重金屬Cd·Pb污染土壤對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

景俏麗 董歲明 侯琪琪

摘要 [目的]研究重金屬Cd、Pb單一及復(fù)合污染對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響。[方法]以紫花苜蓿（Medicago sativa）種子為材料，采用土培方法研究了重金屬Cd、Pb單一及其復(fù)合污染土壤對(duì)苜蓿種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響。用種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)4個(gè)指標(biāo)衡量種子的萌發(fā)狀況。[結(jié)果]中低濃度的Cd、Pb對(duì)苜蓿種子萌發(fā)影響不大，當(dāng)Cd≤15 mg/kg、Pb≤600 mg/kg時(shí)，種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率與對(duì)照相比差異較小。重金屬Cd、Pb嚴(yán)重阻礙了幼苗期苜蓿的正常生長(zhǎng)，苜蓿的根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)與鮮重這3項(xiàng)指標(biāo)均與重金屬濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于-0.900。[結(jié)論]Cd、Pb單一及其復(fù)合污染對(duì)苜蓿幼苗生長(zhǎng)期的毒害作用遠(yuǎn)大于對(duì)種子萌發(fā)期的影響，苜蓿種子在前期萌發(fā)階段對(duì)重金屬Cd、Pb具有較強(qiáng)的耐性。

關(guān)鍵詞 紫花苜蓿；種子萌發(fā)；幼苗生長(zhǎng)

中圖分類(lèi)號(hào) X5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）22-0119-03

Abstract[Objective]To study effect of heavy mental Cd，Pb single and compound pollution on seed germination and seedling growth of Alfalfa.[Method]Alfalfa seeds are used to study effects of heavy metal elements Cd and Pb on seed germination and seedling growth by using soil culture experments.The germination status of seeds was measured by germination energy，germination rate，germination index and vitality index.[Result]Cd and Pb in low concentration had little effect on the germination of alfalfa seeds.The germination energy and germination rate of the seeds were very small compared with that of the control group when the Cd was less than 15 mg/kg and Pb was less than 600 mg/kg.The growth of alfalfa seedling stage was reflected by root length，sprout length and fresh weight.The heavy metal Cd and Pb seriously hindered the normal growth of seeding period of alfalfa .The root and sprout length and fresh weight of alfalfa were significantly negatively correlated with the concentration of heavy metals，and the correlation coefficient was far less than -0.900.[Conclusion]Cd and Pb have more toxic effects on the growth of alfalfa seedlings than the effect on seed germination period.So the seed of alfalfa has strong tolerance to the heavy metal Cd and Pb during the germination stage.

Key words Alfalfa；Seed germination；Seedling growth

土壤重金屬污染已成為目前的一個(gè)熱點(diǎn)話題，但在所有非植物必需的重金屬元素中，Cd和Pb毒性巨大，對(duì)土壤造成極大危害，同時(shí)也受到廣泛關(guān)注[1-4]。利用超富集植物吸收土壤重金屬是近年來(lái)興起的一項(xiàng)綠色環(huán)保修復(fù)新技術(shù)[5-7]，素稱(chēng)“牧草之王”的紫花苜蓿對(duì)重金屬Cd和Pb均具有較強(qiáng)的耐性與富集能力[8-11]，近年來(lái)眾多學(xué)者研究了水培條件下重金屬對(duì)植物種子萌發(fā)的影響[12-16]，但在土培條件下研究重金屬對(duì)超富集植物種子萌發(fā)的影響甚少。筆者以紫花苜蓿為研究對(duì)象，采用土培試驗(yàn)，探究在不同濃度梯度下，Cd、Pb單一或復(fù)合污染土壤對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，研究重金屬Cd、Pb單一及其復(fù)合污染土壤對(duì)紫花苜蓿的毒害作用，以期為后期用紫花苜蓿修復(fù)重金屬污染土壤提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 供試種子（紫花苜蓿Medicago sativa）由千華百魅種業(yè)有限公司提供；

供試土壤采自陜西西安市秦嶺山腳下，取0～20 cm表層農(nóng)田土壤，自然風(fēng)干后，先初步剔除其中粗雜質(zhì)，過(guò)100目篩后備用。Cd（NO3）2·4H2O、Pb（NO3）2均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 污染土壤的配制。將過(guò)篩的土壤與發(fā)酵的實(shí)木屑按土∶木=5∶2混合后裝入種子培養(yǎng)皿中，每皿裝入80 g；依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)置Cd2+濃度梯度為5、15、15、20、25 mg/kg；Pb2+濃度梯度設(shè)置為200、400、600、800、1 000 mg/kg；分別將配制好的重金屬溶液?jiǎn)为?dú)或混合加入培養(yǎng)皿（混合加入時(shí)Cd、Pb高低濃度一一對(duì)應(yīng)），靜置鈍化14 d后作為種子的發(fā)芽床。用去離子水作為對(duì)照，共16個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.2.2 發(fā)芽試驗(yàn)。挑選顆粒飽滿(mǎn)均勻的苜蓿種子置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的KMnO4內(nèi)消毒10 min后，用自來(lái)水沖洗數(shù)次，再用去離子水反復(fù)沖洗3次，最后用濾紙吸干表面水分。每個(gè)培養(yǎng)皿中均勻放入30粒處理后的種子，每日用稱(chēng)量法加水至恒重并置于室溫環(huán)境中培養(yǎng)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

發(fā)芽期間，每隔24 h記錄種子的發(fā)芽數(shù)，第5天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，第8天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率并計(jì)算發(fā)芽指數(shù)。12 d后隨機(jī)挑選每盆長(zhǎng)勢(shì)較好的5株幼苗，測(cè)定其根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)及鮮重，用以衡量種子幼苗的生長(zhǎng)狀況[17-19]。

發(fā)芽勢(shì)=4 d內(nèi)供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽率=供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)（GI）=Gt/Dt

式中，Gt為在t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽天數(shù)。

活力指數(shù)（VI）= GI×S

式中，GI為發(fā)芽指數(shù)，S為芽長(zhǎng)+根長(zhǎng)（cm） 。

1.4 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素Duncan統(tǒng)計(jì)分析，Origin 8.5繪圖，結(jié)果均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬Cd、Pb單一及復(fù)合污染土壤對(duì)苜蓿種子萌發(fā)的影響

2.1.1 Cd對(duì)苜蓿種子萌發(fā)的影響。

由表1可知，與對(duì)照相比，苜蓿種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)4項(xiàng)指標(biāo)總體上均隨Cd濃度的增加逐漸降低。當(dāng)Cd濃度≤10 mg/kg 時(shí)，種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率與對(duì)照相比差異均不顯著（P>0.05），可見(jiàn)低濃度的Cd對(duì)苜蓿種子出苗率影響極??；當(dāng)Cd濃度分別為15、20、25 mg/kg時(shí)，種子的發(fā)芽率分別為對(duì)照的91.14%、89.87%、87.34%，降低幅度不大，影響較小。

發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)是反映種子品質(zhì)的主要參數(shù)，較高濃度的Cd（≥20 mg/kg）種子發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)與對(duì)照相比差異達(dá)顯著水平，當(dāng)Cd濃度為25 mg/kg時(shí)，種子的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)分別為對(duì)照的77.24%、29.68%，可見(jiàn)Cd濃度越大，苜蓿種子的品質(zhì)越劣，活力越低。

2.1.2 Pb對(duì)苜蓿種子萌發(fā)的影響。

由表2可知，Pb對(duì)苜蓿種子的發(fā)芽勢(shì)影響較小，與對(duì)照相比差異不顯著。200 mg/kg Pb處理后種子的發(fā)芽率與對(duì)照相比未受任何影響，不影響苜蓿的發(fā)芽勢(shì)，但活力指數(shù)降低至39.06，為對(duì)照的7493%，可見(jiàn)雖然低濃度的Pb對(duì)種子出苗率影響較小，但對(duì)幼苗后期的生長(zhǎng)造成較大影響，使得種子品質(zhì)降低。當(dāng)Pb濃度為1 000 mg/kg時(shí)，種子發(fā)芽率降低為對(duì)照組的86.37%，活力指數(shù)降低至對(duì)照的34.57%。這說(shuō)明Pb對(duì)苜蓿種子萌發(fā)有抑制作用，低濃度影響較小，與對(duì)照相比降幅小，高濃度影響較大且降幅較大，苜蓿種子品質(zhì)變劣。

2.1.3 Cd、Pb復(fù)合污染對(duì)苜蓿種子萌發(fā)的影響。由表3可知，在Cd、Pb復(fù)合污染的土壤中，隨著復(fù)合重金屬濃度的逐漸增大，苜蓿種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)呈下降趨勢(shì)。但與單一Cd、Pb處理相比稍有差別，當(dāng)Cd濃度15 mg/kg、Pb濃度600 mg/kg時(shí)，苜蓿種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均比復(fù)合低濃度（Cd濃度5 mg/kg、Pb濃度200 mg/kg；Cd濃度10 mg/kg、Pb濃度400 mg/kg）處理大，且其與對(duì)照相比差異均不顯著（P<0.05），這說(shuō)明中高濃度的Cd、Pb復(fù)合污染在一定程度上對(duì)苜蓿種子的發(fā)芽質(zhì)量影響很小。

隨著復(fù)合濃度的增大（當(dāng)Cd濃度≥20 mg/kg、Pb濃度≥800 mg/kg），種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)均降低，復(fù)合污染（Cd濃度25 mg/kg、Pb濃度1 000 mg/kg）處理后的種子發(fā)芽率降低至對(duì)照的86.08%，活力指數(shù)降至對(duì)照的34.57%，可見(jiàn)高濃度復(fù)合污染土壤嚴(yán)重影響了苜蓿種子的萌發(fā)，降低了種子的發(fā)芽質(zhì)量。

2.2 重金屬Cd、Pb單一及其復(fù)合污染土壤對(duì)苜蓿幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2.1 Cd、Pb單一及其復(fù)合污染對(duì)苜蓿幼苗根長(zhǎng)的影響。

由圖1可知，Cd、Pb單一及其復(fù)合污染對(duì)苜蓿幼苗根長(zhǎng)的影響趨勢(shì)大致相似，均隨重金屬濃度的增大而遞減，重金屬Cd、Pb的濃度與幼苗根長(zhǎng)間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.979**、-0.980**，呈極顯著負(fù)相關(guān)。可見(jiàn)重金屬濃度越大對(duì)苜蓿幼苗的根部傷害越大，使其根長(zhǎng)越短，當(dāng)重金屬濃度最大時(shí)，即Cd濃度為25 mg/kg時(shí)，苜蓿幼苗的根長(zhǎng)僅為1.77 cm，降至對(duì)照（4.27 cm）的41.45%；當(dāng)Pb濃度為1 000 mg/kg時(shí)，苜蓿根長(zhǎng)降至對(duì)照的43.79%；當(dāng)Cd濃度25 mg/kg、Pb濃度1 000 mg/kg 復(fù)合污染時(shí)，苜蓿根長(zhǎng)降至對(duì)照的39.81%。

2.2.2 Cd、Pb單一及其復(fù)合污染對(duì)苜蓿幼苗芽長(zhǎng)的影響。

由圖2可知，重金屬Cd、Pb對(duì)苜蓿幼苗芽長(zhǎng)的影響規(guī)律與對(duì)根長(zhǎng)影響類(lèi)似，芽長(zhǎng)均隨重金屬濃度的增大而變短，相關(guān)系數(shù)分別為-0.944**、-0.934**，呈極顯著負(fù)相關(guān)。重金屬濃度越大，苜蓿幼苗的芽長(zhǎng)受抑制作用越強(qiáng)，當(dāng)重金屬濃度最大（Cd濃度為25 mg/kg或Pb濃度為1 000 mg/kg或Cd濃度為25 mg/kg、Pb濃度為1 000 mg/kg復(fù)合污染）時(shí)，苜蓿芽長(zhǎng)分別為對(duì)照的35.08%、35.97%、28.00、95.00%。

2.2.3 Cd、Pb單一及其復(fù)合污染對(duì)苜蓿幼苗鮮重的影響。由圖3可知，重金屬?lài)?yán)重阻礙了苜蓿幼苗期的生長(zhǎng)，使得幼苗鮮重顯著下降，重金屬Cd、Pb濃度分別與幼苗鮮重之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.960**、-0.971**。

3 結(jié)論

（1）Cd、Pb復(fù)合污染土壤對(duì)苜蓿種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響趨勢(shì)與Cd、Pb單一污染大致相似。

（2）Cd、Pb單一及其復(fù)合污染土壤對(duì)苜蓿種子萌發(fā)（種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率）的影響小于對(duì)后期幼苗生長(zhǎng)（幼苗根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)和鮮重）的影響。中低濃度的Cd、Pb對(duì)苜蓿種子萌發(fā)的影響不大，當(dāng)Cd≤15 mg/kg、Pb≤600 mg/kg時(shí)，種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率與對(duì)照相比差異較??；而幼苗的根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)與鮮重這3項(xiàng)指標(biāo)均與重金屬濃度間呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于-0.900。

（3）苜蓿種子在前期萌發(fā)階段對(duì)重金屬Cd、Pb具有較強(qiáng)的耐性，因此可以作為修復(fù)重金屬Cd、Pb污染土壤的優(yōu)選植物，但在后期生長(zhǎng)過(guò)程中，Cd、Pb脅迫嚴(yán)重阻礙了幼苗的生長(zhǎng)，因此在種子萌發(fā)后要采取適當(dāng)?shù)拇胧ㄈ缡┘又参锷L(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等）進(jìn)行修復(fù)[20-22]。

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