铅、镉单一及复合污染对11个空心菜品种种子萌发和幼苗生长效应的影响

李富荣　朱娜　杨锐　杜应琼　王富华

摘 要 以11个品种的空心菜种子为研究对象，研究了不同浓度的铅、镉及其复合污染对不同空心菜种子萌发率、幼苗根长、苗高及生物量的影响，比较了不同处理对空心菜种子萌发和幼苗生长抑制效应的品种差异，旨在为重金属中轻度污染农田土壤栽培空心菜的品种选择及农产品质量安全保障提供参考。结果发现：铅、镉单一或复合污染对幼苗生长比种子萌发的抑制作用更明显，其中幼苗根生长对铅镉污染比种子萌发等指标更为敏感，因此将幼苗根生长作为评价重金属铅镉毒害的指标更为合理。随着铅、镉单一及铅镉复合污染浓度的加大，其对空心菜各品种幼苗生长的抑制作用也逐渐增大，且同样浓度下，铅镉复合污染往往比单一重金属污染的抑制率更高，说明铅镉污染存在协同效应。其中，对空心菜各指标的综合抑制效应在铅、镉单一污染下最高达48.78%和42.84%，而在铅镉复合污染时最高达59.73%。另外，不同品种对铅、镉污染的敏感性不同，通过比较，区分了3个耐铅镉污染品种和2个铅镉污染敏感品种。

关键词 铅；镉；空心菜；复合污染；种子萌发

中国分类号 S181 文献识别码 A

Abstract To screen suitable cultivars in heavy metal polluted agricultural soils and reduce the risk of pollutants entering the human diet from soils via agricultural products， the variations in inhibitory effects of simplex / combined Pb and Cd pollution on the seed germination and seedling growth of different Ipanoea aquatica cultivars were studied. The results showed that seedling growth reflected the effects of Pb and Cd pollution on I. aquatica even more than the seed germination. Among them， root growth which was the most sensitive to lead and cadmium pollution could be used as the important index to assess the toxic effect of heavy metal lead and cadmium. As heavy metal pollution concentrations increased， the inhibitory effect of simplex / combined Pb and Cd pollution on seedling growth of I. aquatica was strengthened. Additionally，under the same concentration of some heavy metal element，the combined pollution usually caused higher inhibition rates than the simplex pollution. It was suggested that there was a synergistic effect between lead and cadmium pollution. The maxmium comprehensive inhibitory effects of all parameters under simplex Pb and Cd pollution was 48.78% and 42.84%， respectively， while the maxmium value under combined pollution was 59.73%. Besides， different cultivars showed different sensitivity to lead and cadmium pollution. There were three cultivars to be considered as the tolerant cultivars to lead and cadmium pollution and two cultivars to be sensitive cultivars.

Key words Lead； Cadmium； Ipanoea aquatica； Combined pollution； Seed germination

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.11.006

铅（Pb）和镉（Cd）是环境中重要的有毒重金属，其所带来的环境污染问题和食品安全问题广受关注。铅作为对生态环境危害极大的重金属元素之一，进入土壤后不能被微生物降解，很难去除，对植物和动物都会产生较大的毒害[1-2]。而镉在土壤中的有效态比例较高，活性较强，很容易被作物吸收而污染食物鏈，危及人类健康[3]。目前，重金属污染往往表现为多金属的复合污染，铅镉复合污染更受国内外学者的普遍重视[4-5]。由于复合污染下污染物对植物的毒害效应与单一污染物作用存在差异[6]，因此，比较铅、镉单一污染与铅镉复合污染下植物的不同表现对揭示重金属复合污染规律和指导重金属污染修复具有更重要的实际意义。

空心菜（Ipanoea aquatica）作为一种栽培历史悠久的蔬菜，在中国及亚洲地区均较常见，且品种繁多。其生长快、适应性强，被普遍认为是重金属污染的高风险种，甚至成为目前水体重金属污染植物修复的重要材料[7-8]。由于近年来水源和土壤的严重污染，使得这种广受欢迎的蔬菜其栽培和品质安全受到了极大的影响，给消费者的身体健康和生命安全带来了隐患。然而，诸多研究表明，同一种蔬菜的不同品种具有不同的生理特性，对污染物的耐受性有所差异[9-10]。目前对单一重金属元素污染情况下空心菜的响应机制和不同品种敏感性差异已有相关研究[11-13]，但关于复合污染情况下的相关研究仍然较少。种子萌发作为植物生命周期的起点，其萌发时期的生长状况直接影响植物的后期生长发育，因此，研究种子在萌发阶段受重金属污染的影响具有重要的现实意义[14]。本文将通过研究铅、镉单一污染及复合污染胁迫下多种空心菜种子的萌发特性及幼苗生长特征，比较不同处理对空心菜种子萌发和幼苗生长影响的品种差异，以便选择适合重金属中轻度污染农田土壤环境中生长的品种，揭示单一污染和复合污染的不同内在规律，为大规模用于农田土壤修复和保障农产品质量安全提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试空心菜品种共11个，均为市售常见的品种，各品种相关信息见表1。选取各品种籽粒饱满且大小一致的种子经0.5% NaClO溶液消毒、洗净、晾干后备用。试验所用重金属试剂Pb（NO3）2和Cd（NO3）2均为分析纯试剂。

1.2 种子萌发实验设计

将Pb（NO3）2和Cd（NO3）2按表2中的浓度配成溶液，设置铅、镉单一污染和铅镉复合污染各4个浓度，以蒸馏水为对照，共13个处理水平（表2），每个处理3个重复。取直径9 cm的培养皿铺入双层滤纸为发芽床，加入10 mL不同处理浓度的溶液，每皿均匀放置10颗空心菜种子。实验过程中每个培养皿内统一适当补充一定体积的蒸馏水，使滤纸保持湿润。每天记录各皿种子萌发数量，萌发标准为胚轴突破种皮达1～2 mm。7 d后收获，测量并记录每株空心菜幼苗根长、苗高和生物量。

1.3 测定方法及数据统计

本实验测定了各处理下11个空心菜品种的种子萌发率、幼苗根长、苗高和生物量。其中，发芽率=供试种子的发芽数/供试种子数×100%。各处理对种子萌发抑制率=（对照种子萌发率-处理种子萌发率）/空白种子萌发率×100%。所有试验数据采用Excel和SPSS17.0软件进行统计分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 铅、镉单一/复合污染下空心菜种子萌发率

与对照相比，品种3在铅、镉单一污染及复合污染的12个重金属浓度处理下均表现为抑制作用（表3）；品种2和品种7除少数处理下其种子萌发率不受铅、镉污染影响外，其它处理均对种子萌发率起促进作用；而其它品种在不同浓度处理下对种子萌发率有抑制作用也有促进作用，且各处理对空心菜种子萌发率的抑制作用并不随污染浓度的加大而增加。各铅镉处理下对11个品种萌发率的抑制率范围分别为-15.38%～15.38%、0～6.67%、-80.00%～-20.00%、-11.11%～11.11%、-26.32%～15.79%、-7.14%～7.14%、0～16.67%、-7.69%～15.38%、-16.00%～12.00%、-7.41%～3.7%和-25.00%～4.17%。但除PC1处理下品种11的种子萌发率明显比对照高25%外，其它处理下与对照的差异并不显著。

2.2 铅、镉单一/复合污染对空心菜幼苗根长的影响

铅、镉单一/复合污染对空心菜幼苗根长的影响见表4。由表4可见，铅、镉单一/复合污染各处理对11个空心菜品种的幼苗根长普遍存在抑制效应。除品种1在Pb1、Cd1处理下，品种5在Pb1～Pb4、Cd1～Cd3及PC1处理下，品种6在Cd2处理下，品种9在Pb1、Pb2、Cd1、Cd2处理下其对空心菜幼苗根长影响不显著外，其它情况下对各品种空心菜幼苗根长的抑制作用均表现明显。随铅、镉单一及铅镉复合污染浓度的加大其对空心菜各品种幼苗根长的抑制作用也逐渐增大，且同样浓度下，复合污染往往比单一污染的抑制率更高，说明铅镉污染存在协同效应。其中，在Pb单一污染浓度达最高处理Pb4时，各品种空心菜幼苗根长所受抑制率范围为19.98%～82.40%，其大小顺序为：品种8>品种11>品种4>品种7>品种2>品种1>品种10>品种3>品种6>品种9>品种5；在Cd4处理下空心菜各品种幼苗根长抑制率为29.90%～84.74%，其大小顺序为：品种8>品种7>品种11>品种4>品种2>品种10>品种1>品种6>品种9>品种3>品种5；在铅镉复合污染达最高浓度PC4处理时，其抑制率达50.55%～89.95%，其大小顺序为：品种8>品种4>品种7>品种11>品种1>品种2>品种10>品种6>品种3>品种9>品种5。

2.3 铅、镉单一/复合污染对空心菜幼苗苗高的影响

铅、镉单一/复合污染对空心菜幼苗苗高的影响见表5。由表5可以看出，除品种9在各重金属低浓度处理时其幼苗苗高受促进作用外，铅、镉单一或复合污染下对各品种空心菜幼苗苗高大多产生了抑制作用。其中，各铅镉处理对空心菜品种3和品种8幼苗苗高的抑制作用均为显著。除品种2仅在PC3和PC4处理下作用显著外，其它品种大多是在铅、镉单一污染为Pb4和Cd4时幼苗苗高受抑制作用明显，而铅镉复合污染在各浓度下大多使其受明显的抑制作用。其中，在Pb4处理下，各空心菜品种幼苗苗高受抑制率达15.14%～68.87%%，其大小顺序为：品种3>品种8>品种5>品种7>品种1>品种4>品种6>品种>品种10>品种11>品种2>品种9；在镉单一污染达最高浓度Cd4处理下各品种幼苗苗高抑制率达11.33%～77.02%，其大小顺序为：品种3>品种5>品种8>品种6>品种7>品种1>品种11>品种10>品种4>品种9>品种2；在铅镉复合污染最高浓度PC4处理下，其抑制率为40.62%～78.52%，其顺序为：品种3>品种5>品种8>品种7>品种4>品种6>品种10>品种11>品种1>品种9>品种2。

2.4 铅、镉单一/复合污染对空心菜幼苗生物量的影响

铅、镉单一/复合污染对空心菜幼苗生物量的影响见表6。由表6可知，铅、镉单一或复合污染对不同空心菜品种幼苗生物量既有抑制也有促进作用，特别是品种2和品种10在PC1处理下促进作用明显，品种9则在Pb1和Cd2处理下促进作用明显。而铅、镉单一或复合污染对空心菜幼苗生物量产生显著抑制作用的情况比其对幼苗苗高的要少得多。其中，品种1除Cd4处理外，其它处理下对其幼苗生物量均产生了显著的抑制作用，品种8除Pb1、Pb2、Cd1和Cd2情况下对幼苗生物量抑制作用不明显外，其它情况都有显著抑制作用，而其它品种则大多只在重金属高污染浓度下才表现出对幼苗生物量有明显的抑制作用。在Pb单一污染浓度达最高处理Pb4时，各空心菜品种幼苗生物量受抑制率为-9.12%～56.62%%，其大小顺序为：品种8>品种5>品种3>品种1>品种7>品种4>品种6>品种>品种10>品种11>品种9>品种2；在镉单一污染達最高浓度Cd4处理下，各品种幼苗生物量抑制率为-13.77%～45.57%，其大小顺序为：品种8>品种7>品种6>品种9>品种11>品种5>品种1>品种3>品种4>品种10>品种2；在铅镉复合污染最高浓度PC4处理下，其抑制率达0.66%～72.24%，其顺序为：品种8>品种6>品种7>品种3>品种10>品种4>品种5>品种1>品种11>品种9>品种2。

2.5 铅、镉单一/复合污染对空心菜种子萌发及幼苗生长的综合抑制效应

以各重金属污染浓度对空心菜种子萌发及幼苗生长影响的4个测试指标计算其综合影响的结果如表7所示。除品种9在低重金属污染程度下大多表现为综合促进效应外，其它情况均表现出不同程度的综合抑制效应。其中，铅单一污染达最高浓度Pb4处理下，对空心菜种子萌发及幼苗生长综合抑制效应范围为14.80%～48.78%，对各品种的影响大小顺序为：品种8>品种7>品种1>品种4>品种11>品种6>品种10>品种3>品种5>品种2>品种9；在镉单一污染达最高浓度Cd4处理下，对空心菜种子萌发及幼苗生长综合抑制效应范围为17.52%～42.84%，对各品种的影响大小顺序为：品种8>品种7>品种11>品种6>品种9>品种4>品种1>品种10>品种5>品种3>品种2；在铅镉复合污染最高浓度PC4处理下，对空心菜种子萌发及幼苗生长综合抑制效应范围为31.12%～59.73%，对各品种的影响大小顺序为：品种8>品种7>品种6>品种4>品种3>品种1>品种10>品种11>品种5>品种9>品种2。

3 讨论与结论

由于种子萌发和幼苗生长期是植物对环境胁迫较为敏感的时期，研究种子在胁迫条件下其萌发与幼苗生长的特征可以在一定程度上反映植物对胁迫的耐性[15]。相关研究在当前农田重金属污染日趋严重的现状下具有重要的现实意义。植物种子萌发和幼苗生长状况可作为检测农田土壤环境重金属污染的重要指标[16-17]。本研究以重金属铅、镉单一污染及复合污染对空心菜种子萌发率、幼苗根长、苗高及生物量的影响这四个方面作为检测指标，结果表明，重金属铅、镉单一污染或复合污染对空心菜种子萌发的影响较小，对幼苗生长的抑制作用更为显著，且对幼苗根长的抑制作用往往大于幼苗苗高和生物量，这与Di Salvatore等[18]的研究结果一致。由于种子萌发初期主要吸胀吸水，溶液中的重金属对其影响不大，而在种子萌发后，在种子吸水的同时大量重金属也进入细胞内并抑制幼苗萌发生长的相关酶活性，从而使幼苗生长受阻，表现为幼苗生长和鲜重下降[19]。另一方面，种子吸胀萌动时，胚根最先突破种皮，使其在重金属的积累量和受胁迫时间上大于芽，因此重金属对根长的抑制作用大多强于幼苗苗高生长。而幼苗根生长通常被认为是比种子萌发等对重金属胁迫更为敏感的指标[20]。

有研究表明，重金属对植物种子萌发具有“低抑高促”现象，低浓度重金属可以提高种子生理活性，促进萌发和幼苗生长；高浓度重金属胁迫抑制种子萌发相关酶活性和物质代谢，使其生长代谢受抑制[21]。在本研究中，重金属对部分空心菜种子萌发及幼苗生长（特别是幼苗生物量方面）存在较低浓度下的促进效应和高浓度下的抑制效应。如品种9在Pb1～Pb3、Cd1～Cd3、PC1处理下为促进作用，而在Pb4、Cd4和PC2～PC4处理下为抑制作用。另外，对空心菜各品种的四个测试指标来说，随铅、镉单一及铅镉复合污染浓度的加大其对空心菜各品种种子萌发和幼苗生长的抑制作用也逐渐增大。且在铅或镉浓度相同的情况下，复合污染往往比单一污染对种子萌发和幼苗生长的抑制率更高，说明铅镉污染存在协同效应，加重了对空心菜的毒害作用。这进一步证实了复合污染下两种或多种元素的协同作用对植物的毒害效应与单一元素的作用有所不同[22]。

不同植物或同一植物不同品种对重金属的耐性和吸收规律存在很大差異，在同一种蔬菜中筛选对重金属具有不同耐性的品种用于农田土壤重金属污染修复具有重要实际意义，相关工作近年来已成为农田污染修复的热点之一[23-24]。对11个空心菜的各个测试指标或综合抑制效应来看，不同品种之间对铅、镉单一污染或复合污染的敏感性存在一定的差异。从重金属处理对各测定指标的抑制率和综合抑制率来看，品种8和品种7的幼苗生长较其它空心菜品种大多受到更强的抑制，为铅镉污染的敏感性品种；而品种2、品种9和品种5的幼苗生长受重金属胁迫抑制往往较其它品种要弱，且在低浓度时出现一定的促进效应，为耐铅镉复合污染的耐性品种。由于中国目前农田土壤受铅镉复合污染的情况比单一污染更为普遍，而空心菜作为一种易受重金属污染的蔬菜，选种对铅、镉污染具较强耐性的品种2、品种9和品种5时需谨慎考虑其对重金属的吸附能力。在后期研究中，有必要在本研究的基础上，再针对这些对铅、镉污染耐性强的品种进行重金属污染风险评估，从而保障空心菜质量安全。

综上，本文系统研究了空心菜多个品种在重金属铅、镉单一/复合污染胁迫下的种子萌发和幼苗生长情况，为农田重金属污染修复过程中筛选空心菜耐性品种和高累积品种做了初步的探索。今后，随着研究的进一步深入，有必要从生理层面对空心菜的重金属耐性品种进行研究，探讨重金属铅镉在其体内的转移和累积机制，研究空心菜对重金属铅镉复合污染的解毒机理，该研究对丰富植物修复技术具有重要的科学意义和实践指导价值。

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