施N對蜆木苗期鎘脅迫下干物質(zhì)及N、P、K和Cd積累和分配的影響

韋 宇，譚長強，申文輝，彭 健，韋長江，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.廣西大學(xué)林學(xué)院 廣西森林生態(tài)與保育重點實驗室，廣西南寧530004；4.廣西大學(xué)林學(xué)院 中南速生材繁育國家林業(yè)和草原局重點實驗室，廣西南寧530004；5.廣西大學(xué)林學(xué)院 廣西高等學(xué)校林業(yè)科學(xué)與工程重點實驗室，廣西南寧530004；6.廣西大學(xué)林學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室，廣西南寧530004；7.廣西壯族自治區(qū)國有三門江林場，廣西柳州545006）

人類工業(yè)化活動及城市化發(fā)展產(chǎn)生各種重金屬污染物。鎘（Cd）可長期滯留在土壤中，易積累且難降解[1]。Cd具有生物毒性，容易被植物吸收，影響植物正常生長[2]。Cd通過抑制光合作用，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生活性氧，影響酶的活性及植物體內(nèi)碳氧平衡，抑制植物的生長代謝[3-4]。Cd會破壞植物線粒體結(jié)構(gòu)，增加氣孔抗性；高濃度Cd會破壞線粒體膜結(jié)構(gòu)，影響ATP合成酶的活性，抑制植物的呼吸作用[5]。氮（N）是植物生長所需的重要營養(yǎng)元素，適當(dāng)施加N肥可提高植物生物量，增加植物對土壤中Cd等重金屬的耐受性，緩解Cd、鉛（Pb）和銅（Cu）等重金屬對植物的毒害；N還能與重金屬進行交互作用，產(chǎn)生脯氨酸、植物螯合肽和金屬蛋白等對Cd等重金屬進行防御，通過相應(yīng)的蛋白基因表達產(chǎn)生對Cd等重金屬的抗性[6-8]。

蜆木（Excentrodendron hsienmu）又稱火木，屬椴樹科（Tiliaceae）常綠大喬木，國家二級保護植物。蜆木自然分布于廣西和云南部分海拔700～900 m的熱帶石灰?guī)r山地季雨林，可生長在偏酸性的黃土壤中，其生長量可達到天然林上層木的平均水平[10]。因過分砍伐，蜆木已被列為瀕危樹種。目前，有關(guān)蜆木的研究主要集中在光合、生理生化方面[11-12]，有關(guān)Cd脅迫及施N對蜆木影響卻鮮見報道。本研究以蜆木為材料，設(shè)置不同深度Cd、N處理，采用移植盆栽法，探究Cd脅迫對蜆木苗期生長及營養(yǎng)元素含量與分配的影響，及施N對蜆木對Cd脅迫的緩解效果，為豐富蜆木抗逆性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院苗圃，屬濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水天數(shù)160天，具有明顯的干濕季節(jié)，年均降水量1 650 mm，主要集中在5—9月[13]。供試土壤為苗圃內(nèi)20～30 cm深的紅黃壤（表1）。

表1 土壤主要化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Main chemical properties of soils

1.2 試驗設(shè)計

蜆木苗木為半年齡扦插營養(yǎng)袋苗。設(shè)置5個處理 分 別 為0 mg/kg Cd2+(對 照，CK)、30 mg/kg Cd2+（S1）、60 mg/kg Cd2+（S2）、30 mg/kg Cd2++0.4 g/kg CO（NH2）（2S1N1）和30 mg/kg Cd2++0.8 g/kg CO（NH2）2（S1N2），每處理20個重復(fù)；土壤N肥和Cd2+供試試劑分別為尿素（CO（NH2）2）和CdCl2·2.5H2O。將土壤風(fēng)干、粉碎及過篩，備用。Cd2+以CdCl2·2.5H2O（分析純）水溶液的形式一次性加入土壤，混合均勻，在遮雨棚下均衡一周。2021年2月20日，將健壯植株（生物量大致一致，苗高、地徑分別為（30.50±0.10）cm和（30.50±0.10）mm）移栽至直徑為28 cm、高28 cm的塑料盆中，每盆裝土10 kg，每盆栽植1株，在盆下放置塑料托盤；澆水后，將盤內(nèi)滲出水分倒回盆中，避免Cd流失。按照常規(guī)方法進行松土和除草。培養(yǎng)90天后（5月20日）每處理隨機選取3株，將根、莖和葉分別烘干、稱重，分別粉碎裝自封袋，保存。

1.3 指標(biāo)測定

采用凱氏定N法測定全N含量，采用釩鉬黃比色法測定全P含量，采用火焰光度法測定全K含量[14]。植物體內(nèi)Cd含量的測定參照黃耿磊等[15]測定方法。

1.4 指標(biāo)分析

根據(jù)試驗始末蜆木各器官生物量計算不同濃度Cd、N處理下植株生物量；根據(jù)試驗期間各器官生物量與N、P、K和Cd含量，計算各元素積累與分配特征，以及N/P、P/K值和總的N、P和K利用率[16]。

Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）主要用來評價植物從根部轉(zhuǎn)移重金屬至地上部分的能力，計算公式為[17]：

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用WPS 11.1.0及SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析，采用Duncan新復(fù)極差法進行多重比較，采用Origin軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd、N處理對蜆木苗期根、莖、葉干重和分配的影響

隨Cd濃度增加，莖、葉和總干重均減少，根干重先減后增，S1處理的根干重、S1和S2處理的莖、葉和總干重均顯著低于CK（P＜0.05）（表2）。在S1處理中加入N，隨N濃度增加，根干重先增后減，莖、葉和總干重均增加，S1N2處理的葉干重、S1N1和S1N2處理的總干重均顯著高于S1處理（P＜0.05）。

隨Cd濃度增加，根、莖干重分配比例均增加，葉和莖葉干重分配比例均減少，S1和S2處理的根、莖干重分配比例均顯著高于CK（P＜0.05），S1和S2處理的葉和莖葉干重分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）（表2）。在S1處理中加入N，隨N濃度增加，根干重分配比例先增后減，莖干重分配比例增加，葉和莖葉干重分配比例均先減后增。

隨Cd濃度增加，根冠比升高，S1和S2處理的根冠比均顯著高于CK（P＜0.05）。在S1處理中加入N，隨N濃度增加，根冠比先升后降（表2）。

2.2 不同Cd、N處理對蜆木N、P、K含量、積累與分配的影響

隨Cd濃度增加，根和葉N含量均先減后增，莖N含量先增后減，S1處理的根N含量、S1和S2處理的葉N含量均顯著低于CK（P＜0.05）；根、莖和葉P含量均先減后增，S1和S2處理的根、莖和葉P含量均顯著低于CK（P＜0.05）；根K含量減少，莖和葉K含量均先減后增，S1和S2處理的根K含量、S1處理的莖和葉K含量均顯著低于CK（P＜0.05）。在S1處理中添加N，隨N濃度增加，根和葉N含量增加，莖N含量先增后減，S1N1和S1N2處理的根和葉N含量、S1N1處理的莖N含量均顯著高于S1處理（P＜0.05）；根和莖P含量均先減后增，葉P含量先增后減，S1N1處理的根和莖P含量均顯著低于S1處理（P＜0.05）；根、莖和葉K含量均增加，S1N2處理的莖K含量、S1N1和S1N2處理的葉K含量均顯著高于S1處理（P＜0.05）（表3）。

隨Cd濃度增加，根N積累量先減后增，莖、葉和總N積累量均減少，S1處理的根N積累量、S1和S2處理的葉和總N積累量、S2處理的莖N積累量均顯著低于CK（P＜0.05）；根、莖P積累量均先減后增，葉和總P積累量均減少，S1和S2處理的根、莖、葉和總P積累量均顯著低于CK（P＜0.05）；根、葉和總K積累量均先減后增，莖K積累量減少，S1和S2處理的根、莖、葉和總K積累量均顯著低于CK（P＜0.05）（表3）。S1處理中添加N，隨N濃度增加，根、葉和總的N積累量均增加，莖N積累量先增后減，S1N1和S1N2處理的根、葉和總N積累量、S1N1處理的莖N積累量均顯著高于S1處理（P＜0.05）；根、莖和總P積累量均先減后增，葉P積累量先增后減，S1N1處理的根和總P積累量均顯著低于S1處理（P＜0.05）；根K積累量先增后減，莖、葉和總K積累量均增加，S1N1和S1N2處理的葉K積累量、S1N2處理的莖和總K積累量均顯著高于S1處理（P＜0.05）。

隨Cd濃度增加，根N分配比例升高，莖N分配比例先升后降，葉和莖葉分配比例降低，S2處理的根N分配比例、S1和S2處理的莖N分配比例均顯著高于CK（P＜0.05），S1和S2處理的葉N分配比例、S2處理的莖葉N分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）；根P分配比例升高，莖P分配比例先降后升，葉和莖葉P分配比例降低，S1和S2處理的根P分配比例顯著高于CK（P＜0.05），S2處理的葉P分配比例、S1和S2處理的莖葉P分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）；根K分配比例升高，莖K分配比例先升后降，葉K分配比例先降后升，莖葉K分配比例降低，S1和S2處理的根和莖K分配比例均顯著高于CK（P＜0.05），葉和莖葉K分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）。S1處理中添加N，隨N濃度增加，根N分配比例先升后降，莖N分配比例降低，葉N分配比例升高，莖葉N分配比例先降后升，S1N1和S1N2處理的莖N分配比例均顯著低于S1處理（P＜0.05），S1N2處理的葉N分配比例顯著高于S1處理（P＜0.05）；根、莖P分配比例先降后升，葉和莖葉的P分配比例先升后降；根和莖K分配比例降低，葉和莖葉K分配比例升高，S1N2處理的根K分配比例顯著低于S1處理（P＜0.05），S1N1和S1N2處理的葉K分配比例、S1N2處理的莖葉K分配比例均顯著高于S1處理（P＜0.05）。

2.3 不同Cd、N處理對蜆木N、P、K化學(xué)計量比的影響

隨Cd濃度增加，根的N/P值升高，莖、葉和總N/P值均先升后降，S1處理的莖N/P值、S1和S2處理的總N/P值均顯著高于CK（P＜0.05）（圖1a）；根的P/K值升高，總P/K值降低，莖和葉P/K值均先升后降，S2處理的根P/K值、S1處理的葉P/K值均顯著高于CK（P＜0.05），S1和S2處理的莖P/K值、S2處理的葉P/K值均顯著低于CK（P＜0.05）（圖1b）。

圖1 不同Cd、N處理對蜆木N/P和P/K的影響Fig.1 Effects of Cd,N treatments on N/P and P/K of E.hsienmu

S1處理中添加N后，隨N濃度增加，葉和總N/P值升高，根和莖N/P值先升后降，S1N1和S1N2處理的根、葉和總N/P值、S1N1處理的莖N/P值均顯著高于S1處理（P＜0.05）；葉和總P/K值均降低，根和莖P/K值均先降后升，S1N1處理的根P/K值、S1N1和S1N2處理的莖、葉和總P/K值均顯著低于S1處理（P＜0.05）。

2.4 不同Cd、N處理對蜆木Cd含量、積累與分配的影響

隨Cd濃度增加，根、莖和葉Cd含量、積累量和總積累量均增加，S1和S2處理的根、莖和葉Cd含量、積累量和總積累量均顯著高于CK（P＜0.05）；根Cd分配比例升高，莖、葉和莖葉Cd分配比例均降低，S1和S2處理的根Cd分配比例均顯著高于CK（P＜0.05），S1和S2處理的莖、葉和莖葉Cd分配比例均顯著低于CK（P＜0.05）（表4）。

在S1處理中添加N，隨N濃度增加，莖、葉Cd含量均減少，根Cd含量先減后增；S1N1和S2N2處理的莖Cd含量均顯著低于S1處理（P＜0.05）（表4）。隨N濃度增加，根、葉和總Cd積累量均先減后增，莖Cd積累量減少；S1N1和S1N2處理的莖積累量、S1N1處理的總Cd積累量均顯著低于S1處理（P＜0.05）。隨N濃度增加，根Cd分配比例升高，莖和莖葉Cd分配比例降低，葉Cd分配比例先升后降；S1N1和S1N2處理的根Cd分配比例均顯著高于S1處理（P＜0.05），S1N1和S1N2處理的莖和莖葉Cd分配比例均顯著低于S1處理（P＜0.05）。

表4 不同Cd、N處理對蜆木Cd含量、積累量及分配比例的影響Tab.4 Effects of Cd and N treatments on Cd content,accumulation and distribution ratio of E.hsienmu

2.5 不同Cd、N處理對蜆木Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）和生物富集系數(shù)（BCF）的影響

隨Cd濃度增加，N和K利用率均升高，P利用率先升后降；S1和S2處理的N、P和K利用率均顯著高于CK（P＜0.05）；Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)、根和莖葉Cd富集系數(shù)均降低，S1和S2處理的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)、根和莖葉Cd富集系數(shù)均顯著低于CK（P＜0.05）（表5）。S1處理中添加N，隨N濃度增加，N、K利用率均降低，P利用率先升后降，S1N1處理的P利用率顯著高于S1處理（P＜0.05），S1N1和S1N2處理的N、K利用率均顯著低于S1處理（P＜0.05）；Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)降低，根Cd富集系數(shù)先降后升，莖葉Cd富集系數(shù)降低，S1N1和S1N2處理的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)、莖葉Cd富集系數(shù)，S1N1處理的根Cd富集系數(shù)均顯著低于S1處理（P＜0.05），S1N2處理的根Cd富集系數(shù)顯著高于S1處理（P＜0.05）。

表5 不同Cd、N處理對蜆木N、P和K利用率及Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)的影響Tab.5 Effects of Cd and N treatments on N,P and K use efficiencies and TF,BCF of Cd of E.hsienmu

3 討論與結(jié)論

3.1 Cd脅迫對蜆木的影響

植物的生長過程中，污染土壤中的Cd容易被植物吸收，并被轉(zhuǎn)運至地上部分，破壞植物細胞組織，影響植物正常的生長發(fā)育[18]。干物質(zhì)積累的變化最先反映植物對Cd等重金屬脅迫的響應(yīng)程度[19-20]。本研究表明，Cd脅迫對蜆木總干重有抑制作用；隨Cd濃度增加，抑制作用增強，這與前人研究結(jié)論一致[21]。其中，莖、葉和總干重均隨Cd濃度增加而降低，根干重在60 mg/kg Cd濃度下稍微上升，這是因為根系是植物吸收水分和礦物元素的關(guān)鍵部分，是感受環(huán)境變化最敏感和調(diào)節(jié)能力最強的器官[22]，蜆木通過增加根系干重可緩解Cd對植物產(chǎn)生的毒害。

Tab.2 Effects of Cd表 an2d N不 tre同atCmde、ntsN o處n d理ry對 m蜆att木er干 we重ig及ht分s a配nd比 di例str的ib影uti響on ratios of E.hsienmu

Tab.3 Effects of C表d a3n d不 N 同treCatdm、enNts處 on理 N對,P蜆 a木nd NK、 coPn和tenKts含,a量ccu、m積ul累ati量on及s a分nd配 d比ist例rib的ut影ion響 ratios of E.hsienmu

N、P和K是植物生長所需的重要營養(yǎng)元素，它們在植物中的積累量和分配情況可反映植物生長狀況和對環(huán)境變化的響應(yīng)情況。在受脅迫環(huán)境中，植物通過改變營養(yǎng)元素的分配和利用方式，應(yīng)對資源的限制[23]。本研究中，隨Cd濃度增加，根、莖和葉的N、P及根、莖的K含量均有不同程度的減少，葉K含量先減后增，說明低濃度Cd脅迫抑制蜆木對營養(yǎng)元素的吸收。植物的N/P和P/K是研究植物受限元素的主要指標(biāo)，反映植物的生長策略和適應(yīng)特征。Güsewell[24]研究表明，植物葉片N/P值可作為衡量環(huán)境對植物養(yǎng)分狀況限制的指標(biāo)，陸地植物N/P值小于10時，植物受N限制；N/P值大于20時，受P限制。Willem等[25]對濕地植物的研究表明，N/P值小于14時，植物受N限制；N/P值大于16時，受P限制。在不同環(huán)境尺度下，N/P值表征植物受N、P限制的閾值存在不確定性[26]。也有研究表明，相比臨界值14和16，臨界值為10和20更具可靠性[27]。本研究中，隨Cd濃度增加，根的N/P值逐漸上升，莖、葉和總N/P值均先升后降，蜆木根、莖和總N/P值均小于10，說明蜆木苗主要受N的限制；在Cd脅迫下N、P和K的利用率均增加，說明蜆木通過提高N、P和K的利用率來適應(yīng)Cd脅迫的環(huán)境。

根系是植物富集重金屬的重要場所，根系富集系數(shù)能反映植物對重金屬的富集能力[28]。本研究中，隨Cd濃度增加，蜆木根和莖葉Cd富集系數(shù)均降低；Cd脅迫下，根Cd富集系數(shù)高于莖葉，說明蜆木地下部分富集能力高于地上部分。Cd脅迫后，根Cd含量和積累量增加，增加程度大于莖和葉，說明蜆木吸收Cd后，大部分被截留在根系，這與前人研究的結(jié)果一致[29-30]。植物還可以將重金屬轉(zhuǎn)移，適應(yīng)脅迫環(huán)境。重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)是指地上部分重金屬含量與根系部分重金屬含量之比，可用于表現(xiàn)植株向地上部分轉(zhuǎn)運重金屬的能力，其值越大，該重金屬在植物中的遷移能力越強[31]。陳迪等[32]研究可知，3種Cd濃度下，粗毛牛膝菊（Galinsoga quadriradiata）轉(zhuǎn)移系數(shù)較高，分別為0.93、0.73和1.04，為Cd高富集植物。本研究中，CK處理的蜆木Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.395；隨Cd濃度增加，Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)降低；2種Cd濃度下，Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.528、0.369，低于粗毛牛膝菊受Cd脅迫時的轉(zhuǎn)移系數(shù)，但比山茶（Camellia japonica）、繡線菊（Spiraea salicifolia）和桑樹（Morus alba）3個樹種的轉(zhuǎn)移系數(shù)高（0.35～0.50）[17]；2種Cd濃度下，蜆木根的富集系數(shù)分別為14.22、11.95，莖葉的富集系數(shù)分別為7.62、7.41，均比4種樹種（山礬（Symplocos caudata）、山茶、繡線菊和桑樹）的富集系數(shù)高（4個樹種生物富集系數(shù)總的變化范圍為0.46～7.01）[17]，說明蜆木富集轉(zhuǎn)移Cd的能力低于草本植物，高于山礬、山茶、繡線菊和桑樹4種木本樹種。

3.2 Cd脅迫下施N對蜆木的影響

植物受Cd脅迫影響下，施N有利于保護植物葉綠體等光合器官的結(jié)構(gòu)和細胞組織，使葉綠素合成途徑穩(wěn)定，恢復(fù)植物葉綠體的光合速率、電子傳遞速率及PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，緩解Cd對植物的危害[33-34]。劉新亮等[35]研究表明，不同施N處理顯著提高Cd脅迫下龍葵（Solanum nigrum）根系、地上部分和單株的生物量，顯著促進Cd脅迫下龍葵株高和冠幅生長，能有效減輕Cd對龍葵光合作用的抑制。本研究中，在30 mg/kg Cd濃度下，施N提高蜆木根、莖和葉N、K含量和積累量及總積累量；隨施N濃度增加，葉N分配比例、葉和莖葉K分配比例均上升，說明Cd脅迫下，施N能促進蜆木對N、K元素的吸收和積累。低N（0.4 g/kg）濃度下，根P含量和積累量顯著降低，葉P含量和積累量增加，說明低N有利于葉片P積累；高N濃度（0.8 g/kg）下，葉P積累量與30 mg/kg Cd濃度相同，這可能是因為植物中P能通過衰老葉片的內(nèi)轉(zhuǎn)移機制，能夠維持在比較穩(wěn)定的水平[25]。在30 mg/kg Cd濃度下施N后，蜆木根和莖N/P值及P利用率均先升后降，葉和總的N/P值均升高，P/K值、N和K利用率均降低，說明在Cd脅迫環(huán)境下施N，能有效緩解Cd對蜆木吸收N、K元素的限制，增加對P吸收的限制，該結(jié)果與譚長強等[36]研究結(jié)果相一致。

畢景文等[37]認(rèn)為植株干物質(zhì)積累的增加對Cd有稀釋效應(yīng)，降低植株體內(nèi)Cd的生理濃度，增強植物的耐Cd能力，施加N有利于植物生長和干物質(zhì)累積。李艷梅等[38]研究結(jié)果表明，施N在促進植物生長的同時，也能促進植物對Cd的吸收和積累。施N還能通過改變土壤pH，影響Cd在土壤中的有效性，影響植物對Cd的吸收[39]。本研究中，在30 mg/kg Cd濃度下施加N，隨N濃度增加，蜆木莖、葉及總干重均增加，根干重先增后減。低N可提高根干重分配比例與根冠比，高N可提高莖、葉的干重分配比例。隨N濃度增加，莖、葉Cd含量降低，根Cd含量先減后增。施N還可以影響植物的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)和Cd在各器官中的分配比例[40]。本研究中，施N處理后，蜆木的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)下降；隨施N濃度增加，地上部分富集系數(shù)逐漸降低，Cd在地上部分的分配比例逐漸降低，地下部分富集系數(shù)先降后升，Cd在根的分配比例逐漸升高。

綜上所述，Cd脅迫影響蜆木干物質(zhì)及N、P、K、Cd積累和分配規(guī)律，抑制蜆木的生長；施N對Cd脅迫具有明顯的緩解效果，有效促進蜆木干物質(zhì)及N、P、K和Cd的積累，改變蜆木各器官對Cd的富集能力，增加地下部分的分配比例，減少地上部分的分配比例。本研究表明，蜆木具有較強的對Cd的富集轉(zhuǎn)移能力，該樹種在Cd污染區(qū)域有較高的種植潛力。施N處理可以促進蜆木將更多的Cd富集在根系同時減少Cd在葉片的富集，這是施N處理促進蜆木耐Cd性提升的主要機理。