鹽和重金屬鎘交互脅迫對互花米草生長的影響

張麗平，周亞圣，侯棟梁，王 韌，蔡金標，劉君成，游巍斌，何東進，5*

（1.福建農林大學林學院，福州 350002；2.福建農林大學生命科學學院，福州 350002；3.福鼎市林業局，福建 福鼎 355200；4.霞浦縣林業局，福建 霞浦 355100；5.福建農林大學金山學院，福州 350002）

互花米草曾分布于美洲大西洋沿岸以及墨西哥灣附近，屬于生命力極強的多年生鹽沼植物[1]，因其瘋狂的擴散能力已對當地潮灘生態系統結構和生態服務功能造成嚴重威脅[2]。互花米草具有發達的地下莖和極強的適應與繁殖能力，于1979年從美國引入[3]。如今其擴散范圍涵蓋我國東部沿海各個灘涂，爆發規模遠大于世界上其他地區[4]。出于保灘護堤，發展沿海養殖業的目的，閩東濱海于20 世紀80年代初從羅源灣引種互花米草，由于其繁殖擴散能力極強，引種成功后嚴重危害當地的生態環境[5-6]。

自然界中重金屬和鹽漬是影響植物健全發育的不可忽視的兩種脅迫因子[7]。鎘是自然環境中對植被毒害性最強烈的重金屬之一，據報道隨著Cd2+濃度的增大，互花米草生長會受到抑制，葉發黃脫落減少，根、莖和葉生物量會隨之降低[8]。而另一種重要的脅迫因子鹽漬，對植物的生長及生理影響也極大，其中又以NaCl 分布范圍最廣和最普遍，大多數植物都形成了針對NaCl 積累的調節機制。閩東濱海濕地距今已有近900 a 的開發歷史，由于人為和自然因素，重金屬通過徑流輸入、 生活污水排放等方式進入濕地環境，進而危害當地濕地生態系統[9]。何東進等[10]通過4 種不同評價方法對閩東濱海濕地重金屬生態風險進行評價和研究，發現重金屬Cd 在該地區重金屬污染級別中被列為重度污染。此外，由于人為因素使該地區鹽堿化問題愈加突出，濕地植被受鹽分脅迫現象極為普遍。目前，許多學者在互花米草防治、開發與利用、 生長及生理響應和入侵機理等方面進行了深入研究，但有關鹽和重金屬Cd 交互脅迫對互花米草生長的影響的研究文獻很少報道[11-12]。鑒于此，本試驗以外來入侵種互花米草幼苗為試驗材料，在閩東濱海濕地開展NaCl 和重金屬Cd 的交互脅迫試驗，分析在不同重金屬Cd 濃度和NaCl 鹽度水平下互花米草生長的變化規律，為找出互花米草在不同鹽浸環境下生長的耐鹽閾值提供數據支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

霞浦縣屬福建省寧德市的下轄縣，介于北緯26°25'～27°9'，東經 119°46'～120°26'之間，受海洋氣候的影響，季風氣候十分明顯，年平均氣溫16 ℃～19 ℃，春季降水豐沛，夏季涼爽多臺風，冬季溫暖，霜雪天氣少見[13]。境內水系發達呈樹狀分布，干流長1 km以上的河流分布有24 條，多年平均徑流量13.38 億m3。地勢特點由東南向西北方向傾斜，西北山巒聳峙，中部丘陵連綿起伏，平原、低山、盆地和山谷互為交錯；東南優良港灣眾多。海岸線長達480 km，淺海灘涂資源豐富，面積約693.33 km2，大小島嶼總計達196個，在福建省各沿海縣（市）均列為首位。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與采樣

試驗地于2015年4月設在霞浦縣武曲村，該研究區域互花米草入侵已有30 多年的歷史，人類活動干擾較小。在互花米草分布密集區設置3 塊面積為8 m×8 m 的試驗樣地，分別在每塊樣地內隨機采集高度、長勢一致的48 株試驗幼苗，并用自封袋裝入帶回實驗室進行盆栽試驗，以供后期互花米草幼苗主要生長指標的測定。

1.2.2 室內試驗處理

將采集的互花米草幼苗移栽到不透水盛有河沙的塑料盆中，每盆種植2 株，共72 盆。參考柴民偉[14]的相關方法，將72 盆互花米草幼苗分成4 個重金屬水平 0、0.2（低）、0.4（中）、0.8（高）mmol/L，編號分別為 Cd0、Cd1、Cd2、Cd3，分為第1、2、3 和 4 組），每水平下6 個處理，每處理3 盆重復，配置1L 營養液，所需 CdCl2分別為 0、0.04、0.08、0.16 g，Na0Cd0為對照。通過參考康浩相關研究[15]，設置6 個鹽脅迫處理：低鹽脅迫（0、100 mmoI/L），中鹽脅迫（300、500 mmoI/L），高鹽脅迫（700、900 mmoI/L），編號分別為 Na0、Na1、Na2、Na3、Na4、Na5。用自來水復壯 7 d后開始進行鹽脅迫和重金屬脅迫處理，以Hoagland 營養液為母液，根據計算量取得 一定質量的NaCl 和CdCl2加入到Hoagland 營養液中，與之混合得到所需濃度的Hoagland 營養液。配置1 L 營養液，所需NaCl分別為 0、6、18、30、42 和 54 g。所有的試驗組第1 次均以100 mmol/L 為起始濃度，并且以200 mmol/L的梯度逐天遞增，直至各預定的脅迫鹽度，第2 次脅迫直接加入所需NaCl 量，無需逐天遞增。所有處理組一次性加入所需的重金屬脅迫濃度。每4 天澆注新鮮脅迫溶液，澆灌量為300 mL，營養液pH 值用KOH 和 HCI 調至（7.48～7.57）。脅迫期為 6 個月，分別在每個月月末取生長良好、高度基本一致的植株，測定其主要生長指標。

1.2.3 指標測定

在脅迫試驗結束后，將各處理組不透水塑料瓶中的互花米草植株全部拔出，用清水清洗，裝入保鮮袋并做好標記，迅速帶回實驗室。在室內將植株根、莖和葉各器官分開，然后放至干燥箱（溫度設為80 ℃）烘干至恒重，最后用電子天平儀器分別對其稱重并記錄干重數據。采用常規方法對株高、莖粗、葉面積、葉寬和葉長等指標進行測定（株高為靠近地表到自然株高，包括母株和克隆株，使用皮尺測量；莖粗則以植株最粗處為測量對象；葉面積用美國L-1I-COR公司生產的LI-3000C 葉面積儀進行測定；葉寬以選取葉片最寬處為測量對象；葉長以選取葉片的最長處為測量對象）。

1.3 數據分析

運用Microsoft Excel 2007 軟件進行數據處理與制圖，采用SPSS 21.0 軟件進行數據統計分析與檢驗。利用單因素方差（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）檢驗不同處理組間樣本的顯著性。采用Person 相關系數法分析植物主要生長指標之間的相關性[16]。

2 結果與分析

2.1 NaCl、CdCl2及其交互脅迫對互花米草株高和莖粗的影響

4 組不同 NaCl 和 CdCl2（Cd 濃度為 0～0.8 mmol/L）濃度交互脅迫下，第1、2 脅迫組互花米草株高和莖粗均在Na2 和Na3 處與對照組Na0Cd0 有顯著差異；第3 脅迫組株高在Na1 和Na2 處與對照組差異顯著，莖粗與對照組無顯著差異；第4 脅迫組株高在Na3 處與對照組差異顯著，莖粗無顯著差異（表1）。由圖1可以得出：第1 組NaCl 單因素脅迫下，互花米草莖粗隨著NaCl 鹽度的增大呈緩慢下降的趨勢，莖粗在 Na0 和 Na1（NaCl 濃度為 0、100 mmol/L）處達到最大值，株高總體呈先降后升的變化趨勢，在Na1（NaCl 濃度為 100 mmol/L）處達到最大值，在 CdCl2單因素脅迫之下，互花米草株高隨著NaCl 濃度的增大先降后升，莖粗呈下降趨勢，兩者都在Na1Cd1 處達到最大值；第2、3 組 NaCl 和 CdCl2交互脅迫下，莖粗和株高均在Na1 和Na0 處達到最大值，出現先升后降的變化規律；第4 組交互脅迫下，互花米草幼苗莖粗和株高隨著NaCl 鹽度的增大均呈下降趨勢，同第3 組一樣，兩者均在Na0 處達到最大值。因此，在重金屬Cd 濃度為0～0.8 mmol/L 的脅迫下，互花米草莖粗、株高對NaCl 耐鹽閾值范圍為0～100 mmol/L。

2.2 NaCl、CdCl2及其交互脅迫對互花米草幼苗葉片的影響

從圖2、圖3中可以得出：在4 組不同 NaCl 和CdCl2（Cd 濃度為 0～0.8 mmol/L）濃度交互脅迫下，第1、2 脅迫組互花米草葉長、 葉寬和葉面積均在Na2和Na3 處與對照組Na0Cd0 有顯著差異（表1）；第3脅迫組葉長和葉面積在Na1 和Na2 處與對照組差異顯著，葉寬無顯著差異；第4 脅迫組葉長在Na3處與對照組差異顯著，葉寬和葉面積無明顯差異。此外，在不同脅迫組處理下互花米草葉寬和葉長最佳值所對應的NaCl 鹽濃度不一樣，主要表現在：第1、2 和3 組中的葉寬和葉長均在Na0 和Na1 處達到最大值，而第4 組中的葉寬和葉長分別在Na0 和Na3處達到最大值；從圖3中可以發現：隨著NaCl 濃度的增大，第1、2 和3 組葉面積表現出先降后升的變化趨勢，而第4 組與前3 組對比葉面積卻表現出相反的變化趨勢；在NaCl 和CdCl2交互脅迫下，4 組葉面積均在Na1 和Na0 處達到最大值，說明在較低的鹽度環境下有利于互花米草葉面積的充分擴展。綜上考慮，在重金屬 Cd（0～0.8 mmol/L）脅迫下，互花米草葉片大小隨著鹽濃度的增大而不斷減少，NaCl 最大耐鹽范圍在100～300 mmol/L 之間。

表1 不同脅迫處理對互花米草形態指標的影響Table 1 Effects of different treatments on morphological index of Spartina alterniflora

圖1 不同脅迫處理下互花米草幼苗株高和莖粗變化特征Figure 1 Variation characteristics of stem diameter and plant height of S.alterniflora seedling under different stress treatments

圖2 不同脅迫處理下互花米草幼苗葉長和葉寬變化特征Figure 2 Variation characteristics of leaf length and leaf width of S.alterniflora seedling under different stress treatments

圖3 不同脅迫處理下互花米草幼苗葉面積變化特征Figure 3 Variation characteristics of leaf area of S.alterniflora seedling at different stress treatments

2.3 NaCl、CdCl2及其交互脅迫對互花米草幼苗生物量的影響

NaCl、CdCl2及其交互脅迫 6 個月后，因脅迫濃度較大且脅迫時間長的原因，Na3Cd3 在10月份出現植株矮化，葉片脫落減少，最后脫水枯萎而死，7個脅迫組中單株葉生物量最小為Na2Cd2 組（1.8 g），其為對照組Na0Cd0 的6.9%。由圖4可知，在脅迫期間，互花米草生物總量隨著鹽度增大總體呈下降趨勢，其中葉生物量最大值出現在Na1Cd0 處理組，在1.6～25.74 g 之間波動，波動幅度大；莖生物量和根生物量分別在 4.02～8.99 g 和 3.06～10.37 g 之間波動，兩者分別在Na0Cd0 和Na1Cd1 組達到最大值，相比葉生物量，兩者波動幅度極小；生物量分配規律為：葉生物量＞根生物量＞莖生物量，根生物量和莖生物量之間的差距隨著脅迫時間的延長逐漸縮小。

圖4 不同脅迫處理下互花米草幼苗生物量分配情況Figure 4 Biomass accumulation and allocation of S.alterniflora seedling under different stress treatments

表2 互花米草形態指標相關分析Table 2 Correlation analysis of morphological index of Spartina alterniflora

2.4 NaCl、CdCl2及其交互脅迫互花米草生長指標相關性分析

由表2可知，互花米草各主要生長指標均表現出顯著正相關性（P＜0.05），其中株高與葉寬相關性最低，與葉長相關性最大，說明互花米草株高的增長伴隨著其他生長指標的增加，葉長最為顯著。葉長和葉寬顯著正相關，說明伴隨著互花米草葉片長度的增加其葉片寬度也增大。葉、莖和根生物量3 者間顯著正相關，葉和根生物量相關性最大，莖和根生物量相關性最小。本研究發現：脅迫4 個月時，互花米草莖和根生物量正相關性是最大的，之所以脅迫6 個月后出現變動可能與盆栽試驗中根部生長空間有限有強烈關系。由表3可知，在 NaCl、CdCl2及其交互脅迫下，鹽度與花米草各生長指標間均表現出負相關，但都不顯著（P＞0.05），CdCl2濃度與株高、葉長和葉面積正相關，與葉寬和葉、莖、根生物量呈負相關，但均不顯著（P＞0.05）。

表3 鹽和鎘濃度因子與互花米草形態指標之間相關分析Table 3 Correlation analysis between salt and cadmium concentrations factors and morphological indices of Spartina alterniflora

3 討論與結論

自然界中當植物處于不同脅迫環境時，其外在形態及生理生化過程都會受到一定程度的限制或影響，最后導致植物生長發育不良，植株矮化現象嚴重[17]。本研究發現重金屬 CdCl2（Cd 濃度為 0～0.8 mmol/L）促進了NaCl 對互花米草的脅迫，各處理組株高、莖粗、葉片大小和生物量隨NaCl 鹽度的增大呈下降趨勢（P＞0.05），這與謝惠玲等[18]研究結果吻合。株高和莖粗隨鹽度增大呈下降趨勢，這可能因為鹽脅迫下導致植株對水的利用率降低[19]，進而影響其生長發育；葉長、葉寬和葉面積呈下降趨勢，可能是因為在NaCl 和CdCl2交互脅迫下對葉片葉綠素b 產生了影響，一定程度上抑制了互花米草的光能收集[20]，進而使植株光合作用下降，能量儲存不足，最終導致葉片發育不良，脫落減少，表明了鹽度對互花米草生長造成了一定的影響；葉、莖和根生物量也呈下降趨勢，特別是根生物量只在3.06～10.37 g 之間波動，可能與盆栽空間有關。

在 NaCl、CdCl2及其交互脅迫下，4 組脅迫組互花米草幼苗各生長指標所對應的NaCl 鹽度值有差異，但均在100～500 mmol/L 之間長勢最好，當NaCl鹽濃度在700～900 mmol/L 之間時，幼苗會出現脫水枯死現象，生物量明顯減少，這與趙吉強等[21]研究的結論吻合，同時說明在低、中鹽脅迫下有利于促進互花米草幼苗的生長，而在高鹽脅迫環境中會明顯受到抑制甚至處于停滯狀態。本研究表明不同濃度重金屬Cd 和NaCl 交互脅迫下縮短了互花米草生長周期，促使互花米草加速生長的同時也正在加速滅亡，這與劉巍、陳偉霆等[22-23]研究的成果一致。大量研究證明，互花米草各生長指標在不同鹽漬水平處理下均表現出顯著的相關性。本研究也顯示互花米草各主要生長指標間均呈顯著正相關（P＜0.05），這與肖強等[24]研究得出的論斷吻合。

綜上所述，在重金屬 Cd 濃度 0～0.8 mmol/L 和NaCl 鹽度為 0～900 mmol/L 的交互脅迫下，加大了NaCl 對互花米草幼苗的毒害，互花米草各主要生長指標均隨著鹽度增大呈下降趨勢；不同鹽浸環境下各主要生長指標耐鹽閾值存在差異，其中株高、莖粗最佳耐鹽范圍為0～100 mmol/L，葉片大小（葉長、葉寬、葉面積）、生物量最佳耐鹽范圍為100～300 mmol/L；當NaCl 濃度大于500 mmol/L（高鹽環境）時，互花米草出現脫水枯死現象。生物量分配規律表現出：葉生物量＞根生物量＞莖生物量；互花米草各主要生長指標間均表現出顯著正相關性（P＜0.05）。鹽度與互花米草各生長指標間均表現出負相關（P＞0.05），CdCl2濃度與株高、葉長和葉面積正相關，與葉寬和生物量呈負相關，但都不顯著（P＞0.05）。