模拟矿区锰胁迫对入侵植物喜旱莲子草的影响

张宝成，曹运琴，曾 刚，李德辉

（1.茅台学院，贵州 仁怀 564507；2.遵义师范学院生物与农业科技学院，贵州 遵义 563006）

锰矿在贵州省的分布量比较大，锰的平均品位高，高品质的碳酸锰富锰矿石储量超过7 000 万t［1］。遵义市是贵州省锰矿的重要分布区，煤矿开采会产生大量的锰矿渣，含锰的部分物质可以通过粉尘进入大气产生污染［2］。长期的矿渣堆积会使周边土壤的锰浓度增加，改变矿区周围土壤的理化性质，从而对土壤造成污染。矿区长期开采后，土壤的理化性质被改变，一般植物难以生长，导致矿区植被覆盖率低、生物多样性低等环境问题，造成生态环境脆弱，裸露的土壤经过水蚀和风蚀产生高浓度的锰进入水域造成水域污染，长此以往会造成当地的水土污染，影响到人们的健康［3］。研究表明，水土被金属污染后，人饮用后金属进入人体，与人体内的蛋白质及各种酶发生强烈反应，使人体内的蛋白质及酶失活，就会造成急性、亚急性以及慢性中毒等疾病［4］。

矿区的修复技术是促进矿山开发与环境可持续发展的关键。矿区的物理修复有客土法，主要针对局部土壤，使局部土壤达到利用要求。中国的矿山通常位于偏远的区域，大量的运输成本造成恢复成本高。化学修复法利用化学物质与土壤溶液中重金属发生反应，使重金属活性降低或将作用后的重金属直接从土壤中去除的方法。入侵植物到新的区域天敌少，其适应性强、可塑性强、生长快［5-7］。喜旱莲子草为一种入侵植物，广泛分布于中国的陆地和水域，适应能力强，探索其对高浓度金属的生理生化特性，可为矿山开采后的生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

采集茅台学院土壤，去除植物枯枝落叶和石砾，把土壤过筛混合均匀后装入花钵。采集均匀一致的喜旱莲子草扦插作为试验材料，定期浇水管理，生根1 周后，选取大小均一的植株随机分为5 组，每组4个重复，分别用浓度0%（对照）、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的氯化锰溶液浇灌，隔一段时间分别记录植株生长情况。

1.2 方法

喜旱莲子草生长浇灌生长95 d 后测定每株的叶面积、叶片中脯氨酸含量（μg/g）、可溶性糖含量（mg/g）、叶片中的淀粉含量（mg/g）、叶中丙二醛（μmol/g）和叶绿素（mg/g）［8-11］。并将其根际土壤风干、磨细、过筛，测定其根际土壤中的蔗糖酶、蛋白酶和脲酶的活性。

土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性采用比色法进行测定［12］。使用Excel 软件对试验数据进行处理，利用SPSS 软件进行方差分析、多重比较及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 锰对喜旱莲子草叶绿素含量的影响

不同浓度氯化锰对叶绿素含量的影响见图1。由图1 可知，随氯化锰浓度的增加，喜旱莲子草的叶绿素a 浓度呈下降趋势，处理组叶绿素a 浓度为对照的0.83～0.96 倍；叶绿素b 浓度也随氯化锰浓度的增加而逐渐下降，处理组是对照组含量的0.52～0.81倍；不同氯化锰浓度的喜旱莲子草类胡萝卜素含量无明显变化，为对照组的0.94～1.06 倍；处理组总叶绿素含量为对照组的0.74～0.93 倍。

2.2 锰对喜旱莲子草叶片的影响

不同浓度氯化锰对叶片生理指标的影响见图2。由图2 可知，0.5%氯化锰处理组的可溶性糖含量为0.41 mg/g，与对照组（0.34 mg/g）差异不显著（P＞0.05）。当氯化锰为1.0%、1.5%、2.0%时，可溶性糖含量要显著高于对照（P＜0.05）。所有氯化锰处理组的脯氨酸含量均显著高于对照（P＜0.05），为对照的1.23～2.97 倍。不同浓度氯化锰处理的喜旱莲子草叶中丙二醛含量无明显差异（P＞0.05），各处理组丙二醛浓度为对照组的1.00～1.07 倍。0.5%氯化锰组的淀粉含量为2.46 mg/g，与对照组（2.28 mg/g）差异不显著（P＞0.05），其他浓度处理组淀粉含量均显著低于对照组（P＜0.05），为对照组的0.14～0.43 倍。

图2 不同浓度氯化锰叶片生理指标变化

2.3 锰对喜旱莲子草叶片及株高的影响

不同浓度氯化锰对叶片的影响见表1。由表1可知，随着氯化锰浓度的增加，单株叶片数和叶面积均呈增加趋势，氯化锰浓度为1.5%时，单株叶片数和叶面积均为最高，分别为12.25 片和52.18 cm2。叶质比也随着氯化锰浓度增加而增加，在氯化锰浓度为1.5%时最大，为51.77 cm2/g；不同浓度氯化锰处理后单叶片面积均低于对照。

表1 不同浓度氯化锰处理对叶数目及叶面积的影响

不同浓度氯化锰对株高的影响见图3。由图3可知，不同浓度氯化锰处理组喜旱莲子草株高与对照组在5 和20 d 时差异不显著（P＞0.05）。40 d 时，对照组株高要显著高于各个氯化锰处理组（P＜0.05），其中0.5%氯化锰组显著高于其处理组（P＜0.05）。氯化锰处理60 、80 和95 d 后各处理组株高的变化与40 d 时变化趋势一致。

图3 不同浓度氯化锰胁迫下喜旱莲子草株高

2.4 锰对喜旱莲子草根际土壤酶活性的影响

不同浓度氯化锰对土壤酶活性的影响见图4。由图4 可知，与对照组相比，1.0%和1.5%氯化锰处理组的蔗糖酶活性有所，但差异不明显（P＞0.05）。2.0%处理组蔗糖酶活性显著高于对照组（P＜0.05）。各个氯化锰处理组土壤蛋白酶活性和脲酶活性均显著小于对照组（P＜0.05），且随着氯化锰处理浓度的增加呈现降低趋势，蛋白酶活性降低幅度较大，脲酶降低幅度较小。

图4 氯化锰胁迫对土壤酶活性影响

锰胁迫下喜旱莲子草的生理指标与土壤酶相关性分析见表2。由表2 可知，丙二醛与蔗糖酶活性呈显著负相关（P＜0.05）。蔗糖酶活性与可溶性糖、脯氨酸均呈极显著正相关（P＜0.01），与淀粉含量呈极显著负相关（P＜0.01）。这表明喜旱莲子草的地上部分与地下部分密切相关。

表2 锰胁迫下喜旱莲子草的生理指标与土壤酶相关性分析

3 小结

3.1 锰胁迫对喜旱莲子草的影响

叶绿素是植物吸收光能重要的色素，它是评价植物衰老的重要参数之一［13］。本研究发现，随着锰胁迫浓度增加，叶绿素逐渐降低，这可能是因为高浓度锰影响了喜旱莲子草叶合成叶绿素的酶，导致其叶绿素含量降低［14］。叶绿素含量可作为植物胁迫的生理指标之一。本研究发现，喜旱莲子草叶片中可溶性糖浓度随氯化锰浓度增加而增加，这可能是在锰胁迫下影响了喜旱莲子草对水分的吸收。植物通过增加叶片中可溶性糖含量来增加叶细胞溶质浓度，来适应其叶片水势改变［15］。植物在锰胁迫下，可溶性糖含量随锰浓度的升高而不断积累，植株通过增加可溶性糖浓度，从而增加细胞中溶液浓度以应对胁迫，因此可溶性糖含量可作为研究抗胁迫机制的一项重要生理指标。

刘晓嘉［16］研究发现，观赏果树在受铅镉胁迫后，叶片中的可溶性糖和脯氨酸浓度受重金属浓度增加而增加，这与本研究结果一致。淀粉是光合产物积累的一种形式，对照组和0.5%氯化锰处理组下淀粉含量分别为2.28、2.46mg/g，当氯化锰浓度在1.0%～2.0%时，淀粉含量为对照的14.47%～42.98%，这说明在氯化锰胁迫下，喜旱莲子草通过降低淀粉的积累来增加可溶性糖浓度以适应环境压力。

丙二醛反映膜脂受氧化的程度，可作为判断植物胁迫伤害程度的重要参数［17］。本研究结果表明，在不同氯化锰浓度处理下，丙二醛数值没有明显变化，氯化锰浓度为2.0%时对喜旱莲子草叶中丙二醛浓度也没有明显影响，这表明喜旱莲子草对氯化锰的耐受性比较强。喜旱莲子草通过叶片的糖、淀粉和脯氨酸的含量来调节渗透势，以减少细胞受损，可以作为锰矿区修复比较理想的植物。

3.2 锰胁迫对喜旱莲子草根际土壤酶活性的影响

土壤蔗糖酶可以把糖分解为小分子物质，有利于微生物作用下转化为含有羟基和羧基的小分子物质，这些物质与金属离子结合改变形态，可以降低金属对植物的危害。土壤脲酶和蛋白酶分解可以把氮分解为小分子物质，有利于植物的吸收［13］。土壤中的这些酶活性会影响植物叶片生理生化变化，植物根系与地上部分相互影响，两者相互供应营养。研究发现，叶面积随氯化锰溶度的增加呈现出变小趋势，喜旱莲子草在氯化锰胁迫下通过改变叶片的数目、叶面积以适应环境。在氯化锰处理下，喜旱莲子草通过降低单位面积的质量使叶片变薄，从而增加叶面积以应对胁迫。在锰胁迫下，喜旱莲子草叶片中糖浓度增加以改变渗透势来适应环境，但降低了糖向淀粉的转化，可以通过增加叶面积数量来弥补淀粉降低。