汞胁迫对4个草坪草品种幼苗生长及汞富集能力的影响
2020-12-10杜建雄李剑峰张淑卿周照悠
杜建雄,李剑峰,张淑卿,周照悠
(1.贵州财经大学 公共管理学院,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】贵州是我国汞(Hg)矿主要地区[1],全省40余个县市有汞矿存在,长期开采导致贵州汞矿区周边环境中的汞污染日趋加重,严重超出了当地土壤环境的承载能力,因此,科学合理有效解决当地土壤汞污染问题具有重要的现实意义。【前人研究进展】近年来,植物修复技术已广泛应用于水体、土壤的重金属污染修复[2],形成了一批汞、镉和砷等重金属污染修复技术[3]。草坪草能形成地被草坪减少污染物通过淋溶进入水体[4],对重金属污染胁迫有一定限度的耐受和富集能力[5],与其他修复植物相比具有不进入食物链,无食品安全风险的优点,是用于汞矿地区生态植被恢复较为理想的植物材料之一。【本研究切入点】到目前,有关草坪草对铜、铅等重金属富集效应的研究报道较多[6],但有关汞胁迫对草坪草发芽、幼苗生长及草坪草对汞富集能力的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】通过发芽试验和土培盆栽试验模拟不同程度的汞胁迫环境,探讨汞胁迫对黑麦草(LoliumperenneL.)等4个草坪草种子萌发和幼苗生长的影响,以及草坪草对汞离子的富集能力,以期为汞污染土壤的植物修复提供草坪草植物材料。
1 材料与方法
1.1 材料材料
1.1.1 供试草坪草 分别为多年生黑麦草马达(Motor),一年生黑麦草盛宴(Feast),紫羊茅派尼(Pernille)和传奇(Legend),4个草坪草种子于2016年3月购自百绿(中国)集团,种子净度98 %。
1.1.2 试验土壤 采集于贵州省贵阳市乌当区贵州师范学院校内实验地的普通田土,土质为棕黄壤,取土深度0~20 cm,土壤pH 6.7,速效氮125.6 mg/kg,速效磷46.3 mg/kg,速效钾92.8 mg/kg,Hg2+背景值0.72 mg/kg。去杂质后80 ℃烘干1.5 h,混匀后过0.15 mm筛备用。
1.2 试验设计
1.2.1 发芽试验 参照文献[7]的方法进行发芽试验,在9 cm培养皿底部垫双层滤纸,设Hg2+浓度梯度0、30、60、90、120和150 mg/L,每个培养皿分别以蒸馏水配制各梯度浓度的HgCl2溶液20 mL,标记液面后每天补充蒸馏水,在25 ℃生化培养箱内进行发芽实验。每个培养皿放置100粒饱满种子,每个处理重复3次。24 h后每日记录发芽数,直至无新发芽种子为止。
1.2.2 盆栽试验 选用口径9 cm、底径6 cm、高8 cm的塑料花盆。土壤Hg2+浓度梯度0、25、50、75和100 mg/kg。各取过筛土壤测定最大持水量后与对应用量HgCl2粉末混合均匀后装于高12 cm的小盆内。每盆取10粒种子均匀放置于土表,并覆盖处理土壤5 mm,使每盆栽土壤总重420 g,每个处理设置4组盆栽作为4次重复,每组10盆,每盆配置单独的托盘。为防止汞离子淋失,每5 d以差量法称量盆栽重量,用蒸馏水补充至盆栽最大持水量的70 %[9]。
1.3 指标测定
1.3.1 发芽率等 发芽试验按国际统一标准每天统计发芽种子数,第10天测定胚根长度,第14天测定苗长。并按以下公式计算出发芽率、发芽势[8]、发芽指数以及活力指数。盆栽试验每5 d统计1次出苗数和成活植株数,处理30 d后计算出苗率和成活率,取出植株,测定株高及生物量。
活力指数(Vi)=Gi×S
生长势(S)=苗长+胚根长度
式中,n为前7 d发芽种子数,N为种子总数,Gt为第t天发芽数,Dt为天数。
1.3.2 土壤和植物含汞量 用王水-水浴消解,以原子荧光分光光度法(GB/T 22105.1-2008)[10]测定盆栽30 d后根际土壤及非根际土壤的汞含量。植物样品用自来水冲洗干净,再用蒸馏水淋洗后以硝酸-高氯酸法消煮,以原子荧光分光光度法测定汞含量[10]。分别计算各草坪草品种的植株体内富集系数。
1.4 数据分析
用软件Excel 2007整理数据并制图,以统计软件SPSS 13.0用Duncan法进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 汞胁迫下4个草坪草品种种子的发芽情况
2.1.1 发芽率 在不同Hg2+浓度胁迫下,4个草坪草种子的发芽率存在明显差异。随着Hg2+浓度上升,除派尼在30 mg/L浓度下发芽率略有升高,且与空白对照差异不显著外,传奇、盛宴和马达的发芽率均呈下降趋势,其中马达下降趋势最为明显。Hg2+浓度60~150 mg/L胁迫下,盛宴和马达的发芽率迅速下降,并显著(P<0.05,下同)低于派尼和传奇。当Hg2+浓度达120 mg/L胁迫下,盛宴和马达的发芽率已趋于0,表明这2个品种对该浓度胁迫无法耐受。在Hg2+浓度150 mg/L胁迫下,派尼、传奇的发芽率为31.33 %和26.76 %,显著高于盛宴和马达的发芽率,其中派尼的发芽率受汞离子影响最小。在试验浓度范围内,种子发芽率为派尼>传奇>盛宴>马达(图1)。
2.1.2 发芽势 4个草坪草种子的发芽势均随Hg2+浓度上升而下降,派尼和传奇的发芽势下降趋势较缓。Hg2+浓度30 mg/L胁迫下派尼的发芽势较对照高1.00 %,表明低浓度Hg2+能刺激种子发芽。当Hg2+浓度达120 mg/L时,盛宴和马达的发芽势趋于0,此时派尼和传奇的发芽势分别为43.76 %和41.00 %。当Hg2+浓度达150 mg/L时,派尼和传奇的发芽势仍保持在30 %左右,可见汞胁迫对盛宴、马达发芽势的影响明显大于派尼和传奇(图1)。
2.1.3 发芽指数 随着Hg2+浓度升高,4个草坪草品种的发芽指数均呈下降趋势。在Hg2+浓度0~60 mg/L胁迫下,4个品种的下降趋势相似,其中盛宴的降幅最为平缓。Hg2+浓度大于60 mg/L时,盛宴的发芽指数急剧下降,表明盛宴对Hg2+的耐受度较低。当Hg2+浓度达120 mg/L时,盛宴和马达均无法萌发。Hg2+浓度达150 mg/L时,派尼、传奇的发芽指数分别为7.78和6.78,表明紫羊茅品种发芽率受汞胁迫的影响显著小于多年生黑麦草和一年生黑麦草。
2.1.4 活力指数 随着Hg2+浓度升高,4个草坪草品种种子的活力指数均呈下降趋势。Hg2+浓度在0~60 mg/L时,4个草坪草种子的活力指数随Hg2+浓度升高呈近似一致的下降趋势。Hg2+浓度高于60 mg/L时,盛宴的活力指数急速下降,其余草坪草下降平缓。Hg2+浓度在90~120 mg/L时,盛宴和马达的活力指数逐渐趋于0,而派尼、传奇分别为504.07和620.80。Hg2+浓度达150 mg/L时,派尼、传奇的活力指数分别为288.91和242.25。表明,派尼的种子活力受汞胁迫的影响最小,传奇其次,而盛宴和马达则受到严重抑制(图1)。
2.2 汞胁迫下4个草坪草品种种子的出苗率和成活率
从图2看出,汞胁迫对4个草坪草种子的出苗率和成活率均有抑制作用,Hg2+浓度100 mg/kg下抑制最明显。Hg2+浓度25 mg/kg下,派尼的出苗率显著低于对照组,为87.75 %。Hg2+浓度50~70 mg/kg时,传奇和马达的出苗率下降显著,派尼呈上升趋势,但差异不显著,且均低于空白对照。Hg2+浓度100 mg/kg时,4个草坪草品种种子的出苗率均显著下降,马达的出苗率最低,为21 %;盛宴的最高,为40.50 %。
4个草坪草种子的幼苗成活率随Hg2+浓度升高的变化趋势与出苗率相近,Hg2+浓度0~75 mg/kg时,派尼的成活率先降后升,在浓度25 mg/kg时最低,为87.75 %,与其余浓度组差异不显著。盛宴的成活率变化不显著,传奇和马达的成活率从50 mg/kg处理开始显著下降。当Hg2+浓度达100 mg/kg时,4个草坪草的成活率均急剧下降,与出苗率相对应,成活率为盛宴>派尼>传奇>马达,分别为34.25 %、30.50 %、22.75 %和18.50 %。
图1 不同浓度Hg2+胁迫下4个草坪草种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数Fig.1 Germination rate,germination potential,germination index and activity index of the four turfgrass cultivars under different concentration Hg2+ stress
不同小写字母表示同一品种不同处理间差异显著(P<0.05),下同 Different lowercase letters indicated that the same cultivars had significant differences under different concentration Hg2+ stress(P<0.05). The same as below图2 不同浓度Hg2+胁迫30 d后4个草坪草种子的出苗率和成活率Fig.2 Emergence rate and survival rate of the four turfgrass cultivars under different concentrations Hg2+ stress for 30 days
2.3 汞胁迫下4个草坪草品种的株高与生物量
2.3.1 株高 4个草坪草品种的株高均随Hg2+浓度升高呈下降趋势。在Hg2+浓度0~100 mg/kg下,盛宴的株高差异显著,在相同浓度下盛宴的株高均高于其余品种。Hg2+浓度25 mg/kg下,4个草坪草品种的生长受到明显抑制,株高均显著低于对照。派尼和传奇在Hg2+浓度50 mg/kg下的株高与25、75 mg/kg下的株高差异均不显著,但在Hg2+浓度25与75 mg/kg处理间的株高差异显著。Hg2+浓度达100 mg/kg时,盛宴、派尼、马达、传奇的株高分别为4.37、3.05、2.82和2.58 cm。表明,在100 mg/kg Hg2+浓度下,4个草坪草品种幼苗的生长均受到严重抑制,其中盛宴受汞胁迫的影响相对较小(图3)。
2.3.2 生物量 汞胁迫明显降低4个草坪草品种的生物量,且鲜重和干重均随Hg2+浓度的升高而持续下降。在Hg2+浓度0~50 mg/kg时鲜重下降显著,干重下降相对平缓。当Hg2+浓度高于50 mg/kg时,4个品种的鲜重和干重均显著下降。在不同Hg2+浓度下,4个品种的鲜重和干重变化趋势略有不同,这可能与植株含水量有关。总体看,除Hg2+浓度25 mg/kg处理外,盛宴在不同浓度Hg2+胁迫下的生物量均高于其余品种(图3)。
2.4 草坪草根际土壤的汞含量
Hg2+相同浓度处理下,根际土壤中汞含量越低,表明该植物对汞的富集能力越强。从表1看出,种植4个草坪草品种后土壤的汞离子含量均明显下降,其中,传奇根际土壤在Hg2+浓度50和100 mg/kg处理下的汞浓度降幅分别到达69.36 %和34.20 %,表明传奇的汞富集能力显著高其余品种,适用于中高浓度汞污染土壤的修复。当Hg2+浓度25 mg/kg处理下,盛宴根际土壤的汞离子含量降幅达74.44 %,在4个品种中降幅最高,表明该草坪草适用于低浓度Hg2+土壤的修复。
2.5 草坪草植株体内的汞积累量及富集系数
从表2看出,4个草坪草品种在Hg2+浓度75 mg/kg胁迫下均具有较高的汞富集量,其中,马达对Hg2+的富集能力最强,显著高出其余品种,增幅为18.27 %~44.62 %;盛宴其次,传奇和派尼的汞积累量最低。富集系数为马达>盛宴>派尼>传奇。
图3 不同浓度Hg2+胁迫30 d后4个草坪草品种的株高及鲜重与干重Fig.3 Plant height,fresh weight and dry weight of turfgrass cultivars under different concentrations Hg2+ stress for 30 days
表1 不同浓度Hg2+胁迫下草坪草生长30 d后根际土壤汞含量
表2 不同浓度Hg2+胁迫下草坪草生长30 d后的汞积累量及富集系数
3 讨 论
在耐汞草坪草品种筛选中,发芽率、发芽势、发芽指数、出苗率、成活率和生物量指标是衡量植株种子和幼苗是否在汞胁迫下具有基本生存能力的重要参数,发芽势在一定程度上反映种子的抗胁迫能力[11-16]。从参试4个草坪草品种种子的萌发状况看,与对照相比,随着Hg2+浓度升高,发芽率、发芽势和发芽指数均呈线性下降趋势。表明,各参试草坪草品种种子受到Hg2+胁迫,导致其发芽的生理过程受到不同程度抑制。种子活力与种子发育、成熟、萌发及种子贮藏寿命和劣变等生理过程有密切联系,活力指数能较全面地反映种子萌发率及幼苗生长的潜在能力,可用于评价种子对干旱等胁迫的响应[17-19]。4个草坪草品种种子活力指数呈对数趋势下降,Hg2+浓度在0~60 mg/L时下降趋势大体一致,Hg2+浓度大于60 mg/L时活力指数变化差异较大,说明草坪草不同品种耐汞能力存在很大差异。低浓度Hg2+可促进派尼发芽,Hg2+浓度大于30 mg/L时起抑制作用。当Hg2+浓度达120 mg/L时,盛宴和马达的耐受性达到极限,此时派尼及传奇的发芽率仍为31.33 %和26.76 %。可见在Hg2+浓度0~150 mg/L,4个草坪草种子耐Hg2+能力有差异,其种子萌发率为派尼>传奇>盛宴>马达。综合看,多年生黑麦草马达和一年生黑麦草盛宴在高浓度汞胁迫下的萌发能力明显弱于紫羊茅派尼和传奇,也进一步证实多年生黑麦草、一年生黑麦草与紫羊茅的耐汞胁迫能力存在较大差异,与吴亮等[20]在水稻品种上的研究结果相似,即不同水稻品种的铅汞耐性和富集能力存在明显差别。
从幼苗生长指标看,Hg2+浓度在0~100 mg/kg时,盛宴的出苗率、成活率、株高、生物量均高于其余3个品种,其幼苗长势最好。马达的出苗率、成活率和株高最低,但其生物量仅次于盛宴。盛宴幼苗对Hg2+胁迫具有良好的抗性,表明盛宴种子在Hg2+胁迫下经过发芽阶段耐汞锻炼后存活的植株生长适应能力有所提升。紫羊茅派尼的出苗率、成活率、株高仅次于盛宴,但其生物量低于传奇,表明不同草坪草品种苗期耐Hg2+能力存在较大差异,与本身耐Hg2+能力及后天环境中耐汞锻炼有关。综合看,一年生黑麦草盛宴幼苗的表观耐Hg2+能力最佳,其次是多年生黑麦草马达,紫羊茅2个品种的耐汞能力最弱,经含汞溶液胁迫锻炼后幼苗植株有较好的潜力用于汞污染土壤的草坪建植。
从对Hg2+的富集能力看,在低浓度汞污染土壤(25 mg/kg)中,一年生黑麦草盛宴对汞离子的富集能力显著高于其余3个品种,与其在苗期植株生长适应能力基本一致,Hg2+浓度50和100 mg/kg处理下紫羊茅传奇根际的土壤Hg2+浓度显著低于其余3个品种,表明该品种在中高浓度Hg2+污染土壤的富集能力强。Hg2+浓度75 mg/kg处理下多年生黑麦草马达的富集系数最高,即对Hg2+的富集能力最强,紫羊茅派尼的富集能力最弱。该结果略低于赵甲亭等[21]在万山汞矿地区收集的富集汞的野生植物,但同样表现出良好的富集汞作用。
4 结 论
研究结果表明,不同浓度Hg2+胁迫对参试4个草坪草种子的发芽有明显抑制作用,即Hg2+浓度升高胁迫程度加强,导致发芽率、发芽势、发芽指数、出苗率明显下降。同时Hg2+胁迫对幼苗生长产生明显的抑制作用,即Hg2+浓度升高幼苗的出苗率、成活率、株高、生物量明显降低,品种不同抑制程度存在差异。Hg2+低浓度环境下,一年生黑麦草盛宴的富集能力最强,适合于低汞污染土壤的草坪草修复;中高浓度环境下,紫羊茅传奇的富集能力最强,适合中高汞污染土壤的草坪草修复。