鉛鎘復合脅迫下黃葛樹和女貞的生長生理及吸收特性研究

周強英 黃澤梅 陳 瑤

( 西南大學園藝園林學院，重慶 400715)

伴隨工、農業快速發展以及城市化進程加快，生態環境問題突出。重金屬污染作為最嚴重的環境問題之一引起廣泛關注，土壤重金屬污染多以復合污染為主，尤以鉛（Pb）、鎘（Cd）最為嚴重[1-2]。根據《全國土壤污染狀況調查公報》[3]，Pb、Cd點位超標率為1.5%、7%，分別位居第6位和第1位。Pb、Cd毒性強，微量就會對動植物和人類造成不可逆損害。Pb引起植物矮化、葉片失綠，導致根部中毒、植株枯萎死亡等；Cd移動性大，易破壞植物光合系統，干擾代謝，加速衰老[4]。重金屬間的相互作用對植物生長代謝、重金屬吸收積累和轉運均有影響。如Murtaza等[5]發現與單一污染相比，Pb、Cd復合污染促進馬鞭草（Verbena officinalis）根系累積Cd和地上部積累Pb。目前對于植物修復重金屬污染的研究多集中于農作物、經濟作物等生長緩慢、生物量小的草本植物[6]，對于觀賞價值高、生長迅速、生物量大的速生園林樹木研究較少。木本植物具有較高的經濟和使用價值，有利于實現污染土壤資源化，同時吸收積累污染物后短期內不會釋放到環境中，沒有進入食物鏈的風險，具有明顯的優越性。

與一般木本植物相比，黃葛樹（Ficus virens）、女貞（Ligustrum lucidum）為西南地區鄉土植物，易繁殖、生長速度快，根系發達，具有更強的適應性和抗逆性，被廣泛應用于園林綠化中，而近年來Pb、Cd污染已成為西南地區典型環境污染[7]。本研究采用土壤盆栽方法，通過研究Pb、Cd復合脅迫下黃葛樹、女貞幼苗的生長、生理反應及對Pb、Cd的吸收積累特性，比較2個樹種對Pb、Cd復合脅迫的耐受性和修復潛力，為Pb、Cd污染區域的植物修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以黃葛樹、女貞1年生實生苗為試驗材料，2017年 7月于西南大學校園內（106°24′E，29°48′N）采集的種子在溫室播種，2018年3月選取生長勢基本一致的幼苗移栽至裝有供試土壤5 kg（干質量）的塑料盆中（口徑25 cm，盆深18 cm），盆下墊托盤，每盆種3株，常規管理。供試土壤pH為6.54、有機質含量為1.53%、全氮含量為0.808 g/kg、速效氮含量為68.3 mg/kg、速效磷含量為65.5 mg/kg、速效鉀含量為230.7 mg/kg、總Cd含量為 0.17 mg/kg、總Pb含量為 17.8 mg/kg。

1.2 試驗設計

待幼苗恢復生長60 d后，以乙酸鉛（Pb（CH3COO）2·3H2O）、氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）配制不同濃度Pb、Cd溶液進行1次性土壤澆灌。根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》[8]，設置5個污染水平（表1），每個處理重復5盆。

表1 試驗設計Table 1 The concentration design of Pb and Cd combined pollution

1.3 指標測定

處理前及處理30、60、90 d后測定幼苗株高、地徑。處理90 d后，將材料收獲洗凈烘干至恒質量，稱量地上部和根部干物質量。生物量測定后將材料各部分磨碎過篩（1 mm），硝酸—高氯酸混合消化后用Z-5000原子吸收分光光度計（日立，日本）測定幼苗根部和地上部Pb、Cd含量[9]。處理10、20、30、40 d后，采用丙酮乙醇混合液提取法[9]測定葉綠素含量；硫代巴比妥酸法[9]測定丙二醛（MDA）含量；氮藍四唑法[10]測定超氧化物歧化酶（SOD）活性。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2003、SPSS 16.0和Data Processing System進行數據處理與分析，Origin 2017進行圖表制作。為排除樹種遺傳差異對綜合評價的影響，參照魯艷等[11]方法引入單項指標耐Pb、Cd系數（α），利用主成分分析法和隸屬函數法[10]對2個樹種耐Pb、Cd能力進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 鉛鎘復合脅迫下2個樹種的生長特性

2.1.1 鉛鎘復合脅迫對2個樹種株高凈生長量的影響

由表2可知，復合脅迫前期，黃葛樹除T4外，其余處理組株高增量未受明顯抑制；脅迫90 d后，只有外源Pb達到重度污染時，即T3和T4株高增量比CK下降了18.8%和34.9%，且與CK差異顯著（P＜0.05）。復合脅迫下女貞株高增量均顯著低于CK（P＜0.05），且隨Pb、Cd濃度的增加或時間的延長下降幅度越大；90 d后，T4降至最低，僅為CK的25.7%，且與CK差異極顯著（P＜0.01）。

表2 Pb、Cd復合脅迫對2個樹種株高凈生長量的影響Table 2 Effects on net plant height growth of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.1.2 鉛鎘復合脅迫對2個樹種地徑凈生長量的影響

由表3可知，2個樹種各處理組地徑凈生長量均低于CK，隨時間延長，黃葛樹下降幅度變小。90 d后，黃葛樹T3和T4地徑增量比CK降低了24.5%、48.8%，且與CK差異極顯著（P＜0.01）。當Cd達重度污染時，即女貞T2和T4地徑增量較CK降低了51%、66.7%，且與CK差異極顯著（P＜0.01）。

表3 Pb、Cd復合脅迫對2個樹種地徑凈生長量的影響Table 3 Effects on net ground diameter growth of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.1.3 鉛鎘復合脅迫對2個樹種生物量的影響

由表4可知，Pb、Cd復合污染抑制2個樹種生物量積累，黃葛樹、女貞生物量均在T4降至最低，地上部降至CK的55.2%、25.6%；根部降至CK的67.3%、33.8%；總生物量分別為CK的61.5%、27.6%，且與CK差異極顯著（P＜0.01）。除T1外，其余處理組女貞比黃葛樹下降幅度更大，表明Pb、Cd復合脅迫對女貞生物量的抑制更強。

表4 Pb、Cd復合脅迫對2個樹種生物量的影響Table 4 Effects on biomass of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.2 鉛鎘復合脅迫下2個樹種的生理特性

2.2.1 鉛鎘復合脅迫對2個樹種葉綠素含量的影響

Pb、Cd復合脅迫對2個樹種葉綠素含量的影響見圖1。

圖1 Pb、Cd復合脅迫對2個樹種葉綠素含量的影響Fig. 1 Effects on chlorophyll contents of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

由圖1可知，脅迫20 d后，黃葛樹T1和T2葉綠素含量比CK增加了19.8%、23.6%，差異顯著（P＜0.05）；T3和T4比CK降低了23.7%、44.8%，差異顯著（P＜0.05）。40 d后，各處理與CK間的差異變小。復合脅迫20 d后，女貞葉綠素含量隨Pb或Cd濃度增加而降低，T4比CK降低了38.8%，差異顯著（P＜0.05）。隨時間延長，T1和T3葉綠素含量有所回升，整體來看，女貞葉綠素受Cd影響大于Pb。

2.2.2 鉛鎘復合脅迫對2個樹種MDA含量的影響

Pb、Cd復合脅迫對2個樹種MDA含量的影響見圖2。由圖2可知，Pb、Cd脅迫使2個樹種MDA含量增加，黃葛樹MDA含量隨復合脅迫中Pb或Cd濃度的增加顯著升高（P＜0.05），20 d時，T4達到最大值，為CK的2.5倍，差異顯著（P＜0.05）。女貞 MDA含量隨Pb或 Cd濃度的增加先升后降，T2達到最大值，20、40 d時分別為CK的5.89和3.1倍，差異顯著（P＜0.05）。

圖1 Pb、Cd復合脅迫對2個樹種MDA含量的影響Fig. 2 Effects on MDA contents of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.2.3 鉛鎘復合脅迫對 2個樹種 SOD活性的影響

Pb、Cd復合脅迫對2個樹種SOD活性的影響見圖3。由圖3可知，高濃度Pb、Cd脅迫使黃葛樹SOD活性前期下降，后期升高。T4的SOD活性在10 d時比CK降低了26.9%，差異顯著（P＜0.05）；40 d時，比CK升高了8.6%，差異顯著（P＜0.05）；其余組與CK差異較小。不同脅迫水平下，女貞SOD活性變化無明顯規律，僅在脅迫20 d時，高濃度處理組（除T1外）顯著高于CK（P＜0.05）；其余時間段各處理組與CK間差異不顯著。

圖3 Pb、Cd復合脅迫對2個樹種SOD活性的影響Fig. 3 Effects on SOD activity of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.3 鉛鎘復合脅迫下2個樹種對鉛鎘的吸收特性

由圖4可知，黃葛樹、女貞體內Pb、Cd含量均表現為根部＞地上部。2個樹種各部分Cd含量隨外源Cd濃度增加而增加，Pb含量則未隨外源Pb濃度改變呈現規律性變化，外源Pb達到1 500 mg/kg時，黃葛樹地上部Pb積累量反而下降。黃葛樹地上部累積Pb能力除T4外其余各處理下強于女貞，根部各水平均高于女貞；吸收積累Cd能力則表現為女貞＞黃葛樹。不論地上部或根部，相同Pb濃度下加大Cd濃度均使黃葛樹Pb含量下降、女貞Pb含量上升，差異顯著（P＜0.05）；重度Cd（50 mg/kg）水平下，2個樹種體內Cd含量均隨復合污染中Pb濃度增加而上升，差異顯著（P＜0.05）。

圖4 2個樹種不同部位Pb、Cd積累量Fig. 4 Accumulation of Pb and Cd in different parts of 2 tree species

2.4 2個樹種耐鉛鎘復合脅迫綜合評價

2.4.1 各單項指標耐鉛鎘系數

為減小實驗誤差對研究結果的影響，本研究綜合評價體系中生長指標和生理指標均采用各時間段的平均值。參照魯艷等[11]方法，求出各處理濃度單項指標耐Pb、Cd系數，見表5。

表5 各單項指標耐Pb、Cd系數α值Table 5 The α value of Pb and Cd resistant coefficients for each single index %

2.4.2 2個樹種對鉛鎘復合脅迫耐性綜合評價

由表6可知，提取的2個主成分累計貢獻率達到87.895%（＞85%），表明2個主成分已基本涵蓋原來8個指標的大部分信息。主成分分析總得分＜D＞值表明，綜合耐性黃葛樹（0.629）＞女貞（0.444）。黃葛樹各處理組綜合得分排序為T1（0.827）、T2（0.689）、T3（0.619）、T4（0.382），表明黃葛樹僅在重度Pb+重度Cd脅迫下綜合耐性下降嚴重。女貞各處理綜合得分排序為T1（0.801）、T3（0.503）、T2（0.380）、T4（0.093），升高Cd比升高Pb綜合耐性下降更明顯，表明女貞對Cd的耐性弱于Pb。

表6 2個樹種對鉛鎘復合脅迫耐性的綜合評價Table 6 Comprehensive evaluation of tolerance of Pb and Cd stress of 2 tree species

3 結論與討論

植物在重金屬脅迫下，形態學反應是最直觀的表現，重金屬離子進入植物細胞后影響光合作用和蒸騰作用、干擾營養物質吸收和代謝等，致使植物生長延緩[12]。本試驗中2個樹種在復合脅迫下株高、地徑凈增長量，總生物量均呈現一定程度的降低。但隨著時間延長，黃葛樹下降幅度變小，女貞下降幅度增大，說明黃葛樹自身調節能力較女貞更強。

葉綠素含量高低直接決定植物光合作用水平[13]，重金屬脅迫下葉綠素含量通常呈現一定程度的下降[14]。本試驗中，重度Pb、Cd脅迫下，黃葛樹和女貞葉綠素含量均下降，可能是因為Pb、Cd進入植物體抑制了合成葉綠素的相關酶類或破壞葉綠體結構導致葉綠素合成受阻。重金屬脅迫導致植物體產生過量活性氧，使植物細胞發生膜脂過氧化作用，MDA作為膜脂過氧化產物一定程度上反應了植物受逆境脅迫情況[15]。Murtaza等[5]研究發現小麥隨處理濃度增加體內MDA含量上升、膜穩定指數下降。本試驗組MDA含量均高于對照組，與張家洋等[16]研究相似，表明Pb、Cd脅迫對2個樹種細胞膜造成損害。重金屬脅迫還通過間接激活NADPH氧化酶、擾亂電子傳遞等方式引起ROS產生和清除失衡[17]。有研究表明[18]，抗性強的品種比敏感品種在受到重金屬脅迫時抗氧化酶表現出更強的響應。本試驗中，黃葛樹抗氧化酶表達體系比女貞更活躍，從而對Pb、Cd脅迫表現出更強的適應性，這與陳良華等[7]的研究結果相似。

植物抗污染能力涉及體內多種代謝過程，用單一指標評價難免存在片面性。本試驗通過主成分分析法將8個單項指標綜合成新的、相互獨立的2個綜合指標，利用隸屬函數對綜合指標進行加權平均得到＜D＞值，使2個樹種的Pb、Cd耐性更具可比性。

大多數研究表明植物吸收Pb、Cd后會將其優先積累在根部[7,19]，本試驗中黃葛樹、女貞對Pb、Cd累積均表現為根部＞地上部，這可能是2個樹種自身耐性機制限制Pb、Cd向地上部轉移以減輕毒害。重度Pb濃度下，黃葛樹地上部對Pb的積累反而降低，這與張思悅[20]的研究結果相似，可能是高濃度Pb使植物根系中毒，阻礙了Pb向地上部轉移。本試驗結果顯示黃葛樹比女貞更耐Cd，但黃葛樹地上部和根部Cd積累量均小于女貞，這可能是植物本身的一種耐性機制，減少對相應重金屬的吸收以降低毒害。土壤共存Pb、Cd通常會由于競爭土壤吸附位點而產生交互作用，但針對不同植物表現有差異。王君等[21]發現Cd促進麻櫟根部對Pb的積累，熊春暉等[22]研究表明蓮藕對Pb、Cd的吸收具有協同作用，本試驗中Cd促進女貞但抑制黃葛樹吸收累積Pb，Pb促進重度Cd水平下2個樹種Cd的積累。

綜合研究表明，黃葛樹對Pb、Cd復合脅迫的耐性強于女貞，除重度Pb+重度Cd水平外，其余處理濃度下均表現較強的耐受能力和維持較高的觀賞性，用于修復Pb、Cd復合污染土壤具有較大潛力；女貞則適宜用以修復輕度Pb+輕度Cd污染土壤，或作為重度Pb、Cd污染的指示植物。