铅、镉、铜对4种入侵植物种子萌发及幼苗生长的影响

李瑞莉，齐淑艳，2，刘 娜，陈宏伟

(1.沈阳大学生命科学与工程学院，辽宁 沈阳 110044；2.辽宁省城市有害生物治理与生态安全重点实验室，辽宁 沈阳 110044)

铅、镉、铜对4种入侵植物种子萌发及幼苗生长的影响

李瑞莉1，齐淑艳1，2，刘 娜1，陈宏伟1

(1.沈阳大学生命科学与工程学院，辽宁 沈阳 110044；2.辽宁省城市有害生物治理与生态安全重点实验室，辽宁 沈阳 110044)

采用纸皿法以去离子水为对照，研究了不同质量浓度Pb2+、Cd2+和Cu2+胁迫对4种入侵植物假酸浆(Nicandraphysaloides)、屋根草(Crepistectorum)、繁穗苋(Amaranthuspaniculatus)和长毛月见草(Oenotheravillosa)种子萌发及幼苗生长的影响，以为入侵植物在重金属污染土壤治理与修复中的利用提供新思路.结果表明：随着Pb2+、Cd2+和Cu2+质量浓度的增大，4种入侵植物种子的发芽率、发芽指数、初生根长度、胚芽长度及幼苗的生物量呈下降趋势.其中，假酸浆种子的发芽率、发芽指数对Pb2+、Cd2+、Cu2+胁迫不敏感(P>0.05)；不同重金属胁迫对4种入侵植物幼苗生长指标的抑制作用明显强于种子萌发特性.采用模糊数学隶属函数法对4种入侵植物进行了耐重金属胁迫评价，耐Pb2+的强弱顺序为：假酸浆>屋根草>长毛月见草>繁穗苋；耐Cd2+的强弱顺序为：假酸浆>屋根草>长毛月见草>繁穗苋；耐Cu2+的强弱顺序为：假酸浆>屋根草>长毛月见草>繁穗苋.综合分析假酸浆种子对重金属Pb2+，Cd2+和Cu2+的耐性较强，在土壤重金属污染治理中具有较大的应用潜力.

入侵植物；种子萌发；幼苗生长；Cu2+；Pb2+；Cd2+

土壤是经济社会可持续发展的物质基础，近年来由于人类活动和工业生产的发展，环境污染越来越严重，其中土壤重金属污染已成为全球迫切需要解决的环境问题.2016年5月31日国务院正式颁发了《土壤污染防治行动计划》，指出目前我国耕地质量等级劣质率为27.9%，明确我国土壤污染防治的工作目标为：到2020年，受污染耕地安全利用率达到90%左右，污染地块安全利用率达到90%以上；到2030年，受污染耕地安全利用率达到95%以上，污染地块安全利用率达到95%以上.因此，对污染土壤的修复工作迫在眉睫.目前，修复重金属污染土壤的方法中植物修复最具优势[1].在自然界中不同植物对重金属的耐受性不同，目前国内外发现的超富集植物达700多种，[2]其中有一些为外来入侵植物[3-5].外来入侵植物具有传播能力强、生态适应能力强、繁殖能力强、生物量大等特点；同时，有的种类也具有观赏价值.

长毛月见草(Oenotheravillosa)、假酸浆(Nicandraphysaloides)、屋根草(Crepistectorum)、繁穗苋(Amaranthuspaniculatus)在我国均为外来入侵植物，目前在辽宁省均有分布[6].野外调查发现，长毛月见草在沈阳浑河西峡谷岸边及细河流域形成了单优种群；屋根草在沈阳丁香湖附近的荒地也形成了单优种群；繁穗苋在辽阳的荟萃湖旁原为观赏植物，现逸为野生，其植株高、种子量大；假酸浆曾经作为药用和观赏植物栽培，现逃逸至荒地和绿地中生长.沈阳作为重工业基地，细河流域土壤重金属污染严重[7].种子的萌发是从潜在种群转变为现实种群的关键环节，对种群个体的繁殖、定居、扩散以及抵御不良环境有着极其重要的作用.本文选择上述4种入侵植物作为研究对象，通过外源添加重金属Pb2+、Cd2+、Cu2+，观察了4种植物的种子萌发及幼苗生长对Pb2+、Cd2+、Cu2+胁迫做出的响应，以期筛选出对重金属离子有较强耐受力的植物，为入侵植物在重金属污染土壤治理与修复中的利用提供新思路.

1 材料与方法

1.1 供试材料

长毛月见草、假酸浆、屋根草和繁穗苋的种子由辽宁省城市有害生物治理与生态安全重点实验室提供.

1.2 实验设计

分别设定重金属离子质量浓度梯度，Pb2+为250，500，1 000，1 500，2 000 mg/L；Cd2+为10，50，100，150，200 mg/L ； Cu2+为25，50，100，200，400 mg/L.去离子水处理为对照(CK)[8-12].

1.3 实验方法

实验采用纸皿法：在直径12 cm的培养皿内铺双层滤纸，每皿分别放置不同种子30粒，每个处理3次重复.将培养皿置于型号为PQX-330A-22HW的人工气候箱(温度25℃，湿度70%，光照12 h/黑暗12 h)中，每隔24 h观察并记录.发芽以胚根露白为标准，第7天观察结束后，于每皿随机取10株幼苗测量其初生根长度、胚芽长度(包括胚轴和顶芽)[13]，电子天平(1/10 000)称其全株鲜重，并记录.

1.4 统计及计算

(1)发芽率=发芽种子数/ 供试种子数×100%.

(2)发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt) .式中：Gt为日发芽个数，Dt为发芽天数.

采用模糊数学隶属函数法分别对4种外来入侵植物种子萌发期对Cu2+、Pb2+、Cd2+的耐性进行综合评价.耐性评价以发芽率、发芽指数、幼根长度、胚芽长度、幼苗生物量5个指标进行综合评价[14].

隶属函数值计算公式为：R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin).

式中：X为参试植物某一指标的测定值；Xmax和Xmin分别为所有供试材料中该指标的最大值和最小值.计算出相对发芽率、相对发芽指数、相对初生根长、相对胚芽长度和相对幼苗生物量.将隶属函数值进行累加，并求得平均数：Xi=∑Xij/n.

综合评价：将各隶属函数值进行计算，取平均值.均值越大，说明耐性越强.

采用Excel 对所统计数据进行整理、计算；采用DPS统计软件，利用差异显著性分析(Tukey)进行实验统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度Pb2+胁迫对4种入侵植物种子萌发和幼苗生长的影响

2.1.1 不同质量浓度Pb2+胁迫对4种入侵植物种子发芽率和发芽指数的影响

不同质量浓度的Pb2+对4种入侵植物种子发芽率的影响见表1.随着Pb2+质量浓度的增加，假酸浆、屋根草、繁穗苋和长毛月见草种子的发芽率均呈下降趋势.Pb2+质量浓度为2 000 mg/L时，屋根草和长毛月见草种子的发芽率与CK相比差异显著(P<0.05)，其他各处理条件下4种植物种子的发芽率与CK相比差异不显著(P>0.05).假酸浆、繁穗苋和长毛月见草的种子发芽率在不同处理之间呈现上升—下降的变化，但差异不显著(P>0.05).

随着Pb2+质量浓度的增加，4种入侵植物种子的发芽指数均呈下降趋势(见表1).假酸浆和繁穗苋的种子在Pb2+质量浓度为250～2 000 mg/L时，屋根草的种子在Pb2+质量浓度为250，500 mg/L时，长毛月见草的种子在Pb2+质量浓度为250～1 500 mg/L时，发芽指数与CK相比差异不显著(P>0.05)；屋根草和长毛月见草种子的发芽指数在其他各处理条件下，与CK相比差异显著(P<0.05).

表1 不同质量浓度Pb2+处理下种子的萌发特性

注：同列不同小写字母代表各指标之间差异显著(P<0.05)，下同.

2.1.2 不同质量浓度Pb2+胁迫对4种入侵植物幼苗生长的影响

不同质量浓度Pb2+对4种入侵植物幼苗生长的影响见表2.随着Pb2+质量浓度的增大，4种入侵植物初生根长度、胚芽长度以及幼苗生物量均呈下降趋势.在Pb2+质量浓度为250 mg/L时，假酸浆幼苗的胚芽长度和生物量以及屋根草幼苗的生物量与CK相比差异不显著(P>0.05)；其他各处理条件下，4种植物幼苗的初生根长度、胚芽长度、幼苗生物量与CK相比均差异显著(P<0.05).

表2 不同质量浓度Pb2+处理下植物幼苗生长情况

注：“—”表示种子萌发后未生长，下同.

2.1.3 4种入侵植物种子萌发期耐Pb2+的综合评价

采用模糊数学隶属函数法，对4种入侵植物种子的相对发芽率、相对发芽指数、相对胚芽长度、相对初生根长度以及相对幼苗生物量进行隶属函数值计算，结果(见表3)表明，4种入侵植物种子耐Pb2+胁迫的强弱顺序为：假酸浆>屋根草>长毛月见草>繁穗苋.

表3 4种入侵植物种子萌发期对Pb2+的耐性隶属函数值及综合评价值

2.2 不同质量浓度Cd2+胁迫对4种入侵植物种子萌发和幼苗生长的影响

2.2.1 不同质量浓度Cd2+胁迫对4种入侵植物种子发芽率和发芽指数的影响

不同质量浓度的Cd2+对4种入侵植物种子的发芽率影响见表4.随着Cd2+质量浓度的增加，假酸浆、屋根草、繁穗苋和长毛月见草种子的发芽率均呈下降趋势.只有在Cd2+质量浓度为200 mg/L时，屋根草种子的发芽率与CK相比差异显著(P<0.05)，其他处理条件下，4种植物种子的发芽率与CK相比差异均不显著(P>0.05).

不同质量浓度Cd2+胁迫对4种外来入侵植物种子的发芽指数影响见表4.随着Cd2+质量浓度的增加，屋根草、繁穗苋和长毛月见草种子的发芽指数呈下降趋势.在Cd2+质量浓度为150，200 mg/L时，屋根草种子的发芽指数与CK相比差异显著(P<0.05)；当Cd2+质量浓度为200 mg/L时，假酸浆、繁穗苋以及长毛月见草种子的发芽指数与CK相比差异显著(P<0.05)；假酸浆种子的发芽指数在Cd2+质量浓度为10～100 mg/L时略高于CK，但差异不显著(P>0.05).

表4 不同质量浓度Cd2+处理下种子的萌发特性

2.2.2 不同质量浓度Cd2+胁迫对4种入侵植物幼苗生长的影响

不同质量浓度的Cd2+对4种入侵植物幼苗生长的影响见表5.随着Cd2+质量浓度的增加，4种入侵植物的初生根长度、胚芽长度以及幼苗生物量均呈下降趋势.假酸浆初生根长度、胚芽长度在Cd2+质量浓度为10 mg/L时、幼苗的生物量在Cd2+质量浓度为10和50 mg/L时，与CK相比差异不显著(P>0.05)；屋根草的胚芽长度在Cd2+质量浓度为10和50 mg/L时、幼苗的生物量在Cd2+质量浓度为10 mg/L时，与CK相比差异不显著(P>0.05)；繁穗苋初生根长度在Cd2+质量浓度为10 mg/L时，与CK相比差异不显著(P>0.05).其他各处理条件下，假酸浆、屋根草和繁穗苋的幼苗生长指标与CK相比均差异显著(P<0.05).而长毛月见草初生根长度、胚芽长度和幼苗的生物量在Cd2+质量浓度为10～200 mg/L 范围内，与CK相比均差异显著(P<0.05).

表5 不同质量浓度Cd2+处理下植物幼苗生长情况

2.2.3 4种入侵植物种子萌发期耐Cd2+的综合评价

采用模糊数学隶属函数法，对4入侵植物种子的相对发芽率、相对发芽指数、相对胚芽长度、相对初生根长度以及相对幼苗生物量进行隶属函数值计算，结果(见表6)表明，耐Cd2+的强弱顺序为：假酸浆>屋根草>长毛月见草>繁穗苋.

表6 4种入侵植物种子萌发期对Cd2+的耐性隶属函数值及综合评价值

2.3 不同质量浓度Cu2+胁迫对4种入侵植物种子萌发和幼苗生长的影响

2.3.1 不同质量浓度Cu2+胁迫对4种入侵植物种子发芽率和发芽指数的影响

随着Cu2+质量浓度的增加，4种入侵植物的种子发芽率均呈下降趋势(见表7).在不同质量浓度Cu2+处理下假酸浆种子的发芽率，与CK相比差异均不显著(P>0.05).Cu2+质量浓度为400 mg/L时，屋根草和长毛月见草种子的发芽率与CK相比差异显著(P<0.05)；Cu2+质量浓度为200，400 mg/L时繁穗苋种子的发芽率与CK相比差异显著(P<0.05)；其他处理条件下，屋根草、繁穗苋和长毛月见草的种子发芽率与CK相比差异均不显著(P>0.05).

随着Cu2+质量浓度的增加，4种入侵植物的种子发芽指数均呈下降趋势(见表7).假酸浆、屋根草的种子在Cu2+质量浓度为400 mg/L时，繁穗苋的种子在Cu2+质量浓度为200，400 mg/L时，长毛月见草的种子在Cu2+质量浓度为100～400 mg/L时，发芽指数与CK相比差异均显著(P<0.05)；其他处理条件下，4种植物种子的发芽指数与CK相比差异均不显著(P>0.05).

表7 不同质量浓度Cu2+处理下种子的萌发特性

2.3.2 不同质量浓度Cu2+胁迫对4种入侵植物幼苗生长的影响

不同质量浓度的Cu2+处理对4种入侵植物幼苗生长的影响较为明显(见表8)，4种入侵植物的初生根长度、胚芽长度以及幼苗的生物量均呈下降趋势.只有Cu2+质量浓度为25 mg/L时假酸浆的胚芽长度与CK相比差异不显著(P>0.05)；其他处理条件下，屋根草、繁穗苋、长毛月见草的幼苗生长指标与CK相比差异均显著(P<0.05)；Cu2+质量浓度为100～200 mg/L时，幼苗生长受到严重抑制，表现为未生长.

表8 不同质量浓度Cu2+处理下植物幼苗生长情况

2.3.3 4种入侵植物种子萌发期耐Cu2+的综合评价

采用模糊数学隶属函数法，对4种入侵植物种子的相对发芽率、相对发芽指数、相对胚芽长度、相对初生根长度以及相对幼苗生物量进行隶属函数值计算，结果(见表9)表明，耐Cu2+的强弱顺序为：假酸浆>屋根草>长毛月见草>繁穗苋.

表9 4种入侵植物种子萌发期对Cu2+的耐性隶属函数值及综合评价值

3 结果与讨论

土壤被重金属污染后植物生长发育会受到一定的影响.植物种子在重金属污染条件下能否正常发芽是植物能否生长的先决条件.发芽率、发芽指数是评价种子发芽的常用指标.本研究采用不同质量浓度的Pb2+、Cd2+和Cu2+处理假酸浆、屋根草、繁穗苋和长毛月见草4种外来入侵植物种子，结果显示：随着Pb2+、Cd2+和Cu2+浓度的增加，4种入侵植物的发芽率、发芽指数均呈下降趋势；但同一浓度的Pb2+、Cd2+和Cu2+对4种植物的抑制程度不同，同一种植物的种子萌发特性对不同重金属离子胁迫的响应也不同.本实验中，在Pb2+质量浓度为250～2 000 mg/L时，只有屋根草和长毛月见草的种子发芽率在2 000 mg/L Pb2+胁迫处理时下降幅度较大，对其胁迫较为敏感，与CK相比差异显著(P<0.05)，而其他各处理种子发芽率下降比较缓慢，与CK相比差异均不显著(P>0.05)，表现出在该浓度范围内4种入侵植物对Pb2+胁迫具有较强的适应性.Cd2+质量浓度为10～200 mg/L时，屋根草的种子发芽率在200 mg/L处理时受到显著抑制(P<0.05)，而其他各处理种子发芽率下降比较缓慢，与CK相比差异均不显著(P>0.05)，表现出在该浓度范围内4种入侵植物对Cd2+胁迫具有较强的适应性.不同质量浓度 Cu2+胁迫处理对4种植物种子发芽率的抑制作用不同，假酸浆的种子发芽率在Cu2+质量浓度为25～400 mg/L时下降缓慢，与CK相比差异不显著(P>0.05)；屋根草、繁穗苋和长毛月见草种子的发芽率分别在Cu2+质量浓度≥100，200，400 mg/L时，与CK相比差异显著(P<0.05).不同质量浓度Pb2+、Cd2+和Cu2+对种子活力也有较大影响，发芽指数的变化规律与发芽率基本相同.本文的研究结果表明，不同质量浓度的重金属胁迫处理，植物发芽率、发芽指数呈现低浓度诱导高浓度抑制的变化规律，这与已有的文献报道一致[15].

实验结果显示，随着Pb2+、Cd2+和Cu2+质量浓度的增加，假酸浆、屋根草、繁穗苋和长毛月见草的初生根长度、胚芽长度和幼苗生物量均呈下降趋势，各质量浓度Pb2+、Cd2+和Cu2+处理均对幼苗生长产生抑制作用，且随着浓度升高抑制作用增强.当Pb2+、Cd2+和Cu2+质量浓度达到一定量值时，4种植物幼苗生长均受到严重抑制而表现出未生长现象.有研究表明，产生这种现象的原因可能是随着重金属浓度的增大，植物体内活性氧自由基的产生进一步增多，严重干扰抗氧化酶等保护酶的活性，打破了细胞氧化还原平衡，造成代谢紊乱，从而表现为植物生长受到抑制[16-18].

不同植物、不同的生长指标对不同重金属的耐受程度不同[19].采用不同的植物生长指标评价植物对重金属的耐受程度可能得到不尽相同的结果，而采用隶属函数值平均法既可消除个别指标带来的片面性，又可使各材料耐性差异具有可比性.本实验采用性状相对值对植物的重金属离子耐受性进行了隶属函数值综合评价分析，结果表明，假酸浆种子在萌发期和幼苗生长期对重金属Pb2+、Cd2+和 Cu2+的耐性较强，在土壤重金属污染治理中具有较大的应用潜力.

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Influenceoflead，cadmiumandcopperstressonseedgerminationandseedlinggrowthoffourinvasiveplants

LI Rui-li1，QI Shu-yan1，2，LIU Na1，CHEN Hong-wei1

(1.College of Biological Science and Engineering，Shengyang University，Shenyang 110044，China；2.Liaoning Key Laboratory of Urban Integrated Pest Management and Eco-Security，Shenyang 110044，China)

With the deionized water as control test to seed ofOenotheravillosa，Nicandraphysaloides，CrepistectorumandAmaranthuspaniculatusas materials，this work studied the heavy metal lead (Pb)，cadmium (Cd)，and copper (Cu) single stress on seed germination and seedling growth influence，in order to provide scientific basis for screening hyper-accumulation plants.The results show that the seed germination rate，germination index，root length and shoot length and biomass of the four invasive plants decreased with the increasing of Pb2+，Cd2+and Cu2+concentrations，andN.physaloidesof the seed germination rate and germination index are not sensitive (P>0.05).Different heavy metal stress on four invasive plants of seed germination are stronger than seedling growth.The comprehensive evaluations of the resistance of invasive plants to the metal ions during germination stage were done by membership function method.The resistance of seed to Pb2+stress was ordered asN.physaloides>C.tectorum>O.villosa>A.paniculatus.The resistance of seed to Cd2+stress was ordered asN.physaloides>C.tectorum>O.villosa>A.paniculatus.The resistance of seed to Cu2+stress was ordered asN.physaloides>C.tectorum>O.villosa>A.paniculatus.The comprehensive analyses shows that the resistances of theN.physaloidesseed to heavy metals of Pb2+，Cd2+and Cu2+during seed germination period were better than other three tested plants.

invasive plant；seed germination；seedling growth；Pb2+；Cd2+；Cu2+

1000-1832(2017)04-0101-08

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.04.020

2017-03-06

科技部科技基础条件平台专项基金资助项目(2014FY120400)；沈阳市科技发展计划项目(F16-158-9-00).

李瑞莉(1992—)，女，硕士研究生：通讯作者：齐淑艳(1963—)，女，博士，教授，主要从事植物生态学研究.

Q 945.79；X 53学科代码180·5160

A

(责任编辑：方林)