利用光譜反射技術(shù)監(jiān)測鎘對榆樹葉片光合機構(gòu)的影響

柳潔 薛忠財 王欣然 代海龍

摘要? ［目的］拓展光譜反射技術(shù)在監(jiān)測和評價土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染程度和植物生長狀況的應用，進一步明確其生理生化機理。［方法］采用盆栽試驗，研究不同鎘濃度處理條件下榆樹葉片的快速葉綠素熒光、反射光譜和鎘離子含量的變化，以光合機構(gòu)的變化作為衡量生理變化的指標，探討利用光譜反射技術(shù)監(jiān)測鎘對榆樹葉片光合機構(gòu)的影響。［結(jié)果］榆樹對鎘具有一定的抗性，在鎘處理條件下榆樹不同部位的鎘含量呈現(xiàn)出根＞莖＞葉的分布規(guī)律，但是當過量的鎘進入葉片后，榆樹葉片的快速葉綠素熒光誘導曲線形狀發(fā)生明顯變化，光合電子傳遞受到抑制，并對光合機構(gòu)造成傷害，主要熒光參數(shù)φPo、ψEo、REo/RC、PIabs、PItotal隨著鎘處理濃度的增加不斷降低，VJ、VI、Mo、ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC則顯著增加。榆樹葉片在可見光波段（500～680 nm）的反射率隨著土壤中鎘濃度的增加而升高，在近紅外區(qū)（740～1 000 nm）的反射率則呈先降低再升高的趨勢。通過分析鎘處理條件下榆樹葉片典型植被指數(shù)與熒光參數(shù)的關(guān)系表明，PRI、mSR705 和mND705可以準確、快速地反映鎘脅迫后榆樹葉片光合機構(gòu)變化指標。［結(jié)論］光譜反射技術(shù)可以用于監(jiān)測鎘對榆樹葉片光合機構(gòu)的影響，也為后續(xù)開展衛(wèi)星影像大面積分析提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞? 榆樹；植物修復；鎘；光合機構(gòu)；光譜分析

中圖分類號? S771.8? 文獻標識碼? A? 文章編號? 0517-6611（2024）01-0110-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.023

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Monitoring the Effect of Cadmium on the Photosynthetic Apparatus of Ulmus pumila Leaves by Spectral Reflection Technology

LIU Jie1，XUE Zhong-cai2，3，WANG Xin-ran4 et al

（1.College of Teacher Education，Hebei Normal University for Nationalities，Chengde，Hebei 067000;2.College of Resources and Environmental Sciences，Hebei Normal University for Nationalities，Chengde，Hebei 067000;3.Innovative Research Center for Soil and Characteristic Plant Nutrition in Mountainous Areas of Northern Hebei，Chengde，Hebei 067000;4.Chengde Kaidi Testing Technology Service Co.，Ltd.，Chengde，Hebei 067000）

Abstract? ［Objective］To expand the application of spectral reflection technology in monitoring and evaluating the degree of heavy metal pollution and plant growth status in soil-plant systems，and further clarify the physiological and biochemical mechanism.［Method］We investigated the changes of fast chlorophyll fluorescence，spectral reflection and cadmium concentration in Ulmus pumila leaves under different cadmium concentration treatment conditions in this study.Then，the effects of cadmium on the photosynthetic apparatus of Ulmus pumila leaves were monitored by spectral reflection technology.［Result］The results showed that the cadmium concentration in different parts of Ulmus pumila shows as “root > stem > leaves” under cadmium treatment，indicating that it has certain resistance to cadmium stress.However，the shape of chlorophyll fluorescence induction curve of Ulmus pumila leaves was changed significantly when excess cadmium enters the leaves，which indicated that the photosynthetic electron transport was inhibited by cadmium.The fluorescence parameters of φPo，ψEo，REo/RC，PIabs，PItotal are decreasing with the increase of cadmium concentration in the soil，while the VJ，VI ，Mo，ABS/RC，TRo/RC，DIo/RC increased significantly.Meanwhile，the spectral reflection of Ulmus pumila leaves in the visible light band （500-680 nm） increases with the increase of cadmium concentration in the soil，and the spectral reflection in the near-infrared region （740-1 000 nm） shows a trend of first decreasing and then increasing.It demonstrate that PRI，mSR705 and mND705 can accurately and quickly reflect the change in photosynthetic apparatus of Ulmus pumila leaves after cadmium stress，by analyzing the relationship between the typical vegetation index and the fluorescence parameters of Ulmus pumila leaves under cadmium treatment.［Conclusion］It can be seen that the spectral reflection technology can be used to monitor the influence of cadmium on the photosynthetic apparatus of Ulmus pumila? leaves，and also provide theoretical basis and technical support for large-area analysis of satellite images in the future.

Key words? Ulmus pumila;Phytoremediation;Cadmium;Photosynthetic apparatus;Spectral reflectance

基金項目? 河北省重點研發(fā)計劃項目（21326401D，21327409D）；河北民族師范學院雙碳研究專項（ST2021001）。

作者簡介? 柳潔（1985—），女，河北承德人，講師，碩士，從事學科教學研究。*通信作者，副教授，博士，從事植物生理生態(tài)、重金屬污染農(nóng)田治理與安全利用研究。

收稿日期? 2023-02-12

當前，我國土壤重金屬污染問題十分嚴重［1］，其中，鎘作為典型的重金屬之一，具有毒性強、危害大、易被植物吸收等特點，對人民群眾的身體健康造成嚴重威脅［2］。榆樹（Ulmus pumila）是我國典型的造林樹種和綠化樹種，生長迅速、根系深、生物量較大，對鉛、鎘等重金屬具有較強的抗性。黃會一等［3］通過對不同木本植物對Cd115+115m的吸收及其分配的研究，認為榆樹對鎘的耐性較強，且其葉片和莖部皮孔對大氣中的鎘具有較強的吸收作用；欒以玲等［4］基于對棲霞山礦區(qū)12種木本植物的富集能力和生長狀況的調(diào)查認為，在鉛、鎘、鋅嚴重污染的環(huán)境中，白榆具有較高的綜合富集能力；張永超等［5］通過盆栽試驗闡明了鉛、鎘元素在榆樹各器官中的分布規(guī)律，呈現(xiàn)出根>莖>葉的分布特征。由此可見，榆樹適用于鉛、鎘污染地區(qū)的種植和綠化，可作為實現(xiàn)對污染土壤安全利用與修復的植物材料之一。

光譜反射技術(shù)可以從葉片水平、群體水平以及生態(tài)系統(tǒng)等多個層面反映植物在不同環(huán)境條件下生理生化信息的變化［6］，已在植物營養(yǎng)診斷、生物量估算、生長狀況監(jiān)測、土壤養(yǎng)分含量反演等方面得到廣泛應用［7-9］。由于過量的重金屬進入植物體后會導致其內(nèi)部生理狀態(tài)包括色素含量、細胞結(jié)構(gòu)和含水量等發(fā)生變化［10］，從而影響植物對光能的吸收與反射，因此，通過分析植物光譜特征可以快速、無損地實現(xiàn)對土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染程度和植物生長狀況的監(jiān)測和評價［8］。

然而，關(guān)于光譜反射技術(shù)在監(jiān)測榆樹對重金屬污染土壤修復上的研究鮮見報道。因此，筆者采用盆栽試驗，通過測定鎘處理條件下榆樹葉片反射光譜、快速葉綠素熒光和鎘離子含量等的變化，建立反射光譜與葉片光合機構(gòu)狀態(tài)及鎘離子含量之間的關(guān)系，旨在為榆樹在鎘污染農(nóng)田的利用及開展衛(wèi)星影像大面積分析提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

供試土壤取自農(nóng)田耕作層，土壤pH為7.7，有機質(zhì)含量為4.56 g/kg，速效氮含量為58.60 mg/kg，速效磷含量為18.20 mg/kg，速效鉀含量為104.60 mg/kg，鎘含量為0.08 mg/kg。經(jīng)自然風干、去除雜質(zhì)后，過6 mm孔徑篩網(wǎng)，然后按照每盆7 kg的標準裝入直徑35 cm、高45 cm的花盆中，通過向土壤中噴施CdCl2·2.5H2O溶液以配制鎘污染土壤，設(shè)置1、10、30 mg/kg 3個處理（分別以T1、T2、T3表示），以空白作為對照（用T0表示），按照氮肥200 mg/kg、磷肥100 mg/kg和鉀肥200 mg/kg的標準向土壤中施入底肥，每處理重復6次。平衡28 d后將春季收集的落在地上的榆樹種子播種于配制好的土壤中，待出苗后及時進行定苗，每盆留3株，生長60 d后，選擇完全展開葉片進行葉片反射光譜及快速葉綠素熒光的測定。

1.2? 試驗方法

1.2.1? 葉片反射光譜的測定。

使用 Unispec-SC 光譜分析儀（PP Systems，美國） 測定葉片反射光譜。每處理選擇5個完全展開葉片進行測定，每個葉片測定4個不同部位，以平均值作為該處理的結(jié)果，并根據(jù)表1計算廣泛用來衡量植物生理變化的植被指數(shù)［11］。

1.2.2? 快速葉綠素熒光的測定。

利用 Handy PEA 連續(xù)激發(fā)式熒光儀（Hansatech，英國）測定葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP 曲線）。葉片經(jīng)過20 min的暗適應后，由 3 000 μmol/（m2·s）的脈沖光誘導，記錄從 10 μs 開始至 1 s 結(jié)束的熒光信號，利用 JIP-test 方法（表2）分析OJIP曲線，計算熒光參數(shù)［12-13］。

1.2.3? 鎘離子含量的測定。

利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（iCAP7400，Thermo fisher，美國）測定植株不同部位鎘含量。待試驗結(jié)束后，每處理選擇5株長勢一致的植株，分為莖、葉和根3部分，用水洗去根表面黏附的土壤，用20 mmol/L乙二胺四乙酸二鈉溶液浸泡一段時間后，再用蒸餾水沖洗干凈，隨后105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，對于已收獲的樣品磨碎后過100目篩，然后采用HNO3對樣品進行消解。

1.3? 數(shù)據(jù)分析? 用 Excel 2016 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理和作圖，采用SPSS 22.0軟件進行處理間差異顯著性分析。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 榆樹對鎘的富集特征

在試驗土壤的鎘濃度范圍內(nèi)，榆樹均能夠正常生長，隨著土壤中鎘濃度的增加，榆樹植株各部分的鎘濃度均顯著增加，且不同部位的鎘濃度呈現(xiàn)出根＞莖＞葉的分布規(guī)律（圖1），這與前人的研究結(jié)果一致［5］。在T3處理條件下，榆樹根、莖、葉中的鎘含量分別為4.39、1.98、0.80 mg/kg，與T0相比顯著增加，這也進一步說明榆樹對鎘具有較強的抗性，能夠在鎘污染土壤中正常生長。

2.2? 榆樹葉片光合機構(gòu)對鎘的響應

光合機構(gòu)作為原初光化學反應發(fā)生的場所，對于外界環(huán)境變化較為敏感。而快速葉綠素熒光可以系統(tǒng)地反映出重金屬、高溫、干旱等外界脅迫對于植物葉片光合機構(gòu)的影響，分析葉片光合電子傳遞鏈的狀態(tài)，明確光合機構(gòu)受傷害的程度［14-16］。該研究中，經(jīng)過不同濃度鎘處理后，榆樹葉片的OJIP曲線形狀發(fā)生明顯變化，通過對Fo和Fm之間的相對可變熒光的分析可以看出，在J點和I點明顯上升，這說明鎘處理對榆樹葉片PSⅡ 的光合原初反應電子傳遞鏈造成了影響，其光合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)發(fā)生了變化（圖2）。

對OJIP曲線定量分析的結(jié)果顯示（圖3），反應光合電子傳遞性質(zhì)的指標PIabs、PItotal都隨著土壤中鎘濃度的增加不斷降低，且PItotal的降低幅度更為明顯，這是由于與PIabs相比，PItotal 除了反映ABS/RC、φPo、ψEo 3個參數(shù)外，還可以反映δRo的變化，且δRo和REo/RC下降幅度較大，這說明鎘對榆樹葉片PSⅡ 和 PSⅠ 之間電子傳輸效率影響較大，主要是由于鎘可以導致細胞中Fe的缺失，從而加速活性氧對PSⅠ鐵硫中心的破壞，但是T1、T2、T3之間差異不顯著。VJ、VI隨著鎘處理濃度的增加而升高，表明 QA 和 PQH2 之后的電子傳遞受到限制，這是由于鎘可以競爭放氧復合體上的Ca2+結(jié)合位點，降低希爾反應，并可結(jié)合抑制由QA到QB的電子傳遞。RC/CSo的降低表明有效的反應中心數(shù)目的降低將導致單位反應中心吸收和傳遞能量的增加，即ABS/RC、TRo/RC的增加。光合電子傳遞的受阻，單位反應中心耗散的光能（DIo/RC）明顯增加，會導致過多活性氧的產(chǎn)生，如果不能及時消除，這將會對細胞膜結(jié)構(gòu)等造成傷害，對葉片結(jié)構(gòu)造成破壞。

2.3? 鎘脅迫條件下榆樹葉片反射光譜特征的變化

植物光譜反射特性是由體內(nèi)的色素含量、水分含量以及生理生化狀況等共同決定的，不同植物或同一植物在不同生長發(fā)育階段或不同環(huán)境條件下，都會導致其反射光譜特征發(fā)生變化。在該研究中，不同濃度的鎘處理后，榆樹葉片在可見光波段（500～680 nm）的反射率隨著鎘濃度的增加而升高，但是在近紅外區(qū)（740～1 000 nm）的反射率則隨著土壤中鎘濃度的增加呈現(xiàn)先降低再升高趨勢（圖4）。這主要是由于鎘進入葉片后可以取代葉綠素中的Mg2+，加速葉綠素的降解，抑制葉綠素的合成，另外葉片中的鎘誘導植物細胞產(chǎn)生大量的活性氧，破壞葉綠素膜和細胞器的結(jié)構(gòu)，從而引起葉片近紅外波段的反射率變化［17］。采用植被指數(shù)可以很好地反

映植物生理指標的變化，其中，由于PRI與植物葉片中葉黃素循環(huán)過程相關(guān)的色素含量具有很好的相關(guān)性，可以很好地反映植物的光合速率和光能利用效率［18］；mND705和mSR705由于消除了葉片結(jié)構(gòu)對反射的影響，廣泛用于多種植物葉綠素含量的估算［19］；PSSRa和PSSRb可以用來反映葉片中葉綠素a和b的含量［20］。由表3可知，隨著土壤中鎘濃度的增加，榆樹葉片的PRI、mSR705、mND705和PSSRb均隨著濃度的增加而顯著降低，但是各植被指數(shù)的降低幅度存在一定差異，而PSSRa則不顯著，這說明鎘對榆樹葉片中的色素含量造成影響，但是不同色素的變化存在一定差異。

2.4? 鎘處理條件下榆樹葉片反射光譜與光合機構(gòu)變化的關(guān)系

現(xiàn)已證明，植物是通過多種性狀的協(xié)同與權(quán)衡實現(xiàn)對重金屬污染環(huán)境的適應，每個性狀都能不同程度地反映其對環(huán)境的適應性。然而，在大部分利用光譜技術(shù)監(jiān)測和評價土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬污染程度和植物生長狀況的研究中，主要以葉面積指數(shù)、氮素含量、葉綠素含量和干物質(zhì)量等生理生態(tài)參數(shù)作為指示植物營養(yǎng)脅迫和生長狀態(tài)的監(jiān)測指標。Liu等［21］利用葉片葉綠素含量和反射光譜的關(guān)系，對蘆葦中鉛、銅、鋅含量進行了間接估算；Shi 等［22］通過拔節(jié)孕穗期水稻冠層高光譜指數(shù)對土壤中砷含量進行反演；Zhang 等［23］基于田間試驗建立了重金屬脅迫敏感指數(shù)（HMSSI），用來反映水稻重金屬脅迫水平。光合作用是植物生長的能量和物質(zhì)來源，對植物的生長發(fā)育起著重要作用，與葉綠素含量、植物生長狀態(tài)等具有重要的相關(guān)，且葉片內(nèi)部生化組分和光合生理具有內(nèi)在聯(lián)系，因此，以葉片光合機構(gòu)的變化作為衡量其變化的指標，有利于明確生理生化機理，進一步提高模型的穩(wěn)定性和普適性。這主要是由于過量的鎘進入植物葉片后，可以降低光能轉(zhuǎn)化效率，抑制光合電子傳遞和酶活性，加速葉綠素的降解，破壞葉綠素膜和細胞器的結(jié)構(gòu)，從而造成光合速率的降低，導致生物量、葉面積等性狀的變化［24］。該研究基于快速葉綠素熒光曲線的分析可知，鎘對榆樹葉片光合機構(gòu)及電子傳遞過程造成影響，葉片反射光譜也表現(xiàn)出明顯變化，因此，為了建立葉片光譜反射特征與光合機構(gòu)狀態(tài)變化之間的關(guān)系，分析了鎘脅迫下榆樹葉片植被指數(shù)與主要熒光參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示，PRI、mSR705 和mND705與PIabs、ABS/RC、φPo、ψEo、Mo、RC/CSo、TRo/RC、DIo/RC具有顯著關(guān)系，PSSRa和PSSRb的相關(guān)性較低，這說明PRI、mSR705 和mND705可以很好地反映鎘脅迫條件下榆樹葉片光合機構(gòu)的變化，而PSSRa和PSSRb對于其變化并不敏感（圖5）。

3? 結(jié)論

榆樹對于重金屬鎘具有一定的抗性，在鎘處理條件下榆樹不同部位的鎘含量呈現(xiàn)出根＞莖＞葉的分布規(guī)律，但是當過量的鎘進入葉片會對光合機構(gòu)造成傷害，光合電子傳遞受到影響，反射光譜曲線也發(fā)生明顯變化，而PRI、mSR705 和mND705可以準確、快速地反映鎘脅迫后榆樹葉片光合機構(gòu)的變化，這為光譜分析技術(shù)在快速監(jiān)測及治理鎘污染中的利用方面提供理論基礎(chǔ)。

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