不同生态型铺地黍在镉胁迫下的生长适应性_李志丹.pdf

GRASSLAND AND TURF（2023）Vol.43 No.2 不同生态型铺地黍在镉胁迫下的生长适应性李志丹1，周怡1，黄文萍2，王俊梅1，佘婷婷1，高桂娟1*（1.广东第二师范学院环境教育研究所，广东 广州 510303；2.佛山市南海区狮山镇桃园初级中学，广东 佛山 528234）摘要：【目的】了解不同生态型铺地黍（Panicum repens）在污染河岸消涨带水淹条件下对镉胁迫的生长适应性和生理响应，筛选优异生态型铺地黍。【方法】选取 3 种生态型铺地黍（Edabaoshan、Eguangdong、Ehainan），利用水培试验模拟消涨带水淹环境，比较镉胁迫下不同生态型铺地黍的形态指标和生理指标。【结果】3 种生态型铺地黍完全能够耐受 12 mg/L 浓度的镉胁迫，植株存活率高达70%100%，但是分枝能力降低。Edabaoshan在 12 mg/L 镉处理下的地上生物量分别达到 Eguangdong和 Ehainan的 1.76和 1.86倍，其形态特征（分枝数、节间长、茎粗、植株高度和地上部生物量）均显著高于 Eguangdong 和 Ehainan（PChl a+bChl b，但随胁迫时间延长，POD 和 CAT 活性抑制率减小，叶绿素含量逐渐增加。Edabaoshan受抑制最小，镉胁迫 28 d 后，POD 和 CAT 活性与 CK 无显著差异，这与形态指标表现相符。【结论】Edabaoshan能够逐渐修复镉伤害，有较高的镉耐受性。根据 3种生态型铺地黍的表现，结合土壤生境条件，推断铺地黍原生境条件对镉胁迫的生长适应性影响较大。关键词：铺地黍；生态型；镉胁迫；生长适应性中图分类号：Q945 文献标志码：A 文章编号：1009-5500（2023）02-0158-09 DOI：10.13817/ki.cyycp.2023.02.019随着中国工业化和城市化进程的加快，重金属污染环境问题已引起社会高度重视，全国土壤污染状况调查公报 显示，重金属污染约占我国土壤全部污染的 82%，其中，镉污染状况尤为严重，其污染点位超标率高达 7%1。同时，湖泊和河流等的河岸消涨带生态系统也受到了重金属的严重破坏。中国三峡水库145175 m 的水体消涨带受到 Hg、As、Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Fe 和 Mn 的污染，其中，59%的 Cd 来自工业废物2。植物修复技术因其较强的自我修复能力及低成本、可持续性等特点，优势越来越明显，被广泛用于重金属污染环境的生态治理。在各类重金属污染环境中，河流、湖泊、水库等河岸消涨带的修复最为困难，因该地区长期处于极端干旱和水涝交替状态3-4，给修复植物的生长带来很大困难。近年来，针对此类受损生态系统的植物筛选和污染沉积物的植物修复技术研究受到越来越多的关注5。多年生草本植物铺地黍（Panicum repens）因 其 发 达 的 根 茎，超 强 的 繁 殖力6-7，可长期在水、陆两种生境中生长8-9，并具较强重金属耐性和净化能力10-11，常用于河岸消涨带这种特殊生境的生态修复。前期研究显示，采集于中国南部的 29种生态型铺地黍12，不仅具备适应极端干旱和长期水淹的抗性，且大部分表现出较强的铅镉累积能力和耐受能力。收稿日期：2023-01-03；修回日期：2023-04-14基金项目：广东省普通高校重点领域专项项目（2021ZDZX4004）；广东省自然科学基金项目（2016ZC0204）；大学生创新创业训练项目（202214278012）作者简介：李志丹（1977-），男，内蒙古西乌旗人，硕士，副研究员，主要研究方向为草地生物多样性。E-mail：*通信作者。E-mail：158第 43 卷 第 2 期草 原 与 草 坪 2023 年依托前期研究基础，选取生境不同（一般土壤条件和重金属污染严重土壤条件）的 3 种代表性生态型铺地黍作为进一步研究的材料，进行不同浓度镉胁迫水培试验，比较水淹条件下镉胁迫对不同生态型铺地黍生长特征和生理特性的影响，筛选适用于重金属镉污染河岸消涨带生态修复的优异生态型铺地黍。1材料和方法1.1植物材料供试的 3种生态型铺地黍分别采集于广东省广州市番禺区，编码 E-guangdong，N 22.79，E 113.41；海南省五指山市郊区，编码 E-hainan，N 18.77，E 109.51及 广 东 省 韶 关 市 大 宝 山 矿 区，编 码 E dabaoshan，N 24.60，E 113.67。采集地土壤理化性质见表 1。1.2试验设计试验场地设置在广东第二师范学院楼顶开放式大棚，通风良好，棚顶采用透光玻璃遮雨设置。采用水培盆栽方式，盆的规格为长高宽=60 cm40 cm50 cm。重金属镉（Cd）胁迫溶液采用 CdSO4和 Hoagland 营养液配置13，设置 4 种镉处理浓度，包括 对 照（CK：0 mg/L Cd）、低 镉 浓 度（Cd4：4 mg/L Cd）、中镉浓度（Cd8：8 mg/L Cd）和高镉浓度（Cd12：12 mg/L Cd），共 12 种处理，每处理 3 个重复。选取 10 cm 左右，含两茎节粗细基本一致的繁殖枝条进行营养液水培扦插繁殖，用 KT 板固定，漂浮于水面，两个茎节分别在水面和水下。培养至植株 15 cm 高后留取长势基本一致的植株 20 株，均匀分布，开始进行镉胁迫处理。处理期间每 7天更换含处理浓度镉离子的营养液，并每天补充散失水分至水位线。胁迫后每盆固定10 株每 7 天测定植株高度、茎粗、分枝数、节间长形态指标，共测定 4次，28 d后收获植株地上部分称取生物量。另 10 株选取植株成熟叶片，测定过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性和叶绿素含量，共测定 4次。1.3指标测定铺地黍的分枝数、植株高度和节间长均采用常规标尺测量方法，茎粗采用游标卡尺测量。地上部生物量（鲜重）用去离子水洗净，吸干水分，称量。叶绿素的 测 定 参 照 Lichtenthaler and Wellburn 的 方 法14，POD 活性采用愈创木酚显色法，CAT 活性采用紫外吸收法，每分钟 A240下降 0.01为一个酶活力单位15。计算分枝数、节间长、茎粗、植株高度等指标的相对变化值（Value）和生理指标的变化率（RTS），计算公式如下：Value=（Vt-Vo）式中：Vt分别指 3 种生态型在 4 种镉浓度处理下（CK，Cd4，Cd8和 Cd12）第 7天、第 14天、第 21天和第 28天的指标观测值，Vo指各处理条件下的植物材料在开始处理当天测试数据。RTS（%）=（Vt-VCK）/VCK100%式中：Vt分别指 Cd4，Cd8和 Cd12条件下的生理指标值，VCK指与 Vt在同一镉处理时间梯度的对照值。1.4数据分析采用 SPSS 21.0 进行数据分析，单因素方差分析（Oneway ANOVA）和最小显著差异法（LSD）分析处理之间的差异显著性（P0.05）。各变量之间的相关性采用 Pearson s相关系数呈现。2结果与分析2.1镉胁迫下的不同生态型铺地黍形态特征变化Cd12处理下，E-dabaoshan、E-guangdong 和 Ehainan 3 种生态型存活率分别为 100%、87%和 72%，随时间延长，植株高度、节间长、生物量都逐渐增加，茎粗变化趋势也和 CK 一致，呈现先升高后降低再升高变化。镉胁迫对铺地黍生长具有一定的抑制作用，随胁迫浓度增加，铺地黍植株高度、节间长、生物量增表 13种生态型铺地黍的样本采集点土壤理化特性Table 1Background values of soil physical and chemical properties of three torpedograss ecotypes生态型铺地黍EhainanEguangdongEdabaoshan重金属含量/（mgkg-1）铅067.561170.35锌11.5820.78852.32镉01.5910.53铜0.253.2841.26含水率/%11.2016.7189.33pH值5.926.526.80159GRASSLAND AND TURF（2023）Vol.43 No.2 长速度减小，在 Cd12处理下与 CK 差异显著（P0.05）（图 1-2）。分枝数受镉胁迫抑制明显，Cd4和 Cd12胁迫下，分枝数增长缓慢甚至降低，且与 CK 差异显著（P0.05）。镉胁迫影响了铺地黍茎粗变化幅度，胁迫处理下茎粗减小幅度增加，而增粗幅度减小，但不同胁迫浓度间无显著差异。3 种生态型铺地黍之间，E-dabaoshan 的镉耐受能力最强，其植株高度、茎粗和地上部生物量明显高于另外两个生态型，表现出更强的可塑性能力。镉处理 28 d 后，E-dabaoshan 在 Cd4，Cd8和 Cd12处理下的地上部生物量分别达到 51.04，40.44 和 39.10 g/株，极 显 著 高 于E-guangdong（39.48，35.70 和22.27 g/株）和 E-hainan（40.08，33.83 和 21.06 g/株）（P0.01）。E-dabaoshan在 Cd4处理下的植株高度增加量和地上部生物量与 CK 无显著差异。E-guangdong和 E-hainan在 Cd4条件下植株高度和地上部生物量显著低于 CK（P0.05）。同时，Cd8处理下的 Edabaoshan 的植株高度和地上部生物量与 Cd12处理下的差异不显著，即镉浓度从 8 mg/kg 增加到 12 mg/kg，并 未 加 剧 E-dabaoshan 的 伤 害 程 度。表 明E-dabaoshan 具有相对较强的镉耐受性。E-hainan的表现居中，而 E-guangdong 的表现相对较弱，尤其是茎粗相对于处理初始的值多为负值。2.2镉胁迫下的不同生态型铺地黍生理特性动态变化镉胁迫下，铺地黍的 POD 活性受到抑制，抑制程度受胁迫强度和时间影响较大（图 3）。在处理初期（7 d）高浓度镉胁迫（Cd12）POD 活性与对照无显著差异，而中低浓度受抑制明显，如 E-guangdong在 Cd12镉胁迫 7 d 后的 POD 活性为 99.51 g/g，显著高于 Cd4和Cd8条 件 下 的 75.84 和 55.96 g/g（P0.05）。E-hainan 有同样表现，E-dabaoshan 在 Cd12下的 POD 活性也高于 Cd8和 Cd4处理，且与 Cd4达到显著差异（P0.05）。随处理时间延长，镉胁迫抑制效果增加，处理28 d，除 E-guangdongCd8处理外，各生态型不同处理POD活性显著低于 CK（P0.05）。通过不同生态型铺地黍 POD 活性抑制率分析得出（图 4），E-dabaoshan 在同一时间的各处理整体平均 POD 活性抑制率（Cd4，Cd8和 Cd12），始终高于另外两个生态型。相对于 CK，3 种生态型的 POD 活性受抑 制 程 度，表 现 为 E-dabaoshan E-guangdong图 1不同生态型铺地黍在各浓度镉处理条件下的形态特征Fig.1Dynamic changes of morphological characteristics of different torpedograss ecotypes under different cadmium treatment160第 43 卷 第 2 期草 原 与 草 坪 2023 年E-hainan，Cd12胁迫后的第 21 天，3 种生态型 POD 活性 相 对 于 CK 的 减 少 幅 度 分 别 为-31.33%，-50.95%和-58.99%。过氧化氢酶（CAT）活性在镉胁迫下也受到抑制（图 4），不 同 生 态 型 受 抑 制 程 度 不 同，其 中 E-dabaoshan受抑制小，在初期和后期不同浓度镉胁迫下CAT 活性均与 CK 无显著差异，其活性受抑制程度表现 为 EdabaoshanE-hainanE-guangdo