鉛脅迫對(duì)灌木柳樹生長的影響

黃瑞芳, 王紅玲, 施士爭

(江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院 江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用平臺(tái)柳樹資源圃， 江蘇 南京 211153)

鉛脅迫對(duì)灌木柳樹生長的影響

黃瑞芳, 王紅玲, 施士爭

(江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院 江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用平臺(tái)柳樹資源圃， 江蘇 南京 211153)

采用水培法研究了4個(gè)灌木柳無性系在不同濃度(100μM、300μM、600μM)鉛脅迫下的生長表現(xiàn)及其耐受性。結(jié)果表明： 柳樹無性系的存活率與生長量在不同無性系和不同鉛脅迫濃度間均存在顯著差異；不同濃度的鉛脅迫均抑制了灌木柳無性系的生長，其存活率與生長量的排序均為CK>100μM>300μM>600μM；在100～600μM鉛脅迫下，存活率和萌枝數(shù)排序均為銀柳P102>歐洲紅皮柳P665>蒿柳P683>細(xì)柱柳P642，株高和生物量排序均為銀柳P102>蒿柳P683>歐洲紅皮柳P665 >細(xì)柱柳P642，生物量分配排序?yàn)殂y柳P102>歐洲紅皮柳P665>細(xì)柱柳P642>蒿柳P683。銀柳P102在3種鉛脅迫濃度下耐性指數(shù)均為最高。

鉛脅迫； 灌木柳； 生長

鉛污染由于其在環(huán)境中滯留的時(shí)間較長，且能通過食物鏈在動(dòng)物和人體內(nèi)富集，對(duì)人體的腎臟、血液、神經(jīng)系統(tǒng)等危害極大[1]。目前，中國珠江三角洲平原典型區(qū)地下水和長江三角洲典型地區(qū)土壤都受到較嚴(yán)重的鉛污染[2-3]。因此，鉛污染是一項(xiàng)迫在眉睫的環(huán)境問題之一。為此，國務(wù)院2011 年制定了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，力求控制和治理包括鉛在內(nèi)的5種重金屬(鉛、汞、鉻、鎘、砷)。植物修復(fù)技術(shù)是近10年發(fā)展起來的利用植物清除土壤污染物的原位修復(fù)技術(shù)，是治理重金屬污染土壤的重要途徑之一，具有投資較小、維護(hù)成本低、操作簡便、不造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。超積累植物對(duì)重金屬的積累為污染土壤的植物修復(fù)提供了一種非常有潛力的途徑。超積累植物可以大量積累重金屬[6]，但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大部分超富集植物生長速率慢，植株矮小，經(jīng)濟(jì)價(jià)值低，在一定程度上限制了其規(guī)?；茝V應(yīng)用[7]。植物修復(fù)的效果主要取決于植物地上部重金屬的含量、生物量和植物生長速率[8]。因而，除超積累植物外，一些生物量大、對(duì)污染物吸收能力強(qiáng)，但是還達(dá)不到超積累植物標(biāo)準(zhǔn)的耐性植物，越來越多地受到人們的關(guān)注和研究。

柳樹，尤其是灌木柳，其根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)性強(qiáng)，耐水濕，生物量大，生長速度快，可用作生物能源，具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且不直接與食物鏈相聯(lián)系，與草本相比，其高積累性植物修復(fù)能力高[9]，有研究甚至認(rèn)為柳樹是重金屬的超積累植物[10-11]。因此柳樹是植物修復(fù)的理想材料[12]，適合用于修復(fù)低、中濃度重金屬污染[9, 12-13]。柳樹資源豐富，且其種及無性系間修復(fù)能力差異大，因此有必要挖掘、開發(fā)與利用我國豐富的柳樹種質(zhì)資源用于植物修復(fù)。作者分別選取蒿柳、歐洲紅皮柳、細(xì)柱柳和銀柳等灌木柳樹無性系，研究其在水培條件下，不同濃度的鉛脅迫對(duì)其生長的影響，為灌木柳樹應(yīng)用于鉛污染的植物修復(fù)提供依據(jù)，乃至為今后利用柳樹等速生樹種進(jìn)行鉛污染立地的生態(tài)修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試植物材料及其培養(yǎng)

參試植物材料詳見表1。所有灌木柳樹于2015年春季從江蘇省林科院柳樹種質(zhì)資源圃采集，均采取15cm長、直徑為1cm的健壯穗條；清水培養(yǎng)2周后，挑選生長勢(shì)一致的柳樹苗，置于定植籃中，每籃6株，用泡沫板固定；以改良Hogland培養(yǎng)液培養(yǎng)2周后進(jìn)行鉛處理6周，然后分根、莖、葉收獲植株。Pb2+以Pb(NO3)2的形式加入，處理組濃度分別為0μM(CK)、100μM(處理1)、300μM(處理2)和600μM(處理3)。設(shè)置4次重復(fù)，實(shí)驗(yàn)過程中每周換1次培養(yǎng)液。為避免鉛產(chǎn)生沉淀，開始鉛脅迫后，培養(yǎng)液中不再加入KH2PO4，改為葉面噴灑。

表1 供試灌木柳樹基本情況Tab.1 Informationofthetestedbushwillows編號(hào)系號(hào)種種名性別種源特點(diǎn)HP683蒿柳Salix.viminalis♀英國披針葉,青皮OP665歐洲紅皮柳S.gracilistyla♀英國紅皮XP642細(xì)柱柳S.sinopurpurea♂英國匍匐狀,青皮YP102銀柳S.argyracea♂上海闊披針葉,紅皮

1.2 測定方法

脅迫實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測量其株高、萌枝數(shù)、存活率。植株分根、枝、葉收獲后，先用自來水沖洗，然后用去離子水反復(fù)沖洗干凈并用吸水紙擦干；根部用EDTA洗去表面附著的鉛，105℃殺青30min后，烘干至恒重，分別稱其生物量(干物質(zhì)量，dry weight，DW)。耐性指數(shù)(tolerance index,TI)是表征植物忍耐重金屬脅迫生長能力的指標(biāo)[14]，生物量變化是柳樹受生長環(huán)境影響后最直觀、最全面的反應(yīng)。耐受指數(shù)的計(jì)算公式為：TI=DW(脅迫)/DW(CK)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)利用Excel 2010和IBM SPSS Statistics 19分析，其中存活率進(jìn)行平方根反正弦轉(zhuǎn)換后用于方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹存活率的影響

不同鉛脅迫濃度下各灌木柳無性系的存活率見圖1。圖1顯示：隨著鉛脅迫濃度的提高，柳樹的存活率總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)鉛脅迫濃度為0μM(CK)時(shí)，各柳樹無性系的存活率無顯著差異。方差分析結(jié)果表明，不同鉛脅迫濃度各處理間以及灌木柳樹無性系間存活率差異均達(dá)極顯著(Sig<0.01)。存活率排序及多重比較結(jié)果顯示：CK(a)(95.83%)>處理1(b)(56.25%)>處理2(c)(39.58%)>處理3(c)(30.95%)(注：括弧內(nèi)的不同字母表示差異達(dá)到0.05的顯著水平，數(shù)字代表平均值，下同)，銀柳P102(a)(94.79%)>歐洲紅皮柳P665(b)(46.67%)>蒿柳P683(b)(43.75%)>細(xì)柱柳P642(b)(38.89%)。在3種鉛脅迫濃度下，銀柳P102的存活率分別為100%、91.67%、87.50%，顯著高于其他3種柳樹無性系。

柳樹無性系與鉛脅迫濃度對(duì)灌木柳的存活率有極顯著的交互作用(Sig<0.01)，表明不同柳樹無性系存活率對(duì)鉛脅迫響應(yīng)的規(guī)律有顯著差異。以圖1中銀柳P102和細(xì)柱柳P642為例。隨著鉛脅迫濃度的升高，銀柳P102的存活率變化不大(無顯著差異)，當(dāng)鉛脅迫濃度達(dá)600μM時(shí)，其存活率達(dá)到CK的87.5%；細(xì)柱柳P642的存活率則隨著鉛脅迫濃度的升高而急劇下降，當(dāng)鉛脅迫濃度達(dá)600μM時(shí)全部死亡。

圖1 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹存活率的影響Fig.1 Difference of the survival rate under lead stress

2.2 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹株高的影響

不同鉛脅迫濃度下各灌木柳無性系的株高見圖2。圖2顯示：隨著鉛脅迫濃度的提高，柳樹的株高總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)鉛脅迫濃度為0μM(CK)時(shí)，各柳樹無性系的株高排序?yàn)檩锪鳳683(58.21±13.98)>銀柳P102(44.17±7.35)>歐洲紅皮柳P665(25.67±14.65)>細(xì)柱柳P642(21.44±4.02)。方差分析結(jié)果表明，不同鉛脅迫濃度各處理間以及灌木柳樹無性系間株高差異均達(dá)極顯著(Sig<0.01)。株高排序及多重比較結(jié)果顯示：CK(a)(37.37)>處理1(b)(22.39)>處理2(bc)(16.16)>處理3(c)(12.79)，銀柳P102(a)(31.09)>蒿柳P683(a)(30.08)>歐洲紅皮柳P665(b)(14.99)>細(xì)柱柳P642(b)(12.68)。在3種鉛脅迫濃度下，銀柳P102的株高分別是對(duì)照的66.60%、64.32%和50.66%，當(dāng)鉛脅迫濃度達(dá)600μM時(shí)，細(xì)柱柳P642死亡，蒿柳P683和歐洲紅皮柳P665的株高分別為對(duì)照的30.28%和24.68%，顯著低于銀柳P102。

圖2 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹株高的影響Fig.2 Difference of the stem height under lead stress

柳樹無性系與鉛脅迫濃度對(duì)灌木柳株高的交互作用不顯著，說明不同柳樹無性系的株高受鉛脅迫影響的規(guī)律基本一致。

2.3 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹萌枝數(shù)的影響

不同鉛脅迫濃度下各灌木柳無性系的萌枝數(shù)見圖3。圖3顯示：隨著鉛脅迫濃度的提高，柳樹萌枝數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)鉛脅迫濃度為0μM(CK)時(shí)，各柳樹無性系的萌枝數(shù)排序?yàn)闅W洲紅皮柳P665(11.00±2.58)>銀柳P102(9.75±1.50)>細(xì)柱柳P642(7.75±2.63)>蒿柳P683(7.25±0.50)。方差分析結(jié)果表明，不同鉛脅迫濃度各處理間以及灌木柳樹無性系間萌枝數(shù)差異均達(dá)極顯著(Sig<0.01)。萌枝數(shù)排序及多重比較結(jié)果顯示，CK(a)(8.94)>處理1(b)(5.75)>處理2(c)(3.50)>處理3(c)(2.71)，銀柳P102(a)(9.25)>歐洲紅皮柳P665(b)(5.27)>蒿柳P683(c)(3.31)>細(xì)柱柳P642(c)(3.27)。當(dāng)鉛脅迫濃度達(dá)600μM時(shí)，蒿柳P683和歐洲紅皮柳P665僅為對(duì)照的10.34%和9.09%，而銀柳P102的萌枝數(shù)高達(dá)對(duì)照的82.05%，顯著高于其他3種柳樹無性系。

柳樹無性系與鉛脅迫濃度對(duì)灌木柳萌枝數(shù)有極顯著的交互作用(Sig<0.01)，表明不同柳樹無性系的萌枝數(shù)對(duì)鉛脅迫響應(yīng)的規(guī)律有顯著差異。圖3顯示，歐洲紅皮柳P665的萌枝數(shù)在鉛脅迫濃度為300μM與100 μM的處理間無顯著差異，其他3種柳樹無性系的萌枝數(shù)在鉛脅迫濃度為300μM時(shí)較100μM的均顯著降低。

圖3 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹萌枝數(shù)的影響Fig.3 Difference of the sprout numbers under lead stress

2.4 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹生物量的影響

不同鉛脅迫濃度下各灌木柳無性系的生物量見圖4。圖4顯示：隨著鉛脅迫濃度的提高，柳樹生物量總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)鉛脅迫濃度為0μM(CK)時(shí)，各種柳樹無性系的生物量排序?yàn)檩锪鳳683(48.06±22.30)>銀柳P102(44.10±7.83)>細(xì)柱柳P642(16.56±7.31)>歐洲紅皮柳P665(15.97±15.10)。方差分析結(jié)果表明，不同鉛脅迫濃度各處理間以及灌木柳樹無性系間生物量差異均達(dá)極顯著(Sig<0.01)。生物量及多重比較結(jié)果顯示，CK(a)(31.17)>處理1(b)(9.76)>處理2(b)(5.48)>處理3(b)(4.25)，銀柳P102(a)(23.72)>蒿柳P683(b)(15.20)>歐洲紅皮柳P665(c)(5.93)>細(xì)柱柳P642(c)(5.81)。在3種鉛脅迫濃度下，銀柳P102的生物量分別為對(duì)照的47.91%、35.58%和31.67%，均顯著高于其他3種柳樹無性系。

柳樹無性系與鉛脅迫濃度對(duì)灌木柳生物量有顯著的交互作用(Sig<0.05)。圖4顯示，歐洲紅皮柳P665、細(xì)柱柳P642、銀柳P102在3種鉛脅迫濃度下的生物量無顯著差異，而蒿柳P683在100μM和300μM時(shí)生物量有極顯著差異。

圖4 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹生物量的影響Fig.4 Difference of the biomass under lead stress

2.5 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹生物量分配的影響

柳樹可通過平茬更新轉(zhuǎn)移富集的污染物質(zhì)，因此地上生物量與地下生物量的比值，即生物量分配對(duì)柳樹污染修復(fù)效率具有重要影響。不同鉛脅迫濃度下各灌木柳無性系的生物量見圖5。隨著鉛脅迫濃度的提高，柳樹無性系生物量分配總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)鉛脅迫濃度為0μM(CK)時(shí)，各種柳樹無性系的生物量排序?yàn)殂y柳P102(6.20±2.74)>細(xì)柱柳P642(5.72±4.63)>歐洲紅皮柳P665(4.94±3.22)>蒿柳P683(4.74±2.15)。方差分析結(jié)果表明，不同鉛脅迫濃度各處理間以及灌木柳樹無性系間生物量分配的差異均達(dá)極顯著(Sig<0.01)。DW(地上)/DW(地下)及多重比較結(jié)果顯示，CK(a)(5.40)>處理1(b)(2.71)>處理2(b)(1.75)>處理3(b)(1.44)，銀柳P102(a)(4.77)>歐洲紅皮柳P665(b)(2.36)>細(xì)柱柳P642(b)(2.29)>蒿柳P683(b)(1.88)。

柳樹無性系與鉛脅迫濃度對(duì)灌木柳生物量分配的交互作用不顯著，說明不同柳樹無性系生物量分配受到鉛脅迫處理影響的規(guī)律基本一致。

圖5 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹生物量分配的影響Fig.5 Difference of the distribution of biomass under lead stress

2.6 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹耐性指數(shù)的影響

不同鉛脅迫濃度下各灌木柳無性系的耐性指數(shù)見圖6。隨著鉛脅迫濃度的提高，柳樹的耐性指數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)鉛脅迫濃度為100μM、300μM、600μM時(shí)，銀柳P102的耐性指數(shù)均為最大，分別為47.91%、35.56%和31.67%。當(dāng)鉛脅迫濃度為100μM時(shí)，蒿柳P683的耐性指數(shù)最低，為19.50%；當(dāng)鉛脅迫濃度為300μM 時(shí)，蒿柳P683的耐性指數(shù)急劇下降，由原來的19.50%下降至3.42%，低于其他灌木柳；當(dāng)鉛脅迫濃度為600μM時(shí)，細(xì)柱柳P642全部死亡。

圖6 鉛脅迫對(duì)灌木柳樹耐性指數(shù)的影響Fig.6 Difference of the tolerance index under lead stress

3 結(jié)論與討論

鉛離子為植物生長發(fā)育過程中的非必需離子，會(huì)對(duì)植物的生長發(fā)育產(chǎn)生毒害作用。一般情況下，灌木柳樹對(duì)低、中濃度的鉛污染具有一定的耐性，而不同的無性系之間差異較大[15]。

本研究選擇了3種濃度的鉛脅迫處理，各處理灌木柳無性系的生長發(fā)育均受到抑制，當(dāng)鉛脅迫濃度為300μM和600μM時(shí)，鉛脅迫對(duì)灌木柳無性系的生長發(fā)育的影響無顯著差異。這可能是因?yàn)?00μM的鉛脅迫濃度已經(jīng)達(dá)到了參試灌木柳樹無性系的耐受極限。這就提示我們?cè)诮窈蟮膶?shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)將鉛脅迫濃度控制在300μM內(nèi)。

在3種鉛脅迫濃度下，銀柳P102與其他灌木柳無性系有極顯著差異(只有株高與蒿柳無顯著差異)，各生長指標(biāo)、耐性指數(shù)以及生物量分配均為最高，對(duì)鉛污染具有更好的適應(yīng)性；而歐洲紅皮柳P665在鉛脅迫濃度為100μM和300μM的處理間各生長指標(biāo)及耐性指數(shù)均無顯著差異，顯示歐洲紅皮柳P665忍受小于300μM濃度的鉛脅迫的能力較強(qiáng)；蒿柳P683在鉛脅迫濃度為100μM和300μM的處理間各生長指標(biāo)及耐性指數(shù)有極顯著差異，顯示蒿柳P683忍受小于100μM濃度的鉛脅迫的能力較強(qiáng)。

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Influenceofleadstresstreatmentonthegrowthofbushwillowclones

HUANG Ruifang, WANG Hongling, SHI Shizheng

(Jiangsu Academy of Forestry, The Willow Nursery of Jiangsu Provincial Platform for Conservation and Utilization of Agricultural Germplasm, Nanjing 211153, China)

we examined the growth traits and tolerance index of four bush willow clones on different concentrations(100 μM,300 μM,600 μM) of lead stress using hydroponic culture. The results showed that there were significant difference on the survival rate and growth characteristics among different clones or lead content.The growth of the clones were inhibited by the lead stress of different concentrations, the survival rate and growth traits were in order of CK>100 μM>300 μM>600 μM.Under 100 μM～600 μM lead concentrations, the survival rate and the sprout numbers were in order of P102> P665> P683> P642，the stem height and the biomass were in order of P102> P683> P665 > P642，the distribution of the biomass was in order of P102> P665 > P642 >P683.The P102 has the highest tolerance index under the different lead concentrations.

lead stress; bush willow; growth

2015-10-28

國家科技支撐計(jì)劃—社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目“柳樹修復(fù)土壤鉛污染的關(guān)鍵技術(shù)”(BE2012778)；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“柳樹能源林及環(huán)境修復(fù)兼用型新品種選育”(201204812)。

黃瑞芳(1988-)，女，研究實(shí)習(xí)員，研究方向?yàn)橹参镄迯?fù)。

X 173

A

1003 — 5710(2015)06 — 0045 — 06

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 06. 007

(文字編校：唐效蓉)