Pb脅迫對木豆幼苗生長和生理指標(biāo)的影響

曹慶齡 周玉卿 趙九洲

（江西財經(jīng)大學(xué)研究生院/江西財經(jīng)大學(xué)風(fēng)景園林與植物資源研究所，江西南昌 330032）? 摘要：木豆[Cajanus cajan （L.） Millsp.]具有喜溫暖、耐干旱等生態(tài)習(xí)性，但其能否作為鉛尾礦礦砂庫（lead tailings，簡稱LT）植被修復(fù)的植物物種尚不明確。以鉛尾礦礦砂混合園土為栽培基質(zhì)，研究木豆的生長和相關(guān)生理指標(biāo)，測定栽培基質(zhì)的理化指標(biāo)，測定幼苗的株高、根長、電導(dǎo)率、葉綠素含量、丙二醛（MDA）含量、谷胱甘肽（GSH）含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性等指標(biāo)。在測定植物的各個生長及生理指標(biāo)后發(fā)現(xiàn)，隨著鉛尾礦礦砂含量的升高，處理的木豆生長受抑制逐漸增強，木豆根長、株高變短，耐性指數(shù)下降。木豆葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量沒有明顯變化，地下部分的電導(dǎo)率呈先升后降的趨勢，在Pb處理下，木豆幼苗的SOD、POD活性受到抑制，而MDA含量與地下部分的GSH含量有明顯的提升。統(tǒng)計分析表明，對木豆幼苗生長的限制性因子為栽培基質(zhì)中鉛的含量，重金屬鉛對植物的生長產(chǎn)生脅迫作用，其脅迫強度隨Pb濃度的增加而增大。

關(guān)鍵詞：木豆;鉛尾礦礦砂;幼苗生長;生理指標(biāo)

中圖分類號： Q945.78? 文獻標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0118-04

收稿日期：2018-12-10

基金項目：江西省研究生創(chuàng)新專項資金（編號：YC2017-S232）;江西財經(jīng)大學(xué)資助學(xué)生科研課題（編號：xskt17500）。

作者簡介;曹慶齡（1994—），女，黑龍江綏化人，碩士研究生，研究方向為園林景觀規(guī)劃及植物抗逆應(yīng)用。E-mail：1872971556@qq.com。

近半個世紀(jì)以來，隨著工業(yè)設(shè)施、能源開發(fā)的迅速發(fā)展和完善，大量具有潛在毒性的重金屬排放到環(huán)境中[1-3]。全球每年排放到環(huán)境中的Pb約有78.3萬t[4]，其中，有相當(dāng)大的一部分在進入土壤后使得土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)無法正常行使功能。韓玉林的研究表明，高濃度的Pb進入環(huán)境后通過植物的吸收在植物體內(nèi)大量積累，并通過食物鏈的富集作用危及動物和人類的健康[5];殷姝媛研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Pb脅迫達到一定濃度后超過了金雞菊的耐受范圍時，對植物的傷害作用就更明顯，損傷植物保護酶系統(tǒng)，使得活性降低，進而抑制了植物的正常生長[6];江灶發(fā)等研究表明，在Pb的單一脅迫下臺灣泡桐表現(xiàn)出較強的耐受性[7]。司衛(wèi)靜等將香豌豆作為試材，發(fā)現(xiàn)其對低濃度的鉛有一定的耐受能力[8];Jiang等研究表明，當(dāng)銅濃度較低時，金魚草葉片中的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量增加，而銅濃度為157 mmol/L時，金魚草葉片中的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量顯著低于對照[9];Han等研究發(fā)現(xiàn)，馬藺對鉛尾礦有修復(fù)作用[10]。

本研究以木豆作為試驗材料，采用土培方法，將木豆栽植于不同處理的栽培基質(zhì)中，探究鉛尾礦礦砂脅迫對其各項生長及生理指標(biāo)的影響，分析其對鉛的耐性，以期為利用木豆進行鉛污染土壤的修復(fù)、保障人類健康提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的木豆種子購置于河北省安國市天澤農(nóng)業(yè)科技有限公司，供試培養(yǎng)基質(zhì)沙子經(jīng)105°高溫消毒5 h后，待其自然冷卻，放入上徑口6 cm、底部口徑3 cm、深度5.5 cm的32孔穴盤中備用。鉛尾礦礦砂取自于江西省德興鉛尾礦礦壩，園土采自江西財經(jīng)大學(xué)麥廬校區(qū)假山上的林下園土，土樣經(jīng) 105 ℃ 烘干后，研磨過孔徑3 mm篩，裝盆備用。

1.2 試驗方法

鉛尾礦礦砂和土壤理化指標(biāo)的測定采用《土壤農(nóng)化分析》的方法[11]。試驗材料的栽培與處理等按Han等的方法[12]。

試驗于2018年3月進行。挑選籽粒飽滿、大小均一致的種子，經(jīng)4 g/L高錳酸鉀溶液表面消毒15 min，并在室溫（25.0 ℃）中用蒸餾水浸泡12 h后播入穴盤中，每孔種1顆種子，待其生長2周后，選擇植株健康、生長一致的木豆幼苗（株高約8 cm）移栽到直徑15 cm、高10 cm的塑料盆中，每盆種植10株幼苗，盆內(nèi)套2層塑料袋，以防水土流失，每天澆自來水讓其自然生長。試驗栽培基質(zhì)采用5種處理，分別為CK（100%園土）、25% LT（25%鉛尾礦礦砂+75%園土）、50% LT（50%鉛尾礦礦砂+50%園土）、75% LT（75%鉛尾礦礦 砂+25% 園土）、100% LT（100%鉛尾礦礦砂），每個處理3個重復(fù)。處理50 d后取出幼苗，用蒸餾水洗凈處理樣品，用吸水紙吸干表面水分后用于各項生長和生理指標(biāo)的測定[12]。

1.3 項目測定

生長指標(biāo)的測定包括根長、株高。生理指標(biāo)：葉綠素含量的測定采用馬宗琪等的方法[13];相對電導(dǎo)率的測定采用楊鵬輝等的方法[14];MDA含量的測定采用李子芳等的方法[15];GSH含量的測定采用Jiang等的方法[16];SOD、POD活性的測定參照李合生等的方法[17]。葉片和根系生理指標(biāo)的測定：葉片選取從上往下數(shù)的第2張葉片;根系采用根尖部分測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

耐性指數(shù)[9]的計算公式如下：

耐性指數(shù)=不同含量鉛尾礦砂處理植株根長/對照植株根長×100%。

采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析、相關(guān)分析和回歸統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含量鉛尾礦礦砂對木豆幼苗生長指標(biāo)的影響

由表1可知，鉛尾礦礦砂（LT）中的重金屬Pb含量明顯高于CK（園土），為CK的82.17倍，Zn和Cu含量也明顯高于園土。100% LT中的磷含量高于CK，速效氮含量低于CK。

由表2可知，木豆的株高分別為對照的88.41%、66.42%、72.56%、57.08%，木豆的根長分別為對照的 69.56%、63.39%、46.26%、28.81%，差異顯著（P<0.05）。

鉛尾礦（x）的含量與株高的回歸方程（株高為y1）：x=21.228 89-0.088 84y1（相關(guān)系數(shù)r1=-0.933 1* *）;

鉛尾礦（x）的含量與根長的回歸方程（根長為y2）：x=25.621 81-0.179 26y2（相關(guān)系數(shù)r2=-0.981 131* *）。

2.2 不同含量鉛尾礦礦砂對木豆幼苗部分生理指標(biāo)的影響

2.2.1 不同含量鉛尾礦礦砂對木豆幼苗相對電導(dǎo)率、光合色素含量的影響 由表3可知，葉綠素b含量分別為對照的100.91%、111.36%、105.45%、107.27%;類胡蘿卜素含量分別為對照的111.56%、113.61%、108.16%、108.84%，兩者都在50%鉛尾礦處理時升到最高。葉綠素a含量分別為對照的97.74%、99.73%、97.21%、92.29%。葉綠素a/葉綠素b值分別為對照的96.78%、89.18%、92.11%、85.96%。

鉛尾礦（x）的含量與葉綠素a含量的回歸方程（葉綠素a含量為y3）：x=7.563 723-0.004 8y3（相關(guān)系數(shù)r3=-0.820 46*）;

鉛尾礦（x）的含量與葉綠素b含量的回歸方程（葉綠素b含量為y4）：x=2.223 393+0.001 737y4（相關(guān)系數(shù)r4=0.651 769*）;

鉛尾礦（x）的含量與類胡蘿卜素含量的回歸方程（類胡蘿卜素含量為y5）：x=1 552 387+0.000 826y5（相關(guān)系數(shù) r5=0.413 361）。

由表4可知，木豆幼苗地上部分的相對電導(dǎo)率沒有明顯的變化規(guī)律，在25% LT、50% LT、75% LT和100% LT處理時，電導(dǎo)率分別為CK的101.39%、89.79%、105.41%、104.60%。木豆幼苗地下部分的電導(dǎo)率分別為CK的 105.04%、115.41%、107.90%、97.31%。

鉛尾礦（x）的含量與地上部分電導(dǎo)率的回歸方程（葉片電導(dǎo)率為y6）：x=20.36 902+0.011 025y6（相關(guān)系數(shù)r6=0334 686）;

鉛尾礦（x）的含量與地下部分電導(dǎo)率的回歸方程（根電導(dǎo)率為y7）：x=24.73 866-0.002 28y7（相關(guān)系數(shù)r7=-0.054 22）。

2.2.2 不同含量鉛尾礦礦砂對木豆幼苗SOD、POD活性的影響 從由表5可知，在不同含量鉛尾礦礦砂的脅迫下，木豆

幼苗地上部分的SOD活性整體呈下降的趨勢，且均低于對照，分別為CK的95.23%、85.69%、86.85%、78.03%，差異顯著。而木豆幼苗的地下部分沒有明顯的變化規(guī)律，在50% LT處理時，SOD活性降到最低，為CK的86.63%，在75% LT處理時增長更為明顯， 為CK的174.71%，100% LT處理時，

較對照增長近1倍，為對照的195.06%。

鉛尾礦（x）的含量與地上部分SOD活性的回歸方程（地上部分SOD活性為y8）：x=332.240 96-0.697 831y8（相關(guān)系數(shù)r8=-0.962 344* *）;

鉛尾礦（x）的含量與地下部分SOD活性的回歸方程（地下部分SOD活性為y9）：x=143.710 84+1.617 35y9（相關(guān)系數(shù)r9=0.815 455*）。

由表6可知，地上部分的POD活性下降幅度較大，分別為對照的36.59%、30.49%、23.17%、25.61%。地下部分的POD活性分別為對照的88.89%、72.22%、88.89%、16.67%。木豆幼苗地下部分的POD活性在100% LT處理時降幅最大，較對照差異顯著。

鉛尾礦（x）的含量與地上部分POD活性的回歸方程（地上部分POD活性為y10）：x=0.637 86-0.006 243y10（相關(guān)系數(shù)r10=-0.861 633*）;

鉛尾礦（x）的含量與地下部分POD活性的回歸方程（地下部分POD活性為y11）：x=0.193 571-0.001 324y11（相關(guān)系數(shù)r11=-0.885 99*）。

2.2.3 不同含量鉛尾礦礦砂對木豆幼苗谷胱甘肽（GSH）、MDA含量的影響 由表7可見，木豆地上部分谷胱甘肽含量總體呈下降的趨勢，分別為對照的71.98%、64.59%、73.54%、48.64%，在100% LT處理時降到最低。而木豆地下部分的谷胱甘肽含量呈上升的趨勢，在100% LT處理時升到最高，較對照增加52.17%。

鉛尾礦（x）的含量與地上部分GSH含量的回歸方程（葉片GSH含量為y12）：x=1.827 67-0.001 82y12（相關(guān)系數(shù)r12=-0.288 57）;

鉛尾礦（x）的含量與地下部分GSH含量的回歸方程（根GSH含量為y13）：x=0.205 452+0.001 51y13（相關(guān)系數(shù) r13=0.978 423 6* *）。

由表8可見，木豆幼苗地上部分的MDA含量均高于CK，呈先升后降的趨勢，在75%LT處理時升到最高，較對照增加46.03%。而木豆地下部分的MDA含量隨著Pb含量的增加而升高，分別較對照增加12.50%、50.00%、50.00%、100.00%。

鉛尾礦（x）的含量與地上部分丙二醛含量的回歸方程（地上部分丙二醛含量為y14）：x=-147.235 9+267.264 13y14（相關(guān)系數(shù)r14=0.596 480 62*）;

鉛尾礦（x）的含量與地下部分丙二醛含量的回歸方程（地下部分丙二醛含量為y15）：x=-97.509 595 8+1 294.223 86y15（相關(guān)系數(shù)r15=0.983 437* *）。

3 討論與結(jié)論

鉛被植物吸收并累積到一定程度時會阻礙植物的正常生長[9]。試驗結(jié)果表明，木豆幼苗在不同Pb處理下，其生物量和耐性指數(shù)相比對照整體呈下降的趨勢，且在Pb脅迫中與CK差異顯著（P<0.05）。據(jù)分析，栽培基質(zhì)中的Pb含量與株高的相關(guān)系數(shù)為-0.933 1* *，回歸方程為x=21.228 89-0088 84y1，栽培基質(zhì)中的Pb含量與根長的相關(guān)系數(shù)是 -0.981 131* *，回歸方程為x=25.621 81-0.179 26y2。說明木豆在Pb處理過程中木豆各項生長指標(biāo)受到了明顯抑制。

葉綠素是植物進行光合作用所需的重要光合色素[18-19]。在該研究中，木豆在不同比例鉛尾礦礦砂處理下，葉綠素a含量整體呈下降的趨勢，葉綠素b與類胡蘿卜素含量整體都呈上升的趨勢。分析表明，栽培基質(zhì)中的Pb含量與葉綠素a含量的相關(guān)系數(shù)為 -0.820 46*，回歸方程為x=7.563 723-0004 8y3，栽培基質(zhì)中的Pb含量與葉綠素b含量的相關(guān)系數(shù)是 0.651 769*，回歸方程為x=2.223 393+ 0.001 737y4，栽培基質(zhì)中的Pb含量與類胡蘿卜素含量的相關(guān)系數(shù)是 0.413 361，回歸方程為x=1 552 387+0.000 826y5。說明當(dāng)木豆受鉛脅迫時，對其光合作用影響較小。

當(dāng)植物受到重金屬脅迫時，細胞膜會遭到破壞[20]。在本研究中，木豆幼苗地上部分的相對電導(dǎo)率變化規(guī)律不明顯，但在75% LT處理時，電導(dǎo)率增幅最大。木豆幼苗地下部分的電導(dǎo)率總體呈先升后降的趨勢。據(jù)分析，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地上部分電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)為0.334 686，回歸方程為 x=20.369 02+0.011 025y6，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地下部分電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)是-0.054 22，回歸方程為x=24.738 66-0.002 28y7。說明高濃度的鉛增強了木豆的細胞膜透性，對木豆傷害較大。

過氧化物酶活性的大小可以體現(xiàn)植物受脅迫期間內(nèi)體內(nèi)代謝的變化[12]。在本次試驗中，木豆的POD活性整體呈均勻下降的趨勢，且均低于對照。而木豆的SOD活性沒有明顯的變化規(guī)律。分析表明，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地上部分SOD含量的相關(guān)系數(shù)為-0.962 344* *，回歸方程為x=332240 96-0.697 831y8，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地下部分SOD含量的相關(guān)系數(shù)是0.815 455*，回歸方程為x=143.710 84+1.617 35y9，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地上部分POD含量的相關(guān)系數(shù)為-0.861 633*，回歸方程為x=0.637 86-0.006 243y10，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地下部分POD含量的相關(guān)系數(shù)是-0.885 99*，回歸方程為x=0.193 571-0.001 324y11。說明木豆的地下部分在受到鉛脅迫時呈動態(tài)平衡狀態(tài)，可自我調(diào)節(jié)，而木豆的地上部分受鉛脅迫傷害較大，不能正常調(diào)節(jié)。

丙二醛是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，通常來表示植物對逆境條件反映的強弱[21]。Xu等研究表明，萓草在受到鎘脅迫時，體內(nèi)的丙二醛含量增加顯著[22]。在該研究中，木豆幼苗葉片的MDA含量總體呈上升的趨勢，與Xu等的研究結(jié)果相同。分析表明，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地上部分MDA含量的相關(guān)系數(shù)為0.596 480 62*，回歸方程為x=-147.235 9+267.264 13y14，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地下部分MDA含量的相關(guān)系數(shù)是0.983 437* *，回歸方程為x=-97.509 595 8+1 294.223 86y15。說明木豆體內(nèi)MDA含量對鉛尾礦有一定的抑制作用。

谷胱甘肽是植物體內(nèi)的水溶性抗氧化劑，可提高植物抗氧化能力[8]。試驗顯示，木豆幼苗地上部分的谷胱甘肽含量整體呈下降的趨勢。木豆幼苗地下部分的谷胱甘肽含量整體呈均勻上升的趨勢。分析表明，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地上部分GSH含量的相關(guān)系數(shù)為-0.288 57，回歸方程為x=1827 67-0.001 82y12，栽培基質(zhì)中的Pb含量與地下部分GSH含量的相關(guān)系數(shù)是0.978 423 6* *，回歸方程為x=0205 452+0.001 51y13。說明木豆對鉛尾礦有一定的耐性。

木豆幼苗在不同比例鉛尾礦礦砂的處理下，其生長指標(biāo)、電導(dǎo)率及抗氧化酶受到一定程度的抑制，但對木豆的光合色素含量沒有什么影響，其氧化劑含量也顯示木豆對鉛尾礦有抑制作用，并且在純Pb條件中栽培50 d依然能夠生長，說明木豆對鉛具有一定的耐性，可為鉛污染環(huán)境的修復(fù)提供一定的理論參考。

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