土壤酸脅迫對2種植物生長及鎘富集的影響

張帥 方曉晴 萬敏 李映嬌 金建榮 劉姝蕾 陳莉莉

摘要?[目的]探討土壤酸化對植物生長及鎘（Cd）富集能力的影響。[方法]以多年生黑麥草和蒲公英為研究對象，采用盆栽試驗設置pH為3.0、4.5和5.5的3個梯度土壤，研究土壤酸脅迫對2種植物種子萌發、植物生長生理和Cd富集能力的影響。[結果]當土壤pH為3.0時，多年生黑麥草和蒲公英種子不能正常萌發和生長，而較低濃度的酸脅迫（pH 5.5）對多年生黑麥草種子發芽指數具有促進作用。當土壤pH由5.5下降到4.5時，多年生黑麥草和蒲公英的株高顯著降低，根系長度顯著增加，生物量無顯著變化，且生長良好，葉綠素含量顯著增加，表明這2種植物在較高濃度的酸脅迫時仍保持較強的耐性。當土壤pH由5.5降低至4.5時，多年生黑麥草對Cd的富集能力顯著降低，而蒲公英對Cd的富集能力顯著增強。2種植物根部對Cd的富集能力大于地上部的富集能力。[結論]多年生黑麥草和蒲公英在土壤pH為4.5和5.5條件下仍然能夠生長良好，但2種植物在酸脅迫下對Cd的富集能力表現出明顯差異。

關鍵詞?多年生黑麥草;蒲公英;鎘吸收;酸脅迫;植物修復

中圖分類號?X?53文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）17-0104-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.026

開放科學（資源服務）標識碼（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

土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一，也是人類生態環境的重要組成部分。隨著社會的發展，人類為追求經濟利益而忽視對綠色環境的需求所引發的土壤重金屬污染已成為現代科學研究和關注的熱點。我國土壤重金屬污染中，以鎘（Cd）污染最嚴重，且南方地區的Cd重金屬超標比重變化量高于北方[1]。Cd是一種毒性很強的重金屬，通過植物吸收富集進入食物鏈后，會對人類健康造成危害，因此解決土壤Cd污染問題刻不容緩。

植物修復技術是修復Cd等重金屬污染土壤最有效的方法之一，與傳統修復技術如物理、化學修復相比，具有成本低、無二次污染、工程量小和操作簡單等優點[2]，在土壤重金屬污染修復領域得到廣泛關注[3]。我國南方紅壤地區的土壤重金屬污染程度大于北方，與全球變化背景下酸沉降增加、人類活動加劇所導致的南方土壤酸化面積增加有關。當前我國酸化土壤面積約占全國土壤總面積的23%[4]，主要分布在包括云南在內的南方14個省區[5]。酸化改變了整個土壤化學和生物學的性質，活化了重金屬元素，加劇了土壤重金屬污染[6]。在Cd污染植物修復中，土壤酸化會影響植物根系生長[7]，繼而影響根系對Cd的固定[8]。可見，土壤酸化對植物生長及重金屬修復都產生不利影響，且由于土壤酸化面積逐年增加，開展對土壤酸化條件下植物修復重金屬污染研究顯得尤為重要。

近年來，由于園林草本植物具有生長快、生物量大等優勢，將重金屬耐性強的園林草本植物用于重金屬污染土壤的修復日益受專家學者的關注[9]。園林草本植物應用于土壤修復時，不僅能恢復土壤的生物活性，而且能美化環境，具有重要應用價值。且目前用于Cd污染土壤修復的植物主要為1年生，這些植物的地上部在生長季結束后脫落，不能終年覆蓋在地表，因此起不到良好的固定作用[9]。多年生黑麥草（Lolium perenne）和蒲公英（Taraxacum mongoliyascum）是常見的多年生草本植物，生長迅速、根系發達、抗逆性強，在土壤重金屬Cd污染修復方面具有重要研究價值和廣闊應用前景[10]。有關多年生黑麥草和蒲公英對Cd的富集能力研究已有較多文獻報道[9，11-12]，但其在酸性土壤中的種植研究鮮有報道，對其土壤酸脅迫下的適應策略尚不十分清楚。筆者以Cd富集植物多年生黑麥草和蒲公英為研究對象，采用盆栽試驗設計不同強度酸脅迫處理，探討土壤酸化對植物種子萌發、生長生理特性及Cd富集能力的影響，為土壤酸化條件下Cd富集植物的種植和篩選提供科學參考與數據支持，對區域生態環境保護具有重要意義。

1?材料與方法

1.1?試驗材料?供試植物：通過查閱文獻資料、野外調查和室內預試驗，選擇在南方酸性紅壤地區分布廣泛、生長良好的Cd富集植物多年生黑麥草和蒲公英為研究材料，種子購買于玉溪花鳥市場。供試土壤：取自玉溪地區未受Cd污染的0～20 cm表層混合土壤，撿除石塊等雜質，帶回實驗室自然風干、磨細、過5 mm尼龍篩，供盆栽試驗備用。供試土壤的pH為4.5、有機質含量為9.20 g/kg、Cd含量為0.15 mg/kg。供試試劑：試驗過程中所用氯化鎘固體、硫酸、氫氧化鈉等試劑均為分析純。

1.2?試驗設計?將制備好的土壤裝入塑料盆中，每盆裝土4 kg。對土壤進行Cd處理：添加方法是將氯化鎘固體以溶液形式一次性加入供試土壤中，使土壤Cd含量達到50 mg/kg。當外源Cd進入土壤后，由于土壤中各種理化過程，外源Cd在土壤中會發生遷移和各種形態轉化，外源Cd進入土壤后約30 d，土壤中Cd的各種形態基本達到相對穩定。因此，將一定量氯化鎘溶液加入土壤中，混勻后，在室溫下靜置30 d，期間加純凈水4次，使土壤保持濕潤。設置不同的土壤酸脅迫水平：通過向土壤中添加硫酸、氫氧化鈉溶液的方法將土壤pH調節至3.0、4.5、5.5，混勻后，靜置15 d，使酸充分擴散、溶解在土壤中。選取飽滿的植物種子，經消毒和浸種后均勻播種于每盆土壤中，每盆播種50粒，在溫室內培養。在播種后第20天進行間苗，每盆留20株長勢良好、大小一致的幼苗。幼苗成活前，每天傍晚澆水;幼苗成活后，隔天確澆水。根據盆中土壤的干濕程度，確定澆水量（水中未檢出Cd）。每次澆水適量，以剛好潤濕土壤而不從盆底滴漏為宜。植物生長期間采用自然光照，每7 d加1次Hoagland營養液，每次每盆200 mL，注意及時防治病蟲害，并拔除雜草。植物在播種90 d后收獲，取樣測定相關指標。

1.3?指標測定

1.3.1?種子萌發指標。每天觀察種子的發芽情況，記錄發芽數。種子萌發結束后，測量種苗根長和株高。計算種子的發芽勢、發芽率、發芽指數、簡化活力指數和平均發芽時間。

發芽勢（%）=（規定時間內發芽種子數/供試種子數）×100

發芽率（%）=（發芽結束時發芽種子數/供試種子數）×100

發芽指數GI=（Gt/Dt）

簡化活力指數=G×S

平均發芽時間MGT=（Gt×Dt）/∑Gt

式中，Gt為第t天種子的發芽數，Dt為相應的發芽天數，G為發芽率，S為種苗根長和株高之和（cm）。

1.3.2?植物生長生理指標。收獲的植物分為地上部和根部兩部分，用自來水和去離子水洗凈。測量株高、根長，記錄分蘗數。將植物樣品放入烘箱中，于105℃殺青15 min后，再65℃烘干至恒重，用電子天平（精確到0.000 1 g）稱重，計算植物地上部和根部生物量。根冠比為植物根部生物量/地上部生物量。植物葉綠素含量測定采用分光光度法。

1.3.3?植物鎘富集能力指標。將烘干植物樣品磨碎過0.25 mm尼龍篩，稱取0.1 g于聚四氟乙烯燒杯中，加入濃硝酸-高氯酸（體積比4∶1）在電熱板上消解至澄清;將風干土壤樣品磨碎過0.15 mm尼龍篩，稱取0.2 g于聚四氟乙烯燒杯中，加入濃硝酸-高氯酸（體積比4∶1）在電熱板上消解至澄清。冷卻后將溶液轉移到50 mL容量瓶中定容，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定植物及土壤樣品Cd含量。

地上部富集系數=植物地上部Cd含量/土壤Cd含量

根部富集系數=植物根部Cd含量/土壤Cd含量

轉運系數=植物地上部Cd含量/植物根部Cd含量

1.4?數據分析?試驗數據采用開源式統計分析軟件R語言（3.6.1版本）進行統計分析。采用獨立樣本T檢驗評價兩處理之間的差異顯著性。表中的數據為平均值±標準差。

安徽農業科學2020年

2?結果與分析

2.1?土壤酸脅迫對種子萌發的影響?由表1可知，在土壤pH為3.0條件下，多年生黑麥草和蒲公英種子都無法正常萌發。在土壤pH為4.5和5.5條件下，酸脅迫對多年生黑麥草種子發芽指數、平均發芽時間的影響存在顯著差異（P<0.05），對多年生黑麥草種子發芽勢、發芽率和簡化活力指數的影響無顯著差異（P>0.05）。土壤pH為4.5時，多年生黑麥草種子發芽指數較低，平均發芽時間較短。而蒲公英種子的發芽勢、發芽率、發芽指數、簡化活力指數和平均發芽時間在土壤pH為4.5和5.5條件下無顯著差異（P>0.05）。

2.2?土壤酸脅迫對植物生長生理的影響?在土壤pH為3.0條件下，多年生黑麥草和蒲公英都無法正常生長（表2）。在土壤pH為4.5和5.5條件下，酸脅迫對2種植物的株高和根長的影響具有顯著差異（P<0.05），對分蘗數、地上部生物量、根部生物量、總生物量和根冠比的影響無顯著差異（P>0.05）。當土壤pH由5.5降至4.5時，2種植物的株高降低，根系變長。2種植物的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量在土壤pH為4.5和5.5條件下差異顯著（P<0.05）（表3），表明土壤pH為4.5時能促進植物葉綠素合成，葉綠素含量增加。

2.3?土壤酸脅迫對植物鎘富集能力的影響?土壤酸脅迫對多年生黑麥草和蒲公英的鎘富集能力影響很大（表4）。2種植物在pH為3.0的極酸性土壤中不能存活，不具備鎘富集能力。當土壤pH由5.5降低至4.5時，多年生黑麥草的地上部Cd含量、根部Cd含量、地上部富集系數和根部富集系數都顯著降低（P<0.05），而蒲公英除轉運系數顯著降低外（P<0.05），其他指標都顯著升高（P<0.05）。由表4還可看出，2種植物對Cd的富集主要在根部，根部對Cd的富集能力大于地上部。

3?討論

酸脅迫對植物的影響最終反映到植物的生長上，不同的酸梯度對同一植物生長的影響不同，土壤極酸性條件下會導致植物無法正常生長甚至死亡。該研究中，當土壤pH為30時，多年生黑麥草和蒲公英種子不能正常萌發和生長，而較低濃度的酸脅迫（pH 5.5）對多年生黑麥草種子發芽指數具有促進作用。何影等[13]研究了意大利蒼耳種子萌發對土壤酸堿度的響應，結果表明，種子的萌發速度和萌發率均隨土壤pH的增加而升高，即較低濃度的酸脅迫在一定程度上促進了種子的萌發，與該研究結果相符。造成這一現象的原因可能是低濃度的酸脅迫可提高胚的生理活性，促進萌發;而高濃度酸脅迫對胚、芽等產生了傷害作用，并且高濃度酸脅迫抑制淀粉酶、蛋白酶活性，即抑制種子內貯藏淀粉和蛋白質的分解，從而影響種子萌發所需要的物質和能量，致使種子萌發受到抑制[14]。

植物株高、根長、生物量和根冠比等是植物生長的重要指標。該研究發現，多年生黑麥草和蒲公英的株高隨土壤pH下降呈明顯降低趨勢，根系長度隨土壤pH下降呈明顯增加趨勢。蒙程等[5]通過對酸脅迫下紫花苜蓿生長研究發現，強酸性土壤條件下植物的根長有所增加，與該研究結果相一致。原因可能是高濃度酸脅迫下植物通過增加根長來加強對養分的吸收進而減輕酸脅迫的危害。觀測植物在不同處理濃度下生物量等生長指標的變化是衡量其對酸脅迫是否具有耐性的重要指標，不同處理間的生物量無顯著性差異則說明該植物對酸脅迫的耐性較強，生物量顯著減少則說明植物對酸脅迫的耐性較差。在該研究中，多年生黑麥草和蒲公英的地上部生物量、根部生物量、總生物量和根冠比在土壤pH為4.5和5.5條件下無顯著差異，且生長狀況良好，表明這2種植物在較高濃度的酸脅迫時仍保持較強的耐性。項敬銀等[6]對禿瓣杜英的研究發現，酸脅迫能夠顯著增加植物總生物量的積累。不同植物對酸脅迫敏感性的差異可能是造成試驗結果差異的原因。

葉綠素是植物進行光合作用的重要物質基礎，葉綠素含量降低，光合作用減弱，抑制植物生長。在該研究中，葉綠素a、葉綠素b含量及總量在土壤pH為4.5時較高，此時植物光合作用較強。殷秀敏等[15]研究發現，在植物能夠正常生長的情況下，較高濃度的酸脅迫對植物葉綠素含量具有一定的促進作用，與該研究結果一致。但也有研究表明，酸脅迫對植物葉綠素的合成呈現低濃度促進而高濃度抑制的作用[16-17]。脅迫對植物葉綠素的影響可能有2個方面，一方面是葉綠素的合成受阻，另一方面是葉綠素的降解加速，但是酸脅迫下葉綠素含量的變化究竟是影響葉綠素的合成還是降解還未見報道[18]。

植物對重金屬的富集能力是重金屬污染土壤修復時進行植物選擇的一個重要指標。超富集植物是指可以超量富集某些重金屬元素的植物，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含量為100 mg/kg以上;植物地上部Cd含量大于根部Cd含量;植物生長良好對Cd具有較強的耐受性[19]。有關Cd超富集植物的研究已有一些報道，如寶山堇菜（Viola baoshanensis）[20]、商陸（Phytolacca americana）[21]、龍葵（Solanum nigrum）[22]、三葉鬼針草（Bidens pilosa）[23]、滇苦菜（Picris divaricata）[24]、東南景天（Sedum alfredii）[25]和忍冬（Lonicera japonica）[26]等對重金屬Cd有超富集能力。該研究中，在土壤pH為4.5和5.5條件下，多年生黑麥草根部Cd含量高于100 mg/kg;在土壤pH為45時，蒲公英地上部和根部的Cd含量都高于100 mg/kg，可見2種植物對Cd表現出較強的富集能力。該研究結果顯示，多年生黑麥草和蒲公英體內Cd含量表現為根部大于地上部，根部對Cd的富集能力大于地上部的富集能力，與一般Cd超富集植物不同，表明不同植物的不同部位對重金屬的富集能力不同[6，9，11，19，27-28]。當土壤pH由5.5下降到4.5時，多年生黑麥草地上部和根部對Cd的富集能力降低，而蒲公英地上部和根部對Cd的富集能力增強，說明酸脅迫對植物Cd富集能力的影響因植物種類的不同而存在明顯差異。轉運系數也是衡量植物對重金屬是否具有富集能力的重要指標，轉運系數越大則富集能力越強。該研究中，多年生黑麥草的轉運系數小于1，與徐佩賢等[9]的研究結果相同，表明該植物根部對Cd具有較強的富集能力，但是其向植物地上部轉移Cd的能力較弱。

試驗表明，植物對酸脅迫的忍耐能力存在一定的極限，即酸脅迫對植物的影響存在閾值，當酸濃度超過閾值后將導致植物代謝紊亂乃至死亡。不同植物，如景天三七[4]、類蘆[29]、禿瓣杜英[6]、紫花苜蓿[5]、刨花楠[18]等對酸脅迫的耐受閾值不同。通常在強酸性土壤中仍能夠存活的植物被認為是耐酸性植物。多年生黑麥草和蒲公英對土壤酸脅迫有較強的耐性，在土壤pH為4.5和5.5條件下仍然能夠正常生長。但過度的土壤酸化對植物的生長及生理功能會造成明顯的抑制。土壤中存在較多的H+為亞鐵離子和鋁離子的活化提供了條件，放大了鐵、鋁離子對植物的傷害。因此在酸化土壤中種植植物時應注意調節土壤至最適宜生長的酸度范圍。

4?結論

該試驗初步探究了多年生黑麥草和蒲公英在3種土壤酸脅迫條件下的植物生長生理特征及對重金屬Cd的富集能力。多年生黑麥草和蒲公英在pH為3.0的極酸性土壤中不能存活，不具備鎘富集能力。多年生黑麥草和蒲公英在土壤pH為4.5和5.5條件下仍然能夠生長良好，但在酸脅迫下對Cd的富集能力具有明顯差異。多年生黑麥草在低濃度酸脅迫下對重金屬Cd的吸收和富集能力大于高濃度酸脅迫，蒲公英則表現相反。2種植物根部對Cd的富集能力大于地上部的富集能力。總體而言，多年生黑麥草和蒲公英對土壤酸脅迫具有一定的適應能力，屬于耐酸能力較強的植物，在酸性土壤條件下的土壤重金屬Cd污染植物修復中有較大的利用潛力，其對酸脅迫響應的生理機制值得進一步深入研究。

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