鉛脅迫下香樟幼苗生理生長的變化及對鉛的富集特征

沙文沛　杜瑞卿　楊建偉　張征田　梁咪咪

摘要：選取香樟幼苗為試驗對象，在土壤中添加5個不同濃度的鉛（Pb）進行盆載，測量了香樟幼苗生物量等8個生理生長指標。結果表明，隨著土壤Pb濃度的升高，香樟幼苗生物量、株高、葉綠素含量、凈光合速率隨之降低，SOD、POD、CAT、MDA隨之升高。土壤Pb濃度與香樟幼苗生長生理指標間存在極顯著的回歸關系。根是香樟幼苗對鉛最主要的分布部位。土壤中Pb濃度為1 045 mg/kg是重要的臨界值，當土壤Pb濃度高于1 045 mg/kg時，香樟幼苗不能正常生長，不能保持最高的轉移系數，不能最有效改良土壤。

關鍵詞：鉛（Pb）；香樟幼苗；土壤污染；生長指標；生理指標；富集特征

中圖分類號： Q945.78 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0242-03

隨著工農業生產的發展，鉛（Pb）污染日益嚴重，鉛通過食物鏈對人類生命健康造成極大傷害。鉛污染土壤的治理和修復成為當前亟需解決的問題。傳統的鉛污染治理成本高，不但影響土壤結構，而且治理面積小，不能從根本上解決問題。利用植物對鉛的吸收富集能力進行鉛污染治理的植物修復技術成本低、對環境破壞小、能夠進行大面積推廣，具有廣闊的應用前景[1-3]。采用超富集植物對重金屬污染土壤進行修復，由于生物量低、生長緩慢、易受雜草競爭性威脅等原因導致實際應用受到限制[4-5]。國內外相繼開展了木本植物修復重金屬污染土壤研究，木本植物修復重金屬污染土壤具有生物量大，生長周期長，根系、莖、枝、葉面積較大，吸收積累重金屬能力強，不參與食物鏈循環等優點[6-8]。香樟（Cinnamomum camphora L.）屬樟科樟屬常綠木本植物，是我國重要的材用和特種經濟樹種，具有重要的生態價值、經濟價值，也是各地園林栽培中應用極為普遍的綠化樹種之一，在少數地區用于尾礦的植被恢復。本試驗利用香樟作為植物修復的備選植物，初步研究土壤中添加不同含量Pb對香樟幼苗生理生長的影響以及Pb在香樟幼苗體內的富集分布規律，旨在為利用木本植物進行環境修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

2014年4月上旬取南陽師范學院校園花房溫室內20 cm高、長勢一致的5月齡香樟幼苗作為材料，用自來水、純水多次沖洗幼苗。Pb脅迫處理：在高約50 cm、直徑30 cm的塑料桶中裝10 kg干土（黃棕壤土，pH值為6.5，Pb本底含量為45 mg/kg，取自河南省南陽市郊區農田土壤），根據干土質量及GB 15618—2008《土壤環境質量標準》，結合當地重金屬高度污染區的實際情況[9]，按照大跨度、多梯度、高污染的原則，向土壤中添加純Pb2+[用Pb（CH3COOH）2·3H2O配制，AR]，在包含土壤本底Pb含量的基礎上，分別設置：45（1組，對照組）、545（2組）、1 045（3組）、2 045（4組）、3 045 mg/kg（5組）5個Pb脅迫處理，平衡1周。將香樟幼苗栽植于5個Pb濃度處理土壤中，每桶5株，待植株成活后每桶保留3株并移出室外（其余幼苗回埋桶內土壤中）。將試驗桶放置于南陽師范學院花房內。晴天接受自然光照，雨天于遮雨棚內避雨，每周補充1次純水，確保土壤濕度基本保持在適宜水分條件下，每處理重復3次。50 d后測定香樟幼苗各項生理指標。9月下旬起苗，測定各處理下香樟生物量以及根、莖、葉各部位Pb含量。

1.2 測定指標及方法

于當年9月下旬起苗，分別用自來水沖洗根、莖、葉，再用蒸餾水沖洗3遍，瀝去水分，120 ℃下烘至恒質量，各部分干質量之和即為單株生物量，求平均值。香樟幼苗植株起苗后，立即用直尺測量植株高度，求平均值。采用浸提法[10]測定葉綠素含量。采用TPS-1便攜式光合儀（英國PP Systems公司）測定凈光合速率（Pn）：幼苗在Pb污染土壤中生長50 d后，于每天10：00左右測定中上部未受害正常葉片的Pn，連續測定3 d，每處理重復測定5張葉片，求平均值。幼苗在Pb污染土壤中生長50 d后采集葉片，測定各項生理指標：采用高錳酸滴定法測定過氧化氫酶（CAT）活性；采用愈創木酚法測定過氧化物酶（POD）活性；采用氮藍四唑（NBT）光還原法測定超氧化物歧化酶（SOD） 活性；采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定丙二醛（MDA）含量[10-11]。起苗后分別用自來水沖洗香樟根、莖、葉，再用蒸餾水沖洗 3 遍，瀝去水分，120 ℃下烘至恒質量。將烘干后的植物磨碎，過篩（篩孔直徑為 1.4 mm），每種樣品稱取 0.2 g，加HNO3-H2O2（4 ∶ 1）消化、定容、保存，用AAS-400型原子吸收分光光度計測定樣品中Pb含量。

1.3 統計處理

對不同組別不同指標進行方差分析。根據方差分析結果，將5個試驗組分為三大污染類別：無污染、輕度污染、重度污染，按照香樟幼苗生長生理指標進行判別分析。分析土壤Pb濃度與香樟幼苗生長生理指標間的函數關系。轉移系數（TF）計算公式如下：

TF=Gp/Cs。

式中：Gp表示植物中Pb含量，mg/kg；Cs表示土壤中Pb含量，mg/kg。

2 結果與分析

2.1 鉛脅迫對香樟幼苗生長指標的影響

表1表明，隨著土壤Pb濃度的升高，香樟幼苗生物量、株高呈下降趨勢，香樟幼苗生長狀況惡化，當土壤Pb濃度大于1 045 mg/kg時，香樟幼苗生物量、株高顯著下降。與對照組相比，當Pb含量為2 045 、3 045 mg/kg時，植株高度分別下降了23.0%、37.9%，生物量分別下降了31.4%、52.6%。方差分析表明，各組香樟幼苗生物量、株高均與對照差異顯著。

2.2 Pb脅迫對香樟幼苗生理活動的影響

表2表明，隨著Pb濃度的升高，香樟幼苗的光合速率、葉綠素含量均呈下降趨勢，當Pb濃度大于1 045 mg/kg時，香樟幼苗的光合速率、葉綠素含量均顯著低于對照。當Pb濃度為 3 045 mg/kg 時，香樟幼苗的光合速率與對照相比下降了49.97%，葉綠素總量下降了36.05%。當Pb濃度大于1 045 mg/kg時，香樟幼苗的生存已受到嚴重影響。保護酶SOD、POD、CAT活性與植物的抗性強弱密切相關。隨著Pb濃度的升高，香樟幼苗體內保護酶SOD、POD、CAT活性呈上升趨勢，當Pb濃度為2 045 mg/kg時，SOD活性達到最高。香樟幼苗體內POD、CAT活性隨著Pb濃度升高持續升高，當Pb濃度為3 045 mg/kg時，POD、CAT活性達到最高。隨著Pb濃度升高，香樟幼苗體內MDA含量急劇上升，當Pb濃度為3 045 mg/kg時，MDA含量是對照組的2.2倍，表明細胞膜系統可能受到了傷害。當土壤Pb濃度低于1 045 mg/kg時，香樟幼苗對于外來Pb脅迫的抵抗和保護響應能力較強，當土壤Pb濃度高于1 045 mg/kg時，香樟幼苗對于外來Pb脅迫的抵抗和保護響應能力下降。endprint

2.3 香樟幼苗生理生長指標的判別分析

依據對香樟幼苗生長指標和生理指標的方差分析結果，將原來的5個試驗組按照香樟幼苗生長生理受到的危害程度分為三大污染類別：無污染（對照組）、輕度污染（1組、2組）、重度污染組（3組、4組）。對香樟幼苗生長生理8個指標組進行判別分析，結果表明，香樟幼苗生理各指標在三大污染類別上存在顯著差異，三大類正確判別率為100%，說明將土壤Pb 濃度劃分為無污染、輕度污染、重度污染三大類別是合理的。

2.4 土壤Pb濃度與香樟幼苗生理指標間的回歸關系

表3表明，香樟生長生理各指標生物量、株高、葉綠素含量、Pn與Pb濃度存在負回歸關系，SOD、POD、CAT、MDA與Pb濃度存在正回歸關系。

2.5 Pb在香樟幼苗體內的富集特征

從表4可以看出，隨著土壤Pb濃度的升高，香樟幼苗的根、莖、葉對Pb的吸收量也隨之升高。不論在何種Pb濃度下，根對Pb的吸收量均遠高于莖、葉對Pb的吸收量，根是Pb最主要的分布部位，葉片中Pb的分布量最低。當Pb濃度高于1 045 mg/kg時，香樟幼苗根、莖、葉各部分以及整株對Pb的吸收量都變化不大，轉移系數明顯下降，除土壤Pb濃度為45 mg/kg外，當土壤Pb濃度為1 045 mg/kg時轉移系數在各處理組中均最大，說明土壤Pb濃度為1 045 mg/kg是重要的臨界值。

3 結論與討論

本研究結果表明，隨著土壤Pb濃度的增大，香樟幼苗的生長指標（生物量、株高）和葉綠素含量、Pn逐漸減小，但SOD、POD、CAT、MDA含量增大。當土壤Pb濃度不高于 1 045 mg/kg 時，香樟幼苗自身抵抗Pb脅迫的適應能力較強，能夠進行正常的生理活動。當土壤Pb濃度高于 1 045 mg/kg 時，香樟幼苗自身抵抗Pb脅迫的能力下降，正常生理活動受到影響。香樟幼苗生長生理各指標在無污染、輕度污染、重度污染三大類別的正確判別率為100%，說明土壤Pb污染濃度劃分正確，較好地反映了香樟幼苗生長生理變化特征。香樟生長生理各指標與土壤Pb濃度存在極顯著的回歸關系，土壤Pb濃度變化對香樟生長生理各指標存在極顯著影響。香樟幼苗根、莖、葉中的Pb含量隨土壤Pb濃度升高而升高，但根是最主要的吸收部位。除無污染情況外，當土壤Pb濃度為1 045 mg/kg時，香樟幼苗根、莖、葉以及幼苗整株的Pb轉移系數最高。土壤Pb濃度為1 045 mg/kg具有重要的臨界值意義，當土壤Pb濃度高于1 045 mg/kg，香樟幼苗既不能很好地生長，又不能保持最高的轉移系數，有效改良土壤。秦普豐等研究表明，當土壤中Pb濃度高于1 000 mg/kg時，嚴重抑制棉花、水稻幼苗生長發育，植株矮小且嚴重受害[12]。本研究結果表明，隨著土壤Pb濃度升高，香樟幼苗高度、生物量顯著降低。邱永祥等研究表明，Pb處理降低了植株的光合能力，光合速率下降，光效率降低，Pb破壞了植物的超微結構，導致葉綠體解體[13]。本研究結果表明，隨土壤Pb濃度的升高，香樟幼苗平均植株高度、單株生物量、葉綠素含量、凈光合速率明顯下降。

正常情況下，細胞內自由基的產生和清除處于動態平衡狀態，自由基水平很低，不會傷害細胞。當植物受到脅迫時，平衡會被打破，自由基累積過多，會傷害細胞[14]。植物體內SOD、POD、CAT協同構成的保護酶系統可以消除在逆境條件下植物體內增加的 O-2 · 、·OH等自由基，減輕植物受傷害的程度。丙二醛（MDA）是植物組織在逆境下遭受氧化脅迫發生膜脂過氧化作用的產物，其濃度高低是反映細胞質膜過氧化程度的重要指標。本研究結果表明，當土壤Pb濃度為1 045 mg/kg時，香樟幼苗的丙二醛（MDA）含量顯著增高，提示植物受脅迫傷害加重。

土壤中的Pb主要以難溶性化合物存在，導致Pb的遷移性、生物吸收有效性都大大降低。植物對Pb的吸收與積累程度決定于環境中Pb的濃度、土壤條件、植物葉片大小等。植物吸收的Pb主要累積在根部，只有少數Pb轉移到地上部分。

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