幾種寒旱區(qū)適生植物的鎳耐性評價

張君霞，何靜，蘇世平，黃海霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

對礦山復(fù)墾、重金屬污染地進行植物修復(fù)，具有成本低、二次污染易掌控，且集綠化、防風(fēng)固土和修復(fù)于一體，能夠達到多效能治理的目的[1-2]。中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陳同斌團隊在國際上首次報道第1種砷超富集植物—蜈蚣草(PterisvittataL.)[3-4]，并成功應(yīng)用于 As污染土壤的原位修復(fù)[5]；美國Viridian環(huán)境公司應(yīng)用十字花科庭薺屬Ni超富集植物Alyssummurale和Alyssumcorsicum，有效地富集了加拿大Ontario污染土壤中的Ni，通過回收植物體內(nèi)的Ni，獲得2 500美元/(hm2/a)的經(jīng)濟收益[6-7]。仇榮亮等[8]對由美國Viridian環(huán)境公司提供A.murale和A.corsicum2種植物及普通作物蘿卜和芥菜的鎳富集能力進行了測定，結(jié)果顯示，土壤類型不同，植物鎳富集能力不同。同時，資料表明：世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Cd、Co、Cu、Ni、Pb、Mn、Zn超富集植物400多種，其中73%為Ni的超富集植物，但它們分布在世界少數(shù)幾個地區(qū)[9]，且我國超富集植物篩選與耐性植物考察研究主要集中在氣候環(huán)境適宜、物種資源豐富的南部礦區(qū)[10-13]，對于西北部干旱荒漠地區(qū)的富集及耐性植物研究較少[14-15]。

因此，本研究針對甘肅金昌鎳礦跡地及周邊污染區(qū)土壤的植物修復(fù)，對比測定當(dāng)?shù)刂饕耘嘧魑锛耙吧参镌阪嚸{迫下的種子萌發(fā)和幼苗生長，篩選鎳耐性植物，以期為寒旱區(qū)鎳污染地的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

化學(xué)分析純NiSO4·6H2O，分子量為262.85。

供試植物種子材料共6科16種，均購自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種子市場。其中十字花科4種，分別為二月蘭(Orychophragmusviolaceus(L.)O.E.Schulz)、香雪球(Lobulariamaritima(Linn.)Desv)、蘿卜(RaphanussativusL)、芥菜(Brassicajuncea(Linnaeus)Czernajew var.gracilis Tsen et Lee)；禾本科4種，分別為小麥(TriticumaestivumL)、玉米(ZeamaysL)、芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin.)Nevski)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.)Beauv)；豆科3種，分別為花棒(HedysarumscopariumFisch.et Mey)、中間錦雞兒(CaraganaintermediaKuang et H.C.Fu)、大豆(Glycinemax(Linn.)Merr)；藜科2種，分別為梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge)、甜菜(BetavulgarisL)；車前科2種，分別為大車前(PlantagomajorL)、小車前(PlantagominutaPall)；錦葵科1種，棉花(Gossypiumspp)。

1.2 試驗方法

通過預(yù)試驗測定，十字花科、禾本科幾種植物及豆科大豆的最高耐受鎳處理濃度較低，其余植物耐受濃度較高。因此，對不同植物設(shè)置了不同鎳處理濃度，十字花科，木本科，豆科植物的處理濃度為0、5、10、20、40、80、160 mg/L，其余植物的處理濃度為0、10、20、50、100、200、400 mg/L。

選取顆粒飽滿、大小均勻、無病蟲害的種子，1%的NaClO溶液消毒15 min，去離子水沖洗3～5次，并用濾紙吸干種子表面水分。90 mm培養(yǎng)皿滅菌烘干，放入兩層濾紙，分別加入5 mL不同濃度NiSO4·6H2O處理液，以加等量去離子水為對照，每處理設(shè)置3～5個重復(fù)，依據(jù)種子大小，每培養(yǎng)皿均勻擺放20～100粒種子，保證每處理至少100粒種子，放入25 ℃、全黑暗人工氣候箱培養(yǎng)。每天按時補充等量不同濃度的原液于培養(yǎng)皿中，以胚芽突破種皮為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，每天觀察記錄種子發(fā)芽數(shù)，計算發(fā)芽率，連續(xù)3 d不再有新發(fā)芽種子時停止試驗，測定胚芽長、胚根長及干鮮質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

考查植物在逆境脅迫下的耐受能力，通常用到的參數(shù)是耐性指數(shù)。耐性指數(shù)(tolerance index)計算方法[16-17]：

耐性指數(shù)=處理組指標(biāo)值/對照組指標(biāo)值

耐性指數(shù)越高表明植物耐受能力就越強，反之越弱。

數(shù)據(jù)采用Excel進行整理并制作圖表；利用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析，采用Duncan法進行多重比較；用Probit進行Logistic線性回歸。

2 結(jié)果與分析

2.1 16種植物種子發(fā)芽對不同濃度Ni2+處理的耐性評價

2.1.1 不同濃度Ni2+處理對16種植物種子發(fā)芽率的影響 不同濃度Ni2+處理對16種植物種子發(fā)芽率普遍呈現(xiàn)低促高抑影響(表1)，且在低濃度處理下(5 mg/L)與對照差異未達到極顯著水平；在濃度為10 mg/L時，蘿卜、玉米與對照差異極顯著，均被抑制，而其余14種種子發(fā)芽率與對照無極顯著差異，且大多被促進；濃度為20 mg/L時，稗草、花棒、中間錦雞兒、梭梭、甜菜、大車前和小車前種子與對照差異未達到極顯著，而香雪球在此濃度下，發(fā)芽率達到最高，與對照差異極顯著；當(dāng)濃度達到100 mg/L及以上時，香雪球、中間錦雞兒、梭梭種子發(fā)芽率與對照差異仍未達到極顯著，其余植物種子發(fā)芽均被顯著抑制；在最高濃度處理下，蘿卜、芥菜、棉花、大車前、小車前與對照的差異顯著度高達5個層級以上，其種子發(fā)芽率不超過15%，但梭梭發(fā)芽率仍高達65.33%。

表1 不同濃度Ni2+處理對供試種子發(fā)芽率的影響

2.1.2 16種植物種子發(fā)芽對不同濃度Ni2+處理的耐性評價 對16種植物在不同濃度Ni2+處理下的種子發(fā)芽率進行回歸分析，并通過擬合Logit方程，得到當(dāng)種子萌發(fā)率為10%、50%、90%和與對照發(fā)芽率平齊時的理論Ni2+濃度，該Ni2+濃度我們可以認為分別表示為10%耐受濃度(GC10)、半耐受濃度(GC50)、耐受濃度(GC90)和對照耐受濃度(GCck)。由此，從表2可知，中間錦雞兒、梭梭、小麥和香雪球在Ni2+濃度高達17 092.85 mg/L時，仍有10%的種子能夠萌發(fā)；甜菜、玉米、花棒的10%耐受濃度高于(GC10)1 000 mg/L，且以上6種植物種子的半耐受濃度(GC50)均高于307.55 mg/L。當(dāng)發(fā)芽率與對照平齊時(GCck)，仍然能夠耐受高濃度鎳脅迫，認為該種植物就具備了鎳耐受植物的基本特性之一，即GCck可作為植物種子萌發(fā)鎳耐受性評價的關(guān)鍵指標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示，中間錦雞兒、香雪球、梭梭的GCck均高于212.43 mg/L，且中間錦雞兒的GCck為1 752.53 mg/L；耐受濃度(GC90)中梭梭表現(xiàn)最突出，即當(dāng)用212.43 mg/L Ni2+處理梭梭，其種子發(fā)芽率仍可高達90%。由此可以得出，中間錦雞兒、香雪球、梭梭及甜菜整體耐性較好，有進一步研究價值。

表2 16種植物種子發(fā)芽對Ni2+處理耐性評價

2.2 4種植物幼苗生長對不同濃度Ni2+處理的耐性評價

2.2.1 不同濃度Ni2+處理對4種植物干鮮質(zhì)量的影響 從圖1-A～D可知，不同濃度Ni2+處理對4種植物的干鮮質(zhì)量影響整體表現(xiàn)為濃度與干鮮質(zhì)量呈負相關(guān)性。根據(jù)擬合的線性方程斜率可知，4種植物干質(zhì)量線性方程的斜率均較鮮質(zhì)量低，從低濃度到高濃度干質(zhì)量下降緩慢，擬合直線相對平緩，說明干質(zhì)量對濃度變化響應(yīng)不敏感；甜菜和香雪球的鮮質(zhì)量隨濃度升高，生物量快速下降，尤其是甜菜各處理間差異極顯著，說明甜菜干鮮質(zhì)量整體對Ni2+濃度變化敏感；而在低濃度(5～10 mg/L)處理下對梭梭鮮質(zhì)量有促進作用，高濃度抑制，但從50～200 mg/L差異不顯著，尤其中間錦雞兒干質(zhì)量在0～50 mg/L和鮮質(zhì)量在100～400 mg/L濃度處理下均表現(xiàn)無極顯著差異，且在400 mg/L濃度處理下，中間錦雞兒干鮮質(zhì)量較對照分別下降了18.02%和25.01%，說明中間錦雞兒鮮質(zhì)量對Ni2+濃度變化不敏感，4種植物中耐性最強。

A：不同濃度Ni2+對中間錦雞兒生物量的影響；B：不同濃度Ni2+對梭梭生物量的影響；C：不同濃度Ni2+對甜菜生物量的影響；D：不同濃度Ni2+對香雪球生物量的影響。圖中字母表示同一指標(biāo)不同濃度的多重比較結(jié)果，小寫字母為P<0.05水平的差異顯著性，大寫字母為P<0.01水平的差異顯著性。

2.2.2 4種植物干鮮質(zhì)量對不同濃度Ni2+處理的耐性評價 以Ni2+處理濃度為橫坐標(biāo)，干鮮質(zhì)量耐性指數(shù)為縱坐標(biāo)，對4種植物在不同濃度Ni2+處理下的耐性指數(shù)進行回歸分析，擬合LOGIT方程得到，當(dāng)耐性指數(shù)為0.1、0.5、0.9時的理論耐受Ni2+濃度，值越大，表明植物干鮮質(zhì)量能夠耐受的Ni2+濃度越高。由表3可知，4種植物中，中間錦雞兒對鎳的耐性更強，其TC50值遠高于其他植物，即當(dāng)耐性指數(shù)為0.5時，中間錦雞兒鮮質(zhì)量和干質(zhì)量能夠耐受的鎳濃度分別高達1 878.47和8 293.63 mg/L；其次為梭梭，其TC50值為515.89 mg/L，鮮質(zhì)量的TC90值為71.90 mg/L；香雪球和甜菜的TC50值不超過100 mg/L，尤其是香雪球值最低，其鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的TC50值為12.63 mg/L和67.30 mg/L，TC90值僅為0.76 mg/L和0.36 mg/L。

表3 4種植物干鮮質(zhì)量對不同濃度Ni2+處理的耐性指數(shù)

2.2.3 不同濃度Ni2+處理對4種植物苗長的影響 由圖2-A～D中可知，4種植物幼苗苗長生長與Ni2+處理濃度呈負相關(guān)性，除了在低濃度對梭梭胚芽長有促進作用外，其余均顯示抑制作用，且對比不同濃度Ni2+處理下每種植物的胚芽長和胚根長的線性斜率，發(fā)現(xiàn)胚芽長的斜率均較低，說明胚芽生長對鎳處理濃度變化響應(yīng)不敏感，即在種子發(fā)芽初試狀態(tài)下，胚根生長更易感受到鎳脅迫，其耐性較胚芽低；中間錦雞兒(圖2-A)胚根長與胚芽長在不同濃度處理間的差異性顯示一致，均為低濃度與對照差異不顯著，中高濃度與對照差異極顯著；梭梭(圖2-B)在10～200 mg/L濃度處理下，胚根長生長無極顯著差異，10～100 mg/L無顯著差異，胚芽生長在50～200 mg/L間無顯著差異，說明梭梭苗長生長對鎳耐性較強；甜菜(圖2-C)胚根生長各處理濃度間差異極顯著，而胚芽生長在0～100 mg/L濃度處理下無極顯著差異，依然說明甜菜幼苗胚芽生長較胚根生長對鎳耐性更強；在不同濃度Ni2+處理下香雪球(圖2-D)胚根與胚芽生長均顯示極顯著差異，濃度為160 mg/L時，幾乎不生長，說明香雪球幼苗對鎳敏感，耐性較差。

A：不同濃度Ni2+對中間錦雞兒苗長的影響；B：不同濃度Ni2+對梭梭苗長的影響；C：不同濃度Ni2+對甜菜苗長的影響；D：不同濃度Ni2+對香雪球苗長的影響。圖中字母表示同一指標(biāo)不同濃度的多重比較結(jié)果，小寫字母為P<0.05水平的差異顯著性，大寫字母為P<0.01水平的差異顯著性。

2.2.4 4種植物苗長對不同濃度Ni2+處理的耐性評價 通過對4種植物苗長耐性指數(shù)的回歸分析，可知，在耐性指數(shù)為0.1時，2種木本植物的胚根較胚芽生長耐受鎳濃度高，而2種草本植物則相反；在耐性指數(shù)高于0.5后，4種植物胚芽生長均較胚根生長耐受鎳濃度高，說明木本植物胚根對鎳更敏感；梭梭在耐性指數(shù)為0.1時，胚芽長和胚根長生長的理論耐受鎳濃度(TC10)高達1 570.93 mg/L以上，在耐性指數(shù)為0.5(TC50)時，胚芽生長理論耐受鎳濃度仍超101.78 mg/L，其次為中間錦雞兒，其幼苗苗長生長TC10超過504.85 mg/L；香雪球的理論耐受鎳濃度最高值為41.06 mg/L。

表4 4種植物苗長對不同濃度Ni2+處理的耐性指數(shù)

3 討論

在植物修復(fù)研究中，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的重金屬超累積植物或耐性植物多數(shù)為草本，但木本植物較草本植物根系發(fā)達，修復(fù)期不用反復(fù)種收，不易進入食物鏈，且若種子萌發(fā)的耐鎳性強，一旦定植其自然擴繁較容易。施翔等[18]通過盆栽試驗證明紫穗槐可作為修復(fù)鉛鋅礦區(qū)污染土壤的潛力樹種；張富運等[19]將8種木本植物種植于鉛鋅礦渣中證明光皮樹、黧蒴栲、楠木、杜鵑可用于鉛鋅污染土壤的修復(fù)。同時，在西北干旱荒漠地帶的重金屬污染土壤的植物修復(fù)中，木本植物具有集修復(fù)、綠化、防風(fēng)固沙和保持水土等多方面實際意義。因此，在選擇供試材料時有意選擇了幾種多年生耐寒耐旱木本植物。結(jié)果顯示，3種木本植物(花棒、中間錦雞兒、梭梭)中有2種(中間錦雞兒、梭梭)整體發(fā)芽耐性要比其他草本植物高，且依據(jù)GCck排序，中間錦雞兒耐性最強，高居16種植物榜首、梭梭居于第三，花棒為第五。

由于木本植物凋落物二次污染、栽植密度低及在西北寒旱區(qū)的種植成本高等問題，其植物修復(fù)應(yīng)用還有一定局限性，但如果能將耐性草本與木本植物混合配植，進行聯(lián)合修復(fù)，既能通過收獲草本植物減少木本植物凋落物二次污染，又能在空間維度上達到深層次、廣范圍的立體修復(fù)。本研究中中間錦雞兒、梭梭整體耐性強，其次為甜菜，因此，甜菜與中間錦雞兒和梭梭混合種植可能將是研究區(qū)鎳污染土壤修復(fù)的方式之一。

綜合比較各測定指標(biāo)TC50值，可以發(fā)現(xiàn)植物種子發(fā)芽對鎳的耐性更強，其次為幼苗干質(zhì)量，再次是幼苗鮮質(zhì)量，然后是胚芽長，最后是胚根長。分析其原因可能為：在植物萌發(fā)初期，胚乳本身儲存營養(yǎng)可以消解部分重金屬離子對發(fā)芽的抑制，而胚根是植物的吸收器官，直接接觸重金屬離子，并在相對短時間內(nèi)將重金屬積累在根系，因此表現(xiàn)為發(fā)芽率耐受重金屬脅迫，而胚根長最敏感，易受毒害。許多研究也得出相似研究結(jié)論，戴敏[15]在重金屬鎳脅迫對3種耐旱植物種子萌發(fā)及幼苗生理特性影響的研究中發(fā)現(xiàn)，木藤蓼、苦豆子在響應(yīng)鎳脅迫時，胚根比胚芽更敏感；王寶媛等[17]在研究20個高羊茅品種鎘耐性評價及富集特征時，得出植物根長對Cd2+脅迫的敏感度明顯高于株高；魯艷等[20]研究發(fā)現(xiàn)鎳脅迫對供試植物對發(fā)芽率影響最小，對根長抑制作用最強。

在西北干旱荒漠地帶的重金屬污染區(qū)，由于本身氣候特點再加重金屬累積毒性，植被恢復(fù)困難，沙漠化進程加劇，且重金屬隨風(fēng)沙遷移飄散，造成二次污染[21-22]，因此，對現(xiàn)狀下的重金屬污染修復(fù)或原位固定就顯得極為迫切。本研究通過對比16種植物的發(fā)芽率耐性，篩選出了4種植物，并對該4種植物幼苗生長的鎳耐性評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中間錦雞兒、梭梭整體耐性更強，其次為甜菜，而香雪球相對敏感，耐性最弱。魯艷等[20]也發(fā)現(xiàn)了梭梭的耐鎳脅迫能力較強，與本研究結(jié)果一致。因此，中間錦雞兒和梭梭在作為寒旱區(qū)鎳污染地生態(tài)修復(fù)的植物中有極大優(yōu)勢，但其耐性機制及是否具有鎳超累積性還有待進一步研究。

4 結(jié)論

依據(jù)GCck對16種供試植物發(fā)芽率耐鎳脅迫能力進行排序：中間錦雞兒>香雪球>梭梭>甜菜，其GCck值接近100 mg/L，可作為具有進一步研究價值的第一梯隊耐鎳植物；第二梯隊中按GCck大于50 mg/L排序，分別為花棒>小車前>玉米>大車前，而其他植物發(fā)芽對鎳濃度變化敏感，耐鎳能力較弱。

對第一梯隊4種植物幼苗生長的鎳耐性評價結(jié)果顯示，中間錦雞兒、梭梭整體耐性強，其次為甜菜，而香雪球相對敏感，耐性較弱。因此，結(jié)合研究區(qū)整體狀況，認為中間錦雞兒、梭梭、甜菜可以作為寒旱區(qū)鎳污染地生態(tài)修復(fù)的優(yōu)選植物。