施N对蚬木苗期镉胁迫下干物质及N、P、K和Cd积累和分配的影响

韦 宇，谭长强，申文辉，彭 健，韦长江，滕维超

（1.广西大学 林学院，广西南宁530004；2.广西壮族自治区林业科学研究院，广西南宁530002；3.广西大学林学院 广西森林生态与保育重点实验室，广西南宁530004；4.广西大学林学院 中南速生材繁育国家林业和草原局重点实验室，广西南宁530004；5.广西大学林学院 广西高等学校林业科学与工程重点实验室，广西南宁530004；6.广西大学林学院 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广西南宁530004；7.广西壮族自治区国有三门江林场，广西柳州545006）

人类工业化活动及城市化发展产生各种重金属污染物。镉（Cd）可长期滞留在土壤中，易积累且难降解[1]。Cd具有生物毒性，容易被植物吸收，影响植物正常生长[2]。Cd通过抑制光合作用，诱导植物产生活性氧，影响酶的活性及植物体内碳氧平衡，抑制植物的生长代谢[3-4]。Cd会破坏植物线粒体结构，增加气孔抗性；高浓度Cd会破坏线粒体膜结构，影响ATP合成酶的活性，抑制植物的呼吸作用[5]。氮（N）是植物生长所需的重要营养元素，适当施加N肥可提高植物生物量，增加植物对土壤中Cd等重金属的耐受性，缓解Cd、铅（Pb）和铜（Cu）等重金属对植物的毒害；N还能与重金属进行交互作用，产生脯氨酸、植物螯合肽和金属蛋白等对Cd等重金属进行防御，通过相应的蛋白基因表达产生对Cd等重金属的抗性[6-8]。

蚬木（Excentrodendron hsienmu）又称火木，属椴树科（Tiliaceae）常绿大乔木，国家二级保护植物。蚬木自然分布于广西和云南部分海拔700～900 m的热带石灰岩山地季雨林，可生长在偏酸性的黄土壤中，其生长量可达到天然林上层木的平均水平[10]。因过分砍伐，蚬木已被列为濒危树种。目前，有关蚬木的研究主要集中在光合、生理生化方面[11-12]，有关Cd胁迫及施N对蚬木影响却鲜见报道。本研究以蚬木为材料，设置不同深度Cd、N处理，采用移植盆栽法，探究Cd胁迫对蚬木苗期生长及营养元素含量与分配的影响，及施N对蚬木对Cd胁迫的缓解效果，为丰富蚬木抗逆性研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西壮族自治区林业科学研究院苗圃，属湿润亚热带季风气候，年均降水天数160天，具有明显的干湿季节，年均降水量1 650 mm，主要集中在5—9月[13]。供试土壤为苗圃内20～30 cm深的红黄壤（表1）。

表1 土壤主要化学性质Tab.1 Main chemical properties of soils

1.2 试验设计

蚬木苗木为半年龄扦插营养袋苗。设置5个处理 分 别 为0 mg/kg Cd2+(对 照，CK)、30 mg/kg Cd2+（S1）、60 mg/kg Cd2+（S2）、30 mg/kg Cd2++0.4 g/kg CO（NH2）（2S1N1）和30 mg/kg Cd2++0.8 g/kg CO（NH2）2（S1N2），每处理20个重复；土壤N肥和Cd2+供试试剂分别为尿素（CO（NH2）2）和CdCl2·2.5H2O。将土壤风干、粉碎及过筛，备用。Cd2+以CdCl2·2.5H2O（分析纯）水溶液的形式一次性加入土壤，混合均匀，在遮雨棚下均衡一周。2021年2月20日，将健壮植株（生物量大致一致，苗高、地径分别为（30.50±0.10）cm和（30.50±0.10）mm）移栽至直径为28 cm、高28 cm的塑料盆中，每盆装土10 kg，每盆栽植1株，在盆下放置塑料托盘；浇水后，将盘内渗出水分倒回盆中，避免Cd流失。按照常规方法进行松土和除草。培养90天后（5月20日）每处理随机选取3株，将根、茎和叶分别烘干、称重，分别粉碎装自封袋，保存。

1.3 指标测定

采用凯氏定N法测定全N含量，采用钒钼黄比色法测定全P含量，采用火焰光度法测定全K含量[14]。植物体内Cd含量的测定参照黄耿磊等[15]测定方法。

1.4 指标分析

根据试验始末蚬木各器官生物量计算不同浓度Cd、N处理下植株生物量；根据试验期间各器官生物量与N、P、K和Cd含量，计算各元素积累与分配特征，以及N/P、P/K值和总的N、P和K利用率[16]。

Cd转移系数（TF）主要用来评价植物从根部转移重金属至地上部分的能力，计算公式为[17]：

1.5 数据处理

采用WPS 11.1.0及SPSS软件进行数据处理与分析，采用Duncan新复极差法进行多重比较，采用Origin软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同Cd、N处理对蚬木苗期根、茎、叶干重和分配的影响

随Cd浓度增加，茎、叶和总干重均减少，根干重先减后增，S1处理的根干重、S1和S2处理的茎、叶和总干重均显著低于CK（P＜0.05）（表2）。在S1处理中加入N，随N浓度增加，根干重先增后减，茎、叶和总干重均增加，S1N2处理的叶干重、S1N1和S1N2处理的总干重均显著高于S1处理（P＜0.05）。

随Cd浓度增加，根、茎干重分配比例均增加，叶和茎叶干重分配比例均减少，S1和S2处理的根、茎干重分配比例均显著高于CK（P＜0.05），S1和S2处理的叶和茎叶干重分配比例均显著低于CK（P＜0.05）（表2）。在S1处理中加入N，随N浓度增加，根干重分配比例先增后减，茎干重分配比例增加，叶和茎叶干重分配比例均先减后增。

随Cd浓度增加，根冠比升高，S1和S2处理的根冠比均显著高于CK（P＜0.05）。在S1处理中加入N，随N浓度增加，根冠比先升后降（表2）。

2.2 不同Cd、N处理对蚬木N、P、K含量、积累与分配的影响

随Cd浓度增加，根和叶N含量均先减后增，茎N含量先增后减，S1处理的根N含量、S1和S2处理的叶N含量均显著低于CK（P＜0.05）；根、茎和叶P含量均先减后增，S1和S2处理的根、茎和叶P含量均显著低于CK（P＜0.05）；根K含量减少，茎和叶K含量均先减后增，S1和S2处理的根K含量、S1处理的茎和叶K含量均显著低于CK（P＜0.05）。在S1处理中添加N，随N浓度增加，根和叶N含量增加，茎N含量先增后减，S1N1和S1N2处理的根和叶N含量、S1N1处理的茎N含量均显著高于S1处理（P＜0.05）；根和茎P含量均先减后增，叶P含量先增后减，S1N1处理的根和茎P含量均显著低于S1处理（P＜0.05）；根、茎和叶K含量均增加，S1N2处理的茎K含量、S1N1和S1N2处理的叶K含量均显著高于S1处理（P＜0.05）（表3）。

随Cd浓度增加，根N积累量先减后增，茎、叶和总N积累量均减少，S1处理的根N积累量、S1和S2处理的叶和总N积累量、S2处理的茎N积累量均显著低于CK（P＜0.05）；根、茎P积累量均先减后增，叶和总P积累量均减少，S1和S2处理的根、茎、叶和总P积累量均显著低于CK（P＜0.05）；根、叶和总K积累量均先减后增，茎K积累量减少，S1和S2处理的根、茎、叶和总K积累量均显著低于CK（P＜0.05）（表3）。S1处理中添加N，随N浓度增加，根、叶和总的N积累量均增加，茎N积累量先增后减，S1N1和S1N2处理的根、叶和总N积累量、S1N1处理的茎N积累量均显著高于S1处理（P＜0.05）；根、茎和总P积累量均先减后增，叶P积累量先增后减，S1N1处理的根和总P积累量均显著低于S1处理（P＜0.05）；根K积累量先增后减，茎、叶和总K积累量均增加，S1N1和S1N2处理的叶K积累量、S1N2处理的茎和总K积累量均显著高于S1处理（P＜0.05）。

随Cd浓度增加，根N分配比例升高，茎N分配比例先升后降，叶和茎叶分配比例降低，S2处理的根N分配比例、S1和S2处理的茎N分配比例均显著高于CK（P＜0.05），S1和S2处理的叶N分配比例、S2处理的茎叶N分配比例均显著低于CK（P＜0.05）；根P分配比例升高，茎P分配比例先降后升，叶和茎叶P分配比例降低，S1和S2处理的根P分配比例显著高于CK（P＜0.05），S2处理的叶P分配比例、S1和S2处理的茎叶P分配比例均显著低于CK（P＜0.05）；根K分配比例升高，茎K分配比例先升后降，叶K分配比例先降后升，茎叶K分配比例降低，S1和S2处理的根和茎K分配比例均显著高于CK（P＜0.05），叶和茎叶K分配比例均显著低于CK（P＜0.05）。S1处理中添加N，随N浓度增加，根N分配比例先升后降，茎N分配比例降低，叶N分配比例升高，茎叶N分配比例先降后升，S1N1和S1N2处理的茎N分配比例均显著低于S1处理（P＜0.05），S1N2处理的叶N分配比例显著高于S1处理（P＜0.05）；根、茎P分配比例先降后升，叶和茎叶的P分配比例先升后降；根和茎K分配比例降低，叶和茎叶K分配比例升高，S1N2处理的根K分配比例显著低于S1处理（P＜0.05），S1N1和S1N2处理的叶K分配比例、S1N2处理的茎叶K分配比例均显著高于S1处理（P＜0.05）。

2.3 不同Cd、N处理对蚬木N、P、K化学计量比的影响

随Cd浓度增加，根的N/P值升高，茎、叶和总N/P值均先升后降，S1处理的茎N/P值、S1和S2处理的总N/P值均显著高于CK（P＜0.05）（图1a）；根的P/K值升高，总P/K值降低，茎和叶P/K值均先升后降，S2处理的根P/K值、S1处理的叶P/K值均显著高于CK（P＜0.05），S1和S2处理的茎P/K值、S2处理的叶P/K值均显著低于CK（P＜0.05）（图1b）。

图1 不同Cd、N处理对蚬木N/P和P/K的影响Fig.1 Effects of Cd,N treatments on N/P and P/K of E.hsienmu

S1处理中添加N后，随N浓度增加，叶和总N/P值升高，根和茎N/P值先升后降，S1N1和S1N2处理的根、叶和总N/P值、S1N1处理的茎N/P值均显著高于S1处理（P＜0.05）；叶和总P/K值均降低，根和茎P/K值均先降后升，S1N1处理的根P/K值、S1N1和S1N2处理的茎、叶和总P/K值均显著低于S1处理（P＜0.05）。

2.4 不同Cd、N处理对蚬木Cd含量、积累与分配的影响

随Cd浓度增加，根、茎和叶Cd含量、积累量和总积累量均增加，S1和S2处理的根、茎和叶Cd含量、积累量和总积累量均显著高于CK（P＜0.05）；根Cd分配比例升高，茎、叶和茎叶Cd分配比例均降低，S1和S2处理的根Cd分配比例均显著高于CK（P＜0.05），S1和S2处理的茎、叶和茎叶Cd分配比例均显著低于CK（P＜0.05）（表4）。

在S1处理中添加N，随N浓度增加，茎、叶Cd含量均减少，根Cd含量先减后增；S1N1和S2N2处理的茎Cd含量均显著低于S1处理（P＜0.05）（表4）。随N浓度增加，根、叶和总Cd积累量均先减后增，茎Cd积累量减少；S1N1和S1N2处理的茎积累量、S1N1处理的总Cd积累量均显著低于S1处理（P＜0.05）。随N浓度增加，根Cd分配比例升高，茎和茎叶Cd分配比例降低，叶Cd分配比例先升后降；S1N1和S1N2处理的根Cd分配比例均显著高于S1处理（P＜0.05），S1N1和S1N2处理的茎和茎叶Cd分配比例均显著低于S1处理（P＜0.05）。

表4 不同Cd、N处理对蚬木Cd含量、积累量及分配比例的影响Tab.4 Effects of Cd and N treatments on Cd content,accumulation and distribution ratio of E.hsienmu

2.5 不同Cd、N处理对蚬木Cd转移系数（TF）和生物富集系数（BCF）的影响

随Cd浓度增加，N和K利用率均升高，P利用率先升后降；S1和S2处理的N、P和K利用率均显著高于CK（P＜0.05）；Cd转移系数、根和茎叶Cd富集系数均降低，S1和S2处理的Cd转移系数、根和茎叶Cd富集系数均显著低于CK（P＜0.05）（表5）。S1处理中添加N，随N浓度增加，N、K利用率均降低，P利用率先升后降，S1N1处理的P利用率显著高于S1处理（P＜0.05），S1N1和S1N2处理的N、K利用率均显著低于S1处理（P＜0.05）；Cd转移系数降低，根Cd富集系数先降后升，茎叶Cd富集系数降低，S1N1和S1N2处理的Cd转移系数、茎叶Cd富集系数，S1N1处理的根Cd富集系数均显著低于S1处理（P＜0.05），S1N2处理的根Cd富集系数显著高于S1处理（P＜0.05）。

表5 不同Cd、N处理对蚬木N、P和K利用率及Cd的转移系数和富集系数的影响Tab.5 Effects of Cd and N treatments on N,P and K use efficiencies and TF,BCF of Cd of E.hsienmu

3 讨论与结论

3.1 Cd胁迫对蚬木的影响

植物的生长过程中，污染土壤中的Cd容易被植物吸收，并被转运至地上部分，破坏植物细胞组织，影响植物正常的生长发育[18]。干物质积累的变化最先反映植物对Cd等重金属胁迫的响应程度[19-20]。本研究表明，Cd胁迫对蚬木总干重有抑制作用；随Cd浓度增加，抑制作用增强，这与前人研究结论一致[21]。其中，茎、叶和总干重均随Cd浓度增加而降低，根干重在60 mg/kg Cd浓度下稍微上升，这是因为根系是植物吸收水分和矿物元素的关键部分，是感受环境变化最敏感和调节能力最强的器官[22]，蚬木通过增加根系干重可缓解Cd对植物产生的毒害。

Tab.2 Effects of Cd表 an2d N不 tre同atCmde、ntsN o处n d理ry对 m蚬att木er干 we重ig及ht分s a配nd比 di例str的ib影uti响on ratios of E.hsienmu

Tab.3 Effects of C表d a3n d不 N 同treCatdm、enNts处 on理 N对,P蚬 a木nd NK、 coPn和tenKts含,a量ccu、m积ul累ati量on及s a分nd配 d比ist例rib的ut影ion响 ratios of E.hsienmu

N、P和K是植物生长所需的重要营养元素，它们在植物中的积累量和分配情况可反映植物生长状况和对环境变化的响应情况。在受胁迫环境中，植物通过改变营养元素的分配和利用方式，应对资源的限制[23]。本研究中，随Cd浓度增加，根、茎和叶的N、P及根、茎的K含量均有不同程度的减少，叶K含量先减后增，说明低浓度Cd胁迫抑制蚬木对营养元素的吸收。植物的N/P和P/K是研究植物受限元素的主要指标，反映植物的生长策略和适应特征。Güsewell[24]研究表明，植物叶片N/P值可作为衡量环境对植物养分状况限制的指标，陆地植物N/P值小于10时，植物受N限制；N/P值大于20时，受P限制。Willem等[25]对湿地植物的研究表明，N/P值小于14时，植物受N限制；N/P值大于16时，受P限制。在不同环境尺度下，N/P值表征植物受N、P限制的阈值存在不确定性[26]。也有研究表明，相比临界值14和16，临界值为10和20更具可靠性[27]。本研究中，随Cd浓度增加，根的N/P值逐渐上升，茎、叶和总N/P值均先升后降，蚬木根、茎和总N/P值均小于10，说明蚬木苗主要受N的限制；在Cd胁迫下N、P和K的利用率均增加，说明蚬木通过提高N、P和K的利用率来适应Cd胁迫的环境。

根系是植物富集重金属的重要场所，根系富集系数能反映植物对重金属的富集能力[28]。本研究中，随Cd浓度增加，蚬木根和茎叶Cd富集系数均降低；Cd胁迫下，根Cd富集系数高于茎叶，说明蚬木地下部分富集能力高于地上部分。Cd胁迫后，根Cd含量和积累量增加，增加程度大于茎和叶，说明蚬木吸收Cd后，大部分被截留在根系，这与前人研究的结果一致[29-30]。植物还可以将重金属转移，适应胁迫环境。重金属转移系数是指地上部分重金属含量与根系部分重金属含量之比，可用于表现植株向地上部分转运重金属的能力，其值越大，该重金属在植物中的迁移能力越强[31]。陈迪等[32]研究可知，3种Cd浓度下，粗毛牛膝菊（Galinsoga quadriradiata）转移系数较高，分别为0.93、0.73和1.04，为Cd高富集植物。本研究中，CK处理的蚬木Cd转移系数为1.395；随Cd浓度增加，Cd转移系数降低；2种Cd浓度下，Cd转移系数分别为0.528、0.369，低于粗毛牛膝菊受Cd胁迫时的转移系数，但比山茶（Camellia japonica）、绣线菊（Spiraea salicifolia）和桑树（Morus alba）3个树种的转移系数高（0.35～0.50）[17]；2种Cd浓度下，蚬木根的富集系数分别为14.22、11.95，茎叶的富集系数分别为7.62、7.41，均比4种树种（山矾（Symplocos caudata）、山茶、绣线菊和桑树）的富集系数高（4个树种生物富集系数总的变化范围为0.46～7.01）[17]，说明蚬木富集转移Cd的能力低于草本植物，高于山矾、山茶、绣线菊和桑树4种木本树种。

3.2 Cd胁迫下施N对蚬木的影响

植物受Cd胁迫影响下，施N有利于保护植物叶绿体等光合器官的结构和细胞组织，使叶绿素合成途径稳定，恢复植物叶绿体的光合速率、电子传递速率及PSⅡ最大光化学量子产量，缓解Cd对植物的危害[33-34]。刘新亮等[35]研究表明，不同施N处理显著提高Cd胁迫下龙葵（Solanum nigrum）根系、地上部分和单株的生物量，显著促进Cd胁迫下龙葵株高和冠幅生长，能有效减轻Cd对龙葵光合作用的抑制。本研究中，在30 mg/kg Cd浓度下，施N提高蚬木根、茎和叶N、K含量和积累量及总积累量；随施N浓度增加，叶N分配比例、叶和茎叶K分配比例均上升，说明Cd胁迫下，施N能促进蚬木对N、K元素的吸收和积累。低N（0.4 g/kg）浓度下，根P含量和积累量显著降低，叶P含量和积累量增加，说明低N有利于叶片P积累；高N浓度（0.8 g/kg）下，叶P积累量与30 mg/kg Cd浓度相同，这可能是因为植物中P能通过衰老叶片的内转移机制，能够维持在比较稳定的水平[25]。在30 mg/kg Cd浓度下施N后，蚬木根和茎N/P值及P利用率均先升后降，叶和总的N/P值均升高，P/K值、N和K利用率均降低，说明在Cd胁迫环境下施N，能有效缓解Cd对蚬木吸收N、K元素的限制，增加对P吸收的限制，该结果与谭长强等[36]研究结果相一致。

毕景文等[37]认为植株干物质积累的增加对Cd有稀释效应，降低植株体内Cd的生理浓度，增强植物的耐Cd能力，施加N有利于植物生长和干物质累积。李艳梅等[38]研究结果表明，施N在促进植物生长的同时，也能促进植物对Cd的吸收和积累。施N还能通过改变土壤pH，影响Cd在土壤中的有效性，影响植物对Cd的吸收[39]。本研究中，在30 mg/kg Cd浓度下施加N，随N浓度增加，蚬木茎、叶及总干重均增加，根干重先增后减。低N可提高根干重分配比例与根冠比，高N可提高茎、叶的干重分配比例。随N浓度增加，茎、叶Cd含量降低，根Cd含量先减后增。施N还可以影响植物的Cd转移系数和Cd在各器官中的分配比例[40]。本研究中，施N处理后，蚬木的Cd转移系数下降；随施N浓度增加，地上部分富集系数逐渐降低，Cd在地上部分的分配比例逐渐降低，地下部分富集系数先降后升，Cd在根的分配比例逐渐升高。

综上所述，Cd胁迫影响蚬木干物质及N、P、K、Cd积累和分配规律，抑制蚬木的生长；施N对Cd胁迫具有明显的缓解效果，有效促进蚬木干物质及N、P、K和Cd的积累，改变蚬木各器官对Cd的富集能力，增加地下部分的分配比例，减少地上部分的分配比例。本研究表明，蚬木具有较强的对Cd的富集转移能力，该树种在Cd污染区域有较高的种植潜力。施N处理可以促进蚬木将更多的Cd富集在根系同时减少Cd在叶片的富集，这是施N处理促进蚬木耐Cd性提升的主要机理。