劉樂(lè)平,范 玟,張宇恒,張秀娟
(1.荊門(mén)市彭場(chǎng)林場(chǎng),湖北 荊門(mén) 448269;2.長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院,湖北 荊州 434025;3.荊門(mén)市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 荊門(mén) 448000)
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展,大量重金屬進(jìn)入土壤,造成土壤污染日趨嚴(yán)重[1,2]。植物修復(fù)技術(shù)已成為重金屬修復(fù)類(lèi)的研究熱點(diǎn)[3],草坪草對(duì)鎘具有很強(qiáng)的吸收效率、高度的耐受能力和優(yōu)良的遺傳性狀,對(duì)修復(fù)被鎘污染的土壤具有很大的優(yōu)勢(shì)[4]。高羊茅(Festuca arundinacea)和黑麥草(Lolium perenne)是華中地區(qū)廣泛應(yīng)用的多年生冷季型草坪草[5,6],具有重要農(nóng)學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益的栽培牧草和綠肥作物[7-9]。因此,本試驗(yàn)以高羊茅和黑麥草為試驗(yàn)材料,研究不同濃度下鎘脅迫對(duì)高羊茅和黑麥草的光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響,以期為利用草坪草修復(fù)被鎘污染的土壤提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)的植株培養(yǎng)溫度控制在20~25 ℃,光照周期以12 h 光照/12 h 黑暗交替進(jìn)行,相對(duì)濕度為50%~60%。取適量2 種植物種子播種在裝有未受重金屬污染土壤的花盆中(直徑15 cm,高11 cm),將Cd2+設(shè)置4 個(gè)處理濃度,分別是0(對(duì)照)、500、1 000、2 000 mg/kg,每個(gè)處理6 個(gè)重復(fù),把不同濃度的鎘粉與基質(zhì)混合均勻,整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)60 d,2 d 澆1次水,每次澆水標(biāo)準(zhǔn)以達(dá)到田間持水量的75%~85%為準(zhǔn),澆水時(shí),確?;ㄅ璧撞康耐斜P(pán)中無(wú)Cd2+溶液滲漏。分別在60 d 后測(cè)定其各項(xiàng)光合指標(biāo)。
1.2.1 光合作用參數(shù)的測(cè)定 每個(gè)處理隨機(jī)取3 株植株,采用LI-6400XT型植物光合測(cè)定儀檢測(cè)CO2濃度、葉片溫度、光合有效輻射等因素,測(cè)定植株葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、細(xì)胞間CO2濃度(Ci)及氣孔導(dǎo)度(Gs),并計(jì)算水分利用率(WUE=Pn/Tr)。
1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 每個(gè)處理隨機(jī)選取5株植株,用葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)和電子傳遞速率(ETR)。由測(cè)定的軟件控制并進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算,最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)通過(guò)算式Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm計(jì)算得出。
采用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,繪制圖表使用Origin 2019軟件。
由圖1 可知,與對(duì)照相比,高羊茅的Pn隨Cd2+濃度升高而下降。黑麥草的Pn變化則相反;高羊茅的Gs隨隨Cd2+濃度升高而下降,黑麥草的Gs呈先升高后降低趨勢(shì)。與對(duì)照相比,在Cd2+濃度達(dá)1 000 mg/kg 和2 000 mg/kg 時(shí),高羊茅的胞間CO2濃度顯著下降;不同濃度Cd2+對(duì)黑麥草胞間CO2濃度無(wú)顯著影響。除500 mg/kg Cd2+濃度處理黑麥草外,不同濃度Cd2+對(duì)2 種草坪草植株的蒸騰速率均產(chǎn)生抑制作用,Cd2+的濃度越高,對(duì)蒸騰速率的抑制越明顯,相對(duì)于高羊茅的變化,黑麥草的蒸騰速率受到的影響較小。通過(guò)計(jì)算凈光合速率與蒸騰速率的比值可以得到2 種草坪草的水分利用率,高羊茅和黑麥草出現(xiàn)相反的狀態(tài),高羊茅的水分利用率隨Cd2+濃度的升高而升高,黑麥草則隨Cd2+濃度的升高而降低。
圖1 鎘脅迫對(duì)高羊茅和黑麥草葉片光合作用的影響
由圖2A 可知,在不同濃度Cd2+處理中,高羊茅的Fv/Fm隨著Cd2+的濃度升高而逐步下降;當(dāng)Cd2+濃度升至500 mg/kg 時(shí),F(xiàn)v/Fm變化不顯著;當(dāng)Cd2+濃度高達(dá)2 000 mg/kg 時(shí),F(xiàn)v/Fm明顯低于對(duì)照。在Cd2+濃度到達(dá)500~2 000 mg/kg 時(shí),與對(duì)照相比,黑麥草的Fv/Fm顯著上升;當(dāng)Cd2+濃度高達(dá)1 000 mg/kg 時(shí),黑麥草Fv/Fm上升趨勢(shì)較慢。因此,鎘脅迫對(duì)黑麥草Fv/Fm的影響更大。
圖2 Cd2+對(duì)草坪草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
由圖2B、圖2C 可知,不同濃度Cd2+處理下,高羊茅的qP均低于對(duì)照;黑麥草的qP在Cd2+濃度低于1 000 mg/kg 時(shí),隨Cd2+濃度的增加而降低,但變化并不明顯,當(dāng)Cd2+濃度高達(dá)2 000 mg/kg 時(shí),與對(duì)照相比,其qP顯著降低。隨著Cd2+濃度的增加,與對(duì)照相比,高羊茅和黑麥草的NPQ呈先升高后降低的趨勢(shì)。因此,鎘脅迫對(duì)高羊茅的qP及NPQ的影響都比黑麥草大。
由圖2D 可知,不同濃度Cd2+處理下,高羊茅和黑麥草的ETR均比對(duì)照低,并隨Cd2+濃度增大呈逐漸下降趨勢(shì)。與對(duì)照相比,在Cd2+濃度為1 000 mg/kg以?xún)?nèi)高羊茅和黑麥草ETR的下降不顯著,但Cd2+濃度超過(guò)1 000 mg/kg 其ETR均顯著下降,其中高羊茅受到的影響更嚴(yán)重。
葉片是植物進(jìn)行光合、蒸騰作用的主要器官,葉綠體是進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所,氣孔是植物進(jìn)行蒸騰作用的主要通道,其閉合程度直接影響光合作用、蒸騰作用及植物對(duì)水分和無(wú)機(jī)鹽的吸收[10]。研究表明,在鎘脅迫下,高羊茅的蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度均在Cd2+濃度為1 000 mg/kg 時(shí),與對(duì)照相比顯著下降,與孫亞莉等[11]對(duì)水稻葉片的研究結(jié)果一致,水分利用率隨Cd2+濃度的增加而升高。凈光合速率下降的原因有兩種,一種是受氣孔因素引起,具體表現(xiàn)為Pn、Gs和Ci都下降;另一種是非氣孔因素,具體表現(xiàn)為Pn和Gs下降,Ci上升。本試驗(yàn)中,在鎘脅迫下,高羊茅的Pn、Gs和Ci均表現(xiàn)為下降,表明高羊茅葉片光合速率受氣孔因素限制。黑麥草在不同濃度的Cd2+脅迫下,凈光合速率與Cd2+濃度呈正相關(guān),但胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度沒(méi)有顯著變化,表明鎘脅迫對(duì)黑麥草葉片光合特性的影響不大。
葉綠素?zé)晒庵械腇v/Fm是植物PSⅡ反應(yīng)中心捕獲光能激發(fā)能力和效率的重要指標(biāo),能反映植物PSⅡ受傷害的程度[12]。高羊茅在不同濃度Cd2+處理中,最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)不僅低于對(duì)照,并且隨Cd2+濃度的升高而逐步下降,表明隨著鎘脅迫作用加強(qiáng),PSⅡ活性受到了較大的傷害,這與自海云等[13]對(duì)洋常春藤的研究結(jié)果類(lèi)似。黑麥草的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)均高于對(duì)照,但Cd2+濃度為500、1 000、2 000 mg/kg 的處理組間差異不顯著,說(shuō)明鎘脅迫對(duì)黑麥草PSⅡ活性傷害較小,與陳偉等[14]的研究結(jié)論一致。光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)是由光合作用引起的熒光淬滅,qP可在一定程度上代表電子傳遞的活性[15],非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)反映的是PSⅡ天線(xiàn)色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱能的形式耗散掉的光能部分[16],電子傳遞速率(ETR)反映光化學(xué)中用于碳固定的電子傳遞情況[15]。高羊茅和黑麥草的qP和ETR均隨Cd2+的濃度升高而逐步下降;NPQ均隨Cd2+的濃度升高而呈先升后降的趨勢(shì),表明低濃度的Cd2+可以增大NPQ,若Cd2+的濃度過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生抑制作用,這與王菲等[17]對(duì)吊蘭的研究結(jié)果一致。
鎘脅迫對(duì)高羊茅和黑麥草光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)都具有很大的影響,但總體上高羊茅受到的傷害更嚴(yán)重,因此,在修復(fù)被鎘污染的土壤中,可以?xún)?yōu)先選擇耐鎘能力更強(qiáng)的黑麥草。