鉛、鎘、銅對4種入侵植物種子萌發及幼苗生長的影響

李瑞莉，齊淑艷，2，劉 娜，陳宏偉

(1.沈陽大學生命科學與工程學院，遼寧 沈陽 110044；2.遼寧省城市有害生物治理與生態安全重點實驗室，遼寧 沈陽 110044)

鉛、鎘、銅對4種入侵植物種子萌發及幼苗生長的影響

李瑞莉1，齊淑艷1，2，劉 娜1，陳宏偉1

(1.沈陽大學生命科學與工程學院，遼寧 沈陽 110044；2.遼寧省城市有害生物治理與生態安全重點實驗室，遼寧 沈陽 110044)

采用紙皿法以去離子水為對照，研究了不同質量濃度Pb2+、Cd2+和Cu2+脅迫對4種入侵植物假酸漿(Nicandraphysaloides)、屋根草(Crepistectorum)、繁穗莧(Amaranthuspaniculatus)和長毛月見草(Oenotheravillosa)種子萌發及幼苗生長的影響，以為入侵植物在重金屬污染土壤治理與修復中的利用提供新思路.結果表明：隨著Pb2+、Cd2+和Cu2+質量濃度的增大，4種入侵植物種子的發芽率、發芽指數、初生根長度、胚芽長度及幼苗的生物量呈下降趨勢.其中，假酸漿種子的發芽率、發芽指數對Pb2+、Cd2+、Cu2+脅迫不敏感(P>0.05)；不同重金屬脅迫對4種入侵植物幼苗生長指標的抑制作用明顯強于種子萌發特性.采用模糊數學隸屬函數法對4種入侵植物進行了耐重金屬脅迫評價，耐Pb2+的強弱順序為：假酸漿>屋根草>長毛月見草>繁穗莧；耐Cd2+的強弱順序為：假酸漿>屋根草>長毛月見草>繁穗莧；耐Cu2+的強弱順序為：假酸漿>屋根草>長毛月見草>繁穗莧.綜合分析假酸漿種子對重金屬Pb2+，Cd2+和Cu2+的耐性較強，在土壤重金屬污染治理中具有較大的應用潛力.

入侵植物；種子萌發；幼苗生長；Cu2+；Pb2+；Cd2+

土壤是經濟社會可持續發展的物質基礎，近年來由于人類活動和工業生產的發展，環境污染越來越嚴重，其中土壤重金屬污染已成為全球迫切需要解決的環境問題.2016年5月31日國務院正式頒發了《土壤污染防治行動計劃》，指出目前我國耕地質量等級劣質率為27.9%，明確我國土壤污染防治的工作目標為：到2020年，受污染耕地安全利用率達到90%左右，污染地塊安全利用率達到90%以上；到2030年，受污染耕地安全利用率達到95%以上，污染地塊安全利用率達到95%以上.因此，對污染土壤的修復工作迫在眉睫.目前，修復重金屬污染土壤的方法中植物修復最具優勢[1].在自然界中不同植物對重金屬的耐受性不同，目前國內外發現的超富集植物達700多種，[2]其中有一些為外來入侵植物[3-5].外來入侵植物具有傳播能力強、生態適應能力強、繁殖能力強、生物量大等特點；同時，有的種類也具有觀賞價值.

長毛月見草(Oenotheravillosa)、假酸漿(Nicandraphysaloides)、屋根草(Crepistectorum)、繁穗莧(Amaranthuspaniculatus)在我國均為外來入侵植物，目前在遼寧省均有分布[6].野外調查發現，長毛月見草在沈陽渾河西峽谷岸邊及細河流域形成了單優種群；屋根草在沈陽丁香湖附近的荒地也形成了單優種群；繁穗莧在遼陽的薈萃湖旁原為觀賞植物，現逸為野生，其植株高、種子量大；假酸漿曾經作為藥用和觀賞植物栽培，現逃逸至荒地和綠地中生長.沈陽作為重工業基地，細河流域土壤重金屬污染嚴重[7].種子的萌發是從潛在種群轉變為現實種群的關鍵環節，對種群個體的繁殖、定居、擴散以及抵御不良環境有著極其重要的作用.本文選擇上述4種入侵植物作為研究對象，通過外源添加重金屬Pb2+、Cd2+、Cu2+，觀察了4種植物的種子萌發及幼苗生長對Pb2+、Cd2+、Cu2+脅迫做出的響應，以期篩選出對重金屬離子有較強耐受力的植物，為入侵植物在重金屬污染土壤治理與修復中的利用提供新思路.

1 材料與方法

1.1 供試材料

長毛月見草、假酸漿、屋根草和繁穗莧的種子由遼寧省城市有害生物治理與生態安全重點實驗室提供.

1.2 實驗設計

分別設定重金屬離子質量濃度梯度，Pb2+為250，500，1 000，1 500，2 000 mg/L；Cd2+為10，50，100，150，200 mg/L ； Cu2+為25，50，100，200，400 mg/L.去離子水處理為對照(CK)[8-12].

1.3 實驗方法

實驗采用紙皿法：在直徑12 cm的培養皿內鋪雙層濾紙，每皿分別放置不同種子30粒，每個處理3次重復.將培養皿置于型號為PQX-330A-22HW的人工氣候箱(溫度25℃，濕度70%，光照12 h/黑暗12 h)中，每隔24 h觀察并記錄.發芽以胚根露白為標準，第7天觀察結束后，于每皿隨機取10株幼苗測量其初生根長度、胚芽長度(包括胚軸和頂芽)[13]，電子天平(1/10 000)稱其全株鮮重，并記錄.

1.4 統計及計算

(1)發芽率=發芽種子數/ 供試種子數×100%.

(2)發芽指數(GI)=∑(Gt/Dt) .式中：Gt為日發芽個數，Dt為發芽天數.

采用模糊數學隸屬函數法分別對4種外來入侵植物種子萌發期對Cu2+、Pb2+、Cd2+的耐性進行綜合評價.耐性評價以發芽率、發芽指數、幼根長度、胚芽長度、幼苗生物量5個指標進行綜合評價[14].

隸屬函數值計算公式為：R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中：X為參試植物某一指標的測定值；Xmax和Xmin分別為所有供試材料中該指標的最大值和最小值.計算出相對發芽率、相對發芽指數、相對初生根長、相對胚芽長度和相對幼苗生物量.將隸屬函數值進行累加，并求得平均數：Xi=∑Xij/n.

綜合評價：將各隸屬函數值進行計算，取平均值.均值越大，說明耐性越強.

采用Excel 對所統計數據進行整理、計算；采用DPS統計軟件，利用差異顯著性分析(Tukey)進行實驗統計分析.

2 結果與分析

2.1 不同質量濃度Pb2+脅迫對4種入侵植物種子萌發和幼苗生長的影響

2.1.1 不同質量濃度Pb2+脅迫對4種入侵植物種子發芽率和發芽指數的影響

不同質量濃度的Pb2+對4種入侵植物種子發芽率的影響見表1.隨著Pb2+質量濃度的增加，假酸漿、屋根草、繁穗莧和長毛月見草種子的發芽率均呈下降趨勢.Pb2+質量濃度為2 000 mg/L時，屋根草和長毛月見草種子的發芽率與CK相比差異顯著(P<0.05)，其他各處理條件下4種植物種子的發芽率與CK相比差異不顯著(P>0.05).假酸漿、繁穗莧和長毛月見草的種子發芽率在不同處理之間呈現上升—下降的變化，但差異不顯著(P>0.05).

隨著Pb2+質量濃度的增加，4種入侵植物種子的發芽指數均呈下降趨勢(見表1).假酸漿和繁穗莧的種子在Pb2+質量濃度為250～2 000 mg/L時，屋根草的種子在Pb2+質量濃度為250，500 mg/L時，長毛月見草的種子在Pb2+質量濃度為250～1 500 mg/L時，發芽指數與CK相比差異不顯著(P>0.05)；屋根草和長毛月見草種子的發芽指數在其他各處理條件下，與CK相比差異顯著(P<0.05).

表1 不同質量濃度Pb2+處理下種子的萌發特性

注：同列不同小寫字母代表各指標之間差異顯著(P<0.05)，下同.

2.1.2 不同質量濃度Pb2+脅迫對4種入侵植物幼苗生長的影響

不同質量濃度Pb2+對4種入侵植物幼苗生長的影響見表2.隨著Pb2+質量濃度的增大，4種入侵植物初生根長度、胚芽長度以及幼苗生物量均呈下降趨勢.在Pb2+質量濃度為250 mg/L時，假酸漿幼苗的胚芽長度和生物量以及屋根草幼苗的生物量與CK相比差異不顯著(P>0.05)；其他各處理條件下，4種植物幼苗的初生根長度、胚芽長度、幼苗生物量與CK相比均差異顯著(P<0.05).

表2 不同質量濃度Pb2+處理下植物幼苗生長情況

注：“—”表示種子萌發后未生長，下同.

2.1.3 4種入侵植物種子萌發期耐Pb2+的綜合評價

采用模糊數學隸屬函數法，對4種入侵植物種子的相對發芽率、相對發芽指數、相對胚芽長度、相對初生根長度以及相對幼苗生物量進行隸屬函數值計算，結果(見表3)表明，4種入侵植物種子耐Pb2+脅迫的強弱順序為：假酸漿>屋根草>長毛月見草>繁穗莧.

表3 4種入侵植物種子萌發期對Pb2+的耐性隸屬函數值及綜合評價值

2.2 不同質量濃度Cd2+脅迫對4種入侵植物種子萌發和幼苗生長的影響

2.2.1 不同質量濃度Cd2+脅迫對4種入侵植物種子發芽率和發芽指數的影響

不同質量濃度的Cd2+對4種入侵植物種子的發芽率影響見表4.隨著Cd2+質量濃度的增加，假酸漿、屋根草、繁穗莧和長毛月見草種子的發芽率均呈下降趨勢.只有在Cd2+質量濃度為200 mg/L時，屋根草種子的發芽率與CK相比差異顯著(P<0.05)，其他處理條件下，4種植物種子的發芽率與CK相比差異均不顯著(P>0.05).

不同質量濃度Cd2+脅迫對4種外來入侵植物種子的發芽指數影響見表4.隨著Cd2+質量濃度的增加，屋根草、繁穗莧和長毛月見草種子的發芽指數呈下降趨勢.在Cd2+質量濃度為150，200 mg/L時，屋根草種子的發芽指數與CK相比差異顯著(P<0.05)；當Cd2+質量濃度為200 mg/L時，假酸漿、繁穗莧以及長毛月見草種子的發芽指數與CK相比差異顯著(P<0.05)；假酸漿種子的發芽指數在Cd2+質量濃度為10～100 mg/L時略高于CK，但差異不顯著(P>0.05).

表4 不同質量濃度Cd2+處理下種子的萌發特性

2.2.2 不同質量濃度Cd2+脅迫對4種入侵植物幼苗生長的影響

不同質量濃度的Cd2+對4種入侵植物幼苗生長的影響見表5.隨著Cd2+質量濃度的增加，4種入侵植物的初生根長度、胚芽長度以及幼苗生物量均呈下降趨勢.假酸漿初生根長度、胚芽長度在Cd2+質量濃度為10 mg/L時、幼苗的生物量在Cd2+質量濃度為10和50 mg/L時，與CK相比差異不顯著(P>0.05)；屋根草的胚芽長度在Cd2+質量濃度為10和50 mg/L時、幼苗的生物量在Cd2+質量濃度為10 mg/L時，與CK相比差異不顯著(P>0.05)；繁穗莧初生根長度在Cd2+質量濃度為10 mg/L時，與CK相比差異不顯著(P>0.05).其他各處理條件下，假酸漿、屋根草和繁穗莧的幼苗生長指標與CK相比均差異顯著(P<0.05).而長毛月見草初生根長度、胚芽長度和幼苗的生物量在Cd2+質量濃度為10～200 mg/L 范圍內，與CK相比均差異顯著(P<0.05).

表5 不同質量濃度Cd2+處理下植物幼苗生長情況

2.2.3 4種入侵植物種子萌發期耐Cd2+的綜合評價

采用模糊數學隸屬函數法，對4入侵植物種子的相對發芽率、相對發芽指數、相對胚芽長度、相對初生根長度以及相對幼苗生物量進行隸屬函數值計算，結果(見表6)表明，耐Cd2+的強弱順序為：假酸漿>屋根草>長毛月見草>繁穗莧.

表6 4種入侵植物種子萌發期對Cd2+的耐性隸屬函數值及綜合評價值

2.3 不同質量濃度Cu2+脅迫對4種入侵植物種子萌發和幼苗生長的影響

2.3.1 不同質量濃度Cu2+脅迫對4種入侵植物種子發芽率和發芽指數的影響

隨著Cu2+質量濃度的增加，4種入侵植物的種子發芽率均呈下降趨勢(見表7).在不同質量濃度Cu2+處理下假酸漿種子的發芽率，與CK相比差異均不顯著(P>0.05).Cu2+質量濃度為400 mg/L時，屋根草和長毛月見草種子的發芽率與CK相比差異顯著(P<0.05)；Cu2+質量濃度為200，400 mg/L時繁穗莧種子的發芽率與CK相比差異顯著(P<0.05)；其他處理條件下，屋根草、繁穗莧和長毛月見草的種子發芽率與CK相比差異均不顯著(P>0.05).

隨著Cu2+質量濃度的增加，4種入侵植物的種子發芽指數均呈下降趨勢(見表7).假酸漿、屋根草的種子在Cu2+質量濃度為400 mg/L時，繁穗莧的種子在Cu2+質量濃度為200，400 mg/L時，長毛月見草的種子在Cu2+質量濃度為100～400 mg/L時，發芽指數與CK相比差異均顯著(P<0.05)；其他處理條件下，4種植物種子的發芽指數與CK相比差異均不顯著(P>0.05).

表7 不同質量濃度Cu2+處理下種子的萌發特性

2.3.2 不同質量濃度Cu2+脅迫對4種入侵植物幼苗生長的影響

不同質量濃度的Cu2+處理對4種入侵植物幼苗生長的影響較為明顯(見表8)，4種入侵植物的初生根長度、胚芽長度以及幼苗的生物量均呈下降趨勢.只有Cu2+質量濃度為25 mg/L時假酸漿的胚芽長度與CK相比差異不顯著(P>0.05)；其他處理條件下，屋根草、繁穗莧、長毛月見草的幼苗生長指標與CK相比差異均顯著(P<0.05)；Cu2+質量濃度為100～200 mg/L時，幼苗生長受到嚴重抑制，表現為未生長.

表8 不同質量濃度Cu2+處理下植物幼苗生長情況

2.3.3 4種入侵植物種子萌發期耐Cu2+的綜合評價

采用模糊數學隸屬函數法，對4種入侵植物種子的相對發芽率、相對發芽指數、相對胚芽長度、相對初生根長度以及相對幼苗生物量進行隸屬函數值計算，結果(見表9)表明，耐Cu2+的強弱順序為：假酸漿>屋根草>長毛月見草>繁穗莧.

表9 4種入侵植物種子萌發期對Cu2+的耐性隸屬函數值及綜合評價值

3 結果與討論

土壤被重金屬污染后植物生長發育會受到一定的影響.植物種子在重金屬污染條件下能否正常發芽是植物能否生長的先決條件.發芽率、發芽指數是評價種子發芽的常用指標.本研究采用不同質量濃度的Pb2+、Cd2+和Cu2+處理假酸漿、屋根草、繁穗莧和長毛月見草4種外來入侵植物種子，結果顯示：隨著Pb2+、Cd2+和Cu2+濃度的增加，4種入侵植物的發芽率、發芽指數均呈下降趨勢；但同一濃度的Pb2+、Cd2+和Cu2+對4種植物的抑制程度不同，同一種植物的種子萌發特性對不同重金屬離子脅迫的響應也不同.本實驗中，在Pb2+質量濃度為250～2 000 mg/L時，只有屋根草和長毛月見草的種子發芽率在2 000 mg/L Pb2+脅迫處理時下降幅度較大，對其脅迫較為敏感，與CK相比差異顯著(P<0.05)，而其他各處理種子發芽率下降比較緩慢，與CK相比差異均不顯著(P>0.05)，表現出在該濃度范圍內4種入侵植物對Pb2+脅迫具有較強的適應性.Cd2+質量濃度為10～200 mg/L時，屋根草的種子發芽率在200 mg/L處理時受到顯著抑制(P<0.05)，而其他各處理種子發芽率下降比較緩慢，與CK相比差異均不顯著(P>0.05)，表現出在該濃度范圍內4種入侵植物對Cd2+脅迫具有較強的適應性.不同質量濃度 Cu2+脅迫處理對4種植物種子發芽率的抑制作用不同，假酸漿的種子發芽率在Cu2+質量濃度為25～400 mg/L時下降緩慢，與CK相比差異不顯著(P>0.05)；屋根草、繁穗莧和長毛月見草種子的發芽率分別在Cu2+質量濃度≥100，200，400 mg/L時，與CK相比差異顯著(P<0.05).不同質量濃度Pb2+、Cd2+和Cu2+對種子活力也有較大影響，發芽指數的變化規律與發芽率基本相同.本文的研究結果表明，不同質量濃度的重金屬脅迫處理，植物發芽率、發芽指數呈現低濃度誘導高濃度抑制的變化規律，這與已有的文獻報道一致[15].

實驗結果顯示，隨著Pb2+、Cd2+和Cu2+質量濃度的增加，假酸漿、屋根草、繁穗莧和長毛月見草的初生根長度、胚芽長度和幼苗生物量均呈下降趨勢，各質量濃度Pb2+、Cd2+和Cu2+處理均對幼苗生長產生抑制作用，且隨著濃度升高抑制作用增強.當Pb2+、Cd2+和Cu2+質量濃度達到一定量值時，4種植物幼苗生長均受到嚴重抑制而表現出未生長現象.有研究表明，產生這種現象的原因可能是隨著重金屬濃度的增大，植物體內活性氧自由基的產生進一步增多，嚴重干擾抗氧化酶等保護酶的活性，打破了細胞氧化還原平衡，造成代謝紊亂，從而表現為植物生長受到抑制[16-18].

不同植物、不同的生長指標對不同重金屬的耐受程度不同[19].采用不同的植物生長指標評價植物對重金屬的耐受程度可能得到不盡相同的結果，而采用隸屬函數值平均法既可消除個別指標帶來的片面性，又可使各材料耐性差異具有可比性.本實驗采用性狀相對值對植物的重金屬離子耐受性進行了隸屬函數值綜合評價分析，結果表明，假酸漿種子在萌發期和幼苗生長期對重金屬Pb2+、Cd2+和 Cu2+的耐性較強，在土壤重金屬污染治理中具有較大的應用潛力.

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Influenceoflead，cadmiumandcopperstressonseedgerminationandseedlinggrowthoffourinvasiveplants

LI Rui-li1，QI Shu-yan1，2，LIU Na1，CHEN Hong-wei1

(1.College of Biological Science and Engineering，Shengyang University，Shenyang 110044，China；2.Liaoning Key Laboratory of Urban Integrated Pest Management and Eco-Security，Shenyang 110044，China)

With the deionized water as control test to seed ofOenotheravillosa，Nicandraphysaloides，CrepistectorumandAmaranthuspaniculatusas materials，this work studied the heavy metal lead (Pb)，cadmium (Cd)，and copper (Cu) single stress on seed germination and seedling growth influence，in order to provide scientific basis for screening hyper-accumulation plants.The results show that the seed germination rate，germination index，root length and shoot length and biomass of the four invasive plants decreased with the increasing of Pb2+，Cd2+and Cu2+concentrations，andN.physaloidesof the seed germination rate and germination index are not sensitive (P>0.05).Different heavy metal stress on four invasive plants of seed germination are stronger than seedling growth.The comprehensive evaluations of the resistance of invasive plants to the metal ions during germination stage were done by membership function method.The resistance of seed to Pb2+stress was ordered asN.physaloides>C.tectorum>O.villosa>A.paniculatus.The resistance of seed to Cd2+stress was ordered asN.physaloides>C.tectorum>O.villosa>A.paniculatus.The resistance of seed to Cu2+stress was ordered asN.physaloides>C.tectorum>O.villosa>A.paniculatus.The comprehensive analyses shows that the resistances of theN.physaloidesseed to heavy metals of Pb2+，Cd2+and Cu2+during seed germination period were better than other three tested plants.

invasive plant；seed germination；seedling growth；Pb2+；Cd2+；Cu2+

1000-1832(2017)04-0101-08

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.04.020

2017-03-06

科技部科技基礎條件平臺專項基金資助項目(2014FY120400)；沈陽市科技發展計劃項目(F16-158-9-00).

李瑞莉(1992—)，女，碩士研究生：通訊作者：齊淑艷(1963—)，女，博士，教授，主要從事植物生態學研究.

Q 945.79；X 53學科代碼180·5160

A

(責任編輯：方林)