鎘脅迫對高羊茅和黑麥草光合特性及葉綠素熒光參數的影響

劉樂平，范 玟，張宇恒，張秀娟

（1.荊門市彭場林場，湖北 荊門 448269；2.長江大學園藝園林學院，湖北 荊州 434025；3.荊門市規劃勘測設計研究院有限公司，湖北 荊門 448000）

隨著工農業生產、城鎮化的迅速發展，大量重金屬進入土壤，造成土壤污染日趨嚴重［1，2］。植物修復技術已成為重金屬修復類的研究熱點［3］，草坪草對鎘具有很強的吸收效率、高度的耐受能力和優良的遺傳性狀，對修復被鎘污染的土壤具有很大的優勢［4］。高羊茅（Festuca arundinacea）和黑麥草（Lolium perenne）是華中地區廣泛應用的多年生冷季型草坪草［5，6］，具有重要農學價值和經濟效益的栽培牧草和綠肥作物［7-9］。因此，本試驗以高羊茅和黑麥草為試驗材料，研究不同濃度下鎘脅迫對高羊茅和黑麥草的光合特性及葉綠素熒光參數的影響，以期為利用草坪草修復被鎘污染的土壤提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗的植株培養溫度控制在20～25 ℃，光照周期以12 h 光照/12 h 黑暗交替進行，相對濕度為50%～60%。取適量2 種植物種子播種在裝有未受重金屬污染土壤的花盆中（直徑15 cm，高11 cm），將Cd2+設置4 個處理濃度，分別是0（對照）、500、1 000、2 000 mg/kg，每個處理6 個重復，把不同濃度的鎘粉與基質混合均勻，整個試驗持續60 d，2 d 澆1次水，每次澆水標準以達到田間持水量的75%～85%為準，澆水時，確保花盆底部的托盤中無Cd2+溶液滲漏。分別在60 d 后測定其各項光合指標。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 光合作用參數的測定 每個處理隨機取3 株植株，采用LI-6400XT型植物光合測定儀檢測CO2濃度、葉片溫度、光合有效輻射等因素，測定植株葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、細胞間CO2濃度（Ci）及氣孔導度（Gs），并計算水分利用率（WUE=Pn/Tr）。

1.2.2 葉綠素熒光參數測定 每個處理隨機選取5株植株，用葉綠素熒光儀測定光化學淬滅系數（qP）、非光化學淬滅系數（NPQ）和電子傳遞速率（ETR）。由測定的軟件控制并進行自動計算，最大光化學量子產量（Fv/Fm）通過算式Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm計算得出。

1.3 數據分析與處理

采用Excel 軟件進行數據統計，采用SPSS 20.0軟件進行數據分析，繪制圖表使用Origin 2019軟件。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對高羊茅和黑麥草葉片光合作用的影響

由圖1 可知，與對照相比，高羊茅的Pn隨Cd2+濃度升高而下降。黑麥草的Pn變化則相反；高羊茅的Gs隨隨Cd2+濃度升高而下降，黑麥草的Gs呈先升高后降低趨勢。與對照相比，在Cd2+濃度達1 000 mg/kg 和2 000 mg/kg 時，高羊茅的胞間CO2濃度顯著下降；不同濃度Cd2+對黑麥草胞間CO2濃度無顯著影響。除500 mg/kg Cd2+濃度處理黑麥草外，不同濃度Cd2+對2 種草坪草植株的蒸騰速率均產生抑制作用，Cd2+的濃度越高，對蒸騰速率的抑制越明顯，相對于高羊茅的變化，黑麥草的蒸騰速率受到的影響較小。通過計算凈光合速率與蒸騰速率的比值可以得到2 種草坪草的水分利用率，高羊茅和黑麥草出現相反的狀態，高羊茅的水分利用率隨Cd2+濃度的升高而升高，黑麥草則隨Cd2+濃度的升高而降低。

圖1 鎘脅迫對高羊茅和黑麥草葉片光合作用的影響

2.2 鎘脅迫對高羊茅和黑麥草葉綠素熒光參數的影響

由圖2A 可知，在不同濃度Cd2+處理中，高羊茅的Fv/Fm隨著Cd2+的濃度升高而逐步下降；當Cd2+濃度升至500 mg/kg 時，Fv/Fm變化不顯著；當Cd2+濃度高達2 000 mg/kg 時，Fv/Fm明顯低于對照。在Cd2+濃度到達500～2 000 mg/kg 時，與對照相比，黑麥草的Fv/Fm顯著上升；當Cd2+濃度高達1 000 mg/kg 時，黑麥草Fv/Fm上升趨勢較慢。因此，鎘脅迫對黑麥草Fv/Fm的影響更大。

圖2 Cd2+對草坪草葉綠素熒光參數的影響

由圖2B、圖2C 可知，不同濃度Cd2+處理下，高羊茅的qP均低于對照；黑麥草的qP在Cd2+濃度低于1 000 mg/kg 時，隨Cd2+濃度的增加而降低，但變化并不明顯，當Cd2+濃度高達2 000 mg/kg 時，與對照相比，其qP顯著降低。隨著Cd2+濃度的增加，與對照相比，高羊茅和黑麥草的NPQ呈先升高后降低的趨勢。因此，鎘脅迫對高羊茅的qP及NPQ的影響都比黑麥草大。

由圖2D 可知，不同濃度Cd2+處理下，高羊茅和黑麥草的ETR均比對照低，并隨Cd2+濃度增大呈逐漸下降趨勢。與對照相比，在Cd2+濃度為1 000 mg/kg以內高羊茅和黑麥草ETR的下降不顯著，但Cd2+濃度超過1 000 mg/kg 其ETR均顯著下降，其中高羊茅受到的影響更嚴重。

3 討論與小結

葉片是植物進行光合、蒸騰作用的主要器官，葉綠體是進行光合作用的主要場所，氣孔是植物進行蒸騰作用的主要通道，其閉合程度直接影響光合作用、蒸騰作用及植物對水分和無機鹽的吸收［10］。研究表明，在鎘脅迫下，高羊茅的蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度均在Cd2+濃度為1 000 mg/kg 時，與對照相比顯著下降，與孫亞莉等［11］對水稻葉片的研究結果一致，水分利用率隨Cd2+濃度的增加而升高。凈光合速率下降的原因有兩種，一種是受氣孔因素引起，具體表現為Pn、Gs和Ci都下降；另一種是非氣孔因素，具體表現為Pn和Gs下降，Ci上升。本試驗中，在鎘脅迫下，高羊茅的Pn、Gs和Ci均表現為下降，表明高羊茅葉片光合速率受氣孔因素限制。黑麥草在不同濃度的Cd2+脅迫下，凈光合速率與Cd2+濃度呈正相關，但胞間CO2濃度和氣孔導度沒有顯著變化，表明鎘脅迫對黑麥草葉片光合特性的影響不大。

葉綠素熒光中的Fv/Fm是植物PSⅡ反應中心捕獲光能激發能力和效率的重要指標，能反映植物PSⅡ受傷害的程度［12］。高羊茅在不同濃度Cd2+處理中，最大光化學量子產量（Fv/Fm）不僅低于對照，并且隨Cd2+濃度的升高而逐步下降，表明隨著鎘脅迫作用加強，PSⅡ活性受到了較大的傷害，這與自海云等［13］對洋常春藤的研究結果類似。黑麥草的最大光化學量子產量（Fv/Fm）均高于對照，但Cd2+濃度為500、1 000、2 000 mg/kg 的處理組間差異不顯著，說明鎘脅迫對黑麥草PSⅡ活性傷害較小，與陳偉等［14］的研究結論一致。光化學淬滅系數（qP）是由光合作用引起的熒光淬滅，qP可在一定程度上代表電子傳遞的活性［15］，非光化學淬滅系數（NPQ）反映的是PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱能的形式耗散掉的光能部分［16］，電子傳遞速率（ETR）反映光化學中用于碳固定的電子傳遞情況［15］。高羊茅和黑麥草的qP和ETR均隨Cd2+的濃度升高而逐步下降；NPQ均隨Cd2+的濃度升高而呈先升后降的趨勢，表明低濃度的Cd2+可以增大NPQ，若Cd2+的濃度過高則會產生抑制作用，這與王菲等［17］對吊蘭的研究結果一致。

鎘脅迫對高羊茅和黑麥草光合特性及葉綠素熒光參數都具有很大的影響，但總體上高羊茅受到的傷害更嚴重，因此，在修復被鎘污染的土壤中，可以優先選擇耐鎘能力更強的黑麥草。