重金属Cd·Pb污染土壤对紫花苜蓿种子萌发和幼苗生长的影响

景俏丽 董岁明 侯琪琪

摘要 [目的]研究重金属Cd、Pb单一及复合污染对紫花苜蓿种子萌发和幼苗生长的影响。[方法]以紫花苜蓿（Medicago sativa）种子为材料，采用土培方法研究了重金属Cd、Pb单一及其复合污染土壤对苜蓿种子萌发及幼苗生长的影响。用种子的发芽势、发芽率、发芽指数与活力指数4个指标衡量种子的萌发状况。[结果]中低浓度的Cd、Pb对苜蓿种子萌发影响不大，当Cd≤15 mg/kg、Pb≤600 mg/kg时，种子的发芽势和发芽率与对照相比差异较小。重金属Cd、Pb严重阻碍了幼苗期苜蓿的正常生长，苜蓿的根长、芽长与鲜重这3项指标均与重金属浓度呈极显著负相关，相关系数远小于-0.900。[结论]Cd、Pb单一及其复合污染对苜蓿幼苗生长期的毒害作用远大于对种子萌发期的影响，苜蓿种子在前期萌发阶段对重金属Cd、Pb具有较强的耐性。

关键词 紫花苜蓿；种子萌发；幼苗生长

中图分类号 X5 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）22-0119-03

Abstract[Objective]To study effect of heavy mental Cd，Pb single and compound pollution on seed germination and seedling growth of Alfalfa.[Method]Alfalfa seeds are used to study effects of heavy metal elements Cd and Pb on seed germination and seedling growth by using soil culture experments.The germination status of seeds was measured by germination energy，germination rate，germination index and vitality index.[Result]Cd and Pb in low concentration had little effect on the germination of alfalfa seeds.The germination energy and germination rate of the seeds were very small compared with that of the control group when the Cd was less than 15 mg/kg and Pb was less than 600 mg/kg.The growth of alfalfa seedling stage was reflected by root length，sprout length and fresh weight.The heavy metal Cd and Pb seriously hindered the normal growth of seeding period of alfalfa .The root and sprout length and fresh weight of alfalfa were significantly negatively correlated with the concentration of heavy metals，and the correlation coefficient was far less than -0.900.[Conclusion]Cd and Pb have more toxic effects on the growth of alfalfa seedlings than the effect on seed germination period.So the seed of alfalfa has strong tolerance to the heavy metal Cd and Pb during the germination stage.

Key words Alfalfa；Seed germination；Seedling growth

土壤重金屬污染已成为目前的一个热点话题，但在所有非植物必需的重金属元素中，Cd和Pb毒性巨大，对土壤造成极大危害，同时也受到广泛关注[1-4]。利用超富集植物吸收土壤重金属是近年来兴起的一项绿色环保修复新技术[5-7]，素称“牧草之王”的紫花苜蓿对重金属Cd和Pb均具有较强的耐性与富集能力[8-11]，近年来众多学者研究了水培条件下重金属对植物种子萌发的影响[12-16]，但在土培条件下研究重金属对超富集植物种子萌发的影响甚少。笔者以紫花苜蓿为研究对象，采用土培试验，探究在不同浓度梯度下，Cd、Pb单一或复合污染土壤对紫花苜蓿种子萌发及幼苗生长的影响，研究重金属Cd、Pb单一及其复合污染土壤对紫花苜蓿的毒害作用，以期为后期用紫花苜蓿修复重金属污染土壤提供可靠依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 供试种子（紫花苜蓿Medicago sativa）由千华百魅种业有限公司提供；

供试土壤采自陕西西安市秦岭山脚下，取0～20 cm表层农田土壤，自然风干后，先初步剔除其中粗杂质，过100目筛后备用。Cd（NO3）2·4H2O、Pb（NO3）2均为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 污染土壤的配制。将过筛的土壤与发酵的实木屑按土∶木=5∶2混合后装入种子培养皿中，每皿装入80 g；依据《土壤环境质量标准》，设置Cd2+浓度梯度为5、15、15、20、25 mg/kg；Pb2+浓度梯度设置为200、400、600、800、1 000 mg/kg；分别将配制好的重金属溶液单独或混合加入培养皿（混合加入时Cd、Pb高低浓度一一对应），静置钝化14 d后作为种子的发芽床。用去离子水作为对照，共16个处理，每个处理3个重复。

1.2.2 发芽试验。挑选颗粒饱满均匀的苜蓿种子置于质量分数4%的KMnO4内消毒10 min后，用自来水冲洗数次，再用去离子水反复冲洗3次，最后用滤纸吸干表面水分。每个培养皿中均匀放入30粒处理后的种子，每日用称量法加水至恒重并置于室温环境中培养。

1.3 测定指标与方法

发芽期间，每隔24 h记录种子的发芽数，第5天统计发芽势，第8天统计发芽率并计算发芽指数。12 d后随机挑选每盆长势较好的5株幼苗，测定其根长、芽长及鲜重，用以衡量种子幼苗的生长状况[17-19]。

发芽势=4 d内供试种子的发芽数/供试种子数×100%

发芽率=供试种子的发芽数/供试种子数×100%

发芽指数（GI）=Gt/Dt

式中，Gt为在t天的发芽数，Dt为发芽天数。

活力指数（VI）= GI×S

式中，GI为发芽指数，S为芽长+根长（cm） 。

1.4 数据分析 试验数据均采用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行单因素Duncan统计分析，Origin 8.5绘图，结果均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 重金属Cd、Pb单一及复合污染土壤对苜蓿种子萌发的影响

2.1.1 Cd对苜蓿种子萌发的影响。

由表1可知，与对照相比，苜蓿种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数4项指标总体上均随Cd浓度的增加逐渐降低。当Cd浓度≤10 mg/kg 时，种子的发芽势和发芽率与对照相比差异均不显著（P>0.05），可见低浓度的Cd对苜蓿种子出苗率影响极小；当Cd浓度分别为15、20、25 mg/kg时，种子的发芽率分别为对照的91.14%、89.87%、87.34%，降低幅度不大，影响较小。

发芽指数与活力指数是反映种子品质的主要参数，较高浓度的Cd（≥20 mg/kg）种子发芽指数与活力指数与对照相比差异达显著水平，当Cd浓度为25 mg/kg时，种子的发芽指数与活力指数分别为对照的77.24%、29.68%，可见Cd浓度越大，苜蓿种子的品质越劣，活力越低。

2.1.2 Pb对苜蓿种子萌发的影响。

由表2可知，Pb对苜蓿种子的发芽势影响较小，与对照相比差异不显著。200 mg/kg Pb处理后种子的发芽率与对照相比未受任何影响，不影响苜蓿的发芽势，但活力指数降低至39.06，为对照的7493%，可见虽然低浓度的Pb对种子出苗率影响较小，但对幼苗后期的生长造成较大影响，使得种子品质降低。当Pb浓度为1 000 mg/kg时，种子发芽率降低为对照组的86.37%，活力指数降低至对照的34.57%。这说明Pb对苜蓿种子萌发有抑制作用，低浓度影响较小，与对照相比降幅小，高浓度影响较大且降幅較大，苜蓿种子品质变劣。

2.1.3 Cd、Pb复合污染对苜蓿种子萌发的影响。由表3可知，在Cd、Pb复合污染的土壤中，随着复合重金属浓度的逐渐增大，苜蓿种子的发芽势、发芽率、发芽指数与活力指数呈下降趋势。但与单一Cd、Pb处理相比稍有差别，当Cd浓度15 mg/kg、Pb浓度600 mg/kg时，苜蓿种子的发芽势、发芽率、发芽指数均比复合低浓度（Cd浓度5 mg/kg、Pb浓度200 mg/kg；Cd浓度10 mg/kg、Pb浓度400 mg/kg）处理大，且其与对照相比差异均不显著（P<0.05），这说明中高浓度的Cd、Pb复合污染在一定程度上对苜蓿种子的发芽质量影响很小。

随着复合浓度的增大（当Cd浓度≥20 mg/kg、Pb浓度≥800 mg/kg），种子的发芽势、发芽率、发芽指数与活力指数均降低，复合污染（Cd浓度25 mg/kg、Pb浓度1 000 mg/kg）处理后的种子发芽率降低至对照的86.08%，活力指数降至对照的34.57%，可见高浓度复合污染土壤严重影响了苜蓿种子的萌发，降低了种子的发芽质量。

2.2 重金属Cd、Pb单一及其复合污染土壤对苜蓿幼苗生长的影响

2.2.1 Cd、Pb单一及其复合污染对苜蓿幼苗根长的影响。

由图1可知，Cd、Pb单一及其复合污染对苜蓿幼苗根长的影响趋势大致相似，均随重金属浓度的增大而递减，重金属Cd、Pb的浓度与幼苗根长间的相关系数分别为-0.979**、-0.980**，呈极显著负相关。可见重金属浓度越大对苜蓿幼苗的根部伤害越大，使其根长越短，当重金属浓度最大时，即Cd浓度为25 mg/kg时，苜蓿幼苗的根长仅为1.77 cm，降至对照（4.27 cm）的41.45%；当Pb浓度为1 000 mg/kg时，苜蓿根长降至对照的43.79%；当Cd浓度25 mg/kg、Pb浓度1 000 mg/kg 复合污染时，苜蓿根长降至对照的39.81%。

2.2.2 Cd、Pb单一及其复合污染对苜蓿幼苗芽长的影响。

由图2可知，重金属Cd、Pb对苜蓿幼苗芽长的影响规律与对根长影响类似，芽长均随重金属浓度的增大而变短，相关系数分别为-0.944**、-0.934**，呈极显著负相关。重金属浓度越大，苜蓿幼苗的芽长受抑制作用越强，当重金属浓度最大（Cd浓度为25 mg/kg或Pb浓度为1 000 mg/kg或Cd浓度为25 mg/kg、Pb浓度为1 000 mg/kg复合污染）时，苜蓿芽长分别为对照的35.08%、35.97%、28.00、95.00%。

2.2.3 Cd、Pb单一及其复合污染对苜蓿幼苗鲜重的影响。由图3可知，重金属严重阻碍了苜蓿幼苗期的生长，使得幼苗鲜重显著下降，重金属Cd、Pb浓度分别与幼苗鲜重之间呈极显著负相关，相关系数分别为-0.960**、-0.971**。

3 结论

（1）Cd、Pb复合污染土壤对苜蓿种子萌发及幼苗生长的影响趋势与Cd、Pb单一污染大致相似。

（2）Cd、Pb单一及其复合污染土壤对苜蓿种子萌发（种子的发芽势和发芽率）的影响小于对后期幼苗生长（幼苗根长、芽长和鲜重）的影响。中低浓度的Cd、Pb对苜蓿种子萌发的影响不大，当Cd≤15 mg/kg、Pb≤600 mg/kg时，种子的发芽势和发芽率与对照相比差异较小；而幼苗的根长、芽长与鲜重这3项指标均与重金属浓度间呈极显著负相关，相关系数远小于-0.900。

（3）苜蓿种子在前期萌发阶段对重金属Cd、Pb具有较强的耐性，因此可以作为修复重金属Cd、Pb污染土壤的优选植物，但在后期生长过程中，Cd、Pb胁迫严重阻碍了幼苗的生长，因此在种子萌发后要采取适当的措施（如施加植物生长调节剂等）进行修复[20-22]。

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