銅鎘復(fù)合脅迫對5種觀賞草種子萌發(fā)特性的影響

許志敏 何侃 林濤 陳安利 朱婷 丁國昌

摘要：本試驗以5種狼尾草屬觀賞草為材料，探究了銅鎘復(fù)合脅迫對供試材料種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。結(jié)果表明，隨著脅迫濃度的增加，5種狼尾草屬觀賞草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗長、根長和幼苗鮮重均呈逐漸下降的趨勢。低濃度Cu（≤100 mg· L-1）、Cd（≤10 mg· L-1）脅迫對5種供試材料的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗苗長和鮮重抑制作用相對較小，但幼苗根長開始受到明顯抑制;高濃度Cu（400 mg· L-1）、Cd（100 mg· L-1）對各項指標(biāo)抑制作用達到最大，幼苗甚至出現(xiàn)“無根苗”現(xiàn)象。采用隸屬函數(shù)法對供試觀賞草材料耐銅鎘性進行評價，耐性強弱依次為金紅羽狼尾草>小兔子狼尾草>紫葉狼尾草>東方狼尾草>紫穗狼尾草。綜合分析認為金紅羽狼尾草在不同濃度銅鎘復(fù)合脅迫下耐受性表現(xiàn)較好，可進一步進行盆栽和大田試驗，為耐銅鎘超富集植物的種質(zhì)資源篩選提供參考。

關(guān)鍵詞：銅鎘復(fù)合脅迫;狼尾草屬;觀賞草;超富集植物;隸屬函數(shù)法;萌發(fā)特性

中圖分類號：S543+.901 ?文獻標(biāo)識號：A ?文章編號：1001-4942（2019）08-0059-06

Abstract In this study， five species of Pennisetum ornamental grasses were used as experimental materials to investigate the effects of copper-cadmium combined stress on seed germination and seedling growth of the tested materials. The results showed that the germination rate， germination potential， germination index， vigor index， seedling length， root length and fresh weight of ornamental seeds of five species of Pennisetum ornamental grasses showed declined gradually with the increase of stress concentration. The low concentration of Cu （≤ 100 mg·L-1） and Cd （≤ 10 mg·L-1） stress had relatively little inhibition on the germination potential， germination rate， germination index， seedling length and fresh weight of the five tested materials， however， the seedling root length began to be significantly inhibited. The high concentration of Cu （400 mg·L-1） and Cd （100 mg·L-1） had the greatest inhibitory effect on various indexes， and the seedlings even had the phenomenon of no roots. The copper-cadmium resistance of the tested ornamental grass materials was evaluated by membership function method， and the tolerance was in the order of P. setaceum>P. alopecuroides cv. ‘Little Bunny>P. setaceum ‘Rubrum>P. orientale>P. orientale alopecuroides. According to the comprehensive analysis， the tolerance of P. setaceum under different concentrations of copper and cadmium was better， and the pot and field tests could be carried out to provide references for the screening of germplasm resources for copper-cadmium hyperaccumulator.

Keywords Copper-cadmium combined stress;Pennisetum;Ornamental grass; Hyperaccumulator; Membership function method; Germination characteristics

大氣沉降、污泥施肥、農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜的使用、含重金屬廢棄物的堆積和礦山的不合理開采等是土壤重金屬的主要來源[1]。土壤遭受重金屬污染，不僅具有持續(xù)性、隱蔽性和不可逆積累性等，還能夠通過食物鏈進入人體從而危害人類健康和生命，對人類社會活動和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響[2]。據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，土壤中銅和鎘的點位超標(biāo)率分別為2.1%、7.0%，位于土壤重金屬污染的前列[3]，且多地區(qū)存在嚴(yán)重的銅鎘復(fù)合污染問題。同時有關(guān)研究表明，土壤中的污染源并非單獨存在，往往是多種污染元素同時存在，產(chǎn)生綜合作用[4，5]。這將加劇治理土壤重金屬污染的難度。

植物修復(fù)技術(shù)是治理重金屬污染中綠色、環(huán)保、有效的措施之一，尋找超富集植物并研究其抗性機理是植物修復(fù)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。因此，篩選更多的超富集植物對于重金屬土壤修復(fù)具有重大意義。

觀賞草是一類株型優(yōu)美、色彩豐富的草本植物，以禾本科（Poaceae）草為主[6]。禾本科狼尾草屬（Pennisetum）觀賞草不僅是建造生態(tài)型園林中較為常見的一類植物[7，8]，還因其具有生物量大、根系龐大、生長快速、抗逆性強等特性，可能是具有潛在的超富集植物。現(xiàn)有的關(guān)于狼尾草屬觀賞草的研究主要涉及生理生化分析、抗逆性研究[9-11]以及園林應(yīng)用等[7，12，13]。但對于狼尾草屬觀賞草抗重金屬的研究較少，且主要涉及單一重金屬的耐性研究[14，15]，同時對重金屬脅迫下狼尾草屬植物種子的萌發(fā)特性和耐受性報道也較少[16-18]。

本研究結(jié)合東南沿海地區(qū)的氣候特點，參照孟曉蕊[19]及何新杰[20]等相關(guān)研究結(jié)果，初步篩選出5種狼尾草屬觀賞草種子作為試材，設(shè)置不同濃度銅鎘復(fù)合脅迫試驗，對5種狼尾草屬觀賞草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗長、根長和幼苗鮮重的影響進行探討。同時利用隸屬函數(shù)法，綜合評價不同逆境脅迫條件下5種狼尾草屬觀賞草的耐性差異，篩選出萌發(fā)期對銅鎘耐性較強的品種。以期為狼尾草屬觀賞草耐重金屬機理的研究奠定基礎(chǔ)，也為狼尾草屬觀賞草修復(fù)重金屬污染土壤、改善生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2018年11月進行。試驗材料為5種狼尾草屬觀賞草種子，分別為金紅羽狼尾草（P. setaceum）、小兔子狼尾草（P.alopecuroides cv.‘Little Bunny）、紫葉狼尾草（P. setaceum ‘Rubrum）、東方狼尾草（P. orientale）、紫穗狼尾草（P. orientale alopecuroides），采購自江蘇省沭陽縣溢芳花卉園。

1.2 方法

試驗用銅和鎘溶液分別采用CuSO4·5H2O和CdCl2·2.5H2O配置，設(shè)4個濃度（mg·L-1）組合處理，即：CK，0 （以去離子水對照）;T1，100+10;T2，200+30;T3，300+50;T4，400+100。用0.1%高錳酸鉀溶液消毒浸泡種子15 min，蒸餾水反復(fù)沖洗后，用濾紙吸干種子表面的水分，備用。取直徑9 cm的培養(yǎng)皿，鋪置一層脫脂棉和濾紙作為發(fā)芽床，每培養(yǎng)皿放入50粒種子，將配好的重金屬溶液置于培養(yǎng)皿中，至濾紙飽和為止。每處理重復(fù)3次，放置光照培養(yǎng)箱進行培養(yǎng)。每天觀察記錄種子萌發(fā)情況。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1種子發(fā)芽指標(biāo)測定 以胚根長度達到種子等長，胚芽長度達到種子一半作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)芽指標(biāo)參照趙玉紅等[21]的計算公式。

發(fā)芽率=前10天萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%;發(fā)芽勢=4天內(nèi)萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%;發(fā)芽指數(shù)=ΣGt/Dt（Gt指在t時間內(nèi)發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的萌發(fā)天數(shù)）;活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×苗長度。

1.3.2 形態(tài)學(xué)指標(biāo)測定 從培養(yǎng)皿中各取出10株長勢一致的幼苗，用游標(biāo)卡尺測量苗長和根長，讀數(shù)精確到0.01 mm，用電子天平稱幼苗鮮重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析均基于Microsoft Excel 2010和SPSS 23.0軟件進行。采用單因素方差分析（ANOVA）和多重比較法進行統(tǒng)計分析，用鄧肯法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法，對5種狼尾草屬觀賞草在重金屬銅鎘復(fù)合脅迫下的種子萌發(fā)和幼苗生長進行綜合性評價，參照雷舒涵等[22]的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬Cu2+和Cd2+脅迫對狼尾草屬觀賞草種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

由圖1、2可知，隨脅迫濃度的增大，5種供試種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢呈逐漸下降趨勢。在低濃度T1時，小兔子狼尾草的發(fā)芽率顯著低于對照（P<0.05）;在發(fā)芽勢方面，小兔子狼尾草、紫穗狼尾草和東方狼尾草顯著小于對照（P<0.05）。在T2濃度脅迫后，5種供試種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢降幅加快。在T4高濃度脅迫時，對發(fā)芽率和發(fā)芽勢的抑制作用達到最大，所有種子發(fā)芽率均未達50%，毒害作用較為嚴(yán)重，且紫穗狼尾草的降幅最大，為81.51%，小兔子狼尾草降幅最小;同時紫穗狼尾草發(fā)芽勢降幅最大，為78.50%，紫葉狼尾草發(fā)芽勢降幅最小，為66.21%。

柱上方不同小寫字母代表不同銅鎘復(fù)合脅迫處理下同一觀賞草品種間差異顯著（P<0.05），下同。

2.2 重金屬Cu2+和Cd2+脅迫對狼尾草屬觀賞草種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的影響

由表1可知，隨脅迫強度的增加，5種供試種子的發(fā)芽指數(shù)逐漸降低。在低濃度T1時，小兔子狼尾草發(fā)芽指數(shù)與對照差異顯著（P<0.05）。在T2濃度脅迫后，供試種子的發(fā)芽指數(shù)顯著下降，在高濃度T4脅迫時，紫穗狼尾草發(fā)芽指數(shù)為3.48，降幅最大，達80.95%;紫葉狼尾草降幅最低，降幅61.96%。

隨著脅迫強度的增加，5種供試種子的活力指數(shù)也逐漸降低。在T2濃度脅迫后，所有種子的活力指數(shù)顯著下降，小兔子狼尾草降幅最大，為63.20%，紫葉狼尾草降幅最小。在高濃度T4脅迫下，紫穗狼尾草的活力指數(shù)最低，為4.18，降幅最大;其次是東方狼尾草，降幅最低的是紫葉狼尾草，為85.86%。

2.3 重金屬Cu2+和Cd2+脅迫對狼尾草屬觀賞草幼苗苗長、根長的影響

由表2可知，隨著脅迫濃度的增加，5種供試材料的苗長和根長均呈逐漸減小的趨勢。在T1低濃度脅迫時，小兔子狼尾草的苗長降幅最小，為23.75%，東方狼尾草的降幅最大，為33.11%;紫穗狼尾草的根長降幅最小，為63.66%，東方狼尾草的降幅最大，為69.13%;在T2濃度脅迫后，5種供試材料的苗長和根長均顯著小于對照（P<0.05）。在高濃度T4脅迫時，根長的抑制作用比苗長更強，且所有供試材料種子均出現(xiàn)“無根苗”。與對照相比，東方狼尾草的苗長降幅最小，為57.00%，紫葉狼尾草的苗長降幅最大，為63.41%;東方狼尾草根長的降幅最大，為91.02%，金紅羽狼尾草的根長降幅最小，為88.88%。

2.4 重金屬Cu2+和Cd2+脅迫對狼尾草屬觀賞草幼苗鮮重的影響

由表3可知，隨重金屬濃度的增加，5種供試材料種子的幼苗鮮重逐漸下降，且各處理均顯著低于對照（P<0.05）。在T1低濃度脅迫時，幼苗鮮重降幅最小，紫穗狼尾草、小兔子狼尾草、紫葉狼尾草、東方狼尾草和金紅羽狼尾草的降幅分別為21.63%、18.38%、16.45%、15.83%、12.57%。在高濃度脅迫T4時，所有供試材料幼苗鮮重的降幅均較大，小兔子狼尾草的降幅最大，為55.58%，金紅羽狼尾草的降幅最小，為50.06%。

2.5 5種狼尾草屬觀賞草種子萌發(fā)期耐受性評價

試驗結(jié)果表明，在T3和T4濃度處理時各指標(biāo)變異系數(shù)最大，因此，采用T3和T4脅迫下發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗長、根長和幼苗鮮重7個指標(biāo)相對值的平均值作為5種狼尾草屬觀賞草種子萌發(fā)期重金屬銅和鎘耐受性綜合評價的實測值（表4），計算各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值、權(quán)重及綜合評價值（表5）。5種狼尾草屬觀賞草種子萌發(fā)期對重金屬銅鎘耐受性強弱依次為金紅羽狼尾草>小兔子狼尾草>紫葉狼尾草>東方狼尾草>紫穗狼尾草。

3 討論與結(jié)論

本試驗探究了在銅鎘復(fù)合脅迫條件下，對5種狼尾草屬觀賞草種子萌發(fā)特性和幼苗生長的影響，以篩選出對重金屬銅和鎘有較強耐受能力的狼尾草屬觀賞草，對研究狼尾草屬觀賞草銅、鎘脅迫機制、指導(dǎo)銅和鎘污染地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)有重要意義。本試驗結(jié)果表明：隨著脅迫濃度的增加，5種狼尾草屬觀賞草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，均呈不同程度的下降趨勢。在高濃度脅迫時，對5種供試種子萌發(fā)的抑制作用達到最大，發(fā)芽率均降至50%以下，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)降幅顯著，其中對紫穗狼尾草的抑制作用最大。同時，隨著脅迫濃度的增加，5種供試草種的幼苗苗長、根長和鮮重呈逐漸下降趨勢，這和其它植物對重金屬反應(yīng)一致[23]。尤其是在高濃度T4脅迫時，5種供試材料的幼苗苗長、根長受到嚴(yán)重抑制，甚至均出現(xiàn)了“無根苗”。重金屬脅迫下植物根系比莖葉響應(yīng)程度劇烈，這與孫金金等[24]探究重金屬對8種禾草幼苗生長研究結(jié)果一致。相關(guān)研究表明，這可能是種子萌發(fā)期間，根部最先突破種皮吸水，導(dǎo)致根的重金屬累積量以及受迫時間比胚芽長造成的[25]，而且根部是植物最重要的絡(luò)合重金屬的部位，也是最易受到重金屬毒害的部位，因此其受毒害作用也比胚芽深[26]。

不同濃度的銅和鎘對植物種子萌發(fā)和幼苗生長會產(chǎn)生不同的影響。一般認為，銅和鎘在低濃度時對種子萌發(fā)和幼苗生長具有促進作用，但過量的銅和鎘具有較強毒性，會導(dǎo)致植物生長發(fā)育不良、生理代謝過程紊亂等[27]。王新新等[28]研究鎘脅迫對堿蓬種子萌發(fā)試驗表明，低濃度的鎘對堿蓬種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和根長、苗長具有促進作用，而高濃度時體現(xiàn)出抑制的特性。趙玉紅等[21]在銅、鎘等脅迫對4種豆科植物的試驗時也得出類似結(jié)論。在本試驗條件下，當(dāng)?shù)蜐舛鹊你~和鎘分別達到100 mg·L-1和10 mg·L-1時，對5種供試草種的種子萌發(fā)和幼苗生長均產(chǎn)生抑制作用，且隨著濃度的增加抑制作用逐漸增強，這與前人研究結(jié)論有所不同。究其原因，這可能與本試驗設(shè)置2種重金屬元素復(fù)合脅迫和初始濃度較高有關(guān)，復(fù)合重金屬脅迫對植物的毒害作用更強，具體原因?qū)⒃诤笃谠囼炛羞M一步探究。

單一指標(biāo)并不能全面準(zhǔn)確地反映植物對重金屬的耐受性強弱，采用隸屬函數(shù)法既消除了個別指標(biāo)帶來的片面性，又使各材料耐性差異具有可比性[29、30]。因此，本研究采用7個性狀的相對值進行隸屬函數(shù)值綜合評價。結(jié)果表明，種子萌發(fā)期對重金屬銅鎘的耐受性強弱表現(xiàn)為：金紅羽狼尾草>小兔子狼尾草>紫葉狼尾草>東方狼尾草>紫穗狼尾草。綜上所述，萌發(fā)期的金紅羽狼尾草對重金屬銅鎘的耐受性表現(xiàn)較好，為探究金紅羽狼尾草是否為銅鎘超富集植物，將對金紅羽狼尾草進行進一步的盆栽及大田試驗。

參 考 文 獻：

[1] 李元，祖艷群.重金屬污染生態(tài)與生態(tài)修復(fù)[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

[2] 朱劍飛，李銘紅，謝佩君，等.紫花苜蓿、黑麥草和狼尾草對Cu、Pb復(fù)合污染土壤修復(fù)能力的研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2018，26（2）：303-313.

[3] 鄭順安，黃宏坤.耕地重金屬污染防治管理理論與實踐[M].北京：中國環(huán)境出版社，2017.

[4] Witzel B . The influence of zinc on the uptake and loss of cadmium and lead in the woodlouse， Porcellio scaber（Isopoda， Oniscidea）[J]. Ecotoxicology & Environmental Safety， 2000， 47（1）：43-53.

[5] Kim D S.The removal by crab shell of mixed heavy metal ions in aqueous solution[J]. Bioresource Technology， 2003，87（3）：355-357.

[6] 武菊英.觀賞草及其在園林景觀中的應(yīng)用[M].北京：中國林業(yè)出版社，2008.

[7] 田宏，劉洋，陳明新，等.淺析狼尾草作為觀賞草在園林中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2012，28（1）：307-310.

[8] 武菊英，滕文軍，王慶海.狼尾草的生物學(xué)特性及在園林中的應(yīng)用[J].中國園林，2005（12）：57-59.

[9] Beckwith A G，Zhang Y，Seeram N P，et al. Relationship of light quantity and anthocyanin production in pennisetum setaceum cvs. Rubrum and red riding hood[J]. J. Agric. Food Chem.， 2004， 52（3）：456-461.

[10] Scheiber S M，Sandrock D，Alvarez E，et al. Effect of saltspray concentration on growth and appearance of‘Gracilli-musmaiden grass and‘Hamelinfountain grass[J].Hort-Technology，2008，18：34-38.

[11] 劉宗華.幾種（品種）狼尾草屬觀賞草的耐蔭性研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[12] 王秀梅，劉娜.5種狼尾草的生物學(xué)特性及其園林應(yīng)用[J].中國園藝文摘，2011，27（9）：81-82.

[13] 蘭茜J.奧德諾.觀賞草及其景觀配置[M]. 北京：中國林業(yè)出版社， 2004.

[14] 孫啟鑫.鎘脅迫對狼尾草屬牧草生長生理特征及鎘吸收能力的影響[D].揚州：揚州大學(xué)，2016.

[15] 朱秀紅，侯國棟，茹廣欣，等.狼尾草對鉻的積累及其抗氧化特性研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，51（3）：330-334.

[16] 劉大林，孫啟鑫，邵將，等.不同生育期狼尾草屬牧草對土壤鎘脅迫的生理響應(yīng)[J].草地學(xué)報，2016，24（4）：854-858.

[17] 韋柳嬋.多花黑麥草和美洲狼尾草對銅、鋅處理的生理響應(yīng)及對污染水體的凈化作用[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[18] 謝佩君.幾種植物對Cu、Pb污染土壤的修復(fù)潛力研究[D].金華：浙江師范大學(xué)，2016.

[19] 孟曉蕊. 引進觀賞草在東南沿海地區(qū)的生態(tài)適應(yīng)性研究及評價[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2018.

[20] 何新杰，任國香，彭昭良，等.華南地區(qū)耐熱耐旱觀賞草的篩選和評價[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2018，30（3）：64-69.

[21] 趙玉紅，拉巴取吉，羅布，等.銅、鎘、鉛、鋅對4種豆科植物種子萌發(fā)的影響[J]. 種子， 2017，36（1）：22-28 .

[22] 雷舒涵，楊妮妮，余倩倩，等.甘肅地區(qū)10個野生觀賞草種子萌發(fā)期抗旱性評價[J].草業(yè)科學(xué)，2016，33（12）：2475-2484.

[23] 陳偉.重金屬脅迫對草坪草生長發(fā)育及生理特性的影響[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[24] 孫金金，魚小軍，王金輝，等.重金屬Cu（2+）、Cd（2+）和Pb（2+）對8種禾草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[J].草地學(xué)報，2018，26（3）：673-683.

[25] 梅麗娜，袁慶華，姚拓，等.不同品種苜蓿芽期對重金屬鎘的耐性研究[J].作物雜志，2010（2）：15-18.

[26] 張瓊.金盞菊對土壤中重金屬鎘（Cd）吸收和積累的研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)， 2018.

[27] 王三根.植物生理學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[28] 王新新，吳亮， 朱生鳳， 等.鎘脅迫對堿蓬種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報， 2013，32（2）：238-243.

[29] 劉佳，徐昌旭，曹衛(wèi)東，等.PEG脅迫下15份紫云英種質(zhì)材料萌發(fā)期的抗旱性鑒定[J].中國草地學(xué)報，2012，34（6）：18-25.

[30] 王贊，李源，吳欣明，等.PEG滲透脅迫下鴨茅種子萌發(fā)特性及抗旱性鑒定[J].中國草地學(xué)報，2008，30（1）：50-55.