Pb胁迫对木豆幼苗生长和生理指标的影响

曹庆龄 周玉卿 赵九洲

（江西财经大学研究生院/江西财经大学风景园林与植物资源研究所，江西南昌 330032）  摘要：木豆[Cajanus cajan （L.） Millsp.]具有喜温暖、耐干旱等生态习性，但其能否作为铅尾矿矿砂库（lead tailings，简称LT）植被修复的植物物种尚不明确。以铅尾矿矿砂混合园土为栽培基质，研究木豆的生长和相关生理指标，测定栽培基质的理化指标，测定幼苗的株高、根长、电导率、叶绿素含量、丙二醛（MDA）含量、谷胱甘肽（GSH）含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性等指标。在测定植物的各个生长及生理指标后发现，随着铅尾矿矿砂含量的升高，处理的木豆生长受抑制逐渐增强，木豆根长、株高变短，耐性指数下降。木豆叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量没有明显变化，地下部分的电导率呈先升后降的趋势，在Pb处理下，木豆幼苗的SOD、POD活性受到抑制，而MDA含量与地下部分的GSH含量有明显的提升。统计分析表明，对木豆幼苗生长的限制性因子为栽培基质中铅的含量，重金属铅对植物的生长产生胁迫作用，其胁迫强度随Pb浓度的增加而增大。

关键词：木豆;铅尾矿矿砂;幼苗生长;生理指标

中图分类号： Q945.78  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）05-0118-04

收稿日期：2018-12-10

基金项目：江西省研究生创新专项资金（编号：YC2017-S232）;江西财经大学资助学生科研课题（编号：xskt17500）。

作者简介;曹庆龄（1994—），女，黑龙江绥化人，硕士研究生，研究方向为园林景观规划及植物抗逆应用。E-mail：1872971556@qq.com。

近半个世纪以来，随着工业设施、能源开发的迅速发展和完善，大量具有潜在毒性的重金属排放到环境中[1-3]。全球每年排放到环境中的Pb约有78.3万t[4]，其中，有相当大的一部分在进入土壤后使得土壤结构遭到破坏，生态系统无法正常行使功能。韩玉林的研究表明，高浓度的Pb进入环境后通过植物的吸收在植物体内大量积累，并通过食物链的富集作用危及動物和人类的健康[5];殷姝媛研究发现，当Pb胁迫达到一定浓度后超过了金鸡菊的耐受范围时，对植物的伤害作用就更明显，损伤植物保护酶系统，使得活性降低，进而抑制了植物的正常生长[6];江灶发等研究表明，在Pb的单一胁迫下台湾泡桐表现出较强的耐受性[7]。司卫静等将香豌豆作为试材，发现其对低浓度的铅有一定的耐受能力[8];Jiang等研究表明，当铜浓度较低时，金鱼草叶片中的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量增加，而铜浓度为157 mmol/L时，金鱼草叶片中的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量显著低于对照[9];Han等研究发现，马蔺对铅尾矿有修复作用[10]。

本研究以木豆作为试验材料，采用土培方法，将木豆栽植于不同处理的栽培基质中，探究铅尾矿矿砂胁迫对其各项生长及生理指标的影响，分析其对铅的耐性，以期为利用木豆进行铅污染土壤的修复、保障人类健康提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的木豆种子购置于河北省安国市天泽农业科技有限公司，供试培养基质沙子经105°高温消毒5 h后，待其自然冷却，放入上径口6 cm、底部口径3 cm、深度5.5 cm的32孔穴盘中备用。铅尾矿矿砂取自于江西省德兴铅尾矿矿坝，园土采自江西财经大学麦庐校区假山上的林下园土，土样经 105 ℃ 烘干后，研磨过孔径3 mm筛，装盆备用。

1.2 试验方法

铅尾矿矿砂和土壤理化指标的测定采用《土壤农化分析》的方法[11]。试验材料的栽培与处理等按Han等的方法[12]。

试验于2018年3月进行。挑选籽粒饱满、大小均一致的种子，经4 g/L高锰酸钾溶液表面消毒15 min，并在室温（25.0 ℃）中用蒸馏水浸泡12 h后播入穴盘中，每孔种1颗种子，待其生长2周后，选择植株健康、生长一致的木豆幼苗（株高约8 cm）移栽到直径15 cm、高10 cm的塑料盆中，每盆种植10株幼苗，盆内套2层塑料袋，以防水土流失，每天浇自来水让其自然生长。试验栽培基质采用5种处理，分别为CK（100%园土）、25% LT（25%铅尾矿矿砂+75%园土）、50% LT（50%铅尾矿矿砂+50%园土）、75% LT（75%铅尾矿矿 砂+25% 园土）、100% LT（100%铅尾矿矿砂），每个处理3个重复。处理50 d后取出幼苗，用蒸馏水洗净处理样品，用吸水纸吸干表面水分后用于各项生长和生理指标的测定[12]。

1.3 项目测定

生长指标的测定包括根长、株高。生理指标：叶绿素含量的测定采用马宗琪等的方法[13];相对电导率的测定采用杨鹏辉等的方法[14];MDA含量的测定采用李子芳等的方法[15];GSH含量的测定采用Jiang等的方法[16];SOD、POD活性的测定参照李合生等的方法[17]。叶片和根系生理指标的测定：叶片选取从上往下数的第2张叶片;根系采用根尖部分测定。

1.4 数据处理与分析

耐性指数[9]的计算公式如下：

耐性指数=不同含量铅尾矿砂处理植株根长/对照植株根长×100%。

采用Excel 2016和SPSS 22.0软件对试验数据进行方差分析、相关分析和回归统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同含量铅尾矿矿砂对木豆幼苗生长指标的影响

由表1可知，铅尾矿矿砂（LT）中的重金属Pb含量明显高于CK（园土），为CK的82.17倍，Zn和Cu含量也明显高于园土。100% LT中的磷含量高于CK，速效氮含量低于CK。

由表2可知，木豆的株高分别为对照的88.41%、66.42%、72.56%、57.08%，木豆的根长分别为对照的 69.56%、63.39%、46.26%、28.81%，差异显著（P<0.05）。

铅尾矿（x）的含量与株高的回归方程（株高为y1）：x=21.228 89-0.088 84y1（相关系数r1=-0.933 1* *）;

铅尾矿（x）的含量与根长的回归方程（根长为y2）：x=25.621 81-0.179 26y2（相关系数r2=-0.981 131* *）。

2.2 不同含量铅尾矿矿砂对木豆幼苗部分生理指标的影响

2.2.1 不同含量铅尾矿矿砂对木豆幼苗相对电导率、光合色素含量的影响 由表3可知，叶绿素b含量分别为对照的100.91%、111.36%、105.45%、107.27%;类胡萝卜素含量分别为对照的111.56%、113.61%、108.16%、108.84%，两者都在50%铅尾矿处理时升到最高。叶绿素a含量分别为对照的97.74%、99.73%、97.21%、92.29%。叶绿素a/叶绿素b值分别为对照的96.78%、89.18%、92.11%、85.96%。

铅尾矿（x）的含量与叶绿素a含量的回归方程（叶绿素a含量为y3）：x=7.563 723-0.004 8y3（相关系数r3=-0.820 46*）;

铅尾矿（x）的含量与叶绿素b含量的回归方程（叶绿素b含量为y4）：x=2.223 393+0.001 737y4（相关系数r4=0.651 769*）;

铅尾矿（x）的含量与类胡萝卜素含量的回归方程（类胡萝卜素含量为y5）：x=1 552 387+0.000 826y5（相关系数 r5=0.413 361）。

由表4可知，木豆幼苗地上部分的相对电导率没有明显的变化规律，在25% LT、50% LT、75% LT和100% LT处理时，电导率分别为CK的101.39%、89.79%、105.41%、104.60%。木豆幼苗地下部分的电导率分别为CK的 105.04%、115.41%、107.90%、97.31%。

鉛尾矿（x）的含量与地上部分电导率的回归方程（叶片电导率为y6）：x=20.36 902+0.011 025y6（相关系数r6=0334 686）;

铅尾矿（x）的含量与地下部分电导率的回归方程（根电导率为y7）：x=24.73 866-0.002 28y7（相关系数r7=-0.054 22）。

2.2.2 不同含量铅尾矿矿砂对木豆幼苗SOD、POD活性的影响 从由表5可知，在不同含量铅尾矿矿砂的胁迫下，木豆

幼苗地上部分的SOD活性整体呈下降的趋势，且均低于对照，分别为CK的95.23%、85.69%、86.85%、78.03%，差异显著。而木豆幼苗的地下部分没有明显的变化规律，在50% LT处理时，SOD活性降到最低，为CK的86.63%，在75% LT处理时增长更为明显， 为CK的174.71%，100% LT处理时，

较对照增长近1倍，为对照的195.06%。

铅尾矿（x）的含量与地上部分SOD活性的回归方程（地上部分SOD活性为y8）：x=332.240 96-0.697 831y8（相关系数r8=-0.962 344* *）;

铅尾矿（x）的含量与地下部分SOD活性的回归方程（地下部分SOD活性为y9）：x=143.710 84+1.617 35y9（相关系数r9=0.815 455*）。

由表6可知，地上部分的POD活性下降幅度较大，分别为对照的36.59%、30.49%、23.17%、25.61%。地下部分的POD活性分别为对照的88.89%、72.22%、88.89%、16.67%。木豆幼苗地下部分的POD活性在100% LT处理时降幅最大，较对照差异显著。

铅尾矿（x）的含量与地上部分POD活性的回归方程（地上部分POD活性为y10）：x=0.637 86-0.006 243y10（相关系数r10=-0.861 633*）;

铅尾矿（x）的含量与地下部分POD活性的回归方程（地下部分POD活性为y11）：x=0.193 571-0.001 324y11（相关系数r11=-0.885 99*）。

2.2.3 不同含量铅尾矿矿砂对木豆幼苗谷胱甘肽（GSH）、MDA含量的影响 由表7可见，木豆地上部分谷胱甘肽含量总体呈下降的趋势，分别为对照的71.98%、64.59%、73.54%、48.64%，在100% LT处理时降到最低。而木豆地下部分的谷胱甘肽含量呈上升的趋势，在100% LT处理时升到最高，较对照增加52.17%。

铅尾矿（x）的含量与地上部分GSH含量的回归方程（叶片GSH含量为y12）：x=1.827 67-0.001 82y12（相关系数r12=-0.288 57）;

铅尾矿（x）的含量与地下部分GSH含量的回归方程（根GSH含量为y13）：x=0.205 452+0.001 51y13（相关系数 r13=0.978 423 6* *）。

由表8可见，木豆幼苗地上部分的MDA含量均高于CK，呈先升后降的趋势，在75%LT处理时升到最高，较对照增加46.03%。而木豆地下部分的MDA含量随着Pb含量的增加而升高，分别较对照增加12.50%、50.00%、50.00%、100.00%。

铅尾矿（x）的含量与地上部分丙二醛含量的回归方程（地上部分丙二醛含量为y14）：x=-147.235 9+267.264 13y14（相关系数r14=0.596 480 62*）;

铅尾矿（x）的含量与地下部分丙二醛含量的回归方程（地下部分丙二醛含量为y15）：x=-97.509 595 8+1 294.223 86y15（相关系数r15=0.983 437* *）。

3 讨论与结论

铅被植物吸收并累积到一定程度时会阻碍植物的正常生长[9]。试验结果表明，木豆幼苗在不同Pb处理下，其生物量和耐性指数相比对照整体呈下降的趋势，且在Pb胁迫中与CK差异显著（P<0.05）。据分析，栽培基质中的Pb含量与株高的相关系数为-0.933 1* *，回归方程为x=21.228 89-0088 84y1，栽培基质中的Pb含量与根长的相关系数是 -0.981 131* *，回归方程为x=25.621 81-0.179 26y2。说明木豆在Pb处理过程中木豆各项生长指标受到了明显抑制。

叶绿素是植物进行光合作用所需的重要光合色素[18-19]。在该研究中，木豆在不同比例铅尾矿矿砂处理下，叶绿素a含量整体呈下降的趋势，叶绿素b与类胡萝卜素含量整体都呈上升的趋势。分析表明，栽培基质中的Pb含量与叶绿素a含量的相关系数为 -0.820 46*，回归方程为x=7.563 723-0004 8y3，栽培基质中的Pb含量与叶绿素b含量的相关系数是 0.651 769*，回归方程为x=2.223 393+ 0.001 737y4，栽培基質中的Pb含量与类胡萝卜素含量的相关系数是 0.413 361，回归方程为x=1 552 387+0.000 826y5。说明当木豆受铅胁迫时，对其光合作用影响较小。

当植物受到重金属胁迫时，细胞膜会遭到破坏[20]。在本研究中，木豆幼苗地上部分的相对电导率变化规律不明显，但在75% LT处理时，电导率增幅最大。木豆幼苗地下部分的电导率总体呈先升后降的趋势。据分析，栽培基质中的Pb含量与地上部分电导率的相关系数为0.334 686，回归方程为 x=20.369 02+0.011 025y6，栽培基质中的Pb含量与地下部分电导率的相关系数是-0.054 22，回归方程为x=24.738 66-0.002 28y7。说明高浓度的铅增强了木豆的细胞膜透性，对木豆伤害较大。

过氧化物酶活性的大小可以体现植物受胁迫期间内体内代谢的变化[12]。在本次试验中，木豆的POD活性整体呈均匀下降的趋势，且均低于对照。而木豆的SOD活性没有明显的变化规律。分析表明，栽培基质中的Pb含量与地上部分SOD含量的相关系数为-0.962 344* *，回归方程为x=332240 96-0.697 831y8，栽培基质中的Pb含量与地下部分SOD含量的相关系数是0.815 455*，回归方程为x=143.710 84+1.617 35y9，栽培基质中的Pb含量与地上部分POD含量的相关系数为-0.861 633*，回归方程为x=0.637 86-0.006 243y10，栽培基质中的Pb含量与地下部分POD含量的相关系数是-0.885 99*，回归方程为x=0.193 571-0.001 324y11。说明木豆的地下部分在受到铅胁迫时呈动态平衡状态，可自我调节，而木豆的地上部分受铅胁迫伤害较大，不能正常调节。

丙二醛是膜脂过氧化最重要的产物之一，通常来表示植物对逆境条件反映的强弱[21]。Xu等研究表明，萓草在受到镉胁迫时，体内的丙二醛含量增加显著[22]。在该研究中，木豆幼苗叶片的MDA含量总体呈上升的趋势，与Xu等的研究结果相同。分析表明，栽培基质中的Pb含量与地上部分MDA含量的相关系数为0.596 480 62*，回归方程为x=-147.235 9+267.264 13y14，栽培基质中的Pb含量与地下部分MDA含量的相关系数是0.983 437* *，回归方程为x=-97.509 595 8+1 294.223 86y15。说明木豆体内MDA含量对铅尾矿有一定的抑制作用。

谷胱甘肽是植物体内的水溶性抗氧化剂，可提高植物抗氧化能力[8]。试验显示，木豆幼苗地上部分的谷胱甘肽含量整体呈下降的趋势。木豆幼苗地下部分的谷胱甘肽含量整体呈均匀上升的趋势。分析表明，栽培基质中的Pb含量与地上部分GSH含量的相关系数为-0.288 57，回归方程为x=1827 67-0.001 82y12，栽培基质中的Pb含量与地下部分GSH含量的相关系数是0.978 423 6* *，回归方程为x=0205 452+0.001 51y13。说明木豆对铅尾矿有一定的耐性。

木豆幼苗在不同比例铅尾矿矿砂的处理下，其生长指标、电导率及抗氧化酶受到一定程度的抑制，但对木豆的光合色素含量没有什么影响，其氧化剂含量也显示木豆对铅尾矿有抑制作用，并且在纯Pb条件中栽培50 d依然能够生长，说明木豆对铅具有一定的耐性，可为铅污染环境的修复提供一定的理论参考。

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