利用光谱反射技术监测镉对榆树叶片光合机构的影响

柳洁 薛忠财 王欣然 代海龙

摘要  ［目的］拓展光譜反射技术在监测和评价土壤-植物系统中重金属污染程度和植物生长状况的应用，进一步明确其生理生化机理。［方法］采用盆栽试验，研究不同镉浓度处理条件下榆树叶片的快速叶绿素荧光、反射光谱和镉离子含量的变化，以光合机构的变化作为衡量生理变化的指标，探讨利用光谱反射技术监测镉对榆树叶片光合机构的影响。［结果］榆树对镉具有一定的抗性，在镉处理条件下榆树不同部位的镉含量呈现出根＞茎＞叶的分布规律，但是当过量的镉进入叶片后，榆树叶片的快速叶绿素荧光诱导曲线形状发生明显变化，光合电子传递受到抑制，并对光合机构造成伤害，主要荧光参数φPo、ψEo、REo/RC、PIabs、PItotal随着镉处理浓度的增加不断降低，VJ、VI、Mo、ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC则显著增加。榆树叶片在可见光波段（500～680 nm）的反射率随着土壤中镉浓度的增加而升高，在近红外区（740～1 000 nm）的反射率则呈先降低再升高的趋势。通过分析镉处理条件下榆树叶片典型植被指数与荧光参数的关系表明，PRI、mSR705 和mND705可以准确、快速地反映镉胁迫后榆树叶片光合机构变化指标。［结论］光谱反射技术可以用于监测镉对榆树叶片光合机构的影响，也为后续开展卫星影像大面积分析提供理论基础和技术支持。

关键词  榆树；植物修复；镉；光合机构；光谱分析

中图分类号  S771.8  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）01-0110-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.023

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Monitoring the Effect of Cadmium on the Photosynthetic Apparatus of Ulmus pumila Leaves by Spectral Reflection Technology

LIU Jie1，XUE Zhong-cai2，3，WANG Xin-ran4 et al

（1.College of Teacher Education，Hebei Normal University for Nationalities，Chengde，Hebei 067000;2.College of Resources and Environmental Sciences，Hebei Normal University for Nationalities，Chengde，Hebei 067000;3.Innovative Research Center for Soil and Characteristic Plant Nutrition in Mountainous Areas of Northern Hebei，Chengde，Hebei 067000;4.Chengde Kaidi Testing Technology Service Co.，Ltd.，Chengde，Hebei 067000）

Abstract  ［Objective］To expand the application of spectral reflection technology in monitoring and evaluating the degree of heavy metal pollution and plant growth status in soil-plant systems，and further clarify the physiological and biochemical mechanism.［Method］We investigated the changes of fast chlorophyll fluorescence，spectral reflection and cadmium concentration in Ulmus pumila leaves under different cadmium concentration treatment conditions in this study.Then，the effects of cadmium on the photosynthetic apparatus of Ulmus pumila leaves were monitored by spectral reflection technology.［Result］The results showed that the cadmium concentration in different parts of Ulmus pumila shows as “root > stem > leaves” under cadmium treatment，indicating that it has certain resistance to cadmium stress.However，the shape of chlorophyll fluorescence induction curve of Ulmus pumila leaves was changed significantly when excess cadmium enters the leaves，which indicated that the photosynthetic electron transport was inhibited by cadmium.The fluorescence parameters of φPo，ψEo，REo/RC，PIabs，PItotal are decreasing with the increase of cadmium concentration in the soil，while the VJ，VI ，Mo，ABS/RC，TRo/RC，DIo/RC increased significantly.Meanwhile，the spectral reflection of Ulmus pumila leaves in the visible light band （500-680 nm） increases with the increase of cadmium concentration in the soil，and the spectral reflection in the near-infrared region （740-1 000 nm） shows a trend of first decreasing and then increasing.It demonstrate that PRI，mSR705 and mND705 can accurately and quickly reflect the change in photosynthetic apparatus of Ulmus pumila leaves after cadmium stress，by analyzing the relationship between the typical vegetation index and the fluorescence parameters of Ulmus pumila leaves under cadmium treatment.［Conclusion］It can be seen that the spectral reflection technology can be used to monitor the influence of cadmium on the photosynthetic apparatus of Ulmus pumila  leaves，and also provide theoretical basis and technical support for large-area analysis of satellite images in the future.

Key words  Ulmus pumila;Phytoremediation;Cadmium;Photosynthetic apparatus;Spectral reflectance

基金项目  河北省重点研发计划项目（21326401D，21327409D）；河北民族师范学院双碳研究专项（ST2021001）。

作者简介  柳洁（1985—），女，河北承德人，讲师，硕士，从事学科教学研究。*通信作者，副教授，博士，从事植物生理生态、重金属污染农田治理与安全利用研究。

收稿日期  2023-02-12

当前，我国土壤重金属污染问题十分严重［1］，其中，镉作为典型的重金属之一，具有毒性强、危害大、易被植物吸收等特点，对人民群众的身体健康造成严重威胁［2］。榆树（Ulmus pumila）是我国典型的造林树种和绿化树种，生长迅速、根系深、生物量较大，对铅、镉等重金属具有较强的抗性。黄会一等［3］通过对不同木本植物对Cd115+115m的吸收及其分配的研究，认为榆树对镉的耐性较强，且其叶片和茎部皮孔对大气中的镉具有较强的吸收作用；栾以玲等［4］基于对栖霞山矿区12种木本植物的富集能力和生长状况的调查认为，在铅、镉、锌严重污染的环境中，白榆具有较高的综合富集能力；张永超等［5］通过盆栽试验阐明了铅、镉元素在榆树各器官中的分布规律，呈现出根>茎>叶的分布特征。由此可见，榆树适用于铅、镉污染地区的种植和绿化，可作为实现对污染土壤安全利用与修复的植物材料之一。

光谱反射技术可以从叶片水平、群体水平以及生态系统等多个层面反映植物在不同环境条件下生理生化信息的变化［6］，已在植物营养诊断、生物量估算、生长状况监测、土壤养分含量反演等方面得到广泛应用［7-9］。由于过量的重金属进入植物体后会导致其内部生理状态包括色素含量、细胞结构和含水量等发生变化［10］，从而影响植物对光能的吸收与反射，因此，通过分析植物光谱特征可以快速、无损地实现对土壤-植物系统中重金属污染程度和植物生长状况的监测和评价［8］。

然而，关于光谱反射技术在监测榆树对重金属污染土壤修复上的研究鲜见报道。因此，笔者采用盆栽试验，通过测定镉处理条件下榆树叶片反射光谱、快速叶绿素荧光和镉离子含量等的变化，建立反射光谱与叶片光合机构状态及镉离子含量之间的关系，旨在为榆树在镉污染农田的利用及开展卫星影像大面积分析提供理论基础和技术支持。

1  材料与方法

1.1  试验材料

供试土壤取自农田耕作层，土壤pH为7.7，有机质含量为4.56 g/kg，速效氮含量为58.60 mg/kg，速效磷含量为18.20 mg/kg，速效钾含量为104.60 mg/kg，镉含量为0.08 mg/kg。经自然风干、去除杂质后，过6 mm孔径筛网，然后按照每盆7 kg的标准装入直径35 cm、高45 cm的花盆中，通过向土壤中喷施CdCl2·2.5H2O溶液以配制镉污染土壤，设置1、10、30 mg/kg 3个处理（分别以T1、T2、T3表示），以空白作为对照（用T0表示），按照氮肥200 mg/kg、磷肥100 mg/kg和钾肥200 mg/kg的标准向土壤中施入底肥，每处理重复6次。平衡28 d后将春季收集的落在地上的榆树种子播种于配制好的土壤中，待出苗后及时进行定苗，每盆留3株，生长60 d后，选择完全展开叶片进行叶片反射光谱及快速叶绿素荧光的测定。

1.2  试验方法

1.2.1  叶片反射光谱的测定。

使用 Unispec-SC 光谱分析仪（PP Systems，美国） 测定叶片反射光谱。每处理选择5个完全展开叶片进行测定，每个叶片测定4个不同部位，以平均值作为该处理的结果，并根据表1计算广泛用来衡量植物生理变化的植被指数［11］。

1.2.2  快速叶绿素荧光的测定。

利用 Handy PEA 连续激发式荧光仪（Hansatech，英国）测定叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP 曲线）。叶片经过20 min的暗适应后，由 3 000 μmol/（m2·s）的脉冲光诱导，记录从 10 μs 开始至 1 s 结束的荧光信号，利用 JIP-test 方法（表2）分析OJIP曲线，计算荧光参数［12-13］。

1.2.3  镉离子含量的测定。

利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（iCAP7400，Thermo fisher，美国）测定植株不同部位镉含量。待试验结束后，每处理选择5株長势一致的植株，分为茎、叶和根3部分，用水洗去根表面黏附的土壤，用20 mmol/L乙二胺四乙酸二钠溶液浸泡一段时间后，再用蒸馏水冲洗干净，随后105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，对于已收获的样品磨碎后过100目筛，然后采用HNO3对样品进行消解。

1.3  数据分析  用 Excel 2016 对数据进行统计处理和作图，采用SPSS 22.0软件进行处理间差异显著性分析。

2  结果与讨论

2.1  榆树对镉的富集特征

在试验土壤的镉浓度范围内，榆树均能够正常生长，随着土壤中镉浓度的增加，榆树植株各部分的镉浓度均显著增加，且不同部位的镉浓度呈现出根＞茎＞叶的分布规律（图1），这与前人的研究结果一致［5］。在T3处理条件下，榆树根、茎、叶中的镉含量分别为4.39、1.98、0.80 mg/kg，与T0相比显著增加，这也进一步说明榆树对镉具有较强的抗性，能够在镉污染土壤中正常生长。

2.2  榆树叶片光合机构对镉的响应

光合机构作为原初光化学反应发生的场所，对于外界环境变化较为敏感。而快速叶绿素荧光可以系统地反映出重金属、高温、干旱等外界胁迫对于植物叶片光合机构的影响，分析叶片光合电子传递链的状态，明确光合机构受伤害的程度［14-16］。该研究中，经过不同浓度镉处理后，榆树叶片的OJIP曲线形状发生明显变化，通过对Fo和Fm之间的相对可变荧光的分析可以看出，在J点和I点明显上升，这说明镉处理对榆树叶片PSⅡ 的光合原初反应电子传递链造成了影响，其光合机构的结构和状态发生了变化（图2）。

对OJIP曲线定量分析的结果显示（图3），反应光合电子传递性质的指标PIabs、PItotal都随着土壤中镉浓度的增加不断降低，且PItotal的降低幅度更为明显，这是由于与PIabs相比，PItotal 除了反映ABS/RC、φPo、ψEo 3个参数外，还可以反映δRo的变化，且δRo和REo/RC下降幅度较大，这说明鎘对榆树叶片PSⅡ 和 PSⅠ 之间电子传输效率影响较大，主要是由于镉可以导致细胞中Fe的缺失，从而加速活性氧对PSⅠ铁硫中心的破坏，但是T1、T2、T3之间差异不显著。VJ、VI随着镉处理浓度的增加而升高，表明 QA 和 PQH2 之后的电子传递受到限制，这是由于镉可以竞争放氧复合体上的Ca2+结合位点，降低希尔反应，并可结合抑制由QA到QB的电子传递。RC/CSo的降低表明有效的反应中心数目的降低将导致单位反应中心吸收和传递能量的增加，即ABS/RC、TRo/RC的增加。光合电子传递的受阻，单位反应中心耗散的光能（DIo/RC）明显增加，会导致过多活性氧的产生，如果不能及时消除，这将会对细胞膜结构等造成伤害，对叶片结构造成破坏。

2.3  镉胁迫条件下榆树叶片反射光谱特征的变化

植物光谱反射特性是由体内的色素含量、水分含量以及生理生化状况等共同决定的，不同植物或同一植物在不同生长发育阶段或不同环境条件下，都会导致其反射光谱特征发生变化。在该研究中，不同浓度的镉处理后，榆树叶片在可见光波段（500～680 nm）的反射率随着镉浓度的增加而升高，但是在近红外区（740～1 000 nm）的反射率则随着土壤中镉浓度的增加呈现先降低再升高趋势（图4）。这主要是由于镉进入叶片后可以取代叶绿素中的Mg2+，加速叶绿素的降解，抑制叶绿素的合成，另外叶片中的镉诱导植物细胞产生大量的活性氧，破坏叶绿素膜和细胞器的结构，从而引起叶片近红外波段的反射率变化［17］。采用植被指数可以很好地反

映植物生理指标的变化，其中，由于PRI与植物叶片中叶黄素循环过程相关的色素含量具有很好的相关性，可以很好地反映植物的光合速率和光能利用效率［18］；mND705和mSR705由于消除了叶片结构对反射的影响，广泛用于多种植物叶绿素含量的估算［19］；PSSRa和PSSRb可以用来反映叶片中叶绿素a和b的含量［20］。由表3可知，随着土壤中镉浓度的增加，榆树叶片的PRI、mSR705、mND705和PSSRb均随着浓度的增加而显著降低，但是各植被指数的降低幅度存在一定差异，而PSSRa则不显著，这说明镉对榆树叶片中的色素含量造成影响，但是不同色素的变化存在一定差异。

2.4  镉处理条件下榆树叶片反射光谱与光合机构变化的关系

现已证明，植物是通过多种性状的协同与权衡实现对重金属污染环境的适应，每个性状都能不同程度地反映其对环境的适应性。然而，在大部分利用光谱技术监测和评价土壤-植物系统中的重金属污染程度和植物生长状况的研究中，主要以叶面积指数、氮素含量、叶绿素含量和干物质量等生理生态参数作为指示植物营养胁迫和生长状态的监测指标。Liu等［21］利用叶片叶绿素含量和反射光谱的关系，对芦苇中铅、铜、锌含量进行了间接估算；Shi 等［22］通过拔节孕穗期水稻冠层高光谱指数对土壤中砷含量进行反演；Zhang 等［23］基于田间试验建立了重金属胁迫敏感指数（HMSSI），用来反映水稻重金属胁迫水平。光合作用是植物生长的能量和物质来源，对植物的生长发育起着重要作用，与叶绿素含量、植物生长状态等具有重要的相关，且叶片内部生化组分和光合生理具有内在联系，因此，以叶片光合机构的变化作为衡量其变化的指标，有利于明确生理生化机理，进一步提高模型的稳定性和普适性。这主要是由于过量的镉进入植物叶片后，可以降低光能转化效率，抑制光合电子传递和酶活性，加速叶绿素的降解，破坏叶绿素膜和细胞器的结构，从而造成光合速率的降低，导致生物量、叶面积等性状的变化［24］。该研究基于快速叶绿素荧光曲线的分析可知，镉对榆树叶片光合机构及电子传递过程造成影响，叶片反射光谱也表现出明显变化，因此，为了建立叶片光谱反射特征与光合机构状态变化之间的关系，分析了镉胁迫下榆树叶片植被指数与主要荧光参数的相关关系，结果显示，PRI、mSR705 和mND705与PIabs、ABS/RC、φPo、ψEo、Mo、RC/CSo、TRo/RC、DIo/RC具有显著关系，PSSRa和PSSRb的相关性较低，这说明PRI、mSR705 和mND705可以很好地反映镉胁迫条件下榆树叶片光合机构的变化，而PSSRa和PSSRb对于其变化并不敏感（图5）。

3  结论

榆树对于重金属镉具有一定的抗性，在镉处理条件下榆树不同部位的镉含量呈现出根＞茎＞叶的分布规律，但是当过量的镉进入叶片会对光合机构造成伤害，光合电子传递受到影响，反射光谱曲线也发生明显变化，而PRI、mSR705 和mND705可以准确、快速地反映镉胁迫后榆树叶片光合机构的变化，这为光谱分析技术在快速监测及治理镉污染中的利用方面提供理论基础。

参考文献

［1］

陈卫平，杨阳，谢天，等.中国农田土壤重金属污染防治挑战与对策［J］.土壤学报，2018，55（2）：261-272.

［2］劉进，潘月鹏，师华定.华北地区农田土壤镉来源及大气沉降的贡献［J］.农业环境科学学报，2022，41（8）：1698-1708.

［3］黄会一，李书鼎，张有标，等.木本植物对Cd115+115m的吸收及其在体内的分配［J］.生态学报，1982，2（2）：139-146.

［4］栾以玲，姜志林，吴永刚.栖霞山矿区植物对重金属元素富集能力的探讨［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2008，32（6）：69-72.

［5］张永超，陈存根，钟发明，等.重金属铅、镉在白榆中分布规律和累积特性研究［J］.西北林学院学报，2011，26（5）：6-11.

［6］薛忠财，高辉远，彭涛，等.光谱分析在植物生理生态研究中的应用［J］.植物生理学报，2011，47（4）：313-320.

［7］SUN J H，YANG L，YANG X T，et al.Using spectral reflectance to estimate the leaf chlorophyll content of maize inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi under water stress［J］.Frontiers in plant science，2021，12：1-12.

［8］WANG F H，GAO J，ZHA Y.Hyperspectral sensing of heavy metals in soil and vegetation：Feasibility and challenges［J］.ISPRS journal of photogrammetry and remote sensing，2018，136：73-84.

［9］郭晶晶，于海业，刘爽，等.生菜叶片绿度的高光谱判别方法研究［J］.光谱学与光谱分析，2022，42（8）：2557-2564.

［10］CLEMENS S，MA J F.Toxic heavy metal and metalloid accumulation in crop plants and foods［J］.Annual review of plant biology，2016，67：489-512.

［11］赵世杰，董新纯.植物生理学研究技术［M］.北京：中国农业出版社，2022.

［12］PAPAGEORGIOU G C，GOVINDJEE.Chlorophyll a fluorescence：A signature of photosynthesis［M］.Dordrecht，Netherlands：Springer，2004.

［13］丁俊男，王慧，于少鹏.叶绿素荧光分析技术在野生植物响应多环芳烃（菲）胁迫的应用研究［J］.光谱学与光谱分析，2022，42（7）：2207-2212.

［14］XUE Z C，WANG Y，LIU J.Systematic salt tolerance-related physiological mechanisms of wild soybean and their role in the photosynthetic activity and Na+ distribution of grafted soybean plants［J］.Photosynthetica，2022，60（3）：400-407.

［15］BANKS J M.Chlorophyll fluorescence as a tool to identify drought stress in Acer genotypes［J］.Environmental and experimental botany，2018，155：118-127.

［16］KALAJI H M，JAJOO A，OUKARROUM A，et al.Chlorophyll a fluorescence as a tool to monitor physiological status of plants under abiotic stress conditions［J］.Acta physiologiae plantarum，2016，38（4）：1-11.

［17］BASHIR H，QURESHI M I，IBRAHIM M M，et al.Chloroplast and photosystems：Impact of cadmium and iron deficiency［J］.Photosynthetica，2015，53（3）：321-335.

［18］薛忠财，高辉远.反射光谱技术在监测大豆叶片光化学效率和水分状况中的应用［J］.大豆科学，2016，35（3）：436-441.

［19］SIMS D A，GAMON J A.Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species，leaf structures and developmental stages［J］.Remote sensing of environment，2002，81（2/3）：337-354.

［20］BLACKBURN G A.Quantifying chlorophylls and caroteniods at leaf and canopy scales：An evaluation of some hyperspectral approaches［J］.Remote sensing of environment，1998，66（3）：273-285.

［21］LIU Y L，LI W，WU G F，et al.Feasibility of estimating heavy metal contaminations in floodplain soils using laboratory-based hyperspectral data：A case study along Le’an River，China［J］.Geo-spatial information science，2011，14（1）：10-16.

［22］SHI T Z，LIU H Z，CHEN Y Y，et al.Estimation of arsenic in agricultural soils using hyperspectral vegetation indices of rice［J］.Journal of hazardous materials，2016，308：243-252.

［23］ZHANG Z J，LIU M L，LIU X N，et al.A new vegetation index based on multitemporal Sentinel-2 images for discriminating heavy metal stress levels in rice［J］.Sensors，2018，18（7）：1-15.

［24］XUE Z C，LI J H，LI D S，et al.Bioaccumulation and photosynthetic activity response of sweet sorghum seedling （Sorghum bicolor （L.） Moench） to cadmium stress［J］.Photosynthetica，2018，56（4）：1422-1428.