几种寒旱区适生植物的镍耐性评价

2022-07-04张君霞何静苏世平黄海霞

甘肃农业大学学报 2022年2期

张君霞，何静，苏世平，黄海霞

(甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070)

对矿山复垦、重金属污染地进行植物修复，具有成本低、二次污染易掌控，且集绿化、防风固土和修复于一体，能够达到多效能治理的目的[1-2]。中国科学院地理科学与资源研究所陈同斌团队在国际上首次报道第1种砷超富集植物—蜈蚣草(PterisvittataL.)[3-4]，并成功应用于 As污染土壤的原位修复[5]；美国Viridian环境公司应用十字花科庭荠属Ni超富集植物Alyssummurale和Alyssumcorsicum，有效地富集了加拿大Ontario污染土壤中的Ni，通过回收植物体内的Ni，获得2 500美元/(hm2/a)的经济收益[6-7]。仇荣亮等[8]对由美国Viridian环境公司提供A.murale和A.corsicum2种植物及普通作物萝卜和芥菜的镍富集能力进行了测定，结果显示，土壤类型不同，植物镍富集能力不同。同时，资料表明：世界上已经发现Cd、Co、Cu、Ni、Pb、Mn、Zn超富集植物400多种，其中73%为Ni的超富集植物，但它们分布在世界少数几个地区[9]，且我国超富集植物筛选与耐性植物考察研究主要集中在气候环境适宜、物种资源丰富的南部矿区[10-13]，对于西北部干旱荒漠地区的富集及耐性植物研究较少[14-15]。

因此，本研究针对甘肃金昌镍矿迹地及周边污染区土壤的植物修复，对比测定当地主要栽培作物及野生植物在镍胁迫下的种子萌发和幼苗生长，筛选镍耐性植物，以期为寒旱区镍污染地的生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

化学分析纯NiSO4·6H2O，分子量为262.85。

供试植物种子材料共6科16种，均购自甘肃省农业科学院种子市场。其中十字花科4种，分别为二月兰(Orychophragmusviolaceus(L.)O.E.Schulz)、香雪球(Lobulariamaritima(Linn.)Desv)、萝卜(RaphanussativusL)、芥菜(Brassicajuncea(Linnaeus)Czernajew var.gracilis Tsen et Lee)；禾本科4种，分别为小麦(TriticumaestivumL)、玉米(ZeamaysL)、芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin.)Nevski)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.)Beauv)；豆科3种，分别为花棒(HedysarumscopariumFisch.et Mey)、中间锦鸡儿(CaraganaintermediaKuang et H.C.Fu)、大豆(Glycinemax(Linn.)Merr)；藜科2种，分别为梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge)、甜菜(BetavulgarisL)；车前科2种，分别为大车前(PlantagomajorL)、小车前(PlantagominutaPall)；锦葵科1种，棉花(Gossypiumspp)。

1.2 试验方法

通过预试验测定，十字花科、禾本科几种植物及豆科大豆的最高耐受镍处理浓度较低，其余植物耐受浓度较高。因此，对不同植物设置了不同镍处理浓度，十字花科，木本科，豆科植物的处理浓度为0、5、10、20、40、80、160 mg/L，其余植物的处理浓度为0、10、20、50、100、200、400 mg/L。

选取颗粒饱满、大小均匀、无病虫害的种子，1%的NaClO溶液消毒15 min，去离子水冲洗3～5次，并用滤纸吸干种子表面水分。90 mm培养皿灭菌烘干，放入两层滤纸，分别加入5 mL不同浓度NiSO4·6H2O处理液，以加等量去离子水为对照，每处理设置3～5个重复，依据种子大小，每培养皿均匀摆放20～100粒种子，保证每处理至少100粒种子，放入25 ℃、全黑暗人工气候箱培养。每天按时补充等量不同浓度的原液于培养皿中，以胚芽突破种皮为萌发标准，每天观察记录种子发芽数，计算发芽率，连续3 d不再有新发芽种子时停止试验，测定胚芽长、胚根长及干鲜质量。

1.3 数据分析

考查植物在逆境胁迫下的耐受能力，通常用到的参数是耐性指数。耐性指数(tolerance index)计算方法[16-17]：

耐性指数=处理组指标值/对照组指标值

耐性指数越高表明植物耐受能力就越强，反之越弱。

数据采用Excel进行整理并制作图表；利用SPSS 17.0统计分析软件进行单因素方差分析，采用Duncan法进行多重比较；用Probit进行Logistic线性回归。

2 结果与分析

2.1 16种植物种子发芽对不同浓度Ni2+处理的耐性评价

2.1.1 不同浓度Ni2+处理对16种植物种子发芽率的影响不同浓度Ni2+处理对16种植物种子发芽率普遍呈现低促高抑影响(表1)，且在低浓度处理下(5 mg/L)与对照差异未达到极显著水平；在浓度为10 mg/L时，萝卜、玉米与对照差异极显著，均被抑制，而其余14种种子发芽率与对照无极显著差异，且大多被促进；浓度为20 mg/L时，稗草、花棒、中间锦鸡儿、梭梭、甜菜、大车前和小车前种子与对照差异未达到极显著，而香雪球在此浓度下，发芽率达到最高，与对照差异极显著；当浓度达到100 mg/L及以上时，香雪球、中间锦鸡儿、梭梭种子发芽率与对照差异仍未达到极显著，其余植物种子发芽均被显著抑制；在最高浓度处理下，萝卜、芥菜、棉花、大车前、小车前与对照的差异显著度高达5个层级以上，其种子发芽率不超过15%，但梭梭发芽率仍高达65.33%。

表1 不同浓度Ni2+处理对供试种子发芽率的影响

2.1.2 16种植物种子发芽对不同浓度Ni2+处理的耐性评价对16种植物在不同浓度Ni2+处理下的种子发芽率进行回归分析，并通过拟合Logit方程，得到当种子萌发率为10%、50%、90%和与对照发芽率平齐时的理论Ni2+浓度，该Ni2+浓度我们可以认为分别表示为10%耐受浓度(GC10)、半耐受浓度(GC50)、耐受浓度(GC90)和对照耐受浓度(GCck)。由此，从表2可知，中间锦鸡儿、梭梭、小麦和香雪球在Ni2+浓度高达17 092.85 mg/L时，仍有10%的种子能够萌发；甜菜、玉米、花棒的10%耐受浓度高于(GC10)1 000 mg/L，且以上6种植物种子的半耐受浓度(GC50)均高于307.55 mg/L。当发芽率与对照平齐时(GCck)，仍然能够耐受高浓度镍胁迫，认为该种植物就具备了镍耐受植物的基本特性之一，即GCck可作为植物种子萌发镍耐受性评价的关键指标。数据显示，中间锦鸡儿、香雪球、梭梭的GCck均高于212.43 mg/L，且中间锦鸡儿的GCck为1 752.53 mg/L；耐受浓度(GC90)中梭梭表现最突出，即当用212.43 mg/L Ni2+处理梭梭，其种子发芽率仍可高达90%。由此可以得出，中间锦鸡儿、香雪球、梭梭及甜菜整体耐性较好，有进一步研究价值。

表2 16种植物种子发芽对Ni2+处理耐性评价

2.2 4种植物幼苗生长对不同浓度Ni2+处理的耐性评价

2.2.1 不同浓度Ni2+处理对4种植物干鲜质量的影响从图1-A～D可知，不同浓度Ni2+处理对4种植物的干鲜质量影响整体表现为浓度与干鲜质量呈负相关性。根据拟合的线性方程斜率可知，4种植物干质量线性方程的斜率均较鲜质量低，从低浓度到高浓度干质量下降缓慢，拟合直线相对平缓，说明干质量对浓度变化响应不敏感；甜菜和香雪球的鲜质量随浓度升高，生物量快速下降，尤其是甜菜各处理间差异极显著，说明甜菜干鲜质量整体对Ni2+浓度变化敏感；而在低浓度(5～10 mg/L)处理下对梭梭鲜质量有促进作用，高浓度抑制，但从50～200 mg/L差异不显著，尤其中间锦鸡儿干质量在0～50 mg/L和鲜质量在100～400 mg/L浓度处理下均表现无极显著差异，且在400 mg/L浓度处理下，中间锦鸡儿干鲜质量较对照分别下降了18.02%和25.01%，说明中间锦鸡儿鲜质量对Ni2+浓度变化不敏感，4种植物中耐性最强。

A：不同浓度Ni2+对中间锦鸡儿生物量的影响；B：不同浓度Ni2+对梭梭生物量的影响；C：不同浓度Ni2+对甜菜生物量的影响；D：不同浓度Ni2+对香雪球生物量的影响。图中字母表示同一指标不同浓度的多重比较结果，小写字母为P<0.05水平的差异显著性，大写字母为P<0.01水平的差异显著性。

2.2.2 4种植物干鲜质量对不同浓度Ni2+处理的耐性评价以Ni2+处理浓度为横坐标，干鲜质量耐性指数为纵坐标，对4种植物在不同浓度Ni2+处理下的耐性指数进行回归分析，拟合LOGIT方程得到，当耐性指数为0.1、0.5、0.9时的理论耐受Ni2+浓度，值越大，表明植物干鲜质量能够耐受的Ni2+浓度越高。由表3可知，4种植物中，中间锦鸡儿对镍的耐性更强，其TC50值远高于其他植物，即当耐性指数为0.5时，中间锦鸡儿鲜质量和干质量能够耐受的镍浓度分别高达1 878.47和8 293.63 mg/L；其次为梭梭，其TC50值为515.89 mg/L，鲜质量的TC90值为71.90 mg/L；香雪球和甜菜的TC50值不超过100 mg/L，尤其是香雪球值最低，其鲜质量和干质量的TC50值为12.63 mg/L和67.30 mg/L，TC90值仅为0.76 mg/L和0.36 mg/L。

表3 4种植物干鲜质量对不同浓度Ni2+处理的耐性指数

2.2.3 不同浓度Ni2+处理对4种植物苗长的影响由图2-A～D中可知，4种植物幼苗苗长生长与Ni2+处理浓度呈负相关性，除了在低浓度对梭梭胚芽长有促进作用外，其余均显示抑制作用，且对比不同浓度Ni2+处理下每种植物的胚芽长和胚根长的线性斜率，发现胚芽长的斜率均较低，说明胚芽生长对镍处理浓度变化响应不敏感，即在种子发芽初试状态下，胚根生长更易感受到镍胁迫，其耐性较胚芽低；中间锦鸡儿(图2-A)胚根长与胚芽长在不同浓度处理间的差异性显示一致，均为低浓度与对照差异不显著，中高浓度与对照差异极显著；梭梭(图2-B)在10～200 mg/L浓度处理下，胚根长生长无极显著差异，10～100 mg/L无显著差异，胚芽生长在50～200 mg/L间无显著差异，说明梭梭苗长生长对镍耐性较强；甜菜(图2-C)胚根生长各处理浓度间差异极显著，而胚芽生长在0～100 mg/L浓度处理下无极显著差异，依然说明甜菜幼苗胚芽生长较胚根生长对镍耐性更强；在不同浓度Ni2+处理下香雪球(图2-D)胚根与胚芽生长均显示极显著差异，浓度为160 mg/L时，几乎不生长，说明香雪球幼苗对镍敏感，耐性较差。

A：不同浓度Ni2+对中间锦鸡儿苗长的影响；B：不同浓度Ni2+对梭梭苗长的影响；C：不同浓度Ni2+对甜菜苗长的影响；D：不同浓度Ni2+对香雪球苗长的影响。图中字母表示同一指标不同浓度的多重比较结果，小写字母为P<0.05水平的差异显著性，大写字母为P<0.01水平的差异显著性。

2.2.4 4种植物苗长对不同浓度Ni2+处理的耐性评价通过对4种植物苗长耐性指数的回归分析，可知，在耐性指数为0.1时，2种木本植物的胚根较胚芽生长耐受镍浓度高，而2种草本植物则相反；在耐性指数高于0.5后，4种植物胚芽生长均较胚根生长耐受镍浓度高，说明木本植物胚根对镍更敏感；梭梭在耐性指数为0.1时，胚芽长和胚根长生长的理论耐受镍浓度(TC10)高达1 570.93 mg/L以上，在耐性指数为0.5(TC50)时，胚芽生长理论耐受镍浓度仍超101.78 mg/L，其次为中间锦鸡儿，其幼苗苗长生长TC10超过504.85 mg/L；香雪球的理论耐受镍浓度最高值为41.06 mg/L。

表4 4种植物苗长对不同浓度Ni2+处理的耐性指数

3 讨论

在植物修复研究中，目前已经发现的重金属超累积植物或耐性植物多数为草本，但木本植物较草本植物根系发达，修复期不用反复种收，不易进入食物链，且若种子萌发的耐镍性强，一旦定植其自然扩繁较容易。施翔等[18]通过盆栽试验证明紫穗槐可作为修复铅锌矿区污染土壤的潜力树种；张富运等[19]将8种木本植物种植于铅锌矿渣中证明光皮树、黧蒴栲、楠木、杜鹃可用于铅锌污染土壤的修复。同时，在西北干旱荒漠地带的重金属污染土壤的植物修复中，木本植物具有集修复、绿化、防风固沙和保持水土等多方面实际意义。因此，在选择供试材料时有意选择了几种多年生耐寒耐旱木本植物。结果显示，3种木本植物(花棒、中间锦鸡儿、梭梭)中有2种(中间锦鸡儿、梭梭)整体发芽耐性要比其他草本植物高，且依据GCck排序，中间锦鸡儿耐性最强，高居16种植物榜首、梭梭居于第三，花棒为第五。

由于木本植物凋落物二次污染、栽植密度低及在西北寒旱区的种植成本高等问题，其植物修复应用还有一定局限性，但如果能将耐性草本与木本植物混合配植，进行联合修复，既能通过收获草本植物减少木本植物凋落物二次污染，又能在空间维度上达到深层次、广范围的立体修复。本研究中中间锦鸡儿、梭梭整体耐性强，其次为甜菜，因此，甜菜与中间锦鸡儿和梭梭混合种植可能将是研究区镍污染土壤修复的方式之一。

综合比较各测定指标TC50值，可以发现植物种子发芽对镍的耐性更强，其次为幼苗干质量，再次是幼苗鲜质量，然后是胚芽长，最后是胚根长。分析其原因可能为：在植物萌发初期，胚乳本身储存营养可以消解部分重金属离子对发芽的抑制，而胚根是植物的吸收器官，直接接触重金属离子，并在相对短时间内将重金属积累在根系，因此表现为发芽率耐受重金属胁迫，而胚根长最敏感，易受毒害。许多研究也得出相似研究结论，戴敏[15]在重金属镍胁迫对3种耐旱植物种子萌发及幼苗生理特性影响的研究中发现，木藤蓼、苦豆子在响应镍胁迫时，胚根比胚芽更敏感；王宝媛等[17]在研究20个高羊茅品种镉耐性评价及富集特征时，得出植物根长对Cd2+胁迫的敏感度明显高于株高；鲁艳等[20]研究发现镍胁迫对供试植物对发芽率影响最小，对根长抑制作用最强。

在西北干旱荒漠地带的重金属污染区，由于本身气候特点再加重金属累积毒性，植被恢复困难，沙漠化进程加剧，且重金属随风沙迁移飘散，造成二次污染[21-22]，因此，对现状下的重金属污染修复或原位固定就显得极为迫切。本研究通过对比16种植物的发芽率耐性，筛选出了4种植物，并对该4种植物幼苗生长的镍耐性评价结果发现，中间锦鸡儿、梭梭整体耐性更强，其次为甜菜，而香雪球相对敏感，耐性最弱。鲁艳等[20]也发现了梭梭的耐镍胁迫能力较强，与本研究结果一致。因此，中间锦鸡儿和梭梭在作为寒旱区镍污染地生态修复的植物中有极大优势，但其耐性机制及是否具有镍超累积性还有待进一步研究。