汞脅迫對4個草坪草品種幼苗生長及汞富集能力的影響

杜建雄，李劍峰，張淑卿，周照悠

(1.貴州財經(jīng)大學(xué) 公共管理學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州師范學(xué)院 喀斯特生境土壤與環(huán)境生物修復(fù)研究所，貴州 貴陽 550018)

【研究意義】貴州是我國汞(Hg)礦主要地區(qū)[1]，全省40余個縣市有汞礦存在，長期開采導(dǎo)致貴州汞礦區(qū)周邊環(huán)境中的汞污染日趨加重，嚴重超出了當?shù)赝寥拉h(huán)境的承載能力，因此，科學(xué)合理有效解決當?shù)赝寥拦廴締栴}具有重要的現(xiàn)實意義。【前人研究進展】近年來，植物修復(fù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水體、土壤的重金屬污染修復(fù)[2]，形成了一批汞、鎘和砷等重金屬污染修復(fù)技術(shù)[3]。草坪草能形成地被草坪減少污染物通過淋溶進入水體[4]，對重金屬污染脅迫有一定限度的耐受和富集能力[5]，與其他修復(fù)植物相比具有不進入食物鏈，無食品安全風(fēng)險的優(yōu)點，是用于汞礦地區(qū)生態(tài)植被恢復(fù)較為理想的植物材料之一。【本研究切入點】到目前，有關(guān)草坪草對銅、鉛等重金屬富集效應(yīng)的研究報道較多[6]，但有關(guān)汞脅迫對草坪草發(fā)芽、幼苗生長及草坪草對汞富集能力的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過發(fā)芽試驗和土培盆栽試驗?zāi)M不同程度的汞脅迫環(huán)境，探討汞脅迫對黑麥草(LoliumperenneL.)等4個草坪草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，以及草坪草對汞離子的富集能力，以期為汞污染土壤的植物修復(fù)提供草坪草植物材料。

1 材料與方法

1.1 材料材料

1.1.1 供試草坪草 分別為多年生黑麥草馬達(Motor)，一年生黑麥草盛宴(Feast)，紫羊茅派尼(Pernille)和傳奇(Legend)，4個草坪草種子于2016年3月購自百綠(中國)集團，種子凈度98 %。

1.1.2 試驗土壤 采集于貴州省貴陽市烏當區(qū)貴州師范學(xué)院校內(nèi)實驗地的普通田土，土質(zhì)為棕黃壤，取土深度0～20 cm，土壤pH 6.7，速效氮125.6 mg/kg，速效磷46.3 mg/kg，速效鉀92.8 mg/kg，Hg2+背景值0.72 mg/kg。去雜質(zhì)后80 ℃烘干1.5 h，混勻后過0.15 mm篩備用。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 發(fā)芽試驗 參照文獻[7]的方法進行發(fā)芽試驗，在9 cm培養(yǎng)皿底部墊雙層濾紙，設(shè)Hg2+濃度梯度0、30、60、90、120和150 mg/L，每個培養(yǎng)皿分別以蒸餾水配制各梯度濃度的HgCl2溶液20 mL，標記液面后每天補充蒸餾水，在25 ℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)進行發(fā)芽實驗。每個培養(yǎng)皿放置100粒飽滿種子，每個處理重復(fù)3次。24 h后每日記錄發(fā)芽數(shù)，直至無新發(fā)芽種子為止。

1.2.2 盆栽試驗 選用口徑9 cm、底徑6 cm、高8 cm的塑料花盆。土壤Hg2+濃度梯度0、25、50、75和100 mg/kg。各取過篩土壤測定最大持水量后與對應(yīng)用量HgCl2粉末混合均勻后裝于高12 cm的小盆內(nèi)。每盆取10粒種子均勻放置于土表，并覆蓋處理土壤5 mm，使每盆栽土壤總重420 g，每個處理設(shè)置4組盆栽作為4次重復(fù)，每組10盆，每盆配置單獨的托盤。為防止汞離子淋失，每5 d以差量法稱量盆栽重量，用蒸餾水補充至盆栽最大持水量的70 %[9]。

1.3 指標測定

1.3.1 發(fā)芽率等 發(fā)芽試驗按國際統(tǒng)一標準每天統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)，第10天測定胚根長度，第14天測定苗長。并按以下公式計算出發(fā)芽率、發(fā)芽勢[8]、發(fā)芽指數(shù)以及活力指數(shù)。盆栽試驗每5 d統(tǒng)計1次出苗數(shù)和成活植株數(shù)，處理30 d后計算出苗率和成活率，取出植株，測定株高及生物量。

活力指數(shù)(Vi)=Gi×S

生長勢(S)=苗長+胚根長度

式中，n為前7 d發(fā)芽種子數(shù)，N為種子總數(shù)，Gt為第t天發(fā)芽數(shù)，Dt為天數(shù)。

1.3.2 土壤和植物含汞量 用王水-水浴消解，以原子熒光分光光度法(GB/T 22105.1-2008)[10]測定盆栽30 d后根際土壤及非根際土壤的汞含量。植物樣品用自來水沖洗干凈，再用蒸餾水淋洗后以硝酸-高氯酸法消煮，以原子熒光分光光度法測定汞含量[10]。分別計算各草坪草品種的植株體內(nèi)富集系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用軟件Excel 2007整理數(shù)據(jù)并制圖，以統(tǒng)計軟件SPSS 13.0用Duncan法進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 汞脅迫下4個草坪草品種種子的發(fā)芽情況

2.1.1 發(fā)芽率 在不同Hg2+濃度脅迫下，4個草坪草種子的發(fā)芽率存在明顯差異。隨著Hg2+濃度上升，除派尼在30 mg/L濃度下發(fā)芽率略有升高，且與空白對照差異不顯著外，傳奇、盛宴和馬達的發(fā)芽率均呈下降趨勢，其中馬達下降趨勢最為明顯。Hg2+濃度60～150 mg/L脅迫下，盛宴和馬達的發(fā)芽率迅速下降，并顯著(P<0.05，下同)低于派尼和傳奇。當Hg2+濃度達120 mg/L脅迫下，盛宴和馬達的發(fā)芽率已趨于0，表明這2個品種對該濃度脅迫無法耐受。在Hg2+濃度150 mg/L脅迫下，派尼、傳奇的發(fā)芽率為31.33 %和26.76 %，顯著高于盛宴和馬達的發(fā)芽率，其中派尼的發(fā)芽率受汞離子影響最小。在試驗濃度范圍內(nèi)，種子發(fā)芽率為派尼>傳奇>盛宴>馬達(圖1)。

2.1.2 發(fā)芽勢 4個草坪草種子的發(fā)芽勢均隨Hg2+濃度上升而下降，派尼和傳奇的發(fā)芽勢下降趨勢較緩。Hg2+濃度30 mg/L脅迫下派尼的發(fā)芽勢較對照高1.00 %，表明低濃度Hg2+能刺激種子發(fā)芽。當Hg2+濃度達120 mg/L時，盛宴和馬達的發(fā)芽勢趨于0，此時派尼和傳奇的發(fā)芽勢分別為43.76 %和41.00 %。當Hg2+濃度達150 mg/L時，派尼和傳奇的發(fā)芽勢仍保持在30 %左右，可見汞脅迫對盛宴、馬達發(fā)芽勢的影響明顯大于派尼和傳奇(圖1)。

2.1.3 發(fā)芽指數(shù) 隨著Hg2+濃度升高，4個草坪草品種的發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢。在Hg2+濃度0～60 mg/L脅迫下，4個品種的下降趨勢相似，其中盛宴的降幅最為平緩。Hg2+濃度大于60 mg/L時，盛宴的發(fā)芽指數(shù)急劇下降，表明盛宴對Hg2+的耐受度較低。當Hg2+濃度達120 mg/L時，盛宴和馬達均無法萌發(fā)。Hg2+濃度達150 mg/L時，派尼、傳奇的發(fā)芽指數(shù)分別為7.78和6.78，表明紫羊茅品種發(fā)芽率受汞脅迫的影響顯著小于多年生黑麥草和一年生黑麥草。

2.1.4 活力指數(shù) 隨著Hg2+濃度升高，4個草坪草品種種子的活力指數(shù)均呈下降趨勢。Hg2+濃度在0～60 mg/L時，4個草坪草種子的活力指數(shù)隨Hg2+濃度升高呈近似一致的下降趨勢。Hg2+濃度高于60 mg/L時，盛宴的活力指數(shù)急速下降，其余草坪草下降平緩。Hg2+濃度在90～120 mg/L時，盛宴和馬達的活力指數(shù)逐漸趨于0，而派尼、傳奇分別為504.07和620.80。Hg2+濃度達150 mg/L時，派尼、傳奇的活力指數(shù)分別為288.91和242.25。表明，派尼的種子活力受汞脅迫的影響最小，傳奇其次，而盛宴和馬達則受到嚴重抑制(圖1)。

2.2 汞脅迫下4個草坪草品種種子的出苗率和成活率

從圖2看出，汞脅迫對4個草坪草種子的出苗率和成活率均有抑制作用，Hg2+濃度100 mg/kg下抑制最明顯。Hg2+濃度25 mg/kg下，派尼的出苗率顯著低于對照組，為87.75 %。Hg2+濃度50～70 mg/kg時，傳奇和馬達的出苗率下降顯著，派尼呈上升趨勢，但差異不顯著，且均低于空白對照。Hg2+濃度100 mg/kg時，4個草坪草品種種子的出苗率均顯著下降，馬達的出苗率最低，為21 %；盛宴的最高，為40.50 %。

4個草坪草種子的幼苗成活率隨Hg2+濃度升高的變化趨勢與出苗率相近，Hg2+濃度0～75 mg/kg時，派尼的成活率先降后升，在濃度25 mg/kg時最低，為87.75 %，與其余濃度組差異不顯著。盛宴的成活率變化不顯著，傳奇和馬達的成活率從50 mg/kg處理開始顯著下降。當Hg2+濃度達100 mg/kg時，4個草坪草的成活率均急劇下降，與出苗率相對應(yīng)，成活率為盛宴>派尼>傳奇>馬達，分別為34.25 %、30.50 %、22.75 %和18.50 %。

圖1 不同濃度Hg2+脅迫下4個草坪草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)Fig.1 Germination rate，germination potential，germination index and activity index of the four turfgrass cultivars under different concentration Hg2+ stress

不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters indicated that the same cultivars had significant differences under different concentration Hg2+ stress(P<0.05). The same as below圖2 不同濃度Hg2+脅迫30 d后4個草坪草種子的出苗率和成活率Fig.2 Emergence rate and survival rate of the four turfgrass cultivars under different concentrations Hg2+ stress for 30 days

2.3 汞脅迫下4個草坪草品種的株高與生物量

2.3.1 株高 4個草坪草品種的株高均隨Hg2+濃度升高呈下降趨勢。在Hg2+濃度0～100 mg/kg下，盛宴的株高差異顯著，在相同濃度下盛宴的株高均高于其余品種。Hg2+濃度25 mg/kg下，4個草坪草品種的生長受到明顯抑制，株高均顯著低于對照。派尼和傳奇在Hg2+濃度50 mg/kg下的株高與25、75 mg/kg下的株高差異均不顯著，但在Hg2+濃度25與75 mg/kg處理間的株高差異顯著。Hg2+濃度達100 mg/kg時，盛宴、派尼、馬達、傳奇的株高分別為4.37、3.05、2.82和2.58 cm。表明，在100 mg/kg Hg2+濃度下，4個草坪草品種幼苗的生長均受到嚴重抑制，其中盛宴受汞脅迫的影響相對較小(圖3)。

2.3.2 生物量 汞脅迫明顯降低4個草坪草品種的生物量，且鮮重和干重均隨Hg2+濃度的升高而持續(xù)下降。在Hg2+濃度0～50 mg/kg時鮮重下降顯著，干重下降相對平緩。當Hg2+濃度高于50 mg/kg時，4個品種的鮮重和干重均顯著下降。在不同Hg2+濃度下，4個品種的鮮重和干重變化趨勢略有不同，這可能與植株含水量有關(guān)。總體看，除Hg2+濃度25 mg/kg處理外，盛宴在不同濃度Hg2+脅迫下的生物量均高于其余品種(圖3)。

2.4 草坪草根際土壤的汞含量

Hg2+相同濃度處理下，根際土壤中汞含量越低，表明該植物對汞的富集能力越強。從表1看出，種植4個草坪草品種后土壤的汞離子含量均明顯下降，其中，傳奇根際土壤在Hg2+濃度50和100 mg/kg處理下的汞濃度降幅分別到達69.36 %和34.20 %，表明傳奇的汞富集能力顯著高其余品種，適用于中高濃度汞污染土壤的修復(fù)。當Hg2+濃度25 mg/kg處理下，盛宴根際土壤的汞離子含量降幅達74.44 %，在4個品種中降幅最高，表明該草坪草適用于低濃度Hg2+土壤的修復(fù)。

2.5 草坪草植株體內(nèi)的汞積累量及富集系數(shù)

從表2看出，4個草坪草品種在Hg2+濃度75 mg/kg脅迫下均具有較高的汞富集量，其中，馬達對Hg2+的富集能力最強，顯著高出其余品種，增幅為18.27 %～44.62 %；盛宴其次，傳奇和派尼的汞積累量最低。富集系數(shù)為馬達>盛宴>派尼>傳奇。

圖3 不同濃度Hg2+脅迫30 d后4個草坪草品種的株高及鮮重與干重Fig.3 Plant height，fresh weight and dry weight of turfgrass cultivars under different concentrations Hg2+ stress for 30 days

表1 不同濃度Hg2+脅迫下草坪草生長30 d后根際土壤汞含量

表2 不同濃度Hg2+脅迫下草坪草生長30 d后的汞積累量及富集系數(shù)

3 討 論

在耐汞草坪草品種篩選中，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、出苗率、成活率和生物量指標是衡量植株種子和幼苗是否在汞脅迫下具有基本生存能力的重要參數(shù)，發(fā)芽勢在一定程度上反映種子的抗脅迫能力[11-16]。從參試4個草坪草品種種子的萌發(fā)狀況看，與對照相比，隨著Hg2+濃度升高，發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈線性下降趨勢。表明，各參試草坪草品種種子受到Hg2+脅迫，導(dǎo)致其發(fā)芽的生理過程受到不同程度抑制。種子活力與種子發(fā)育、成熟、萌發(fā)及種子貯藏壽命和劣變等生理過程有密切聯(lián)系，活力指數(shù)能較全面地反映種子萌發(fā)率及幼苗生長的潛在能力，可用于評價種子對干旱等脅迫的響應(yīng)[17-19]。4個草坪草品種種子活力指數(shù)呈對數(shù)趨勢下降，Hg2+濃度在0～60 mg/L時下降趨勢大體一致，Hg2+濃度大于60 mg/L時活力指數(shù)變化差異較大，說明草坪草不同品種耐汞能力存在很大差異。低濃度Hg2+可促進派尼發(fā)芽，Hg2+濃度大于30 mg/L時起抑制作用。當Hg2+濃度達120 mg/L時，盛宴和馬達的耐受性達到極限，此時派尼及傳奇的發(fā)芽率仍為31.33 %和26.76 %。可見在Hg2+濃度0～150 mg/L，4個草坪草種子耐Hg2+能力有差異，其種子萌發(fā)率為派尼>傳奇>盛宴>馬達。綜合看，多年生黑麥草馬達和一年生黑麥草盛宴在高濃度汞脅迫下的萌發(fā)能力明顯弱于紫羊茅派尼和傳奇，也進一步證實多年生黑麥草、一年生黑麥草與紫羊茅的耐汞脅迫能力存在較大差異，與吳亮等[20]在水稻品種上的研究結(jié)果相似，即不同水稻品種的鉛汞耐性和富集能力存在明顯差別。

從幼苗生長指標看，Hg2+濃度在0～100 mg/kg時，盛宴的出苗率、成活率、株高、生物量均高于其余3個品種，其幼苗長勢最好。馬達的出苗率、成活率和株高最低，但其生物量僅次于盛宴。盛宴幼苗對Hg2+脅迫具有良好的抗性，表明盛宴種子在Hg2+脅迫下經(jīng)過發(fā)芽階段耐汞鍛煉后存活的植株生長適應(yīng)能力有所提升。紫羊茅派尼的出苗率、成活率、株高僅次于盛宴，但其生物量低于傳奇，表明不同草坪草品種苗期耐Hg2+能力存在較大差異，與本身耐Hg2+能力及后天環(huán)境中耐汞鍛煉有關(guān)。綜合看，一年生黑麥草盛宴幼苗的表觀耐Hg2+能力最佳，其次是多年生黑麥草馬達，紫羊茅2個品種的耐汞能力最弱，經(jīng)含汞溶液脅迫鍛煉后幼苗植株有較好的潛力用于汞污染土壤的草坪建植。

從對Hg2+的富集能力看，在低濃度汞污染土壤(25 mg/kg)中，一年生黑麥草盛宴對汞離子的富集能力顯著高于其余3個品種，與其在苗期植株生長適應(yīng)能力基本一致，Hg2+濃度50和100 mg/kg處理下紫羊茅傳奇根際的土壤Hg2+濃度顯著低于其余3個品種，表明該品種在中高濃度Hg2+污染土壤的富集能力強。Hg2+濃度75 mg/kg處理下多年生黑麥草馬達的富集系數(shù)最高，即對Hg2+的富集能力最強，紫羊茅派尼的富集能力最弱。該結(jié)果略低于趙甲亭等[21]在萬山汞礦地區(qū)收集的富集汞的野生植物，但同樣表現(xiàn)出良好的富集汞作用。

4 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，不同濃度Hg2+脅迫對參試4個草坪草種子的發(fā)芽有明顯抑制作用，即Hg2+濃度升高脅迫程度加強，導(dǎo)致發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、出苗率明顯下降。同時Hg2+脅迫對幼苗生長產(chǎn)生明顯的抑制作用，即Hg2+濃度升高幼苗的出苗率、成活率、株高、生物量明顯降低，品種不同抑制程度存在差異。Hg2+低濃度環(huán)境下，一年生黑麥草盛宴的富集能力最強，適合于低汞污染土壤的草坪草修復(fù)；中高濃度環(huán)境下，紫羊茅傳奇的富集能力最強，適合中高汞污染土壤的草坪草修復(fù)。