铜、镉、铅对高羊茅种子萌发及幼苗生长的影响

刘骐华，王慧慧，刘 璐，王 婧，柴 琦

(1.兰州大学草业科学国家级实验教学示范中心，甘肃 兰州 730020； 2.兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

随着人类社会的不断发展，人类对生活质量的要求不断提高，环境污染问题成为了人们关注的焦点，土壤重金属污染成为社会关注的环境问题之一[1]。土壤是人类生存和发展所必需的生产资料，是生态系统的基础，由于重金属可迁移性差，不能降解，进而会在生态系统中不断累积并通过食物链影响人体健康，因此，重金属对土壤的污染状况正引起国内外的广泛重视[2]。土壤重金属污染是指土壤中的重金属元素含量明显高于其自然背景值，并造成生态破坏和坏境质量恶化的现象[3]。土壤是植物生长发育的基础[4]，在已经发现的很多重金属富集植物中，普遍存在受生长气候坏境影响大，生长速度缓慢，不容易大规模种植的问题。

植物修复是土壤重金属污染的重要治理方法之一,具有经济、高效、不造成二次污染等明显优点[5]。多立安等[6]报道在生态系统中草坪草在降低环境污染与生态保护方面发挥着极其重要的作用。杨婧等[7]研究表明草坪草具有适应能力强，抗逆强，繁殖能力强，分布范围广的优点。选用草坪草来治理重金属污染，是一种可操作性较强的办法。

高羊茅是常见的草坪草，是一种应用广泛且性状优良的草坪植物[8]。试验以高羊茅为材料，通过研究重金属Pb、Cu、Cd对其种子萌发以及幼苗生长的影响，以期利用草坪草治理重金属污染提出理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试草种选用高羊茅火凤凰2号(Phoenix Ⅱ)，由北京克劳沃草业技术开发中心提供。供试离子，CuSO4·5H2O;3CdSO4·8H2O和Pb(NO3)2，均为分析纯试剂，由天津市光复科技发展有限公司生产。

1.2 试验设计

依照国际种子检验规程，挑选籽粒饱满大小均匀的种子。将高羊茅种子浸泡于0.1% HgCl2溶液消毒10 min[9]，用蒸馏水冲洗干净并晾干。取直径9 cm的培养皿，设置双层滤纸为发芽床，每个培养皿放置50粒种子，将配制好的金属溶液加入培养皿中，每个培养皿加入5 mL，每个处理重复4次。25℃恒温，12 h光照，12 h暗培养，置于相对湿度70%的气候箱内萌发，种子萌发培养时期共14 d。每日观察并记录发芽种子数，芽长每2 d测1次，用恒重法每天补充水分，使各处理液浓度保持不变。

3种重金属离子以溶液的形式加入培养皿中，重金属离子浓度依据土壤坏境质量标准(GB15618-2008)3级土壤坏境标准量进行配制[10]。设置低浓度、中浓度、较高浓度、高浓度4个浓度梯度，分别为Cu2+(200、300、400、500 mg/L);Cd2+(1、50、100、150 mg/L);Pb2+(500、1 000、1 500、2 000 mg/L)，及对照处理。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 萌发指标测定 每天观察并记录种子发芽数；5 d后统计种子发芽势，14 d后统计种子发芽率，每个处理随机挑取具有代表性的10粒发芽种子用直尺测定其苗长，用分析天平测量幼苗鲜重并计算[11]。

发芽率(GR)=发芽种子总数/供试种子总数×100%

相对发芽率=处理种子发芽率/对照种子发芽率×100%

发芽势(GP)=规定天数内发芽种子数/供试种子数×100%

相对发芽势=规定天数内处理发芽种子数/规定天数内对照发芽种子数×100%

发芽指数(GI)=∑Gt/Dt；

式中：规定天数内发芽种子数为发芽第5 d发芽种子数。

活力指数(VI)=S×∑Gt/Dt

式中：Gt为不同时间发芽数，Dt为相应发芽天数，S为幼苗的鲜重。

1.3.2 根系指标测定 每个培养皿选取具有代表性的幼苗10株，用直尺测定其苗长和根长，用分析天平测量幼苗鲜重后，分离植株根系，用0.075 mg/mL的甲基蓝将根系浸泡染色10 min，然后再用Delta-TSCAN根系分析系统[12](HP.C7717)扫描根系，测定根系总长、平均直径、总表面积和根头数，计算根冠比。并用Delta-TSCAN分析系统直接对叶片进行扫描，测定叶表面积。

1.4 数据统计分析

运用Excel整理数据，并制作图表，用IBM SPAA Statistics 23.0数据统计软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度重金属胁迫对高羊茅种子萌发和生长的影响

2.1.1 不同浓度重金属胁迫对高羊茅种子萌发的影响 随着Cu2+浓度的增加，高羊茅的相对发芽率呈现下降趋势(表1)。Cu2+≥400 mg/L时，和对照具有显著性差异(P<0.05)。Cd2+、Pb2+胁迫下高羊茅的相对发芽率均表现出随着胁迫浓度的增加先升高后降低，其中，Pb2+≥1 500 mg/L时高羊茅相对发芽率与对照存在显著性差异(P<0.05)，而不同浓度镉胁迫对高羊茅种子萌发抑制作用不明显。Cu2+，Cd2+和Pb2+胁迫下高羊茅种子相对发芽势显著降低，其中低浓度铜、镉胁迫与对照存在显著性差异(P<0.05)，且不同浓度镉胁迫下高羊茅的相对发芽势变幅不大；Pb2+≥1 000 mg/L时，高羊茅相对发芽势与对照存在显著性差异(P<0.05)。Cu2+，Cd2+和Pb2+胁迫下的高羊茅发芽指数均有所降低，其中，中度胁迫下铜、铅的发芽指数显著低于对照(P<0.05)，而不同浓度镉胁迫对高羊茅发芽指数抑制作用不明显(P>0.05)且变幅不大(见表1)。随着Cu2+浓度的增加高羊茅活力指数表现出不断下降的趋势，且在Cu2+≥400 mg/L时高羊茅活力指数与对照有显著性差异(P<0.05)；Cd2+50 mg/L、150 mg/L浓度下高羊茅活力指数均高于对照，但与对照无明显差异；随着Pb2+浓度的增加高羊茅活力指数先升高后降低，且低浓度下增幅作用明显，与对照有显著差异(P<0.05)，说明低浓度Pb2+胁迫有利于高羊茅活力指数的提高，而Pb2+≥1 500 mg/L时比对照显著降低(P<0.05)。

2.1.2 不同浓度重金属胁迫对高羊茅的生长 随着Cu2+、Pb2+浓度的增大，高羊茅的根冠比不断变小，Cd2+处理下，高羊茅的根冠比随着离子浓度的增加先升高再下降(表2)。其中，低浓度铜、铅处理下高羊茅的根冠比显著降低，均与对照形成显著差异(P<0.05)，说明铜、铅胁迫下对高羊茅不同部位的抑制程度为地下部分>地上部分；而低浓度镉处理下高羊茅的根冠比会小幅升高，说明低浓度镉处理对高羊茅根的生长具有促进作用，当Cd2+≥50 mg/L时，高羊茅根冠比开始降低而且和对照存在显著性差异(P<0.05)。高羊茅幼苗的叶表面积随着Cd2+、Pb2+浓度升高表现出现增加再下降的趋势。其中，低浓度镉处理下高羊茅叶表面积大幅增加，与对照比形成显著差异(P<0.05)，而Cd2+≥100 mg/L时，高羊茅叶表面积的增幅并不明显；低浓度铅处理下高羊茅叶表面积增加，与对照在显著性差异(P<0.05)，当Pb2+≥1 500 mg/L时，叶表面积大幅降低，与对照比显著差异(P<0.05)。低浓度和高浓度铜处理下高羊茅叶表面积发生骤减且与对照形成显著性差异(P<0.05)，而在中间浓度处理下，叶表面积与对照相比变化不显著。Cu2+，Cd2+和Pb2+胁迫下高羊茅种子根长/叶长的值显著降低(P<0.05)。其中低浓度铜、铅处理即与对照存在显著性差异(P<0.05)，当Pb2+≥1 500 mg/L时，根长/叶长的值为0，说明此时高羊茅根的生长受到了完全抑制，根长为0，出现了“无根苗”；当Cd2+≥50 mg/L时，根长/叶长的值大幅减小，与对照形成显著性差异(P<0.05)，但不同浓度镉处理下根长/叶长的值变幅不大。

表1 不同浓度胁迫下高羊茅种子的各发芽各指标

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

表2 不同浓度胁迫下高羊茅幼苗的生长指标

2.1.3 不同浓度重金属胁迫对高羊茅根系的生长 随着Cu2+、Pb2+处理浓度的增加，高羊茅的根表面积降幅明显，从低浓度处理开始，高羊茅的叶表面积就大幅下降且与对照形成显著差异(P<0.05)，当Pb2+≥1 500 mg/L时，根表面积骤降为0，此时出现“无根苗”。低浓度镉处理下高羊茅的根表面积有小幅增加，低浓度镉处理对高羊茅根系的生长具有微弱的促进作用，但当Cd2+≥50 mg/L时，高羊茅的叶表面积大幅下降，和对照形成显著差异(P<0.05)。从表3可以看出随着镉处理浓度的增大，高羊茅的平均根径不断增加，Cd2+≥50 mg/L开始，高羊茅的平均根径增幅明显，与对照差异显著(P<0.05)。铜、铅处理下高羊茅的平均根径表现出随处理浓度的增大先增加再降低的趋势，低浓度铜、铅处理对高羊茅根系生长具有促进作用，高浓度处理下对根系生长具有抑制作用。其中，低浓度Cu2+处理下高羊茅的平均根径增幅不大，与对照无显著差异(P>0.05)，当Cu2+≥400 mg/L时，高羊茅的平均根径大幅减小，与对照存在显著性差异(P<0.05)；低浓度Pd2+处理下高羊茅的平均根径大幅增加，与对照形成显著差异(P<0.05)，当Pd2+≥1 500 mg/L，平均根径骤减为0，与对照呈显著差异(P<0.05)。Cu2+，Cd2+和Pb2+处理下高羊茅的根系总长度显著降低。低浓度Cu2+，Pb2+处理下即与对照存在显著性差异(P<0.05)，且组间降幅大，中浓度的镉处理时，高羊茅的根系总长度开始大幅减小，与对照呈显著差异(P<0.05)。Cu2+、Pb2+处理下高羊茅的根头数均随着处理浓度的增大而不断减少，其中铜处理下组间差异大且低浓度时根头数量大幅减少，与对照呈显著差异(P<0.05)；当Pd2+≥1 000 mg/L时，高羊茅根头数量明显减少，Pd2+≥1 500 mg/L时，出现“无根苗”。低浓度镉处理下高羊茅根头数量明显增多且与对照形成显著性差异(P<0.05)，当Cd2+≥50 mg/L时，根头数量大幅下降，与对照有显著性差异(P<0.05)。

表3 不同浓度胁迫下高羊茅种子的根系指标

2.2 不同重金属胁迫对高羊茅生长指标的影响

2.2.1 低浓度下不同重金属胁迫对高羊茅生长的影响 高羊茅的叶长、根长在不同胁迫与对照间均存在显著差异(P<0.05)。在低浓度铅胁迫下比对照增加了6.85%，而低浓度铜、镉胁迫下比对照降低了28.49%、10%，低浓度铅胁迫可促进火凤凰2号叶片的伸长，低浓度铜、镉胁迫可抑制火凤凰2号叶片的伸长。而低浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号根长分别比对照降低了88.30%，35.70%和69.14%，说明低浓度铜、镉、铅胁迫均可抑制火凤凰2号根系的伸长。且低浓度重金属胁迫对高羊茅根长的抑制作用大于叶长。低浓度镉、铅胁迫下的火凤凰2号地上鲜重分别比对照增加了0.43%、20.92%，而低浓度铜胁迫下的地上鲜重比对照降低了7.25%，其中，铅胁迫下和对照具有显著性差异(P<0.05)；低浓度镉胁迫下的火凤凰2号地下鲜重比对照增加了9.89%，而低浓度铜、铅胁迫下的地下鲜重比对照降低了70.14%、18.56%，其中铜胁迫下和对照形成显著性差异(P<0.05)。可见低浓度镉胁迫下火凤凰2号的鲜重略有增加，且地下鲜重增长幅度大于地上部分；低浓度铜胁迫可降低火凤凰2号的鲜重，且地下鲜重降低幅度大于地上部分；低浓度铅胁迫可促进火凤凰2号地上鲜重的增加，也可抑制地下鲜重的增加。低浓度下不同重金属胁迫对高羊茅根长、叶长、地上和地下鲜重的影响铜>铅>镉(图1)。

图1 不同重金属低浓度胁迫下高羊茅的根长、叶长、地上、地下鲜重Fig.1 Effect of different heavy metal stress on root length,leaf length,aboveground fresh weight and underground fresh weight of Tall Fescue at low concentration注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)；图中增加标准误及差异显著性分析，下图同

2.2.2 中浓度下不同重金属胁迫对高羊茅生长指标的影响 中浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号叶长分别比对照降低了31.85%，12.33%和1.87%，其中铜、镉胁迫下与对照存在显著性差异且铜胁迫下抑制作用尤为显著。中浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号根长分别比对照降低了97.38%，59.11%和87.79%，中浓度铜、镉、铅胁迫对火凤凰2号根系的伸长均形成了很大的抑制作用，与对照具有显著差异(P<0.05)。而且中浓度重金属胁迫对高羊茅根长的抑制作用大于叶长。中浓度铜、镉胁迫下的地上鲜重比对照降低了5.28%、0.75%，而中浓度铅胁迫下的地上鲜重比对照增加了12.85%，可见中浓度铜、镉胁迫造成高羊茅的地上鲜重略有下降，而中浓度铅胁迫对高羊茅地上部分的生长具有促进作用，但均与对照无显著差异(P>0.05)。中浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号地下鲜重分别比对照降低了97.11%，8.58%和35.64%且铜胁迫下与对照存在显著性差异(P<0.05)，说明中浓度铜、镉、铅胁迫对火凤凰2号地下根系的生长均形成抑制作用，且对地下根系的抑制作用大于对地上部分的抑制作用。

综合分析中浓度下铜、镉、铅对高羊茅的作用为铜>铅>镉(图2)。

图2 不同重金属中浓度胁迫下高羊茅的根长、叶长、地上、地下鲜重Fig.2 Effects of Different Heavy Metal Stresses on Root Length,Leaf Length,Aboveground Fresh Weight and Underground Fresh Weight of Tall Fescue

2.2.3 较高浓度下不同重金属胁迫对高羊茅生长指标的影响 较高浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号叶长分别比对照降低了23.55%，21.84%和23.67%，均与对照具有显著差异(P<0.05)，较高浓度铜、镉、铅胁迫均可抑制火凤凰2号叶片的伸长且抑制幅度相同。较高浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号根长分别比对照降低了99.52%,67.00%和100.00%，均与对照形成显著性差异(P<0.05)，较高浓度铅胁迫下高羊茅的根系生长受到完全抑制。且较高浓度重金属胁迫对高羊茅根系的抑制作用更强。比较高的浓度铜、铅胁迫下的火凤凰2号地上重量分别比对照降低了8.39%、16.22%，而较高浓度镉胁迫下地上重量比对照提高了0.43%，较高浓度铜、铅胁迫下高羊茅的地上部分生长均受到抑制，而较高浓度镉胁迫促进了高羊茅地上部分的生长。较高浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号地下重量分别比对照降低了100.00%，24.17%和100.00%，均与对照具有显著差异，说明较高浓度铜、镉、铅胁迫下高羊茅地下生长均受到显著抑制。且较高浓度胁迫下对地下根系生长量影响更大。试验表明较高浓度下不同重金属胁迫对高羊茅根长、叶长、地上鲜重和地下鲜重的影响为铅>铜>镉(图3)。

图3 不同重金属较高浓度胁迫下高羊茅的根长、叶长、地上、地下鲜重Fig.3 Effects of Different Heavy Metal Stresses on Root Length,Leaf Length,Aboveground Fresh Weight and Underground Fresh Weight of Tall Fescue at Higher Concentrations

2.2.4 高浓度下不同重金属胁迫对高羊茅生长指标的影响 高浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号叶长分别比对照降低了26.61%，13.99%和40.23%，均与对照形成显著差异(P<0.05)，说明较高浓度铜、镉、铅胁迫均可抑制火凤凰2号叶片的伸长且铅胁迫下最为显著；高浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号根长分别比对照降低了99.42%，66.02%和100.00%，高浓度铜、镉、铅胁迫均可明显抑制火凤凰2号根系的伸长且铅胁迫下会出现“无根苗”；而且高浓度铜、镉、铅胁迫下对根系的抑制程度更大。当高浓度铜、铅胁迫下的火凤凰2号地上重量分别比对照降低了14.36%、33.15%，均与对照具有显著差异，而高浓度镉胁迫下地上重量比对照提高了6.00%，说明高浓度铜、铅胁迫下高羊茅的地上部分生长均受到抑制且铅胁迫下抑制更为显著，而高浓度镉胁迫促进了高羊茅地上部生长。较高浓度铜、镉、铅胁迫下的火凤凰2号地下重量分别比对照降低了100.00%，37.83%和100.00%，均与对照形成显著性差异(P<0.05)，地下根系生长受到明显抑制。且高浓度铜、镉、铅胁迫下对根系生长的抑制更甚。试验可知高浓度下不同重金属胁迫对高羊茅根长、叶长、地上鲜重和地下鲜重的影响为铅>铜>镉(图4)。

图4 不同重金属高浓度胁迫下高羊茅的根长、叶长、地上、地下鲜重Fig.4 Effects of Different Heavy Metal Stresses on Root Length,Leaf Length,Aboveground Fresh Weight and Underground Fresh Weight of Tall Fescue under High Concentration

3 讨论

3.1 重金属离子对高羊茅种子萌发的影响

土壤被重金属污染后植物生长发育会受到一定的影响，植物种子在重金属污染条件下能否正常发芽是植物能否生长的先决条件，而发芽率、发芽指数是评价种子发芽的常用指标[13]。用不同浓度铜、镉、铅胁迫处理高羊茅种子，结果表现为随着胁迫浓度的增加，高羊茅种子发芽率、发芽指数等均呈现下降趋势，说明高浓度重金属离子对于高羊茅种子萌发具有明显的抑制作用，与张震等[14]有关重金属胁迫对高羊茅种子萌发的影响的研究结果相似。但是种子在Cd2+≥1 mg/L和Pb2+≥500 mg/L时，发芽率和种子活力均有小幅提升，表明在低浓度镉铅胁迫下，对种子萌发具有促进作用，这与陈顺钰等[15]对种子萌发的研究结果相似。结果表明，低浓度、中浓度重金属胁迫对高羊茅种子萌发的抑制作用为铜>铅>镉；较高浓度、高浓度重金属胁迫对高羊茅种子萌发的抑制作用为铅>铜>镉。高羊茅种子对Cd2+的抗性最强，这与吴丽芳等[16]有关铅和镉胁迫对种子草坪草萌发影响的研究结果相似。

3.2 重金属离子对高羊茅幼苗生长的影响

结果表明，铜胁迫下高羊茅的地上生长量、地下生长量始终小于对照水平，随着胁迫浓度的增加，抑制不断加重。产生这种现象的原因是随着重金属浓度的增大，植物体内活性氧自由基的产生进一步增多，严重干扰抗氧化酶等保护酶的活性，打破了细胞氧化还原平衡，造成代谢紊乱，从而表现为植物生长受到抑制[17-18]。低浓度镉胁迫促进了高羊茅叶的伸长，增加了高羊茅的地上生长量，这与杨俊俏[19]有关镉对高羊茅幼苗生长的研究结果相似。随着胁迫浓度的增加，镉开始对叶的伸长产生抑制作用，但叶表面积仍然大于对照组，因此，镉对高羊茅的地上生长量始终产生积极影响。低浓度铅胁迫对叶的伸长具有促进作用，但随着胁迫浓度的增加，叶的伸长受到严重抑制且高羊茅地上生长量不断减少，这与陈丽娜等[20]关于铅胁迫对不同叶菜生长的研究结果相似。铜、镉、铅胁迫下高羊茅的根系长度随着胁迫加重不断减小，结合根冠比、根长/叶长的变化，发现铜、镉、铅胁迫对高羊茅根系的抑制大于对叶的抑制。通过研究不同重金属胁迫对高羊茅根长、叶长、地上鲜重和地下鲜重的影响，发现低浓度、中浓度胁迫下对高羊茅的生长抑制为铜>铅>镉；而较高浓度、高浓度下为铅>铜>镉。

3.3 重金属离子对高羊茅根系生长的影响

根系的生长是植物重金属胁迫的重要特征。铜胁迫下，高羊茅的根表面积、根系长度、根头数量随着胁迫浓度增加不断减小，说明随着重金属离子浓度的增加，对高羊茅根系的生长抑制越来越大，这与王瀚等[21]有关重金属对高羊茅生长的研究结果相似；而平均根径表现出低浓度胁迫变大，当Cu2+≥400 mg/L时，根径生长受到抑制。低浓度镉胁迫下高羊茅的根表面积、根系长度、根头数量均受到促进作用，当胁迫浓度增高时各项指标下降，说明高浓度镉胁迫对高羊茅形成生长抑制。不同浓度镉胁迫对高羊茅平均根径的生长始终保持促进作用。铅胁迫下，高羊茅的根表面积、根系长度、根头数量随着胁迫浓度增加不断减小，而平均根径表现出低浓度胁迫变大，当Pb2+≥1 500 mg/L时，根系生长受到完全抑制，出现“无根苗”，这与孙金金等[22]关于重金属胁迫对禾草种子萌发影响的研究结果一致。试验结果表明，低浓度、中浓度铜、镉、铅胁迫对高羊茅根系生长的抑制作用铜>铅>镉；较高浓度、高浓度铜、镉、铅胁迫对高羊茅根系生长的抑制作用为铅>铜>镉。

4 结论

高羊茅种子在不同的重金属胁迫下，受影响程度不同。在Pb2+，Cd2+和Cu2+3种重金属离子处理下，综合种子萌发、幼苗生长和根系生长指标进行评价，发现在低浓度、中浓度胁迫下，对高羊茅种子萌发及生长的抑制作用为铜>铅>镉；较高浓度、高浓度的铜、镉、铅胁迫下为铅>铜>镉。因此，试验得出结论，高羊茅对镉的耐受性最好，低浓度下对铜的耐受性最差，高浓度时对铅的耐受性更差。同种胁迫不同浓度下，高羊茅的生长指标大致表现为，铜胁迫下随着胁迫浓度的增加，各项指标均下降且生长受到抑制；镉、铅胁迫下，低浓度促进生长，随着胁迫浓度增大，高羊茅生长受到抑制。当Cd2+≥1 500 mg/L时，高羊茅根系生长受到完全抑制，会出现“无根苗”。