鎘、鋅脅迫對黑麥草種子萌發(fā)及幼苗生長特性的影響

白哲 董馨嵐

摘 要：通過盆栽試驗，研究了不同濃度Cd（5、10、50、100、150 mg·kg -1）、Zn（50、100、400、600、800 mg·kg-1）對黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。結(jié)果表明：在Cd、Zn脅迫下，黑麥草的發(fā)芽和生長指標(biāo)均受到抑制作用，與重金屬濃度呈負(fù)相關(guān);黑麥草的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均在Cd濃度50、100、150 mg·kg-1及Zn濃度400、600、800 mg·kg-1的處理中表現(xiàn)出較強(qiáng)差異;芽長和根長均在Cd濃度150 mg·kg-1、Zn濃度800 mg·kg-1的處理中受到顯著抑制;地上部和根系的生物量較對照下降，分別在Cd濃度50、100 mg·kg-1及Zn濃度600、800 mg·kg-1時受到最強(qiáng)抑制作用?？傮w來看，黑麥草對重金屬Cd、Zn具有一定的耐受性。

關(guān)鍵詞：鎘;鋅;黑麥草;種子萌發(fā);幼苗生長

中圖分類號：S543.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：0253-2301（2020）12-0030-05

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2020.12.006

Effects of Cadmium and Zinc Stress on Seed Germination andSeedling Growth Characteristics of Lolium Perenne L.

BAI Zhe， DONG Xinlan

（Institute of Ecology， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang 321000， China）

Abstract： The effects of different concentrations of Cd （5， 10， 50， 100， 150 mg·kg-1） and Zn （50， 100， 400， 600， 800 mg·kg-1） on the seed germination and the seedling growth of Lolium perenne L. were studied by pot experiment. The results showed that： Under the stress of Cd and Zn， the germination and growth indexes of Lolium perenne L. were inhibited， which were negatively correlated with the concentration of heavy metals. The germination rate and germination potential of Lolium perenne L. showed strong differences under the treatment of Cd at concentrations of 50， 100 and 150 mg·kg-1 and Zn at concentrations of 400， 600 and 800 mg·kg-1. The length of buds and roots were both significantly inhibited under the treatment of 150 mg·kg-1 Cd and 800 mg·kg-1 Zn. And the the biomass of of shoot and root decreased compared with the control group， and suffered the strongest inhibition when the concentration of Cd was 50 and 100 mg·kg-1 while the concentration of Zn was 600 and 800 mg·kg-1. In general， Lolium perenne L. had a certain tolerance to the heavy metals of Cd and Zn.

Key words： Cadmium; Zinc; Lolium perenne L.; Seed germination; Seedling growth

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，我國耕地土壤中的重金屬污染自20世紀(jì)80年代呈現(xiàn)出嚴(yán)重惡化的趨勢。據(jù)2014年首次全國土壤污染狀況調(diào)查報告顯示，全國土壤環(huán)境狀況不容樂觀，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出。據(jù)統(tǒng)計，我國鎘（Cd）污染土壤面積已達(dá)20萬km2，占總耕地面積的1/6[1]。鎘雖為植物生長的非必需元素，但極易被植物體吸收，當(dāng)植物體內(nèi)鎘元素積累達(dá)到一定程度會產(chǎn)生毒害作用，如阻礙植物根系的生長或抑制其水分和養(yǎng)分的吸收等[2]。鋅（Zn）是植物生長必不可少的微量元素之一，但同時又屬于重金屬污染物。過量的Zn會導(dǎo)致植物代謝失衡，葉綠素合成受破壞，造成缺鐵性失綠和生長發(fā)育上的障礙[3-4]。研究表明，土壤中特定濃度的重金屬會顯著抑制植物種子萌發(fā)、幼苗生長過程，此外還極易導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生各類化學(xué)物質(zhì)，嚴(yán)重危害作物生長發(fā)育[5]。

黑麥草是禾本科黑麥屬多年生疏叢型草本植物，須根發(fā)達(dá)、生長快速、生物量較大，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力及抗性，常在重金屬污染土壤的植物修復(fù)研究中作為供試植物。目前，關(guān)于重金屬Cd、Zn脅迫對黑麥草的種子萌發(fā)及幼苗生長的影響研究較少。因此，本研究以黑麥草種子為研究材料，模擬不同濃度的 Cd、Zn脅迫，探討 Cd、Zn對黑麥草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，旨在為黑麥草在鎘、鋅污染土壤中的種植適宜性提供參考，并進(jìn)一步探討黑麥草作為土壤重金屬污染修復(fù)植物的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物黑麥草種子購自金華市小碼頭市場。挑選大小一致、籽粒飽滿的種子用70%酒精消毒2 min，去離子水沖洗干凈并用濾紙吸干水分備用。供試土壤采自浙江師范大學(xué)農(nóng)田試驗基地，采土深度為0～20 cm，將采集的土壤去除石塊、草根后置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，研磨后過孔徑4 mm篩備用。CdCl2·2.5H2O和ZnSO4·7H2O為分析純。

1.2 試驗方法

試驗于2019年9月在浙江師范大學(xué)生態(tài)研究所進(jìn)行，采用人工控制性盆栽試驗。根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和我國國家環(huán)境土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[1，5-6]，設(shè)置土壤Cd濃度為0（CK）、5（A1）、10（A2）、50（A3）、100（A4）、150（A5）mg·kg-1;Zn濃度為 0（CK）、50（B1）、100（B2）、400（B3）、600（B4）、800（B5）mg·kg-1，每個處理設(shè)3次重復(fù)。將配置好不同濃度梯度的Cd、Zn污染土壤分別裝盆，盆高12 cm，直徑10 cm，每盆裝取0.5 kg土壤，播種30顆消毒處理后的黑麥草種子，置于溫度25℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，每天補(bǔ)充水分保證種子的正常發(fā)育。觀察種子的發(fā)芽情況及幼苗的生長狀況，并做好記錄。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 種子萌發(fā)測定指標(biāo) 依據(jù)（GB/T 3543.4-1995《農(nóng)作物種子檢驗規(guī)程發(fā)芽試驗》），從發(fā)芽次日開始，每天統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)（以胚根突出種皮作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)），記錄第4 d、第7 d種子發(fā)芽的數(shù)量及芽長。

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

發(fā)芽率（GP）（%）=（7 d正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100。

1.3.2 幼苗形態(tài)指標(biāo) 植物生長60 d后收獲植株，測定幼苗生長指標(biāo)。采用卷尺測量幼苗長度及根長。生物量干重測定方法為用濾紙吸干幼苗表面的水分，每處理隨機(jī)選取生長較為一致的幼苗植株，置于干燥箱105℃條件下15 min，再于 80℃下烘至恒重后，分別稱量地上部、地下部重量。

幼苗長度：胚軸與芽中間的過渡點(diǎn)到幼苗末端的長度;

根長：用直尺測量根頸以下到主根d≥0.05 cm處的長度，測定每個花盆植株的多數(shù)根長，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用多重最小顯著差異法（LSD，P<0.05）進(jìn)行顯著性差異檢驗，使用Origin 9.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘、鋅污染對黑麥草種子萌發(fā)的影響

由圖1可知，在不同濃度的Cd脅迫下，黑麥草的發(fā)芽勢和發(fā)芽率基本表現(xiàn)出隨Cd濃度的上升而逐漸下降的趨勢。在Cd濃度為A1（5 mg·kg-1）時，黑麥草種子的發(fā)芽勢與對照相比差異不顯著，說明該濃度設(shè)置下Cd脅迫對種子發(fā)芽勢無顯著影響;而在Cd濃度為A2～A5（10、50、100、150 mg·kg-1）時，發(fā)芽勢較對照分別下降了18.14%、29.95%、40.08%和51.05%，差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。就發(fā)芽率而言，當(dāng)Cd濃度為A3～A5（50、 100、150 mg·kg-1）時，Cd污染對黑麥草種子的發(fā)芽率表現(xiàn)出顯著的抑制作用（P<0.05），分別下降12.79%、21.71%和33.33%，抑制作用隨濃度的增高而增強(qiáng)。

如圖2所示，在不同濃度的Zn脅迫下，黑麥草的發(fā)芽勢和發(fā)芽率同樣表現(xiàn)為隨Zn濃度的上升而逐漸下降。當(dāng)Zn濃度為B1（50 mg·kg-1 ）、B2（100 mg·kg-1）時，發(fā)芽勢及發(fā)芽率與對照組相比差異不顯著;而在Zn濃度為B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）時，與對照組相比，發(fā)芽勢分別下降了23.63%、22.36%、37.55%，發(fā)芽率則分別下降了8.91%、15.5%、15.89%，均表現(xiàn)為顯著差異（P<0.05）。

綜上，黑麥草在較高濃度的Cd（A3～A5）、Zn（B3～B5）單一脅迫作用下，發(fā)芽指標(biāo)均受到顯著抑制。

2.2 鎘、鋅污染對黑麥草幼苗根長和芽長的影響

由圖3可知，單一Cd脅迫下，黑麥草的芽長和根長基本表現(xiàn)為隨Cd濃度的上升而逐漸下降。芽長較對照分別減少0.49（A1）、0.52（A2）、1.39（A3）、1.70（A4）、3.25（A5）cm，其中在Cd濃度為A5（150 mg·kg-1）時具有顯著差異（P<0.05）。各Cd濃度處理均表現(xiàn)出對黑麥草根長的顯著抑制作用（P<0.05），A1、A2、A3、A4、A5處理較對照分別減少1.53、2.33、2.79、3.38、3.67 cm。相比可知，黑麥草根長在單一Cd脅迫下表現(xiàn)出更顯著的下降趨勢。

如圖4所示，黑麥草的根長和芽長在B1處理時較對照分別減少0.72 cm和0.41 cm，在B2處理時較對照分別增加0.52 cm和0.30 cm，差異均不顯著。在B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）中高濃度Zn處理時，根長較對照減少1.38、1.84、2.65 cm，芽長較對照減少1.62、1.90、2.79 cm，且僅在Zn濃度為B5（800 mg·kg-1）時與對照差異顯著（P<0.05）。

綜上可知，在Cd 濃度為A5（150 mg·kg-1）及Zn 濃度為B5（800 mg·kg-1）處理時，黑麥草芽長及根長的生長受到嚴(yán)重抑制作用。

2.3 鎘、鋅污染對黑麥草生物量的影響

表1為黑麥草在不同鎘（Cd）、鋅（Zn）單一脅迫下地上部和根系的生物量。在A1～A5處理中，隨著Cd濃度的增加，黑麥草的根系、地上部生物量均表現(xiàn)為下降，與對照差異顯著（P<0.05），且在Cd濃度為A3（50 mg·kg-1）和A4（100 mg·kg-1）時較對照分別減少68.59%和30.90%，取得最小生物量。受Zn脅迫時，地上部生物量在不同濃度Zn作用下較對照分別減少11.41%（B1）、11.67%（B2）、20.16%（B3）、20.82%（B4）、38.73%（B5），并在B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）中高濃度Zn處理時表現(xiàn)出與對照差異顯著（P<0.05）。根系生物量則在Zn濃度為B3（400

mg·kg-1）時出現(xiàn)小幅增加，在其他Zn濃度處理時均表現(xiàn)出下降趨勢，且在Zn濃度為B4（600 mg·kg-1）、B5（800 mg·kg-1）時與對照差異顯著（P<0.05），分別減少49.36%和67.95%。

3 討論

種子萌發(fā)和幼苗生長期是植物對環(huán)境脅迫較為敏感的時期[7]，因此，生長在受重金屬污染的土壤中的植物，種子能否萌發(fā)是衡量其對重金屬是否具有一定耐受性的重要指標(biāo)，可用發(fā)芽勢、發(fā)芽率等進(jìn)行評價[8]。張軍等[9]研究重金屬脅迫對超富集植物種子萌發(fā)特征的影響中發(fā)現(xiàn)，低濃度Cd會促進(jìn)植物種子的萌發(fā)，高濃度Cd對植物的生長產(chǎn)生顯著的抑制作用。本研究結(jié)果表明，不同濃度的Cd、Zn脅迫對黑麥草種子萌發(fā)及幼苗生長均具有不同的影響，當(dāng)Cd、Zn處理濃度比較低時，不影響黑麥草種子的正常萌發(fā)過程，但在高濃度Cd、Zn脅迫下，黑麥草種子的萌發(fā)受到顯著抑制作用。Cd 濃度為A3～A5（50、100、150 mg·kg-1）時，黑麥草的發(fā)芽率受到顯著影響，濃度越高，受抑制作用越強(qiáng)。發(fā)芽勢除Cd濃度為A1（5 mg·kg-1）處理外，均表現(xiàn)為較對照顯著下降。在Zn脅迫下，黑麥草的發(fā)芽勢和發(fā)芽率隨Zn濃度的上升而逐漸下降，且Zn濃度在B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）時，隨著Zn濃度越高，受抑制作用越強(qiáng)。由此可以得出，Cd、Zn脅迫對黑麥草的發(fā)芽能力均具有一定抑制作用，且中高濃度Cd、Zn顯著影響黑麥草的發(fā)芽勢和發(fā)芽率。這與王晨等[10]在研究重金屬對黑麥草生理生化性質(zhì)的影響結(jié)論相似。

在本試驗結(jié)果中，黑麥草幼苗的芽長和根長在Cd脅迫下基本表現(xiàn)為隨Cd濃度的上升而下降，且根長受到顯著的抑制作用，這表明根系對重金屬脅迫具有更強(qiáng)的靈敏性。在Zn脅迫下，黑麥草的幼苗長度在Zn濃度為B2（100 mg·kg-1）作用下出現(xiàn)了一定程度的增長，而在B5（800 mg·kg-1）高濃度Zn作用下呈現(xiàn)顯著抑制作用，可能因為低濃度Zn對植物產(chǎn)生的刺激作用，表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象[11]。植物種子細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基在低濃度Zn的刺激下升高，激發(fā)蛋白酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞加速分裂和增殖，從而促進(jìn)植物的生長[12];而在高濃度Zn脅迫下，重金屬通過表皮進(jìn)入種子內(nèi)部，干擾植物細(xì)胞中的核酸，誘發(fā)高活性氧自由基，導(dǎo)致過氧化現(xiàn)象，從而抑制幼苗生長[13]?？梢钥闯觯贑d、Zn污染土壤中，黑麥草地上部和根系的生長均受到影響，其中根系對重金屬脅迫的響應(yīng)更加靈敏，這與王彥梅等的研究結(jié)果一致[14]。推測產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是重金屬能抑制根尖細(xì)胞有絲分裂，進(jìn)而影響根系正常生長發(fā)育，因此植株根部受到污染物的傷害相較于其他部位更明顯[15]植物在重金屬脅迫環(huán)境中生物量的積累是其耐受能力的重要體現(xiàn)。在Cd脅迫下，黑麥草地上部和根系的生物量基本表現(xiàn)為較對照下降，生長受到顯著影響，在A3（50 mg·kg-1）、A4（100 mg·kg-1）濃度作用時受抑制最強(qiáng)。在Zn脅迫下，黑麥草的地上部生物量隨Zn濃度的上升而逐漸下降，在B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）濃度時與對照差異顯著。根系生物量除在B3（400 mg·kg-1）時較對照差異不顯著外，均表現(xiàn)為隨Zn濃度的上升而逐漸下降，且在B4（600 mg·kg-1）、B5（800 mg·kg-1）處理與未受Zn脅迫處理差異顯著。黑麥草在Zn脅迫下出現(xiàn)的地上部和根系生物量的不顯著增加可能是由于受到了較低金屬濃度的刺激作用[16]。

綜合分析黑麥草在Cd、Zn脅迫下所得到的各項萌發(fā)與生長指標(biāo)，認(rèn)為其雖然受到了Cd、Zn金屬一定的抑制作用，但在各濃度下仍能進(jìn)行萌發(fā)和生長，體現(xiàn)了對Cd、Zn單一污染環(huán)境良好的耐受性。

4 結(jié)論

在Cd、Zn脅迫下，黑麥草的發(fā)芽勢和發(fā)芽率、芽長和根長、地上部和根系生物量，均受到兩種重金屬的抑制作用，表現(xiàn)為隨金屬濃度的上升而逐漸下降。發(fā)芽指標(biāo)在Cd濃度為A3～A5（50、100、150 mg·kg

-1）及Zn濃度為B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）時與對照差異顯著。芽長和根長均在A5（150 mg·kg-1）、B5（800 mg·kg-1）兩個最高濃度處理中受到的抑制作用最強(qiáng)。地上部和根系的生物量較對照下降，分別在Cd濃度為A3（50 mg·kg-1）、A4（100 mg·kg-1）及Zn濃度為B4（600 mg·kg-1）、B5（800 mg·kg-1）時受到最強(qiáng)抑制作用。總體來看，黑麥草的種子萌發(fā)和幼苗生長受到Cd、Zn單一污染不同程度的影響，在高濃度處理時表現(xiàn)出與對照的顯著差異。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐佩賢.高羊茅和草地早熟禾對鎘的耐受能力和解毒機(jī)制研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

[2]吳佩桐.土壤中金屬鎘污染危害與修復(fù)的研究進(jìn)展[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2012（7）：174-176.

[3]DEV A，SRIVASTAVA A K，KARMAKAR S.Nanomaterial toxicity for plants[J].Environmental Chemistry Letters，2017，16（1）：1-16.

[4]DONCHEVA S，STOYNOVA Z，VELIKOVA V.Influence of succinate on zinc toxicity of pea plants[J].Journal of Plant Nutrition，2007，24（6）：789-804.

[5]HENSON T M，CORY W，RUTTER M T.Extensive variation in cadmium tolerance and accumulation among populations of Chamaecrista fasciculate[J].Plos One，2013，8（5）：e63200.

[6]潘秀，石福臣，劉立民，等.Cd、Zn及其交互作用對互花米草中重金屬的積累、亞細(xì)胞分布及化學(xué)形態(tài)的影響[J].植物研究，2012，32（6）：717-723.

[7]王羲玥，任艷芳，王偉，等.快菜不同生長期對鎘毒害的敏感性差異[J].北方園藝，2019，（24）：14-20.

[8]張大鵬，蔡春菊，范少輝，等.重金屬Pb2+和Cd2+對毛竹種子萌發(fā)及幼苗早期生長的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究，2012，25（4）：500-504.

[9]張軍，魏璐，任雪盈，等.Cd2+脅迫對3種超富集植物種子萌發(fā)特征的影響[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報，2018（3）：32-36.

[10]王晨，王海燕，趙琨，等.硅對鎘、鋅、鉛復(fù)合污染土壤中黑麥草生理生化性質(zhì)的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（6）：2240-2245.

[11]高柱，王小玲，劉騰云，等.重金屬Cu污染對蘇丹草種子發(fā)芽及幼苗生長的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29（25）：199-204.

[12]劉垚，張薇，劉鳴達(dá).鎘苯并（a）芘單一及復(fù)合污染對小麥種子萌發(fā)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31（2）：265-269.

[13]TALANOVA V V，TITOV A F，BOEVA N P.Effect of Increasing Concentrations of Heavy Metals on the Growth of Barley and Wheat Seedlings[J].Russian Journal of Plant Physiology，2001，48（1）：100-103.

[14]王彥梅，張玉秀，柴團(tuán)耀，等.重金屬對小麥和黑麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，16（3）：802-804.

[15]劉登義，王友保.Cu、As對作物種子萌發(fā)和幼苗生長影響的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13（2）：179- 182.

[16] 姚婧，王友保，安雷，等.Cu污染對高羊茅與黑麥草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].土壤通報，2009，40（2）：410-414.

（責(zé)任編輯：陳文靜）