銅、鎘、鉛對高羊茅種子萌發及幼苗生長的影響

劉騏華，王慧慧，劉 璐，王 婧，柴 琦

(1.蘭州大學草業科學國家級實驗教學示范中心，甘肅 蘭州 730020； 2.蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

隨著人類社會的不斷發展，人類對生活質量的要求不斷提高，環境污染問題成為了人們關注的焦點，土壤重金屬污染成為社會關注的環境問題之一[1]。土壤是人類生存和發展所必需的生產資料，是生態系統的基礎，由于重金屬可遷移性差，不能降解，進而會在生態系統中不斷累積并通過食物鏈影響人體健康，因此，重金屬對土壤的污染狀況正引起國內外的廣泛重視[2]。土壤重金屬污染是指土壤中的重金屬元素含量明顯高于其自然背景值，并造成生態破壞和壞境質量惡化的現象[3]。土壤是植物生長發育的基礎[4]，在已經發現的很多重金屬富集植物中，普遍存在受生長氣候壞境影響大，生長速度緩慢，不容易大規模種植的問題。

植物修復是土壤重金屬污染的重要治理方法之一,具有經濟、高效、不造成二次污染等明顯優點[5]。多立安等[6]報道在生態系統中草坪草在降低環境污染與生態保護方面發揮著極其重要的作用。楊婧等[7]研究表明草坪草具有適應能力強，抗逆強，繁殖能力強，分布范圍廣的優點。選用草坪草來治理重金屬污染，是一種可操作性較強的辦法。

高羊茅是常見的草坪草，是一種應用廣泛且性狀優良的草坪植物[8]。試驗以高羊茅為材料，通過研究重金屬Pb、Cu、Cd對其種子萌發以及幼苗生長的影響，以期利用草坪草治理重金屬污染提出理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試草種選用高羊茅火鳳凰2號(Phoenix Ⅱ)，由北京克勞沃草業技術開發中心提供。供試離子，CuSO4·5H2O;3CdSO4·8H2O和Pb(NO3)2，均為分析純試劑，由天津市光復科技發展有限公司生產。

1.2 試驗設計

依照國際種子檢驗規程，挑選籽粒飽滿大小均勻的種子。將高羊茅種子浸泡于0.1% HgCl2溶液消毒10 min[9]，用蒸餾水沖洗干凈并晾干。取直徑9 cm的培養皿，設置雙層濾紙為發芽床，每個培養皿放置50粒種子，將配制好的金屬溶液加入培養皿中，每個培養皿加入5 mL，每個處理重復4次。25℃恒溫，12 h光照，12 h暗培養，置于相對濕度70%的氣候箱內萌發，種子萌發培養時期共14 d。每日觀察并記錄發芽種子數，芽長每2 d測1次，用恒重法每天補充水分，使各處理液濃度保持不變。

3種重金屬離子以溶液的形式加入培養皿中，重金屬離子濃度依據土壤壞境質量標準(GB15618-2008)3級土壤壞境標準量進行配制[10]。設置低濃度、中濃度、較高濃度、高濃度4個濃度梯度，分別為Cu2+(200、300、400、500 mg/L);Cd2+(1、50、100、150 mg/L);Pb2+(500、1 000、1 500、2 000 mg/L)，及對照處理。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 萌發指標測定 每天觀察并記錄種子發芽數；5 d后統計種子發芽勢，14 d后統計種子發芽率，每個處理隨機挑取具有代表性的10粒發芽種子用直尺測定其苗長，用分析天平測量幼苗鮮重并計算[11]。

發芽率(GR)=發芽種子總數/供試種子總數×100%

相對發芽率=處理種子發芽率/對照種子發芽率×100%

發芽勢(GP)=規定天數內發芽種子數/供試種子數×100%

相對發芽勢=規定天數內處理發芽種子數/規定天數內對照發芽種子數×100%

發芽指數(GI)=∑Gt/Dt；

式中：規定天數內發芽種子數為發芽第5 d發芽種子數。

活力指數(VI)=S×∑Gt/Dt

式中：Gt為不同時間發芽數，Dt為相應發芽天數，S為幼苗的鮮重。

1.3.2 根系指標測定 每個培養皿選取具有代表性的幼苗10株，用直尺測定其苗長和根長，用分析天平測量幼苗鮮重后，分離植株根系，用0.075 mg/mL的甲基藍將根系浸泡染色10 min，然后再用Delta-TSCAN根系分析系統[12](HP.C7717)掃描根系，測定根系總長、平均直徑、總表面積和根頭數，計算根冠比。并用Delta-TSCAN分析系統直接對葉片進行掃描，測定葉表面積。

1.4 數據統計分析

運用Excel整理數據，并制作圖表，用IBM SPAA Statistics 23.0數據統計軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度重金屬脅迫對高羊茅種子萌發和生長的影響

2.1.1 不同濃度重金屬脅迫對高羊茅種子萌發的影響 隨著Cu2+濃度的增加，高羊茅的相對發芽率呈現下降趨勢(表1)。Cu2+≥400 mg/L時，和對照具有顯著性差異(P<0.05)。Cd2+、Pb2+脅迫下高羊茅的相對發芽率均表現出隨著脅迫濃度的增加先升高后降低，其中，Pb2+≥1 500 mg/L時高羊茅相對發芽率與對照存在顯著性差異(P<0.05)，而不同濃度鎘脅迫對高羊茅種子萌發抑制作用不明顯。Cu2+，Cd2+和Pb2+脅迫下高羊茅種子相對發芽勢顯著降低，其中低濃度銅、鎘脅迫與對照存在顯著性差異(P<0.05)，且不同濃度鎘脅迫下高羊茅的相對發芽勢變幅不大；Pb2+≥1 000 mg/L時，高羊茅相對發芽勢與對照存在顯著性差異(P<0.05)。Cu2+，Cd2+和Pb2+脅迫下的高羊茅發芽指數均有所降低，其中，中度脅迫下銅、鉛的發芽指數顯著低于對照(P<0.05)，而不同濃度鎘脅迫對高羊茅發芽指數抑制作用不明顯(P>0.05)且變幅不大(見表1)。隨著Cu2+濃度的增加高羊茅活力指數表現出不斷下降的趨勢，且在Cu2+≥400 mg/L時高羊茅活力指數與對照有顯著性差異(P<0.05)；Cd2+50 mg/L、150 mg/L濃度下高羊茅活力指數均高于對照，但與對照無明顯差異；隨著Pb2+濃度的增加高羊茅活力指數先升高后降低，且低濃度下增幅作用明顯，與對照有顯著差異(P<0.05)，說明低濃度Pb2+脅迫有利于高羊茅活力指數的提高，而Pb2+≥1 500 mg/L時比對照顯著降低(P<0.05)。

2.1.2 不同濃度重金屬脅迫對高羊茅的生長 隨著Cu2+、Pb2+濃度的增大，高羊茅的根冠比不斷變小，Cd2+處理下，高羊茅的根冠比隨著離子濃度的增加先升高再下降(表2)。其中，低濃度銅、鉛處理下高羊茅的根冠比顯著降低，均與對照形成顯著差異(P<0.05)，說明銅、鉛脅迫下對高羊茅不同部位的抑制程度為地下部分>地上部分；而低濃度鎘處理下高羊茅的根冠比會小幅升高，說明低濃度鎘處理對高羊茅根的生長具有促進作用，當Cd2+≥50 mg/L時，高羊茅根冠比開始降低而且和對照存在顯著性差異(P<0.05)。高羊茅幼苗的葉表面積隨著Cd2+、Pb2+濃度升高表現出現增加再下降的趨勢。其中，低濃度鎘處理下高羊茅葉表面積大幅增加，與對照比形成顯著差異(P<0.05)，而Cd2+≥100 mg/L時，高羊茅葉表面積的增幅并不明顯；低濃度鉛處理下高羊茅葉表面積增加，與對照在顯著性差異(P<0.05)，當Pb2+≥1 500 mg/L時，葉表面積大幅降低，與對照比顯著差異(P<0.05)。低濃度和高濃度銅處理下高羊茅葉表面積發生驟減且與對照形成顯著性差異(P<0.05)，而在中間濃度處理下，葉表面積與對照相比變化不顯著。Cu2+，Cd2+和Pb2+脅迫下高羊茅種子根長/葉長的值顯著降低(P<0.05)。其中低濃度銅、鉛處理即與對照存在顯著性差異(P<0.05)，當Pb2+≥1 500 mg/L時，根長/葉長的值為0，說明此時高羊茅根的生長受到了完全抑制，根長為0，出現了“無根苗”；當Cd2+≥50 mg/L時，根長/葉長的值大幅減小，與對照形成顯著性差異(P<0.05)，但不同濃度鎘處理下根長/葉長的值變幅不大。

表1 不同濃度脅迫下高羊茅種子的各發芽各指標

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

表2 不同濃度脅迫下高羊茅幼苗的生長指標

2.1.3 不同濃度重金屬脅迫對高羊茅根系的生長 隨著Cu2+、Pb2+處理濃度的增加，高羊茅的根表面積降幅明顯，從低濃度處理開始，高羊茅的葉表面積就大幅下降且與對照形成顯著差異(P<0.05)，當Pb2+≥1 500 mg/L時，根表面積驟降為0，此時出現“無根苗”。低濃度鎘處理下高羊茅的根表面積有小幅增加，低濃度鎘處理對高羊茅根系的生長具有微弱的促進作用，但當Cd2+≥50 mg/L時，高羊茅的葉表面積大幅下降，和對照形成顯著差異(P<0.05)。從表3可以看出隨著鎘處理濃度的增大，高羊茅的平均根徑不斷增加，Cd2+≥50 mg/L開始，高羊茅的平均根徑增幅明顯，與對照差異顯著(P<0.05)。銅、鉛處理下高羊茅的平均根徑表現出隨處理濃度的增大先增加再降低的趨勢，低濃度銅、鉛處理對高羊茅根系生長具有促進作用，高濃度處理下對根系生長具有抑制作用。其中，低濃度Cu2+處理下高羊茅的平均根徑增幅不大，與對照無顯著差異(P>0.05)，當Cu2+≥400 mg/L時，高羊茅的平均根徑大幅減小，與對照存在顯著性差異(P<0.05)；低濃度Pd2+處理下高羊茅的平均根徑大幅增加，與對照形成顯著差異(P<0.05)，當Pd2+≥1 500 mg/L，平均根徑驟減為0，與對照呈顯著差異(P<0.05)。Cu2+，Cd2+和Pb2+處理下高羊茅的根系總長度顯著降低。低濃度Cu2+，Pb2+處理下即與對照存在顯著性差異(P<0.05)，且組間降幅大，中濃度的鎘處理時，高羊茅的根系總長度開始大幅減小，與對照呈顯著差異(P<0.05)。Cu2+、Pb2+處理下高羊茅的根頭數均隨著處理濃度的增大而不斷減少，其中銅處理下組間差異大且低濃度時根頭數量大幅減少，與對照呈顯著差異(P<0.05)；當Pd2+≥1 000 mg/L時，高羊茅根頭數量明顯減少，Pd2+≥1 500 mg/L時，出現“無根苗”。低濃度鎘處理下高羊茅根頭數量明顯增多且與對照形成顯著性差異(P<0.05)，當Cd2+≥50 mg/L時，根頭數量大幅下降，與對照有顯著性差異(P<0.05)。

表3 不同濃度脅迫下高羊茅種子的根系指標

2.2 不同重金屬脅迫對高羊茅生長指標的影響

2.2.1 低濃度下不同重金屬脅迫對高羊茅生長的影響 高羊茅的葉長、根長在不同脅迫與對照間均存在顯著差異(P<0.05)。在低濃度鉛脅迫下比對照增加了6.85%，而低濃度銅、鎘脅迫下比對照降低了28.49%、10%，低濃度鉛脅迫可促進火鳳凰2號葉片的伸長，低濃度銅、鎘脅迫可抑制火鳳凰2號葉片的伸長。而低濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號根長分別比對照降低了88.30%，35.70%和69.14%，說明低濃度銅、鎘、鉛脅迫均可抑制火鳳凰2號根系的伸長。且低濃度重金屬脅迫對高羊茅根長的抑制作用大于葉長。低濃度鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號地上鮮重分別比對照增加了0.43%、20.92%，而低濃度銅脅迫下的地上鮮重比對照降低了7.25%，其中，鉛脅迫下和對照具有顯著性差異(P<0.05)；低濃度鎘脅迫下的火鳳凰2號地下鮮重比對照增加了9.89%，而低濃度銅、鉛脅迫下的地下鮮重比對照降低了70.14%、18.56%，其中銅脅迫下和對照形成顯著性差異(P<0.05)?？梢姷蜐舛孺k脅迫下火鳳凰2號的鮮重略有增加，且地下鮮重增長幅度大于地上部分；低濃度銅脅迫可降低火鳳凰2號的鮮重，且地下鮮重降低幅度大于地上部分；低濃度鉛脅迫可促進火鳳凰2號地上鮮重的增加，也可抑制地下鮮重的增加。低濃度下不同重金屬脅迫對高羊茅根長、葉長、地上和地下鮮重的影響銅>鉛>鎘(圖1)。

圖1 不同重金屬低濃度脅迫下高羊茅的根長、葉長、地上、地下鮮重Fig.1 Effect of different heavy metal stress on root length,leaf length,aboveground fresh weight and underground fresh weight of Tall Fescue at low concentration注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；圖中增加標準誤及差異顯著性分析，下圖同

2.2.2 中濃度下不同重金屬脅迫對高羊茅生長指標的影響 中濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號葉長分別比對照降低了31.85%，12.33%和1.87%，其中銅、鎘脅迫下與對照存在顯著性差異且銅脅迫下抑制作用尤為顯著。中濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號根長分別比對照降低了97.38%，59.11%和87.79%，中濃度銅、鎘、鉛脅迫對火鳳凰2號根系的伸長均形成了很大的抑制作用，與對照具有顯著差異(P<0.05)。而且中濃度重金屬脅迫對高羊茅根長的抑制作用大于葉長。中濃度銅、鎘脅迫下的地上鮮重比對照降低了5.28%、0.75%，而中濃度鉛脅迫下的地上鮮重比對照增加了12.85%，可見中濃度銅、鎘脅迫造成高羊茅的地上鮮重略有下降，而中濃度鉛脅迫對高羊茅地上部分的生長具有促進作用，但均與對照無顯著差異(P>0.05)。中濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號地下鮮重分別比對照降低了97.11%，8.58%和35.64%且銅脅迫下與對照存在顯著性差異(P<0.05)，說明中濃度銅、鎘、鉛脅迫對火鳳凰2號地下根系的生長均形成抑制作用，且對地下根系的抑制作用大于對地上部分的抑制作用。

綜合分析中濃度下銅、鎘、鉛對高羊茅的作用為銅>鉛>鎘(圖2)。

圖2 不同重金屬中濃度脅迫下高羊茅的根長、葉長、地上、地下鮮重Fig.2 Effects of Different Heavy Metal Stresses on Root Length,Leaf Length,Aboveground Fresh Weight and Underground Fresh Weight of Tall Fescue

2.2.3 較高濃度下不同重金屬脅迫對高羊茅生長指標的影響 較高濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號葉長分別比對照降低了23.55%，21.84%和23.67%，均與對照具有顯著差異(P<0.05)，較高濃度銅、鎘、鉛脅迫均可抑制火鳳凰2號葉片的伸長且抑制幅度相同。較高濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號根長分別比對照降低了99.52%,67.00%和100.00%，均與對照形成顯著性差異(P<0.05)，較高濃度鉛脅迫下高羊茅的根系生長受到完全抑制。且較高濃度重金屬脅迫對高羊茅根系的抑制作用更強。比較高的濃度銅、鉛脅迫下的火鳳凰2號地上重量分別比對照降低了8.39%、16.22%，而較高濃度鎘脅迫下地上重量比對照提高了0.43%，較高濃度銅、鉛脅迫下高羊茅的地上部分生長均受到抑制，而較高濃度鎘脅迫促進了高羊茅地上部分的生長。較高濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號地下重量分別比對照降低了100.00%，24.17%和100.00%，均與對照具有顯著差異，說明較高濃度銅、鎘、鉛脅迫下高羊茅地下生長均受到顯著抑制。且較高濃度脅迫下對地下根系生長量影響更大。試驗表明較高濃度下不同重金屬脅迫對高羊茅根長、葉長、地上鮮重和地下鮮重的影響為鉛>銅>鎘(圖3)。

圖3 不同重金屬較高濃度脅迫下高羊茅的根長、葉長、地上、地下鮮重Fig.3 Effects of Different Heavy Metal Stresses on Root Length,Leaf Length,Aboveground Fresh Weight and Underground Fresh Weight of Tall Fescue at Higher Concentrations

2.2.4 高濃度下不同重金屬脅迫對高羊茅生長指標的影響 高濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號葉長分別比對照降低了26.61%，13.99%和40.23%，均與對照形成顯著差異(P<0.05)，說明較高濃度銅、鎘、鉛脅迫均可抑制火鳳凰2號葉片的伸長且鉛脅迫下最為顯著；高濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號根長分別比對照降低了99.42%，66.02%和100.00%，高濃度銅、鎘、鉛脅迫均可明顯抑制火鳳凰2號根系的伸長且鉛脅迫下會出現“無根苗”；而且高濃度銅、鎘、鉛脅迫下對根系的抑制程度更大。當高濃度銅、鉛脅迫下的火鳳凰2號地上重量分別比對照降低了14.36%、33.15%，均與對照具有顯著差異，而高濃度鎘脅迫下地上重量比對照提高了6.00%，說明高濃度銅、鉛脅迫下高羊茅的地上部分生長均受到抑制且鉛脅迫下抑制更為顯著，而高濃度鎘脅迫促進了高羊茅地上部生長。較高濃度銅、鎘、鉛脅迫下的火鳳凰2號地下重量分別比對照降低了100.00%，37.83%和100.00%，均與對照形成顯著性差異(P<0.05)，地下根系生長受到明顯抑制。且高濃度銅、鎘、鉛脅迫下對根系生長的抑制更甚。試驗可知高濃度下不同重金屬脅迫對高羊茅根長、葉長、地上鮮重和地下鮮重的影響為鉛>銅>鎘(圖4)。

圖4 不同重金屬高濃度脅迫下高羊茅的根長、葉長、地上、地下鮮重Fig.4 Effects of Different Heavy Metal Stresses on Root Length,Leaf Length,Aboveground Fresh Weight and Underground Fresh Weight of Tall Fescue under High Concentration

3 討論

3.1 重金屬離子對高羊茅種子萌發的影響

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，而發芽率、發芽指數是評價種子發芽的常用指標[13]。用不同濃度銅、鎘、鉛脅迫處理高羊茅種子，結果表現為隨著脅迫濃度的增加，高羊茅種子發芽率、發芽指數等均呈現下降趨勢，說明高濃度重金屬離子對于高羊茅種子萌發具有明顯的抑制作用，與張震等[14]有關重金屬脅迫對高羊茅種子萌發的影響的研究結果相似。但是種子在Cd2+≥1 mg/L和Pb2+≥500 mg/L時，發芽率和種子活力均有小幅提升，表明在低濃度鎘鉛脅迫下，對種子萌發具有促進作用，這與陳順鈺等[15]對種子萌發的研究結果相似。結果表明，低濃度、中濃度重金屬脅迫對高羊茅種子萌發的抑制作用為銅>鉛>鎘；較高濃度、高濃度重金屬脅迫對高羊茅種子萌發的抑制作用為鉛>銅>鎘。高羊茅種子對Cd2+的抗性最強，這與吳麗芳等[16]有關鉛和鎘脅迫對種子草坪草萌發影響的研究結果相似。

3.2 重金屬離子對高羊茅幼苗生長的影響

結果表明，銅脅迫下高羊茅的地上生長量、地下生長量始終小于對照水平，隨著脅迫濃度的增加，抑制不斷加重。產生這種現象的原因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[17-18]。低濃度鎘脅迫促進了高羊茅葉的伸長，增加了高羊茅的地上生長量，這與楊俊俏[19]有關鎘對高羊茅幼苗生長的研究結果相似。隨著脅迫濃度的增加，鎘開始對葉的伸長產生抑制作用，但葉表面積仍然大于對照組，因此，鎘對高羊茅的地上生長量始終產生積極影響。低濃度鉛脅迫對葉的伸長具有促進作用，但隨著脅迫濃度的增加，葉的伸長受到嚴重抑制且高羊茅地上生長量不斷減少，這與陳麗娜等[20]關于鉛脅迫對不同葉菜生長的研究結果相似。銅、鎘、鉛脅迫下高羊茅的根系長度隨著脅迫加重不斷減小，結合根冠比、根長/葉長的變化，發現銅、鎘、鉛脅迫對高羊茅根系的抑制大于對葉的抑制。通過研究不同重金屬脅迫對高羊茅根長、葉長、地上鮮重和地下鮮重的影響，發現低濃度、中濃度脅迫下對高羊茅的生長抑制為銅>鉛>鎘；而較高濃度、高濃度下為鉛>銅>鎘。

3.3 重金屬離子對高羊茅根系生長的影響

根系的生長是植物重金屬脅迫的重要特征。銅脅迫下，高羊茅的根表面積、根系長度、根頭數量隨著脅迫濃度增加不斷減小，說明隨著重金屬離子濃度的增加，對高羊茅根系的生長抑制越來越大，這與王瀚等[21]有關重金屬對高羊茅生長的研究結果相似；而平均根徑表現出低濃度脅迫變大，當Cu2+≥400 mg/L時，根徑生長受到抑制。低濃度鎘脅迫下高羊茅的根表面積、根系長度、根頭數量均受到促進作用，當脅迫濃度增高時各項指標下降，說明高濃度鎘脅迫對高羊茅形成生長抑制。不同濃度鎘脅迫對高羊茅平均根徑的生長始終保持促進作用。鉛脅迫下，高羊茅的根表面積、根系長度、根頭數量隨著脅迫濃度增加不斷減小，而平均根徑表現出低濃度脅迫變大，當Pb2+≥1 500 mg/L時，根系生長受到完全抑制，出現“無根苗”，這與孫金金等[22]關于重金屬脅迫對禾草種子萌發影響的研究結果一致。試驗結果表明，低濃度、中濃度銅、鎘、鉛脅迫對高羊茅根系生長的抑制作用銅>鉛>鎘；較高濃度、高濃度銅、鎘、鉛脅迫對高羊茅根系生長的抑制作用為鉛>銅>鎘。

4 結論

高羊茅種子在不同的重金屬脅迫下，受影響程度不同。在Pb2+，Cd2+和Cu2+3種重金屬離子處理下，綜合種子萌發、幼苗生長和根系生長指標進行評價，發現在低濃度、中濃度脅迫下，對高羊茅種子萌發及生長的抑制作用為銅>鉛>鎘；較高濃度、高濃度的銅、鎘、鉛脅迫下為鉛>銅>鎘。因此，試驗得出結論，高羊茅對鎘的耐受性最好，低濃度下對銅的耐受性最差，高濃度時對鉛的耐受性更差。同種脅迫不同濃度下，高羊茅的生長指標大致表現為，銅脅迫下隨著脅迫濃度的增加，各項指標均下降且生長受到抑制；鎘、鉛脅迫下，低濃度促進生長，隨著脅迫濃度增大，高羊茅生長受到抑制。當Cd2+≥1 500 mg/L時，高羊茅根系生長受到完全抑制，會出現“無根苗”。