添加铜尾矿矿砂的栽培基质对黄花苜蓿幼苗生长及部分生理指标的影响

许 敏， 韩玉林,①， 原海燕， 赵文进， 张继露， 付佳佳

〔1. 江西财经大学艺术学院园林系 江西省生态环境实验教学示范中心， 江西 南昌 330032;2. 江苏省·中国科学院植物研究所(南京中山植物园)， 江苏 南京 210014； 3. 南昌工学院， 江西 南昌 330108〕

铜是生物必需的营养元素之一，适量的铜对人和动植物都有益，但过量的铜对生物的生长和代谢均具有毒害作用[1]。铜矿开采过程中产生的铜尾矿矿砂及其渗出液中均含有过量的铜及其他重金属元素，而其中的氮、磷及有机质含量却极端贫瘠，pH值也较低。因此，用于改良和修复铜尾矿矿砂的植物除应具有较强的抗重金属胁迫能力外，还应具备较强的耐贫瘠能力。

研究结果表明：部分豆科植物对铜污染土壤具有一定的耐受能力和修复作用。如：在安徽省的铜陵铜矿废弃地及甘肃省的白银铜矿废弃地上均自然生长着较多的豆科(Leguminosae)植物[2]；而豆科植物苜蓿(MedicagosativaLinn.)对重金属污染土壤也具有一定的修复作用[3]。黄花苜蓿(M.falcataLinn.)也是一种豆科植物，具有耐低温、耐干旱及耐盐碱能力，是优良的绿肥及牧草种质资源之一[4]，然而，目前有关黄花苜蓿对铜的耐性及其对铜污染土壤修复作用的研究尚未见报道。

鉴于此，作者采用盆栽实验方法，将黄花苜蓿幼苗栽植于添加了铜尾矿矿砂的栽培基质中，对黄花苜蓿幼苗生长以及部分生理指标的变化进行分析，以期探讨豆科植物对重金属铜的耐性机制，并为利用黄花苜蓿修复Cu污染环境提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 材料

实验用黄花苜蓿种子购于江苏省沭阳种苗市场；供试铜尾矿矿砂取自江西省德兴铜尾矿矿坝，园土取自江西财经大学麦庐校区。采用Han等[5-6]的方法播种并培养黄花苜蓿幼苗，选择株高约10 cm且生长一致的幼苗进行胁迫实验。

1.2 方法

1.2.1 胁迫处理方法 将铜尾矿矿砂与园土按比例混合制成栽培基质，其中铜尾矿矿砂的体积分数分别为0%(对照)、25%、50%、75%和100%。将各栽培基质分别装入直径15 cm、高10 cm的塑料盆中，每处理3盆(每盆视为1次重复)，每盆栽植5株幼苗，共15盆。置于室外自然光照条件下培养，并根据土壤湿度状况及时补充适量水分。处理30 d后将各处理组幼苗全部取出，冲洗干净并吸干表面水分，用于各项生长和生理指标的测定。

1.2.2 各指标测定方法 每处理随机选取3株幼苗，用直尺分别测量株高和根长，结果取平均值，并按照公式“耐性指数=(处理组幼苗平均根长/对照组幼苗平均根长)×100%[5]”计算耐性指数。将植株的地上与地下部分分开后，分别置于105 ℃干燥箱内杀青0.5 h，然后于60 ℃条件下干燥至恒质量，分别称取地上和地下部分的干质量。

1.3 数据计算和统计分析

应用EXCEL 2007数据处理软件和SPSS 13.0统计分析软件对实验数据进行统计和方差分析，并采用邓肯氏(Duncan’s)新复极差法对实验数据进行差异显著性分析。

2 结果和分析

2.1 添加铜尾矿矿砂的栽培基质对黄花苜蓿幼苗生长的影响

在添加铜尾矿矿砂的栽培基质中黄花苜蓿幼苗的生长状况见表1。由表1可以看出：随着铜尾矿矿砂体积分数的提高，黄花苜蓿幼苗的株高和根长均呈不断下降的趋势。栽培基质中铜尾矿矿砂体积分数为50%、75%和100%时，幼苗株高均与对照差异显著(P<0.05)，但根长与对照差异不显著(P>0.05)。铜尾矿矿砂体积分数为100%时，幼苗的株高和根长均最低，分别较对照下降了23.44%和12.34%。

由表1还可以看出：随栽培基质中铜尾矿矿砂体积分数的提高，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分干质量也呈现逐渐下降的趋势。铜尾矿矿砂体积分数为75%和100%时，幼苗的地上部分干质量均与对照有显著差异，其余处理组的地上和地下部分干质量均与对照无显著差异。在铜尾矿矿砂体积分数100%的条件下，黄花苜蓿幼苗的地上和地下部分干质量均最低，分别较对照下降了39.06%和12.50%。

统计结果(表1)表明：各处理组黄花苜蓿幼苗的耐性指数均低于对照，且随栽培基质中铜尾矿矿砂体积分数的提高呈逐渐降低的趋势。在铜尾矿矿砂体积分数100%的条件下，幼苗的耐性指数降幅最大，说明在高浓度铜胁迫条件下，黄花苜蓿幼苗对铜胁迫的耐性降低，植株生长受到抑制。

表1 添加铜尾矿矿砂的栽培基质对黄花苜蓿幼苗生长的影响

2.2 添加铜尾矿矿砂的栽培基质对黄花苜蓿幼苗部分生理指标的影响

2.2.1 对叶片光合色素含量的影响 在添加铜尾矿矿砂的栽培基质中黄花苜蓿幼苗叶片光合色素(包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)含量的变化见表2。从表2可以看出：各处理组黄花苜蓿幼苗叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量的变化趋势与其生长指标的变化趋势较一致，均随铜尾矿矿砂体积分数的提高而逐渐下降，且各处理组幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量均与对照差异显著(P<0.05)。在铜尾矿矿砂体积分数100%的条件下，黄花苜蓿幼苗叶片中的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量均最低，分别较对照下降了64.71%、65.08%和54.89%。

表2 添加铜尾矿矿砂的栽培基质对黄花苜蓿幼苗叶片光合色素含量的影响

由表3还可见：在铜尾矿矿砂体积分数不同的栽培基质中，黄花苜蓿幼苗地上部分的MDA含量均高于对照但变化趋势无明显规律性，并且在铜尾矿矿砂体积分数100%的条件下，其地上部分的MDA含量较对照显著增加，增加幅度达19.05%；而地下部分的MDA含量则呈现在铜尾矿矿砂体积分数25%和50%的条件下上升、在铜尾矿矿砂体积分数75%和100%的条件下下降的趋势，并且在铜尾矿矿砂体积分数25%和50%的条件下显著高于对照，而在铜尾矿矿砂体积分数75%和100%的条件下与对照无显著差异(P>0.05)。

表3 添加铜尾矿矿砂的栽培基质对黄花苜蓿幼苗地上和地下部分超氧阴离子自由基和丙二醛(MDA)含量的影响

2.2.3 对过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)及过氧化氢酶(CAT)活性的影响 在添加铜尾矿矿砂的栽培基质中黄花苜蓿幼苗地上和地下部分POD、SOD和CAT活性的变化见表4。从表4可以看出：随栽培基质中铜尾矿矿砂体积分数的提高，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的POD活性呈逐渐增加的趋势，并在铜尾矿矿砂体积分数100%的条件下达到最高，且与对照差异显著(P<0.05)，分别较对照增加了38.87%和35.61%。

从表4还可以看出：在添加体积分数25%、50%和75%铜尾矿矿砂的栽培基质中，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的SOD活性均高于对照且逐渐增加，而在铜尾矿矿砂体积分数100%的栽培基质中则低于对照，并在铜尾矿矿砂体积分数75%的条件下达到最高。各处理组幼苗地上和地下部分的SOD活性均与对照有显著差异。

统计结果(表4)表明：随着铜尾矿矿砂体积分数的提高，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的CAT活性均呈逐渐下降的趋势；并且除铜尾矿矿砂体积分数25%处理组外，其余3个处理组黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的CAT活性均显著低于对照。在铜尾矿矿砂体积分数100%的栽培基质中，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的CAT活性分别较对照下降了47.97%和48.84%。

2.2.4 对谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(AsA)含量的影响 在添加铜尾矿矿砂的栽培基质中黄花苜蓿幼苗地上和地下部分GSH和AsA含量的变化见表5。 从表5可以看出：随栽培基质中铜尾矿矿砂体积分数的提高，幼苗地上和地下部分的GSH含量基本呈逐渐增加的趋势，且均高于对照。在铜尾矿矿砂体积分数100%的条件下，幼苗地上和地下部分的GSH含量均显著高于对照，增幅分别为19.64%和16.13%。

从表5还可以看出：随栽培基质中铜尾矿矿砂体积分数的提高，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的AsA含量变化无明显规律性。在铜尾矿矿砂体积分数25%的栽培基质中，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的AsA含量均达到最高值且与对照差异显著，分别较对照增加了11.36%和2.47%。在铜尾矿矿砂体积分数100%的条件下，黄花苜蓿幼苗地下部分的AsA含量则显著低于对照，降幅为12.99%；而幼苗地上部分的AsA含量则较对照略有增加，但增幅并不大，仅为3.57%。

表4 添加铜尾矿矿砂的栽培基质对黄花苜蓿幼苗地上和地下部分过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性的影响

表5 添加铜尾矿矿砂的栽培基质对黄花苜蓿幼苗地上和地下部分谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(AsA)含量的影响

3 讨论和结论

在受到重金属胁迫时，植物的生长状况能够直接反映出植物对重金属胁迫的抗性[6]。因此，植物的生长指标是分析植物对重金属抗性的重要依据之一。研究结果表明：在铜尾矿矿砂体积分数不同的栽培基质中，黄花苜蓿幼苗的株高、根长以及地上部分和地下部分的干质量均低于对照，且随铜尾矿矿砂体积分数的提高呈逐渐降低的趋势。说明在铜尾矿矿砂的胁迫下黄花苜蓿幼苗的生长受到一定程度的影响。

光合色素含量的变化在一定程度上反映了植物的光合作用强度，从而影响植物的生长[11]。随栽培基质中铜尾矿矿砂体积分数的提高，黄花苜蓿幼苗叶片的光合色素(包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)含量呈逐渐下降的趋势，并且在铜尾矿矿砂体积分数100%的栽培基质中幼苗的光合色素含量降至最低。说明铜胁迫条件下黄花苜蓿幼苗的叶绿体膜受到破坏、光合色素含量降低，植株的光合作用受到明显抑制。

在通常情况下，植物可通过启动抗氧化酶系统有效清除体内产生的活性氧、维持活性氧的代谢平衡并保护细胞膜结构，这在一定程度上使植物能够抵御逆境胁迫[14]。在添加铜尾矿矿砂的栽培基质中，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性基本上均显著高于对照，说明在铜胁迫条件下黄花苜蓿幼苗体内的抗氧化酶系统被启动，对黄花苜蓿抗铜胁迫有重要作用。

谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(AsA)是普遍存在于植物体内的水溶性抗氧化剂，在植物抗氧化胁迫及清除活性氧等方面都有重要作用[9]。在添加铜尾矿矿砂的栽培基质中，黄花苜蓿幼苗地上和地下部分的GSH含量均高于对照，说明铜胁迫能够促进黄花苜蓿体内GSH的合成，这对增强黄花苜蓿耐铜性有重要作用。栽培基质中添加体积分数25%的铜尾矿矿砂对黄花苜蓿幼苗地上和地下部分AsA的合成有促进作用，而栽培基质中添加体积分数100%的铜尾矿矿砂则抑制了幼苗体内AsA的合成，使幼苗生长受到抑制。

总体上而言，虽然在栽培基质中添加不同体积分数的铜尾矿矿砂对黄花苜蓿幼苗的生长及光合色素含量均有一定的影响，对幼苗的抗氧化系统也有一定的损伤，但在纯铜尾矿矿砂(体积分数100%)中栽植30 d，黄花苜蓿幼苗依然能够生长，说明黄花苜蓿具有一定的抗铜胁迫能力，可用于铜尾矿矿砂的绿化固着和铜污染环境的植物修复。

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