施氮對鎘脅迫下龍葵生長和光合特性的影響*

劉新亮，唐星林，黃文超，駱昱春，王麗艷

(江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032)

鎘(Cd)是一種重金屬元素，對動植物有高度的毒害性。由于礦產(chǎn)開采、污水排放、農(nóng)藥及化肥施用等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，我國土壤Cd污染變得越來越嚴(yán)重[1]。土壤Cd易被植物根系吸收，并在植物器官內(nèi)積累，對植物產(chǎn)生毒害[2]。Cd毒害會導(dǎo)致植物營養(yǎng)缺乏、葉綠素合成受阻、光合能力下降等，抑制植物正常的生長發(fā)育，嚴(yán)重時會導(dǎo)致植物死亡[2-3]。Cd還可以在作物可食用部分積累，進(jìn)入食物鏈，威脅人類健康[1]。因此，土壤Cd污染防治已成為我國亟待解決的重大問題之一。植物修復(fù)技術(shù)是一項(xiàng)利用植物來穩(wěn)定、提取土壤重金屬的技術(shù)，具有成本低、無二次污染、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[4]。重金屬超富集植物對重金屬有超量積累作用，是土壤重金屬植物修復(fù)的優(yōu)良材料，但大多數(shù)超積累植物存在生長緩慢、生物量小等特點(diǎn)，以致植物修復(fù)效率不高，限制了其在土壤重金屬植物修復(fù)工程中的應(yīng)用[5-6]。合理施肥可以促進(jìn)植物生長，增大植株生物量及重金屬富集量，具有經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)，是提高植物修復(fù)效率的重要技術(shù)[7]。氮(N)是植物生長發(fā)育過程必需的大量元素，對植物生長和光合作用有顯著的調(diào)節(jié)作用[8-9]。Cd脅迫會抑制植株硝酸還原酶活性，導(dǎo)致植株N含量下降[10]。有研究發(fā)現(xiàn)施N有利于保護(hù)Cd脅迫下植物光合器官結(jié)構(gòu)，保持葉綠素合成途徑穩(wěn)定，增大PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、電子傳遞速率、氣孔導(dǎo)度和光合速率，進(jìn)而促進(jìn)植株生長和生物量積累[11-14]。由此可見，N在緩解植物Cd脅迫的毒害方面起著重要作用。

龍葵(Solanumnigrum)是茄科(Solanaceae)茄屬(Solanum)1 a生或多年生草本植物，魏樹和等[15-16]發(fā)現(xiàn)龍葵具有Cd超積累特性，是修復(fù)Cd污染土壤的良好植物材料。楊容孑等[6]研究表明Cd會顯著抑制龍葵生長，降低各器官生物量，而施N可以提高龍葵葉綠素含量、抗氧化酶活性，增加地上部分生物量和鎘積累量。光合作用是植物有機(jī)物積累和生長基礎(chǔ)，研究施N對Cd脅迫下龍葵光合作用的影響，可以更好地揭示N素對植物Cd毒害的緩解作用。但施N對Cd脅迫下龍葵光合特性的影響仍不清楚。本研究以龍葵為試驗(yàn)材料，探討了不同施N水平對Cd脅迫下龍葵生長及光合作用的影響，以期獲得合適的N肥施用濃度，為植物高效修復(fù)Cd污染土壤提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

植物材料為龍葵1 a生幼苗。供試土壤為園土(黃壤)，采自江西省林業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地0～20 cm表層土壤，將土壤自然風(fēng)干、去除雜物，粉碎，過5 mm篩。泥炭采用丹麥進(jìn)口的Pindstrup基質(zhì)。栽培基質(zhì)為黃壤和泥炭的混合種植土(質(zhì)量比1︰1)，其物理化學(xué)性質(zhì)為速效氮53.7 mg/kg、速效磷95.0 mg/kg、速效鉀110.0 mg/kg、有機(jī)質(zhì)75.58 mg/kg、pH值5.75。氮肥為尿素[CO(NH2)2]；試驗(yàn)試劑為CdCl2·2H2O。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在江西省林業(yè)科學(xué)院溫室大棚內(nèi)(28°45′N，115°49′E)進(jìn)行，采用盆栽方法，塑料花盆高15 cm、上口徑18 cm、下口徑13 cm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下，(1)對照(CK)為無添加；(2)CdN0為20 mg/kg Cd；(3)CdN150為20 mg/kg Cd+150 mg/kg CO(NH2)2；(4)CdN300為20 mg/kg Cd+300 mg/kg CO(NH2)2；(5)CdN450為20 mg/kg Cd+450 mg/kg CO(NH2)2(不含背景值，以Cd2+計(jì))。將準(zhǔn)備好的栽培基質(zhì)與CO(NH2)2、CdCl2·2H2O充分混勻，平衡18 d，待用。2019年5月底，將龍葵種子播種于育苗穴盤。待幼苗長出5片真葉時，挑選長勢較一致幼苗進(jìn)行試驗(yàn)，每盆1株，每個處理重復(fù)6次。進(jìn)行日常澆水管理，用托盤墊在盆下收集滲漏的Cd和營養(yǎng)物質(zhì)，并將其倒回盆中。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 氣體交換參數(shù)

2019年8月晴天9:00—16:30，采用Ciras-3便攜式光合作用測定系統(tǒng)(Ppsystems，美國)進(jìn)行氣體交換數(shù)據(jù)的測定。植物葉片先在樣本室CO2濃度400 μmol/mol、葉室溫度(26±2)℃、葉室空氣相對濕度(60±5)%和光強(qiáng)1 200 μmol/(m2·s)等條件下，誘導(dǎo)30 min以上，直到光合速率和氣孔導(dǎo)度相對穩(wěn)定。其他環(huán)境條件不變，采用Ciras-3內(nèi)置自動程序?qū)⒐鈴?qiáng)梯度設(shè)置為1 400、1 200、1 000、800、600、400、300、200、150、100、50、20、0 μmol/(m2·s)(藍(lán)光10%)，依次測定葉片氣體交換數(shù)據(jù)。每處理重復(fù)測量3株。從光響應(yīng)曲線中獲取1 200 μmol/(m2·s)下的光合參數(shù)：凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、水分利用效率(WUE=Pn/E)。

1.3.2 直角雙曲線修正模型

采用直角雙曲線修正模型[17]對不同處理下龍葵葉片的光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，獲得最大凈光合速率(Pnmax)、初始量子效率(AQY)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)和光下暗呼吸速率(Rd)等光響應(yīng)參數(shù)，其表達(dá)式如下：

令Pn=0，計(jì)算的PAR值為LCP。

1.3.3 生長指標(biāo)和生物量

氣體交換參數(shù)測定結(jié)束后采集葉片并測定其比葉重(SLA)。于2019年8月8號試驗(yàn)結(jié)束取樣時，采用卷尺測量植株株高和冠幅。將植株分為根系和地上部分，烘干至恒重后稱取干重，計(jì)算根系、地上部分及單株的生物量和根冠比。植株地上部分粉碎后，采用凱氏定氮法測定地上部分氮含量(Nmass)[18]。每個處理重復(fù)測量3株。

1.4 數(shù)據(jù)處理

光響應(yīng)曲線的擬合基于光合計(jì)算平臺(http://photosynthetic.sinaapp.com/)進(jìn)行。采用Microsoft Excel 2016和R語言(R-3.5.1)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、分析和作圖。采用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析和多重比較(Turkey HSD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對鎘脅迫下龍葵生長和生物量的影響

由圖1可知，不同處理間株高和冠幅均存在顯著差異(P<0.05)。與CK相比，CdN0處理龍葵株高和冠幅無顯著差異，但冠幅有下降趨勢。與CdN0相比，CdN150、CdN300、CdN450龍葵株高分別增大29.4%、43.0%和42.4%，冠幅分別增大56.8%、110.7%和122.1%(P<0.05)。龍葵株高和冠幅在CdN300與CdN450處理間差異不顯著。

圖1 施氮對鎘脅迫下龍葵生長指標(biāo)的影響

由表1可知，龍葵根系生物量、地上部分生物量、單株生物量、根冠比、比葉重和Nmass在不同處理間均存在顯著差異。CdN0處理下龍葵根系生物量、單株生物量和比葉重均顯著小于CK；與CdN0相比，CdN150、CdN300、CdN450龍葵根系生物量分別增大86.7%、116.7%和106.7%，地上部分生物量分別增大137.3%、209.6%和266.3%，單株生物量分別增大123.9%、185.0%和223.9%(P<0.05)。CdN450龍葵根冠比顯著小于CdN0，CdN450龍葵Nmass顯著大于CdN0(P<0.05)，CdN450龍葵單株生物量、根系生物量、根冠比、比葉重、Nmass與CdN300無顯著差異。

表1 施氮對鎘脅迫下龍葵生物量的影響

2.2 施氮對鎘脅迫下龍葵光響應(yīng)曲線的影響

如圖2所示，當(dāng)光強(qiáng)較低時[PAR≤200 μmol/(m2·s)]，不同處理下龍葵葉片Pn隨PAR的增加而迅速增大，Pn對PAR的變化非常敏感。隨PAR的增強(qiáng)，不同處理下龍葵葉片Pn表現(xiàn)出不同的響應(yīng)規(guī)律。當(dāng)200 μmol/(m2·s)800 μmol/(m2·s)后達(dá)到飽和。CdN450處理下Pn隨PAR的增大而逐漸增加，PAR達(dá)到1 400 μmol/(m2·s)時仍未飽和。

圖2 施氮對鎘脅迫下龍葵光響應(yīng)曲線影響

由表2可知，不同處理間龍葵葉片Pnmax和LSP存在顯著差異，AQY、Rd和LCP無顯著差異。Cd脅迫下龍葵Pnmax和LSP均顯著小于CK。與CdN0相比，CdN150、CdN300、CdN450龍葵Pnmax分別增大52.9%、93.9%和144.4%，LSP分別增大23.5%、30.9%和58.5%(P<0.05)。CdN450龍葵Pnmax和LSP顯著大于CdN300。

表2 施氮對鎘脅迫下龍葵光響應(yīng)特性的影響

2.3 施氮對鎘脅迫下龍葵氣體交換參數(shù)的影響

由表3可知，不同處理間龍葵葉片Pn、Gs、Ci和E存在顯著差異，WUE無顯著差異。Cd脅迫下龍葵Pn顯著小于CK。與CK相比，Cd脅迫下龍葵Gs和E無顯著變化，但均有下降趨勢。與CdN0相比，CdN150、CdN300、CdN450龍葵Gs分別增大58.3%、101.6%和159.7%，E分別增大74.6%、106.4%和116.9%(P<0.05)。CdN300和CdN450龍葵Gs分別比CdN0大212.5%和262.3%(P<0.05)。CdN450龍葵Ci顯著小于CdN0和CdN300。CdN450龍葵Gs顯著大于CdN300。

表3 施氮對鎘脅迫下龍葵葉片氣體交換參數(shù)的影響

2.4 參數(shù)間相關(guān)性分析

由表4可知，Cd脅迫及不同施氮處理下龍葵葉片Nmass與Pnmax(r2=0.78，P<0.01)、Gs(r2=0.60，P<0.05)、根系生物量(r2=0.58，P<0.05)、地上部分生物量(r2=0.82，P<0.01)、單株生物量(r2=0.80，P<0.01)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，Pnmax、Gs分別與地上部分生物量(Pnmax：r2=0.90，P<0.01；Gs：r2=0.91，P<0.01)和根系生物量(Pnmax：r2=0.80，P<0.01；Gs：r2=0.77，P<0.01)、單株生物量(Pnmax：r2=0.90，P<0.01；Gs：r2=0.91，P<0.01)呈顯著正相關(guān)，Rd與根系、地上部分、單株生物量相關(guān)性不顯著。

表4 研究參數(shù)間相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。Cd脅迫導(dǎo)致植物光合作用下降的原因可分為氣孔因素和非氣孔因素，Gs和Ci同時減小則表明氣孔因素限制占主導(dǎo)地位，若Gs減小，Ci增大則表明非氣孔因素限制占主導(dǎo)地位[2]。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下龍葵植株葉片Pn和Gs減小，Ci增大，表明光合限制中非氣孔因素限制占主導(dǎo)地位，這與甜瓜(Cucumismelo)的研究結(jié)果一致[19]。Gs可以反映氣孔導(dǎo)度對光合作用的限制。Cd脅迫下龍葵Gs下降說明氣孔導(dǎo)度對光合作用的限制作用增大，這與南瓜(Cucurbitamoschata)[20]和番茄(Lycopersiconesculentum)[21]等植物的研究結(jié)果類似。Cd脅迫下Gs的下降可能與氣孔密度、氣孔大小的變化有關(guān)[22-23]。Yan等[24]發(fā)現(xiàn)施N可以增大馬鈴薯(Solanumtuberosum)氣孔密度和氣孔尺寸，進(jìn)而增大Gs。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下施N后龍葵Gs增大，說明施N有助于減小Cd脅迫下龍葵氣孔導(dǎo)度對光合作用的限制，這與結(jié)縷草(Zoysiajaponica)[12]和小麥(Triticumaestivum)[25]等植物的研究結(jié)果類似。

光響應(yīng)參數(shù)可以反映植物在逆境條件下的光合潛能和光能利用能力。其中，Pnmax反映了植物在大氣CO2濃度下的最大光合能力，其值越大則植物葉片光合潛能越大。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下龍葵Pnmax顯著下降，說明Cd脅迫導(dǎo)致龍葵光合潛能下降，這與煙草(Nicotianatabacum)[26]和互葉醉魚草(Buddlejaalternifolia)[27]等植物的研究結(jié)果一致。有研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫會導(dǎo)致植物葉綠素含量、PSII量子轉(zhuǎn)換效率、電子傳遞速率、氣孔導(dǎo)度、葉肉導(dǎo)度[28-29]等降低，這可能導(dǎo)致Pnmax降低。N對植物光合作用有顯著的調(diào)節(jié)作用，施N可以增加葉片N素含量，提高葉片光合能力，進(jìn)而增大植株生物量[8,30]。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下施N后龍葵Nmass和Pnmax顯著增大，且Pnmax與Nmass呈顯著正相關(guān)，說明施N對Cd脅迫下龍葵光合能力有顯著提升作用，與南方四季楊(Populusdeltoides×P.nigra)[31]、巨桉(Eucalyptusgrandis)[32]、小麥[25]等植物的研究結(jié)果一致，這可能與N素作用下植物葉綠素含量、電子傳遞速率和Gs等的增大有關(guān)[12-13]。LCP和LSP分別反映了葉片對弱光和強(qiáng)光的利用能力。本研究表明Cd脅迫下龍葵葉片LCP和LSP呈下降趨勢，表明植株葉片利用弱光的能力有所增強(qiáng)，而利用強(qiáng)光的能力有所減弱，這與檫木(Sassafrastzumu)[2]的研究結(jié)果類似。有研究表明，N肥能顯著提高黑麥草(Loliummultiflorum)LSP，增大其光能利用區(qū)間，促進(jìn)植株生長[33]。本研究表明Cd脅迫下隨施N水平的增大，龍葵LCP先升高后降低，LSP顯著升高，說明其對弱光的利用能力先減弱后增強(qiáng)，而對強(qiáng)光的利用能力持續(xù)增強(qiáng)，光能利用區(qū)間增大，有利于植株生長。

Cd脅迫和施N對葉片光合作用的影響會反映到植物生物量累積上[34-35]。本研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫降低龍葵光合能力而抑制其根系與地上部分生長和單株生物量積累，這與煙草[36]和吊蘭(Chlorophytumcomosum)[29]等植物的研究結(jié)果類似。古洪雙等[31]研究表明施N可以減輕Cd對南方四季楊根、莖、葉生物量積累的抑制。畢景文等[7]認(rèn)為植株生物量積累的增大對Cd有稀釋效應(yīng)，降低植株體內(nèi)Cd的生理濃度，增強(qiáng)植物的耐Cd能力。本研究中Cd脅迫下施N后植株株高、冠幅、地上部分生物量、根系生物量和單株生物量均顯著增大，說明N肥對Cd脅迫下龍葵的生長及生物量累積有顯著的促進(jìn)作用。其中，施N后龍葵根冠比顯著降低，說明Cd脅迫下施N對龍葵地上部分生長的促進(jìn)作用大于根系。這表明施N使得植物將營養(yǎng)物質(zhì)更多地分配到地上部分，尤其是葉片，以更大程度地提高其植株光合效率[34]。

在本試驗(yàn)條件下，CdN300與CdN450處理間龍葵株高、冠幅和單株生物量差異不顯著，但CdN450處理下龍葵地上部分生物量、凈光合速率和最大凈光合速率均顯著高于CdN300處理，說明高N(CdN450)水平較中N(CdN300)水平更有利于促進(jìn)龍葵地上部分生長，該水平下龍葵仍具有一定的生長潛力。綜合來看，450 mg/kg CO(NH2)2施用量對Cd脅迫下龍葵光合速率和生物量積累的促進(jìn)作用最大，是最適宜的施N水平。本試驗(yàn)中高水平施N量對Cd脅迫下龍葵生長的促進(jìn)作用最大，而更高水平的施N量是否對Cd脅迫下龍葵生長具有更好的促進(jìn)作用有待于進(jìn)一步研究。