土壤酸胁迫对2种植物生长及镉富集的影响

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　　摘要 [目的]探讨土壤酸化对植物生长及镉（Cd）富集能力的影响。[方法]以多年生黑麦草和蒲公英为研究对象，采用盆栽试验设置pH为3.0、4.5和5.5的3个梯度土壤，研究土壤酸胁迫对2种植物种子萌发、植物生长生理和Cd富集能力的影响。[结果]当土壤pH为3.0时，多年生黑麦草和蒲公英种子不能正常萌发和生长，而较低浓度的酸胁迫（pH 5.5）对多年生黑麦草种子发芽指数具有促进作用。当土壤pH由5.5下降到4.5时，多年生黑麦草和蒲公英的株高显著降低，根系长度显著增加，生物量无显著变化，且生长良好，叶绿素含量显著增加，表明这2种植物在较高浓度的酸胁迫时仍保持较强的耐性。当土壤pH由5.5降低至4.5时，多年生黑麦草对Cd的富集能力显著降低，而蒲公英对Cd的富集能力显著增强。2种植物根部对Cd的富集能力大于地上部的富集能力。[结论]多年生黑麦草和蒲公英在土壤pH为4.5和5.5条件下仍然能够生长良好，但2种植物在酸胁迫下对Cd的富集能力表现出明显差异。
　　关键词 多年生黑麦草;蒲公英;镉吸收;酸胁迫;植物修复
　　中图分类号 X 53文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）17-0104-04
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.026
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Effects of Soil Acid Stress on the Growth and Cadmium Accumulation of Two Plants
　　ZHANG Shuai，FANG Xiao qing，WAN Min et al
　　（College of Geography and Land Engineering，Yuxi Normal University，Yuxi，Yunnan 653100）
　　Abstract [Objective] This study was to investigate the effect of soil acidification on plant growth and Cd accumulation.[Method] Lolium perenne and Taraxacum mongolicum were used as the research objects，three acid gradients with soil pH of 3.0，4.5 and 5.5 were designed by pot experiment to study the effects of soil acid stress on seed germination，plant growth physiology and Cd accumulation ability of two plants.[Result]Lolium perenne and Taraxacum mongolicum could not germinate and grow normally at soil pH of 3.0，while the lower concentration of acid stress （pH 5.5） could promote seed germination index of Lolium perenne.When the soil pH decreased from 5.5 to 4.5，the plant height of perennial ryegrass and dandelion were significantly reduced，the root length was significantly increased，there was no significant change in biomass，and the growth was good，and the chlorophyll content was significantly increased，indicating that these two plants still maintained strong tolerance under high concentration of acid stress.When the soil pH decreased from 5.5 to 4.5，the Cd accumulation ability of Lolium perenne decreased significantly，while that of Taraxacum mongolicum increased significantly.The Cd accumulation ability of the roots was greater than that of the shoots.[Conclusion]Lolium perenne and Taraxacum mongolicum can still grow well at soil pH 4.5 and 5.5，but the two plants show significant differences in Cd accumulation ability under acid stress.
　　Key words Lolium perenne;Taraxacum mongolicum;Cadmium uptake;Acid stress;Phytoremediation
　　土壤是人類赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。随着社会的发展，人类为追求经济利益而忽视对绿色环境的需求所引发的土壤重金属污染已成为现代科学研究和关注的热点。我国土壤重金属污染中，以镉（Cd）污染最严重，且南方地区的Cd重金属超标比重变化量高于北方[1]。Cd是一种毒性很强的重金属，通过植物吸收富集进入食物链后，会对人类健康造成危害，因此解决土壤Cd污染问题刻不容缓。 　　植物修复技术是修复Cd等重金属污染土壤最有效的方法之一，与传统修复技术如物理、化学修复相比，具有成本低、无二次污染、工程量小和操作简单等优点[2]，在土壤重金属污染修复领域得到广泛关注[3]。我国南方红壤地区的土壤重金属污染程度大于北方，与全球变化背景下酸沉降增加、人类活动加剧所导致的南方土壤酸化面积增加有关。当前我国酸化土壤面积约占全国土壤总面积的23%[4]，主要分布在包括云南在内的南方14个省区[5]。酸化改变了整个土壤化学和生物学的性质，活化了重金属元素，加剧了土壤重金属污染[6]。在Cd污染植物修复中，土壤酸化会影响植物根系生长[7]，继而影响根系对Cd的固定[8]。可见，土壤酸化对植物生长及重金属修复都产生不利影响，且由于土壤酸化面积逐年增加，开展对土壤酸化条件下植物修复重金属污染研究显得尤为重要。
　　近年来，由于园林草本植物具有生长快、生物量大等优势，将重金属耐性强的园林草本植物用于重金属污染土壤的修复日益受专家学者的关注[9]。园林草本植物应用于土壤修复时，不仅能恢复土壤的生物活性，而且能美化环境，具有重要应用价值。且目前用于Cd污染土壤修复的植物主要为1年生，这些植物的地上部在生长季结束后脱落，不能终年覆盖在地表，因此起不到良好的固定作用[9]。多年生黑麦草（Lolium perenne）和蒲公英（Taraxacum mongoliyascum）是常见的多年生草本植物，生长迅速、根系发达、抗逆性强，在土壤重金属Cd污染修复方面具有重要研究价值和广阔应用前景[10]。有关多年生黑麦草和蒲公英对Cd的富集能力研究已有较多文献报道[9，11-12]，但其在酸性土壤中的种植研究鲜有报道，对其土壤酸胁迫下的适应策略尚不十分清楚。笔者以Cd富集植物多年生黑麦草和蒲公英为研究对象，采用盆栽试验设计不同强度酸胁迫处理，探讨土壤酸化对植物种子萌发、生长生理特性及Cd富集能力的影响，为土壤酸化条件下Cd富集植物的种植和筛选提供科学参考与数据支持，对区域生态环境保护具有重要意义。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料 供试植物：通过查阅文献资料、野外调查和室内预试验，选择在南方酸性红壤地区分布广泛、生长良好的Cd富集植物多年生黑麦草和蒲公英为研究材料，种子购买于玉溪花鸟市场。供试土壤：取自玉溪地区未受Cd污染的0～20 cm表层混合土壤，捡除石块等杂质，带回实验室自然风干、磨细、过5 mm尼龙筛，供盆栽试验备用。供试土壤的pH为4.5、有机质含量为9.20 g/kg、Cd含量为0.15 mg/kg。供试试剂：试验过程中所用氯化镉固体、硫酸、氢氧化钠等试剂均为分析纯。
　　1.2 试验设计 将制备好的土壤装入塑料盆中，每盆装土4 kg。对土壤进行Cd处理：添加方法是将氯化镉固体以溶液形式一次性加入供试土壤中，使土壤Cd含量达到50 mg/kg。当外源Cd进入土壤后，由于土壤中各种理化过程，外源Cd在土壤中会发生迁移和各种形态转化，外源Cd进入土壤后约30 d，土壤中Cd的各种形态基本达到相对稳定。因此，将一定量氯化镉溶液加入土壤中，混匀后，在室温下静置30 d，期间加纯净水4次，使土壤保持湿润。设置不同的土壤酸胁迫水平：通过向土壤中添加硫酸、氢氧化钠溶液的方法将土壤pH调节至3.0、4.5、5.5，混匀后，静置15 d，使酸充分扩散、溶解在土壤中。选取饱满的植物种子，经消毒和浸种后均匀播种于每盆土壤中，每盆播种50粒，在温室内培养。在播种后第20天进行间苗，每盆留20株长势良好、大小一致的幼苗。幼苗成活前，每天傍晚浇水;幼苗成活后，隔天确浇水。根据盆中土壤的干湿程度，确定浇水量（水中未检出Cd）。每次浇水适量，以刚好润湿土壤而不从盆底滴漏为宜。植物生长期间采用自然光照，每7 d加1次Hoagland营养液，每次每盆200 mL，注意及时防治病虫害，并拔除杂草。植物在播种90 d后收获，取样测定相关指标。
　　1.3 指标测定
　　1.3.1 种子萌发指标。每天观察种子的发芽情況，记录发芽数。种子萌发结束后，测量种苗根长和株高。计算种子的发芽势、发芽率、发芽指数、简化活力指数和平均发芽时间。
　　发芽势（%）=（规定时间内发芽种子数/供试种子数）×100
　　发芽率（%）=（发芽结束时发芽种子数/供试种子数）×100
　　发芽指数GI=（Gt/Dt）
　　简化活力指数=G×S
　　平均发芽时间MGT=（Gt×Dt）/∑Gt
　　式中，Gt为第t天种子的发芽数，Dt为相应的发芽天数，G为发芽率，S为种苗根长和株高之和（cm）。
　　1.3.2 植物生长生理指标。收获的植物分为地上部和根部两部分，用自来水和去离子水洗净。测量株高、根长，记录分蘖数。将植物样品放入烘箱中，于105℃杀青15 min后，再65℃烘干至恒重，用电子天平（精确到0.000 1 g）称重，计算植物地上部和根部生物量。根冠比为植物根部生物量/地上部生物量。植物叶绿素含量测定采用分光光度法。
　　1.3.3 植物镉富集能力指标。将烘干植物样品磨碎过0.25 mm尼龙筛，称取0.1 g于聚四氟乙烯烧杯中，加入浓硝酸-高氯酸（体积比4∶1）在电热板上消解至澄清;将风干土壤样品磨碎过0.15 mm尼龙筛，称取0.2 g于聚四氟乙烯烧杯中，加入浓硝酸-高氯酸（体积比4∶1）在电热板上消解至澄清。冷却后将溶液转移到50 mL容量瓶中定容，采用石墨炉原子吸收分光光度法测定植物及土壤样品Cd含量。
　　地上部富集系数=植物地上部Cd含量/土壤Cd含量
　　根部富集系数=植物根部Cd含量/土壤Cd含量
　　转运系数=植物地上部Cd含量/植物根部Cd含量 　　1.4 数据分析 试验数据采用开源式统计分析软件R语言（3.6.1版本）进行统计分析。采用独立样本T检验评价两处理之间的差异显著性。表中的数据为平均值±标准差。
　　安徽农业科学2020年
　　2 结果与分析
　　2.1 土壤酸胁迫对种子萌發的影响 由表1可知，在土壤pH为3.0条件下，多年生黑麦草和蒲公英种子都无法正常萌发。在土壤pH为4.5和5.5条件下，酸胁迫对多年生黑麦草种子发芽指数、平均发芽时间的影响存在显著差异（P<0.05），对多年生黑麦草种子发芽势、发芽率和简化活力指数的影响无显著差异（P>0.05）。土壤pH为4.5时，多年生黑麦草种子发芽指数较低，平均发芽时间较短。而蒲公英种子的发芽势、发芽率、发芽指数、简化活力指数和平均发芽时间在土壤pH为4.5和5.5条件下无显著差异（P>0.05）。
　　2.2 土壤酸胁迫对植物生长生理的影响 在土壤pH为3.0条件下，多年生黑麦草和蒲公英都无法正常生长（表2）。在土壤pH为4.5和5.5条件下，酸胁迫对2种植物的株高和根长的影响具有显著差异（P<0.05），对分蘖数、地上部生物量、根部生物量、总生物量和根冠比的影响无显著差异（P>0.05）。当土壤pH由5.5降至4.5时，2种植物的株高降低，根系变长。2种植物的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量在土壤pH为4.5和5.5条件下差异显著（P<0.05）（表3），表明土壤pH为4.5时能促进植物叶绿素合成，叶绿素含量增加。
　　2.3 土壤酸胁迫对植物镉富集能力的影响 土壤酸胁迫对多年生黑麦草和蒲公英的镉富集能力影响很大（表4）。2种植物在pH为3.0的极酸性土壤中不能存活，不具备镉富集能力。当土壤pH由5.5降低至4.5时，多年生黑麦草的地上部Cd含量、根部Cd含量、地上部富集系数和根部富集系数都显著降低（P<0.05），而蒲公英除转运系数显著降低外（P<0.05），其他指标都显著升高（P<0.05）。由表4还可看出，2种植物对Cd的富集主要在根部，根部对Cd的富集能力大于地上部。
　　3 讨论
　　酸胁迫对植物的影响最终反映到植物的生长上，不同的酸梯度对同一植物生长的影响不同，土壤极酸性条件下会导致植物无法正常生长甚至死亡。该研究中，当土壤pH为30时，多年生黑麦草和蒲公英种子不能正常萌发和生长，而较低浓度的酸胁迫（pH 5.5）对多年生黑麦草种子发芽指数具有促进作用。何影等[13]研究了意大利苍耳种子萌发对土壤酸碱度的响应，结果表明，种子的萌发速度和萌发率均随土壤pH的增加而升高，即较低浓度的酸胁迫在一定程度上促进了种子的萌发，与该研究结果相符。造成这一现象的原因可能是低浓度的酸胁迫可提高胚的生理活性，促进萌发;而高浓度酸胁迫对胚、芽等产生了伤害作用，并且高浓度酸胁迫抑制淀粉酶、蛋白酶活性，即抑制种子内贮藏淀粉和蛋白质的分解，从而影响种子萌发所需要的物质和能量，致使种子萌发受到抑制[14]。
　　植物株高、根长、生物量和根冠比等是植物生长的重要指标。该研究发现，多年生黑麦草和蒲公英的株高随土壤pH下降呈明显降低趋势，根系长度随土壤pH下降呈明显增加趋势。蒙程等[5]通过对酸胁迫下紫花苜蓿生长研究发现，强酸性土壤条件下植物的根长有所增加，与该研究结果相一致。原因可能是高浓度酸胁迫下植物通过增加根长来加强对养分的吸收进而减轻酸胁迫的危害。观测植物在不同处理浓度下生物量等生长指标的变化是衡量其对酸胁迫是否具有耐性的重要指标，不同处理间的生物量无显著性差异则说明该植物对酸胁迫的耐性较强，生物量显著减少则说明植物对酸胁迫的耐性较差。在该研究中，多年生黑麦草和蒲公英的地上部生物量、根部生物量、总生物量和根冠比在土壤pH为4.5和5.5条件下无显著差异，且生长状况良好，表明这2种植物在较高浓度的酸胁迫时仍保持较强的耐性。项敬银等[6]对秃瓣杜英的研究发现，酸胁迫能够显著增加植物总生物量的积累。不同植物对酸胁迫敏感性的差异可能是造成试验结果差异的原因。
　　叶绿素是植物进行光合作用的重要物质基础，叶绿素含量降低，光合作用减弱，抑制植物生长。在该研究中，叶绿素a、叶绿素b含量及总量在土壤pH为4.5时较高，此时植物光合作用较强。殷秀敏等[15]研究发现，在植物能够正常生长的情况下，较高浓度的酸胁迫对植物叶绿素含量具有一定的促进作用，与该研究结果一致。但也有研究表明，酸胁迫对植物叶绿素的合成呈现低浓度促进而高浓度抑制的作用[16-17]。胁迫对植物叶绿素的影响可能有2个方面，一方面是叶绿素的合成受阻，另一方面是叶绿素的降解加速，但是酸胁迫下叶绿素含量的变化究竟是影响叶绿素的合成还是降解还未见报道[18]。
　　植物对重金属的富集能力是重金属污染土壤修复时进行植物选择的一个重要指标。超富集植物是指可以超量富集某些重金属元素的植物，理想的Cd超富集植物一般具有以下特征：植物地上部和根部的Cd含量为100 mg/kg以上;植物地上部Cd含量大于根部Cd含量;植物生长良好对Cd具有较强的耐受性[19]。有关Cd超富集植物的研究已有一些报道，如宝山堇菜（Viola baoshanensis）[20]、商陆（Phytolacca americana）[21]、龙葵（Solanum nigrum）[22]、三叶鬼针草（Bidens pilosa）[23]、滇苦菜（Picris divaricata）[24]、东南景天（Sedum alfredii）[25]和忍冬（Lonicera japonica）[26]等对重金属Cd有超富集能力。该研究中，在土壤pH为4.5和5.5条件下，多年生黑麦草根部Cd含量高于100 mg/kg;在土壤pH为45时，蒲公英地上部和根部的Cd含量都高于100 mg/kg，可见2种植物对Cd表现出较强的富集能力。该研究结果显示，多年生黑麦草和蒲公英体内Cd含量表现为根部大于地上部，根部对Cd的富集能力大于地上部的富集能力，与一般Cd超富集植物不同，表明不同植物的不同部位对重金属的富集能力不同[6，9，11，19，27-28]。当土壤pH由5.5下降到4.5时，多年生黑麦草地上部和根部对Cd的富集能力降低，而蒲公英地上部和根部对Cd的富集能力增强，说明酸胁迫对植物Cd富集能力的影响因植物种类的不同而存在明显差异。转运系数也是衡量植物对重金属是否具有富集能力的重要指标，转运系数越大则富集能力越强。该研究中，多年生黑麦草的转运系数小于1，与徐佩贤等[9]的研究结果相同，表明该植物根部对Cd具有较强的富集能力，但是其向植物地上部转移Cd的能力较弱。 　　试验表明，植物对酸胁迫的忍耐能力存在一定的极限，即酸胁迫对植物的影响存在阈值，当酸浓度超过阈值后将导致植物代谢紊乱乃至死亡。不同植物，如景天三七[4]、类芦[29]、秃瓣杜英[6]、紫花苜蓿[5]、刨花楠[18]等对酸胁迫的耐受阈值不同。通常在强酸性土壤中仍能够存活的植物被认为是耐酸性植物。多年生黑麥草和蒲公英对土壤酸胁迫有较强的耐性，在土壤pH为4.5和5.5条件下仍然能够正常生长。但过度的土壤酸化对植物的生长及生理功能会造成明显的抑制。土壤中存在较多的H+为亚铁离子和铝离子的活化提供了条件，放大了铁、铝离子对植物的伤害。因此在酸化土壤中种植植物时应注意调节土壤至最适宜生长的酸度范围。
　　4 结论
　　该试验初步探究了多年生黑麦草和蒲公英在3种土壤酸胁迫条件下的植物生长生理特征及对重金属Cd的富集能力。多年生黑麦草和蒲公英在pH为3.0的极酸性土壤中不能存活，不具备镉富集能力。多年生黑麦草和蒲公英在土壤pH为4.5和5.5条件下仍然能够生长良好，但在酸胁迫下对Cd的富集能力具有明显差异。多年生黑麦草在低浓度酸胁迫下对重金属Cd的吸收和富集能力大于高浓度酸胁迫，蒲公英则表现相反。2种植物根部对Cd的富集能力大于地上部的富集能力。总体而言，多年生黑麦草和蒲公英对土壤酸胁迫具有一定的适应能力，属于耐酸能力较强的植物，在酸性土壤条件下的土壤重金属Cd污染植物修复中有较大的利用潜力，其对酸胁迫响应的生理机制值得进一步深入研究。
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