銅對三葉草發芽率、抗氧化酶及產量的影響

楊洪嶺

(天津市濱海新區大港環境保護監測站 天津 300270)

銅是植物生長發育必需的微量元素之一，銅離子也常被作為植物生長調節劑和殺菌劑而應用于農業生產中。但隨著近年來工業“三廢”排放量的增加，城市污水灌溉日益普遍，[1]進入土壤環境中的銅逐漸增加。銅在土壤中不能被微生物降解，只可能沿著食物鏈在植物—食草動物—食肉動物—人中逐級傳遞、積累。[2]作為重要的初級生產者，牧草對重金屬的吸收和累積直接影響著畜產品的安全和人類的健康。[3]因此有必要以常見的牧草品種為研究對象，研究土壤中銅離子對牧草的影響。

三葉草是豆科牧草中分布較廣的一年生、二年生或多年生草本植物。該屬約有300種，在農業上有經濟價值的約10余種，我國栽培利用較多的有紅三葉、白三葉、絳三葉和野火球。[4]國內對三葉草的相關研究比較少。相關文獻包括：儲玲等人采用水培的方法研究了銅對三葉草幼苗生長及活性氧化代謝的影響；[5]況武等人研究了白三葉對中低度銅、鎘、鉛復合污染土壤的修復效果；[6]張俠等人研究了 NaCl脅迫對三葉草種子萌發的影響[7]等。

抗性生理學研究發現，植物受到重金屬、干旱、鹽堿、低溫等各種逆境脅迫后，其生長發育及體內抗氧化保護系統等生理生化指標的變化是判斷植物對重金屬耐抗性大小的很好的依據。[8]因此，本文擬從發芽率、抗氧化酶(SOD 和 CAT)以及產量等方面研究三葉草受到銅離子脅迫后的影響，為合理利用三葉草提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為白三葉瑞文德，購自北京克勞沃草業技術開發中心。

1.2 試驗方法

試驗分兩部分內容，發芽試驗于 2013年 4月在室內進行，盆栽試驗于 2013年 4～10月在溫室進行。依據我國土壤環境質量三級標準[9]確定銅離子的濃度，其中應包含濃度較低的二級標準和濃度較高的三級標準，CuSO4·5H2O 的濃度梯度為0,mg/L、50,mg/L、100,mg/L、200,mg/L、300,mg/L、400,mg/L。

發芽試驗選用直徑為 12,cm培養皿，皿內鋪放雙層定性濾紙作為發芽床，將配好的CuSO4溶液倒入培養皿中，直至濾紙飽和。每日用稱重法加蒸餾水恒重，培養溫度為20,℃。每個培養皿中均勻放入50粒三葉草種子，每個處理重復3次。[10]10天后統計發芽率。

盆栽試驗所用基礎土樣取自天津農學院試驗地，土壤未被銅污染。土壤自然風干、粉碎、過 3,mm 篩后，裝入直徑為20,cm 塑料花盆中。將 CuSO4·5H2O 溶液投入供試土壤中，進行盆栽試驗。每個處理重復 3次。澆水后平衡 1周。播種、出苗后每盆定苗 20株。定時澆水，拔除雜草。7月 25日剪取植株相同部位葉片，用蒸餾水洗凈、吸干水分，測量其SOD酶和CAT酶的活性。[11]7月28日和10月9日刈割兩次，測產。

2 結果與分析

2.1 發芽率

通過發芽試驗可以了解種子的生態適應性和抗逆性。牧草種子在重金屬的污染條件下能否正常發芽是牧草能否在受重金屬污染的土壤中生長的先決條件。[12]從表1可以看出，隨著銅離子濃度的增加，三葉草的發芽率出現了“先增加后下降”的變化趨勢。當銅離子濃度為 50,mg/kg時，發芽率最高；銅離子濃度為400 mg/kg時，發芽率最低。這說明低濃度的銅離子能在一定程度上促進三葉草的萌發，當濃度逐漸升高，尤其是高于我國土壤環境質量二級標準(100,mg/kg)后，其發芽率迅速下降，說明高濃度的銅離子對三葉草種子產生了毒害作用。

表1 不同濃度的銅離子對三葉草發芽率、抗性酶活性、產量的影響Tab.1 Effects of different copper ion concentrations on germination rate，resistance activity and production of clovers

2.2 抗性酶活性

從圖1可以看出，隨著銅離子濃度的增加，SOD酶活性呈現出“升—降”的單峰變化趨勢，且當銅離子濃度為100,mg/kg時，酶活性最高。這表明隨著環境中銅離子濃度的增加，三葉草需要產生 SOD酶的量也逐漸增加，以消除自身受到的毒害作用；當銅離子引發的毒害作用超出了 SOD酶正常的保護能力后，其活性迅速下降。

圖1 SOD酶活性的變化Fig.1 Changes of SOD activity

圖2 CAT酶活性的變化Fig.2 Changes of CAT activity

從圖2可以看出，隨著銅離子濃度的增加，CAT酶活性卻呈現出“升—降—升—降”的雙峰變化趨勢，當銅離子濃度為50,mg/kg和300,mg/kg時，CAT酶活性為第1個峰值和第2個峰值，且當銅離子濃度為 400,mg/kg時，CAT酶活性依然高于對照的酶活性。這一結果與孫健等人的研究結果類似。這表明當植物受到逆境脅迫時，CAT的耐受性更高，能夠在抵抗外界重金屬脅迫時發揮更大的作用。[13]

2.3 生物量

從表 1可以看出，當銅離子濃度不高于土壤環境質量二級標準時，與對照相比，三葉草兩次刈割時的產量有一定程度的增加，這表明銅作為植物必需的營養元素之一，在植物生長過程中發揮了應有的生理作用。當土壤中銅離子濃度高于二級標準時，兩次刈割時的產量均下降，這表明銅離子對三葉草的生長產生了負面影響。當然這也說明我國目前的土壤環境質量標準基本適用于北方的堿性土壤。

3 結 論

銅離子為植物生長所必需的微量元素，當環境中銅離子濃度低于我國土壤環境質量二級標準時，對三葉草萌發和生長的脅迫作用不明顯；但當銅離子濃度達到、甚至高于環境質量三級標準時，三葉草的萌發和生長都受到顯著的影響，若將這樣的三葉草飼喂家畜，極有可能影響畜產品的安全，甚至危及人類的健康。■

［1］國家環境保護局.1998年中國環境狀況公報[J].環境保護，1999(7)：3-9.

［2］張國良.外源銅對小麥萌發生長的影響[J].淮陰工學院學報，2003，12(1)：51-54.

［3］孔凡美，史衍璽，馮固，等.AM 菌對三葉草吸收、累積重金屬的影響[J].中國生態農業學報，2007，15(3)：92-96.

［4］全國牧草品種審定委員會.中國牧草登記品種集[M].北京：中國農業大學出版社，1999.

［5］儲玲，王友保，丁佳紅，等.銅對三葉草——土壤酶系統的影響[J].應用生態學報，2005，16(12)：2413-2417.

［6］況武，田偉莉，高全喜.白三葉在銅、鎘、鉛復合污染土壤修復上的應用[J].能源工程，2012(6)：53-56.

［7］張俠，宋莉璐，魏艷麗，等.NaCl脅迫對三葉草種子萌發的影響[J].山東科學，2008，21(5)：11-14.

［8］Van Assche F，Clijsters H.Effects of metal on enzyme activity in plants[J].Plant Cell Environ，1990(13)：195-206.

［9］夏家淇.土壤環境質量標準詳解[M].北京：中國環境科學出版社，1996.

［10］梁云媚，李燕，多立安，等.不同鹽分脅迫對苜蓿種子萌發的影響[J].草業科學，1998，5(6)：21-25.

［11］趙海泉.基礎生物學實驗指導植物生理學分冊[M].北京：中國農業大學出版社，2008.

［12］丁園，劉繼東，陳炳存，等.重金屬脅迫對黑麥草種子萌發的影響[J].江西畜牧獸醫雜志，2005(3)：21-22.

［13］孫健，鐵柏清，錢湛，等.Cu、Cd、Pb、Zn、As復合污染對燈心草的生理毒性效應[J].土壤，2007，9(2)：379-285.