錳脅迫對紅錐幼苗光合特性及礦質(zhì)元素的影響

雷 康，譚長強(qiáng)，申文輝，滕維超

（1.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002；3.廣西壯族自治區(qū)優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西南寧 530002）

土壤重金屬污染影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)，通過食物鏈影響動物和人類健康，是世界范圍內(nèi)主要環(huán)境問題之一[1]。錳（Mn）在冶金、電子技術(shù)和農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域均有應(yīng)用；對其的大量開采和使用加劇土壤Mn 污染情況[2]。Mn 是植物組織生長發(fā)育和繁殖必需的微量元素，對植物的生長代謝、光合作用和營養(yǎng)吸收等生理活動有重要作用，但過量的Mn 會抑制植物生長，甚至導(dǎo)致植株死亡[3-5]。

紅錐（Castanopsis hystrix）為殼斗科（Fagaceae）錐屬常綠喬木；樹干高大通直，高可達(dá)25 m，胸徑可達(dá)1.5 m，觀賞性高，生長速度快，有廣闊的發(fā)展前景，是我國優(yōu)良珍貴鄉(xiāng)土樹種[6]。其木材材質(zhì)堅重、耐腐且易加工，是優(yōu)質(zhì)的木材原料，被廣泛應(yīng)用于建筑、家具、汽車和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，有很高的利用價值[7]。目前，對紅錐的研究主要集中在人工育苗、良種選育及木材利用技術(shù)等領(lǐng)域[8-10]，關(guān)于土壤重金屬污染對紅錐幼苗光合作用及養(yǎng)分累積的研究較少。植物修復(fù)法是目前解決土壤重金屬污染較有前景的方法之一。本研究分析不同濃度Mn 處理下紅錐幼苗光合特性及礦質(zhì)元素積累的變化規(guī)律，探索紅錐對Mn 脅迫的響應(yīng)，為紅錐作為植物修復(fù)材料在Mn污染地區(qū)種植和管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在廣西南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)大學(xué)東路100號廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃教學(xué)實習(xí)基地（108°17′E，22°50′N）進(jìn)行。該地地處北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和；全年陽光充足，雨量豐沛，夏長冬短，干濕季分明；年均氣溫21.7 ℃左右，年均降水量1 304.2 mm，年均相對濕度79%。

1.2 試驗材料

選取南寧市路西苗圃生長狀況良好、長勢基本一致的0.5年生紅錐幼苗作為試驗苗，株高（35.55±4.43）cm，地徑（4.26 ± 1.05）mm。2020年7月1日，將紅錐幼苗移栽至直徑25 cm 帶孔的黑色營養(yǎng)缽中，每缽裝風(fēng)干土5 kg；緩苗期為1 個月，期間進(jìn)行正常的苗木養(yǎng)護(hù)管理。土壤基本化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Basic chemical properties of soil

1.3 試驗設(shè)計

采用單因素試驗設(shè)計。設(shè)置4個不同濃度外源Mn處理，分別為200、600、1 500和3 000 mg/kg，以清水為對照（CK）；每處理10 盆，每盆1 株。Mn 為硫酸錳（MnSO4·H2O）溶液。2020年8月5日開始，分6 次將Mn 溶液施入土壤，每10 天施加1 次，每次每缽分別施加100 mL，200、600、1 500 和3 000 mg/kg 處理施加的Mn 溶液質(zhì)量濃度分別為5.12、15.36、38.41和76.82 g/L；CK 處理每次每缽分別施加100 mL 蒸餾水。

1.4 指標(biāo)測定

處理結(jié)束后3個月（2020年12月29日），選取葉片完整的成熟葉，測量各項指標(biāo)。晴天天黑1 h 后，采用FMS-II 熒光儀測定葉片葉綠素?zé)晒庾畲蠊饣瘜W(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）；采用丙酮乙醇混合液法提取并測定光合色素含量，包括葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）、葉綠素a+b（Chl a+b）和類胡蘿卜素（Car）含量[11]；采用Li-6400XT 便攜式光合作用測定儀夾取葉片，測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

葉片氮（N）含量采用濃硫酸-過氧化氫消煮，連續(xù)流動分析儀測定；鉀（K）、磷（P）、錳、鈣（Ca）、鎂（Mg）、銅（Cu）、鐵（Fe）和鋅（Zn）含量采用硝酸-過氧化氫消煮，ICP 電感耦合等離子光譜發(fā)生儀測定[12]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性和相關(guān)性分析；采用Origin和Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Mn脅迫對紅錐幼苗光合特性的影響

2.1.1 Mn脅迫對紅錐幼苗光合色素和Fv/Fm的影響

隨Mn濃度升高，紅錐幼苗葉片中的Chl a、Chl b、Chl a + b 和Car 含量變化趨勢一致，均呈先升后降的趨勢（圖1）。濃度為200 mg/kg時，各光合色素含量均最高，Chl a、Chl b、Chl a+b 和Car含量分別為7.34、3.50、10.84和1.13 mg/g，分別為CK的1.12、1.07、1.10和1.14倍。濃度為1 500和3 000 mg/kg時，光合色素含量顯著低于其他處理（P＜0.05）；濃度為3 000 mg/kg時最低，Chl a、Chl b、Chl a + b 和Car 含量分別為2.86、1.82、4.69 和0.47 mg/g。隨Mn 濃度升高，F(xiàn)v/Fm呈先升后降的趨勢；濃度為600 mg/kg 時最高（0.74），為CK 的1.12 倍；濃度為3 000 mg/kg 時最低（0.54），顯著低于其他處理（P＜0.05）。

圖1 Mn脅迫對光合色素和Fv/Fm的影響Fig.1 Effects of Mn stress on contents of photosynthetic pigments and Fv/Fm

2.1.2 Mn脅迫對紅錐幼苗光合作用的影響

隨Mn 濃度升高，紅錐幼苗葉片的Pn、Tr和Gs均呈先升后降的趨勢（圖2）。Pn在濃度為600 mg/kg時最高（4.73 μmol·m-2·s-1），為CK的1.73倍，顯著高于CK 及1 500 和3 000 mg/kg 處理（P＜0.05）；濃度為3 000 mg/kg 時最低（3.31 μmol·m-2·s-1），顯著低于200、600 和1 500 mg/kg 處理（P＜0.05）。Tr和Gs均在濃度為600 mg/kg 時最高，分別為0.003 和0.076 μmol·m-2·s-1，分別為CK 的2.36 和1.80 倍，均顯著高于CK和200 mg/kg處理（P＜0.05）；Tr在CK處理時最低（0.001 μmol·m-2·s-1），Gs在濃度為200 mg/kg時最 低（0.039 μmol·m-2·s-1），均 顯著 低于600 和3 000 mg/kg處理（P＜0.05）。隨Mn濃度升高，紅錐幼苗葉片的Ci呈先降后升的趨勢；濃度為3 000 mg/kg時最高（391.15 μmol·m-2·s-1），為CK 的1.18 倍，顯著高于CK和200 mg/kg處理（P＜0.05）；濃度為200 mg/kg時最低（294.36 μmol·m-2·s-1），顯著低于600、1 500和3 000 mg/kg處理（P＜0.05）。

圖2 Mn脅迫對光合作用的影響Fig.2 Effects of Mn stress on photosynthesis

2.2 Mn脅迫對紅錐幼苗礦質(zhì)元素含量的影響

隨Mn濃度升高，紅錐幼苗葉片中的N含量呈上升趨勢；濃度為3 000 mg/kg 時最高（11.57 g/kg），為CK的1.14倍；各處理間均差異不顯著（圖3）。隨Mn濃度升高，K 含量呈先升后降的趨勢，濃度為600 mg/kg時最高（8.29 g/kg），為CK 的1.16 倍，顯著高于其他處理（P＜0.05）。隨Mn 濃度升高，P 含量呈上升趨勢，濃度為3 000 mg/kg 時最高（1.73 g/kg），為CK的1.64 倍，顯著高于CK 及200 和600 mg/kg 處理（P＜0.05）。

圖3 Mn脅迫對N、P和K含量的影響Fig.3 Effects of Mn stress on contents of N,P and K

隨Mn 濃度升高，紅錐幼苗葉片中的Ca 含量呈下降趨勢，Mg 含量變化不大，各處理間均差異不顯著（圖4）。隨Mn 濃度升高，Mn 含量呈上升趨勢；濃度為3 000 mg/kg時最高（11.65 g/kg），為CK 的65.41倍，顯著高于其他處理（P＜0.05）。

圖4 Mn 脅迫對Ca、Mg 和Mn 含量的影響Fig.4 Effects of Mn stress on contents of Ca,Mg and Mn

隨Mn 濃度升高，紅錐幼苗葉片中的Fe 含量呈先降后升的趨勢，所有添加Mn 處理的Fe 含量均比CK 低；濃度為200 mg/kg 時最低（0.09 g/kg），顯著低于CK處理（P＜0.05）（圖5）。隨Mn濃度升高，Cu含量呈先升后降的趨勢，濃度為600 mg/kg 時最高（0.04 g/kg），顯著高于其他處理（P＜0.05）。隨Mn濃度升高，Zn 含量呈上升趨勢，濃度為1 500 mg/kg時最高（0.05 g/kg），為CK 的1.75 倍，顯著高于CK 和200 mg/kg處理（P＜0.05）。

圖5 Mn脅迫對Fe、Cu和Zn含量的影響Fig.5 Effects of Mn stress on contents of Fe,Cu and Zn

2.3 Mn 脅迫下紅錐幼苗光合特性和礦質(zhì)元素含量相關(guān)性分析

2.3.1 Mn脅迫下紅錐幼苗光合特性的相關(guān)性

紅錐幼苗葉片的光合指標(biāo)中，Pn與Fv/Fm、Chl a、Chl b、Chl a + b 和Car 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；Tr與Gs和Ci、Gs與Ci、Chl a與Chl b、Chl a+b和Car、Chl b與Chl a+b和Car、Chl a+b與Car均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；Tr與Chl a、Chl b和Chl a+b均呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；Ci與Chl a 、Chl b、Chl a + b和Car均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）（表2）。

表2 光合特性的相關(guān)性Tab.2 Correlations of photosynthetic characteristics

2.3.2 Mn脅迫下紅錐幼苗礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性

紅錐幼苗葉片所含的礦質(zhì)元素中，Mn 與N 和Zn、Ca 與Mg 均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；P 與Zn 和Mn均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）（表3）。

表3 礦質(zhì)元素的相關(guān)性Tab.3 Correlations of mineral elements

2.3.3 Mn 脅迫下紅錐幼苗光合特性與礦質(zhì)元素的相關(guān)性

在紅錐幼苗光合特性與礦質(zhì)元素的相關(guān)性中，Cu 與Pn、Tr和Gs及Mn 與Tr和Gs均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；K 與Fv/Fm和Pn、P 與Ci及Mn 與Ci均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；P 與Chl a、Chl b、Chl a+b 和Car及Mn與Chl a、Chl b、Chl a+b 和Car均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）（表4）。

表4 光合特性與礦質(zhì)元素的相關(guān)性Tab.4 Correlations between photosynthetic characteristics and mineral elements

3 討論與結(jié)論

研究表明，植物吸收過量重金屬會對植物產(chǎn)生毒害，影響其生長和光合作用[13]。葉綠素和類胡蘿卜素是植物進(jìn)行光合作用不可缺少的色素。本試驗中，Mn 濃度為200 和600 mg/kg 時，紅錐幼苗葉片中的葉綠素和類胡蘿卜素含量與CK 處理差異不顯著；Mn 濃度為1 500 和3 000 mg/kg 時，紅錐幼苗葉片中的葉綠素和類胡蘿卜素含量與CK 處理差異顯著；相關(guān)性分析也顯示Mn 濃度與葉綠素和類胡蘿卜素含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，可能是因為過量的Mn抑制Fe和Mg的吸收和活性，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)[14-15]。

Fv/Fm反映植物潛在的光合能力，逆境下植物的Fv/Fm會降低[16]。研究發(fā)現(xiàn)，垂序商陸（Phytolacca americana）和香根草（Chrysopogon zizanioides）在高M(jìn)n脅迫下的Fv/Fm顯著下降[17-18]。本試驗中，紅錐幼苗葉片F(xiàn)v/Fm在Mn 濃度為200、600 和1 500 mg/kg時與CK 處理差異不顯著，在濃度為3 000 mg/kg 時顯著下降，說明高濃度的Mn 會抑制紅錐幼苗的光合能力。

導(dǎo)致光合作用降低的因素包括氣孔限制和非氣孔限制，Ci是判斷光合作用的主要限制因素是氣孔因素還是非氣孔因素的重要指標(biāo)[19]。光合速率的降低如果伴隨著Ci的升高，光合作用的主要限制因素為非氣孔因素；非氣孔限制光合作用主要是指在植物受到脅迫時, 光合作用的代謝受到抑制和損傷[19-20]。本試驗中，隨Mn濃度升高，紅錐幼苗葉片的Pn呈先升后降的趨勢，在濃度為600 mg/kg 時最高；Ci在濃度為1 500 和3 000 mg/kg 時高于CK 處理，說明紅錐幼苗葉片Pn在濃度為1 500 和3 000 mg/kg 時降低可能是非氣孔限制因素導(dǎo)致。相關(guān)性分析顯示，Pn與葉綠素和類胡蘿卜素含量呈顯著正相關(guān)，Pn降低的原因可能是較高濃度的Mn 導(dǎo)致葉綠素和類胡蘿卜素含量的降低[21-22］。

礦質(zhì)元素在植物體內(nèi)的物質(zhì)組成和代謝過程中發(fā)揮著重要作用。Mn 不僅影響植物生長發(fā)育和光合能力，也影響植株對其他礦質(zhì)元素的吸收。本試驗中，隨Mn 濃度升高，紅錐幼苗葉片中的N、P 和Zn 含量均呈上升趨勢，相關(guān)性分析也顯示這3 種元素與Mn 均呈顯著或極顯著正相關(guān)?？赡苁且驗闉楸Ｕ夏婢诚轮仓甑恼ＩL或抗逆的需要，紅錐需吸收更多的大量元素（N 和P）[23］；Zn 與Mn 共用相同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，為減輕Mn 的毒害作用，紅錐加強(qiáng)對Zn的吸收[24]。K 和Cu 含量隨Mn 濃度升高呈先升后降的趨勢，低濃度重金屬能促進(jìn)植物對這兩種元素的吸收，重金屬濃度超過植物耐受濃度時，則會抑制吸收[25]。Mn 脅迫導(dǎo)致葉片中的Fe 含量低于CK 處理，葉片中的Ca、Mg 含量在不同Mn 濃度處理間均差異不顯著。隨Mn 濃度升高，商陸（Phytolacca aci?nosa）葉片中的Fe 含量呈先減少后增加的趨勢，Ca和Mg 含量呈先增加后減少的趨勢[26]。兩者研究結(jié)果的差異可能是因為不同物種基因型不同，其積累元素的能力不同。

在不同濃度Mn 處理下，紅錐幼苗的生理指標(biāo)基本呈現(xiàn)“低促高抑”的變化趨勢，較低濃度（200 和600 mg/kg）對葉綠素含量、類胡蘿卜素含量和Pn有促進(jìn)作用，可提高紅錐的光合能力。隨Mn 濃度升高，葉片中的K 和Cu 含量先升后降，P 和Zn 含量逐漸升高；Mn處理降低葉片中的Fe含量；葉片中的N、Ca 和Mg 含量在各處理間均差異不顯著。說明Mn脅迫下紅錐葉片對不同礦質(zhì)元素的富集能力有差異，元素間協(xié)同作用有利于植物緩解逆境脅迫。在紅錐的生長過程中，可適當(dāng)施加外源濃度為200 ～600 mg/kg的Mn，可提高其光合能力，促進(jìn)其生長。