模擬礦區錳脅迫對入侵植物喜旱蓮子草的影響

張寶成，曹運琴，曾 剛，李德輝

（1.茅臺學院，貴州 仁懷 564507；2.遵義師范學院生物與農業科技學院，貴州 遵義 563006）

錳礦在貴州省的分布量比較大，錳的平均品位高，高品質的碳酸錳富錳礦石儲量超過7 000 萬t［1］。遵義市是貴州省錳礦的重要分布區，煤礦開采會產生大量的錳礦渣，含錳的部分物質可以通過粉塵進入大氣產生污染［2］。長期的礦渣堆積會使周邊土壤的錳濃度增加，改變礦區周圍土壤的理化性質，從而對土壤造成污染。礦區長期開采后，土壤的理化性質被改變，一般植物難以生長，導致礦區植被覆蓋率低、生物多樣性低等環境問題，造成生態環境脆弱，裸露的土壤經過水蝕和風蝕產生高濃度的錳進入水域造成水域污染，長此以往會造成當地的水土污染，影響到人們的健康［3］。研究表明，水土被金屬污染后，人飲用后金屬進入人體，與人體內的蛋白質及各種酶發生強烈反應，使人體內的蛋白質及酶失活，就會造成急性、亞急性以及慢性中毒等疾病［4］。

礦區的修復技術是促進礦山開發與環境可持續發展的關鍵。礦區的物理修復有客土法，主要針對局部土壤，使局部土壤達到利用要求。中國的礦山通常位于偏遠的區域，大量的運輸成本造成恢復成本高。化學修復法利用化學物質與土壤溶液中重金屬發生反應，使重金屬活性降低或將作用后的重金屬直接從土壤中去除的方法。入侵植物到新的區域天敵少，其適應性強、可塑性強、生長快［5-7］。喜旱蓮子草為一種入侵植物，廣泛分布于中國的陸地和水域，適應能力強，探索其對高濃度金屬的生理生化特性，可為礦山開采后的生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

采集茅臺學院土壤，去除植物枯枝落葉和石礫，把土壤過篩混合均勻后裝入花缽。采集均勻一致的喜旱蓮子草扦插作為試驗材料，定期澆水管理，生根1 周后，選取大小均一的植株隨機分為5 組，每組4個重復，分別用濃度0%（對照）、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的氯化錳溶液澆灌，隔一段時間分別記錄植株生長情況。

1.2 方法

喜旱蓮子草生長澆灌生長95 d 后測定每株的葉面積、葉片中脯氨酸含量（μg/g）、可溶性糖含量（mg/g）、葉片中的淀粉含量（mg/g）、葉中丙二醛（μmol/g）和葉綠素（mg/g）［8-11］。并將其根際土壤風干、磨細、過篩，測定其根際土壤中的蔗糖酶、蛋白酶和脲酶的活性。

土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性采用比色法進行測定［12］。使用Excel 軟件對試驗數據進行處理，利用SPSS 軟件進行方差分析、多重比較及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 錳對喜旱蓮子草葉綠素含量的影響

不同濃度氯化錳對葉綠素含量的影響見圖1。由圖1 可知，隨氯化錳濃度的增加，喜旱蓮子草的葉綠素a 濃度呈下降趨勢，處理組葉綠素a 濃度為對照的0.83～0.96 倍；葉綠素b 濃度也隨氯化錳濃度的增加而逐漸下降，處理組是對照組含量的0.52～0.81倍；不同氯化錳濃度的喜旱蓮子草類胡蘿卜素含量無明顯變化，為對照組的0.94～1.06 倍；處理組總葉綠素含量為對照組的0.74～0.93 倍。

2.2 錳對喜旱蓮子草葉片的影響

不同濃度氯化錳對葉片生理指標的影響見圖2。由圖2 可知，0.5%氯化錳處理組的可溶性糖含量為0.41 mg/g，與對照組（0.34 mg/g）差異不顯著（P＞0.05）。當氯化錳為1.0%、1.5%、2.0%時，可溶性糖含量要顯著高于對照（P＜0.05）。所有氯化錳處理組的脯氨酸含量均顯著高于對照（P＜0.05），為對照的1.23～2.97 倍。不同濃度氯化錳處理的喜旱蓮子草葉中丙二醛含量無明顯差異（P＞0.05），各處理組丙二醛濃度為對照組的1.00～1.07 倍。0.5%氯化錳組的淀粉含量為2.46 mg/g，與對照組（2.28 mg/g）差異不顯著（P＞0.05），其他濃度處理組淀粉含量均顯著低于對照組（P＜0.05），為對照組的0.14～0.43 倍。

圖2 不同濃度氯化錳葉片生理指標變化

2.3 錳對喜旱蓮子草葉片及株高的影響

不同濃度氯化錳對葉片的影響見表1。由表1可知，隨著氯化錳濃度的增加，單株葉片數和葉面積均呈增加趨勢，氯化錳濃度為1.5%時，單株葉片數和葉面積均為最高，分別為12.25 片和52.18 cm2。葉質比也隨著氯化錳濃度增加而增加，在氯化錳濃度為1.5%時最大，為51.77 cm2/g；不同濃度氯化錳處理后單葉片面積均低于對照。

表1 不同濃度氯化錳處理對葉數目及葉面積的影響

不同濃度氯化錳對株高的影響見圖3。由圖3可知，不同濃度氯化錳處理組喜旱蓮子草株高與對照組在5 和20 d 時差異不顯著（P＞0.05）。40 d 時，對照組株高要顯著高于各個氯化錳處理組（P＜0.05），其中0.5%氯化錳組顯著高于其處理組（P＜0.05）。氯化錳處理60 、80 和95 d 后各處理組株高的變化與40 d 時變化趨勢一致。

圖3 不同濃度氯化錳脅迫下喜旱蓮子草株高

2.4 錳對喜旱蓮子草根際土壤酶活性的影響

不同濃度氯化錳對土壤酶活性的影響見圖4。由圖4 可知，與對照組相比，1.0%和1.5%氯化錳處理組的蔗糖酶活性有所，但差異不明顯（P＞0.05）。2.0%處理組蔗糖酶活性顯著高于對照組（P＜0.05）。各個氯化錳處理組土壤蛋白酶活性和脲酶活性均顯著小于對照組（P＜0.05），且隨著氯化錳處理濃度的增加呈現降低趨勢，蛋白酶活性降低幅度較大，脲酶降低幅度較小。

圖4 氯化錳脅迫對土壤酶活性影響

錳脅迫下喜旱蓮子草的生理指標與土壤酶相關性分析見表2。由表2 可知，丙二醛與蔗糖酶活性呈顯著負相關（P＜0.05）。蔗糖酶活性與可溶性糖、脯氨酸均呈極顯著正相關（P＜0.01），與淀粉含量呈極顯著負相關（P＜0.01）。這表明喜旱蓮子草的地上部分與地下部分密切相關。

表2 錳脅迫下喜旱蓮子草的生理指標與土壤酶相關性分析

3 小結

3.1 錳脅迫對喜旱蓮子草的影響

葉綠素是植物吸收光能重要的色素，它是評價植物衰老的重要參數之一［13］。本研究發現，隨著錳脅迫濃度增加，葉綠素逐漸降低，這可能是因為高濃度錳影響了喜旱蓮子草葉合成葉綠素的酶，導致其葉綠素含量降低［14］。葉綠素含量可作為植物脅迫的生理指標之一。本研究發現，喜旱蓮子草葉片中可溶性糖濃度隨氯化錳濃度增加而增加，這可能是在錳脅迫下影響了喜旱蓮子草對水分的吸收。植物通過增加葉片中可溶性糖含量來增加葉細胞溶質濃度，來適應其葉片水勢改變［15］。植物在錳脅迫下，可溶性糖含量隨錳濃度的升高而不斷積累，植株通過增加可溶性糖濃度，從而增加細胞中溶液濃度以應對脅迫，因此可溶性糖含量可作為研究抗脅迫機制的一項重要生理指標。

劉曉嘉［16］研究發現，觀賞果樹在受鉛鎘脅迫后，葉片中的可溶性糖和脯氨酸濃度受重金屬濃度增加而增加，這與本研究結果一致。淀粉是光合產物積累的一種形式，對照組和0.5%氯化錳處理組下淀粉含量分別為2.28、2.46mg/g，當氯化錳濃度在1.0%～2.0%時，淀粉含量為對照的14.47%～42.98%，這說明在氯化錳脅迫下，喜旱蓮子草通過降低淀粉的積累來增加可溶性糖濃度以適應環境壓力。

丙二醛反映膜脂受氧化的程度，可作為判斷植物脅迫傷害程度的重要參數［17］。本研究結果表明，在不同氯化錳濃度處理下，丙二醛數值沒有明顯變化，氯化錳濃度為2.0%時對喜旱蓮子草葉中丙二醛濃度也沒有明顯影響，這表明喜旱蓮子草對氯化錳的耐受性比較強。喜旱蓮子草通過葉片的糖、淀粉和脯氨酸的含量來調節滲透勢，以減少細胞受損，可以作為錳礦區修復比較理想的植物。

3.2 錳脅迫對喜旱蓮子草根際土壤酶活性的影響

土壤蔗糖酶可以把糖分解為小分子物質，有利于微生物作用下轉化為含有羥基和羧基的小分子物質，這些物質與金屬離子結合改變形態，可以降低金屬對植物的危害。土壤脲酶和蛋白酶分解可以把氮分解為小分子物質，有利于植物的吸收［13］。土壤中的這些酶活性會影響植物葉片生理生化變化，植物根系與地上部分相互影響，兩者相互供應營養。研究發現，葉面積隨氯化錳溶度的增加呈現出變小趨勢，喜旱蓮子草在氯化錳脅迫下通過改變葉片的數目、葉面積以適應環境。在氯化錳處理下，喜旱蓮子草通過降低單位面積的質量使葉片變薄，從而增加葉面積以應對脅迫。在錳脅迫下，喜旱蓮子草葉片中糖濃度增加以改變滲透勢來適應環境，但降低了糖向淀粉的轉化，可以通過增加葉面積數量來彌補淀粉降低。