盐和重金属镉交互胁迫对互花米草生长的影响

张丽平，周亚圣，侯栋梁，王 韧，蔡金标，刘君成，游巍斌，何东进，5*

（1.福建农林大学林学院，福州 350002；2.福建农林大学生命科学学院，福州 350002；3.福鼎市林业局，福建 福鼎 355200；4.霞浦县林业局，福建 霞浦 355100；5.福建农林大学金山学院，福州 350002）

互花米草曾分布于美洲大西洋沿岸以及墨西哥湾附近，属于生命力极强的多年生盐沼植物[1]，因其疯狂的扩散能力已对当地潮滩生态系统结构和生态服务功能造成严重威胁[2]。互花米草具有发达的地下茎和极强的适应与繁殖能力，于1979年从美国引入[3]。如今其扩散范围涵盖我国东部沿海各个滩涂，爆发规模远大于世界上其他地区[4]。出于保滩护堤，发展沿海养殖业的目的，闽东滨海于20 世纪80年代初从罗源湾引种互花米草，由于其繁殖扩散能力极强，引种成功后严重危害当地的生态环境[5-6]。

自然界中重金属和盐渍是影响植物健全发育的不可忽视的两种胁迫因子[7]。镉是自然环境中对植被毒害性最强烈的重金属之一，据报道随着Cd2+浓度的增大，互花米草生长会受到抑制，叶发黄脱落减少，根、茎和叶生物量会随之降低[8]。而另一种重要的胁迫因子盐渍，对植物的生长及生理影响也极大，其中又以NaCl 分布范围最广和最普遍，大多数植物都形成了针对NaCl 积累的调节机制。闽东滨海湿地距今已有近900 a 的开发历史，由于人为和自然因素，重金属通过径流输入、 生活污水排放等方式进入湿地环境，进而危害当地湿地生态系统[9]。何东进等[10]通过4 种不同评价方法对闽东滨海湿地重金属生态风险进行评价和研究，发现重金属Cd 在该地区重金属污染级别中被列为重度污染。此外，由于人为因素使该地区盐碱化问题愈加突出，湿地植被受盐分胁迫现象极为普遍。目前，许多学者在互花米草防治、开发与利用、 生长及生理响应和入侵机理等方面进行了深入研究，但有关盐和重金属Cd 交互胁迫对互花米草生长的影响的研究文献很少报道[11-12]。鉴于此，本试验以外来入侵种互花米草幼苗为试验材料，在闽东滨海湿地开展NaCl 和重金属Cd 的交互胁迫试验，分析在不同重金属Cd 浓度和NaCl 盐度水平下互花米草生长的变化规律，为找出互花米草在不同盐浸环境下生长的耐盐阈值提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

霞浦县属福建省宁德市的下辖县，介于北纬26°25'～27°9'，东经 119°46'～120°26'之间，受海洋气候的影响，季风气候十分明显，年平均气温16 ℃～19 ℃，春季降水丰沛，夏季凉爽多台风，冬季温暖，霜雪天气少见[13]。境内水系发达呈树状分布，干流长1 km以上的河流分布有24 条，多年平均径流量13.38 亿m3。地势特点由东南向西北方向倾斜，西北山峦耸峙，中部丘陵连绵起伏，平原、低山、盆地和山谷互为交错；东南优良港湾众多。海岸线长达480 km，浅海滩涂资源丰富，面积约693.33 km2，大小岛屿总计达196个，在福建省各沿海县（市）均列为首位。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与采样

试验地于2015年4月设在霞浦县武曲村，该研究区域互花米草入侵已有30 多年的历史，人类活动干扰较小。在互花米草分布密集区设置3 块面积为8 m×8 m 的试验样地，分别在每块样地内随机采集高度、长势一致的48 株试验幼苗，并用自封袋装入带回实验室进行盆栽试验，以供后期互花米草幼苗主要生长指标的测定。

1.2.2 室内试验处理

将采集的互花米草幼苗移栽到不透水盛有河沙的塑料盆中，每盆种植2 株，共72 盆。参考柴民伟[14]的相关方法，将72 盆互花米草幼苗分成4 个重金属水平 0、0.2（低）、0.4（中）、0.8（高）mmol/L，编号分别为 Cd0、Cd1、Cd2、Cd3，分为第1、2、3 和 4 组），每水平下6 个处理，每处理3 盆重复，配置1L 营养液，所需 CdCl2分别为 0、0.04、0.08、0.16 g，Na0Cd0为对照。通过参考康浩相关研究[15]，设置6 个盐胁迫处理：低盐胁迫（0、100 mmoI/L），中盐胁迫（300、500 mmoI/L），高盐胁迫（700、900 mmoI/L），编号分别为 Na0、Na1、Na2、Na3、Na4、Na5。用自来水复壮 7 d后开始进行盐胁迫和重金属胁迫处理，以Hoagland 营养液为母液，根据计算量取得 一定质量的NaCl 和CdCl2加入到Hoagland 营养液中，与之混合得到所需浓度的Hoagland 营养液。配置1 L 营养液，所需NaCl分别为 0、6、18、30、42 和 54 g。所有的试验组第1 次均以100 mmol/L 为起始浓度，并且以200 mmol/L的梯度逐天递增，直至各预定的胁迫盐度，第2 次胁迫直接加入所需NaCl 量，无需逐天递增。所有处理组一次性加入所需的重金属胁迫浓度。每4 天浇注新鲜胁迫溶液，浇灌量为300 mL，营养液pH 值用KOH 和 HCI 调至（7.48～7.57）。胁迫期为 6 个月，分别在每个月月末取生长良好、高度基本一致的植株，测定其主要生长指标。

1.2.3 指标测定

在胁迫试验结束后，将各处理组不透水塑料瓶中的互花米草植株全部拔出，用清水清洗，装入保鲜袋并做好标记，迅速带回实验室。在室内将植株根、茎和叶各器官分开，然后放至干燥箱（温度设为80 ℃）烘干至恒重，最后用电子天平仪器分别对其称重并记录干重数据。采用常规方法对株高、茎粗、叶面积、叶宽和叶长等指标进行测定（株高为靠近地表到自然株高，包括母株和克隆株，使用皮尺测量；茎粗则以植株最粗处为测量对象；叶面积用美国L-1I-COR公司生产的LI-3000C 叶面积仪进行测定；叶宽以选取叶片最宽处为测量对象；叶长以选取叶片的最长处为测量对象）。

1.3 数据分析

运用Microsoft Excel 2007 软件进行数据处理与制图，采用SPSS 21.0 软件进行数据统计分析与检验。利用单因素方差（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）检验不同处理组间样本的显著性。采用Person 相关系数法分析植物主要生长指标之间的相关性[16]。

2 结果与分析

2.1 NaCl、CdCl2及其交互胁迫对互花米草株高和茎粗的影响

4 组不同 NaCl 和 CdCl2（Cd 浓度为 0～0.8 mmol/L）浓度交互胁迫下，第1、2 胁迫组互花米草株高和茎粗均在Na2 和Na3 处与对照组Na0Cd0 有显著差异；第3 胁迫组株高在Na1 和Na2 处与对照组差异显著，茎粗与对照组无显著差异；第4 胁迫组株高在Na3 处与对照组差异显著，茎粗无显著差异（表1）。由图1可以得出：第1 组NaCl 单因素胁迫下，互花米草茎粗随着NaCl 盐度的增大呈缓慢下降的趋势，茎粗在 Na0 和 Na1（NaCl 浓度为 0、100 mmol/L）处达到最大值，株高总体呈先降后升的变化趋势，在Na1（NaCl 浓度为 100 mmol/L）处达到最大值，在 CdCl2单因素胁迫之下，互花米草株高随着NaCl 浓度的增大先降后升，茎粗呈下降趋势，两者都在Na1Cd1 处达到最大值；第2、3 组 NaCl 和 CdCl2交互胁迫下，茎粗和株高均在Na1 和Na0 处达到最大值，出现先升后降的变化规律；第4 组交互胁迫下，互花米草幼苗茎粗和株高随着NaCl 盐度的增大均呈下降趋势，同第3 组一样，两者均在Na0 处达到最大值。因此，在重金属Cd 浓度为0～0.8 mmol/L 的胁迫下，互花米草茎粗、株高对NaCl 耐盐阈值范围为0～100 mmol/L。

2.2 NaCl、CdCl2及其交互胁迫对互花米草幼苗叶片的影响

从图2、图3中可以得出：在4 组不同 NaCl 和CdCl2（Cd 浓度为 0～0.8 mmol/L）浓度交互胁迫下，第1、2 胁迫组互花米草叶长、 叶宽和叶面积均在Na2和Na3 处与对照组Na0Cd0 有显著差异（表1）；第3胁迫组叶长和叶面积在Na1 和Na2 处与对照组差异显著，叶宽无显著差异；第4 胁迫组叶长在Na3处与对照组差异显著，叶宽和叶面积无明显差异。此外，在不同胁迫组处理下互花米草叶宽和叶长最佳值所对应的NaCl 盐浓度不一样，主要表现在：第1、2 和3 组中的叶宽和叶长均在Na0 和Na1 处达到最大值，而第4 组中的叶宽和叶长分别在Na0 和Na3处达到最大值；从图3中可以发现：随着NaCl 浓度的增大，第1、2 和3 组叶面积表现出先降后升的变化趋势，而第4 组与前3 组对比叶面积却表现出相反的变化趋势；在NaCl 和CdCl2交互胁迫下，4 组叶面积均在Na1 和Na0 处达到最大值，说明在较低的盐度环境下有利于互花米草叶面积的充分扩展。综上考虑，在重金属 Cd（0～0.8 mmol/L）胁迫下，互花米草叶片大小随着盐浓度的增大而不断减少，NaCl 最大耐盐范围在100～300 mmol/L 之间。

表1 不同胁迫处理对互花米草形态指标的影响Table 1 Effects of different treatments on morphological index of Spartina alterniflora

图1 不同胁迫处理下互花米草幼苗株高和茎粗变化特征Figure 1 Variation characteristics of stem diameter and plant height of S.alterniflora seedling under different stress treatments

图2 不同胁迫处理下互花米草幼苗叶长和叶宽变化特征Figure 2 Variation characteristics of leaf length and leaf width of S.alterniflora seedling under different stress treatments

图3 不同胁迫处理下互花米草幼苗叶面积变化特征Figure 3 Variation characteristics of leaf area of S.alterniflora seedling at different stress treatments

2.3 NaCl、CdCl2及其交互胁迫对互花米草幼苗生物量的影响

NaCl、CdCl2及其交互胁迫 6 个月后，因胁迫浓度较大且胁迫时间长的原因，Na3Cd3 在10月份出现植株矮化，叶片脱落减少，最后脱水枯萎而死，7个胁迫组中单株叶生物量最小为Na2Cd2 组（1.8 g），其为对照组Na0Cd0 的6.9%。由图4可知，在胁迫期间，互花米草生物总量随着盐度增大总体呈下降趋势，其中叶生物量最大值出现在Na1Cd0 处理组，在1.6～25.74 g 之间波动，波动幅度大；茎生物量和根生物量分别在 4.02～8.99 g 和 3.06～10.37 g 之间波动，两者分别在Na0Cd0 和Na1Cd1 组达到最大值，相比叶生物量，两者波动幅度极小；生物量分配规律为：叶生物量＞根生物量＞茎生物量，根生物量和茎生物量之间的差距随着胁迫时间的延长逐渐缩小。

图4 不同胁迫处理下互花米草幼苗生物量分配情况Figure 4 Biomass accumulation and allocation of S.alterniflora seedling under different stress treatments

表2 互花米草形态指标相关分析Table 2 Correlation analysis of morphological index of Spartina alterniflora

2.4 NaCl、CdCl2及其交互胁迫互花米草生长指标相关性分析

由表2可知，互花米草各主要生长指标均表现出显著正相关性（P＜0.05），其中株高与叶宽相关性最低，与叶长相关性最大，说明互花米草株高的增长伴随着其他生长指标的增加，叶长最为显著。叶长和叶宽显著正相关，说明伴随着互花米草叶片长度的增加其叶片宽度也增大。叶、茎和根生物量3 者间显著正相关，叶和根生物量相关性最大，茎和根生物量相关性最小。本研究发现：胁迫4 个月时，互花米草茎和根生物量正相关性是最大的，之所以胁迫6 个月后出现变动可能与盆栽试验中根部生长空间有限有强烈关系。由表3可知，在 NaCl、CdCl2及其交互胁迫下，盐度与花米草各生长指标间均表现出负相关，但都不显著（P＞0.05），CdCl2浓度与株高、叶长和叶面积正相关，与叶宽和叶、茎、根生物量呈负相关，但均不显著（P＞0.05）。

表3 盐和镉浓度因子与互花米草形态指标之间相关分析Table 3 Correlation analysis between salt and cadmium concentrations factors and morphological indices of Spartina alterniflora

3 讨论与结论

自然界中当植物处于不同胁迫环境时，其外在形态及生理生化过程都会受到一定程度的限制或影响，最后导致植物生长发育不良，植株矮化现象严重[17]。本研究发现重金属 CdCl2（Cd 浓度为 0～0.8 mmol/L）促进了NaCl 对互花米草的胁迫，各处理组株高、茎粗、叶片大小和生物量随NaCl 盐度的增大呈下降趋势（P＞0.05），这与谢惠玲等[18]研究结果吻合。株高和茎粗随盐度增大呈下降趋势，这可能因为盐胁迫下导致植株对水的利用率降低[19]，进而影响其生长发育；叶长、叶宽和叶面积呈下降趋势，可能是因为在NaCl 和CdCl2交互胁迫下对叶片叶绿素b 产生了影响，一定程度上抑制了互花米草的光能收集[20]，进而使植株光合作用下降，能量储存不足，最终导致叶片发育不良，脱落减少，表明了盐度对互花米草生长造成了一定的影响；叶、茎和根生物量也呈下降趋势，特别是根生物量只在3.06～10.37 g 之间波动，可能与盆栽空间有关。

在 NaCl、CdCl2及其交互胁迫下，4 组胁迫组互花米草幼苗各生长指标所对应的NaCl 盐度值有差异，但均在100～500 mmol/L 之间长势最好，当NaCl盐浓度在700～900 mmol/L 之间时，幼苗会出现脱水枯死现象，生物量明显减少，这与赵吉强等[21]研究的结论吻合，同时说明在低、中盐胁迫下有利于促进互花米草幼苗的生长，而在高盐胁迫环境中会明显受到抑制甚至处于停滞状态。本研究表明不同浓度重金属Cd 和NaCl 交互胁迫下缩短了互花米草生长周期，促使互花米草加速生长的同时也正在加速灭亡，这与刘巍、陈伟霆等[22-23]研究的成果一致。大量研究证明，互花米草各生长指标在不同盐渍水平处理下均表现出显著的相关性。本研究也显示互花米草各主要生长指标间均呈显著正相关（P＜0.05），这与肖强等[24]研究得出的论断吻合。

综上所述，在重金属 Cd 浓度 0～0.8 mmol/L 和NaCl 盐度为 0～900 mmol/L 的交互胁迫下，加大了NaCl 对互花米草幼苗的毒害，互花米草各主要生长指标均随着盐度增大呈下降趋势；不同盐浸环境下各主要生长指标耐盐阈值存在差异，其中株高、茎粗最佳耐盐范围为0～100 mmol/L，叶片大小（叶长、叶宽、叶面积）、生物量最佳耐盐范围为100～300 mmol/L；当NaCl 浓度大于500 mmol/L（高盐环境）时，互花米草出现脱水枯死现象。生物量分配规律表现出：叶生物量＞根生物量＞茎生物量；互花米草各主要生长指标间均表现出显著正相关性（P＜0.05）。盐度与互花米草各生长指标间均表现出负相关（P＞0.05），CdCl2浓度与株高、叶长和叶面积正相关，与叶宽和生物量呈负相关，但都不显著（P＞0.05）。