土壤中镉离子对红芸豆幼苗叶绿素荧光的影响

张 洪，赵丽娟，王创云

（1.山西省分析科学研究院，山西太原030006；2.忻州师范学院生物系，山西忻州034000；3.山西省农业科学院作物科学研究所，山西太原030031）

伴随着城镇化的持续进行，城市产生的污水逐日增多，将污水处理后用于农业灌溉是解决水资源短缺的一条可行途径。我国的污水灌溉从20 世纪50 年代开始推广，主要经历了起步、发展、快速发展3 个阶段[1]。在实践过程中发现，来自冶炼、电镀、采矿产生的污水灌溉极易导致土壤中镉含量超标，土壤中的镉离子对植物具有潜在的危害作用，当镉离子浓度超出一定范围时，除影响植物的正常生长外，还会导致植物死亡[2]。

红芸豆属豆科菜豆属，适宜在晋西北干旱温热丘陵山区或温润冷凉土石山区种植，目前在山西忻州地区神池、五寨、岢岚3 个县的种植面积约为0.67 万hm2，已经成为当地农民重要的经济收入[3]。山西水资源贫乏，污水灌溉面积较大，重金属镉极易在土壤中富集，而关于其对红芸豆种植的影响尚未见相关报道。

本研究采用手持式叶绿素荧光仪，分析在土壤中不同浓度镉的胁迫下红芸豆幼苗叶绿素荧光参数的变化，进而辨析镉对红芸豆幼苗光合作用的影响，从而为农田土壤中的镉污染治理提供合理的依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试红芸豆品种为金芸3 号，购买于忻州市汇丰粮业有限公司。

1.2 主要仪器与试剂

电子分析天平（ME104T，梅特勒），手持式叶绿素荧光仪（配置PEA PLUS 软件，Pocket PEA，英国Hansatech 公司）；氯化镉（分析纯，南试化学试剂有限公司）、蒸馏水。

1.3 试验方法

1.3.1 红芸豆幼苗种植及镉胁迫处理 根据土壤污染的实际程度共设置5 个处理组，其Cd2+质量分数分别为5，10，15，20，25 mg/kg，以一个空白为对照组，每组分别设3 个平行。选取大小相同的红芸豆种子放到容器里浸泡12 h，播种到经过镉处理过的育苗盆土壤中，每隔48 h 浇水一次，培养至所有的红芸豆幼苗长出2 片子叶，在幼苗长出2 片子叶后的7，14 d 测定其叶片的叶绿素荧光参数。

1.3.2 叶绿素荧光测定 将叶片夹夹在红芸豆幼苗叶片上，并滑动铁片将叶片夹上的圆孔完全覆盖，暗适应20 min，暗反应结束后，将手持式叶绿素荧光仪与叶片夹相连接，滑动铁片露出叶片夹上的圆孔，测该植株的叶绿素荧光值。

1.4 数据分析

使用PEA PLUS 软件对试验所测数据进行整理分析。

2 结果与分析

2.1 不同质量分数镉胁迫7 d 叶绿素荧光参数的变化分析

从图1 可以看出，在O- J- I- P 曲线的P 段，镉溶液质量分数为15 mg/kg 时，荧光强度显著增强；镉溶液质量分数为10 mg/kg 时，荧光强度减弱（P＜0.05）；而其他质量分数的镉溶液对红芸豆幼苗的叶绿素荧光效应无显著性差异。在试验中，所使用的5 个镉溶液质量分数胁迫的红芸豆幼苗在O- J段与空白对照组相比，均无显著性差异。当镉溶液质量分数为15 mg/kg 时，J- I 段、I- P 段、P 段曲线中的红芸豆幼苗叶绿素荧光显著增强，且呈现为扩大趋势。镉溶液质量分数为10 mg/kg 时，I- P 段和P段的叶绿素荧光强度开始减弱，且在P 段呈现为显著减弱效应。

Fv/Fm（即φP0）表示的是反应初始时PSⅡ的最大光能转换效率，是当所有PSⅡ反应均处于开放状态时的量子产量，是应用最广、使用频率最高的一个荧光参数[4]。该参数在非胁迫条件下变化极小，并不受物种和生长条件的影响，胁迫条件下该参数会显著下降[5]。由表1 可知，Fv/Fm 在5～15 mg/kg区间，随着土壤中镉离子质量分数的增加，光能转化率增强，而随着镉离子质量分数的进一步增加达到20 mg/kg 时，Fv/Fm 开始降低，光和转化率减弱，与空白对照组相比，光能转化效率总体呈现下降的趋势。

表1 镉处理7 d 后各处理组叶绿素荧光仪的参数变化

TR0/RC 表示PSⅡ系统中单位反应中心捕获的光能，镉离子质量分数为20 mg/kg 处理组的值最大；ET0/RC 表示单位反应中心传递的光能，镉离子质量分数为10，15 mg/kg 处理组的值较大；ABS/RC表示单位反应中心吸收的光能，镉离子质量分数为10 mg/kg 处理组的值最大；三者在趋势中均表现为随着质量分数的升高逐渐上升，当到达一定质量分数时，又呈现下降的趋势。与空白对照组相比，受到不同质量分数镉污染后，TR0/RC、ET0/RC、ABS/RC总体均呈现下降趋势。

2.2 不同质量分数镉胁迫14 d 叶绿素荧光参数的变化分析

由图2 可知，镉溶液质量分数为5 mg/kg 时，荧光强度最强；质量分数为20 mg/kg 时，荧光强度最弱。镉离子溶液质量分数为10 mg/kg 时，其荧光强度在O- P 段高于空白对照组，而5，15，25 mg/kg 处理组均是在P 段的荧光强度超过空白对照组。

从表2 可以看出，红芸豆幼苗随着土壤中镉离子质量分数的升高，Fv/Fm 表现为先升高后降低的趋势，其最高值出现在10 mg/kg，但是与空白对照组相比，总体呈下降趋势。当土壤中的镉离子质量分数为15 mg/kg 时，TR0/RC 值最大且高于空白对照组，当镉离子质量分数为5，10 ，25 mg/kg 时，红芸豆幼苗的TR0/RC 值低于空白对照组。在各质量分数镉离子污染的土壤中，ET0/RC 均小于空白对照组，但是其总体趋势表现为随着镉离子质量分数的增加呈先升高后下降，其出现峰值的质量分数为15 mg/kg。ABS/RC 值在15 mg/kg 处理组显著上升（P＜0.05），10，20 mg/kg 处理组无显著性差异，5，25 mg/kg 处理组低于空白对照组，但其总体趋势也表现为先升高后下降。

表2 镉处理14 d 后各处理组叶绿素荧光仪的参数变化

3 结论与讨论

本研究结果表明，在镉处理7 d 时，Cd2+质量分数为15 mg/kg 时，红芸豆幼苗叶片的光能转化率最高，10 mg/kg 处理组最低；而镉处理14 d 时，质量分数为10 mg/kg 处理组的红芸豆幼苗叶片的光能转化率最高，5 mg/kg 处理组最低，但是随着镉处理红芸豆幼苗时间的延长，高浓度镉对红芸豆幼苗叶片的光合反应速率抑制作用明显。

从不同时间段采集的红芸豆幼苗叶片的OJIP曲线和所测得相关荧光参数可以得出，红芸豆幼苗随着土壤中镉离子浓度的增加，光合反应速率和光量子产量会出现一个暂时的上升，但随着镉离子浓度的增加，总体呈现下降趋势。同样在为期14 d 的镉离子对幼苗处理期间，随着时间的延长，红芸豆幼苗的光合反应速率和光量子产量呈现下降趋势。究其原因，可能是由于镉会破坏植物体的光合反应系统[6]，从而导致光量子产量、光合反应速率降低。但是，红芸豆幼苗在低浓度Cd 的胁迫下，光量子产量和光合暗反应速率暂时恢复正常，其可能的原因是，植物通过结构和代谢上的变化对逆境进行响应，第一，利用沉积或螯合作用将吸收的Cd 固定，避免其对植物造成伤害；第二，通过改变体内代谢过程，使其能够适应胁迫环境，主要表现在抗氧化能力、渗透调节能力以及植物内源物质上[7]。

赵子豪等[8]研究发现，南方四季杨幼苗雌株光合结构对镉的敏感性明显高于雄株，在镉处理的第45 天，其净光合速率、PSⅡ最大光化学量子产量显著下降，最小荧光和非光化学淬灭系数显著上升，各种表现均表明PSⅡ中心已经受到镉的危害，由此也造成了植物对水分的利用效率显著降低。镉胁迫对水稻农艺性状的影响表现出明显的品种间差异。彭鸥等[9]研究发现，培养液中的Cd2+质量分数为1 mg/mL 时，水稻中嘉早17 在不同生育期的根长和株高均显著降低，水稻不能正常结实，籽粒空瘪；水稻泰优390 的根长和株高未受到显著影响，但产量下降了54.62%。赵丽娟等[10]研究发现，土壤中的Cd2+质量分数在5 mg/kg 时即可引起菠菜幼苗叶绿素含量的显著下降。

玉米是典型C4 植物，CO2的固定还原分别在叶肉细胞和维管束鞘细胞中进行，研究发现，Cd2+不仅影响玉米光合器官发育，还可以破坏光合结构，并通过抑制光化学反应降低玉米光合效率[11]。VACULÍK 等[12]分别用5，50 μmol/L 的Cd2+处理玉米幼苗10 d，发现叶肉细胞结构和叶绿体超微结构未受到影响，但玉米叶鞘细胞和叶绿体类囊体发生解体；当Cd2+浓度为80 μmol/L 时，叶片光合色素含量降低15%～30%[13]，推测其可能的原因是Cd2+的吸收抑制了Fe 摄入，从而使铁氧化还原蛋白减少，影响了光诱导的氧化还原反应，导致叶绿素生物合成受损[14]。ANJUM等[15]用225，300，375 μmol/L的Cd2+处理玉米，结果表明，成熟期的玉米叶绿素a、叶绿素b 含量和净光合速率都呈下降趋势。植物光合速率由光反应和暗反应2 个阶段共同决定，经过Cd2+处理后，玉米品种3223 和3299 的Fv/Fm 值分别比空白组下降24%和16%，Cd2+对玉米光化学反应胁迫存在品种之间的差异[16]。

植物对环境的胁迫最直观的反应表现在形态，但往往滞后于生理反应，一旦伤害造成，则难以恢复[17]。叶绿素荧光与植物的光合作用反应过程紧密相关，因此，Cd2+对红芸豆幼苗的影响可以通过叶绿素荧光诱导曲线反映出来。在本试验中，红芸豆幼苗的光合速率虽然在低浓度Cd2+的胁迫下出现了暂时性的恢复，但是随着土壤中Cd2+浓度的增加和胁迫时间的增加，总体仍呈现出下降的趋势，由此可见，土壤中富集的Cd2+会对红芸豆的光合系统产生一定的破坏作用。