趙紅 楊鋅

(上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)村集約化的快速發(fā)展,礦山的開(kāi)采與加工，工業(yè)廢水、生活污水以及禽畜糞便的隨意排放，含重金屬的農(nóng)藥和除草劑的大量使用，導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)中重金屬的累積不斷增加[1]。重金屬在土壤中很難降解，容易通過(guò)土壤造成農(nóng)作物污染，最終通過(guò)食物鏈的方式，影響人類(lèi)和動(dòng)物的健康[2,3]。

銅是一種重金屬，其具有雙重作用，對(duì)植物具有有益作用，是植物生長(zhǎng)必需的微量元素，在植物生理代謝過(guò)程中起著不可缺少的作用；但是，銅對(duì)植物又具有毒害作用，過(guò)量的銅會(huì)對(duì)植物造成毒害。近十幾年，銅對(duì)植物生長(zhǎng)的危害已經(jīng)受到了許多學(xué)者的關(guān)注，姬俊華等研究了銅脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)及遺傳損傷的影響，結(jié)果顯示，隨著銅濃度的升高，小麥種子的發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)及有絲分裂指數(shù)均呈下降的趨勢(shì)[4]；高揚(yáng)等探討了銅對(duì)大蒜根尖細(xì)胞有絲分裂影響，獲得了銅對(duì)大蒜根尖細(xì)胞具有明顯的細(xì)胞毒性和遺傳毒性的結(jié)論[5]；丁園等報(bào)道了銅脅迫對(duì)水稻種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，結(jié)果證明，銅脅迫下會(huì)對(duì)水稻幼苗生物量、株高、葉綠素、蛋白質(zhì)、根系活力以及根伸長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，銅濃度越高，抑制作用越強(qiáng)[6]。但目前在常見(jiàn)作物對(duì)銅的敏感性及耐受性方面還缺乏研究。因此，本試驗(yàn)選取豌豆、蘿卜、水稻3種日常食用量較大的作物作為供試材料，采用水培方法，研究不同濃度銅對(duì)3種作物幼苗生長(zhǎng)的影響，并通過(guò)隸屬函數(shù)法和根長(zhǎng)耐性指數(shù)來(lái)分析判斷耐銅性作物及銅敏感作物，為土壤銅污染的監(jiān)測(cè)植物及抗銅植物的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

豌豆(Pisum sativum L.)、蘿卜(Raphanus sativus L.)、水稻(Oryza sativa L.)3種常見(jiàn)作物種子購(gòu)于江西省上饒市種子市場(chǎng)。重金屬銅采用無(wú)水硫酸銅(分析純)，購(gòu)于安徽雨軒科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

挑選大小一致、飽滿完整、無(wú)缺陷的豌豆種子、蘿卜種子、水稻種子，消毒后分別用蒸餾水浸種24h，在培養(yǎng)皿內(nèi)底部墊入2層濾紙，每皿均放50粒種子，稱(chēng)取一定量的硫酸銅，分別配置成濃度為0.1mg·L-1、1mg·L-1、10mg·L-1、100mg·L-1、200mg·L-1的Cu2+溶液，用蒸餾水作對(duì)照處理，3種作物的培養(yǎng)分別各設(shè)置6個(gè)處理，3次重復(fù)，每皿加對(duì)應(yīng)處理液10mL，每天更換1次處理液，室溫條件下進(jìn)行培養(yǎng)；培養(yǎng)至第10天，每皿挑選長(zhǎng)勢(shì)最好的幼苗10株，測(cè)定單株根長(zhǎng)、苗高、根鮮重及苗鮮重,計(jì)算3種作物根長(zhǎng)耐性指數(shù)，以及各指標(biāo)的相對(duì)值。

根長(zhǎng)耐性指數(shù)(%)=各處理組根系的平均長(zhǎng)度×100/對(duì)照組根系的平均長(zhǎng)度[7]

相對(duì)值=處理值/對(duì)照值

1.3 耐性綜合評(píng)價(jià)

應(yīng)用隸屬函數(shù)法對(duì)3種常見(jiàn)物幼苗期耐Cu2+進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式[8]：

Xi=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，X為某種作物某一指標(biāo)的相對(duì)值；Xmax、Xmin為該指標(biāo)的相對(duì)值在3種作物中最大值和最小值。先分別求出3種作物某一指標(biāo)在不同濃度銅下隸屬函數(shù)值累加后的平均值，再計(jì)算每種作物所有指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值，根據(jù)3種作物平均隸屬函值的大小確定其幼苗期耐銅性的強(qiáng)弱；平均值越大，耐銅性越強(qiáng)，反之，耐銅性越弱。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 13.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅對(duì)3種作物幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可知，隨著銅濃度的增加，豌豆及蘿卜幼苗的根長(zhǎng)、苗高、根鮮重及苗鮮重呈先升后降趨勢(shì)，而水稻幼苗4項(xiàng)指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)。銅濃度為1mg·L-1時(shí)，豌豆幼苗的根長(zhǎng)、苗高、根鮮重及苗鮮重均為最大值，分別比對(duì)照組顯著上升了16.67%、25.99%、34.45%、18.80%；銅濃度為10～200mg·L-1時(shí)，豌豆各處理的苗高與苗鮮重與對(duì)照組間均差異不顯著，但在銅濃度為100mg·L-1時(shí)，根長(zhǎng)及根鮮重就開(kāi)始顯著低于對(duì)照組，表明銅溶液顯著抑制豌豆幼苗根生長(zhǎng)的濃度為100mg·L-1。銅濃度為0.1mg·L-1時(shí)，蘿卜幼苗的根長(zhǎng)及根鮮重顯著高于對(duì)照組，而且根長(zhǎng)、苗高、根鮮重及苗鮮重均達(dá)到峰值，分別是對(duì)照組的1.42倍、1.05倍、1.19倍、1.14倍；蘿卜幼苗4項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)始顯著低于對(duì)照組的銅濃度分別是10mg·L-1、100mg·L-1、10mg·L-1、100mg·L-1，表明銅溶液顯著抑制蘿卜幼苗根生長(zhǎng)的濃度為10mg·L-1。對(duì)于水稻幼苗，4項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)始顯著低于對(duì)照組的銅濃度分別是0.1mg·L-1、100mg·L-1、0.1mg·L-1、100mg·L-1，并且銅濃度為10～200mg·L-1時(shí)，根長(zhǎng)及根鮮重均為0，根完全不能生長(zhǎng)，表明銅溶液顯著抑制水稻幼苗根生長(zhǎng)的濃度為0.1mg·L-1。

表1 不同銅處理濃度下3種作物幼苗生長(zhǎng)狀況

2.2 3種作物耐銅性綜合評(píng)價(jià)

隸屬函數(shù)值反映了作物的綜合耐銅能力的大小，數(shù)值越大，耐銅能力越強(qiáng)，反之對(duì)銅的耐性越弱。由表2可知，豌豆的隸屬函數(shù)值最大，其次為蘿卜，最小為水稻，表明豌豆對(duì)銅耐受性最強(qiáng)，蘿卜次之，水稻最差。由表2的數(shù)據(jù)還可以計(jì)算出3種作物相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)苗高、相對(duì)根鮮重、相對(duì)苗鮮重的隸屬函數(shù)值，累加后的平均值分別是0.464、0.607、0.492、0.675，相對(duì)根長(zhǎng)的平均隸屬函數(shù)值是最小的，說(shuō)明在3種作物幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)銅最敏感的指標(biāo)是根長(zhǎng)，因此確定以根長(zhǎng)作為3種作物對(duì)銅敏感性的首要篩選指標(biāo)。

表2 3種作物的隸屬函數(shù)值和綜合評(píng)價(jià)值

2.3 不同銅處理濃度下3種作物根長(zhǎng)耐性指數(shù)的比較

根系耐性指數(shù)是用來(lái)反映作物對(duì)重金屬耐性大小的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。通過(guò)計(jì)算3種作物在不同銅濃度下的根長(zhǎng)耐性指數(shù)發(fā)現(xiàn)，豌豆和蘿卜的耐性指數(shù)隨著銅濃度的逐漸上升均呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，同時(shí)銅濃度小于100mg·L-1時(shí)，豌豆的耐性指數(shù)均大于100，但銅濃度只有在低于10mg·L-1時(shí)，蘿卜的耐性指數(shù)才會(huì)都大于100。水稻的耐性指數(shù)隨著銅濃度的逐漸增大均呈現(xiàn)下降的現(xiàn)象。豌豆、蘿卜和水稻的平均耐性指數(shù)分別是98.44、75.45、40.02。由此表明，豌豆的耐性指數(shù)是最大的，說(shuō)明豌豆是3種作物中對(duì)銅最不敏感作物；水稻的耐性指數(shù)是最小的，說(shuō)明水稻是3種作物中對(duì)銅最敏感作物。

表3 3種作物根系耐性指數(shù)

3 討論

茍本富研究表明，低濃度的銅對(duì)蠶豆生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，銅離子濃度過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生毒害作用[9]。張艷英等研究發(fā)現(xiàn)，在銅濃度低于1mg·L-1時(shí),煙草葉綠素含量及生物量的積累都有所增加,但當(dāng)銅濃度高于1mg·L-1時(shí),葉綠素含量及生物量的積累均會(huì)下降[10]。盛積貴等試驗(yàn)證明，當(dāng)硫酸銅濃度為0～100mg·L-1時(shí)，能增加辣椒幼苗的株高、單株鮮重、根長(zhǎng)以及葉綠素含量，但當(dāng)硫酸銅濃度大于100mg·L-1時(shí)，則使這幾項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)明顯下降[11]。本試驗(yàn)中，豌豆和蘿卜幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)出低促高抑現(xiàn)象，這與以上學(xué)者的研究結(jié)論相似，但水稻幼苗生長(zhǎng)各項(xiàng)指標(biāo)卻是隨著銅濃度的逐漸上升呈下降趨勢(shì)，此現(xiàn)象與上述學(xué)者的研究結(jié)論是不同的。田如男等研究了不同濃度銅對(duì)荻種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，結(jié)果顯示，隨著銅濃度的增大，銅對(duì)荻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的抑制作用增強(qiáng)[12]；本試驗(yàn)中水稻的試驗(yàn)結(jié)果與此結(jié)論相似，說(shuō)明即使在相同的銅處理濃度下作物品種不同，作物對(duì)銅的反應(yīng)也會(huì)不一樣。

隸屬函數(shù)法對(duì)3種作物耐銅性綜合分析表明，豌豆的平均隸屬函數(shù)值最大，耐銅能力最強(qiáng)，說(shuō)明豌豆對(duì)銅污染土壤具有一定的耐受能力和修復(fù)能力。在本試驗(yàn)條件下，3種作物對(duì)銅所表現(xiàn)出來(lái)的敏感性也有很大差異。通過(guò)計(jì)算3種作物對(duì)銅最敏感的指標(biāo)根長(zhǎng)的平均耐性指數(shù)發(fā)現(xiàn)，豌豆耐性指數(shù)為98.44，屬于銅不敏感作物，可用于銅污染土壤的植物修復(fù)[13]。而水稻耐性指數(shù)為40.02，屬于銅敏感作物，可以作為土壤和植物中銅毒害臨界值的生態(tài)毒性受體以及土壤銅污染的監(jiān)測(cè)作物[14]。