鉛脅迫下香樟幼苗生理生長的變化及對鉛的富集特征

沙文沛　杜瑞卿　楊建偉　張征田　梁咪咪

摘要：選取香樟幼苗為試驗對象，在土壤中添加5個不同濃度的鉛（Pb）進行盆載，測量了香樟幼苗生物量等8個生理生長指標。結(jié)果表明，隨著土壤Pb濃度的升高，香樟幼苗生物量、株高、葉綠素含量、凈光合速率隨之降低，SOD、POD、CAT、MDA隨之升高。土壤Pb濃度與香樟幼苗生長生理指標間存在極顯著的回歸關(guān)系。根是香樟幼苗對鉛最主要的分布部位。土壤中Pb濃度為1 045 mg/kg是重要的臨界值，當土壤Pb濃度高于1 045 mg/kg時，香樟幼苗不能正常生長，不能保持最高的轉(zhuǎn)移系數(shù)，不能最有效改良土壤。

關(guān)鍵詞：鉛（Pb）；香樟幼苗；土壤污染；生長指標；生理指標；富集特征

中圖分類號： Q945.78 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0242-03

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，鉛（Pb）污染日益嚴重，鉛通過食物鏈對人類生命健康造成極大傷害。鉛污染土壤的治理和修復(fù)成為當前亟需解決的問題。傳統(tǒng)的鉛污染治理成本高，不但影響土壤結(jié)構(gòu)，而且治理面積小，不能從根本上解決問題。利用植物對鉛的吸收富集能力進行鉛污染治理的植物修復(fù)技術(shù)成本低、對環(huán)境破壞小、能夠進行大面積推廣，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。采用超富集植物對重金屬污染土壤進行修復(fù)，由于生物量低、生長緩慢、易受雜草競爭性威脅等原因?qū)е聦嶋H應(yīng)用受到限制[4-5]。國內(nèi)外相繼開展了木本植物修復(fù)重金屬污染土壤研究，木本植物修復(fù)重金屬污染土壤具有生物量大，生長周期長，根系、莖、枝、葉面積較大，吸收積累重金屬能力強，不參與食物鏈循環(huán)等優(yōu)點[6-8]。香樟（Cinnamomum camphora L.）屬樟科樟屬常綠木本植物，是我國重要的材用和特種經(jīng)濟樹種，具有重要的生態(tài)價值、經(jīng)濟價值，也是各地園林栽培中應(yīng)用極為普遍的綠化樹種之一，在少數(shù)地區(qū)用于尾礦的植被恢復(fù)。本試驗利用香樟作為植物修復(fù)的備選植物，初步研究土壤中添加不同含量Pb對香樟幼苗生理生長的影響以及Pb在香樟幼苗體內(nèi)的富集分布規(guī)律，旨在為利用木本植物進行環(huán)境修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

2014年4月上旬取南陽師范學(xué)院校園花房溫室內(nèi)20 cm高、長勢一致的5月齡香樟幼苗作為材料，用自來水、純水多次沖洗幼苗。Pb脅迫處理：在高約50 cm、直徑30 cm的塑料桶中裝10 kg干土（黃棕壤土，pH值為6.5，Pb本底含量為45 mg/kg，取自河南省南陽市郊區(qū)農(nóng)田土壤），根據(jù)干土質(zhì)量及GB 15618—2008《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》，結(jié)合當?shù)刂亟饘俑叨任廴緟^(qū)的實際情況[9]，按照大跨度、多梯度、高污染的原則，向土壤中添加純Pb2+[用Pb（CH3COOH）2·3H2O配制，AR]，在包含土壤本底Pb含量的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置：45（1組，對照組）、545（2組）、1 045（3組）、2 045（4組）、3 045 mg/kg（5組）5個Pb脅迫處理，平衡1周。將香樟幼苗栽植于5個Pb濃度處理土壤中，每桶5株，待植株成活后每桶保留3株并移出室外（其余幼苗回埋桶內(nèi)土壤中）。將試驗桶放置于南陽師范學(xué)院花房內(nèi)。晴天接受自然光照，雨天于遮雨棚內(nèi)避雨，每周補充1次純水，確保土壤濕度基本保持在適宜水分條件下，每處理重復(fù)3次。50 d后測定香樟幼苗各項生理指標。9月下旬起苗，測定各處理下香樟生物量以及根、莖、葉各部位Pb含量。

1.2 測定指標及方法

于當年9月下旬起苗，分別用自來水沖洗根、莖、葉，再用蒸餾水沖洗3遍，瀝去水分，120 ℃下烘至恒質(zhì)量，各部分干質(zhì)量之和即為單株生物量，求平均值。香樟幼苗植株起苗后，立即用直尺測量植株高度，求平均值。采用浸提法[10]測定葉綠素含量。采用TPS-1便攜式光合儀（英國PP Systems公司）測定凈光合速率（Pn）：幼苗在Pb污染土壤中生長50 d后，于每天10：00左右測定中上部未受害正常葉片的Pn，連續(xù)測定3 d，每處理重復(fù)測定5張葉片，求平均值。幼苗在Pb污染土壤中生長50 d后采集葉片，測定各項生理指標：采用高錳酸滴定法測定過氧化氫酶（CAT）活性；采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性；采用氮藍四唑（NBT）光還原法測定超氧化物歧化酶（SOD） 活性；采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定丙二醛（MDA）含量[10-11]。起苗后分別用自來水沖洗香樟根、莖、葉，再用蒸餾水沖洗 3 遍，瀝去水分，120 ℃下烘至恒質(zhì)量。將烘干后的植物磨碎，過篩（篩孔直徑為 1.4 mm），每種樣品稱取 0.2 g，加HNO3-H2O2（4 ∶ 1）消化、定容、保存，用AAS-400型原子吸收分光光度計測定樣品中Pb含量。

1.3 統(tǒng)計處理

對不同組別不同指標進行方差分析。根據(jù)方差分析結(jié)果，將5個試驗組分為三大污染類別：無污染、輕度污染、重度污染，按照香樟幼苗生長生理指標進行判別分析。分析土壤Pb濃度與香樟幼苗生長生理指標間的函數(shù)關(guān)系。轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）計算公式如下：

TF=Gp/Cs。

式中：Gp表示植物中Pb含量，mg/kg；Cs表示土壤中Pb含量，mg/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛脅迫對香樟幼苗生長指標的影響

表1表明，隨著土壤Pb濃度的升高，香樟幼苗生物量、株高呈下降趨勢，香樟幼苗生長狀況惡化，當土壤Pb濃度大于1 045 mg/kg時，香樟幼苗生物量、株高顯著下降。與對照組相比，當Pb含量為2 045 、3 045 mg/kg時，植株高度分別下降了23.0%、37.9%，生物量分別下降了31.4%、52.6%。方差分析表明，各組香樟幼苗生物量、株高均與對照差異顯著。

2.2 Pb脅迫對香樟幼苗生理活動的影響

表2表明，隨著Pb濃度的升高，香樟幼苗的光合速率、葉綠素含量均呈下降趨勢，當Pb濃度大于1 045 mg/kg時，香樟幼苗的光合速率、葉綠素含量均顯著低于對照。當Pb濃度為 3 045 mg/kg 時，香樟幼苗的光合速率與對照相比下降了49.97%，葉綠素總量下降了36.05%。當Pb濃度大于1 045 mg/kg時，香樟幼苗的生存已受到嚴重影響。保護酶SOD、POD、CAT活性與植物的抗性強弱密切相關(guān)。隨著Pb濃度的升高，香樟幼苗體內(nèi)保護酶SOD、POD、CAT活性呈上升趨勢，當Pb濃度為2 045 mg/kg時，SOD活性達到最高。香樟幼苗體內(nèi)POD、CAT活性隨著Pb濃度升高持續(xù)升高，當Pb濃度為3 045 mg/kg時，POD、CAT活性達到最高。隨著Pb濃度升高，香樟幼苗體內(nèi)MDA含量急劇上升，當Pb濃度為3 045 mg/kg時，MDA含量是對照組的2.2倍，表明細胞膜系統(tǒng)可能受到了傷害。當土壤Pb濃度低于1 045 mg/kg時，香樟幼苗對于外來Pb脅迫的抵抗和保護響應(yīng)能力較強，當土壤Pb濃度高于1 045 mg/kg時，香樟幼苗對于外來Pb脅迫的抵抗和保護響應(yīng)能力下降。endprint

2.3 香樟幼苗生理生長指標的判別分析

依據(jù)對香樟幼苗生長指標和生理指標的方差分析結(jié)果，將原來的5個試驗組按照香樟幼苗生長生理受到的危害程度分為三大污染類別：無污染（對照組）、輕度污染（1組、2組）、重度污染組（3組、4組）。對香樟幼苗生長生理8個指標組進行判別分析，結(jié)果表明，香樟幼苗生理各指標在三大污染類別上存在顯著差異，三大類正確判別率為100%，說明將土壤Pb 濃度劃分為無污染、輕度污染、重度污染三大類別是合理的。

2.4 土壤Pb濃度與香樟幼苗生理指標間的回歸關(guān)系

表3表明，香樟生長生理各指標生物量、株高、葉綠素含量、Pn與Pb濃度存在負回歸關(guān)系，SOD、POD、CAT、MDA與Pb濃度存在正回歸關(guān)系。

2.5 Pb在香樟幼苗體內(nèi)的富集特征

從表4可以看出，隨著土壤Pb濃度的升高，香樟幼苗的根、莖、葉對Pb的吸收量也隨之升高。不論在何種Pb濃度下，根對Pb的吸收量均遠高于莖、葉對Pb的吸收量，根是Pb最主要的分布部位，葉片中Pb的分布量最低。當Pb濃度高于1 045 mg/kg時，香樟幼苗根、莖、葉各部分以及整株對Pb的吸收量都變化不大，轉(zhuǎn)移系數(shù)明顯下降，除土壤Pb濃度為45 mg/kg外，當土壤Pb濃度為1 045 mg/kg時轉(zhuǎn)移系數(shù)在各處理組中均最大，說明土壤Pb濃度為1 045 mg/kg是重要的臨界值。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，隨著土壤Pb濃度的增大，香樟幼苗的生長指標（生物量、株高）和葉綠素含量、Pn逐漸減小，但SOD、POD、CAT、MDA含量增大。當土壤Pb濃度不高于 1 045 mg/kg 時，香樟幼苗自身抵抗Pb脅迫的適應(yīng)能力較強，能夠進行正常的生理活動。當土壤Pb濃度高于 1 045 mg/kg 時，香樟幼苗自身抵抗Pb脅迫的能力下降，正常生理活動受到影響。香樟幼苗生長生理各指標在無污染、輕度污染、重度污染三大類別的正確判別率為100%，說明土壤Pb污染濃度劃分正確，較好地反映了香樟幼苗生長生理變化特征。香樟生長生理各指標與土壤Pb濃度存在極顯著的回歸關(guān)系，土壤Pb濃度變化對香樟生長生理各指標存在極顯著影響。香樟幼苗根、莖、葉中的Pb含量隨土壤Pb濃度升高而升高，但根是最主要的吸收部位。除無污染情況外，當土壤Pb濃度為1 045 mg/kg時，香樟幼苗根、莖、葉以及幼苗整株的Pb轉(zhuǎn)移系數(shù)最高。土壤Pb濃度為1 045 mg/kg具有重要的臨界值意義，當土壤Pb濃度高于1 045 mg/kg，香樟幼苗既不能很好地生長，又不能保持最高的轉(zhuǎn)移系數(shù)，有效改良土壤。秦普豐等研究表明，當土壤中Pb濃度高于1 000 mg/kg時，嚴重抑制棉花、水稻幼苗生長發(fā)育，植株矮小且嚴重受害[12]。本研究結(jié)果表明，隨著土壤Pb濃度升高，香樟幼苗高度、生物量顯著降低。邱永祥等研究表明，Pb處理降低了植株的光合能力，光合速率下降，光效率降低，Pb破壞了植物的超微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉綠體解體[13]。本研究結(jié)果表明，隨土壤Pb濃度的升高，香樟幼苗平均植株高度、單株生物量、葉綠素含量、凈光合速率明顯下降。

正常情況下，細胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，自由基水平很低，不會傷害細胞。當植物受到脅迫時，平衡會被打破，自由基累積過多，會傷害細胞[14]。植物體內(nèi)SOD、POD、CAT協(xié)同構(gòu)成的保護酶系統(tǒng)可以消除在逆境條件下植物體內(nèi)增加的 O-2 · 、·OH等自由基，減輕植物受傷害的程度。丙二醛（MDA）是植物組織在逆境下遭受氧化脅迫發(fā)生膜脂過氧化作用的產(chǎn)物，其濃度高低是反映細胞質(zhì)膜過氧化程度的重要指標。本研究結(jié)果表明，當土壤Pb濃度為1 045 mg/kg時，香樟幼苗的丙二醛（MDA）含量顯著增高，提示植物受脅迫傷害加重。

土壤中的Pb主要以難溶性化合物存在，導(dǎo)致Pb的遷移性、生物吸收有效性都大大降低。植物對Pb的吸收與積累程度決定于環(huán)境中Pb的濃度、土壤條件、植物葉片大小等。植物吸收的Pb主要累積在根部，只有少數(shù)Pb轉(zhuǎn)移到地上部分。

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