標(biāo)和生物量

氣體交換參數(shù)測(cè)定結(jié)束后采集葉片并測(cè)定其比葉重(SLA)。于2019年8月8號(hào)試驗(yàn)結(jié)束取樣時(shí)，采用卷尺測(cè)量植株株高和冠幅。將植株分為根系和地上部分，烘干至恒重后稱取干重，計(jì)算根系、地上部分及單株的生物量和根冠比。植株地上部分粉碎后，采用凱氏定氮法測(cè)定地上部分氮含量(Nmass)[18]。每個(gè)處理重復(fù)測(cè)量3株。

1.4 數(shù)據(jù)處理

光響應(yīng)曲線的擬合基于光合計(jì)算平臺(tái)(http://photosynthetic.sinaapp.com/)進(jìn)行。采用Microsoft Excel 2016和R語(yǔ)言(R-3.5.1)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、分析和作圖。采用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析和多重比較(Turkey HSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)鎘脅迫下龍葵生長(zhǎng)和生物量的影響

由圖1可知，不同處理間株高和冠幅均存在顯著差異(P<0.05)。與CK相比，CdN0處理龍葵株高和冠幅無(wú)顯著差異，但冠幅有下降趨勢(shì)。與CdN0相比，CdN150、CdN300、CdN450龍葵株高分別增大29.4%、43.0%和42.4%，冠幅分別增大56.8%、110.7%和122.1%(P<0.05)。龍葵株高和冠幅在CdN300與CdN450處理間差異不顯著。

圖1 施氮對(duì)鎘脅迫下龍葵生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

由表1可知，龍葵根系生物量、地上部分生物量、單株生物量、根冠比、比葉重和Nmass在不同處理間均存在顯著差異。CdN0處理下龍葵根系生物量、單株生物量和比葉重均顯著小于CK；與CdN0相比，CdN150、CdN300、CdN450龍葵根系生物量分別增大86.7%、116.7%和106.7%，地上部分生物量分別增大137.3%、209.6%和266.3%，單株生物量分別增大123.9%、185.0%和223.9%(P<0.05)。CdN450龍葵根冠比顯著小于CdN0，CdN450龍葵Nmass顯著大于CdN0(P<0.05)，CdN450龍葵單株生物量、根系生物量、根冠比、比葉重、Nmass與CdN300無(wú)顯著差異。

表1 施氮對(duì)鎘脅迫下龍葵生物量的影響

2.2 施氮對(duì)鎘脅迫下龍葵光響應(yīng)曲線的影響

如圖2所示，當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)[PAR≤200 μmol/(m2·s)]，不同處理下龍葵葉片Pn隨PAR的增加而迅速增大，Pn對(duì)PAR的變化非常敏感。隨PAR的增強(qiáng)，不同處理下龍葵葉片Pn表現(xiàn)出不同的響應(yīng)規(guī)律。當(dāng)200 μmol/(m2·s)800 μmol/(m2·s)后達(dá)到飽和。CdN450處理下Pn隨PAR的增大而逐漸增加，PAR達(dá)到1 400 μmol/(m2·s)時(shí)仍未飽和。

圖2 施氮對(duì)鎘脅迫下龍葵光響應(yīng)曲線影響

由表2可知，不同處理間龍葵葉片Pnmax和LSP存在顯著差異，AQY、Rd和LCP無(wú)顯著差異。Cd脅迫下龍葵Pnmax和LSP均顯著小于CK。與CdN0相比，CdN150、CdN300、CdN450龍葵Pnmax分別增大52.9%、93.9%和144.4%，LSP分別增大23.5%、30.9%和58.5%(P<0.05)。CdN450龍葵Pnmax和LSP顯著大于CdN300。

表2 施氮對(duì)鎘脅迫下龍葵光響應(yīng)特性的影響

2.3 施氮對(duì)鎘脅迫下龍葵氣體交換參數(shù)的影響

由表3可知，不同處理間龍葵葉片Pn、Gs、Ci和E存在顯著差異，WUE無(wú)顯著差異。Cd脅迫下龍葵Pn顯著小于CK。與CK相比，Cd脅迫下龍葵Gs和E無(wú)顯著變化，但均有下降趨勢(shì)。與CdN0相比，CdN150、CdN300、CdN450龍葵Gs分別增大58.3%、101.6%和159.7%，E分別增大74.6%、106.4%和116.9%(P<0.05)。CdN300和CdN450龍葵Gs分別比CdN0大212.5%和262.3%(P<0.05)。CdN450龍葵Ci顯著小于CdN0和CdN300。CdN450龍葵Gs顯著大于CdN300。

表3 施氮對(duì)鎘脅迫下龍葵葉片氣體交換參數(shù)的影響

2.4 參數(shù)間相關(guān)性分析

由表4可知，Cd脅迫及不同施氮處理下龍葵葉片Nmass與Pnmax(r2=0.78，P<0.01)、Gs(r2=0.60，P<0.05)、根系生物量(r2=0.58，P<0.05)、地上部分生物量(r2=0.82，P<0.01)、單株生物量(r2=0.80，P<0.01)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，Pnmax、Gs分別與地上部分生物量(Pnmax：r2=0.90，P<0.01；Gs：r2=0.91，P<0.01)和根系生物量(Pnmax：r2=0.80，P<0.01；Gs：r2=0.77，P<0.01)、單株生物量(Pnmax：r2=0.90，P<0.01；Gs：r2=0.91，P<0.01)呈顯著正相關(guān)，Rd與根系、地上部分、單株生物量相關(guān)性不顯著。

表4 研究參數(shù)間相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。Cd脅迫導(dǎo)致植物光合作用下降的原因可分為氣孔因素和非氣孔因素，Gs和Ci同時(shí)減小則表明氣孔因素限制占主導(dǎo)地位，若Gs減小，Ci增大則表明非氣孔因素限制占主導(dǎo)地位[2]。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下龍葵植株葉片Pn和Gs減小，Ci增大，表明光合限制中非氣孔因素限制占主導(dǎo)地位，這與甜瓜(Cucumismelo)的研究結(jié)果一致[19]。Gs可以反映氣孔導(dǎo)度對(duì)光合作用的限制。Cd脅迫下龍葵Gs下降說(shuō)明氣孔導(dǎo)度對(duì)光合作用的限制作用增大，這與南瓜(Cucurbitamoschata)[20]和番茄(Lycopersiconesculentum)[21]等植物的研究結(jié)果類似。Cd脅迫下Gs的下降可能與氣孔密度、氣孔大小的變化有關(guān)[22-23]。Yan等[24]發(fā)現(xiàn)施N可以增大馬鈴薯(Solanumtuberosum)氣孔密度和氣孔尺寸，進(jìn)而增大Gs。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下施N后龍葵Gs增大，說(shuō)明施N有助于減小Cd脅迫下龍葵氣孔導(dǎo)度對(duì)光合作用的限制，這與結(jié)縷草(Zoysiajaponica)[12]和小麥(Triticumaestivum)[25]等植物的研究結(jié)果類似。

光響應(yīng)參數(shù)可以反映植物在逆境條件下的光合潛能和光能利用能力。其中，Pnmax反映了植物在大氣CO2濃度下的最大光合能力，其值越大則植物葉片光合潛能越大。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下龍葵Pnmax顯著下降，說(shuō)明Cd脅迫導(dǎo)致龍葵光合潛能下降，這與煙草(Nicotianatabacum)[26]和互葉醉魚草(Buddlejaalternifolia)[27]等植物的研究結(jié)果一致。有研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉綠素含量、PSII量子轉(zhuǎn)換效率、電子傳遞速率、氣孔導(dǎo)度、葉肉導(dǎo)度[28-29]等降低，這可能導(dǎo)致Pnmax降低。N對(duì)植物光合作用有顯著的調(diào)節(jié)作用，施N可以增加葉片N素含量，提高葉片光合能力，進(jìn)而增大植株生物量[8,30]。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下施N后龍葵Nmass和Pnmax顯著增大，且Pnmax與Nmass呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明施N對(duì)Cd脅迫下龍葵光合能力有顯著提升作用，與南方四季楊(Populusdeltoides×P.nigra)[31]、巨桉(Eucalyptusgrandis)[32]、小麥[25]等植物的研究結(jié)果一致，這可能與N素作用下植物葉綠素含量、電子傳遞速率和Gs等的增大有關(guān)[12-13]。LCP和LSP分別反映了葉片對(duì)弱光和強(qiáng)光的利用能力。本研究表明Cd脅迫下龍葵葉片LCP和LSP呈下降趨勢(shì)，表明植株葉片利用弱光的能力有所增強(qiáng)，而利用強(qiáng)光的能力有所減弱，這與檫木(Sassafrastzumu)[2]的研究結(jié)果類似。有研究表明，N肥能顯著提高黑麥草(Loliummultiflorum)LSP，增大其光能利用區(qū)間，促進(jìn)植株生長(zhǎng)[33]。本研究表明Cd脅迫下隨施N水平的增大，龍葵LCP先升高后降低，LSP顯著升高，說(shuō)明其對(duì)弱光的利用能力先減弱后增強(qiáng)，而對(duì)強(qiáng)光的利用能力持續(xù)增強(qiáng)，光能利用區(qū)間增大，有利于植株生長(zhǎng)。

Cd脅迫和施N對(duì)葉片光合作用的影響會(huì)反映到植物生物量累積上[34-35]。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫降低龍葵光合能力而抑制其根系與地上部分生長(zhǎng)和單株生物量積累，這與煙草[36]和吊蘭(Chlorophytumcomosum)[29]等植物的研究結(jié)果類似。古洪雙等[31]研究表明施N可以減輕Cd對(duì)南方四季楊根、莖、葉生物量積累的抑制。畢景文等[7]認(rèn)為植株生物量積累的增大對(duì)Cd有稀釋效應(yīng)，降低植株體內(nèi)Cd的生理濃度，增強(qiáng)植物的耐Cd能力。本研究中Cd脅迫下施N后植株株高、冠幅、地上部分生物量、根系生物量和單株生物量均顯著增大，說(shuō)明N肥對(duì)Cd脅迫下龍葵的生長(zhǎng)及生物量累積有顯著的促進(jìn)作用。其中，施N后龍葵根冠比顯著降低，說(shuō)明Cd脅迫下施N對(duì)龍葵地上部分生長(zhǎng)的促進(jìn)作用大于根系。這表明施N使得植物將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更多地分配到地上部分，尤其是葉片，以更大程度地提高其植株光合效率[34]。

在本試驗(yàn)條件下，CdN300與CdN450處理間龍葵株高、冠幅和單株生物量差異不顯著，但CdN450處理下龍葵地上部分生物量、凈光合速率和最大凈光合速率均顯著高于CdN300處理，說(shuō)明高N(CdN450)水平較中N(CdN300)水平更有利于促進(jìn)龍葵地上部分生長(zhǎng)，該水平下龍葵仍具有一定的生長(zhǎng)潛力。綜合來(lái)看，450 mg/kg CO(NH2)2施用量對(duì)Cd脅迫下龍葵光合速率和生物量積累的促進(jìn)作用最大，是最適宜的施N水平。本試驗(yàn)中高水平施N量對(duì)Cd脅迫下龍葵生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最大，而更高水平的施N量是否對(duì)Cd脅迫下龍葵生長(zhǎng)具有更好的促進(jìn)作用有待于進(jìn)一步研究。