镉胁迫及施氮措施对喀斯特特有树种蚬木光合生理的影响

谭长强，申文辉，欧芷阳，彭玉华*，曹艳云，郝海坤

(1.广西林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002；3.国家林业局 中南速生材繁育实验室，广西 南宁 530002)

镉被视为最具危害性的重金属污染元素之一[1]。广西由于矿区的不合理开发，受镉污染较为严重，并且矿区主要集中在喀斯特山地地区，随着水流镉污染范围不断扩大[2-3]。而目前最有效和简便的治理方法为植物修复。因此，筛选和了解植物对镉胁迫的耐性及生长特征尤为重要。而镉对植物的伤害是多方面的，在形态上主要表现为根、茎生长迟缓和叶片失绿、卷曲，生理生化方面多表现为光合作用、叶绿素含量降低，高浓度镉则会导致植物生长严重受抑制[4-5]。相关研究表明，喀斯特地区任豆、狭网真藓等特有植物具有较强的重金属吸收和耐受能力[6-7]，而氮素具有缓冲重金属引起植物毒害的能力，适量施氮可增强镉胁迫下植物叶片叶绿素含量、光合作用，从而促进植物生长，以及扭转因镉引起的植物体内的生理毒害[8-9]。

蚬木(Excetrodendronhsienmu)是广西喀斯特地区特有树种，又名火木，椴树科(Tiliaceae),常绿大乔木。自然分布于广西和云南部分海拔700～900 m热带石灰岩山地季雨林，分布中心在广西南部，曾是广西北热带喀斯特季节性雨林的优势种和关键种之一[10]，因材质硬、木材好，而受乱砍滥伐严重而渐行濒危。蚬木为阳性，幼年耐荫，噬钙性树种。而目前相关研究表明，通过合理种植措施蚬木在偏酸性黄壤土上仍能正常生长[11]。本研究通过探讨重金属镉胁迫及施氮措施对蚬木光合生理的影响及生理生化的变化，以期为土壤镉污染的治理提供更多的依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验地及供试土壤

本次试验在广西林业科学研究院苗圃进行，属湿润的亚热带季风气候，全年降水天数160 d左右，具有明显的干湿季节，年平均降雨量1 650 mm，主要集中在5-9月份。供试土壤为赤红壤，采自广西林业科学研究院老虎岭，土壤pH值为4.73，有机质17.31 g·kg-1、全N 0.542 g·kg-1、水解N 66.73 mg·kg-1、全P 0.344 g·kg-1、速效P 1.26 mg·kg-1、全K 7.08 g·kg-1、速效K 98.14 mg·kg-1、全Cd 0.245 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验蚬木苗木为1年生扦插营养袋苗，采用直径为28 cm、高28 cm的塑料盆，每盆装10 kg土，设置7个处理，分别为CK：0 mg·kg-1Cd2+，Cd1：30 mg·kg-1Cd2+，Cd2：120 mg·kg-1Cd2+，Cd1N1：30 mg·kg-1Cd2++0.4 g·kg-1CO(NH2)2，Cd1N2：30 mg·kg-1Cd2++0.8 g·kg-1CO(NH2)2，Cd2N1：120 mg·kg-1Cd2++0.4 g·kg-1CO(NH2)2，Cd2N2：120 mg·kg-1Cd2++0.8 g·kg-1CO(NH2)2，每处理20个重复。土壤经风干、粉碎、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，并与其混合均匀在遮雨棚下均衡1周。于2016年2月20日取预先培养好的健壮植株(生物量基本一致，苗高、地径分别约为39.9、4.48 mm)，每盆栽植1株，试验期间保持土壤湿润，每次浇透至托盘有水流出但不外溢，浇水后，将盘内渗出水分倒回至盆中，以免Cd流失。按照常规方法进行松土和除草等。

1.3 测定方法

处理前1 d以及处理90 d后测量所有苗的苗高、地径。培养90 d后，于5月20日，叶片光合作用参数每处理随机抽取6株，每株取完全展开的成熟叶1片进行测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。光合作用参数测定采用LI-6400(LI-COR，USA)便捷式光合仪，测定时间为09:00-11:00，光强、叶温、空气流量、CO2浓度分别设为1 200 μmol·m-2·s-1、30℃、500 μmol·s-1和400 μmol·mol-1，叶绿素含量采用丙酮-乙醇混合提取法[12]。

1.4 数据分析

数据运用Excel 2003及DPS 7.0软件进行处理与分析，多重比较采用Duncan新复极差法。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫及施氮措施对蚬木苗高地径的影响

从表 1 可知，镉胁迫下蚬木苗高、地径的生长均显著受到了抑制，Cd1、Cd2苗高分别比CK降低了41.6%和66.4%，地径分别下降了27.5%和36.6%。低镉浓度(Cd1)胁迫下，随着施氮浓度的升高，苗高、地径表现了先升高后降低的变化趋势，苗高、地径均在Cd1N1时达到最大值分别比Cd1增加7.7%和3.3%，但均未达到显著差异水平；Cd1N2苗高、地径分别较Cd1降低了9.7%和17.9%，其中地径Cd1N2与Cd1之间达到了显著差异水平。高镉浓度(Cd2)胁迫下，随着施氮浓度的升高，苗高、地径表现了不断降低趋势，Cd2N1分别降低了16.3%和3.0%，Cd2N2分别显著降低了29.1%和23.4%。

2.2 镉胁迫及施氮措施对蚬木光合特征的影响

镉胁迫下蚬木叶片叶绿素含量均显著降低(表1)，并且各处理与CK之间均达到了显著差异水平，Cd1、Cd2分别比CK降低了24.3%和33.3%。低镉浓度(Cd1)胁迫下，随着施氮浓度的升高，叶绿素含量表现了先升高后降低的变化趋势，Cd1N1比Cd1升高了8.6%，Cd1N2比Cd1显著降低了23.9%。高镉浓度(Cd2)胁迫下，随着施氮浓度的升高，叶绿素含量表现了不断降低趋势，与Cd2相比，Cd2N1、Cd2N2分别降低了15.1%和19.3%，其中Cd2N2与Cd2达到了显著差异水平。

表1 镉胁迫及施氮措施对蚬木生长及光合生理的影响

注：表中同列小写字母表示差异显著水平(P<0.05)。

镉胁迫下蚬木净光合速率(Pn)均受到了一定抑制，Cd1、Cd2分别比CK降低了8.1%和34.3%，其中Cd2与CK之间达到了显著差异水平。低镉浓度(Cd1)胁迫下，随着施氮浓度的升高，Pn表现了先升高后降低的变化趋势，Cd1N1比Cd1升高了1.65%，Cd1N2比Cd1显著降低了36.0%。高镉浓度(Cd2)胁迫下，随着施氮浓度的升高，Pn表现了不断降低趋势，与Cd2相比，Cd2N1、Cd2N2分别显著降低了17.0%和40.3%。

镉胁迫下，蚬木气孔导度(Gs)无显著变化。低浓度及高浓度镉胁迫下，Gs均随着施氮浓度的增加而表现了不断降低趋势。低镉浓度(Cd1)胁迫下，Cd1N1、Cd1N2分别比Cd1显著降低了21.8%和43.1%；高镉浓度(Cd2)胁迫下，Cd2N1、Cd2N2分别比Cd2显著降低了36.6%和41.7%。

镉胁迫下蚬木胞间CO2浓度(Ci)均显著上升，Cd1、Cd2分别比CK上升了10.2%和20.3%。低镉浓度(Cd1)胁迫下，随着施氮浓度的升高，Ci表现了先降低后升高的变化趋势，Cd1N1比Cd1显著降低了11.1%，Cd1N2比Cd1增加了5.6%。高镉浓度(Cd2)胁迫下，随着施氮浓度的升高，Ci表现了不断升高趋势，与Cd2相比，Cd2N1、Cd2N2分别增加了4.5%和5.5%。

镉胁迫下蚬木蒸腾速率(Tr)均显著降低，Cd1、Cd2分别比CK降低了10.8%和20.9%。低镉浓度(Cd1)胁迫下，随着施氮浓度的升高，Tr表现了先升高后降低的变化趋势，Cd1N1比Cd1显著升高了7.5%，Cd1N2比Cd1显著降低了13.5%。高镉浓度(Cd2)胁迫下，随着施氮浓度的升高，Tr表现了不断降低趋势，Cd2水平相比，Cd2N1、Cd2N2分别显著降低了6.8%和17.9%。

3 结论与讨论

镉胁迫下，蚬木光合及生长受到显著抑制，其光合作用主要受非气孔因素影响。低镉胁迫下施低氮可增强蚬木光合作用，而高镉胁迫下施氮以及低镉胁迫下施高氮均不能提高蚬木光合能力。

镉胁迫下，多种植物生长受到抑制[13]。本试验结果表明，镉胁迫下蚬木苗高、地径均随着镉浓度的增加呈下降趋势。张帆[9]等研究表明镉胁迫的同时加入氮可缓解镉胁迫对其生长的抑制。也有研究表明镉胁迫下不合理的供应氮肥将使氮与镉协同抑制植物生长[8]。本研究得出，低镉条件下施低氮有利于蚬木苗高、地径的生长，但低镉高氮以及高镉胁迫下施氮均不同程度抑制了蚬木的生长。

植物受镉毒害的典型症状就是抑制叶绿素的合成，导致叶色黄化[14]。本研究结果表明，镉胁迫下，蚬木叶片叶绿素含量随着镉浓度的增加而显著降低。氮素是合成叶绿素的重要元素之一，当植物体内铵态氮含量增加，会提高叶绿素合成前体谷氨酸或α-酮戊二酸的含量，从而促进叶绿素的合成[15]。而本研究发现，低镉胁迫下随着施氮含量的增加，蚬木叶片叶绿素含量呈先升高后降低的趋势，可能与高施氮水平下氮促进镉对蚬木的毒性增强有关。这也与曹莹[8]等的研究镉胁迫下铵态氮对春小麦叶绿素含量的影响结果相一致。而高镉胁迫下，施氮均降低了蚬木叶片叶绿素含量，并且在高氮下达到了显著差异。

光合作用是植物生长的基础。S.Mediavilla[16]等报道，Pn降低主要有两方面的原因：气孔限制和非气孔限制。G.D.Farquhar[17]认为，Ci值的大小是评判气孔限制和非气孔限制的依据。Pn、Gs和Ci值同时下降时，Pn的下降为气孔限制，这可能是由于镉胁迫影响了保卫细胞K、Ca的吸收和运输，增加了叶片气孔阻力[18]；相反，如果叶片Pn值的降低伴随着Ci值的提高，说明光合作用的限制因素是非气孔限制，这可能是由于严重镉胁迫产生的大量活性氧积累使膜脂过氧化[19]，或是Cd离子影响了Mg离子的正常运输[20]，从而影响了叶绿素的合成，也可能是原初光化学反应受到了伤害[21-22]。本研究表明不施氮镉胁迫下，随着镉胁迫程度的加深，Pn值表现了不断降低趋势，而Ci值则不断上升；低镉胁迫下施氮，蚬木Pn随着施氮浓度的增加表现为先微弱上升后下降，Gs则表现了不断降低，而Ci则正好相反表现为先降后增；而高镉胁迫下施氮，蚬木Pn值的降低也伴随着Gs值的不断降低以及Ci值的提高，说明镉胁迫对蚬木光合作用的影响限制因素为非气孔因素。同时也说明低镉胁迫下低氮可减轻这种因非气孔因素限制所引起的光合速率下降，而低镉胁迫下施高氮以及高镉胁迫下施氮均加重了非气孔因素的限制，说明低镉高氮及高镉胁迫下施氮均会产生对蚬木的协同胁迫，降低蚬木光合速率，加重对蚬木的毒害。这与曹莹[8]等的研究结果镉胁迫下适量氮水平可提高小麦叶片叶绿素含量及希尔反应活力，而高施氮水平下氮使镉对小麦的毒性增强相吻合。这可能是由于氮素是合成叶绿素的重要元素之一，当植物体内氮含量增加，会提高叶绿素合成前体谷氨酸或a-酮戊二酸的含量，从而促进叶绿素的合成[15]。同时，外施氮会使土壤pH下降，进而土壤镉的有效性增强，从而使植物吸收的镉含量增加，所受毒害作用增强[23]。

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