扁穗冰草對鎘的耐性及其積累特征研究

摘 要：為探討扁穗冰草對鎘（Cd）污染土壤修復(fù)的可行性，通過盆栽試驗(yàn)?zāi)M不同濃度Cd污染土壤，研究扁穗冰草對Cd的耐性及其積累特征。結(jié)果顯示，與對照相比，Cd25（25 mg/kg）和Cd50（50 mg/kg）脅迫下扁穗冰草的株高、根長、根體積和根冠比都未顯著下降，Cd25脅迫下地上部生物量和根部生物量也未顯著下降；扁穗冰草的耐性指數(shù)（0.89～0.94）在不同程度Cd脅迫下無顯著差異，表明該植物對Cd脅迫有較強(qiáng)的耐性。Cd主要積累在扁穗冰草根部，高濃度Cd（100 mg/kg）脅迫使扁穗冰草的生物量積累、葉綠素合成和根系活力受到抑制，Cd富集和轉(zhuǎn)移能力下降。研究表明，扁穗冰草對Cd具有較強(qiáng)的耐性和積累能力，可用于Cd污染土壤的植物修復(fù)。

關(guān)鍵詞：扁穗冰草；重金屬脅迫；Cd富集；植物修復(fù)

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）2-140-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.02.033

0 引言

土壤重金屬污染是我國乃至全球廣泛關(guān)注的環(huán)境問題［1］。重金屬鎘（Cd）是一種常見的環(huán)境污染物，廣泛存在于土壤、水體和大氣中，鎘的污染主要源自工業(yè)排放、廢棄物處理及燃煤等活動［2］。在經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)中，為了更好地改善民生問題，需要合理應(yīng)對土壤重金屬污染，減少對人類的危害［3］。植物修復(fù)具有成本低、對土壤擾動小、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前重金屬污染研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)［4］。探究植物對重金屬的耐受和積累特征，對促進(jìn)植物修復(fù)具有重要意義。植物對重金屬的耐性和超富集能力是植物修復(fù)的基礎(chǔ)，合理選擇適宜的植物種類，通過植物的根系吸收土壤中的重金屬，并將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分（如莖、葉等組織中），實(shí)現(xiàn)對重金屬的清除，有助于修復(fù)土壤重金屬污染，為生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)做出貢獻(xiàn)［5］。

扁穗冰草［Agropyron cristatum （L.） Gaertn.］是禾本科多年生草本植物，具有易栽培、生長迅速、生物量大、根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)。目前，在土壤污染問題中，禾本科植物的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，主要是由于禾本科植物對Cd污染土壤修復(fù)具有重要作用。禾本科植物對Cd脅迫的響應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，涉及多種生理、生化、分子機(jī)制，禾本科植物對Cd脅迫響應(yīng)的研究有助于揭示禾本科植物的抗逆機(jī)制，并為改良作物品種提供理論依據(jù)，以減輕Cd脅迫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。近年來，該研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并且有關(guān)禾本科植物對Cd脅迫響應(yīng)的研究已有諸多文獻(xiàn)報(bào)道［3］。一些研究表明，禾本科植物相對其他植物更容易吸收Cd，并且在體內(nèi)積累濃度較高的Cd。還有一些研究表明，Cd脅迫會導(dǎo)致禾本科植物出現(xiàn)一系列的生理和生化反應(yīng)。例如，Cd干擾植物的水分平衡、光合作用和呼吸過程，導(dǎo)致葉片黃化、葉面積減小、根系生長受到抑制等。因此，為了更好地探究扁穗冰草對Cd的生理耐性和積累特征，研究通過盆栽試驗(yàn)?zāi)M不同濃度Cd污染土壤，對扁穗冰草的生長生理特性和Cd含量等指標(biāo)進(jìn)行測定與分析，旨在為解決土壤Cd污染問題提供新的思路，也為未來相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

扁穗冰草種子購自玉溪市紅塔區(qū)花鳥市場；未受Cd污染的混合土壤取自云南省玉溪地區(qū)，土壤的采集深度為0～20 cm，試驗(yàn)前需要對采集的土壤進(jìn)行處理，除去雜質(zhì)，采取風(fēng)干、研磨等手段，將采集的土壤過0.25 mm篩，為后續(xù)試驗(yàn)開展做好準(zhǔn)備。土壤的理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取塑料花盆，花盆的盆口直徑32 cm、底徑20 cm、高22 cm。將制備好的土壤裝入盆中，每盆裝土4.0 kg。設(shè)置CK（0 mg/kg）、Cd25（25 mg/kg）、Cd50（50 mg/kg）和Cd100（100 mg/kg）共4個Cd脅迫處理，每個處理重復(fù)4次。將土壤充分混合，在室溫下保持穩(wěn)定狀態(tài)30 d，適當(dāng)添加純凈水以保持土壤濕潤。

選擇顆粒飽滿的扁穗冰草種子，以確保種子的質(zhì)量與發(fā)芽率；將選好的種子進(jìn)行浸種處理，用溫水浸泡一段時間，促進(jìn)種子發(fā)芽；將浸泡后的種子均勻地播種在花盆中，每盆播種40粒種子。在播種后第15天進(jìn)行間苗操作，每盆留下30株大小形態(tài)基本相同的幼苗，使用細(xì)長的工具將多余的幼苗剪除或挖出，保持適當(dāng)?shù)拿芏?。扁穗冰草在溫室?nèi)生長，采用自然光照，確保植物能夠獲得充足的光照，為其光合作用與正常生長提供能量。根據(jù)盆中土壤的干濕狀況澆水，保持適度濕潤，但要避免過度澆水造成根部腐爛。每個花盆中加入等量的純凈水，以保持土壤濕潤。每7天添加1次Hoagland營養(yǎng)液，每盆每次200 mL，為植物提供所需的營養(yǎng)，促進(jìn)其正常生長和發(fā)育。定期檢查扁穗冰草的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)并處理病蟲害，同時注意拔除盆中的雜草，以減少競爭對植物生長的影響。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 生長生理指標(biāo)的測定

扁穗冰草生長3個月后進(jìn)行采樣測定，將扁穗冰草植株從土壤中完整取出，分為地上部和根部兩部分，在處理過程中用蒸餾水徹底清洗植株，清洗完瀝干水分后，測量并記錄株高和根長。采用排水法測定根的體積：將植株的根部放入已知容量的容器中，加入足量水，使水位上升至容器頂部，記錄水位變化，即可計(jì)算出根的體積。采用紫外分光光度法測定葉綠素總量：扁穗冰草的葉片樣品經(jīng)過提取和稀釋，使用紫外分光光度計(jì)測量其吸光度，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算葉綠素總量。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）還原法測定根系活力：將扁穗冰草的根樣品與TTC溶液接觸，反應(yīng)一段時間后，根據(jù)顯色程度測量吸光度，并計(jì)算根系活力。將扁穗冰草樣品放入烘箱中，在105 ℃殺青15 min，然后在65 ℃烘干至恒重，使用萬分位電子天平稱重樣品，分別計(jì)算地上部生物量和地下部生物量。地下部生物量除以地上部生物量得到根冠比。

1.3.2 Cd積累指標(biāo)的測定

將烘干的扁穗冰草樣品磨碎，使其顆粒尺寸小于0.25 mm。采用HNO3-HClO4法消解土壤樣品：將風(fēng)干土壤樣品磨碎過0.15 mm篩，再將磨碎的扁穗冰草樣品加入消解容器中，加入足量的HNO3-HClO4消解液；使用加熱設(shè)備（如加熱板）對樣品進(jìn)行消解，直至樣品完全溶解。待消解完成后，將消解液冷卻至室溫，并轉(zhuǎn)移到適合進(jìn)行原子吸收分光光度法測定的容器中。使用原子吸收分光光度法測定消解液中的Cd含量，設(shè)置合適的波長和條件，將消解液樣品注入原子吸收儀器中進(jìn)行測量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出Cd的含量。Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算。

富集系數(shù)（BCF）=植物各部位Cd含量/土壤中Cd含量" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）=植物地上部Cd含量/根部Cd含量" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Rstudio 4.2.2對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤顯著性都采用單因素方差分析（ANOVA），差異顯著水平設(shè)定為Plt;0.05。采用Duncan多重比較檢驗(yàn)法進(jìn)行不同處理間的差異顯著性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 扁穗冰草生長對Cd脅迫的響應(yīng)

Cd脅迫對扁穗冰草生長的影響如圖1所示。由圖1（a）至圖1（c）可知，扁穗冰草的株高、根長和根體積在Cd25和Cd50脅迫下與對照相比差異不顯著。地上部生物量和根部生物量在Cd25脅迫下與CK相比均無顯著變化，在Cd50和Cd100脅迫下與CK相比均顯著下降［Plt;0.05，圖1（d）］；而根冠比在不同程度Cd脅迫下無顯著差異［圖1（e）］。Cd脅迫對扁穗冰草耐性指數(shù)的影響見表2。由表2可知，Cd脅迫下扁穗冰草的耐性指數(shù)為0.89～0.94，且耐性指數(shù)在不同程度Cd脅迫下差異不顯著，表明該植物對Cd脅迫有較強(qiáng)耐性。

Cd脅迫對扁穗冰草葉綠素總量和根系活力的影響如圖2所示。隨著Cd脅迫程度的增強(qiáng)，扁穗冰草的葉綠素總量顯著下降［Plt;0.05，圖2（a）］，其根系活力僅在Cd100脅迫下顯著降低［圖2（b）］。

2.2 扁穗冰草的Cd積累特征

Cd脅迫對扁穗冰草Cd含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響如圖3所示。扁穗冰草地上部及根部的Cd含量隨Cd脅迫程度的增加顯著升高［Plt;0.05，圖3（a）］；地上部富集系數(shù)、根部富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)在Cd100脅迫下顯著下降［Plt;0.05，圖3（b）、圖3（b）］；在不同程度Cd脅迫下，地上部和根部富集系數(shù)均表現(xiàn)為根部gt;地上部gt;1。

Cd脅迫對扁穗冰草Cd積累量的影響如圖4所示。扁穗冰草地上部和根部Cd積累量隨Cd脅迫程度的增加顯著升高［Plt;0.05，圖4（a）］；整株Cd積累量在Cd100脅迫下達(dá)最大值（114.69 μg/株）；地上部Cd積累量占整株Cd積累量的37.24%～50.94%［圖4（b）］。

3 討論

植物的生長生理狀況是其對土壤Cd脅迫適應(yīng)的綜合表現(xiàn)，植物株高、根長和生物量等是判定植物耐性的指標(biāo)。此研究中，與CK相比，扁穗冰草的株高、根長、根體積和根冠比在Cd25和Cd50脅迫下都未顯著下降，地上部生物量和根部生物量在Cd25脅迫下也未顯著下降，表明該植物對Cd脅迫具有較強(qiáng)的耐性；較高濃度Cd脅迫（Cd50和Cd100）對植物地上部和根部生物量的積累有抑制作用。徐佩賢［1］研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，高羊茅和多年生黑麥草的地上部生物量及根部生物量在較低濃度Cd脅迫下無顯著變化，在較高濃度Cd脅迫下顯著下降，與此研究結(jié)果相似。耐性指數(shù)可以反映植物對重金屬的耐受程度，耐性指數(shù)大于0.50說明植物對該重金屬有較強(qiáng)的耐性。該研究中扁穗冰草的耐性指數(shù)（0.89～0.94）在不同程度Cd脅迫下無顯著差異，表明該植物在Cd脅迫環(huán)境下生長良好。張楊楊等［2］對Cd脅迫下細(xì)莖冰草的耐性研究發(fā)現(xiàn)，其耐性指數(shù)在25、50、100 mg/kg Cd脅迫下無顯著變化，與此研究結(jié)果相似。扁穗冰草的葉綠素總量隨Cd脅迫程度的增加顯著下降，根系活力在Cd100脅迫下也顯著降低，表明高濃度Cd脅迫會抑制葉綠素合成和根系活力，與劉金秀等［3］和劉媛等［4］的研究結(jié)論一致。

通過該研究發(fā)現(xiàn)，扁穗冰草地上部和根部Cd含量隨Cd脅迫程度的增加顯著升高，且Cd含量表現(xiàn)為根部大于地上部，說明Cd主要積累在扁穗冰草的根部。首先，由于植物根系存在多種離子的載體蛋白，每種離子與其相應(yīng)的載體蛋白結(jié)合，借助代謝能量離子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，由于中間限制向上運(yùn)輸，在一定程度上將Cd滯留在根系，緩解Cd對地上部的傷害，這也是植物自身的一種調(diào)節(jié)機(jī)制。其次，由于阻隔作用，植物的根皮層阻止Cd向植物地上部運(yùn)輸，根細(xì)胞的細(xì)胞壁較薄，Cd在根尖位置的積累量最大。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)為重金屬在根部吸收、儲存和轉(zhuǎn)移到地上部提供了依據(jù)，是評價植物修復(fù)潛力的指標(biāo)。此研究中，扁穗冰草的地上部富集系數(shù)、根部富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)在高濃度Cd脅迫下顯著下降，這是由于高濃度Cd脅迫使植物生命活動（如生物量積累、葉綠素合成和根系活力）受到抑制，造成植物對Cd富集和轉(zhuǎn)移能力降低。在不同程度Cd脅迫下，扁穗冰草地上部和根部富集系數(shù)均表現(xiàn)為根部gt;地上部gt;1，地上部富集系數(shù)為1.73～3.96，轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.18～0.32，表明扁穗冰草是Cd富集植物，可以考慮用于Cd污染土壤的植物修復(fù)。植物的Cd積累量不僅與其體內(nèi)的Cd含量有關(guān)，還與其生物量有關(guān)。隨著Cd脅迫程度的增加，扁穗冰草地上部和根部Cd積累量都顯著增大，地上部Cd積累量占整株Cd積累量的比例較大（37.24%～50.94%），說明扁穗冰草地上部獲得Cd的能力較強(qiáng)。

4 結(jié)論

扁穗冰草在25～100 mg/kg Cd污染土壤中生長良好，在較高濃度Cd脅迫下仍保持較強(qiáng)的耐性。高濃度Cd脅迫使扁穗冰草的生物量積累、葉綠素合成和根系活力受到抑制，導(dǎo)致植物對Cd富集和轉(zhuǎn)移能力下降?？傮w而言，扁穗冰草對Cd具有較強(qiáng)的耐性和積累能力，可用于Cd污染土壤的植物修復(fù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］徐佩賢.高羊茅和草地早熟禾對鎘的耐受能力和解毒機(jī)制研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2014.

［2］張楊楊，李希銘，高鵬，等.不同濃度鎘脅迫下6種草本植物的耐性及富集特征的比較［J］.草地學(xué)報(bào)，2021，29（6）：1265-1276.

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［4］劉媛，陳錦平，曾成城，等.水淹和非水淹條件下秋華柳扦插苗鎘積累特征比較［J］.林業(yè)科學(xué)， 2017， 53（4）：166-174.