锰胁迫对红锥幼苗光合特性及矿质元素的影响

雷 康，谭长强，申文辉，滕维超

（1.广西大学 林学院，广西南宁 530004；2.广西壮族自治区林业科学研究院，广西南宁 530002；3.广西壮族自治区优良用材林资源培育重点实验室，广西南宁 530002）

土壤重金属污染影响作物产量和品质，通过食物链影响动物和人类健康，是世界范围内主要环境问题之一[1]。锰（Mn）在冶金、电子技术和农业等多个领域均有应用；对其的大量开采和使用加剧土壤Mn 污染情况[2]。Mn 是植物组织生长发育和繁殖必需的微量元素，对植物的生长代谢、光合作用和营养吸收等生理活动有重要作用，但过量的Mn 会抑制植物生长，甚至导致植株死亡[3-5]。

红锥（Castanopsis hystrix）为壳斗科（Fagaceae）锥属常绿乔木；树干高大通直，高可达25 m，胸径可达1.5 m，观赏性高，生长速度快，有广阔的发展前景，是我国优良珍贵乡土树种[6]。其木材材质坚重、耐腐且易加工，是优质的木材原料，被广泛应用于建筑、家具、汽车和农业等领域，有很高的利用价值[7]。目前，对红锥的研究主要集中在人工育苗、良种选育及木材利用技术等领域[8-10]，关于土壤重金属污染对红锥幼苗光合作用及养分累积的研究较少。植物修复法是目前解决土壤重金属污染较有前景的方法之一。本研究分析不同浓度Mn 处理下红锥幼苗光合特性及矿质元素积累的变化规律，探索红锥对Mn 胁迫的响应，为红锥作为植物修复材料在Mn污染地区种植和管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在广西南宁市西乡塘区大学东路100号广西大学林学院苗圃教学实习基地（108°17′E，22°50′N）进行。该地地处北回归线以南，属亚热带季风气候，气候温和；全年阳光充足，雨量丰沛，夏长冬短，干湿季分明；年均气温21.7 ℃左右，年均降水量1 304.2 mm，年均相对湿度79%。

1.2 试验材料

选取南宁市路西苗圃生长状况良好、长势基本一致的0.5年生红锥幼苗作为试验苗，株高（35.55±4.43）cm，地径（4.26 ± 1.05）mm。2020年7月1日，将红锥幼苗移栽至直径25 cm 带孔的黑色营养钵中，每钵装风干土5 kg；缓苗期为1 个月，期间进行正常的苗木养护管理。土壤基本化学性质见表1。

表1 土壤基本化学性质Tab.1 Basic chemical properties of soil

1.3 试验设计

采用单因素试验设计。设置4个不同浓度外源Mn处理，分别为200、600、1 500和3 000 mg/kg，以清水为对照（CK）；每处理10 盆，每盆1 株。Mn 为硫酸锰（MnSO4·H2O）溶液。2020年8月5日开始，分6 次将Mn 溶液施入土壤，每10 天施加1 次，每次每钵分别施加100 mL，200、600、1 500 和3 000 mg/kg 处理施加的Mn 溶液质量浓度分别为5.12、15.36、38.41和76.82 g/L；CK 处理每次每钵分别施加100 mL 蒸馏水。

1.4 指标测定

处理结束后3个月（2020年12月29日），选取叶片完整的成熟叶，测量各项指标。晴天天黑1 h 后，采用FMS-II 荧光仪测定叶片叶绿素荧光最大光化学量子产量（Fv/Fm）；采用丙酮乙醇混合液法提取并测定光合色素含量，包括叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）、叶绿素a+b（Chl a+b）和类胡萝卜素（Car）含量[11]；采用Li-6400XT 便携式光合作用测定仪夹取叶片，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）。

叶片氮（N）含量采用浓硫酸-过氧化氢消煮，连续流动分析仪测定；钾（K）、磷（P）、锰、钙（Ca）、镁（Mg）、铜（Cu）、铁（Fe）和锌（Zn）含量采用硝酸-过氧化氢消煮，ICP 电感耦合等离子光谱发生仪测定[12]。

1.5 数据处理

采用SPSS软件进行数据显著性和相关性分析；采用Origin和Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 Mn胁迫对红锥幼苗光合特性的影响

2.1.1 Mn胁迫对红锥幼苗光合色素和Fv/Fm的影响

随Mn浓度升高，红锥幼苗叶片中的Chl a、Chl b、Chl a + b 和Car 含量变化趋势一致，均呈先升后降的趋势（图1）。浓度为200 mg/kg时，各光合色素含量均最高，Chl a、Chl b、Chl a+b 和Car含量分别为7.34、3.50、10.84和1.13 mg/g，分别为CK的1.12、1.07、1.10和1.14倍。浓度为1 500和3 000 mg/kg时，光合色素含量显著低于其他处理（P＜0.05）；浓度为3 000 mg/kg时最低，Chl a、Chl b、Chl a + b 和Car 含量分别为2.86、1.82、4.69 和0.47 mg/g。随Mn 浓度升高，Fv/Fm呈先升后降的趋势；浓度为600 mg/kg 时最高（0.74），为CK 的1.12 倍；浓度为3 000 mg/kg 时最低（0.54），显著低于其他处理（P＜0.05）。

图1 Mn胁迫对光合色素和Fv/Fm的影响Fig.1 Effects of Mn stress on contents of photosynthetic pigments and Fv/Fm

2.1.2 Mn胁迫对红锥幼苗光合作用的影响

随Mn 浓度升高，红锥幼苗叶片的Pn、Tr和Gs均呈先升后降的趋势（图2）。Pn在浓度为600 mg/kg时最高（4.73 μmol·m-2·s-1），为CK的1.73倍，显著高于CK 及1 500 和3 000 mg/kg 处理（P＜0.05）；浓度为3 000 mg/kg 时最低（3.31 μmol·m-2·s-1），显著低于200、600 和1 500 mg/kg 处理（P＜0.05）。Tr和Gs均在浓度为600 mg/kg 时最高，分别为0.003 和0.076 μmol·m-2·s-1，分别为CK 的2.36 和1.80 倍，均显著高于CK和200 mg/kg处理（P＜0.05）；Tr在CK处理时最低（0.001 μmol·m-2·s-1），Gs在浓度为200 mg/kg时最 低（0.039 μmol·m-2·s-1），均 显著 低于600 和3 000 mg/kg处理（P＜0.05）。随Mn浓度升高，红锥幼苗叶片的Ci呈先降后升的趋势；浓度为3 000 mg/kg时最高（391.15 μmol·m-2·s-1），为CK 的1.18 倍，显著高于CK和200 mg/kg处理（P＜0.05）；浓度为200 mg/kg时最低（294.36 μmol·m-2·s-1），显著低于600、1 500和3 000 mg/kg处理（P＜0.05）。

图2 Mn胁迫对光合作用的影响Fig.2 Effects of Mn stress on photosynthesis

2.2 Mn胁迫对红锥幼苗矿质元素含量的影响

随Mn浓度升高，红锥幼苗叶片中的N含量呈上升趋势；浓度为3 000 mg/kg 时最高（11.57 g/kg），为CK的1.14倍；各处理间均差异不显著（图3）。随Mn浓度升高，K 含量呈先升后降的趋势，浓度为600 mg/kg时最高（8.29 g/kg），为CK 的1.16 倍，显著高于其他处理（P＜0.05）。随Mn 浓度升高，P 含量呈上升趋势，浓度为3 000 mg/kg 时最高（1.73 g/kg），为CK的1.64 倍，显著高于CK 及200 和600 mg/kg 处理（P＜0.05）。

图3 Mn胁迫对N、P和K含量的影响Fig.3 Effects of Mn stress on contents of N,P and K

随Mn 浓度升高，红锥幼苗叶片中的Ca 含量呈下降趋势，Mg 含量变化不大，各处理间均差异不显著（图4）。随Mn 浓度升高，Mn 含量呈上升趋势；浓度为3 000 mg/kg时最高（11.65 g/kg），为CK 的65.41倍，显著高于其他处理（P＜0.05）。

图4 Mn 胁迫对Ca、Mg 和Mn 含量的影响Fig.4 Effects of Mn stress on contents of Ca,Mg and Mn

随Mn 浓度升高，红锥幼苗叶片中的Fe 含量呈先降后升的趋势，所有添加Mn 处理的Fe 含量均比CK 低；浓度为200 mg/kg 时最低（0.09 g/kg），显著低于CK处理（P＜0.05）（图5）。随Mn浓度升高，Cu含量呈先升后降的趋势，浓度为600 mg/kg 时最高（0.04 g/kg），显著高于其他处理（P＜0.05）。随Mn浓度升高，Zn 含量呈上升趋势，浓度为1 500 mg/kg时最高（0.05 g/kg），为CK 的1.75 倍，显著高于CK 和200 mg/kg处理（P＜0.05）。

图5 Mn胁迫对Fe、Cu和Zn含量的影响Fig.5 Effects of Mn stress on contents of Fe,Cu and Zn

2.3 Mn 胁迫下红锥幼苗光合特性和矿质元素含量相关性分析

2.3.1 Mn胁迫下红锥幼苗光合特性的相关性

红锥幼苗叶片的光合指标中，Pn与Fv/Fm、Chl a、Chl b、Chl a + b 和Car 呈显著正相关（P＜0.05）；Tr与Gs和Ci、Gs与Ci、Chl a与Chl b、Chl a+b和Car、Chl b与Chl a+b和Car、Chl a+b与Car均呈极显著正相关（P＜0.01）；Tr与Chl a、Chl b和Chl a+b均呈显著负相关（P＜0.05）；Ci与Chl a 、Chl b、Chl a + b和Car均呈极显著负相关（P＜0.01）（表2）。

表2 光合特性的相关性Tab.2 Correlations of photosynthetic characteristics

2.3.2 Mn胁迫下红锥幼苗矿质元素含量的相关性

红锥幼苗叶片所含的矿质元素中，Mn 与N 和Zn、Ca 与Mg 均呈显著正相关（P＜0.05）；P 与Zn 和Mn均呈极显著正相关（P＜0.01）（表3）。

表3 矿质元素的相关性Tab.3 Correlations of mineral elements

2.3.3 Mn 胁迫下红锥幼苗光合特性与矿质元素的相关性

在红锥幼苗光合特性与矿质元素的相关性中，Cu 与Pn、Tr和Gs及Mn 与Tr和Gs均呈显著正相关（P＜0.05）；K 与Fv/Fm和Pn、P 与Ci及Mn 与Ci均呈极显著正相关（P＜0.01）；P 与Chl a、Chl b、Chl a+b 和Car及Mn与Chl a、Chl b、Chl a+b 和Car均呈极显著负相关（P＜0.01）（表4）。

表4 光合特性与矿质元素的相关性Tab.4 Correlations between photosynthetic characteristics and mineral elements

3 讨论与结论

研究表明，植物吸收过量重金属会对植物产生毒害，影响其生长和光合作用[13]。叶绿素和类胡萝卜素是植物进行光合作用不可缺少的色素。本试验中，Mn 浓度为200 和600 mg/kg 时，红锥幼苗叶片中的叶绿素和类胡萝卜素含量与CK 处理差异不显著；Mn 浓度为1 500 和3 000 mg/kg 时，红锥幼苗叶片中的叶绿素和类胡萝卜素含量与CK 处理差异显著；相关性分析也显示Mn 浓度与叶绿素和类胡萝卜素含量呈极显著负相关，可能是因为过量的Mn抑制Fe和Mg的吸收和活性，破坏叶绿体结构[14-15]。

Fv/Fm反映植物潜在的光合能力，逆境下植物的Fv/Fm会降低[16]。研究发现，垂序商陆（Phytolacca americana）和香根草（Chrysopogon zizanioides）在高Mn胁迫下的Fv/Fm显著下降[17-18]。本试验中，红锥幼苗叶片Fv/Fm在Mn 浓度为200、600 和1 500 mg/kg时与CK 处理差异不显著，在浓度为3 000 mg/kg 时显著下降，说明高浓度的Mn 会抑制红锥幼苗的光合能力。

导致光合作用降低的因素包括气孔限制和非气孔限制，Ci是判断光合作用的主要限制因素是气孔因素还是非气孔因素的重要指标[19]。光合速率的降低如果伴随着Ci的升高，光合作用的主要限制因素为非气孔因素；非气孔限制光合作用主要是指在植物受到胁迫时, 光合作用的代谢受到抑制和损伤[19-20]。本试验中，随Mn浓度升高，红锥幼苗叶片的Pn呈先升后降的趋势，在浓度为600 mg/kg 时最高；Ci在浓度为1 500 和3 000 mg/kg 时高于CK 处理，说明红锥幼苗叶片Pn在浓度为1 500 和3 000 mg/kg 时降低可能是非气孔限制因素导致。相关性分析显示，Pn与叶绿素和类胡萝卜素含量呈显著正相关，Pn降低的原因可能是较高浓度的Mn 导致叶绿素和类胡萝卜素含量的降低[21-22］。

矿质元素在植物体内的物质组成和代谢过程中发挥着重要作用。Mn 不仅影响植物生长发育和光合能力，也影响植株对其他矿质元素的吸收。本试验中，随Mn 浓度升高，红锥幼苗叶片中的N、P 和Zn 含量均呈上升趋势，相关性分析也显示这3 种元素与Mn 均呈显著或极显著正相关。可能是因为为保障逆境下植株的正常生长或抗逆的需要，红锥需吸收更多的大量元素（N 和P）[23］；Zn 与Mn 共用相同的转运蛋白，为减轻Mn 的毒害作用，红锥加强对Zn的吸收[24]。K 和Cu 含量随Mn 浓度升高呈先升后降的趋势，低浓度重金属能促进植物对这两种元素的吸收，重金属浓度超过植物耐受浓度时，则会抑制吸收[25]。Mn 胁迫导致叶片中的Fe 含量低于CK 处理，叶片中的Ca、Mg 含量在不同Mn 浓度处理间均差异不显著。随Mn 浓度升高，商陆（Phytolacca aci⁃nosa）叶片中的Fe 含量呈先减少后增加的趋势，Ca和Mg 含量呈先增加后减少的趋势[26]。两者研究结果的差异可能是因为不同物种基因型不同，其积累元素的能力不同。

在不同浓度Mn 处理下，红锥幼苗的生理指标基本呈现“低促高抑”的变化趋势，较低浓度（200 和600 mg/kg）对叶绿素含量、类胡萝卜素含量和Pn有促进作用，可提高红锥的光合能力。随Mn 浓度升高，叶片中的K 和Cu 含量先升后降，P 和Zn 含量逐渐升高；Mn处理降低叶片中的Fe含量；叶片中的N、Ca 和Mg 含量在各处理间均差异不显著。说明Mn胁迫下红锥叶片对不同矿质元素的富集能力有差异，元素间协同作用有利于植物缓解逆境胁迫。在红锥的生长过程中，可适当施加外源浓度为200 ～600 mg/kg的Mn，可提高其光合能力，促进其生长。