銅對(duì)三葉草發(fā)芽率、抗氧化酶及產(chǎn)量的影響

楊洪嶺

(天津市濱海新區(qū)大港環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站 天津 300270)

銅是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量元素之一，銅離子也常被作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和殺菌劑而應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。但隨著近年來工業(yè)“三廢”排放量的增加，城市污水灌溉日益普遍，[1]進(jìn)入土壤環(huán)境中的銅逐漸增加。銅在土壤中不能被微生物降解，只可能沿著食物鏈在植物—食草動(dòng)物—食肉動(dòng)物—人中逐級(jí)傳遞、積累。[2]作為重要的初級(jí)生產(chǎn)者，牧草對(duì)重金屬的吸收和累積直接影響著畜產(chǎn)品的安全和人類的健康。[3]因此有必要以常見的牧草品種為研究對(duì)象，研究土壤中銅離子對(duì)牧草的影響。

三葉草是豆科牧草中分布較廣的一年生、二年生或多年生草本植物。該屬約有300種，在農(nóng)業(yè)上有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的約10余種，我國(guó)栽培利用較多的有紅三葉、白三葉、絳三葉和野火球。[4]國(guó)內(nèi)對(duì)三葉草的相關(guān)研究比較少。相關(guān)文獻(xiàn)包括：儲(chǔ)玲等人采用水培的方法研究了銅對(duì)三葉草幼苗生長(zhǎng)及活性氧化代謝的影響；[5]況武等人研究了白三葉對(duì)中低度銅、鎘、鉛復(fù)合污染土壤的修復(fù)效果；[6]張俠等人研究了 NaCl脅迫對(duì)三葉草種子萌發(fā)的影響[7]等。

抗性生理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，植物受到重金屬、干旱、鹽堿、低溫等各種逆境脅迫后，其生長(zhǎng)發(fā)育及體內(nèi)抗氧化保護(hù)系統(tǒng)等生理生化指標(biāo)的變化是判斷植物對(duì)重金屬耐抗性大小的很好的依據(jù)。[8]因此，本文擬從發(fā)芽率、抗氧化酶(SOD 和 CAT)以及產(chǎn)量等方面研究三葉草受到銅離子脅迫后的影響，為合理利用三葉草提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為白三葉瑞文德，購(gòu)自北京克勞沃草業(yè)技術(shù)開發(fā)中心。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分兩部分內(nèi)容，發(fā)芽試驗(yàn)于 2013年 4月在室內(nèi)進(jìn)行，盆栽試驗(yàn)于 2013年 4～10月在溫室進(jìn)行。依據(jù)我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[9]確定銅離子的濃度，其中應(yīng)包含濃度較低的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和濃度較高的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，CuSO4·5H2O 的濃度梯度為0,mg/L、50,mg/L、100,mg/L、200,mg/L、300,mg/L、400,mg/L。

發(fā)芽試驗(yàn)選用直徑為 12,cm培養(yǎng)皿，皿內(nèi)鋪放雙層定性濾紙作為發(fā)芽床，將配好的CuSO4溶液倒入培養(yǎng)皿中，直至濾紙飽和。每日用稱重法加蒸餾水恒重，培養(yǎng)溫度為20,℃。每個(gè)培養(yǎng)皿中均勻放入50粒三葉草種子，每個(gè)處理重復(fù)3次。[10]10天后統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。

盆栽試驗(yàn)所用基礎(chǔ)土樣取自天津農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)地，土壤未被銅污染。土壤自然風(fēng)干、粉碎、過 3,mm 篩后，裝入直徑為20,cm 塑料花盆中。將 CuSO4·5H2O 溶液投入供試土壤中，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。每個(gè)處理重復(fù) 3次。澆水后平衡 1周。播種、出苗后每盆定苗 20株。定時(shí)澆水，拔除雜草。7月 25日剪取植株相同部位葉片，用蒸餾水洗凈、吸干水分，測(cè)量其SOD酶和CAT酶的活性。[11]7月28日和10月9日刈割兩次，測(cè)產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)芽率

通過發(fā)芽試驗(yàn)可以了解種子的生態(tài)適應(yīng)性和抗逆性。牧草種子在重金屬的污染條件下能否正常發(fā)芽是牧草能否在受重金屬污染的土壤中生長(zhǎng)的先決條件。[12]從表1可以看出，隨著銅離子濃度的增加，三葉草的發(fā)芽率出現(xiàn)了“先增加后下降”的變化趨勢(shì)。當(dāng)銅離子濃度為 50,mg/kg時(shí)，發(fā)芽率最高；銅離子濃度為400 mg/kg時(shí)，發(fā)芽率最低。這說明低濃度的銅離子能在一定程度上促進(jìn)三葉草的萌發(fā)，當(dāng)濃度逐漸升高，尤其是高于我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(100,mg/kg)后，其發(fā)芽率迅速下降，說明高濃度的銅離子對(duì)三葉草種子產(chǎn)生了毒害作用。

表1 不同濃度的銅離子對(duì)三葉草發(fā)芽率、抗性酶活性、產(chǎn)量的影響Tab.1 Effects of different copper ion concentrations on germination rate，resistance activity and production of clovers

2.2 抗性酶活性

從圖1可以看出，隨著銅離子濃度的增加，SOD酶活性呈現(xiàn)出“升—降”的單峰變化趨勢(shì)，且當(dāng)銅離子濃度為100,mg/kg時(shí)，酶活性最高。這表明隨著環(huán)境中銅離子濃度的增加，三葉草需要產(chǎn)生 SOD酶的量也逐漸增加，以消除自身受到的毒害作用；當(dāng)銅離子引發(fā)的毒害作用超出了 SOD酶正常的保護(hù)能力后，其活性迅速下降。

圖1 SOD酶活性的變化Fig.1 Changes of SOD activity

圖2 CAT酶活性的變化Fig.2 Changes of CAT activity

從圖2可以看出，隨著銅離子濃度的增加，CAT酶活性卻呈現(xiàn)出“升—降—升—降”的雙峰變化趨勢(shì)，當(dāng)銅離子濃度為50,mg/kg和300,mg/kg時(shí)，CAT酶活性為第1個(gè)峰值和第2個(gè)峰值，且當(dāng)銅離子濃度為 400,mg/kg時(shí)，CAT酶活性依然高于對(duì)照的酶活性。這一結(jié)果與孫健等人的研究結(jié)果類似。這表明當(dāng)植物受到逆境脅迫時(shí)，CAT的耐受性更高，能夠在抵抗外界重金屬脅迫時(shí)發(fā)揮更大的作用。[13]

2.3 生物量

從表 1可以看出，當(dāng)銅離子濃度不高于土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，與對(duì)照相比，三葉草兩次刈割時(shí)的產(chǎn)量有一定程度的增加，這表明銅作為植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，在植物生長(zhǎng)過程中發(fā)揮了應(yīng)有的生理作用。當(dāng)土壤中銅離子濃度高于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，兩次刈割時(shí)的產(chǎn)量均下降，這表明銅離子對(duì)三葉草的生長(zhǎng)產(chǎn)生了負(fù)面影響。當(dāng)然這也說明我國(guó)目前的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本適用于北方的堿性土壤。

3 結(jié) 論

銅離子為植物生長(zhǎng)所必需的微量元素，當(dāng)環(huán)境中銅離子濃度低于我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)三葉草萌發(fā)和生長(zhǎng)的脅迫作用不明顯；但當(dāng)銅離子濃度達(dá)到、甚至高于環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，三葉草的萌發(fā)和生長(zhǎng)都受到顯著的影響，若將這樣的三葉草飼喂家畜，極有可能影響畜產(chǎn)品的安全，甚至危及人類的健康。■

［1］國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.1998年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[J].環(huán)境保護(hù)，1999(7)：3-9.

［2］張國(guó)良.外源銅對(duì)小麥萌發(fā)生長(zhǎng)的影響[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，12(1)：51-54.

［3］孔凡美，史衍璽，馮固，等.AM 菌對(duì)三葉草吸收、累積重金屬的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，15(3)：92-96.

［4］全國(guó)牧草品種審定委員會(huì).中國(guó)牧草登記品種集[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［5］儲(chǔ)玲，王友保，丁佳紅，等.銅對(duì)三葉草——土壤酶系統(tǒng)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16(12)：2413-2417.

［6］況武，田偉莉，高全喜.白三葉在銅、鎘、鉛復(fù)合污染土壤修復(fù)上的應(yīng)用[J].能源工程，2012(6)：53-56.

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［8］Van Assche F，Clijsters H.Effects of metal on enzyme activity in plants[J].Plant Cell Environ，1990(13)：195-206.

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［10］梁云媚，李燕，多立安，等.不同鹽分脅迫對(duì)苜蓿種子萌發(fā)的影響[J].草業(yè)科學(xué)，1998，5(6)：21-25.

［11］趙海泉.基礎(chǔ)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)植物生理學(xué)分冊(cè)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2008.

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［13］孫健，鐵柏清，錢湛，等.Cu、Cd、Pb、Zn、As復(fù)合污染對(duì)燈心草的生理毒性效應(yīng)[J].土壤，2007，9(2)：379-285.