譚長強，申文輝，歐芷陽，彭玉華*，曹艷云，郝海坤

(1.廣西林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530002；3.國家林業(yè)局 中南速生材繁育實驗室，廣西 南寧 530002)

鎘被視為最具危害性的重金屬污染元素之一[1]。廣西由于礦區(qū)的不合理開發(fā)，受鎘污染較為嚴重，并且礦區(qū)主要集中在喀斯特山地地區(qū)，隨著水流鎘污染范圍不斷擴大[2-3]。而目前最有效和簡便的治理方法為植物修復。因此，篩選和了解植物對鎘脅迫的耐性及生長特征尤為重要。而鎘對植物的傷害是多方面的，在形態(tài)上主要表現(xiàn)為根、莖生長遲緩和葉片失綠、卷曲，生理生化方面多表現(xiàn)為光合作用、葉綠素含量降低，高濃度鎘則會導致植物生長嚴重受抑制[4-5]。相關研究表明，喀斯特地區(qū)任豆、狹網(wǎng)真蘚等特有植物具有較強的重金屬吸收和耐受能力[6-7]，而氮素具有緩沖重金屬引起植物毒害的能力，適量施氮可增強鎘脅迫下植物葉片葉綠素含量、光合作用，從而促進植物生長，以及扭轉因鎘引起的植物體內(nèi)的生理毒害[8-9]。

蜆木(Excetrodendronhsienmu)是廣西喀斯特地區(qū)特有樹種，又名火木，椴樹科(Tiliaceae),常綠大喬木。自然分布于廣西和云南部分海拔700～900 m熱帶石灰?guī)r山地季雨林，分布中心在廣西南部，曾是廣西北熱帶喀斯特季節(jié)性雨林的優(yōu)勢種和關鍵種之一[10]，因材質硬、木材好，而受亂砍濫伐嚴重而漸行瀕危。蜆木為陽性，幼年耐蔭，噬鈣性樹種。而目前相關研究表明，通過合理種植措施蜆木在偏酸性黃壤土上仍能正常生長[11]。本研究通過探討重金屬鎘脅迫及施氮措施對蜆木光合生理的影響及生理生化的變化，以期為土壤鎘污染的治理提供更多的依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地及供試土壤

本次試驗在廣西林業(yè)科學研究院苗圃進行，屬濕潤的亞熱帶季風氣候，全年降水天數(shù)160 d左右，具有明顯的干濕季節(jié)，年平均降雨量1 650 mm，主要集中在5-9月份。供試土壤為赤紅壤，采自廣西林業(yè)科學研究院老虎嶺，土壤pH值為4.73，有機質17.31 g·kg-1、全N 0.542 g·kg-1、水解N 66.73 mg·kg-1、全P 0.344 g·kg-1、速效P 1.26 mg·kg-1、全K 7.08 g·kg-1、速效K 98.14 mg·kg-1、全Cd 0.245 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗蜆木苗木為1年生扦插營養(yǎng)袋苗，采用直徑為28 cm、高28 cm的塑料盆，每盆裝10 kg土，設置7個處理，分別為CK：0 mg·kg-1Cd2+，Cd1：30 mg·kg-1Cd2+，Cd2：120 mg·kg-1Cd2+，Cd1N1：30 mg·kg-1Cd2++0.4 g·kg-1CO(NH2)2，Cd1N2：30 mg·kg-1Cd2++0.8 g·kg-1CO(NH2)2，Cd2N1：120 mg·kg-1Cd2++0.4 g·kg-1CO(NH2)2，Cd2N2：120 mg·kg-1Cd2++0.8 g·kg-1CO(NH2)2，每處理20個重復。土壤經(jīng)風干、粉碎、過篩備用，Cd2+以CdCl2·2.5H2O(分析純)水溶液的形式一次性加入土壤，并與其混合均勻在遮雨棚下均衡1周。于2016年2月20日取預先培養(yǎng)好的健壯植株(生物量基本一致，苗高、地徑分別約為39.9、4.48 mm)，每盆栽植1株，試驗期間保持土壤濕潤，每次澆透至托盤有水流出但不外溢，澆水后，將盤內(nèi)滲出水分倒回至盆中，以免Cd流失。按照常規(guī)方法進行松土和除草等。

1.3 測定方法

處理前1 d以及處理90 d后測量所有苗的苗高、地徑。培養(yǎng)90 d后，于5月20日，葉片光合作用參數(shù)每處理隨機抽取6株，每株取完全展開的成熟葉1片進行測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。光合作用參數(shù)測定采用LI-6400(LI-COR，USA)便捷式光合儀，測定時間為09:00-11:00，光強、葉溫、空氣流量、CO2濃度分別設為1 200 μmol·m-2·s-1、30℃、500 μmol·s-1和400 μmol·mol-1，葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合提取法[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)運用Excel 2003及DPS 7.0軟件進行處理與分析，多重比較采用Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫及施氮措施對蜆木苗高地徑的影響

從表 1 可知，鎘脅迫下蜆木苗高、地徑的生長均顯著受到了抑制，Cd1、Cd2苗高分別比CK降低了41.6%和66.4%，地徑分別下降了27.5%和36.6%。低鎘濃度(Cd1)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，苗高、地徑表現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢，苗高、地徑均在Cd1N1時達到最大值分別比Cd1增加7.7%和3.3%，但均未達到顯著差異水平；Cd1N2苗高、地徑分別較Cd1降低了9.7%和17.9%，其中地徑Cd1N2與Cd1之間達到了顯著差異水平。高鎘濃度(Cd2)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，苗高、地徑表現(xiàn)了不斷降低趨勢，Cd2N1分別降低了16.3%和3.0%，Cd2N2分別顯著降低了29.1%和23.4%。

2.2 鎘脅迫及施氮措施對蜆木光合特征的影響

鎘脅迫下蜆木葉片葉綠素含量均顯著降低(表1)，并且各處理與CK之間均達到了顯著差異水平，Cd1、Cd2分別比CK降低了24.3%和33.3%。低鎘濃度(Cd1)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，葉綠素含量表現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢，Cd1N1比Cd1升高了8.6%，Cd1N2比Cd1顯著降低了23.9%。高鎘濃度(Cd2)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，葉綠素含量表現(xiàn)了不斷降低趨勢，與Cd2相比，Cd2N1、Cd2N2分別降低了15.1%和19.3%，其中Cd2N2與Cd2達到了顯著差異水平。

表1 鎘脅迫及施氮措施對蜆木生長及光合生理的影響

注：表中同列小寫字母表示差異顯著水平(P<0.05)。

鎘脅迫下蜆木凈光合速率(Pn)均受到了一定抑制，Cd1、Cd2分別比CK降低了8.1%和34.3%，其中Cd2與CK之間達到了顯著差異水平。低鎘濃度(Cd1)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，Pn表現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢，Cd1N1比Cd1升高了1.65%，Cd1N2比Cd1顯著降低了36.0%。高鎘濃度(Cd2)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，Pn表現(xiàn)了不斷降低趨勢，與Cd2相比，Cd2N1、Cd2N2分別顯著降低了17.0%和40.3%。

鎘脅迫下，蜆木氣孔導度(Gs)無顯著變化。低濃度及高濃度鎘脅迫下，Gs均隨著施氮濃度的增加而表現(xiàn)了不斷降低趨勢。低鎘濃度(Cd1)脅迫下，Cd1N1、Cd1N2分別比Cd1顯著降低了21.8%和43.1%；高鎘濃度(Cd2)脅迫下，Cd2N1、Cd2N2分別比Cd2顯著降低了36.6%和41.7%。

鎘脅迫下蜆木胞間CO2濃度(Ci)均顯著上升，Cd1、Cd2分別比CK上升了10.2%和20.3%。低鎘濃度(Cd1)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，Ci表現(xiàn)了先降低后升高的變化趨勢，Cd1N1比Cd1顯著降低了11.1%，Cd1N2比Cd1增加了5.6%。高鎘濃度(Cd2)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，Ci表現(xiàn)了不斷升高趨勢，與Cd2相比，Cd2N1、Cd2N2分別增加了4.5%和5.5%。

鎘脅迫下蜆木蒸騰速率(Tr)均顯著降低，Cd1、Cd2分別比CK降低了10.8%和20.9%。低鎘濃度(Cd1)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，Tr表現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢，Cd1N1比Cd1顯著升高了7.5%，Cd1N2比Cd1顯著降低了13.5%。高鎘濃度(Cd2)脅迫下，隨著施氮濃度的升高，Tr表現(xiàn)了不斷降低趨勢，Cd2水平相比，Cd2N1、Cd2N2分別顯著降低了6.8%和17.9%。

3 結論與討論

鎘脅迫下，蜆木光合及生長受到顯著抑制，其光合作用主要受非氣孔因素影響。低鎘脅迫下施低氮可增強蜆木光合作用，而高鎘脅迫下施氮以及低鎘脅迫下施高氮均不能提高蜆木光合能力。

鎘脅迫下，多種植物生長受到抑制[13]。本試驗結果表明，鎘脅迫下蜆木苗高、地徑均隨著鎘濃度的增加呈下降趨勢。張帆[9]等研究表明鎘脅迫的同時加入氮可緩解鎘脅迫對其生長的抑制。也有研究表明鎘脅迫下不合理的供應氮肥將使氮與鎘協(xié)同抑制植物生長[8]。本研究得出，低鎘條件下施低氮有利于蜆木苗高、地徑的生長，但低鎘高氮以及高鎘脅迫下施氮均不同程度抑制了蜆木的生長。

植物受鎘毒害的典型癥狀就是抑制葉綠素的合成，導致葉色黃化[14]。本研究結果表明，鎘脅迫下，蜆木葉片葉綠素含量隨著鎘濃度的增加而顯著降低。氮素是合成葉綠素的重要元素之一，當植物體內(nèi)銨態(tài)氮含量增加，會提高葉綠素合成前體谷氨酸或α-酮戊二酸的含量，從而促進葉綠素的合成[15]。而本研究發(fā)現(xiàn)，低鎘脅迫下隨著施氮含量的增加，蜆木葉片葉綠素含量呈先升高后降低的趨勢，可能與高施氮水平下氮促進鎘對蜆木的毒性增強有關。這也與曹瑩[8]等的研究鎘脅迫下銨態(tài)氮對春小麥葉綠素含量的影響結果相一致。而高鎘脅迫下，施氮均降低了蜆木葉片葉綠素含量，并且在高氮下達到了顯著差異。

光合作用是植物生長的基礎。S.Mediavilla[16]等報道，Pn降低主要有兩方面的原因：氣孔限制和非氣孔限制。G.D.Farquhar[17]認為，Ci值的大小是評判氣孔限制和非氣孔限制的依據(jù)。Pn、Gs和Ci值同時下降時，Pn的下降為氣孔限制，這可能是由于鎘脅迫影響了保衛(wèi)細胞K、Ca的吸收和運輸，增加了葉片氣孔阻力[18]；相反，如果葉片Pn值的降低伴隨著Ci值的提高，說明光合作用的限制因素是非氣孔限制，這可能是由于嚴重鎘脅迫產(chǎn)生的大量活性氧積累使膜脂過氧化[19]，或是Cd離子影響了Mg離子的正常運輸[20]，從而影響了葉綠素的合成，也可能是原初光化學反應受到了傷害[21-22]。本研究表明不施氮鎘脅迫下，隨著鎘脅迫程度的加深，Pn值表現(xiàn)了不斷降低趨勢，而Ci值則不斷上升；低鎘脅迫下施氮，蜆木Pn隨著施氮濃度的增加表現(xiàn)為先微弱上升后下降，Gs則表現(xiàn)了不斷降低，而Ci則正好相反表現(xiàn)為先降后增；而高鎘脅迫下施氮，蜆木Pn值的降低也伴隨著Gs值的不斷降低以及Ci值的提高，說明鎘脅迫對蜆木光合作用的影響限制因素為非氣孔因素。同時也說明低鎘脅迫下低氮可減輕這種因非氣孔因素限制所引起的光合速率下降，而低鎘脅迫下施高氮以及高鎘脅迫下施氮均加重了非氣孔因素的限制，說明低鎘高氮及高鎘脅迫下施氮均會產(chǎn)生對蜆木的協(xié)同脅迫，降低蜆木光合速率，加重對蜆木的毒害。這與曹瑩[8]等的研究結果鎘脅迫下適量氮水平可提高小麥葉片葉綠素含量及希爾反應活力，而高施氮水平下氮使鎘對小麥的毒性增強相吻合。這可能是由于氮素是合成葉綠素的重要元素之一，當植物體內(nèi)氮含量增加，會提高葉綠素合成前體谷氨酸或a-酮戊二酸的含量，從而促進葉綠素的合成[15]。同時，外施氮會使土壤pH下降，進而土壤鎘的有效性增強，從而使植物吸收的鎘含量增加，所受毒害作用增強[23]。

[2] 覃朝科,易鷂,劉靜靜,等.廣西某鉛鋅礦區(qū)廢水匯集洼地土壤重金屬污染調(diào)查與評價[J].中國巖溶,2013,32(3):318-324.

QIN C K,YI J,LIU J J,etal.Investigation and evaluation on heavy metal pollution in the waste water collecting depression in a lead-zinc mine of karst area[J].Carsologica Sinica,2013,32(3):318-324.(in Chinese)

[3] 翟麗梅,廖曉勇,閻秀蘭,等.廣西西江流域農(nóng)業(yè)土壤鎘的空間分布與環(huán)境風險[J].中國環(huán)境科學,2009(6):661-667.

ZHAI L M,LIAO X Y,YAN X L,etal.Spatial variation and environment risk of cadmium in agricultural land in the Xijiang river draining of Guangxi[J].China Environmental Science,2009(6):661-667.(in Chinese)

[4] 曹玲,司守霞,王慶成.鎘對東北楓和東北山梅花生長和葉綠素熒光特性的影響[J].西北林學院學報,2017,32(3):67-70.

CAO L，SI S X，WANG Q C.Effect of cadmium on biomass accumulation and chlorophyll fluorescence characteristics ofAcermanduricumandPhiladelphusschrenkii[J].Journal of Northwest Forestry University,2017,32(3):67-70.(in Chinese)

[5] 郭暉,王妞,張家洋.土壤重金屬脅迫下3種觀賞植物生理抗性[J].西北林學院學報,2017,32(3):62-66.

GUO H，WANG N，ZHANG J Y.Physiological resistance of three ornamental plants to soil heavy metal stress[J].Journal of Northwest Forestry University,2017,32(3):62-66.(in Chinese)

[6] 劉榮相,張朝暉.貴州東南部喀斯特汞金礦帶苔蘚植物及其重金屬富集特征[J].中國巖溶,2010,29(1):41-47.

LIU R X，ZHANG C H.Bryophytes and its heavy metal accumulation in mercury-gold ore belt in the karst area of southeast Guizhou[J].Carsologica Sinica,2010,29(1):41-47.(in Chinese)

[7] 覃勇榮,陳燕師,劉旭輝,等.土壤重金屬污染背景下的任豆修復試驗[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2010,29(2):282-287.

QIN Y R,CHEN Y S,LIU X H,etal.Repair experiment of heavy metal polluted soil withZeniainsignis[J].Journal of Agro-Environment Science,2010,29(2):282-287.(in Chinese)

[8] 曹瑩,段萌,劉玉蓮,等.鎘脅迫下銨態(tài)氮對春小麥光合生理特性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報,2011,20(2):359-363.

CAO Y,DUAN M,LIU Y L,etal.Effects of NH4+—N on photosynthetic characteristics of spring wheat plant under cadmium [J].Ecology and Environmental Sciences,2011,20(2):359-363.(in Chinese)

[9] 張帆,萬雪琴,王長亮,等.鎘脅迫下增施氮對楊樹生長和光合特性的影響[J].四川農(nóng)業(yè)大學學報,2011,29(3):317-321.

ZHANG F,WAN X Q,WANG C L,etal.Effects of nitrogen supplement on photosynthetic characteristic and growth rate of poplar plants under cadmium stress[J].Journal of Sichuan Agricultural University,2011,29(3):317-321.(in Chinese)

[10] 李先琨,蔣忠誠,黃玉清,等.桂西南巖溶山地優(yōu)勢植物種群動態(tài)及其對巖溶作用的影響[J].地球學報,2008(2):253-259.

LI X K,JIANG Z C,HUANG Y Q,etal.Dynamics of dominant population and its influence on karstification in southwest Guangxi,China[J].Acta Geoscientica Sinica,2008(2):253-259.(in Chinese)

[11] 申文輝,李志輝,彭玉華,等.蜆木扦插繁殖影響因子研究[J].西部林業(yè)科學,2014,43(6):24-28.

SHEN W H,LI Z H,PENG Y H,etal.Study on the effects on cutting propagation ofExcentrodendronhsienmu[J].Journal of West China Forestry Science,2014,43(6):24-28.(in Chinese)

[12] 鄒琦.植物生理學實驗指導[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.163-165.

[13] 曹 玲,王慶成,崔東海.土壤鎘污染對四種闊葉樹苗木葉綠素熒光特性和生長的影響 [J].應用生態(tài)學報,2006,17(5):769-772.

CAO L,WANG Q C,CUI D H.Impact of soil cadmium contain ration on chlorophyll fluorescence characters and biomass accumulation of four broad-leaved tree species seedlings [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006,17( 5):769-772.(in Chinese)

[14] 劉俊祥,孫振元,巨關升,等.重金屬Cd2+對結縷草葉片光合特性的影響[J].核農(nóng)學報,2009,23(6):1050-1053.

LIU J X,SUN Z Y,JU G S,etal.Effects of Cd2+stress on photosynthetic characteristics in leaves ofZoysiajaponica[J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences,2009,23(6):1050-1053.(in Chinese)

[15] 潘瑞熾，董愚得.植物生理學[M].北京:高等教育出版社，1995:53-55.

[16] MEDIAVILLA S,SANTIAGO H,ESCUDERO A.Stomatal and mesophyll limitations to photosynthesis in one evergreen and one deciduous Mediterranean oak species [J].Photosynthetica,2002,40(4):553-559.

[17] FARQUHAR G D,SHARKEY T D.Stomatal conductance and photosynthesis [J].Annual Review of Plant Physiology,1982,33(1):317-345.

[18] 顧頡剛.鎘脅迫對楊樹無性系植株生長發(fā)育及部分生理特性影響的研究 [D].天津:天津師范大學,2008.

[19] 蘇玲,章永松,林咸永,等.維管植物的鎘毒和耐性機制 [J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2000,6(1):106-112.

SU L,ZHANG Y S,LIN X Y,etal.Cadmium toxicity and tolerance in vascular plants [J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2000,6(1):106-112.(in Chinese)

[20] 慈敦偉,姜 東,戴廷波,等.鎘毒害對小麥幼苗光合及葉綠素熒光特性的影響 [J].麥類作物學報,2005,25(5):88-91.

CI D W,JIANG D,DAI T B,etal.Effect of Cd toxicity on photosynthesis and chlorophyll fluorescence of wheat seedling [J].Journal of Triticeae Crops,2005,25(5):88-91.(in Chinese)

[21] 劉勁松,石 輝,李秧秧.鎘脅迫對黃瓜幼苗光合和葉綠素熒光特性的影響 [J].水土保持研究,2011(5):187-190,196.

LIU J S,SHI H,LI Y Y.Effects of Cd2+stress on photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics of cucumber seedlings [J].Research of Soil and Water Conservation,2011(5):187-190,196.(in Chinese)

[22] MALO D D,SCHUMACHER T E,DOOLITTLE J J.Long-term cultivation impacts on selected soil properties in the northern great plains [J].Soil & Tillage Research,2005,81:277-291.

[23] 趙晶.不同氮磷鉀肥對土壤鎘有效性和小麥吸收鎘的影響[D].雅安:四川農(nóng)業(yè)大學,2009.