土壤中鎘離子對紅蕓豆幼苗葉綠素熒光的影響

張 洪，趙麗娟，王創(chuàng)云

（1.山西省分析科學研究院，山西太原030006；2.忻州師范學院生物系，山西忻州034000；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，山西太原030031）

伴隨著城鎮(zhèn)化的持續(xù)進行，城市產(chǎn)生的污水逐日增多，將污水處理后用于農(nóng)業(yè)灌溉是解決水資源短缺的一條可行途徑。我國的污水灌溉從20 世紀50 年代開始推廣，主要經(jīng)歷了起步、發(fā)展、快速發(fā)展3 個階段[1]。在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，來自冶煉、電鍍、采礦產(chǎn)生的污水灌溉極易導致土壤中鎘含量超標，土壤中的鎘離子對植物具有潛在的危害作用，當鎘離子濃度超出一定范圍時，除影響植物的正常生長外，還會導致植物死亡[2]。

紅蕓豆屬豆科菜豆屬，適宜在晉西北干旱溫熱丘陵山區(qū)或溫潤冷涼土石山區(qū)種植，目前在山西忻州地區(qū)神池、五寨、岢嵐3 個縣的種植面積約為0.67 萬hm2，已經(jīng)成為當?shù)剞r(nóng)民重要的經(jīng)濟收入[3]。山西水資源貧乏，污水灌溉面積較大，重金屬鎘極易在土壤中富集，而關于其對紅蕓豆種植的影響尚未見相關報道。

本研究采用手持式葉綠素熒光儀，分析在土壤中不同濃度鎘的脅迫下紅蕓豆幼苗葉綠素熒光參數(shù)的變化，進而辨析鎘對紅蕓豆幼苗光合作用的影響，從而為農(nóng)田土壤中的鎘污染治理提供合理的依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試紅蕓豆品種為金蕓3 號，購買于忻州市匯豐糧業(yè)有限公司。

1.2 主要儀器與試劑

電子分析天平（ME104T，梅特勒），手持式葉綠素熒光儀（配置PEA PLUS 軟件，Pocket PEA，英國Hansatech 公司）；氯化鎘（分析純，南試化學試劑有限公司）、蒸餾水。

1.3 試驗方法

1.3.1 紅蕓豆幼苗種植及鎘脅迫處理 根據(jù)土壤污染的實際程度共設置5 個處理組，其Cd2+質(zhì)量分數(shù)分別為5，10，15，20，25 mg/kg，以一個空白為對照組，每組分別設3 個平行。選取大小相同的紅蕓豆種子放到容器里浸泡12 h，播種到經(jīng)過鎘處理過的育苗盆土壤中，每隔48 h 澆水一次，培養(yǎng)至所有的紅蕓豆幼苗長出2 片子葉，在幼苗長出2 片子葉后的7，14 d 測定其葉片的葉綠素熒光參數(shù)。

1.3.2 葉綠素熒光測定 將葉片夾夾在紅蕓豆幼苗葉片上，并滑動鐵片將葉片夾上的圓孔完全覆蓋，暗適應20 min，暗反應結束后，將手持式葉綠素熒光儀與葉片夾相連接，滑動鐵片露出葉片夾上的圓孔，測該植株的葉綠素熒光值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用PEA PLUS 軟件對試驗所測數(shù)據(jù)進行整理分析。

2 結果與分析

2.1 不同質(zhì)量分數(shù)鎘脅迫7 d 葉綠素熒光參數(shù)的變化分析

從圖1 可以看出，在O- J- I- P 曲線的P 段，鎘溶液質(zhì)量分數(shù)為15 mg/kg 時，熒光強度顯著增強；鎘溶液質(zhì)量分數(shù)為10 mg/kg 時，熒光強度減弱（P＜0.05）；而其他質(zhì)量分數(shù)的鎘溶液對紅蕓豆幼苗的葉綠素熒光效應無顯著性差異。在試驗中，所使用的5 個鎘溶液質(zhì)量分數(shù)脅迫的紅蕓豆幼苗在O- J段與空白對照組相比，均無顯著性差異。當鎘溶液質(zhì)量分數(shù)為15 mg/kg 時，J- I 段、I- P 段、P 段曲線中的紅蕓豆幼苗葉綠素熒光顯著增強，且呈現(xiàn)為擴大趨勢。鎘溶液質(zhì)量分數(shù)為10 mg/kg 時，I- P 段和P段的葉綠素熒光強度開始減弱，且在P 段呈現(xiàn)為顯著減弱效應。

Fv/Fm（即φP0）表示的是反應初始時PSⅡ的最大光能轉換效率，是當所有PSⅡ反應均處于開放狀態(tài)時的量子產(chǎn)量，是應用最廣、使用頻率最高的一個熒光參數(shù)[4]。該參數(shù)在非脅迫條件下變化極小，并不受物種和生長條件的影響，脅迫條件下該參數(shù)會顯著下降[5]。由表1 可知，F(xiàn)v/Fm 在5～15 mg/kg區(qū)間，隨著土壤中鎘離子質(zhì)量分數(shù)的增加，光能轉化率增強，而隨著鎘離子質(zhì)量分數(shù)的進一步增加達到20 mg/kg 時，F(xiàn)v/Fm 開始降低，光和轉化率減弱，與空白對照組相比，光能轉化效率總體呈現(xiàn)下降的趨勢。

表1 鎘處理7 d 后各處理組葉綠素熒光儀的參數(shù)變化

TR0/RC 表示PSⅡ系統(tǒng)中單位反應中心捕獲的光能，鎘離子質(zhì)量分數(shù)為20 mg/kg 處理組的值最大；ET0/RC 表示單位反應中心傳遞的光能，鎘離子質(zhì)量分數(shù)為10，15 mg/kg 處理組的值較大；ABS/RC表示單位反應中心吸收的光能，鎘離子質(zhì)量分數(shù)為10 mg/kg 處理組的值最大；三者在趨勢中均表現(xiàn)為隨著質(zhì)量分數(shù)的升高逐漸上升，當?shù)竭_一定質(zhì)量分數(shù)時，又呈現(xiàn)下降的趨勢。與空白對照組相比，受到不同質(zhì)量分數(shù)鎘污染后，TR0/RC、ET0/RC、ABS/RC總體均呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2 不同質(zhì)量分數(shù)鎘脅迫14 d 葉綠素熒光參數(shù)的變化分析

由圖2 可知，鎘溶液質(zhì)量分數(shù)為5 mg/kg 時，熒光強度最強；質(zhì)量分數(shù)為20 mg/kg 時，熒光強度最弱。鎘離子溶液質(zhì)量分數(shù)為10 mg/kg 時，其熒光強度在O- P 段高于空白對照組，而5，15，25 mg/kg 處理組均是在P 段的熒光強度超過空白對照組。

從表2 可以看出，紅蕓豆幼苗隨著土壤中鎘離子質(zhì)量分數(shù)的升高，F(xiàn)v/Fm 表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，其最高值出現(xiàn)在10 mg/kg，但是與空白對照組相比，總體呈下降趨勢。當土壤中的鎘離子質(zhì)量分數(shù)為15 mg/kg 時，TR0/RC 值最大且高于空白對照組，當鎘離子質(zhì)量分數(shù)為5，10 ，25 mg/kg 時，紅蕓豆幼苗的TR0/RC 值低于空白對照組。在各質(zhì)量分數(shù)鎘離子污染的土壤中，ET0/RC 均小于空白對照組，但是其總體趨勢表現(xiàn)為隨著鎘離子質(zhì)量分數(shù)的增加呈先升高后下降，其出現(xiàn)峰值的質(zhì)量分數(shù)為15 mg/kg。ABS/RC 值在15 mg/kg 處理組顯著上升（P＜0.05），10，20 mg/kg 處理組無顯著性差異，5，25 mg/kg 處理組低于空白對照組，但其總體趨勢也表現(xiàn)為先升高后下降。

表2 鎘處理14 d 后各處理組葉綠素熒光儀的參數(shù)變化

3 結論與討論

本研究結果表明，在鎘處理7 d 時，Cd2+質(zhì)量分數(shù)為15 mg/kg 時，紅蕓豆幼苗葉片的光能轉化率最高，10 mg/kg 處理組最低；而鎘處理14 d 時，質(zhì)量分數(shù)為10 mg/kg 處理組的紅蕓豆幼苗葉片的光能轉化率最高，5 mg/kg 處理組最低，但是隨著鎘處理紅蕓豆幼苗時間的延長，高濃度鎘對紅蕓豆幼苗葉片的光合反應速率抑制作用明顯。

從不同時間段采集的紅蕓豆幼苗葉片的OJIP曲線和所測得相關熒光參數(shù)可以得出，紅蕓豆幼苗隨著土壤中鎘離子濃度的增加，光合反應速率和光量子產(chǎn)量會出現(xiàn)一個暫時的上升，但隨著鎘離子濃度的增加，總體呈現(xiàn)下降趨勢。同樣在為期14 d 的鎘離子對幼苗處理期間，隨著時間的延長，紅蕓豆幼苗的光合反應速率和光量子產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢。究其原因，可能是由于鎘會破壞植物體的光合反應系統(tǒng)[6]，從而導致光量子產(chǎn)量、光合反應速率降低。但是，紅蕓豆幼苗在低濃度Cd 的脅迫下，光量子產(chǎn)量和光合暗反應速率暫時恢復正常，其可能的原因是，植物通過結構和代謝上的變化對逆境進行響應，第一，利用沉積或螯合作用將吸收的Cd 固定，避免其對植物造成傷害；第二，通過改變體內(nèi)代謝過程，使其能夠適應脅迫環(huán)境，主要表現(xiàn)在抗氧化能力、滲透調(diào)節(jié)能力以及植物內(nèi)源物質(zhì)上[7]。

趙子豪等[8]研究發(fā)現(xiàn)，南方四季楊幼苗雌株光合結構對鎘的敏感性明顯高于雄株，在鎘處理的第45 天，其凈光合速率、PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量顯著下降，最小熒光和非光化學淬滅系數(shù)顯著上升，各種表現(xiàn)均表明PSⅡ中心已經(jīng)受到鎘的危害，由此也造成了植物對水分的利用效率顯著降低。鎘脅迫對水稻農(nóng)藝性狀的影響表現(xiàn)出明顯的品種間差異。彭鷗等[9]研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)液中的Cd2+質(zhì)量分數(shù)為1 mg/mL 時，水稻中嘉早17 在不同生育期的根長和株高均顯著降低，水稻不能正常結實，籽粒空癟；水稻泰優(yōu)390 的根長和株高未受到顯著影響，但產(chǎn)量下降了54.62%。趙麗娟等[10]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的Cd2+質(zhì)量分數(shù)在5 mg/kg 時即可引起菠菜幼苗葉綠素含量的顯著下降。

玉米是典型C4 植物，CO2的固定還原分別在葉肉細胞和維管束鞘細胞中進行，研究發(fā)現(xiàn)，Cd2+不僅影響玉米光合器官發(fā)育，還可以破壞光合結構，并通過抑制光化學反應降低玉米光合效率[11]。VACULíK 等[12]分別用5，50 μmol/L 的Cd2+處理玉米幼苗10 d，發(fā)現(xiàn)葉肉細胞結構和葉綠體超微結構未受到影響，但玉米葉鞘細胞和葉綠體類囊體發(fā)生解體；當Cd2+濃度為80 μmol/L 時，葉片光合色素含量降低15%～30%[13]，推測其可能的原因是Cd2+的吸收抑制了Fe 攝入，從而使鐵氧化還原蛋白減少，影響了光誘導的氧化還原反應，導致葉綠素生物合成受損[14]。ANJUM等[15]用225，300，375 μmol/L的Cd2+處理玉米，結果表明，成熟期的玉米葉綠素a、葉綠素b 含量和凈光合速率都呈下降趨勢。植物光合速率由光反應和暗反應2 個階段共同決定，經(jīng)過Cd2+處理后，玉米品種3223 和3299 的Fv/Fm 值分別比空白組下降24%和16%，Cd2+對玉米光化學反應脅迫存在品種之間的差異[16]。

植物對環(huán)境的脅迫最直觀的反應表現(xiàn)在形態(tài)，但往往滯后于生理反應，一旦傷害造成，則難以恢復[17]。葉綠素熒光與植物的光合作用反應過程緊密相關，因此，Cd2+對紅蕓豆幼苗的影響可以通過葉綠素熒光誘導曲線反映出來。在本試驗中，紅蕓豆幼苗的光合速率雖然在低濃度Cd2+的脅迫下出現(xiàn)了暫時性的恢復，但是隨著土壤中Cd2+濃度的增加和脅迫時間的增加，總體仍呈現(xiàn)出下降的趨勢，由此可見，土壤中富集的Cd2+會對紅蕓豆的光合系統(tǒng)產(chǎn)生一定的破壞作用。