鎳、鎘單一脅迫對三種園林植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

張俊玉，張海軍，朱夢瑤，金 旭

（安康學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科技學(xué)院，陜西 安康 725000）

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬污染問題日漸嚴重。中國重金屬的主要來源是工業(yè)“三廢”和礦山，20 世紀80 年代以來，國內(nèi)采礦業(yè)粗放式發(fā)展，導(dǎo)致重金屬生產(chǎn)區(qū)對周邊土壤造成嚴重污染［1］。重金屬土壤污染過程中具有長期性、不可降解和不可逆轉(zhuǎn)的特點，導(dǎo)致土壤的肥力與作物產(chǎn)量、品質(zhì)下降［2］。重金屬對植物的影響較大，可以降低種子的發(fā)芽率和脂肪含量，降低植物體內(nèi)一些酶的活性和葉綠素含量，以及抑制植物光合作用和阻滯植物生長發(fā)育等［3］。

重金屬鎘與其他重金屬相比具有高毒性，對環(huán)境的破壞性較大，同時鎘進入食物鏈對生物體的毒害具有隱蔽性和累積性［4］。土壤中微弱的鎳會刺激植物的生長，但過量的鎳會阻滯植物生長發(fā)育，最終導(dǎo)致植物生長不良甚至死亡［5］。2014 年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，鎘與鎳為耕地、草地和未利用地的主要污染物［6］。重金屬具有難降解的特點，在土壤中不斷積累會導(dǎo)致整個食物鏈?zhǔn)艿轿廴荆詈笸ㄟ^多種途徑危害人類健康，因此治理土壤重金屬問題已迫在眉睫［7，8］。隨著工業(yè)化的進程和日常農(nóng)藥等的過度使用，城市中的土壤也受到不同程度的重金屬污染危害。已有關(guān)于重金屬對大田農(nóng)作物類植物相關(guān)影響方面開展的研究較多，而園林植物的相關(guān)研究較少。因此，選擇園林植物為研究對象，探究重金屬對園林植物生長的影響，具有一定的現(xiàn)實意義。

許多學(xué)者就重金屬對植物種子萌發(fā)、植物的生理生化等方面進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)一定濃度的重金屬會對植物產(chǎn)生顯著影響。劉俊祥等［9］的研究表明，草本植物對重金屬的富集能力高于灌木，與Landberg 等［10］的研究結(jié)論一致，這是本試驗選擇草本植物作為研究對象的主要依據(jù)。

本研究選擇3 種花色鮮艷、景觀效果優(yōu)的園林草本植物，從形態(tài)指標(biāo)方面分析重金屬鎳、鎘單一脅迫對3 種園林植物的影響，旨在探索重金屬鎳、鎘單一脅迫對3 種園林植物幼苗生長的影響程度以及對重金屬鎳、鎘單一脅迫的耐性，分析這3 種園林植物在未來人們利用園林植物進行土壤重金屬修復(fù)等方面是否具有一定的利用價值，同時提供一定的科學(xué)研究理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所使用的材料藍花鼠尾草（Salvia farinaceaBenth.）、鳳仙花（Impatiens balsaminaL.）與金雞菊［Coreopsis basalis（A.Dietr.）S.F.Blake］從外地購買，產(chǎn)地是甘肅省和山東省。試驗中重金屬的添加形式為氯化鎳與氯化鎘粉末。試驗在安康學(xué)院江北校區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科技學(xué)院實驗室和苗圃房內(nèi)進行。

1.2 試驗方法

2022 年4—5 月，挑選飽滿均勻的藍花鼠尾草、鳳仙花與金雞菊種子（藍花鼠尾草種子提前用水浸泡24 h，鳳仙花種子與金雞菊種子提前用水浸泡4 h）用濃度為0.4%的高錳酸鉀溶液對種子進行浸泡消毒，10 min 后取出，并用蒸餾水沖洗干凈，再用濾紙吸干表面水分。取3 個規(guī)格為3×5 穴孔的育苗穴盤，用濃度為0.5%的高錳酸鉀噴灑育苗穴盤進行消毒，然后再用清水沖洗干凈，待穴盤風(fēng)干后填充營養(yǎng)土并噴灑透水。撒好種子后在表層覆蓋一層土，每穴20 粒，覆蓋厚度為種子直徑的1.0～1.5 倍。

重金屬離子的處理濃度設(shè)置如表1 所示，重金屬鎳、鎘溶液分別用氯化鎳、氯化鎘粉末配制而成。向各穴盤孔中分別加入配置好的重金屬溶液，以蒸餾水培養(yǎng)為對照（CK）；培養(yǎng)7 d 后測定各項數(shù)據(jù)并記錄。

表1 重金屬Ni2+和Cd2+處理濃度

1.3 測定指標(biāo)

記錄幼苗培養(yǎng)7 d 的發(fā)芽數(shù)，用直尺測量3 種園林植物幼苗的根長、苗長并進行記錄。

式中，Wf為葉片鮮重（g）；Wd為葉片干重（g）；Wt為葉片飽水重（g）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 26.0 統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，使用Excel 2016 軟件整理數(shù)據(jù)并對試驗最終數(shù)據(jù)進行隸屬函數(shù)綜合評價；采用Originpro 2022 軟件繪制雙Y 軸柱狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎳、鎘單一脅迫對3 種園林植物種子相對發(fā)芽率的影響

不同濃度重金屬Ni2+、Cd2+處理對3 種園林植物種子相對發(fā)芽率的影響見表2。隨著Ni2+濃度的增加，3 種園林植物的種子相對發(fā)芽率均小于100%，說明不同濃度的Ni2+對這3 種園林植物的種子萌發(fā)起到一定的抑制作用。隨著Ni2+濃度的增加，3 種園林植物的種子相對發(fā)芽率均逐漸降低。當(dāng)Ni2+濃度為200、500 mg∕L 時，鳳仙花和金雞菊的種子相對發(fā)芽率差異不顯著，藍花鼠尾草的種子相對發(fā)芽率差異顯著；當(dāng)Ni2+濃度為5、50 mg∕L 時，金雞菊和藍花鼠尾草的種子相對發(fā)芽率差異顯著。當(dāng)Ni2+濃度為500 mg∕L 時，鳳仙花、金雞菊和藍花鼠尾草的種子相對發(fā)芽率分別降低至57.15%、38.54%和19.65%，說明Ni2+濃度越高，對這3 種園林植物種子萌發(fā)的抑制作用就越大。

表2 不同濃度重金屬Ni2+、Cd2+處理對3 種園林植物種子相對發(fā)芽率的影響

隨著Cd2+濃度的增加，3 種園林植物種子的相對發(fā)芽率也均小于100%，說明不同濃度的Cd2+對這3種園林植物的種子萌發(fā)同樣起到一定的抑制作用。隨著Cd2+濃度的增加，3 種園林植物的種子相對發(fā)芽率總體呈降低趨勢。當(dāng)Cd2+濃度在25～100 mg∕L 時，鳳仙花的種子相對發(fā)芽率差異不顯著，當(dāng)Cd2+濃度在150、200 mg∕L 時，隨濃度升高3 種園林植物的種子相對發(fā)芽率均呈降低趨勢；當(dāng)Cd2+濃度在100、150 mg∕L 時，藍花鼠尾草的種子相對發(fā)芽率差異不顯著，當(dāng)Cd2+濃度為200 mg∕L 時，藍花鼠尾草的種子相對發(fā)芽率降至11.81%。

2.2 鎳、鎘單一脅迫對3 種園林植物幼苗葉片相對含水量的影響

不同濃度重金屬Ni2+、Cd2+處理對3 種園林植物幼苗葉片相對含水量的影響見表3。通過觀察7 d幼苗的生長情況，發(fā)現(xiàn)添加了重金屬Ni2+、Cd2+的穴盤中幼苗的生長狀況與CK 相比，葉片相對較萎蔫。由表3 可知，隨著Ni2+或Cd2+濃度的增加，3 種園林植物幼苗的葉片相對含水量整體呈降低趨勢。

表3 不同濃度重金屬Ni2+、Cd2+處理對3 種園林植物幼苗葉片相對含水量的影響

鳳仙花的葉片相對含水量隨著Ni2+濃度的增加整體呈緩慢降低趨勢；金雞菊的葉片相對含水量在Ni2+濃度為100 mg∕L 時出現(xiàn)大幅度下降；藍花鼠尾草的葉片相對含水量在Ni2+濃度為500 mg∕L 時下降幅度較大。

不同濃度的Cd2+處理下，藍花鼠尾草的葉片相對含水量的差異較大，尤其是當(dāng)Cd2+濃度為200 mg∕L時，藍花鼠尾草的葉片相對含水量僅為58.75%；Cd2+濃度為200 mg∕L 時，金雞菊的葉片相對含水量為62.97%，相較于同組CK，含水量顯著降低。

總體上每組處理的葉片相對含水量均隨著Ni2+與Cd2+處理濃度的升高而降低，說明重金屬鎳和鎘對這3 種園林植物的含水量有明顯的抑制作用。

2.3 鎳、鎘重金屬單一脅迫對3 種園林植物幼苗相對根（苗）長的影響

由圖1 可知，在Ni2+不同濃度處理下，鳳仙花的相對根（苗）長均顯著低于CK，Ni2+濃度為50 mg∕L 時鳳仙花相對苗長顯著低于Ni2+濃度為5 mg∕L 的相對苗長，相對根長差異不顯著。隨著Ni2+濃度的升高，對鳳仙花根（苗）長的抑制作用逐漸增強，說明Ni2+對鳳仙花幼苗根、苗的生長有抑制作用。在Cd2+處理下，濃度為25 mg∕L 時鳳仙花的相對根長超過100%，對鳳仙花有促進作用，濃度為50 mg∕L 時，相對根長與CK 無顯著差異；相對苗長隨濃度的增加整體呈下降趨勢，且低于100%，與CK 差異顯著。

圖1 不同濃度重金屬Ni2+、Cd2+處理對鳳仙花幼苗生長的影響

由圖2 可知，在Ni2+不同濃度處理下，金雞菊的相對根（苗）長均顯著低于CK，隨著Ni2+濃度的增加，相對根（苗）長整體呈下降的趨勢，說明Ni2+對金雞菊幼苗根系與幼苗的生長有抑制作用；在Ni2+濃度大于200 mg∕L 時，相對根（苗）長呈逐漸降低趨勢。在Cd2+處理下，金雞菊幼苗相對根（苗）長隨Cd2+濃度的增加總體呈降低趨勢，當(dāng)Cd2+濃度為50 mg∕L時，相對苗長相較于Cd2+濃度為25 mg∕L 時有所上升，但仍然低于CK。

圖2 不同濃度重金屬Ni2+、Cd2+處理對金雞菊幼苗生長的影響

由圖3 可知，在Ni2+處理下，藍花鼠尾草的相對根（苗）長均顯著低于CK。隨著Ni2+濃度的增加，相對根（苗）長呈下降趨勢，說明Ni2+對藍花鼠尾草幼苗根苗的生長有抑制作用。在Cd2+處理下，藍花鼠尾草的相對根（苗）長隨Cd2+濃度的增加總體呈降低趨勢，與CK 差異顯著。

圖3 不同濃度重金屬Ni2+、Cd2+處理對藍花鼠尾草幼苗生長的影響

2.4 隸屬函數(shù)法綜合評價結(jié)果分析

采用隸屬函數(shù)評估法對3 種園林植物種子相對發(fā)芽率、幼苗葉片相對含水量、相對根長、相對苗長等數(shù)據(jù)進行綜合評價，結(jié)果如表4、表5 所示。耐重金屬鎳由強到弱依次為金雞菊、藍花鼠尾草、鳳仙花，耐重金屬鎘由強到弱依次是鳳仙花、藍花鼠尾草、金雞菊。

表4 3 種園林植物種子萌發(fā)期對重金屬鎳的耐性隸屬函數(shù)值及綜合評價結(jié)果

表5 3 種園林植物種子萌發(fā)期對重金屬鎘的耐性隸屬函數(shù)值及綜合評價結(jié)果

3 討論與小結(jié)

3.1 討論

本試驗中，2 種重金屬離子在不同的濃度范圍內(nèi)對鳳仙花、金雞菊和藍花鼠尾草3 種園林植物的種子相對發(fā)芽率、葉片相對含水量、相對根（苗）長有不同程度的抑制作用。

種子發(fā)芽率是反映種子發(fā)芽能力的重要參數(shù)，本試驗中發(fā)現(xiàn)不同濃度的重金屬鎘對3 種園林植物種子的萌發(fā)產(chǎn)生了不同程度的抑制作用。隨著Cd2+濃度的增加，抑制作用更加明顯。李爽等［11］和池永清等［12］的試驗均表明重金屬鎘對植物種子的發(fā)芽率有顯著的抑制作用，與本研究結(jié)果一致。本試驗中重金屬鎳脅迫對3 種園林植物種子萌發(fā)的影響也有顯著的抑制作用，當(dāng)Ni2+濃度為5 mg∕L 時，與CK相比，3 種園林植物種子的相對發(fā)芽率明顯下降，隨著Ni2+濃度的不斷升高，抑制作用更加明顯，而苗秀蓮等［13］的試驗中發(fā)現(xiàn)Ni2+脅迫對植物種子的萌發(fā)具有“低濃度促進、高濃度抑制”的作用。

植物葉片是植物進行蒸騰作用與光合作用的主要場所，葉片具有體積小和取樣方便等特點，檢測植物葉片的含水量已成為檢測植物含水量的一個重要參數(shù)［14］。植物葉片含水量可反映植物生長的活躍性和代謝的旺盛性。本試驗研究表明，在重金屬鎳和鎘的單一脅迫下，與CK 相比，3 種園林植物幼苗葉片相對含水量均受到了不同程度的抑制作用。

重金屬脅迫下植物幼苗的相對根（苗）長是反映植物不同器官耐性的重要參數(shù)指標(biāo)。戴敏［15］的試驗表明，隨著Ni2+濃度的升高，對刺槐幼苗根（苗）長的抑制作用越顯著，這與本研究結(jié)果一致。本試驗表明在Cd2+脅迫下，當(dāng)Cd2+濃度為0～25 mg∕L 時，對鳳仙花的相對根（苗）長有著明顯的促進作用，但隨著Cd2+濃度的增加，抑制作用逐漸增強，與張曉宇［16］的結(jié)論一致，Cd2+脅迫對種子萌發(fā)有著“低促高抑”的作用；而Cd2+脅迫下金雞菊和藍花鼠尾草均有顯著的抑制作用。

3.2 小結(jié)

1）在重金屬鎳、鎘單一脅迫下，3 種園林植物的生長指標(biāo)總體均呈隨重金屬離子濃度升高而下降的趨勢。表明重金屬鎳、鎘對3 種園林植物具有一定的毒害性，且濃度越大毒害性越強。

2）采用隸屬函數(shù)評估法得出，3 種園林植物中金雞菊對重金屬鎳的耐性最強，其次為藍花鼠尾草和鳳仙花，表明金雞菊在土壤重金屬鎳污染的治理中有一定的潛力。3 種園林植物中鳳仙花對重金屬鎘的耐性最強，其次為藍花鼠尾草和金雞菊，表明鳳仙花在土壤重金屬鎘污染的治理中也有明顯的生態(tài)修復(fù)作用。

3）不同園林植物對不同重金屬鎳、鎘的單一脅迫存在不同程度的響應(yīng)。在重金屬污染土壤上進行園林植物種植，并開展生態(tài)修復(fù)與治理研究領(lǐng)域，可以發(fā)揮一定的生態(tài)效益與科學(xué)研究參考價值。

本試驗的不足是僅進行了園林植物種子萌發(fā)期和幼苗期受重金屬鎳、鎘的單一脅迫影響研究，未來可以從植物在重金屬污染土壤中的生長情況與吸收重金屬能力等方面進行更深入的研究。