施N對蜆木苗期鎘脅迫下干物質及N、P、K和Cd積累和分配的影響

韋 宇，譚長強，申文輝，彭 健，韋長江，滕維超

（1.廣西大學 林學院，廣西南寧530004；2.廣西壯族自治區林業科學研究院，廣西南寧530002；3.廣西大學林學院 廣西森林生態與保育重點實驗室，廣西南寧530004；4.廣西大學林學院 中南速生材繁育國家林業和草原局重點實驗室，廣西南寧530004；5.廣西大學林學院 廣西高等學校林業科學與工程重點實驗室，廣西南寧530004；6.廣西大學林學院 亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室，廣西南寧530004；7.廣西壯族自治區國有三門江林場，廣西柳州545006）

人類工業化活動及城市化發展產生各種重金屬污染物。鎘（Cd）可長期滯留在土壤中，易積累且難降解[1]。Cd具有生物毒性，容易被植物吸收，影響植物正常生長[2]。Cd通過抑制光合作用，誘導植物產生活性氧，影響酶的活性及植物體內碳氧平衡，抑制植物的生長代謝[3-4]。Cd會破壞植物線粒體結構，增加氣孔抗性；高濃度Cd會破壞線粒體膜結構，影響ATP合成酶的活性，抑制植物的呼吸作用[5]。氮（N）是植物生長所需的重要營養元素，適當施加N肥可提高植物生物量，增加植物對土壤中Cd等重金屬的耐受性，緩解Cd、鉛（Pb）和銅（Cu）等重金屬對植物的毒害；N還能與重金屬進行交互作用，產生脯氨酸、植物螯合肽和金屬蛋白等對Cd等重金屬進行防御，通過相應的蛋白基因表達產生對Cd等重金屬的抗性[6-8]。

蜆木（Excentrodendron hsienmu）又稱火木，屬椴樹科（Tiliaceae）常綠大喬木，國家二級保護植物。蜆木自然分布于廣西和云南部分海拔700～900 m的熱帶石灰巖山地季雨林，可生長在偏酸性的黃土壤中，其生長量可達到天然林上層木的平均水平[10]。因過分砍伐，蜆木已被列為瀕危樹種。目前，有關蜆木的研究主要集中在光合、生理生化方面[11-12]，有關Cd脅迫及施N對蜆木影響卻鮮見報道。本研究以蜆木為材料，設置不同深度Cd、N處理，采用移植盆栽法，探究Cd脅迫對蜆木苗期生長及營養元素含量與分配的影響，及施N對蜆木對Cd脅迫的緩解效果，為豐富蜆木抗逆性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區林業科學研究院苗圃，屬濕潤亞熱帶季風氣候，年均降水天數160天，具有明顯的干濕季節，年均降水量1 650 mm，主要集中在5—9月[13]。供試土壤為苗圃內20～30 cm深的紅黃壤（表1）。

表1 土壤主要化學性質Tab.1 Main chemical properties of soils

1.2 試驗設計

蜆木苗木為半年齡扦插營養袋苗。設置5個處理 分 別 為0 mg/kg Cd2+(對 照，CK)、30 mg/kg Cd2+（S1）、60 mg/kg Cd2+（S2）、30 mg/kg Cd2++0.4 g/kg CO（NH2）（2S1N1）和30 mg/kg Cd2++0.8 g/kg CO（NH2）2（S1N2），每處理20個重復；土壤N肥和Cd2+供試試劑分別為尿素（CO（NH2）2）和CdCl2·2.5H2O。將土壤風干、粉碎及過篩，備用。Cd2+以CdCl2·2.5H2O（分析純）水溶液的形式一次性加入土壤，混合均勻，在遮雨棚下均衡一周。2021年2月20日，將健壯植株（生物量大致一致，苗高、地徑分別為（30.50±0.10）cm和（30.50±0.10）mm）移栽至直徑為28 cm、高28 cm的塑料盆中，每盆裝土10 kg，每盆栽植1株，在盆下放置塑料托盤；澆水后，將盤內滲出水分倒回盆中，避免Cd流失。按照常規方法進行松土和除草。培養90天后（5月20日）每處理隨機選取3株，將根、莖和葉分別烘干、稱重，分別粉碎裝自封袋，保存。

1.3 指標測定

采用凱氏定N法測定全N含量，采用釩鉬黃比色法測定全P含量，采用火焰光度法測定全K含量[14]。植物體內Cd含量的測定參照黃耿磊等[15]測定方法。

1.4 指標分析

根據試驗始末蜆木各器官生物量計算不同濃度Cd、N處理下植株生物量；根據試驗期間各器官生物量與N、P、K和Cd含量，計算各元素積累與分配特征，以及N/P、P/K值和總的N、P和K利用率[16]。

Cd轉移系數（TF）主要用來評價植物從根部轉移重金屬至地上部分的能力，計算公式為[17]：

1.5 數據處理

采用WPS 11.1.0及SPSS軟件進行數據處理與分析，采用Duncan新復極差法進行多重比較，采用Origin軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同Cd、N處理對蜆木苗期根、莖、葉干重和分配的影響

隨Cd濃度增加，莖、葉和總干重均減少，根干重先減后增，S1處理的根干重、S1和S2處理的莖、葉和總干重均顯著低于CK（P＜0.05）（表2）。在S1處理中加入N，隨N濃度增加，根干重先增后減，莖、葉和總干重均增加，S1N2處理的葉干重、S1N1和S1N2處理的總干重均顯著高于S1處理（P＜0.05）。

隨Cd濃度增加，根、莖干重分配比例均增加，葉和莖葉干重分配比例均減少，S1和S2處理的根、莖干重分配比例均顯著高于CK（P＜0.05），S1和S2處理的葉和莖葉干重分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）（表2）。在S1處理中加入N，隨N濃度增加，根干重分配比例先增后減，莖干重分配比例增加，葉和莖葉干重分配比例均先減后增。

隨Cd濃度增加，根冠比升高，S1和S2處理的根冠比均顯著高于CK（P＜0.05）。在S1處理中加入N，隨N濃度增加，根冠比先升后降（表2）。

2.2 不同Cd、N處理對蜆木N、P、K含量、積累與分配的影響

隨Cd濃度增加，根和葉N含量均先減后增，莖N含量先增后減，S1處理的根N含量、S1和S2處理的葉N含量均顯著低于CK（P＜0.05）；根、莖和葉P含量均先減后增，S1和S2處理的根、莖和葉P含量均顯著低于CK（P＜0.05）；根K含量減少，莖和葉K含量均先減后增，S1和S2處理的根K含量、S1處理的莖和葉K含量均顯著低于CK（P＜0.05）。在S1處理中添加N，隨N濃度增加，根和葉N含量增加，莖N含量先增后減，S1N1和S1N2處理的根和葉N含量、S1N1處理的莖N含量均顯著高于S1處理（P＜0.05）；根和莖P含量均先減后增，葉P含量先增后減，S1N1處理的根和莖P含量均顯著低于S1處理（P＜0.05）；根、莖和葉K含量均增加，S1N2處理的莖K含量、S1N1和S1N2處理的葉K含量均顯著高于S1處理（P＜0.05）（表3）。

隨Cd濃度增加，根N積累量先減后增，莖、葉和總N積累量均減少，S1處理的根N積累量、S1和S2處理的葉和總N積累量、S2處理的莖N積累量均顯著低于CK（P＜0.05）；根、莖P積累量均先減后增，葉和總P積累量均減少，S1和S2處理的根、莖、葉和總P積累量均顯著低于CK（P＜0.05）；根、葉和總K積累量均先減后增，莖K積累量減少，S1和S2處理的根、莖、葉和總K積累量均顯著低于CK（P＜0.05）（表3）。S1處理中添加N，隨N濃度增加，根、葉和總的N積累量均增加，莖N積累量先增后減，S1N1和S1N2處理的根、葉和總N積累量、S1N1處理的莖N積累量均顯著高于S1處理（P＜0.05）；根、莖和總P積累量均先減后增，葉P積累量先增后減，S1N1處理的根和總P積累量均顯著低于S1處理（P＜0.05）；根K積累量先增后減，莖、葉和總K積累量均增加，S1N1和S1N2處理的葉K積累量、S1N2處理的莖和總K積累量均顯著高于S1處理（P＜0.05）。

隨Cd濃度增加，根N分配比例升高，莖N分配比例先升后降，葉和莖葉分配比例降低，S2處理的根N分配比例、S1和S2處理的莖N分配比例均顯著高于CK（P＜0.05），S1和S2處理的葉N分配比例、S2處理的莖葉N分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）；根P分配比例升高，莖P分配比例先降后升，葉和莖葉P分配比例降低，S1和S2處理的根P分配比例顯著高于CK（P＜0.05），S2處理的葉P分配比例、S1和S2處理的莖葉P分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）；根K分配比例升高，莖K分配比例先升后降，葉K分配比例先降后升，莖葉K分配比例降低，S1和S2處理的根和莖K分配比例均顯著高于CK（P＜0.05），葉和莖葉K分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）。S1處理中添加N，隨N濃度增加，根N分配比例先升后降，莖N分配比例降低，葉N分配比例升高，莖葉N分配比例先降后升，S1N1和S1N2處理的莖N分配比例均顯著低于S1處理（P＜0.05），S1N2處理的葉N分配比例顯著高于S1處理（P＜0.05）；根、莖P分配比例先降后升，葉和莖葉的P分配比例先升后降；根和莖K分配比例降低，葉和莖葉K分配比例升高，S1N2處理的根K分配比例顯著低于S1處理（P＜0.05），S1N1和S1N2處理的葉K分配比例、S1N2處理的莖葉K分配比例均顯著高于S1處理（P＜0.05）。

2.3 不同Cd、N處理對蜆木N、P、K化學計量比的影響

隨Cd濃度增加，根的N/P值升高，莖、葉和總N/P值均先升后降，S1處理的莖N/P值、S1和S2處理的總N/P值均顯著高于CK（P＜0.05）（圖1a）；根的P/K值升高，總P/K值降低，莖和葉P/K值均先升后降，S2處理的根P/K值、S1處理的葉P/K值均顯著高于CK（P＜0.05），S1和S2處理的莖P/K值、S2處理的葉P/K值均顯著低于CK（P＜0.05）（圖1b）。

圖1 不同Cd、N處理對蜆木N/P和P/K的影響Fig.1 Effects of Cd,N treatments on N/P and P/K of E.hsienmu

S1處理中添加N后，隨N濃度增加，葉和總N/P值升高，根和莖N/P值先升后降，S1N1和S1N2處理的根、葉和總N/P值、S1N1處理的莖N/P值均顯著高于S1處理（P＜0.05）；葉和總P/K值均降低，根和莖P/K值均先降后升，S1N1處理的根P/K值、S1N1和S1N2處理的莖、葉和總P/K值均顯著低于S1處理（P＜0.05）。

2.4 不同Cd、N處理對蜆木Cd含量、積累與分配的影響

隨Cd濃度增加，根、莖和葉Cd含量、積累量和總積累量均增加，S1和S2處理的根、莖和葉Cd含量、積累量和總積累量均顯著高于CK（P＜0.05）；根Cd分配比例升高，莖、葉和莖葉Cd分配比例均降低，S1和S2處理的根Cd分配比例均顯著高于CK（P＜0.05），S1和S2處理的莖、葉和莖葉Cd分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）（表4）。

在S1處理中添加N，隨N濃度增加，莖、葉Cd含量均減少，根Cd含量先減后增；S1N1和S2N2處理的莖Cd含量均顯著低于S1處理（P＜0.05）（表4）。隨N濃度增加，根、葉和總Cd積累量均先減后增，莖Cd積累量減少；S1N1和S1N2處理的莖積累量、S1N1處理的總Cd積累量均顯著低于S1處理（P＜0.05）。隨N濃度增加，根Cd分配比例升高，莖和莖葉Cd分配比例降低，葉Cd分配比例先升后降；S1N1和S1N2處理的根Cd分配比例均顯著高于S1處理（P＜0.05），S1N1和S1N2處理的莖和莖葉Cd分配比例均顯著低于S1處理（P＜0.05）。

表4 不同Cd、N處理對蜆木Cd含量、積累量及分配比例的影響Tab.4 Effects of Cd and N treatments on Cd content,accumulation and distribution ratio of E.hsienmu

2.5 不同Cd、N處理對蜆木Cd轉移系數（TF）和生物富集系數（BCF）的影響

隨Cd濃度增加，N和K利用率均升高，P利用率先升后降；S1和S2處理的N、P和K利用率均顯著高于CK（P＜0.05）；Cd轉移系數、根和莖葉Cd富集系數均降低，S1和S2處理的Cd轉移系數、根和莖葉Cd富集系數均顯著低于CK（P＜0.05）（表5）。S1處理中添加N，隨N濃度增加，N、K利用率均降低，P利用率先升后降，S1N1處理的P利用率顯著高于S1處理（P＜0.05），S1N1和S1N2處理的N、K利用率均顯著低于S1處理（P＜0.05）；Cd轉移系數降低，根Cd富集系數先降后升，莖葉Cd富集系數降低，S1N1和S1N2處理的Cd轉移系數、莖葉Cd富集系數，S1N1處理的根Cd富集系數均顯著低于S1處理（P＜0.05），S1N2處理的根Cd富集系數顯著高于S1處理（P＜0.05）。

表5 不同Cd、N處理對蜆木N、P和K利用率及Cd的轉移系數和富集系數的影響Tab.5 Effects of Cd and N treatments on N,P and K use efficiencies and TF,BCF of Cd of E.hsienmu

3 討論與結論

3.1 Cd脅迫對蜆木的影響

植物的生長過程中，污染土壤中的Cd容易被植物吸收，并被轉運至地上部分，破壞植物細胞組織，影響植物正常的生長發育[18]。干物質積累的變化最先反映植物對Cd等重金屬脅迫的響應程度[19-20]。本研究表明，Cd脅迫對蜆木總干重有抑制作用；隨Cd濃度增加，抑制作用增強，這與前人研究結論一致[21]。其中，莖、葉和總干重均隨Cd濃度增加而降低，根干重在60 mg/kg Cd濃度下稍微上升，這是因為根系是植物吸收水分和礦物元素的關鍵部分，是感受環境變化最敏感和調節能力最強的器官[22]，蜆木通過增加根系干重可緩解Cd對植物產生的毒害。

Tab.2 Effects of Cd表 an2d N不 tre同atCmde、ntsN o處n d理ry對 m蜆att木er干 we重ig及ht分s a配nd比 di例str的ib影uti響on ratios of E.hsienmu

Tab.3 Effects of C表d a3n d不 N 同treCatdm、enNts處 on理 N對,P蜆 a木nd NK、 coPn和tenKts含,a量ccu、m積ul累ati量on及s a分nd配 d比ist例rib的ut影ion響 ratios of E.hsienmu

N、P和K是植物生長所需的重要營養元素，它們在植物中的積累量和分配情況可反映植物生長狀況和對環境變化的響應情況。在受脅迫環境中，植物通過改變營養元素的分配和利用方式，應對資源的限制[23]。本研究中，隨Cd濃度增加，根、莖和葉的N、P及根、莖的K含量均有不同程度的減少，葉K含量先減后增，說明低濃度Cd脅迫抑制蜆木對營養元素的吸收。植物的N/P和P/K是研究植物受限元素的主要指標，反映植物的生長策略和適應特征。Güsewell[24]研究表明，植物葉片N/P值可作為衡量環境對植物養分狀況限制的指標，陸地植物N/P值小于10時，植物受N限制；N/P值大于20時，受P限制。Willem等[25]對濕地植物的研究表明，N/P值小于14時，植物受N限制；N/P值大于16時，受P限制。在不同環境尺度下，N/P值表征植物受N、P限制的閾值存在不確定性[26]。也有研究表明，相比臨界值14和16，臨界值為10和20更具可靠性[27]。本研究中，隨Cd濃度增加，根的N/P值逐漸上升，莖、葉和總N/P值均先升后降，蜆木根、莖和總N/P值均小于10，說明蜆木苗主要受N的限制；在Cd脅迫下N、P和K的利用率均增加，說明蜆木通過提高N、P和K的利用率來適應Cd脅迫的環境。

根系是植物富集重金屬的重要場所，根系富集系數能反映植物對重金屬的富集能力[28]。本研究中，隨Cd濃度增加，蜆木根和莖葉Cd富集系數均降低；Cd脅迫下，根Cd富集系數高于莖葉，說明蜆木地下部分富集能力高于地上部分。Cd脅迫后，根Cd含量和積累量增加，增加程度大于莖和葉，說明蜆木吸收Cd后，大部分被截留在根系，這與前人研究的結果一致[29-30]。植物還可以將重金屬轉移，適應脅迫環境。重金屬轉移系數是指地上部分重金屬含量與根系部分重金屬含量之比，可用于表現植株向地上部分轉運重金屬的能力，其值越大，該重金屬在植物中的遷移能力越強[31]。陳迪等[32]研究可知，3種Cd濃度下，粗毛牛膝菊（Galinsoga quadriradiata）轉移系數較高，分別為0.93、0.73和1.04，為Cd高富集植物。本研究中，CK處理的蜆木Cd轉移系數為1.395；隨Cd濃度增加，Cd轉移系數降低；2種Cd濃度下，Cd轉移系數分別為0.528、0.369，低于粗毛牛膝菊受Cd脅迫時的轉移系數，但比山茶（Camellia japonica）、繡線菊（Spiraea salicifolia）和桑樹（Morus alba）3個樹種的轉移系數高（0.35～0.50）[17]；2種Cd濃度下，蜆木根的富集系數分別為14.22、11.95，莖葉的富集系數分別為7.62、7.41，均比4種樹種（山礬（Symplocos caudata）、山茶、繡線菊和桑樹）的富集系數高（4個樹種生物富集系數總的變化范圍為0.46～7.01）[17]，說明蜆木富集轉移Cd的能力低于草本植物，高于山礬、山茶、繡線菊和桑樹4種木本樹種。

3.2 Cd脅迫下施N對蜆木的影響

植物受Cd脅迫影響下，施N有利于保護植物葉綠體等光合器官的結構和細胞組織，使葉綠素合成途徑穩定，恢復植物葉綠體的光合速率、電子傳遞速率及PSⅡ最大光化學量子產量，緩解Cd對植物的危害[33-34]。劉新亮等[35]研究表明，不同施N處理顯著提高Cd脅迫下龍葵（Solanum nigrum）根系、地上部分和單株的生物量，顯著促進Cd脅迫下龍葵株高和冠幅生長，能有效減輕Cd對龍葵光合作用的抑制。本研究中，在30 mg/kg Cd濃度下，施N提高蜆木根、莖和葉N、K含量和積累量及總積累量；隨施N濃度增加，葉N分配比例、葉和莖葉K分配比例均上升，說明Cd脅迫下，施N能促進蜆木對N、K元素的吸收和積累。低N（0.4 g/kg）濃度下，根P含量和積累量顯著降低，葉P含量和積累量增加，說明低N有利于葉片P積累；高N濃度（0.8 g/kg）下，葉P積累量與30 mg/kg Cd濃度相同，這可能是因為植物中P能通過衰老葉片的內轉移機制，能夠維持在比較穩定的水平[25]。在30 mg/kg Cd濃度下施N后，蜆木根和莖N/P值及P利用率均先升后降，葉和總的N/P值均升高，P/K值、N和K利用率均降低，說明在Cd脅迫環境下施N，能有效緩解Cd對蜆木吸收N、K元素的限制，增加對P吸收的限制，該結果與譚長強等[36]研究結果相一致。

畢景文等[37]認為植株干物質積累的增加對Cd有稀釋效應，降低植株體內Cd的生理濃度，增強植物的耐Cd能力，施加N有利于植物生長和干物質累積。李艷梅等[38]研究結果表明，施N在促進植物生長的同時，也能促進植物對Cd的吸收和積累。施N還能通過改變土壤pH，影響Cd在土壤中的有效性，影響植物對Cd的吸收[39]。本研究中，在30 mg/kg Cd濃度下施加N，隨N濃度增加，蜆木莖、葉及總干重均增加，根干重先增后減。低N可提高根干重分配比例與根冠比，高N可提高莖、葉的干重分配比例。隨N濃度增加，莖、葉Cd含量降低，根Cd含量先減后增。施N還可以影響植物的Cd轉移系數和Cd在各器官中的分配比例[40]。本研究中，施N處理后，蜆木的Cd轉移系數下降；隨施N濃度增加，地上部分富集系數逐漸降低，Cd在地上部分的分配比例逐漸降低，地下部分富集系數先降后升，Cd在根的分配比例逐漸升高。

綜上所述，Cd脅迫影響蜆木干物質及N、P、K、Cd積累和分配規律，抑制蜆木的生長；施N對Cd脅迫具有明顯的緩解效果，有效促進蜆木干物質及N、P、K和Cd的積累，改變蜆木各器官對Cd的富集能力，增加地下部分的分配比例，減少地上部分的分配比例。本研究表明，蜆木具有較強的對Cd的富集轉移能力，該樹種在Cd污染區域有較高的種植潛力。施N處理可以促進蜆木將更多的Cd富集在根系同時減少Cd在葉片的富集，這是施N處理促進蜆木耐Cd性提升的主要機理。