扁穗冰草对镉的耐性及其积累特征研究

摘 要：为探讨扁穗冰草对镉（Cd）污染土壤修复的可行性，通过盆栽试验模拟不同浓度Cd污染土壤，研究扁穗冰草对Cd的耐性及其积累特征。结果显示，与对照相比，Cd25（25 mg/kg）和Cd50（50 mg/kg）胁迫下扁穗冰草的株高、根长、根体积和根冠比都未显著下降，Cd25胁迫下地上部生物量和根部生物量也未显著下降；扁穗冰草的耐性指数（0.89～0.94）在不同程度Cd胁迫下无显著差异，表明该植物对Cd胁迫有较强的耐性。Cd主要积累在扁穗冰草根部，高浓度Cd（100 mg/kg）胁迫使扁穗冰草的生物量积累、叶绿素合成和根系活力受到抑制，Cd富集和转移能力下降。研究表明，扁穗冰草对Cd具有较强的耐性和积累能力，可用于Cd污染土壤的植物修复。

关键词：扁穗冰草；重金属胁迫；Cd富集；植物修复

中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）2-140-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.02.033

0 引言

土壤重金属污染是我国乃至全球广泛关注的环境问题［1］。重金属镉（Cd）是一种常见的环境污染物，广泛存在于土壤、水体和大气中，镉的污染主要源自工业排放、废弃物处理及燃煤等活动［2］。在经济社会建设中，为了更好地改善民生问题，需要合理应对土壤重金属污染，减少对人类的危害［3］。植物修复具有成本低、对土壤扰动小、环保等优点，是当前重金属污染研究领域的热点［4］。探究植物对重金属的耐受和积累特征，对促进植物修复具有重要意义。植物对重金属的耐性和超富集能力是植物修复的基础，合理选择适宜的植物种类，通过植物的根系吸收土壤中的重金属，并将土壤中的重金属转运到地上部分（如茎、叶等组织中），实现对重金属的清除，有助于修复土壤重金属污染，为生态环境的恢复做出贡献［5］。

扁穗冰草［Agropyron cristatum （L.） Gaertn.］是禾本科多年生草本植物，具有易栽培、生长迅速、生物量大、根系发达等特点。目前，在土壤污染问题中，禾本科植物的应用受到了广泛关注，主要是由于禾本科植物对Cd污染土壤修复具有重要作用。禾本科植物对Cd胁迫的响应是一个复杂的过程，涉及多种生理、生化、分子机制，禾本科植物对Cd胁迫响应的研究有助于揭示禾本科植物的抗逆机制，并为改良作物品种提供理论依据，以减轻Cd胁迫对农业生产的影响。近年来，该研究受到了国内外学者的关注，并且有关禾本科植物对Cd胁迫响应的研究已有诸多文献报道［3］。一些研究表明，禾本科植物相对其他植物更容易吸收Cd，并且在体内积累浓度较高的Cd。还有一些研究表明，Cd胁迫会导致禾本科植物出现一系列的生理和生化反应。例如，Cd干扰植物的水分平衡、光合作用和呼吸过程，导致叶片黄化、叶面积减小、根系生长受到抑制等。因此，为了更好地探究扁穗冰草对Cd的生理耐性和积累特征，研究通过盆栽试验模拟不同浓度Cd污染土壤，对扁穗冰草的生长生理特性和Cd含量等指标进行测定与分析，旨在为解决土壤Cd污染问题提供新的思路，也为未来相关研究提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

扁穗冰草种子购自玉溪市红塔区花鸟市场；未受Cd污染的混合土壤取自云南省玉溪地区，土壤的采集深度为0～20 cm，试验前需要对采集的土壤进行处理，除去杂质，采取风干、研磨等手段，将采集的土壤过0.25 mm筛，为后续试验开展做好准备。土壤的理化性质见表1。

1.2 试验设计

选取塑料花盆，花盆的盆口直径32 cm、底径20 cm、高22 cm。将制备好的土壤装入盆中，每盆装土4.0 kg。设置CK（0 mg/kg）、Cd25（25 mg/kg）、Cd50（50 mg/kg）和Cd100（100 mg/kg）共4个Cd胁迫处理，每个处理重复4次。将土壤充分混合，在室温下保持稳定状态30 d，适当添加纯净水以保持土壤湿润。

选择颗粒饱满的扁穗冰草种子，以确保种子的质量与发芽率；将选好的种子进行浸种处理，用温水浸泡一段时间，促进种子发芽；将浸泡后的种子均匀地播种在花盆中，每盆播种40粒种子。在播种后第15天进行间苗操作，每盆留下30株大小形态基本相同的幼苗，使用细长的工具将多余的幼苗剪除或挖出，保持适当的密度。扁穗冰草在温室内生长，采用自然光照，确保植物能够获得充足的光照，为其光合作用与正常生长提供能量。根据盆中土壤的干湿状况浇水，保持适度湿润，但要避免过度浇水造成根部腐烂。每个花盆中加入等量的纯净水，以保持土壤湿润。每7天添加1次Hoagland营养液，每盆每次200 mL，为植物提供所需的营养，促进其正常生长和发育。定期检查扁穗冰草的健康状况，及时发现并处理病虫害，同时注意拔除盆中的杂草，以减少竞争对植物生长的影响。

1.3 指标测定

1.3.1 生长生理指标的测定

扁穗冰草生长3个月后进行采样测定，将扁穗冰草植株从土壤中完整取出，分为地上部和根部两部分，在处理过程中用蒸馏水彻底清洗植株，清洗完沥干水分后，测量并记录株高和根长。采用排水法测定根的体积：将植株的根部放入已知容量的容器中，加入足量水，使水位上升至容器顶部，记录水位变化，即可计算出根的体积。采用紫外分光光度法测定叶绿素总量：扁穗冰草的叶片样品经过提取和稀释，使用紫外分光光度计测量其吸光度，并根据标准曲线计算叶绿素总量。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法测定根系活力：将扁穗冰草的根样品与TTC溶液接触，反应一段时间后，根据显色程度测量吸光度，并计算根系活力。将扁穗冰草样品放入烘箱中，在105 ℃杀青15 min，然后在65 ℃烘干至恒重，使用万分位电子天平称重样品，分别计算地上部生物量和地下部生物量。地下部生物量除以地上部生物量得到根冠比。

1.3.2 Cd积累指标的测定

将烘干的扁穗冰草样品磨碎，使其颗粒尺寸小于0.25 mm。采用HNO3-HClO4法消解土壤样品：将风干土壤样品磨碎过0.15 mm筛，再将磨碎的扁穗冰草样品加入消解容器中，加入足量的HNO3-HClO4消解液；使用加热设备（如加热板）对样品进行消解，直至样品完全溶解。待消解完成后，将消解液冷却至室温，并转移到适合进行原子吸收分光光度法测定的容器中。使用原子吸收分光光度法测定消解液中的Cd含量，设置合适的波长和条件，将消解液样品注入原子吸收仪器中进行测量。根据标准曲线，计算出Cd的含量。Cd富集系数和转移系数根据式（1）、式（2）计算。

富集系数（BCF）=植物各部位Cd含量/土壤中Cd含量                                                                    （1）

转移系数（TF）=植物地上部Cd含量/根部Cd含量                                                                                  （2）

1.4 数据处理与分析

使用Rstudio 4.2.2对数据进行分析。试验中所有数据的标准误显著性都采用单因素方差分析（ANOVA），差异显著水平设定为P<0.05。采用Duncan多重比较检验法进行不同处理间的差异显著性检验，数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 扁穗冰草生长对Cd胁迫的响应

Cd胁迫对扁穗冰草生长的影响如图1所示。由图1（a）至图1（c）可知，扁穗冰草的株高、根长和根体积在Cd25和Cd50胁迫下与对照相比差异不显著。地上部生物量和根部生物量在Cd25胁迫下与CK相比均无显著变化，在Cd50和Cd100胁迫下与CK相比均显著下降［P<0.05，图1（d）］；而根冠比在不同程度Cd胁迫下无显著差异［图1（e）］。Cd胁迫对扁穗冰草耐性指数的影响见表2。由表2可知，Cd胁迫下扁穗冰草的耐性指数为0.89～0.94，且耐性指数在不同程度Cd胁迫下差异不显著，表明该植物对Cd胁迫有较强耐性。

Cd胁迫对扁穗冰草叶绿素总量和根系活力的影响如图2所示。随着Cd胁迫程度的增强，扁穗冰草的叶绿素总量显著下降［P<0.05，图2（a）］，其根系活力仅在Cd100胁迫下显著降低［图2（b）］。

2.2 扁穗冰草的Cd积累特征

Cd胁迫对扁穗冰草Cd含量、富集系数和转移系数的影响如图3所示。扁穗冰草地上部及根部的Cd含量随Cd胁迫程度的增加显著升高［P<0.05，图3（a）］；地上部富集系数、根部富集系数和转移系数在Cd100胁迫下显著下降［P<0.05，图3（b）、图3（b）］；在不同程度Cd胁迫下，地上部和根部富集系数均表现为根部>地上部>1。

Cd胁迫对扁穗冰草Cd积累量的影响如图4所示。扁穗冰草地上部和根部Cd积累量随Cd胁迫程度的增加显著升高［P<0.05，图4（a）］；整株Cd积累量在Cd100胁迫下达最大值（114.69 μg/株）；地上部Cd积累量占整株Cd积累量的37.24%～50.94%［图4（b）］。

3 讨论

植物的生长生理状况是其对土壤Cd胁迫适应的综合表现，植物株高、根长和生物量等是判定植物耐性的指标。此研究中，与CK相比，扁穗冰草的株高、根长、根体积和根冠比在Cd25和Cd50胁迫下都未显著下降，地上部生物量和根部生物量在Cd25胁迫下也未显著下降，表明该植物对Cd胁迫具有较强的耐性；较高浓度Cd胁迫（Cd50和Cd100）对植物地上部和根部生物量的积累有抑制作用。徐佩贤［1］研究发现，与对照相比，高羊茅和多年生黑麦草的地上部生物量及根部生物量在较低浓度Cd胁迫下无显著变化，在较高浓度Cd胁迫下显著下降，与此研究结果相似。耐性指数可以反映植物对重金属的耐受程度，耐性指数大于0.50说明植物对该重金属有较强的耐性。该研究中扁穗冰草的耐性指数（0.89～0.94）在不同程度Cd胁迫下无显著差异，表明该植物在Cd胁迫环境下生长良好。张杨杨等［2］对Cd胁迫下细茎冰草的耐性研究发现，其耐性指数在25、50、100 mg/kg Cd胁迫下无显著变化，与此研究结果相似。扁穗冰草的叶绿素总量随Cd胁迫程度的增加显著下降，根系活力在Cd100胁迫下也显著降低，表明高浓度Cd胁迫会抑制叶绿素合成和根系活力，与刘金秀等［3］和刘媛等［4］的研究结论一致。

通过该研究发现，扁穗冰草地上部和根部Cd含量随Cd胁迫程度的增加显著升高，且Cd含量表现为根部大于地上部，说明Cd主要积累在扁穗冰草的根部。首先，由于植物根系存在多种离子的载体蛋白，每种离子与其相应的载体蛋白结合，借助代谢能量离子转运到细胞内，由于中间限制向上运输，在一定程度上将Cd滞留在根系，缓解Cd对地上部的伤害，这也是植物自身的一种调节机制。其次，由于阻隔作用，植物的根皮层阻止Cd向植物地上部运输，根细胞的细胞壁较薄，Cd在根尖位置的积累量最大。富集系数和转移系数为重金属在根部吸收、储存和转移到地上部提供了依据，是评价植物修复潜力的指标。此研究中，扁穗冰草的地上部富集系数、根部富集系数和转移系数在高浓度Cd胁迫下显著下降，这是由于高浓度Cd胁迫使植物生命活动（如生物量积累、叶绿素合成和根系活力）受到抑制，造成植物对Cd富集和转移能力降低。在不同程度Cd胁迫下，扁穗冰草地上部和根部富集系数均表现为根部>地上部>1，地上部富集系数为1.73～3.96，转移系数为0.18～0.32，表明扁穗冰草是Cd富集植物，可以考虑用于Cd污染土壤的植物修复。植物的Cd积累量不仅与其体内的Cd含量有关，还与其生物量有关。随着Cd胁迫程度的增加，扁穗冰草地上部和根部Cd积累量都显著增大，地上部Cd积累量占整株Cd积累量的比例较大（37.24%～50.94%），说明扁穗冰草地上部获得Cd的能力较强。

4 结论

扁穗冰草在25～100 mg/kg Cd污染土壤中生长良好，在较高浓度Cd胁迫下仍保持较强的耐性。高浓度Cd胁迫使扁穗冰草的生物量积累、叶绿素合成和根系活力受到抑制，导致植物对Cd富集和转移能力下降。总体而言，扁穗冰草对Cd具有较强的耐性和积累能力，可用于Cd污染土壤的植物修复。

参考文献：

［1］徐佩贤.高羊茅和草地早熟禾对镉的耐受能力和解毒机制研究［D］.上海：上海交通大学，2014.

［2］张杨杨，李希铭，高鹏，等.不同浓度镉胁迫下6种草本植物的耐性及富集特征的比较［J］.草地学报，2021，29（6）：1265-1276.

［3］刘金秀，张松彦，周建.镉胁迫对刺槐幼苗生长与光合生理特性的影响［J］.林业科学研究， 2023， 36（3）：168-178.

［4］刘媛，陈锦平，曾成城，等.水淹和非水淹条件下秋华柳扦插苗镉积累特征比较［J］.林业科学， 2017， 53（4）：166-174.