4个草品种种子发芽及幼苗生长对汞胁迫的响应及汞富集能力

杜建雄,任尉香,李剑峰,张淑卿,周丕飞

(1.贵州财经大学 公管学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州师范大学 外国语学院，贵州 贵阳 550025；3.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，我国土壤汞污染情况越来越严重，农作物从汞污染土壤中富集一定量的汞，再通过食物链富集到人体内，造成伤害[1-5]。因此，探究常见地被植物草坪草及牧草对不同浓度汞胁迫的生长反应及汞富集能力，对汞矿区周边及其汞污染土壤的植物修复提供先锋植物具有重要的现实意义。【前人研究进展】土壤中汞往往通过植物根系的转运作用被转移至植物的根、茎、叶等部位，并在植物体内逐渐积累最终造成植物生长及生理功能受到不利影响，同时也会对植物光合作用及各种酶活性等生理活动造成严重影响[6]，当汞浓度过高时会直接导致植物死亡[7]。【本研究切入点】多数草本植物对Hg2+有一定的抵抗能力，可在水肥条件不利的环境下以及重金属高污染土壤中维持生长。一些具有重金属超富集能力的草坪草、牧草能通过不断的刈割将土壤中的重金属富集转移出污染土壤，从而达到土壤修复的目的。目前，有关草坪草、牧草在汞胁迫环境下的生长及其对汞富集的相关研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】基于此，对前期研究筛选出的3个草坪草品种和1个牧草品种进行发芽试验及土培盆栽试验，探究4个草品种在不同浓度汞胁迫处理下种子发芽及幼苗生长态势和对汞的富集情况，筛选出抗汞胁迫和汞富集能力较强的品种，旨在为汞污染土壤植物修复的先锋植物选择提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试草品种 供试品种为3个草坪草品种和1个牧草品种。3个草坪草品种分别为多花生黑麦草(LoliummultiflorumLam.)的盛宴(Feast)，紫羊茅(FestucarubraL.)的派尼(Pernille)和传奇(Legend)，牧草品种为多年生紫花苜蓿(MedicagosativaL.)的金黄后(Golden empress)。4个草品种种子均由贵州师范学院喀斯特生境土壤与环境生物修复研究所提供，供试种子净度均>98%。

1.1.2 供试土壤 调查显示，贵州铜仁万山汞矿区附近土壤总汞含量为790 mg/kg[8]。因此，在贵州铜仁万山汞矿区周边附近选4个采集点采集土壤样品，用于土培试验。土壤1：距炼矿区约650 m的长期耕种土；土壤2：距炼矿区约500 m的新耕地；土壤3：距排矿口20 m的玉米地；土壤4：距排矿口30 m的荒地；土壤0(CK)：贵州师范学院宝珠山采集点取地表下0～20 cm的土壤。土壤样品去杂质，于120 ℃烘1.5 h后碾碎，过1 mm筛备用。土壤样品理化性质及Hg2+浓度见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 汞胁迫发芽试验 试验于2017年4月进行，设置0、30、60、90、120、150和180 mg/L 7个梯度Hg2+浓度处理，对4个草品种种子进行培养皿纸上(TP)发芽试验。发芽温度25～30 ℃，每个培养皿取100粒用蒸馏水冲洗干净的种子，每个处理重复3次。按GB/T 3543.4—1995规定，每天统计发芽数，第7天测定胚根长度和苗长。

1.2.2 汞胁迫土培盆栽试验 试验于2017年4月进行，将采集的不同浓度Hg2+土壤样本作为5个处理梯度，按150 g/盆的标准将土装入直径6 cm、高8 cm的花盆。取100粒用蒸馏水冲洗干净的种子均匀散播于花盆土表，覆0.5 cm相应备用土壤，浇透水，每个处理重复5次，第15天统计出苗数，观察出苗情况。第30天取样测定各项生长指标。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.3 测定项目与方法

1.3.1 发芽指标 计算发芽率、发芽势、发芽指数以及活力指数[9]。

发芽率(Gp)=n/N×100%

发芽势(Gv)=n1/N×100%

发芽指数(Gi)=∑(Gt/Dt)

生长势(S)=苗长+胚根长

活力指数(Vi)=Gi×S

式中，n为发芽第7天的发芽种子数，n1为种子发芽第4天的发芽种子数，N为供试种子总数量，Gt为第t天的发芽数，Dt为天数。

1.3.2 幼苗生物量指标 出苗30 d后每处理随机选取5株幼苗，测量株高、单株根长、单株鲜重和单株叶面积。株高：将经蒸馏水冲洗干净的幼苗平铺于玻璃平板上，用直尺测定幼苗的自然高度，取平均值；单株根长：用镊子将幼苗根系拉直，测定主根长度，取平均值；单株鲜重：将幼苗用清水冲洗干净后再用滤纸将水分吸干，分地上部分和地下部分，用精度为1×10-5g的电子天平称取地下单株鲜重、地上单株鲜重；单株叶面积：将清水洗干净并用滤纸吸干表面水分的单株幼苗叶片，放在已知面积的坐标纸上展平并扫描，采用Photoshop软件分析获得叶片像素和坐标纸像素，通过像素之比得到叶面积。

1.3.3 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4个草品种的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后蒸馏水淋洗，硝酸-高氯酸法消煮，原子荧光分光光度法测定Hg含量。计算各草品种的汞富集系数。

1.4 数据分析

利用Excel 2007对原始数据进行整理并制图，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。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Hg2+胁迫4个草品种种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数

2.1.1 发芽率 随Hg2+浓度升高，4个草品种的发芽率均呈下降趋势(图1)，其中，盛宴和金皇后的发芽率下降幅度较小，而传奇和派尼的下降幅度较大。当Hg2+浓度为180 mg/L时，派尼、传奇、金皇后、盛宴的发芽率较各自对照分别下降47.78%、44.67%、11.56%和2.06%。Hg2+浓度为150 mg/L时，派尼、传奇、金皇后、盛宴的发芽率较各自对照分别下降47.10%、50.85%、10.67%和2.06%，传奇的发芽率降幅最大。Hg2+浓度为120 mg/L时，派尼、传奇、金皇后、盛宴的发芽率较各自对照分别下降38.23%、16.49%、7.1%和1.34%。Hg2+浓度≤90 mg/L时，只有派尼和传奇的发芽率降幅较大，而金皇后和盛宴的发芽率下降甚微。4个草品种种子的发芽率受Hg2+胁迫程度为传奇>派尼>盛宴>金皇后。

2.1.2 发芽势 随Hg2+浓度升高，4个草品种种子的发芽势均呈下降趋势，其中，传奇和派尼的发芽势较盛宴和金皇后的下降明显。当Hg2+浓度为180 mg/L时，传奇和派尼的发芽势较各自对照下降47.12%和55.12%，而盛宴和金皇后的发芽势较各自对照分别下降2.37%和16.67%。Hg2+浓度为150 mg/L时，传奇和派尼的发芽势较各自对照下降51.44%和50.52%，盛宴和金皇后的发芽势略有下降。Hg2+浓度为120 mg/L时，传奇和派尼的发芽势较各自对照下降26.62%和42.04%。当Hg2+浓度≤90 mg/L时，传奇和派尼的发芽势较各自对照下降幅度分别为22.30%和25.44%，而盛宴和金皇后的发芽势较各自对照下降甚微。4个草品种种子发芽势受Hg2+胁迫程度为派尼>传奇>金皇后>盛宴。

2.1.3 发芽指数 随Hg2+浓度升高，除金皇后外其余3个品种的发芽指数均明显下降，其中传奇和派尼的发芽指数较盛宴的下降更明显。当Hg2+浓度为180 mg/L时，派尼、传奇、盛宴、金皇后的发芽指数较各自对照分别下降54.80%、42.99%、16.20%和10.55%。Hg2+浓度为150 mg/L时，派尼、传奇、盛宴、金皇后的发芽指数较各自对照分别下降55.10%、46.58%、11.28%和10.47%。当Hg2+浓度≤120 mg/L时，传奇和派尼的发芽指数下降较盛宴和金皇后明显，其中派尼的发芽指数下降幅度最大，较对照下降46.87%。4个品种的发芽指数受Hg2+胁迫程度派尼>传奇>盛宴>金皇后。

2.1.4 活力指数 随Hg2+浓度升高，4个品种的种子活力指数均呈下降趋势，其中金黄后的降幅最小，派尼降幅最大。当Hg2+浓度为180 mg/L时，派尼、传奇、盛宴、金皇后的活力指数较各自对照分别下降94.19%、92.88%、74.05%和40.21%。Hg2+浓度为150 mg/L时，派尼、传奇、盛宴、金皇后的活力指数较各自对照分别下降92.21%、94.92%、54.46%和35.32%。Hg2+浓度为120 mg/L时，派尼、传奇、盛宴、金皇后的活力指数较各自对照分别下降91.38%、75.99%、63.53%和6.60%。当Hg2+浓度≤90 mg/L时，4个品种的种子活力指数降幅较高浓度汞胁迫处理时的降幅明显减少，综合推测，4个品种的种子活力指数受Hg2+胁迫程度为派尼>传奇>盛宴>金皇后。

2.2 不同浓度Hg2+胁迫4个草品种的出苗率与株高

2.2.1 出苗率 随Hg2+浓度升高，盛宴、金皇后和派尼的出苗率呈下降趋势(图2)，而传奇的出苗率整体呈升高趋势。盛宴在土壤1、土壤2、土壤3的出苗率较CK下降不明显，只有土壤4的出苗率较CK较下降17.09%。金皇后在土壤1、土壤2、土壤4的出苗率较CK分别下降32.23%、29.33%和36.51%。派尼在土壤1、土壤2、土壤3、土壤4的出苗率较CK分别下降23.22%、26.57%、7.95%和7.95%。传奇在土壤1和土壤3的出苗率较CK分别升高20.71%和24.59%。由此可见，在同等条件下，4个草品种受Hg2+胁迫程度为金皇后>派尼>盛宴>传奇。

2.2.2 株高 随Hg2+浓度升高，4个草品种的株高整体呈先升后降趋势，且都以土壤2的株高达最高水平。盛宴只有土壤2的株高较CK变化明显，较CK高42.98%，土壤1、土壤3和土壤4的株高均较CK变化不明显。金皇后在土壤1、土壤2、土壤3和土壤4的株高分别较CK升高87.14%、76.89%、99.63%和33.20%。派尼在土壤2和土壤4的株高均较CK变化明显，土壤2的株高较CK高33.95%，土壤4的株高较CK下降28.01%。传奇在土壤1、土壤2、土壤3和土壤4的株高均较CK变化不明显。由此可见，在同等条件下，4个草品种受Hg2+胁迫程度为派尼>盛宴>传奇>金皇后。

2.3 不同浓度Hg2+胁迫4个草品种的根长、鲜重和叶面积

2.3.1 单株根长 随Hg2+浓度升高，盛宴的根长呈持续下降趋势(图3)，金皇后呈持续上升趋势，传奇呈先降后升趋势，而派尼呈先升后降趋势。盛宴在土壤1、土壤3和土壤4的根长较CK分别下降35.07%、64.51%和33.61%。金皇后在土壤3和土壤4的根长较CK分别升高49.28%和56.43%。派尼在土壤1、土壤2和土壤4的根长较CK分别升高98.86%、220.04%和134.59%。传奇在土壤1、土壤2、土壤3和土壤4的根长与CK相比无明显变化。由此可见，在同等条件下，4个草品种的根长受Hg2+胁迫程度依次为盛宴>派尼>金皇后>传奇。

2.3.2 单株鲜重 随Hg2+浓度升高，盛宴、金皇后和派尼的鲜重呈先升后降趋势，传奇鲜重呈先降后升趋势。盛宴在土壤2的鲜重较CK高84.62%，其他3个处理的鲜重较CK变化不显著。金皇后在土壤2和土壤3的鲜重较CK分别升高110.53%和121.05%。传奇在土壤2的鲜重较CK下降49.91%。派尼的鲜重在各处理间差异不显著。由此可见，在同等条件下，4个草品种的鲜重受Hg2+胁迫程度依次为派尼>传奇>盛宴>金皇后。

2.3.3 单株叶面积 随Hg2+浓度升高，盛宴和派尼的叶面积呈先升后降趋势，金皇后呈持续升高趋势，传奇呈持续下降趋势。盛宴在土壤2的鲜重较CK高145.36%，其他3个处理较CK无明显变化。金皇后在土壤1、土壤3和土壤4的叶面积较CK分别高30.19%、49.06%和39.62%。传奇在土壤1、土壤2、土壤3和土壤4的叶面积较CK分别下降38.31%、40.26%、46.75%和55.19%，派尼在土壤2和土壤4的叶面积较CK发生明显变化，其中土壤2的叶面积较CK高136%，土壤4的叶面积较CK下降47%。由此可见，在同等条件下，4个草品种的叶面积受Hg2+胁迫影响程度依次为派尼>传奇>盛宴>金皇后。

表2 不同浓度Hg2+土壤下4个草品种植物体内的汞积累量

2.4 不同浓度Hg2+胁迫4个草品种的汞积累量及汞富集系数

2.4.1 汞积累量 由表2可见，在不同浓度Hg2+胁迫条件下，整体上4个草品种地下部分的汞积累量大于地上部分，但4个品种在个别Hg2+浓度处理下的汞积累量却呈现出地上部分大于地下部分的情况，如盛宴在土壤4、金皇后在土壤3、传奇在土壤2和土壤3、派尼在土壤2的地上部分汞积累量大于地下部分。随Hg2+浓度升高，4个草品种地下部分的汞积累量逐渐下降。在土壤1中，4个品种单株汞积累量为金黄后(8.21 mg/kg)>盛宴(3.59 mg/kg)>传奇(2.70 mg/kg)>派尼(1.19 mg/kg)，土壤2中为金黄后(6.68 mg/kg)>传奇(3.83 mg/kg)>派尼(2.96 mg/kg)>盛宴(2.41 mg/kg)，土壤3中为金黄后(10.34 mg/kg)>盛宴(1.775 mg/kg)>传奇(1.76 mg/kg)>派尼(0.65 mg/kg)，土壤4中为金黄后(4.4 mg/kg)>传奇(2.96 mg/kg)>盛宴(1.62 mg/kg)>派尼(0.80 mg/kg)。总体看，4个草品种单株汞积累量表现为金皇后最高，盛宴和传奇居中，派尼最少。

2.4.2 汞富集系数 由表3可见，随Hg2+浓度升高，4个草品种的地上部分和地下部分的汞富集系数均呈下降趋势。除个别品种在个别土壤处理下的地上部分汞富集系数大于地下部分外(如金皇后在土壤3、传奇在土壤2和土壤4、派尼在土壤2和土壤3)，总体上看，4个草品种地下部分汞富集系数均高于地上部分。在土壤 1中，4个草品种的地下部分和地上部分的汞富集系数大小均为金皇后>盛宴>传奇>派尼。在土壤 2中地下部分的汞富集系数大小为金皇后>盛宴>传奇>派尼，而地上部分的汞富集系数大小为传奇>派尼>金皇后>盛宴。在土壤 3中，地下部分的汞富集系数大小为金皇后>传奇>盛宴>派尼，地上部分的汞富集系数大小为金皇后>盛宴>传奇>派尼。在土壤4中，地下部分和地上部分的汞富集系数大小均为金皇后>传奇>盛宴>派尼。总体看，在同等土壤条件下，金皇后对汞的富集能力最强，盛宴和传奇次之，派尼最弱。

3 讨 论

汞是我国土壤污染的五种常见重金属污染物之一，其能通过植物富集作用转移到植物体内，当植物体内汞积累到一定程度后，引起植物体内代谢紊乱，严重影响植物的生长发育[11-14]。已有研究表明，低浓度汞胁迫能促进植物种子萌发及幼苗生长，显示出一定的增效性，当汞胁迫浓度升高到一定水平时植物种子萌发及幼苗生长开始受到严重抑制，如0.02～0.04 mmol/L低浓度HgCl2提高芝麻种子的发芽率和发芽势，当HgCl2浓度高于0.04 mmol/L时芝麻种子发芽开始受到明显抑制[15]；再如0.01 mmol/L HgCl2能提高棉花种子发芽率和根系活力，当HgCl2浓度高于0.10 mmol/L时棉花种子发芽及幼苗生长开始明显受抑制，尤其HgCl2浓度达0.50 mmol/L水平时棉花种子萌发及幼苗生长受抑制程度最明显[15]。本研究中，随Hg2+浓度升高(0～180 mg/L)，传奇和派尼的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均明显下降，盛宴和金皇后的发芽率、发芽势变化不大；当Hg2+浓度<30 mg/L时，盛宴的活力指数较CK明显下降(P<0.05)，金皇后的发芽指数、活力指数出现增效效应，与林必博等[15-16]的研究结果一致，原因可能是低浓度Hg2+可提高胚的生理活性，进而促进萌发；而高浓度Hg2+抑制种子内贮藏的淀粉和蛋白质的分解，从而影响种子萌发所需要的物质，致使种子萌发受到抑制，对胚、芽等产生伤害作用[17-19]。

表3 不同浓度Hg2+土壤下4个品种的汞富集系数

在本研究中，低浓度Hg2+(≤50 mg/kg)对金皇后、盛宴和派尼的株高、根长、鲜重、叶片面积有一定的促进作用，与刘明美等[20-21]对低浓度Pb胁迫下多花黑麦草和多年生黑麦草幼苗生长的研究结果高度一致，即低浓度Pb2+能促进多花黑麦草和多年生黑麦草幼苗生长。低浓度Hg2+在一定程度上能促进植物生长，4个草品种的幼苗株高、根长、鲜重较相应对照均有所增加，而高浓度Hg2+对出苗率、株高、根长、鲜重产生明显的抑制作用。4个草品种的叶面积在4个Hg2+浓度处理下均有明显下降。土培部分试验结果与液培发芽试验结果有部分出入，可能受土培试验的各个处理中的N、P、K、有机质含量以及土质的影响，每种植物对营养物质的要求不同而致。

富集系数是评价植物富集能力的重要指标之一，数值越大，说明植物的对该重金属的富集能力越强[22]。本研究中，金皇后的汞富集系数最大，派尼的最小，盛宴只在高Hg2+浓度下小于传奇，金皇后、盛宴根系生物量大，生长速度快，且能深植土壤，对重金属离子具有较好的富集能力。值得注意的是，在Hg2+浓度较低的土壤1 (47 mg/kg)、土壤2 (50 mg/kg)、土壤3(79 mg/kg)处理下，金皇后、盛宴和传奇地下部分的汞富集系数均高于地上部分，在Hg2+浓度较高的土壤4 (181 mg/kg)处理下则是地上部分的汞富集系数高于地下部分，原因可能是高浓度Hg2+胁迫导致根部受损，富集到根部的汞不断转移积累到茎叶部，致使地上部分的汞富集系数高于地下部分。4个草品种的汞富集系数随Hg2+浓度升高而明显减小，与刘阳等[23]对4种牧草汞富集特性的研究结果一致。

4 结 论

对多花黑麦草(LoliummultiflorumLam.)的盛宴(Feast)、紫羊茅(FestucarubraL.)的派尼(Pernille)和传奇(Legend)3个草坪草品种及多年生紫花苜蓿(MedicagosativaL.)的金黄后(Golden empress)1个牧草品种种子进行芽期和苗期耐汞性试验，结果表明，随Hg2+浓度升高，4个草品种种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均不同程度下降，其中金皇后和盛宴的这4个指标较各自对照下降幅度较小，芽期表现出较强的抗汞胁迫能力。苗期耐汞性试验表明，随Hg2+浓度升高，4个草品种的出苗率、株高、根长、鲜重、叶面积不同程度地下降，Hg2+浓度越高，传奇和派尼的生长受抑制程度更大，而且低浓度Hg2+对金皇后、盛宴和派尼的生长有一定促进作用。汞富集研究表明，4个草品种的地下部分汞积累量高于地上部分，汞富集系数随Hg2+浓度的升高明显下降，推测金皇后的汞富集能力最强，盛宴和传奇的次之，派尼的最小。综合4个草品种的芽期、苗期汞耐受性及汞富集特性，4个草品种在不同浓度Hg2+胁迫下，金皇后和盛宴比派尼和传奇受到的伤害程度低，显示出较强的抗汞胁迫能力，同时，金皇后和盛宴具有较好的汞富集能力，可选择为汞污染土壤植物修复的先锋草品种。