铅、镉对南荻种子萌发和幼苗生长的影响

2018-09-28王波黄攀吕德雅王琳钰刘畅严帆刘辉

生态环境学报 2018年9期

王波 *，黄攀，吕德雅，王琳钰，刘畅，严帆，刘辉

1. 安徽省水土污染治理与修复工程实验室，安徽芜湖 241002；2. 安徽师范大学环境科学与工程学院，安徽芜湖 241002

近年来，由于工业、矿业、城市和农业等人类活动的影响，导致土壤重金属污染日益严重。土壤重金属污染，不仅直接影响粮食的产量与质量，并可通过食物链等方式威胁人畜健康（Nsanganwimana et al.，2014）。在风化和腐蚀的作用下，土壤中的重金属会散布到与它临近的大气、河流、土壤系统中，造成生态环境的破坏（Lietal.，2017），因而修复污染土壤迫在眉睫。在多种修复方式中植物修复是相对安全环保而且成本较低的一种方式，但从经济效益考虑，该技术缺乏私人和公众的投资，商业价值小（Conesa et al.，2012）。植物修复技术商业价值的实现关键在于种植的植物是否有经济价值，而并非纯粹的生态效益（Conesa et al.，2012）。以往人们关注较多的是超积累植物，但大多数超积累植物生物量小、生长慢，而且经济效益低，而能源植物因其生物量大、生长快、经济效益高而慢慢引起人们的重视。其中，芒属能源植物以其生物质产量高、质量优、种植成本低、适应力强、生态效益好和遗传资源广等优势引起人们的高度关注（易自力，2012）。

南荻（Triarrhena lutarioriparia），中国特有的非粮纤维型能源植物，是芒属能源植物中的一种，具有生物量大、生长迅速、生态适应性强等特点（张闯，2013）。南荻作为C4植物，比一般植物的光合作用更强，可改善温室效应、净化空气；拥有发达的根系，属于水陆两生植物，具有固土保水、防止土壤流失等功能；不仅是优质的造纸原材料，而且凭借高生物量和高纤维素含量，成为最有前景的能源植物之一（刘亮等，2001；党宁等，2012）。若能利用非粮能源植物修复污染土壤，减少或固定土壤中的重金属，不仅可以充分利用边际土壤，避免污染扩散，同时避免与粮食作物争地，而且还能避免污染物进入食物链而威胁人畜健康，最终获得环境与经济双效益。目前，有关南荻对重金属的响应研究相对较少，主要研究南荻不同部位对重金属的富集与转运（李鸣等，2008；董萌等，2011）以及植物生长对土壤环境的改善（毛石花等，2013）等方面。同时对南荻的同属植物荻（Triarrhenasacchariflora）、芒（Miscanthus sinensis）、五节芒（Miscanthus floridulus）等的研究主要集中在这些植物对矿区重金属污染的适应性等方面（Zhang et al.，2015；Lietal.，2014；Guo et al.，2016a；Guo et al.，2016b）。前人鲜少研究重金属对南荻种子萌发期的影响，而种子萌发既是植物生活周期的起点，也是植物感知外界环境的最初生命阶段，研究萌发期植物对重金属胁迫的响应，对于进一步明确植物的抗性机理具有重要意义。

中国土壤污染形势严峻，2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公告》指出，全国土壤总超标率为16.1%，其中土壤铅、镉的点位超标率分别达到1.5%和7.0%（环境保护部等，2014），并且这两种重金属的生态毒性较大，对环境和人群健康造成的影响更值得关注。因此，本研究选用铅、镉两种重金属元素，探讨其对南荻种子萌发和幼苗生长的影响，为南荻修复重金属污染土壤提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

南荻种子由湖南农业大学提供，常温保存。

试剂以分析纯Pb(NO3)2和CdCl2·2.5H2O配制，铅胁迫的质量浓度设置为 5、10、20、50、80 mg·L-1，镉胁迫的质量浓度设置为 0.5、1、5、10、20 mg·L-1，均采用蒸馏水作对照（CK）。

1.2 试验方法

选取健康饱满的南荻种子，用10%的双氧水消毒15 min，超纯水冲洗5次，浸种48 h后，将种子分别在不同浓度重金属溶液中浸泡 1 h，从中选取形状大小基本一致的 50粒种子均匀分布于直径 9 cm、铺有2层滤纸的培养皿中，用配好的重金属溶液将滤纸润湿至饱和，盖上皿盖后置于人工气候箱培养，温度30 ℃，16 h暗处理，8 h光照，光照强度8800 lx，每个处理设置3个重复。用称重法补充蒸发的水分，萌发周期为10 d。萌发结束后，进行恢复实验。挑出未发芽的种子，用无菌水清洗 5次后放入干净的培养皿内，用蒸馏水再处理1个周期，观察是否有种子发芽。

1.3 测定方法

每天同一时间记录萌发种子数，以胚根达种子长、胚芽达种子 1/2长为萌发标准（田如男等，2011），10 d后萌发结束，从每个培养皿中随机取出10株幼苗用游标卡尺测量其根长、芽长并记录，计算单株平均值（杨丹娜等，2015）。只长胚芽而无胚根的种苗为异常发芽（曾庆玲等，2005）。计算发芽率RG、发芽指数IG、发芽势PG、活力指数IV、异常发芽率RAG、根长抑制率Rri、芽长抑制率Rgi（田如男等，2011；曾庆玲等，2005）：

式中，NG为萌发种子数；N为供试种子数； Gt为t天的萌发数；Dt为发芽日数；NN为发芽初期正常萌发种子数(本实验为 5 d)；S为幼苗平均根长（cm）；nA为异常发芽数；lr0、lg0分别为对照根、芽长度；lr、lg分别为处理根、芽长度。

1.4 数据分析

运用SPSS 17.0对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同数据组间的差异，用Pearson相关系数评价不同因子间的相互关系，利用一元线性回归法进行回归分析。运用Origin 8.6进行绘图。

2 结果与分析

2.1 对种子发芽指标的影响

由图 1可知，随着铅浓度的增大，南荻种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数都显著降低（P＜0.05）。当铅质量浓度达到80 mg·L-1时，种子不能正常萌发，各项发芽指标都为0。当铅质量浓度为 5、10、20、50 mg·L-1时，南荻种子的发芽率相比对照分别降低了 21.85%、44.54%、65.55%、80.68%。经相关分析表明，南荻种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均与铅质量浓度呈极显著负相关（r=-0.903、-0.787、-0.874、-0.647，P＜0.01）。

低镉处理（≤5 mg·L-1）时，南荻种子的发芽率随镉浓度升高而降低，但差异不显著。质量浓度为10 mg·L-1时，发芽率显著降低（P＜0.05），较对照降低了88.46%。高质量浓度镉（20 mg·L-1）处理会导致种子不能正常萌发，发芽率为 0。相关分析表明，南荻种子发芽率与镉处理浓度呈极显著负相关（r=-0.927，P＜0.01）。

镉胁迫下南荻种子的发芽势和发芽指数均随镉质量浓度增大而显著降低（P＜0.05）。当镉质量浓度为 0.5、1、5、10、20 mg·L-1时，种子的发芽势较对照分别降低了 18.18%、18.18%、46.98%、83.34%、100%，发芽指数较对照分别降低了7.64%、12.40%、31.93%、87.02%、100%。经相关分析，南荻种子的发芽势和发芽指数均与镉处理浓度呈极显著负相关（r=-0.925、-0.946，P＜0.01）。

图1 重金属铅、镉对南荻种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数的影响Fig. 1 Effects of Pb and Cd on the germination rate, germination energy, germination index and vital index of T. lutarioriparia

镉质量浓度≤1 mg·L-1时，南荻种子的活力指数与对照差异不显著，随着镉胁迫浓度升高，活力指数呈显著下降趋势（P＜0.05），在5、10、20 mg·L-1的镉胁迫下，较对照分别下降 58.83%、97.70%、100%。由相关分析可知，南荻种子的活力指数与镉处理浓度呈极显著负相关（r=-0.882，P＜0.01）。

2.2 对种子异常发芽率的影响

异常发芽率表示逆境对种子萌发的伤害效应（曾庆玲等，2005）。在铅胁迫下，南荻种子呈现一定的中毒现象，只长幼苗而无幼根，导致大部分幼苗无法正常生长，而且随铅胁迫浓度增加，南荻种子异常发芽率显著上升（P＜0.05）（图 2），说明铅处理浓度越大，对种子萌发伤害越大，当处理浓度为50 mg·L-1时，异常发芽率达到最大值。随着铅浓度继续增大，异常发芽率开始显著降低（P＜0.05），这是因为铅浓度过高，种子大都已无法萌发，导致整体异常发芽率降低。低镉处理（≤5 mg·L-1）时，南荻种子的异常发芽率较对照差异不显著，说明南荻对低浓度镉有一定的抗性。当镉质量浓度达到10 mg·L-1时，异常发芽率显著增大（P＜0.05），是对照的16.5倍，镉胁迫的质量浓度达到20 mg·L-1时，异常发芽率显著降低（P＜0.05）。

图2 重金属铅、镉对南荻种子异常发芽率的影响Fig. 2 The effect of Pb and Cd on the seed abnormal germination rate of T. lutarioriparia

2.3 对种子恢复率的影响

对铅、镉处理后未萌发的南荻种子进行恢复，将恢复种子用无菌水清洗后放入干净的培养皿内，用超纯水再处理1个周期，发现无萌发种子（结果省略），说明铅、镉处理对南荻种子具有不可逆伤害。

2.4 对种子根、芽长度的影响

由图3可知，铅胁迫下，南荻种子的根长抑制率随铅处理浓度的增大而增大，且各处理都与对照差异显著（P＜0.05），由图4可知，铅质量浓度≥20 mg·L-1时，南荻种子根尖发黄，并伴随不同程度的膨大变粗，当铅质量浓度达到80 mg·L-1时，根长抑制率达 100%，根的伸长生长已被完全抑制。在铅质量浓度为5 mg·L-1时，对芽长的抑制作用不显著，随着铅处理浓度的增加，芽长抑制率呈上升趋势，铅质量浓度为10、20、50、80 mg·L-1时，芽长抑制率均显著高于对照（P＜0.05）。相关分析表明，南荻种子的根长抑制率和芽长抑制率均与铅处理浓度呈极显著正相关（r=0.770、0.844，P＜0.01）。

低镉处理（≤1 mg·L-1）时，根长抑制率为负值，且与对照差异显著（P＜0.05），说明低浓度镉处理对南荻种子根的伸长生长有显著的促进作用，而南荻种子芽长抑制率与对照差异不显著。当镉处理浓度≥5 mg·L-1时，根长抑制率为正值，且随处理浓度增大而显著上升（P＜0.05），芽长抑制率也随处理浓度增大呈显著上升趋势（P＜0.05），说明当镉浓度达到一定值时，南荻种子的根长、芽长都会受到抑制，且抑制作用随处理浓度增大而增大。当镉质量浓度为 20 mg·L-1时，根长抑制率达100%，表现为完全抑制。

2.5 回归分析

图3 重金属铅、镉对南荻根/芽长抑制率的影响Fig. 3 Effects of Pb and Cd on the inhibition rates of root and shoot length of T. lutarioriparius

为了定量分析重金属铅、镉对南荻种子萌发和幼苗生长的影响，探索南荻种子对重金属的耐性，将铅、镉浓度与南荻种子的发芽率、根长抑制率、芽长抑制率进行回归分析，并计算发芽率，将根长抑制率、芽长抑制率为对照的50%时对应的金属浓度，定义为临界浓度；计算发芽率为对照的 0%，将根、芽长抑制率为对照的 100%时对应的金属浓度，定义为极限浓度。结果见表 1，各项指标与重金属浓度均呈极显著相关（P＜0.01）。

由表1可知，铅、镉处理的种子发芽率和根长抑制率对应的临界浓度与极限浓度相差不大，但相对芽长抑制率对应的临界浓度和极限浓度偏低，说明铅、镉对南荻种子萌发的影响与对幼根伸长的影响差别不大，但对南荻幼根伸长的抑制作用高于对芽长的抑制作用。由此可知，南荻种子只能在较低浓度的铅、镉胁迫下萌发、生长幼根，但幼芽可忍受相对较高浓度的铅、镉胁迫，幼芽对重金属铅、镉的耐性高于幼根。影响南荻种子萌发和幼苗生长的铅临界浓度和极限浓度分别大于镉对应的浓度，说明南荻种子对铅的耐性强于镉。

3 讨论

本试验中，重金属铅、镉对南荻种子萌发和幼苗生长的影响不同。发芽率、发芽势、发芽指数以及活力指数不仅与植物本身的生物学特性有关，而且与种子所处的环境关系密切（徐雅梅等，2017）。重金属铅、镉均显著降低南荻种子发芽率、发芽势、发芽指数（P＜0.05），这与番茄（宋勤飞等，2006）、小麦（王丽燕等，2009）等种子试验中得到的低促高抑结果不一致，这可能由于不同植物种子本身的生物学特性不同，南荻种子内部有关的酶如淀粉酶、蛋白酶等活性受到抑制，导致萌发所需的物质与能量匮乏（张义贤，2004）。

图4 不同浓度铅、镉处理下南荻种子萌发的表型（萌发10 d）Fig. 4 The phenotype of T. lutarioriparius under different concentrations of Pb and Cd (germination of 10 d)

表1 南荻种子萌发和幼苗生长与铅、镉胁迫浓度之间的关系Table 1 The relationship between seed germination and seedling growth of T. lutarioriparius and concentration of Pb and Cd

从幼苗的生长来看，铅胁迫显著增加南荻种子异常发芽率（P＜0.05），随着铅浓度增大，只长幼苗不生根的种子数量也明显增加，导致幼苗不能正常生长。南荻种子的根长抑制率、芽长抑制率也随着铅质量浓度的增加而变大，对根长抑制作用更明显。当铅质量浓度为 80 mg·L-1时，根长抑制率为100%，表现为完全抑制，而芽长抑制率仅为65.75%，说明同一铅浓度胁迫下，南荻根对铅更敏感，较高浓度铅处理（≥20 mg·L-1）会导致南荻根尖发黄、畸形，这与宋勤飞等（2006）的研究结论一致。胚根突破种皮吸收溶液中的铅，铅被固定在根系细胞壁的交换位点，铅还可与根系细胞壁上的多聚半乳糖酸亲和，从而使铅固定在根部，不易于向上转移，故其对根的影响大于芽（宋勤飞等，2006）。而镉胁迫下，对南荻根长的影响符合低促高抑的规律，镉对芽长的抑制作用要达到一定浓度才会显现，这与前人（王文萍等，2010）的研究结果一致，说明南荻种子对低浓度镉有一定耐性。可能原因是低浓度镉诱导超氧阴离子和羟基自由基等活性氧自由基的产生，加速植物代谢，宏观上表现为促进植物生长，而浓度继续增大，活性氧自由基增多，代谢紊乱，抑制植物生长（王新新等，2013；刘春艳等，2011）。

由回归分析可知，影响南荻种子芽生长的铅、镉临界浓度和极限浓度分别大于抑制根生长对应的浓度，说明南荻种子的根生长对铅、镉胁迫更敏感，铅、镉对南荻种子幼根的抑制作用大于对幼芽的抑制作用，这与前人（陈伟等，2013）的研究一致。研究表明（田如男等，2011），种子萌发过程中，胚根最先突破种皮，胚根受到胁迫时间较胚芽长，所以重金属对种子胚根的影响大于胚芽，这与上文分析一致。影响南荻种子萌发和幼苗生长的铅临界浓度和极限浓度分别大于镉对应的浓度，说明南荻种子对铅的耐性强于镉，在对小麦（王丽燕等，2009）的试验中也得到同样的结论，可能是镉离子的有效性高，而铅不易移动，生物有效性低，所以镉对植物的毒性比铅强。

通过种子恢复实验发现，铅、镉处理后未萌发的南荻种子无法再萌发，这与贾文娟（2012）的研究一致，可能原因是重金属铅、镉胁迫已导致种子丧失生命力。