利用光谱反射技术监测镉对榆树叶片光合机构的影响

摘要  ［目的］拓展光谱反射技术在监测和评价土壤-植物系统中重金属污染程度和植物生长状况的应用，进一步明确其生理生化机理。［方法］采用盆栽试验，研究不同镉浓度处理条件下榆树叶片的快速叶绿素荧光、反射光谱和镉离子含量的变化，以光合机构的变化作为衡量生理变化的指标，探讨利用光谱反射技术监测镉对榆树叶片光合机构的影响。［结果］榆树对镉具有一定的抗性，在镉处理条件下榆树不同部位的镉含量呈现出根＞茎＞叶的分布规律，但是当过量的镉进入叶片后，榆树叶片的快速叶绿素荧光诱导曲线形状发生明显变化，光合电子传递受到抑制，并对光合机构造成伤害，主要荧光参数φPo、ψEo、REo/RC、PIabs、PItotal随着镉处理浓度的增加不断降低，VJ、VI、Mo、ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC则显著增加。榆树叶片在可见光波段（500～680 nm）的反射率随着土壤中镉浓度的增加而升高，在近红外区（740～1 000 nm）的反射率则呈先降低再升高的趋势。通过分析镉处理条件下榆树叶片典型植被指数与荧光参数的关系表明，PRI、mSR705 和mND705可以准确、快速地反映镉胁迫后榆树叶片光合机构变化指标。［结论］光谱反射技术可以用于监测镉对榆树叶片光合机构的影响，也为后续开展卫星影像大面积分析提供理论基础和技术支持。

关键词  榆树；植物修复；镉；光合机构；光谱分析

中图分类号  S771.8  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）01-0110-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.023

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Monitoring the Effect of Cadmium on the Photosynthetic Apparatus of Ulmus pumila Leaves by Spectral Reflection Technology

LIU Jie1，XUE Zhong-cai2，3，WANG Xin-ran4 et al

（1.College of Teacher Education，Hebei Normal University for Nationalities，Chengde，Hebei 067000;2.College of Resources and Environmental Sciences，Hebei Normal University for Nationalities，Chengde，Hebei 067000;3.Innovative Research Center for Soil and Characteristic Plant Nutrition in Mountainous Areas of Northern Hebei，Chengde，Hebei 067000;4.Chengde Kaidi Testing Technology Service Co.，Ltd.，Chengde，Hebei 067000）

Abstract  ［Objective］To expand the application of spectral reflection technology in monitoring and evaluating the degree of heavy metal pollution and plant growth status in soil-plant systems，and further clarify the physiological and biochemical mechanism.［Method］We investigated the changes of fast chlorophyll fluorescence，spectral reflection and cadmium concentration in Ulmus pumila leaves under different cadmium concentration treatment conditions in this study.Then，the effects of cadmium on the photosynthetic apparatus of Ulmus pumila leaves were monitored by spectral reflection technology.［Result］The results showed that the cadmium concentration in different parts of Ulmus pumila shows as “root > stem > leaves” under cadmium treatment，indicating that it has certain resistance to cadmium stress.However，the shape of chlorophyll fluorescence induction curve of Ulmus pumila leaves was changed significantly when excess cadmium enters the leaves，which indicated that the photosynthetic electron transport was inhibited by cadmium.The fluorescence parameters of φPo，ψEo，REo/RC，PIabs，PItotal are decreasing with the increase of cadmium concentration in the soil，while the VJ，VI ，Mo，ABS/RC，TRo/RC，DIo/RC increased significantly.Meanwhile，the spectral reflection of Ulmus pumila leaves in the visible light band （500-680 nm） increases with the increase of cadmium concentration in the soil，and the spectral reflection in the near-infrared region （740-1 000 nm） shows a trend of first decreasing and then increasing.It demonstrate that PRI，mSR705 and mND705 can accurately and quickly reflect the change in photosynthetic apparatus of Ulmus pumila leaves after cadmium stress，by analyzing the relationship between the typical vegetation index and the fluorescence parameters of Ulmus pumila leaves under cadmium treatment.［Conclusion］It can be seen that the spectral reflection technology can be used to monitor the influence of cadmium on the photosynthetic apparatus of Ulmus pumila  leaves，and also provide theoretical basis and technical support for large-area analysis of satellite images in the future.

Key words  Ulmus pumila;Phytoremediation;Cadmium;Photosynthetic apparatus;Spectral reflectance

基金项目  河北省重点研发计划项目（21326401D，21327409D）；河北民族师范学院双碳研究专项（ST2021001）。

作者简介  柳洁（1985—），女，河北承德人，讲师，硕士，从事学科教学研究。*通信作者，副教授，博士，从事植物生理生态、重金属污染农田治理与安全利用研究。

收稿日期  2023-02-12

当前，我国土壤重金属污染问题十分严重［1］，其中，镉作为典型的重金属之一，具有毒性强、危害大、易被植物吸收等特点，对人民群众的身体健康造成严重威胁［2］。榆树（Ulmus pumila）是我国典型的造林树种和绿化树种，生长迅速、根系深、生物量较大，对铅、镉等重金属具有较强的抗性。黄会一等［3］通过对不同木本植物对Cd115+115m的吸收及其分配的研究，认为榆树对镉的耐性较强，且其叶片和茎部皮孔对大气中的镉具有较强的吸收作用；栾以玲等［4］基于对栖霞山矿区12种木本植物的富集能力和生长状况的调查认为，在铅、镉、锌严重污染的环境中，白榆具有较高的综合富集能力；张永超等［5］通过盆栽试验阐明了铅、镉元素在榆树各器官中的分布规律，呈现出根>茎>叶的分布特征。由此可见，榆树适用于铅、镉污染地区的种植和绿化，可作为实现对污染土壤安全利用与修复的植物材料之一。

光谱反射技术可以从叶片水平、群体水平以及生态系统等多个层面反映植物在不同环境条件下生理生化信息的变化［6］，已在植物营养诊断、生物量估算、生长状况监测、土壤养分含量反演等方面得到广泛应用［7-9］。由于过量的重金属进入植物体后会导致其内部生理状态包括色素含量、细胞结构和含水量等发生变化［10］，从而影响植物对光能的吸收与反射，因此，通过分析植物光谱特征可以快速、无损地实现对土壤-植物系统中重金属污染程度和植物生长状况的监测和评价［8］。

然而，关于光谱反射技术在监测榆树对重金属污染土壤修复上的研究鲜见报道。因此，笔者采用盆栽试验，通过测定镉处理条件下榆树叶片反射光谱、快速叶绿素荧光和镉离子含量等的变化，建立反射光谱与叶片光合机构状态及镉离子含量之间的关系，旨在为榆树在镉污染农田的利用及开展卫星影像大面积分析提供理论基础和技术支持。

1  材料与方法

1.1  试验材料

供试土壤取自农田耕作层，土壤pH为7.7，有机质含量为4.56 g/kg，速效氮含量为58.60 mg/kg，速效磷含量为18.20 mg/kg，速效钾含量为104.60 mg/kg，镉含量为0.08 mg/kg。经自然风干、去除杂质后，过6 mm孔径筛网，然后按照每盆7 kg的标准装入直径35 cm、高45 cm的花盆中，通过向土壤中喷施CdCl2·2.5H2O溶液以配制镉污染土壤，设置1、10、30 mg/kg 3个处理（分别以T1、T2、T3表示），以空白作为对照（用T0表示），按照氮肥200 mg/kg、磷肥100 mg/kg和钾肥200 mg/kg的标准向土壤中施入底肥，每处理重复6次。平衡28 d后将春季收集的落在地上的榆树种子播种于配制好的土壤中，待出苗后及时进行定苗，每盆留3株，生长60 d后，选择完全展开叶片进行叶片反射光谱及快速叶绿素荧光的测定。

1.2  试验方法

1.2.1  叶片反射光谱的测定。

使用 Unispec-SC 光谱分析仪（PP Systems，美国） 测定叶片反射光谱。每处理选择5个完全展开叶片进行测定，每个叶片测定4个不同部位，以平均值作为该处理的结果，并根据表1计算广泛用来衡量植物生理变化的植被指数［11］。

1.2.2  快速叶绿素荧光的测定。

利用 Handy PEA 连续激发式荧光仪（Hansatech，英国）测定叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP 曲线）。叶片经过20 min的暗适应后，由 3 000 μmol/（m2·s）的脉冲光诱导，记录从 10 μs 开始至 1 s 结束的荧光信号，利用 JIP-test 方法（表2）分析OJIP曲线，计算荧光参数［12-13］。

1.2.3  镉离子含量的测定。

利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（iCAP7400，Thermo fisher，美国）测定植株不同部位镉含量。待试验结束后，每处理选择5株长势一致的植株，分为茎、叶和根3部分，用水洗去根表面黏附的土壤，用20 mmol/L乙二胺四乙酸二钠溶液浸泡一段时间后，再用蒸馏水冲洗干净，随后105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，对于已收获的样品磨碎后过100目筛，然后采用HNO3对样品进行消解。

1.3  数据分析  用 Excel 2016 对数据进行统计处理和作图，采用SPSS 22.0软件进行处理间差异显著性分析。

2  结果与讨论

2.1  榆树对镉的富集特征

在试验土壤的镉浓度范围内，榆树均能够正常生长，随着土壤中镉浓度的增加，榆树植株各部分的镉浓度均显著增加，且不同部位的镉浓度呈现出根＞茎＞叶的分布规律（图1），这与前人的研究结果一致［5］。在T3处理条件下，榆树根、茎、叶中的镉含量分别为4.39、1.98、0.80 mg/kg，与T0相比显著增加，这也进一步说明榆树对镉具有较强的抗性，能够在镉污染土壤中正常生长。

2.2  榆树叶片光合机构对镉的响应