镉、锌胁迫对黑麦草种子萌发及幼苗生长特性的影响

白哲 董馨岚

摘 要：通过盆栽试验，研究了不同浓度Cd（5、10、50、100、150 mg·kg -1）、Zn（50、100、400、600、800 mg·kg-1）对黑麦草种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明：在Cd、Zn胁迫下，黑麦草的发芽和生长指标均受到抑制作用，与重金属浓度呈负相关;黑麦草的发芽率和发芽势均在Cd浓度50、100、150 mg·kg-1及Zn浓度400、600、800 mg·kg-1的处理中表现出较强差异;芽长和根长均在Cd浓度150 mg·kg-1、Zn浓度800 mg·kg-1的处理中受到显著抑制;地上部和根系的生物量较对照下降，分别在Cd浓度50、100 mg·kg-1及Zn浓度600、800 mg·kg-1时受到最强抑制作用。总体来看，黑麦草对重金属Cd、Zn具有一定的耐受性。

关键词：镉;锌;黑麦草;种子萌发;幼苗生长

中图分类号：S543.6 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2020）12-0030-05

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2020.12.006

Effects of Cadmium and Zinc Stress on Seed Germination andSeedling Growth Characteristics of Lolium Perenne L.

BAI Zhe， DONG Xinlan

（Institute of Ecology， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang 321000， China）

Abstract： The effects of different concentrations of Cd （5， 10， 50， 100， 150 mg·kg-1） and Zn （50， 100， 400， 600， 800 mg·kg-1） on the seed germination and the seedling growth of Lolium perenne L. were studied by pot experiment. The results showed that： Under the stress of Cd and Zn， the germination and growth indexes of Lolium perenne L. were inhibited， which were negatively correlated with the concentration of heavy metals. The germination rate and germination potential of Lolium perenne L. showed strong differences under the treatment of Cd at concentrations of 50， 100 and 150 mg·kg-1 and Zn at concentrations of 400， 600 and 800 mg·kg-1. The length of buds and roots were both significantly inhibited under the treatment of 150 mg·kg-1 Cd and 800 mg·kg-1 Zn. And the the biomass of of shoot and root decreased compared with the control group， and suffered the strongest inhibition when the concentration of Cd was 50 and 100 mg·kg-1 while the concentration of Zn was 600 and 800 mg·kg-1. In general， Lolium perenne L. had a certain tolerance to the heavy metals of Cd and Zn.

Key words： Cadmium; Zinc; Lolium perenne L.; Seed germination; Seedling growth

隨着我国工业化进程的加速推进，我国耕地土壤中的重金属污染自20世纪80年代呈现出严重恶化的趋势。据2014年首次全国土壤污染状况调查报告显示，全国土壤环境状况不容乐观，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。据统计，我国镉（Cd）污染土壤面积已达20万km2，占总耕地面积的1/6[1]。镉虽为植物生长的非必需元素，但极易被植物体吸收，当植物体内镉元素积累达到一定程度会产生毒害作用，如阻碍植物根系的生长或抑制其水分和养分的吸收等[2]。锌（Zn）是植物生长必不可少的微量元素之一，但同时又属于重金属污染物。过量的Zn会导致植物代谢失衡，叶绿素合成受破坏，造成缺铁性失绿和生长发育上的障碍[3-4]。研究表明，土壤中特定浓度的重金属会显著抑制植物种子萌发、幼苗生长过程，此外还极易导致植物体内产生各类化学物质，严重危害作物生长发育[5]。

黑麦草是禾本科黑麦属多年生疏丛型草本植物，须根发达、生长快速、生物量较大，具有较强的适应能力及抗性，常在重金属污染土壤的植物修复研究中作为供试植物。目前，关于重金属Cd、Zn胁迫对黑麦草的种子萌发及幼苗生长的影响研究较少。因此，本研究以黑麦草种子为研究材料，模拟不同浓度的 Cd、Zn胁迫，探讨 Cd、Zn对黑麦草种子萌发及幼苗生长的影响，旨在为黑麦草在镉、锌污染土壤中的种植适宜性提供参考，并进一步探讨黑麦草作为土壤重金属污染修复植物的可能性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试植物黑麦草种子购自金华市小码头市场。挑选大小一致、籽粒饱满的种子用70%酒精消毒2 min，去离子水冲洗干净并用滤纸吸干水分备用。供试土壤采自浙江师范大学农田试验基地，采土深度为0～20 cm，将采集的土壤去除石块、草根后置于阴凉通风处自然风干，研磨后过孔径4 mm筛备用。CdCl2·2.5H2O和ZnSO4·7H2O为分析纯。

1.2 试验方法

试验于2019年9月在浙江师范大学生态研究所进行，采用人工控制性盆栽试验。根据查阅相关文献和我国国家环境土壤质量标准[1，5-6]，设置土壤Cd浓度为0（CK）、5（A1）、10（A2）、50（A3）、100（A4）、150（A5）mg·kg-1;Zn濃度为 0（CK）、50（B1）、100（B2）、400（B3）、600（B4）、800（B5）mg·kg-1，每个处理设3次重复。将配置好不同浓度梯度的Cd、Zn污染土壤分别装盆，盆高12 cm，直径10 cm，每盆装取0.5 kg土壤，播种30颗消毒处理后的黑麦草种子，置于温度25℃的恒温培养箱内进行培养，每天补充水分保证种子的正常发育。观察种子的发芽情况及幼苗的生长状况，并做好记录。

1.3 测定指标

1.3.1 种子萌发测定指标 依据（GB/T 3543.4-1995《农作物种子检验规程发芽试验》），从发芽次日开始，每天统计发芽种子数（以胚根突出种皮作为发芽标准），记录第4 d、第7 d种子发芽的数量及芽长。

发芽势（GE）（%）=（发芽初期4 d 内种子的发芽数/供试种子数）×100;

发芽率（GP）（%）=（7 d正常发芽种子数/供试种子数）×100。

1.3.2 幼苗形态指标 植物生长60 d后收获植株，测定幼苗生长指标。采用卷尺测量幼苗长度及根长。生物量干重测定方法为用滤纸吸干幼苗表面的水分，每处理随机选取生长较为一致的幼苗植株，置于干燥箱105℃条件下15 min，再于 80℃下烘至恒重后，分别称量地上部、地下部重量。

幼苗长度：胚轴与芽中间的过渡点到幼苗末端的长度;

根长：用直尺测量根颈以下到主根d≥0.05 cm处的长度，测定每个花盆植株的多数根长，取平均值。

1.4 数据处理

试验采用Excel 2010进行数据整理，SPSS 20.0软件进行数据统计分析，采用多重最小显著差异法（LSD，P<0.05）进行显著性差异检验，使用Origin 9.0制图。

2 结果与分析

2.1 镉、锌污染对黑麦草种子萌发的影响

由图1可知，在不同浓度的Cd胁迫下，黑麦草的发芽势和发芽率基本表现出随Cd浓度的上升而逐渐下降的趋势。在Cd浓度为A1（5 mg·kg-1）时，黑麦草种子的发芽势与对照相比差异不显著，说明该浓度设置下Cd胁迫对种子发芽势无显著影响;而在Cd浓度为A2～A5（10、50、100、150 mg·kg-1）时，发芽势较对照分别下降了18.14%、29.95%、40.08%和51.05%，差异达显著水平（P<0.05）。就发芽率而言，当Cd浓度为A3～A5（50、 100、150 mg·kg-1）时，Cd污染对黑麦草种子的发芽率表现出显著的抑制作用（P<0.05），分别下降12.79%、21.71%和33.33%，抑制作用随浓度的增高而增强。

如图2所示，在不同浓度的Zn胁迫下，黑麦草的发芽势和发芽率同样表现为随Zn浓度的上升而逐渐下降。当Zn浓度为B1（50 mg·kg-1 ）、B2（100 mg·kg-1）时，发芽势及发芽率与对照组相比差异不显著;而在Zn浓度为B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）时，与对照组相比，发芽势分别下降了23.63%、22.36%、37.55%，发芽率则分别下降了8.91%、15.5%、15.89%，均表现为显著差异（P<0.05）。

综上，黑麦草在较高浓度的Cd（A3～A5）、Zn（B3～B5）单一胁迫作用下，发芽指标均受到显著抑制。

2.2 镉、锌污染对黑麦草幼苗根长和芽长的影响

由图3可知，单一Cd胁迫下，黑麦草的芽长和根长基本表现为随Cd浓度的上升而逐渐下降。芽长较对照分别减少0.49（A1）、0.52（A2）、1.39（A3）、1.70（A4）、3.25（A5）cm，其中在Cd浓度为A5（150 mg·kg-1）时具有显著差异（P<0.05）。各Cd浓度处理均表现出对黑麦草根长的显著抑制作用（P<0.05），A1、A2、A3、A4、A5处理较对照分别减少1.53、2.33、2.79、3.38、3.67 cm。相比可知，黑麦草根长在单一Cd胁迫下表现出更显著的下降趋势。

如图4所示，黑麦草的根长和芽长在B1处理时较对照分别减少0.72 cm和0.41 cm，在B2处理时较对照分别增加0.52 cm和0.30 cm，差异均不显著。在B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）中高浓度Zn处理时，根长较对照减少1.38、1.84、2.65 cm，芽长较对照减少1.62、1.90、2.79 cm，且仅在Zn浓度为B5（800 mg·kg-1）时与对照差异显著（P<0.05）。

综上可知，在Cd 浓度为A5（150 mg·kg-1）及Zn 浓度为B5（800 mg·kg-1）处理时，黑麦草芽长及根长的生长受到严重抑制作用。

2.3 镉、锌污染对黑麦草生物量的影响

表1为黑麦草在不同镉（Cd）、锌（Zn）单一胁迫下地上部和根系的生物量。在A1～A5处理中，随着Cd浓度的增加，黑麦草的根系、地上部生物量均表现为下降，与对照差异显著（P<0.05），且在Cd浓度为A3（50 mg·kg-1）和A4（100 mg·kg-1）时较对照分别减少68.59%和30.90%，取得最小生物量。受Zn胁迫时，地上部生物量在不同浓度Zn作用下较对照分别减少11.41%（B1）、11.67%（B2）、20.16%（B3）、20.82%（B4）、38.73%（B5），并在B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）中高浓度Zn处理时表现出与对照差异显著（P<0.05）。根系生物量则在Zn浓度为B3（400

mg·kg-1）时出现小幅增加，在其他Zn浓度处理时均表现出下降趋势，且在Zn浓度为B4（600 mg·kg-1）、B5（800 mg·kg-1）时与对照差异显著（P<0.05），分别减少49.36%和67.95%。

3 讨论

种子萌发和幼苗生长期是植物对环境胁迫较为敏感的时期[7]，因此，生长在受重金属污染的土壤中的植物，种子能否萌发是衡量其对重金属是否具有一定耐受性的重要指标，可用发芽势、发芽率等进行评价[8]。张军等[9]研究重金属胁迫对超富集植物种子萌发特征的影响中发现，低浓度Cd会促进植物种子的萌发，高浓度Cd对植物的生长产生显著的抑制作用。本研究结果表明，不同浓度的Cd、Zn胁迫对黑麦草种子萌发及幼苗生长均具有不同的影响，当Cd、Zn处理浓度比较低时，不影响黑麦草种子的正常萌发过程，但在高浓度Cd、Zn胁迫下，黑麦草种子的萌发受到显著抑制作用。Cd 浓度为A3～A5（50、100、150 mg·kg-1）时，黑麦草的发芽率受到显著影响，浓度越高，受抑制作用越强。发芽势除Cd浓度为A1（5 mg·kg-1）处理外，均表现为较对照显著下降。在Zn胁迫下，黑麦草的发芽势和发芽率随Zn浓度的上升而逐渐下降，且Zn浓度在B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）时，随着Zn浓度越高，受抑制作用越强。由此可以得出，Cd、Zn胁迫对黑麦草的发芽能力均具有一定抑制作用，且中高浓度Cd、Zn显著影响黑麦草的发芽势和发芽率。这与王晨等[10]在研究重金属对黑麦草生理生化性质的影响结论相似。

在本试验结果中，黑麦草幼苗的芽长和根长在Cd胁迫下基本表现为随Cd浓度的上升而下降，且根长受到显著的抑制作用，這表明根系对重金属胁迫具有更强的灵敏性。在Zn胁迫下，黑麦草的幼苗长度在Zn浓度为B2（100 mg·kg-1）作用下出现了一定程度的增长，而在B5（800 mg·kg-1）高浓度Zn作用下呈现显著抑制作用，可能因为低浓度Zn对植物产生的刺激作用，表现为“低促高抑”现象[11]。植物种子细胞内活性氧自由基在低浓度Zn的刺激下升高，激发蛋白酶的活性，进而促进细胞加速分裂和增殖，从而促进植物的生长[12];而在高浓度Zn胁迫下，重金属通过表皮进入种子内部，干扰植物细胞中的核酸，诱发高活性氧自由基，导致过氧化现象，从而抑制幼苗生长[13]。可以看出，在Cd、Zn污染土壤中，黑麦草地上部和根系的生长均受到影响，其中根系对重金属胁迫的响应更加灵敏，这与王彦梅等的研究结果一致[14]。推测产生这种现象的原因可能是重金属能抑制根尖细胞有丝分裂，进而影响根系正常生长发育，因此植株根部受到污染物的伤害相较于其他部位更明显[15]植物在重金属胁迫环境中生物量的积累是其耐受能力的重要体现。在Cd胁迫下，黑麦草地上部和根系的生物量基本表现为较对照下降，生长受到显著影响，在A3（50 mg·kg-1）、A4（100 mg·kg-1）浓度作用时受抑制最强。在Zn胁迫下，黑麦草的地上部生物量随Zn浓度的上升而逐渐下降，在B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）浓度时与对照差异显著。根系生物量除在B3（400 mg·kg-1）时较对照差异不显著外，均表现为随Zn浓度的上升而逐渐下降，且在B4（600 mg·kg-1）、B5（800 mg·kg-1）处理与未受Zn胁迫处理差异显著。黑麦草在Zn胁迫下出现的地上部和根系生物量的不显著增加可能是由于受到了较低金属浓度的刺激作用[16]。

综合分析黑麦草在Cd、Zn胁迫下所得到的各项萌发与生长指标，认为其虽然受到了Cd、Zn金属一定的抑制作用，但在各浓度下仍能进行萌发和生长，体现了对Cd、Zn单一污染环境良好的耐受性。

4 结论

在Cd、Zn胁迫下，黑麦草的发芽势和发芽率、芽长和根长、地上部和根系生物量，均受到两种重金属的抑制作用，表现为随金属浓度的上升而逐渐下降。发芽指标在Cd浓度为A3～A5（50、100、150 mg·kg

-1）及Zn浓度为B3～B5（400、600、800 mg·kg-1）时与对照差异显著。芽长和根长均在A5（150 mg·kg-1）、B5（800 mg·kg-1）两个最高浓度处理中受到的抑制作用最强。地上部和根系的生物量较对照下降，分别在Cd浓度为A3（50 mg·kg-1）、A4（100 mg·kg-1）及Zn浓度为B4（600 mg·kg-1）、B5（800 mg·kg-1）时受到最强抑制作用。总体来看，黑麦草的种子萌发和幼苗生长受到Cd、Zn单一污染不同程度的影响，在高浓度处理时表现出与对照的显著差异。

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（责任编辑：陈文静）