汞胁迫对4个草坪草品种幼苗生理特性及养分积累的影响

杜建雄,李剑峰, 张淑卿, 袁涓文，吕世勇

(1.贵州财经大学 公管学院，贵州 贵阳 550025；2. 贵州师范学院 喀斯特生境土壤与环境生物修复研究所，贵州 贵阳 550018)

【研究意义】近年来，由于人类的各种生活和生产活动越加频繁，导致自然生态环境越来越恶劣，通过各种途径产生的重金属在土壤中不断积累增加，我国土壤重金属污染问题越来越严重[1-2]，2014年4月环保部与国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，目前我国有19.4 %的耕地受到严重的重金属污染。因此，土壤重金属污染是我国必须面对的重大生态环境问题。【前人研究进展】汞是一种慢性剧毒重金属元素，汞进入土壤会造成土壤重金属污染，土壤中的汞会导致其在植物体内积累并可造成其生理功能紊乱，如影响种子发芽[3-4]、根腐烂[5]，同时也会对光合作用和酶活性等生理生化进程造成不利影响[6]，浓度过高时甚至可造成植物枯萎死亡[7-8]。【本研究切入点】草坪草作为一种景观植物可以建植于非农耕区，既能绿化环境又能保持水土，而且还被建植在一些被重金属污染(除汞污染土壤外)的土壤中[9]，由于草坪草是一种非食性植物，可用来转移土壤中的重金属[10]，因此对于被重金属污染的土壤修复有很大的应用价值，但目前有关草坪草在汞污染土壤中建植的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】选用在贵州地区应用广泛的4个草坪草品种(黑麦草马达，一年生黑麦草盛宴，紫羊茅派尼和传奇)为材料，通过土培盆栽试验模拟汞胁迫环境，探究不同浓度汞胁迫对草坪草光合特性、叶片相对电导率、酶活性及N、P、K吸收的影响，分析植物体对汞胁迫的生理生化响应，初步评价4个草坪草在汞污染土壤修复中的应用潜力，以期为汞污染地区土壤生物修复提供合适的草坪草品种。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试草种：黑麦草(LoliumperenneL.)马达(Motor)，一年生黑麦草(LoliummultillorumLam.)盛宴(Feast)，紫羊茅(FestucarubraL.)派尼(Pernille)和传奇(Legend)，4个参试品种种子均于2016年3月购自百绿(中国)集团，种子净度98 %。

供试土壤：采自贵州省贵阳市乌当区农田土，土质为棕黄壤，取土深度0～20 cm。土壤pH 6.7，速效氮含量125.6 mg/kg，速效磷含量46.3 mg/kg，速效钾含量92.8 mg/kg，Hg2+背景值0.72 mg/kg。土壤样品去杂质后置于烘箱，80 ℃烘烤1.5 h，烘干后混匀过0.15 mm筛，待用。

1.2 试验方法

采取完全随机设计试验，以汞胁迫浓度为处理对象，共设置4个浓度梯度，Hg2+浓度分别为25、50、75和100 mg/kg，以不进行汞处理为对照(空白处理)。在贵州师范学院化学生命科学学院自建温室大棚内进行盆栽试验，选用锥形塑料花盆(口径9 cm，底径6 cm，高8 cm)，各处理土壤根据相应汞处理浓度混合HgCl2装盆备用。每盆取10粒草坪草种子均匀撒播于花盆土表，覆盖5 mm深相应处理土壤，土壤总重220 g，每个处理设4个重复。

1.3 测定项目

Hg2+胁迫处理30 d后取样测定各项生理指标及养分含量。叶绿素含量：参照曾晓琳等[11]的方法以分光光度法测定。叶片PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)和叶片相对电导率：参照张治安等[12]的方法测定。丙二醛(MDA)含量：参照文瑛等[13]的方法以硫代巴比妥法测定。叶片可溶性糖含量：参照邹琦[14]的蒽酮比色法测定。超氧化物歧化酶(SOD)活性：参照徐本美[15]的方法测定。植株速效N、P、K积累量：取新鲜植株样品1.0 g，洗净擦干，研磨后取提取液稀释，用HM-TYA型土壤植株养分检测仪(山东恒美)，以配套试剂测定植株体内速效N、P、K含量。

1.4 数据分析

利用Excel 2007 对原始数据进行整理，用SPSS 13.0 对试验数据进行单因素方差分析，Duncan法进行多重比较，运用Excel 2007制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对参试草坪草品种叶绿素含量和Fv/Fm的影响

2.1.1 叶绿素含量 由图1看出，4个草坪草叶绿素含量随Hg2+浓度升高而逐渐降低。传奇品种在25 mg/kg Hg2+胁迫下，其叶绿素含量与对照差异不显著，但显著高于其他浓度处理(P<0.05)；当Hg2+浓度为100 mg/kg时，其叶绿素含量较对照低54.05 %。其他3个品种叶绿素含量均随Hg2+浓度升高而显著下降(P<0.05)，Hg2+浓度达100 mg/kg时，盛宴、派尼和马达的叶片叶绿素含量与对照相比，分别下降60.18 %、57.65 %和53.69 %，尽管盛宴的叶绿素含量下降幅度最大，但其含量仍高于其他3个品种。总体看，Hg2+胁迫对草坪草叶片叶绿素含量有较大影响，但4个品种中盛宴表现出较强的抗Hg2+胁迫能力。

2.1.2Fv/Fm随着Hg2+浓度升高，4个草坪草的Fv/Fm(PSⅡ原初光能转化效率)均呈下降趋势(图1)，且下降速度因品种而异。Hg2+浓度25 mg/kg时，4个品种的Fv/Fm值与对照相比差异不显著，表明此时叶片光合能力未受到严重影响。50 mg/kg Hg2+浓度下，Fv/Fm值较对照下降派尼的不显著，其他3个品种的Fv/Fm值下降显著(P<0.05)。Hg2+浓度高于75 mg/kg后，4个品种的Fv/Fm值较对照均显著下降(P<0.05)。Hg2+胁迫对4个草坪草的光合效率均产生一定抑制，其中传奇受到的抑制程度较大，盛宴的抑制程度最小。

不同小写字母表示同一个品种在不同浓度Hg2+胁迫处理下差异显著(P<0.05)，下同Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05 level in the same variety under different Hg2+ concentration.The same as below图1 不同浓度Hg2+胁迫下4个草坪草品种的叶绿素含量与Fv/Fm变化Fig.1 Leaf chlorophyll content and Fv/Fm of four tested turfgrass varieties under different Hg2+ concentration

2.2 不同处理对参试草坪草品种叶片MDA与SS含量的影响

2.2.1 MDA含量 由图2看出，汞胁迫导致4个草坪草叶片MDA(丙二醛)含量增加，且随Hg2+胁迫浓度的升高MDA含量迅速升高。Hg2+浓度25 mg/kg时，传奇和派尼品种的MDA含量较对照差异不显著；Hg2+浓度高于50 mg/kg 后，4个草坪草的MDA含量较对照均显著增加。盛宴品种的MDA含量在各Hg2+浓度处理下均表现最低，而传奇品种除50 mg/kg Hg2+胁迫处理外其余处理均最高。表明，草坪草传奇品种对汞胁迫最敏感，抗汞胁迫能力较低；盛宴品种则对汞胁迫最不敏感，抗汞胁迫能力较强。

2.2.2 可溶性糖含量 随Hg2+浓度升高，4个草坪草叶片的SS(可溶性糖)含量均表现为先上升后下降趋势(图2)。派尼、传奇和盛宴品种在Hg2+浓度25 mg/kg处理时SS含量最高，且与对照差异显著(P<0.05)。马达品种则在Hg2+浓度50 mg/kg处理时达最高，与各处理间差异显著(P<0.05)，但仍低于同处理组的盛宴。在各Hg2+浓度处理组中，盛宴品种的SS含量始终高于其他3个品种，传奇品种的SS含量基本处于最低水平，表明传奇对汞胁迫最为敏感，盛宴则对汞胁迫最不敏感。

2.3 不同处理对参试草坪草品种叶片SOD活性与相对电导率的影响

2.3.1 SOD活性 由图3可见，随着Hg2+浓度升高，4个草坪草叶片SOD(超氧化物歧化酶)活性均表现为先升后降，在50 mg/kg处理时达峰值。派尼和传奇品种叶片SOD在Hg2+浓度25～50 mg/kg变化不明显，但与对照差异显著(P<0.05)。盛宴和马达品种在25～50 mg/kg汞胁迫范围内其SOD与对照差异不显著。Hg2+浓度高于75 mg/kg时，4个品种的SOD活性较对照显著下降(P<0.05)。盛宴在各胁迫浓度下的SOD活性均高于其他3个品种。

2.3.2 相对电导率 随着Hg2+浓度升高，4个草坪草叶片相对电导率均持续上升(图3)。各品种在Hg2+浓度低于75 mg/kg时叶片相对电导率上升较平缓；当Hg2+浓度达100 mg/kg时，4个品种叶片相对电导率均大幅度上升。除50 mg/kg处理外，在同一浓度Hg2+胁迫下，盛宴叶片相对电导率均低于其他3个品种。

图2 不同浓度Hg2+胁迫下4个草坪草品种的MDA及可溶性糖含量Fig.2 Leaf MDA and soluble sugar content of four tested turfgrass varieties under different Hg2+ concentration

图3 不同浓度Hg2+胁迫下4个草坪草品种的SOD活性及相对电导率Fig.3 Leaf SOD activity and relative conductance of four tested turfgrass varieties under different Hg2+ concentration

2.4 不同处理对参试草坪草品种幼苗养分积累的影响

2.4.1 N积累 从图4看出，Hg2+胁迫浓度升高使4个草坪草速效N含量持续下降，当Hg2+浓度为25 mg/kg时4个品种的速效N含量较对照显著下降(P<0.05)，表明Hg2+胁迫对草坪草产生的抑制作用明显。Hg2+浓度达100 mg/kg时，4个品种的N积累量较对照下降80 %以上，其中派尼降幅最大，盛宴降幅最小。

2.4.2 P积累 Hg2+胁迫对4个草坪草的P积累量产生较大影响，总体随Hg2+浓度升高呈下降趋势(图4)。与对照相比，在25 mg/kg Hg2+胁迫下，盛宴品种的P含量下降不显著，而马达品种下降显著(P<0.05)，派尼和传奇品种则急剧下降。Hg2+浓度为50 mg/kg时，4个品种的P含量与对照相比降幅从大到小分别为传奇(92.28 %)、马达(90.57 %)、派尼(90.47 %)、盛宴(85.95 %)。相同Hg2+浓度下，盛宴的P含量均高于其他3个品种。

2.4.3 K积累 4个草坪草的速效K含量随Hg2+浓度的升高而下降。Hg2+浓度为50 mg/kg时，4个品种速效K含量均显著低于对照(P<0.05)。Hg2+浓度为100 mg/kg时，4个品种的速效K含量较对照下降69.82 %～83.48 %，其中以盛宴降幅最低。

3 讨 论

叶绿体是植物进行光合作用的最基本单位，植物叶片单位面积叶绿素含量反映出植物光合能力的强弱[16]。植物叶片PS II原初光能转化效率(Fv/Fm)是反映植物光化学反应状况的重要指标之一[17]，因此，常用Fv/Fm值来度量PS II原初光能转化效率。由于Hg2+具有较强的富集性，能在植物体内大量积累，抑制光合作用，导致植株生长缓慢甚至停止，对植物生长伤害极大[18]。研究结果显示，随着Hg2+胁迫浓度增加，4个草坪草品种(黑麦草马达，一年生黑麦草盛宴，紫羊茅派尼和传奇)的叶绿素含量和Fv/Fm值逐渐降低，表明高浓度Hg2+胁迫严重破坏叶绿体结构[19-20]，对草坪草光合作用产生抑制作用。Hg2+胁迫对盛宴品种的光合作用影响低于其他3个品种，表明盛宴抗汞胁迫能力强于其他3个品种。

当植物遭遇逆境胁迫时，植物体则可启动自身的SOD、POD、CAT等抗氧化酶系统[21]。过昱辰等[22]研究发现，地毯草受汞胁迫后，其SOD活性呈先升后降趋势，与本研究结果一致。SS含量升高是植物面对胁迫环境时的应激反应，研究结果显示，低浓度Hg2+胁迫显著增加草坪草叶片SS含量，但当Hg2+浓度升高至50 mg/kg时，SS含量则下降，这是由于各个品种应对逆境胁迫时先提高其SS含量，降低水势并提供能量，以提升对逆境的抵抗能力，而随着Hg2+胁迫浓度升高，植株自我调节能力下降，SS被消耗殆尽。由于低浓度Hg2+胁迫诱导了草坪草品种体内抗氧化酶SOD的表达，此时4个草坪草品种体内渗透势调节、活性氧代谢尚处于正常水平，随着Hg2+浓度持续升高，代谢平衡被打破，叶片膜质氧化系统加剧，导致SS含量下降，SOD 活性降低。当Hg2+浓度达100 mg/kg 时，盛宴的SOD活性和SS含量均高于其他3个品种，表明盛宴受Hg2+胁迫的伤害小于其他3个品种。

图4 不同浓度Hg2+胁迫下4个草坪草品种幼苗氮、磷及钾的含量Fig.4 N, P and K content in seedlings of four tested turfgrass varieties under different Hg2+ concentration

植物器官在逆境下或衰老时，常会发生膜脂过氧化作用，从而产生丙二醛(MDA)，因此，常用MDA含量作为脂质过氧化指标来衡量细胞膜过氧化程度和植物对逆境条件反应强弱[23]。研究结果显示，经Hg2+胁迫后，4个草坪草叶片的MDA和相对电导率较对照(空白)显著增加(P<0.05)，说明Hg2+胁迫致使草坪草的细胞膜透性增加，从而引起植物体需要的营养物质流失，且一些不利于植物生长的物质由此进入植株体内，最终导致植物体内正常的生理功能发生变化，与李春龙[24]的结果一致。当Hg2+浓度为100 mg/kg 时，盛宴叶片MDA含量和相对电导率较对照升高幅度均低于其他3个品种，说明盛宴受Hg2+胁迫伤害小。

N、P、K 为植物生长必须的三大营养元素，对植物的生长发育具有非常重要的作用。Hg2+胁迫时，通过与养分竞争植物根系的吸收部位，干扰植物对养分的吸收和利用[25-26]。研究结果表明，Hg2+对草坪草N、P、K积累影响较大，4个草坪草品种的N、P积累量均随Hg2+浓度升高而下降，且品种间存在差异，盛宴N、P积累量较对照(空白)下降幅度低于其他3个品种，其原因可能是基质中高浓度Hg2+降低了N、P 的有效态含量，导致植物对N、P 吸收量减少。4个草坪草对K 的积累量也随Hg2+浓度增加呈下降趋势，表明4个草坪草品种对K 的吸收受Hg2+干扰较多，可能是K 与Hg2+的交互作用较大所致。盛宴的K积累量较对照的下降幅度也低于其他3个品种，表明其受Hg2+胁迫的干扰较小，抗汞胁迫能力较强。

4 结 论

研究表明，不同浓度Hg2+胁迫对4个草坪草品种(黑麦草马达，一年生黑麦草盛宴，紫羊茅派尼和传奇品种)叶片的光合特性及生理指标有明显影响，随Hg2+浓度升高，胁迫程度加剧，导致4个草坪草品种叶绿素含量和Fv/Fm、SOD活性、SS含量及幼苗N、P、K含量不同程度下降，而MDA含量和叶片相对电导率不同程度升高。综合4个草坪草品种在不同浓度Hg2+胁迫下各项指标的变化情况，Hg2+胁迫下一年生黑麦草盛宴比黑麦草马达、紫羊茅派尼和紫羊茅传奇受到的伤害程度低，显示出较强的耐汞胁迫能力，可作为汞污染土壤生物修复中优选的草坪草品种加以应用。