張寶成,曹運(yùn)琴,曾 剛,李德輝
(1.茅臺(tái)學(xué)院,貴州 仁懷 564507;2.遵義師范學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,貴州 遵義 563006)
錳礦在貴州省的分布量比較大,錳的平均品位高,高品質(zhì)的碳酸錳富錳礦石儲(chǔ)量超過(guò)7 000 萬(wàn)t[1]。遵義市是貴州省錳礦的重要分布區(qū),煤礦開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生大量的錳礦渣,含錳的部分物質(zhì)可以通過(guò)粉塵進(jìn)入大氣產(chǎn)生污染[2]。長(zhǎng)期的礦渣堆積會(huì)使周邊土壤的錳濃度增加,改變礦區(qū)周?chē)寥赖睦砘再|(zhì),從而對(duì)土壤造成污染。礦區(qū)長(zhǎng)期開(kāi)采后,土壤的理化性質(zhì)被改變,一般植物難以生長(zhǎng),導(dǎo)致礦區(qū)植被覆蓋率低、生物多樣性低等環(huán)境問(wèn)題,造成生態(tài)環(huán)境脆弱,裸露的土壤經(jīng)過(guò)水蝕和風(fēng)蝕產(chǎn)生高濃度的錳進(jìn)入水域造成水域污染,長(zhǎng)此以往會(huì)造成當(dāng)?shù)氐乃廖廴荆绊懙饺藗兊慕】担?]。研究表明,水土被金屬污染后,人飲用后金屬進(jìn)入人體,與人體內(nèi)的蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng),使人體內(nèi)的蛋白質(zhì)及酶失活,就會(huì)造成急性、亞急性以及慢性中毒等疾?。?]。
礦區(qū)的修復(fù)技術(shù)是促進(jìn)礦山開(kāi)發(fā)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。礦區(qū)的物理修復(fù)有客土法,主要針對(duì)局部土壤,使局部土壤達(dá)到利用要求。中國(guó)的礦山通常位于偏遠(yuǎn)的區(qū)域,大量的運(yùn)輸成本造成恢復(fù)成本高?;瘜W(xué)修復(fù)法利用化學(xué)物質(zhì)與土壤溶液中重金屬發(fā)生反應(yīng),使重金屬活性降低或?qū)⒆饔煤蟮闹亟饘僦苯訌耐寥乐腥コ姆椒?。入侵植物到新的區(qū)域天敵少,其適應(yīng)性強(qiáng)、可塑性強(qiáng)、生長(zhǎng)快[5-7]。喜旱蓮子草為一種入侵植物,廣泛分布于中國(guó)的陸地和水域,適應(yīng)能力強(qiáng),探索其對(duì)高濃度金屬的生理生化特性,可為礦山開(kāi)采后的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。
采集茅臺(tái)學(xué)院土壤,去除植物枯枝落葉和石礫,把土壤過(guò)篩混合均勻后裝入花缽。采集均勻一致的喜旱蓮子草扦插作為試驗(yàn)材料,定期澆水管理,生根1 周后,選取大小均一的植株隨機(jī)分為5 組,每組4個(gè)重復(fù),分別用濃度0%(對(duì)照)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的氯化錳溶液澆灌,隔一段時(shí)間分別記錄植株生長(zhǎng)情況。
喜旱蓮子草生長(zhǎng)澆灌生長(zhǎng)95 d 后測(cè)定每株的葉面積、葉片中脯氨酸含量(μg/g)、可溶性糖含量(mg/g)、葉片中的淀粉含量(mg/g)、葉中丙二醛(μmol/g)和葉綠素(mg/g)[8-11]。并將其根際土壤風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩,測(cè)定其根際土壤中的蔗糖酶、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進(jìn)行測(cè)定[12]。使用Excel 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,利用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析、多重比較及相關(guān)性分析。
不同濃度氯化錳對(duì)葉綠素含量的影響見(jiàn)圖1。由圖1 可知,隨氯化錳濃度的增加,喜旱蓮子草的葉綠素a 濃度呈下降趨勢(shì),處理組葉綠素a 濃度為對(duì)照的0.83~0.96 倍;葉綠素b 濃度也隨氯化錳濃度的增加而逐漸下降,處理組是對(duì)照組含量的0.52~0.81倍;不同氯化錳濃度的喜旱蓮子草類(lèi)胡蘿卜素含量無(wú)明顯變化,為對(duì)照組的0.94~1.06 倍;處理組總?cè)~綠素含量為對(duì)照組的0.74~0.93 倍。
不同濃度氯化錳對(duì)葉片生理指標(biāo)的影響見(jiàn)圖2。由圖2 可知,0.5%氯化錳處理組的可溶性糖含量為0.41 mg/g,與對(duì)照組(0.34 mg/g)差異不顯著(P>0.05)。當(dāng)氯化錳為1.0%、1.5%、2.0%時(shí),可溶性糖含量要顯著高于對(duì)照(P<0.05)。所有氯化錳處理組的脯氨酸含量均顯著高于對(duì)照(P<0.05),為對(duì)照的1.23~2.97 倍。不同濃度氯化錳處理的喜旱蓮子草葉中丙二醛含量無(wú)明顯差異(P>0.05),各處理組丙二醛濃度為對(duì)照組的1.00~1.07 倍。0.5%氯化錳組的淀粉含量為2.46 mg/g,與對(duì)照組(2.28 mg/g)差異不顯著(P>0.05),其他濃度處理組淀粉含量均顯著低于對(duì)照組(P<0.05),為對(duì)照組的0.14~0.43 倍。
圖2 不同濃度氯化錳葉片生理指標(biāo)變化
不同濃度氯化錳對(duì)葉片的影響見(jiàn)表1。由表1可知,隨著氯化錳濃度的增加,單株葉片數(shù)和葉面積均呈增加趨勢(shì),氯化錳濃度為1.5%時(shí),單株葉片數(shù)和葉面積均為最高,分別為12.25 片和52.18 cm2。葉質(zhì)比也隨著氯化錳濃度增加而增加,在氯化錳濃度為1.5%時(shí)最大,為51.77 cm2/g;不同濃度氯化錳處理后單葉片面積均低于對(duì)照。
表1 不同濃度氯化錳處理對(duì)葉數(shù)目及葉面積的影響
不同濃度氯化錳對(duì)株高的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知,不同濃度氯化錳處理組喜旱蓮子草株高與對(duì)照組在5 和20 d 時(shí)差異不顯著(P>0.05)。40 d 時(shí),對(duì)照組株高要顯著高于各個(gè)氯化錳處理組(P<0.05),其中0.5%氯化錳組顯著高于其處理組(P<0.05)。氯化錳處理60 、80 和95 d 后各處理組株高的變化與40 d 時(shí)變化趨勢(shì)一致。
圖3 不同濃度氯化錳脅迫下喜旱蓮子草株高
不同濃度氯化錳對(duì)土壤酶活性的影響見(jiàn)圖4。由圖4 可知,與對(duì)照組相比,1.0%和1.5%氯化錳處理組的蔗糖酶活性有所,但差異不明顯(P>0.05)。2.0%處理組蔗糖酶活性顯著高于對(duì)照組(P<0.05)。各個(gè)氯化錳處理組土壤蛋白酶活性和脲酶活性均顯著小于對(duì)照組(P<0.05),且隨著氯化錳處理濃度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì),蛋白酶活性降低幅度較大,脲酶降低幅度較小。
圖4 氯化錳脅迫對(duì)土壤酶活性影響
錳脅迫下喜旱蓮子草的生理指標(biāo)與土壤酶相關(guān)性分析見(jiàn)表2。由表2 可知,丙二醛與蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。蔗糖酶活性與可溶性糖、脯氨酸均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。這表明喜旱蓮子草的地上部分與地下部分密切相關(guān)。
表2 錳脅迫下喜旱蓮子草的生理指標(biāo)與土壤酶相關(guān)性分析
葉綠素是植物吸收光能重要的色素,它是評(píng)價(jià)植物衰老的重要參數(shù)之一[13]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著錳脅迫濃度增加,葉綠素逐漸降低,這可能是因?yàn)楦邼舛儒i影響了喜旱蓮子草葉合成葉綠素的酶,導(dǎo)致其葉綠素含量降低[14]。葉綠素含量可作為植物脅迫的生理指標(biāo)之一。本研究發(fā)現(xiàn),喜旱蓮子草葉片中可溶性糖濃度隨氯化錳濃度增加而增加,這可能是在錳脅迫下影響了喜旱蓮子草對(duì)水分的吸收。植物通過(guò)增加葉片中可溶性糖含量來(lái)增加葉細(xì)胞溶質(zhì)濃度,來(lái)適應(yīng)其葉片水勢(shì)改變[15]。植物在錳脅迫下,可溶性糖含量隨錳濃度的升高而不斷積累,植株通過(guò)增加可溶性糖濃度,從而增加細(xì)胞中溶液濃度以應(yīng)對(duì)脅迫,因此可溶性糖含量可作為研究抗脅迫機(jī)制的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)。
劉曉嘉[16]研究發(fā)現(xiàn),觀(guān)賞果樹(shù)在受鉛鎘脅迫后,葉片中的可溶性糖和脯氨酸濃度受重金屬濃度增加而增加,這與本研究結(jié)果一致。淀粉是光合產(chǎn)物積累的一種形式,對(duì)照組和0.5%氯化錳處理組下淀粉含量分別為2.28、2.46mg/g,當(dāng)氯化錳濃度在1.0%~2.0%時(shí),淀粉含量為對(duì)照的14.47%~42.98%,這說(shuō)明在氯化錳脅迫下,喜旱蓮子草通過(guò)降低淀粉的積累來(lái)增加可溶性糖濃度以適應(yīng)環(huán)境壓力。
丙二醛反映膜脂受氧化的程度,可作為判斷植物脅迫傷害程度的重要參數(shù)[17]。本研究結(jié)果表明,在不同氯化錳濃度處理下,丙二醛數(shù)值沒(méi)有明顯變化,氯化錳濃度為2.0%時(shí)對(duì)喜旱蓮子草葉中丙二醛濃度也沒(méi)有明顯影響,這表明喜旱蓮子草對(duì)氯化錳的耐受性比較強(qiáng)。喜旱蓮子草通過(guò)葉片的糖、淀粉和脯氨酸的含量來(lái)調(diào)節(jié)滲透勢(shì),以減少細(xì)胞受損,可以作為錳礦區(qū)修復(fù)比較理想的植物。
土壤蔗糖酶可以把糖分解為小分子物質(zhì),有利于微生物作用下轉(zhuǎn)化為含有羥基和羧基的小分子物質(zhì),這些物質(zhì)與金屬離子結(jié)合改變形態(tài),可以降低金屬對(duì)植物的危害。土壤脲酶和蛋白酶分解可以把氮分解為小分子物質(zhì),有利于植物的吸收[13]。土壤中的這些酶活性會(huì)影響植物葉片生理生化變化,植物根系與地上部分相互影響,兩者相互供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)。研究發(fā)現(xiàn),葉面積隨氯化錳溶度的增加呈現(xiàn)出變小趨勢(shì),喜旱蓮子草在氯化錳脅迫下通過(guò)改變?nèi)~片的數(shù)目、葉面積以適應(yīng)環(huán)境。在氯化錳處理下,喜旱蓮子草通過(guò)降低單位面積的質(zhì)量使葉片變薄,從而增加葉面積以應(yīng)對(duì)脅迫。在錳脅迫下,喜旱蓮子草葉片中糖濃度增加以改變滲透勢(shì)來(lái)適應(yīng)環(huán)境,但降低了糖向淀粉的轉(zhuǎn)化,可以通過(guò)增加葉面積數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)淀粉降低。