刈割次數(shù)對紫花苜蓿鎘吸收影響及生理響應(yīng)

李娜，孫寧驍，宋桂龍*，濮陽雪華，周述瓊，趙克奇，蔣凱

(1.北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京 100083；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣州 深圳 518040)

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刈割次數(shù)對紫花苜蓿鎘吸收影響及生理響應(yīng)

李娜1，孫寧驍1，宋桂龍1*，濮陽雪華2，周述瓊2，趙克奇2，蔣凱2

(1.北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京 100083；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣州 深圳 518040)

采用盆栽試驗研究了4種鎘(Cd)濃度(0，10，25，50 mg/kg)下，刈割次數(shù)(1次，2次，3次)對紫花苜蓿生長和Cd累積量的影響及其生理響應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多次刈割提高了紫花苜蓿地上部分的生長速率，促進(jìn)了地上部分生物量的累積，3次刈割下地上部平均生長速率可達(dá)61.6 mg/(株·d)，但3次刈割顯著抑制了根系的生長(P<0.05)。生長季內(nèi)2次和3次刈割可以促進(jìn)根系Cd吸收，增加地上部分Cd累積量，進(jìn)而提高紫花苜蓿Cd富集量，單株最大鎘積累量出現(xiàn)在25 mg/kg Cd濃度的2次刈割處理中，達(dá)到75.98 μg/株。同時，2次或3次刈割會降低紫花苜蓿相對電導(dǎo)率、MDA含量，增加脯氨酸含量，改善紫花苜蓿在Cd脅迫下的生理狀況。綜合分析表明，當(dāng)土壤Cd濃度不高于25 mg/kg時，紫花苜蓿生長季內(nèi)2次刈割可以提高Cd污染土壤修復(fù)效率。

紫花苜蓿；刈割；Cd吸收；植物修復(fù)；生理變化

近年來，由于工業(yè)開采頻繁、過度施肥、化石燃料的燃燒和污水處理操作不當(dāng)?shù)仍颍瑢?dǎo)致土地及水體的重金屬污染問題日趨嚴(yán)重[1-2]，其中鎘(Cd)污染成為環(huán)境污染的一個熱點問題[3-4]。針對當(dāng)前的土壤Cd污染狀況，植物修復(fù)是一項既環(huán)保又節(jié)約治理成本的技術(shù)。研究表明，紫花苜蓿(Medicagosativa)因其生物量大和生長迅速，對多種重金屬表現(xiàn)出一定的耐受性及累積潛力等特點，成為現(xiàn)在重金屬修復(fù)研究的重要植物[5-8]。王新等[9]研究指出，紫花苜蓿在高劑量重金屬土壤中地上部Cd遷移總量達(dá)到了對照的1348.7%，表現(xiàn)出對Cd污染土壤有一定的修復(fù)能力。有研究發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿在Cd、Cu、Ni、Zn濃度均為50 mg/kg的復(fù)合污染土壤上生長，地上部Cd的濃度可以達(dá)到202 mg/kg[10]。

在植物修復(fù)中，植物對重金屬的去除效率主要取決于植物地上部對重金屬的富集總量，即植物地上部的生物量和植物體內(nèi)所含重金屬的濃度的乘積[11-14]。刈割作為一種草本植物栽培調(diào)控農(nóng)藝措施，不僅能提高牧草等植物的地上部再生能力；且通過增加植物生物量的積累，促進(jìn)植物對重金屬的吸收，進(jìn)而提高了修復(fù)效率。傅大放等[15]指出，刈割能夠促進(jìn)黑麥草(Loliumperenne)對Pb的吸收和累積。裴昕等[12]的研究表明，刈割提高了龍葵(Solanumnigrum)富集Cd的能力，輕度刈割單株積累量明顯增加，重度刈割的刈割部分Cd積累量達(dá)總量的1/4。李文學(xué)等[11]則指出，多次刈割并沒有降低蜈蚣草(Pterisvittata)對As的累積速度，適當(dāng)增加刈割次數(shù)是提高蜈蚣草對As污染土壤的修復(fù)效率的一種重要措施。而關(guān)于紫花苜蓿作為重金屬土壤修復(fù)研究的潛力植物，刈割處理是否能提高紫花苜蓿對Cd的吸收總量，刈割頻次的增加產(chǎn)生的植物生長的“相對稀釋效應(yīng)”是否影響紫花苜蓿對Cd吸收速率及其含Cd濃度，相關(guān)研究報道很少見。

本試驗通過研究Cd脅迫下不同刈割頻次對紫花苜蓿生長、Cd吸收累積情況及相關(guān)生理指標(biāo)變化情況的影響，分析探討合理的刈割方式促進(jìn)紫花苜蓿對土壤中重金屬Cd的吸收及富集，為紫花苜蓿在Cd污染土壤修復(fù)的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及試驗地概況

紫花苜蓿種子來自綠冠集團(tuán)，品種為內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾苜蓿。

供試土壤取自北京市昌平區(qū)白浮村，土壤性質(zhì)為pH 6.8，有機(jī)質(zhì)含量27.1 g/kg，全氮含量2.37 g/kg，有效鉀含量28.4 mg/kg，有效磷含量23.1 mg/kg，Cd含量1.61 mg/kg。盆栽實驗在溫室進(jìn)行，溫室溫度控制在25 ℃左右，平均相對濕度控制在60%左右。

試驗采用直徑20 cm、高50 cm PVC管，每盆裝土23 kg。重金屬以CdCl2·2.5H2O(分析純)固體粉末形式按比例(以Cd2+)加入土壤，充分混合均勻，制成含不同Cd濃度的土壤，澆自來水，保持田間持水量的60%左右，自然放置兩周。

1.2 試驗設(shè)計

采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，試驗共12個處理。Cd濃度設(shè)置4個水平，即0，10，25，50 mg/kg，刈割處理設(shè)置3個水平，即一個生長季1次刈割、2次刈割、3次刈割。每個處理4次重復(fù)。

紫花苜蓿在草炭∶蛭石=1∶1混合的基質(zhì)中育苗，出苗12 d后移栽至加Cd花盆中，恢復(fù)兩周后選取長勢一致的植株定苗，每盆5株，將定苗后的植株均修剪至留茬10 cm，每次刈割處理的留茬高度為10 cm。刈割試驗開始時間為2014年8月18日，1次刈割處理為90 d后，2次刈割時間間隔為45 d，3次刈割為30 d。最后一次刈割時，也同時取留茬的新鮮葉片進(jìn)行相關(guān)生理指標(biāo)的測定。

1.3 指標(biāo)測定及方法

1.3.1 相對電導(dǎo)率測定 利用電導(dǎo)儀法測定[16]。取紫花苜蓿新鮮葉片剪成1 cm小段，取0.1 g置于含25 mL蒸餾水的試管中，完全浸沒，封口膜封口，室溫下?lián)u床(180 r/min)振蕩24 h，用電導(dǎo)率儀測電導(dǎo)率EL1；然后將試管(封口，扎孔透氣)置于沸水浴30 min，冷卻至室溫測電導(dǎo)率EL2；將無樣品的蒸餾水進(jìn)行振蕩、沸水浴，測定降到室溫時的電導(dǎo)率作為對照，記為EL0。其計算公式為相對電導(dǎo)率=[(EL1-EL0)/(EL2-EL0)]×100%。

1.3.2 脯氨酸含量測定 利用酸性茚三酮法測定[17]。稱取新鮮葉片0.1 g，用3%磺基水楊酸浸提，用2.5%酸性茚三酮進(jìn)行顯色處理，最后用2.5 mL甲苯萃取，在520 nm下使用721型分光光度計比色測定。

1.3.3 丙二醛(MDA)含量測定 采用硫代巴比妥酸法進(jìn)行測定[18]。取新鮮葉片剪成2 mm小段，取0.05 g研磨成粉末，加2 mL 0.25% 硫代巴比妥酸(TBA)充分磨成勻漿，完全轉(zhuǎn)移至2 mL離心管中，敞口，沸水浴30 min后迅速冰浴冷卻，離心(8000 r/min)10 min，提取上清液，使用721型分光光度計于600和532 nm波長處進(jìn)行比色測定。

1.3.4 生物量及生長速率測定 將刈割處理結(jié)束后的地上留茬部分，刈割收獲的每一茬和根系用蒸餾水清洗，吸凈表面水分，105 ℃殺青15 min，并在80 ℃下烘至恒重，用電子天平稱取各部分干重即生物量。計算刈割處理下每天單株紫花苜蓿地上部分生長量即生長速率。

1.3.5 紫花苜蓿Cd含量及吸收速率測定 植物樣品采用硝酸∶高氯酸=4∶1濕法消解。采用原子吸收分光光度計(Varian Spectrum AA220)火焰吸收法測定Cd含量[7]。紫花苜蓿地上部分吸收速率為刈割處理下每天單株紫花苜蓿地上部分的Cd富集量(Cd含量與干重的乘積)。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部分Cd積累濃度/根系Cd積累濃度

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，對不同Cd濃度的刈割次數(shù)處理的各指標(biāo)進(jìn)行方差分析，并用Duncan法對各測定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，采用Excel 2016制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 刈割處理的不同Cd脅迫下紫花苜蓿生長特征

2.1.1 紫花苜蓿生物量 從圖1A中看出，紫花苜蓿的地上生物量隨刈割頻次的增加變化顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為3次>2次>1次。其中不加Cd處理中，3次刈割的生物量達(dá)到了35.3 g/盆，為1次刈割的2.67倍，添加Cd 10，25，50 mg/kg時，3次刈割處理的地上生物量為1次的2.28，1.26，1.70倍，說明2次和3次刈割可以促進(jìn)紫花苜蓿地上部分的生物量積累。

而根系生物量變化情況則相反，隨刈割頻次的增加出現(xiàn)明顯減少的趨勢(圖1B)。不加Cd和Cd 10 mg/kg濃度下，根系生物量變化表現(xiàn)為1次刈割>2次刈割>3次刈割，且差異顯著(P<0.05)，其中3次刈割的根系生物量為1次的25%和36%。加Cd 25，50 mg/kg時，3次刈割處理的生物量顯著小于1次和2次刈割(P<0.05)，3次刈割的根系生物量為1次的63%和65%，而2次刈割相對1次差異不顯著。

圖1 Cd脅迫下刈割對紫花苜蓿生物量積累的影響Fig.1 Effects of harvesting on biomass of M. sativa under Cd stress 圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。Different letters indicate significant difference (P<0.05), the same below.

2.1.2 生長速率 由于各刈割處理的紫花苜蓿生長期不同，采用紫花苜蓿單位時間地上部分的生長量(生長速率)表征刈割頻次對紫花苜蓿地上部分再生的影響(表1)。從表1中可以看出，3種刈割處理下紫花苜蓿的平均生長速率存在明顯差異，3次刈割顯著高于1次和2次刈割(P<0.05)，其中3次刈割的平均生長速率為61.6 mg/(株·d)，表明多次刈割對紫花苜蓿地上部的再生起到積極作用。相同刈割處理下，紫花苜蓿生長速率對不同Cd濃度脅迫的響應(yīng)與生物量的變化趨勢完全相同，即與10，25 mg/kg Cd處理對比，高濃度(50 mg/kg)Cd處理下紫花苜蓿地上部的再生速率顯著下降(P<0.05)。

表1 Cd脅迫下刈割次數(shù)對紫花苜蓿地上部生長速率的影響Table 1 Changes in growth rate in shoot of M. sativa by different cutting times under Cd stress mg/(plant·d)

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference (P<0.05), the same below.

圖2 Cd脅迫下刈割處理對紫花苜蓿體內(nèi)Cd積累的影響Fig.2 Cd content and accumulation in shoot and roots in M. sativa by different cutting treatment under Cd stress

2.2 刈割處理的不同Cd脅迫下紫花苜蓿Cd富集特征

2.2.1 紫花苜蓿Cd積累量 由于刈割頻次的增加并未引起地上部Cd含量的顯著性變化，因此本研究中未做圖表闡述。其中添加Cd 25和50 mg/kg時，地上部分的Cd含量在2次刈割時相對1次和3次有所增加，達(dá)到9.79和11.78 mg/kg。紫花苜蓿地上部分及根系的Cd積累量變化如圖2所示。如圖2A所示，隨刈割頻次的增加，紫花苜蓿地上部的Cd積累量顯著增加(P<0.05)，表現(xiàn)為3次>2次>1次。添加Cd 0，10，25，50 mg/kg下，3次刈割的Cd積累量為1次刈割的2.32，2.23，1.70，1.72倍，且添加Cd 25 mg/kg時，紫花苜蓿地上Cd積累量達(dá)到最大(247.09 μg/盆)。而當(dāng)添加Cd 50 mg/kg時，Cd總積累量出現(xiàn)顯著性降低(P<0.05)，為Cd 25 mg/kg時的57%。

根系Cd含量隨刈割頻次的增加顯著性增加(P<0.05)，表現(xiàn)為3次>2次>1次(圖2B)。添加Cd 0，10，25，50 mg/kg時，3次刈割的根系Cd含量為1次的1.46，1.30，1.23，1.23倍，其中Cd 50 mg/kg時，3次刈割的根系Cd含量達(dá)到了72.75 mg/kg，說明多次刈割促進(jìn)了根系對Cd的吸收。根系中Cd的積累量由根系Cd含量與生物量的乘積決定，如圖2C所示，4種Cd濃度下，根系Cd積累量1次和2次刈割顯著大于3次(P<0.05)，而1次和2次刈割的變化不顯著。添加Cd 50 mg/kg時，根系Cd積累量達(dá)到最大，為249.46 μg/盆。

2.2.2 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及單株Cd積累量 如圖3A所示，不添加Cd時，1次刈割的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于2次和3次，Cd 10，25 mg/kg時，1次和2次刈割顯著高于3次，而Cd 50 mg/kg時，3種刈割的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)無顯著變化。說明多次刈割隨添加Cd濃度的增加對紫花苜蓿體內(nèi)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)影響程度減小，甚至變化不顯著(P>0.05)。而圖3B所示，不加Cd處理下，3種刈割處理的單株Cd積累量無明顯差異，10 mg/kg Cd時，2次和3次刈割處理顯著高于1次(P<0.05)。25 mg/kg Cd時，2次刈割處理顯著高于1次(P<0.05)。50 mg/kg Cd時，2次刈割處理顯著高于1次和3次(P<0.05)。其中25，50 mg/kg Cd時，2次刈割處理的單株Cd積累量達(dá)到了75.98和72.92 μg/株。

圖3 刈割處理下紫花苜蓿Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和單株Cd含量的變化情況Fig.3 Variation in translocation factor and Cd content per plant in M. sativa by cutting treatment under Cd stress

2.2.3 紫花苜蓿Cd吸收速率 如表2所示，隨刈割頻次的增加，紫花苜蓿對Cd的平均吸收速率顯著遞增(P<0.05)，3種刈割處理的紫花苜蓿地上部對Cd的平均吸收速率分別為0.187，0.286，0.353 μg/(株·d)。相同刈割處理下，紫花苜蓿的吸Cd速率隨Cd脅迫的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在Cd濃度為50 mg/kg時，吸Cd速率迅速下降。而不同刈割處理下紫花苜蓿的吸Cd速率均在25 mg/kg Cd濃度時達(dá)到最大值。

2.3 刈割處理的不同Cd脅迫下生理指標(biāo)變化情況

2.3.1 相對電導(dǎo)率 從表3可以看出，紫花苜蓿葉片相對電導(dǎo)率1次刈割處理最大，在添加Cd 10，25 mg/kg時，與2次和3次刈割處理有顯著性差異(P<0.05)，結(jié)果表明刈割頻次的增加會降低紫花苜蓿葉片的相對電導(dǎo)率。隨著Cd濃度的增加，各刈割處理的葉片相對電導(dǎo)率遞增，與不加Cd處理對比，50 mg/kg Cd濃度的相對電導(dǎo)率分別增加了33%，59%，35%。

表2 刈割處理對紫花苜蓿地上部分Cd吸收速率的影響Table 2 Effects of different cutting treatments on Cd uptake rate in shoot of M. sativa under Cd stress μg/(plant·d)

表3 刈割處理對紫花苜蓿葉片相對電導(dǎo)率的影響Table 3 Effect of different cutting on relative electrical conductivity in leaves of M. sativa under Cd stress %

2.3.2 丙二醛(MDA)含量 表4顯示相同Cd處理下，MDA含量變化趨勢與相對電導(dǎo)率相同，即1次刈割最高，2次和3次刈割處理無顯著差異(P>0.05)，表明刈割頻次增加會降低MDA含量。相同刈割條件下，MDA含量隨Cd脅迫濃度的增加而遞增，與不加Cd對照相比，50 mg/kg Cd濃度的MDA含量分別提高了76%，81%，97%。

表4 刈割處理對紫花苜蓿葉片MDA含量的影響Table 4 Effect of different harvesting on MDA contents in leaves of M. sativa under Cd stress μmol/g

2.3.3 脯氨酸含量 表5中，0，25 mg/kg Cd處理下2次和3次刈割的脯氨酸含量顯著高于1次刈割(P<0.05)。10 mg/kg Cd時，3次刈割的脯氨酸含量顯著高于1次刈割(P<0.05)。相同刈割處理下，加Cd處理的脯氨酸含量與不加Cd對照相比均增加，其含量隨濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在25 mg/kg Cd濃度下脯氨酸含量達(dá)到最大。上述結(jié)果表明，刈割頻次的增加提高了脯氨酸含量，提高了紫花苜蓿對Cd毒害的耐性。

表5 刈割處理對紫花苜蓿葉片脯氨酸含量的影響Table 5 Effect of different harvesting on proline contents in leaves of M. sativa under Cd stress μg/g

3 討論

刈割是草地利用及管理的主要措施之一，植物遭受刈割后通過再生長補(bǔ)償去除的植物組織，同時表現(xiàn)出生物量增加，出現(xiàn)超補(bǔ)償性生長[19]。本研究中，2次和3次刈割提高了紫花苜蓿地上部分的生長速率，這是由于刈割后植物地上部的損傷刺激植物體內(nèi)同化物運(yùn)轉(zhuǎn)的最優(yōu)化分配[20]，葉綠素a和葉綠素b含量上升[21-22]，光合速率提高，地上部分生長速率增加，促使地上部分的補(bǔ)償生長[11,19]。多次刈割使超補(bǔ)償性生長現(xiàn)象更加明顯，表現(xiàn)出多次刈割對地上部分的生物量積累的促進(jìn)作用。但刈割后同化物的優(yōu)化分配使根系可溶性糖等含量下降，導(dǎo)致根系活力下降[23-24]，抑制根系生長。本研究中，3次刈割下的根系生物量相對1次和2次刈割有明顯下降，是由于刈割頻次的增加或刈割間隔時間縮短使根系活力水平一直低下，從而抑制根部伸長生長及生物量累積[25-26]。添加Cd 10 mg/kg時，相對不加Cd情況下，根系生物量有一定程度的增加，這是由于低Cd脅迫刺激了植物根系小分子有機(jī)酸等分泌物的分泌[27]，降低了根際pH值，提高了金屬生物有效性和土壤微生物及土壤酶的活性[28]，促進(jìn)根系對Fe、Zn、Ca等營養(yǎng)元素的吸收[29]，從而一定程度上保持了根系活力。而在添加Cd 25，50 mg/kg時，隨刈割頻次的增加根系生物量積累的下降程度有所減緩，是由于高濃度Cd脅迫下根系細(xì)胞失活，嚴(yán)重抑制根系活力，導(dǎo)致多次刈割對根系生物量積累的影響不明顯。

有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，生物量大、再生能力強(qiáng)的重金屬富集植物，可以通過刈割方式和增加收獲次數(shù)來提高其生物量累積及植物修復(fù)效率[11,14-15,30]。本研究中， 2次和3次刈割顯著提高了根系中Cd含量，而地上部分的Cd含量未有明顯變化，這可能是由于刈割處理產(chǎn)生的超補(bǔ)償性生長，促進(jìn)根系大量吸收水分及無機(jī)鹽，此過程中，Cd元素與K、Mg、Ca等的吸收競爭[31]，刺激了根系對Cd的大量吸收。同時本研究中，Cd脅迫加強(qiáng)及刈割導(dǎo)致的同化物的再分配作用，抑制了根系的生長，但由于根系Cd含量的顯著性增加，刈割次數(shù)增加，根系中Cd的積累量仍處于上升趨勢。而地上部分由于再生長，可以使殘茬中的重金屬遷移到再生部位[11]，本研究發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿地上部分再生長對Cd的吸收產(chǎn)生的“相對稀釋效應(yīng)”，使地上部分Cd含量無明顯變化，但隨著多次刈割處理使地上生物量的累積增加，Cd積累量也顯著性增加。同時本研究中，紫花苜蓿地上部對Cd的平均吸收速率與生長速率隨刈割次數(shù)的增加而升高，進(jìn)一步證明了刈割促進(jìn)了紫花苜蓿對土壤中Cd的吸收。

Cd毒害下，細(xì)胞膜受損，會引起膜脂過氧化反應(yīng)，MDA含量升高，膜內(nèi)物質(zhì)外滲，外滲液電解質(zhì)含量增加[31-33]。同時脯氨酸作為逆境脅迫下植物細(xì)胞中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，防止膜破損時產(chǎn)生的滲透傷害，清除自由基，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性[34]。本研究中發(fā)現(xiàn)，10，25 mg/kg Cd處理下，刈割頻次的增加使得葉片中MDA含量及相對電導(dǎo)率明顯減少，脯氨酸含量增加，而50 mg/kg Cd時，MDA含量及相對電導(dǎo)率沒有顯著變化(P>0.05)，脯氨酸沒有明顯增加，說明了高濃度下的Cd脅迫細(xì)胞膜受損嚴(yán)重，膜脂過氧化反應(yīng)加劇，膜內(nèi)物質(zhì)大量外滲，活性氧含量增加，抗氧化酶活性遭受毒害加劇。說明了刈割處理一定程度上可以緩解Cd對紫花苜蓿的毒害作用。但高濃度Cd脅迫下刈割處理對紫花苜蓿遭受的Cd毒害作用沒有積極影響。關(guān)于刈割措施緩解紫花苜蓿Cd毒害的生理變化(如抗氧化酶的變化)，以及細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的變化情況有待深入研究。

4 結(jié)論

適當(dāng)增加刈割頻次提高了紫花苜蓿地上部分生長速率，促進(jìn)了地上生物量和重金屬Cd的積累，雖然抑制了根系的生長，但根系Cd含量有明顯提高，根系Cd積累量增加，從而提高紫花苜蓿對土壤中重金屬Cd的修復(fù)效率。刈割頻次增加能降低相對電導(dǎo)率，MDA含量，增加脯氨酸含量，一定程度上保持了紫花苜蓿細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。其中，兩次刈割處理有利于紫花苜蓿的生物量累積及Cd的吸收，緩解Cd毒害作用。因此，刈割對提高紫花苜蓿Cd污染土壤修復(fù)效率有明顯的積極作用。關(guān)于刈割措施對Cd毒害下紫花苜蓿的其他生理變化，如根系分泌物分泌，抗氧化酶活性，超微結(jié)構(gòu)的變化等，需要進(jìn)一步研究，來深入探索刈割措施對紫花苜蓿修復(fù)重金屬土壤的積極作用。

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Effects of cutting frequency on cadmium uptake and physiological responses ofMedicagosativaunder cadmium stress

LI Na1, SUN Ning-Xiao1, SONG Gui-Long1*, PUYANG Xue-Hua2, ZHOU Shu-Qiong2, ZHAO Ke-Qi2, JIANG Kai2

1.InstituteofTurfgrassScience,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.ShenzhenTechandEcology&EnvironmentCo.,Ltd,Shenzhen518040,China

Alfalfa (Medicagosativa) is a promising plant species for phytoremediation in soils polluted by heavy metals. This species has been reported to have a high growth rate and great potential for cadmium (Cd) accumulation. Alfalfa plants must be cut several times to reduce soil Cd concentrations to acceptable levels. Therefore, the aim of this study was to evaluate the effects of one, two, and three cuttings on the growth, Cd content, and physiological characteristics of alfalfa plants grown in Cd-contaminated soil. Alfalfa plants were grown in soil containing no Cd (control) and Cd at three concentrations (10, 25, 50 mg/kg) and cut once, twice, or three times. A higher number of cutting events promoted the growth rate and biomass accumulation in the shoot. The highest average shoot growth rate was 61.6 mg/(plant·d) in the three-cuttings treatment, but root growth was significantly lower in this treatment (P<0.05) than in the other treatments and the control. Over the whole growth cycle, cutting twice or three times improved the Cd uptake rate in the root and Cd accumulation in the shoot, thus increasing Cd enrichment in alfalfa plants. The highest Cd accumulation was 75.98 μg/plant in the 25 mg/kg Cd treatment with two cuttings. The relative electrical conductivity and malondialdehyde (MDA) contents were lower in the two-cuttings and three-cuttings treatments than in the single cutting treatment, but the proline contents were higher, which improved the tolerance of alfalfa to Cd toxicity under Cd stress. We concluded that in soil containing Cd at ≤ 25 mg/kg, two cuttings can significantly improve the repair efficiency of alfalfa plants growing in Cd-polluted soil.

Medicagosativa; harvesting; Cd uptake; phytoremediation; physiological changes

10.11686/cyxb2016419

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-11-07；改回日期：2016-12-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(YX2015-10)和深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司(THRD008)資助。

李娜(1990-)，女，河北保定人，在讀碩士。E-mail: li08pieer@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail: syihan@163.com

李娜, 孫寧驍, 宋桂龍, 濮陽雪華, 周述瓊, 趙克奇, 蔣凱. 刈割次數(shù)對紫花苜蓿鎘吸收影響及生理響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報, 2017, 26(5): 109-117.

LI Na, SUN Ning-Xiao, SONG Gui-Long, PUYANG Xue-Hua, ZHOU Shu-Qiong, ZHAO Ke-Qi, JIANG Kai. Effects of cutting frequency on cadmium uptake and physiological responses ofMedicagosativaunder cadmium stress. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(5): 109-117.