全 文 :* 通讯作者
收稿日期:2011-12-29;修回日期:2012-03-19
基金项目:环保公益性行业科研专项任务(200809047)
作者简介:张呈祥(1987- ),男,山东枣庄人,山东农业大学资环
学院在读硕士生,研究方向为城市园林绿化植物的选择与应用,E-
mail:chengxiang116@163.com.
文章编号:1673-5021(2012)04-0061-07
草地早熟禾对镉胁迫的反应及积累特性
张呈祥,陈为峰*
(山东农业大学资源与环境学院,山东 泰安 271018)
摘要:采用盆栽的方法研究草地早熟禾对镉(Cd)胁迫的反应及积累特性。结果表明,Cd浓度小于1mg/kg时对
草地早熟禾生长影响不大,大于5mg/kg时抑制草地早熟禾生长,Cd浓度小于5mg/kg时草地早熟禾的绿期延长。
随着Cd浓度增大,草地早熟禾根系活力、叶绿素含量和含水量逐渐降低,游离脯氨酸和可溶性糖含量先升高后降
低,细胞膜透性逐渐升高。Cd在草地早熟禾体内的分布为根系>地上部分,随着Cd浓度增大,草地早熟禾根系和
地上部分Cd含量逐渐升高,富集系数和转运系数逐渐降低;Cd浓度为20mg/kg时草地早熟禾中Cd积累量最大,为
3.98mg/m2。综合分析草地早熟禾的生长、生态、生理变化及富集能力表明,草地早熟禾适用于浓度小于1mg/kg的
Cd污染土壤的修复。
关键词:草地早熟禾;镉胁迫;生长及生理变化;积累特性
中图分类号:Q945.78 文献标识码:A
Cd对环境危害大且是生物非必需的元素,其不
仅会导致土壤正常的功能失调、质量下降,而且会对
植物产生毒害。城市工业和交通的日益发达使越来
越多的Cd释放到环境中并在土壤中大量积累,城
市土壤Cd污染的治理已相当紧迫[1~2]。利用草坪
修复城市土壤Cd污染,不仅可以净化土壤,而且可
以获得景观和生态效益。草地早熟禾(Poa praten-
sis L.)是冷季型草坪草中最重要的一种,其分布范
围广、适应性强,在城市草坪绿化中得到了广泛应
用[3]。目前,对草地早熟禾的研究主要集中在水肥
管理及刈割等方面[4~6],Cd胁迫方面的研究报道较
少。本文研究了草地早熟禾对Cd胁迫的反应及积
累特性,探讨Cd对草地早熟禾的伤害机理及草地
早熟禾在Cd污染土壤修复中的应用潜力,旨在为
草地早熟禾在城市地区的园林应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试草地早熟禾品种为“午夜”,由泰安恒源大
地景观工程有限公司提供。供试土壤取自泰安周边
地区,褐土,pH 7.5,有机质含量10.5g/kg,全氮
0.65g/kg,速效钾0.032g/kg,速效磷0.032g/kg,Cd含
量为0.083mg/kg。Cd添加形式为CdCl2·2.5H2O,分
析纯。
1.2 试验方法
室外盆栽试验于2010年9月至2011年5月在
山东农业大学试验基地进行。供试土壤风干后过
1cm筛,拌入5%草炭作基肥,充分混合后装入下口
直径16.5cm、上口直径21cm、高22cm 的塑料盆
中,每盆装土5.5kg。以不使用Cd处理作为对照,
Cd浓度梯度为0.5mg/kg、1mg/kg、5mg/kg、10mg/kg、
20mg/kg(含背景值,以Cd2+计),每处理3次重复。
按预设的浓度于每盆中添加CdCl2·2.5H2O,喷
施清水平衡3周后播种早熟禾,播种量10g/m2,试验
期间进行正常养护管理,保持土壤含水量为田间最大
持水量的70%,留茬6cm。每月取盆土测定Cd浓度,
根据测定结果补充CdCl2·2.5H2O使土壤Cd维持在
试验所设浓度,补充方法为将CdCl2·2.5H2O溶于
100ml蒸馏水并浇灌进入盆土。2010年9月18日
播种后观测成坪期和绿期。2011年5月17日用游
标卡尺测定叶宽,选取1个有代表性的10cm×
10cm样方测定分蘖数并对草坪进行感官评价。取
成熟叶片和根系测定生理指标,并将草地早熟禾分
为地上、地下(根系)两部分收获,用自来水冲洗干
净,沥去水分后105℃杀青30min,之后在70℃下烘
干至恒重,分别测定生物量。然后将草地早熟禾地
上部分和根系分别磨碎,过60目筛,测定Cd含量
并计算富集系数、转运系数、积累量。
—16—
第34卷 第4期 中 国 草 地 学 报 2012年7月
Vol.34 No.4 Chinese Journal of Grassland Jul.2012
1.3 测定方法
1.3.1 生育期
从播种到草坪完全覆盖地面为成坪期,以叶片
完全枯黄为枯黄期,春季长出新叶为返青期。
1.3.2 光合和蒸腾的测定
2011年5月2日(晴朗无风),使用CB1102型
光合蒸腾仪不离体测定草地早熟禾成熟叶片的净光
合速率和蒸腾速率,从8∶00到18∶00每隔2h测
定1次,晚上的暗呼吸量按白天同化量的20%计
算。计算单位面积叶片日净同化量(P)、固定CO2
量(WCO2)和释放 O2 量(WO2)、单位面积叶片日蒸
腾总量(E)、蒸腾使周围空气降温量(△T)和相对湿
度增加量(△f),具体公式如下:
P=∑[(Pi+Pi+1)/2×(ti+1-ti)×3600/1000]
式中,Pi为初测点瞬时净光合速率;Pi+1为下一点净
光合速率。
WCO2和 WO2的计算按照刘维东
[9]的方法。
E=∑[(ei+ei+1)/2×(ti+1-ti)×3600/1000]
式中,ei为初测点瞬时蒸腾速率;ei+1为下一点蒸腾
速率。
△T和△f的计算按照杨士弘[10]的方法。
1.3.3 草坪性状评定
叶宽为草地早熟禾成熟叶片最宽处的宽度。感
官评价采用9分制,参照美国国家草坪草评价体系
(NTEP)的评价方法,以草坪的颜色、均匀度、地表
覆盖度等指标对草坪评估打分。
1.3.4 生理指标的测定
生理指标的测定按照邹琦的方法[7],含水量使用
烘干称重法测定;细胞膜透性使用电导法测定;叶绿素
含量使用丙酮提取,721型分光光度计测定;游离脯氨
酸含量使用磺基水杨酸提取法测定;可溶性糖含量使
用蒽酮比色法测定;根系活力用TTC法测定。
1.3.5 Cd含量及积累特性的测定
Cd含量采用HNO3-HClO4 消化,原子吸收分光
光度计测定[8]。富集系数=植物地上或根系Cd积累
浓度/土壤中Cd浓度[11];转运系数=地上部分Cd积
累浓度/根中Cd积累浓度[12];积累量=植物地上或根
系Cd积累浓度×植物地上或根系生物量。
1.4 数据分析
所有测定均设3次重复,测定结果使用 Mi-
crosoft Excel计算平均值,用SAS数据分析软件进
行标准差运算和差异显著性检验(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 对草地早熟禾生长状况的影响
Cd对草地早熟禾生长的影响呈现浓度效应,
Cd浓度小于1mg/kg时对草地早熟禾生长影响不
大,大于5mg/kg时抑制草地早熟禾生长(表1)。
随着Cd浓度增大,草地早熟禾叶宽、分蘖数、生物
量、感官评价均呈逐渐降低趋势,成坪期逐渐延长。
其中,叶宽、分蘖数与对照差异不显著,产草量和感
官评价先缓慢下降后迅速下降,根系生物量迅速下
降。Cd浓度小于1mg/kg时草地早熟禾绿期延长,
其中Cd浓度为0.5mg/kg时草地早熟禾绿期达到
最大值,较对照延长20d。
表1 Cd处理下草地早熟禾的生长状况
Table 1 Growth of Poa pratensis L.under treatment of Cd
Cd浓度
Cd concentration
(mg/kg)
叶宽
Leaf width
(cm)
分蘖数
Tiler
(number/cm2)
产草量
Forage yield
(g/m2)
根系生物量
Root biomass
(g/m2)
成坪期
Turf mature
(d)
绿期
Green stage
(d)
感官评价
Sensory
evaluation
0 3.14±0.17a 4.2±0.44a 110.4±1.91a 72.72±2.77a 51.3±1.76c 242.3±3.53bc 8.7±0.33a
0.5 3.14±0.06a 4±0.58a 107.48±2.53a 63.3±1.16ab 51.3±2.40c 262.3±3.71a 8.3±0.33a
1 2.98±0.21a 3.7±0.33a 104.83±2.69a 57.86±3.71b 56.7±1.76c 254.3±2.91ab 6.7±0.33b
5 2.86±0.07a 3±0.58a 100.85±2.65a 55.2±2.69bc 64.7±1.76b 236.7±5.90c 6.3±0.33b
10 2.76±0.17a 2.7±0.67a 76.7±3.96b 45.65±2.31cd 70.7±1.33a 220.3±7.69d 5.7±0.33bc
20 2.72±0.09a 2.7±0.33a 71.66±5.18b 43.26±5.17d 74.7±0.67a 203.3±4.41e 4.7±0.67c
注:表中数值为平均值±标准误差,同列数据中不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。
Notes:Values are means±standard errors.Different smal alphabets in same column represent significant difference at 5%level,the same
as below.
2.2 对草地早熟禾光合和蒸腾的影响
Cd降低了草地早熟禾全天的净光合速率,随着
Cd浓度增大,净光合速率逐渐降低(图1)。Cd浓
度小于1mg/kg时,草地早熟禾净光合速率变化曲
—26—
中国草地学报 2012年 第34卷 第4期
线与对照相近;Cd浓度为5mg/kg时,8∶00~14∶00
净光合速率随时间的变化与对照相近,但16∶00的
最大净光合速率低于对照;Cd浓度大于5mg/kg
时,净光合速率显著低于对照且随着Cd浓度的增
大而降低。Cd降低了草地早熟禾全天的蒸腾速率,
随着Cd浓度增大蒸腾速率降低(图1)。Cd浓度为
0.5mg/kg时,蒸腾速率变化曲线与对照相近;此后
随Cd浓度增大,蒸腾速率降低。
图1 Cd处理下草地早熟禾的净光合速率和蒸腾速率日变化
Fig.1 Diurnal changes in rates of net photosynthesis and transpiration of
Poa pratensis L.under treatment of Cd
Cd降低了草地早熟禾的单位叶面积净同化量
和蒸腾量,使草地早熟禾吸碳、释氧、降温、增湿等生
态效益均低于对照(表2)。随着Cd浓度增大,草地
早熟禾的生态效益逐渐降低。Cd浓度小于5mg/kg
时,单位面积叶片日净同化量与对照相近;Cd浓度
为0.5mg/kg时,单位面积叶片日蒸腾总量与对照
相近。Cd浓度为20mg/kg时,单位面积叶片日净
同化量和蒸腾总量均最小,分别为对照的74.9%和
66.2%,可见Cd对草地早熟禾蒸腾的抑制较光合
强烈,相关机理尚待进一步研究。
表2 Cd处理下草地早熟禾的生态效益变化
Table 2 Changes of ecological benefits of Poa pratensis L.under treatment of Cd
Cd浓度
Cd
concentration
(mg/kg)
日净同化量
P(μmol/m2·d)
日固定CO2量
WCO2(g/m
2)
日释放O2量
WO2(g/m
2)
蒸腾量
E(mol/m2·d)
降温量
△T(℃)
相对湿度增加量
△f(%)
0 149.93±7.59a 5.28±0.27a 3.84±0.20a 106.15±1.04a 3.73±0.04a 8.34±0.10a
0.5 146.44±1.19a 5.15±0.04a 3.75±0.03a 104.03±2.73a 3.66±0.10a 8.18±0.21a
1 142.54±4.11a 5.02±0.14a 3.65±0.11a 99.14±1.24b 3.49±0.04b 7.8±0.10b
5 137.97±4.98a 4.86±0.18a 3.53±0.13a 91.32±1.03c 3.21±0.04c 7.16±0.09c
10 124.96±4.13b 4.4±0.15b 3.2±0.10b 86.92±0.42c 3.06±0.02c 6.84±0.04c
20 112.23±3.46c 3.95±0.12c 2.87±0.09c 70.31±0.24d 2.47±0.01d 5.51±0.01d
2.3 对草地早熟禾生理指标的影响
Cd处理下草地早熟禾叶绿素含量、根系活力和
含水量低于对照,叶绿素a/b和细胞膜透性高于对
照(表3)。随着Cd浓度增大,叶绿素a/b和细胞膜
透性逐渐升高,叶绿素含量和含水量、根系活力逐渐
降低,游离脯氨酸和可溶性糖含量先升高后降低。
Cd浓度为0.5mg/kg时,叶绿素含量与对照相近;
Cd浓度小于1mg/kg时,根系活力与对照相近;Cd
—36—
张呈祥 陈为峰 草地早熟禾对镉胁迫的反应及积累特性
浓度为5mg/kg时,游离脯氨酸和可溶性糖含量最 大,分别为对照的210.0%和155.2%。
表3 Cd处理下草地早熟禾部分生理指标的变化
Table 3 Changes of some physiological and biochemical indexes of PoapratensisL.under treatment of Cd
Cd浓度
Cd
concentration
(mg/kg)
叶绿素a/b
Chlorophyl a/b
叶绿素含量
Chlorophyl
content
(mg/g)
细胞膜透性
Permeability of
cel membrane
(%)
根系活力
Root
activity
(μg/g·h)
含水量
Water
content
(%)
游离脯氨酸含量
Free proline
content
(μg/g)
可溶性糖含量
Soluble
sugar content
(μg/g)
0 2.26±0.12d 2.65±0.17a 22.2±1.45d 5.79±0.09a 75.6±5.52a 598.1±9.54c 510.3±6.98c
0.5 2.7±0.02cd 2.62±0.15a 28.7±1.56cd 5.41±0.12a 67.6±0.55ab 688.7±5.00c 549.2±22.06bc
1 2.93±0.39bcd 2.32±0.19ab 35.3±1.37c 5.31±0.35a 60.2±1.09b 731.5±15.07c 603.1±16.35b
5 3.11±0.17bc 2.25±0.23ab 45.7±3.88b 3.83±0.21b 51.2±1.54c 1256±85.54a 791.8±34.96a
10 3.56±0.19ab 2.19±0.07b 53.4±2.52a 3.01±0.28c 46.2±1.46c 907.1±17.82b 546.1±44.86bc
20 3.84±0.17a 2.05±0.16b 56.1±1.2a 2.3±0.10d 42±2.26c 677.1±66.40c 475.4±16.35c
2.4 草地早熟禾对Cd的积累规律
Cd处理下草地早熟禾体内Cd积累浓度和积
累量高于对照,富集系数和转运系数显著低于对照
(表4)。随着Cd浓度增大,草地早熟禾地上部分和
根系的Cd积累浓度均逐渐升高且变化趋势相近,
富集系数和转运系数逐渐降低。当 Cd浓度为
20mg/kg时,草地早熟禾体内的Cd积累量最大,为
3.98mg/m2。
表4 Cd在草地早熟禾体内的积累和分布
Table 4 Cd concentration and distributing in Poa pratensis L.
Cd浓度
Cd concentration
(mg/kg)
Cd积累浓度
Cd concentration(mg/kg)
富集系数
Accumulator factor
地上部分
Aboveground
parts
根系
Root
地上部分
Aboveground
parts
根系
Root
转运系数
Translocation
factor
Cd积累量
Cd accumulation(mg/m2)
地上部分
Aboveground
parts
根系
Root
0 0.37±0.04e 0.67±0.01e 4.42±0.43a 8.11±0.08a 0.55±0.06a 0.04±0.00d 0.05±0.00d
0.5 1.3±0.10de 3.14±0.07d 2.61±0.21b 6.29±0.13b 0.41±0.03b 0.14±0.01d 0.20±0.01d
1 1.55±0.02d 4.49±0.09d 1.55±0.02c 4.49±0.09c 0.34±0.01bc 0.16±0.00d 0.26±0.01d
5 5.75±0.21c 21.16±0.22c 1.15±0.04cd 4.23±0.05d 0.27±0.02cd 0.58±0.03c 1.17±0.06c
10 9.77±0.41b 38.38±0.46b 0.98±0.04cd 3.84±0.05e 0.26±0.01d 0.75±0.01b 1.75±0.10b
20 15.6±0.67a 66.11±1.47a 0.78±0.04d 3.30±0.07f 0.24±0.01d 1.12±0.11a 2.86±0.23a
3 讨论
生长状况直接决定了草坪的景观效益。本试验
中Cd抑制了草地早熟禾的生长,与前人在其他植
物中的研究结果一致[13~14],原因是Cd胁迫下植物
体内活性氧大量积累,导致膜脂过氧化和脱脂化从
而破坏细胞膜结构[15],使膜透性增大,内部环境的
稳定性降低,进而影响了细胞正常的生理功能。分
蘖体现了草坪覆盖地面的能力,Cd胁迫下草地早熟
禾分蘖数降低的原因是Cd与琥珀酸脱氢酶结合降
低了根系呼吸作用[16],导致草地早熟禾根系活力降
低,细胞分化受阻。植物不同部位对Cd胁迫的敏
感性不同,Cd浓度为20mg/kg时草地早熟禾产草
量和根系生物量分别为对照的64.9%和59.5%,可
见Cd对草地早熟禾根系生长的抑制较地上部分强
烈。Cd对植物的伤害具有浓度效应,浓度小于
1mg/kg对草地早熟禾生长状况影响不大,可见草
地早熟禾对小于1mg/kg的Cd有较强的耐性,原因
是草地早熟禾通过积累逆境保护性物质缓解了低浓
度Cd的伤害。游离脯氨酸和可溶性糖都是植物体
内重要的逆境保护性物质,游离脯氨酸可以降低膜
脂过氧化程度[17],可溶性糖可以提高细胞内溶质浓
度以减少植物细胞失水[18]。本试验Cd胁迫下逆境
保护性物质的积累增强了草地早熟禾的抗寒性,导
—46—
中国草地学报 2012年 第34卷 第4期
致Cd浓度小于1mg/kg时草地早熟禾绿期延长。
生态效益是草坪功能的重要体现。Cd胁迫下
草地早熟禾净光合速率和蒸腾速率均下降,与马新
明[19]对烤烟的研究结果一致,原因是Cd胁迫下草
地早熟禾叶片失水使保卫细胞膨压降低[20],引起气
孔关闭,净光合速率和蒸腾速率降低。净光合速率
降低导致吸碳量、释氧量降低,蒸腾速率降低导致降
温量、增湿量降低,Cd浓度为20mg/kg时草地早熟
禾吸碳释氧量和降温增湿量分别相当于正常水平的
74.8%和66.2%。在光合作用过程中,叶绿素b主
要进行光能的收集,叶绿素a主要进行光能的转化,
叶绿素a/b值越高,植物对光能的利用效率越
高[21]。本试验中叶绿素含量降低是Cd胁迫下草地
早熟禾净光合速率降低的重要原因,叶绿素含量下
降的主要原因是叶绿体片层中捕光Chl a/b-Pro
复合体合成受到抑制,同时Cd可能与叶绿素合成
相关酶(原叶绿素脂还原酶、δ-氨基乙酰丙酸合成
酶和胆色素原脱氨酶)的肽链中富含SH的部分结
合,抑制酶活性从而阻碍叶绿素的合成[22]。
Cd累积能力的大小是修复物种选择的重要指
标。本试验中Cd浓度为20mg/kg时草地早熟禾地
上部分对Cd的积累浓度最大,为63.22mg/kg,但
未达到超富集植物的标准[23]。随着Cd浓度增大,
草地早熟禾对Cd的富集系数逐渐降低,原因是草
地早熟禾根系活力降低,抑制了对Cd的吸收。草
地早熟禾体内Cd分布格局为根系>地上部分,将
有害离子积累于根部是植物阻止其对光合作用及新
陈代谢活性毒害的一种策略[24],此策略是Cd对草
地早熟禾根系生长的抑制较地上部分强烈的原因之
一。Cd在植物体内的运输是借ATP酶等的主动运
输方式,随着Cd浓度增大,ATP酶活性降低抑制了
Cd由根系向地上部分的转运[25],导致草地早熟禾
对Cd的转运系数随着Cd浓度增大而降低。
4 结论
Cd抑制了草地早熟禾的分蘖,降低了光合和蒸
腾速率,破坏了其内环境的稳定性,使草地早熟禾的
景观质量和生态效益降低;草地早熟禾对低浓度Cd
有较强的耐性,适用于浓度小于1mg/kg的Cd污染
土壤的修复,且低浓度Cd可以增强草地早熟禾的
抗寒性;草地早熟禾对Cd的积累能力一般且主要
积累在根部,随着Cd浓度增大草地早熟禾对Cd的
富集系数和转运系数逐渐降低。
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中国草地学报 2012年 第34卷 第4期
Responses of Poa pratensis L.to Cadmium Stress
and Accumulation Property
ZHANG Cheng-xiang,CHEN Wei-feng
(College of Resources and Environment,Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China)
Abstract:The responses of Poa pratensis L.to Cadmium(Cd)stress and accumulation property were
studied with pot-experiments.The results showed that growth of Poa pratensis L.was not significantly
affected when treated with Cd less than 1mg/kg.When the concentration of Cd was higher than 5mg/kg,
the growth of Poa pratensis L.was inhibited.The green period was prolonged when the plants were
grown at Cd concentration less than 5mg/kg.With the increased concentration of Cd in the medium,root
activity,chlorophyl and water contents al decreased,free proline and soluble sugar contents increased
first,then decreased,and the permeability of cel membrane increased gradualy.The distribution of Cd in
Poa pratensis L.was root>shoot.With the increased concentration of Cd,Cd content in shoot and root
increased,accumulator factor and translocation factor decreased gradualy.The maximum accumulation of
Cd in Poa pratensis L.was 3.98mg/m2 when grown at Cd level of 20mg/kg.It could be concluded that
Poa pratensis L.was suitable for remediation of Cd poluted soil when Cd concentration was less than
1mg/kg.
Key words:Poa pratensis L.;Cd stress;Growth and physiological changes;Accumulation property
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张呈祥 陈为峰 草地早熟禾对镉胁迫的反应及积累特性