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(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃省草业工程实验室，甘肃 兰州730070)

通过矿产开采、金属冶炼、化工、煤和石油的燃烧、火山、岩石风化、污水排放、农药和化肥施用、大气沉降等途径，重金属源源不断地进入生物圈中[1]。随着城市化进程加快，长期的生产过程不可避免地向环境排放“三废”等污染物质，从而对土壤造成较为严重的重金属污染[2-4]。近年来，重金属污染问题日益加剧，铜、镉、铅作为主要的重金属污染成分已被国内外广泛关注[5-8]。铜是植物生长发育必需的营养元素之一，但过量的铜会抑制植物光合作用，且引发叶色失绿，从而抑制植株生长[9-11]。镉不是植物的必需元素，而且对植物的生长有着不利影响，植物体内的镉元素积累达到一定浓度就会表现出毒害，如阻碍植物根系的生长或者抑制其水分和养分的吸收等[12]。铅是常见的有毒元素，会阻碍植物的生长发育，主要表现为叶片表面的黄化、枯萎和植株的矮小，从而降低作物产量和质量[13]。因此，针对土壤重金属污染修复的研究对环境保护和农牧业生产具有重要意义。

目前，重金属污染土壤的处理方式很多，主要有化学治理、物理处理、生物修复等方式。化学和物理治理的措施有很多种，但是这些方法都只能在短期内降低重金属在土壤中的毒性及生物有效性，是一种原位修复方法，并没有真正意义上的清除重金属，而且有再次造成污染的潜在可能，且其治理成本昂贵[12,14]。植物修复方法是利用植物将环境介质中的有毒有害的污染物转移、转化或容纳，从而达到治理的效果。植物修复不但更加环保，而且治理费用低[12]。

禾本科草类植物黑麦(Secalecereale)、燕麦(Avenasativa)、高丹草(Sorghumbicolor×Sorghumsudanense)、玉米(Zeamays)、无芒雀麦(Bromusinermis)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、黑麦草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaarundinace)是我国北方重要的栽培牧草，具有适应性强、生长快、生物量大的特点，是干旱区生态恢复和水土保持的极好材料。目前，关于植物耐受重金属胁迫的研究较多，但主要针对某一种或两三种植物，而禾草种子萌发及幼苗生长受重金属胁迫方面仍缺乏系统研究。种子萌发和幼苗生长期是植物对环境胁迫较为敏感的时期[15]，种子在胁迫条件下萌发与幼苗生长的特征可以在一定程度上反映植物对胁迫的耐性[16]。据此，本研究选择上述8种禾本科植物为材料，探讨了重金属铜、镉、铅离子对种子萌发和幼苗生长的影响，以期为筛选出对重金属离子有较强耐受力的牧草提供研究基础，并为治理重金属污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试8份材料种子品种名称及来源见表1。

1.2 试验设计

重金属离子浓度依据高菲菲[17]和陈伟等[18]设定，利用硫酸铜、硝酸镉和硝酸铅配置Cu2+(200、300、400和500 mg·L-1)，Cd2+(1、50、150和200 mg·L-1)和Pb2+(500、1 000、1 500和2 000 mg·L-1)溶液。后用配好的不同浓度的重金属离子溶液处理8种禾草种子，每个处理重复4次，同时设置对照。在洗净烘干的培养皿(直径15 cm)中铺双层滤纸下垫一层脱脂棉，分别加入上述浓度溶液10 ml，对照组用蒸馏水，每个培养皿中均匀置入50粒种子，萌发条件为20℃恒温，8 h光照(750～1 250 Lx)，16 h黑暗。每天定时记录种子发芽数[19](以胚根露白为标准)，并用电子天平称量补充因蒸发散失的水分。第7 d从每个处理中取生长均匀一致的10株幼苗测量根芽长，再将根芽风干后测定重量。

表1 8份禾本科草种子来源Table 1 The sources of 8 grasses

1.3 测定指标及方法

发芽率(%)=发芽种子数/供试种子数×100%；

相对发芽率(%)=处理浓度发芽数/对照发芽数×100%；

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)(Gt为第t天的发芽数，Dt为相应的发芽天数)；

相对发芽指数=处理浓度发芽指数/对照发芽指数；

活力指数(VI)=GI×S(GI为发芽指数，S为第7 d的幼苗长度)；

相对活力指数=处理浓度活力指数/对照活力指数；

相对胚根长=处理浓度胚根长/对照胚根长；

相对胚芽长=处理浓度胚芽长/对照胚芽长；

相对根重=处理浓度根重/对照根重；

相对芽重=处理浓度芽重/对照芽重。

应用隶属函数法对8种禾本科草类植物种子萌发期抗Cu2+、Cd2+、Pb2+性进行综合评价。先利用公式X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)分别计算每份材料相对发芽率、相对发芽指数、相对活力指数、相对根长、相对芽长、相对根重和相对芽重在不同Cu2+、Cd2+、Pb2+下的具体隶属函数值[20]。式中，X为参试植物某一抗性指标的测定值，Xmax和Xmin分别为所有材料中该指标的最大值和最小值，然后把每一指标在不同Cu2+、Cd2+和Pb2+下浓度的隶属值累加求平均值，最后把每份材料各抗性项指标隶属函数值累加求平均值，根据各材料平均隶属函数值大小确定其萌发期抗Cu2+、Cd2+、Pb2+的强弱，平均值越大，抗性越强；反之，抗性越弱。

1.4 数据分析

种子发芽数值均用柱状图表示，幼苗生长数值均以平均值±标准误表示，使用SPSS 18.0统计软件，通过LSD法检验各处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 Cu2+对8种禾本科草种子发芽和幼苗生长的影响

随着Cu2+浓度的增大，供试8种植物种子相对发芽率、发芽指数和活力指数，幼苗的相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重均呈不同程度的降低趋势(图1、表2)。

2.1.1Cu2+对8种禾本科草种子发芽的影响 各Cu2+浓度处理间，玉米、黑麦、燕麦和高丹草种子的相对发芽率均在90%以上，各处理间无显著的差异，而垂穗披碱草、无芒雀麦、黑麦草和高羊茅种子的相对发芽率随Cu2+浓度的增大呈降低趋势(图1A)。各Cu2+浓度处理下，玉米、黑麦和高丹草的相对发芽指数在0.8～1.0之间，垂穗披碱草、无芒雀麦、黑麦草和高羊茅种子的相对发芽指数显著下降，且均低于0.5，而400、500 mg·L-1Cu2+处理下燕麦的相对发芽指数低于0.8(图1B)。随着Cu2+浓度的增大，供试8种材料的相对活力指数均呈降低趋势，在500 mg·L-1Cu2+浓度下，高羊茅不发芽(图1C)。供试各Cu2+浓度下，玉米、燕麦、高丹草和黑麦种子的相对发芽率、相对发芽指数和相对活力指数均显著高于黑麦草、无芒雀麦、垂穗披碱草和高羊茅。

图1 不同浓度Cu2+对8种禾本科草种子相对发芽率、相对发芽指数和相对活力指数的影响Fig.1 Effects of different Cd2+concentration on the seed relative germination rate, relative germination index and relative vigor index of 8 grasses

2.1.2Cu2+对8种禾本科草种子幼苗生长的影响 供试各Cu2+浓度下，玉米、燕麦和黑麦的相对芽长和相对芽重均无显著性差异(P>0.05)。垂穗披碱草、黑麦草和无芒雀麦在低浓度处理下的相对芽长和相对芽重显著高于高浓度处理。高羊茅只有在200 mg·L-1Cu2+下才有芽，其他3种浓度下种苗无芽(表2)。供试各Cu2+浓度下的高丹草相对芽长均显著高于玉米和燕麦(P<0.05)；上述3种草种的相对芽长均显著高于黑麦、无芒雀麦、黑麦草、垂穗披碱草和高羊茅(表2)。玉米、燕麦、高丹草和无芒雀麦相对芽重均显著高于黑麦、黑麦草、垂穗披碱草和高羊茅(P<0.05)。随着Cu2+浓度的增大，高丹草的相对芽重逐渐增大，与其相对芽长呈一致的变化趋势。200 mg·L-1Cu2+下玉米相对根长显著高于300、400和500 mg·L-1处理(P<0.05)。供试各Cu2+浓度下，玉米、燕麦和黑麦相对根长显著高于高丹草(表2)。黑麦相对根重显著高于玉米、燕麦和高丹草，前4者均显著高于垂穗披碱草、无芒雀麦、黑麦草和高羊茅(P<0.05)(表2)。400、500 mg·L-1Cu2+下，高丹草、黑麦草、垂穗披碱草、无芒雀麦和高羊茅均无根。相对其他6种草种来说，重金属Cu2+处理对黑麦草和高羊茅幼苗生长的抑制作用较强。

表2 不同浓度Cu2+对8种禾草种子相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重的影响Table 2 Effects of different Cu2+ concentration on the seed relative bud length, relative root length, relative shoot weight and relative root of 8 grasses

注：同列不同小写字母表示同一材料在不同处理间差异显著(P<0.05) ，同行不同大写字母表示同一处理下不同材料间差异显著(P<0.05)；“一”表示在处理下幼苗没有生长，下同

Note：Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between the same materials in different treatmentat the 0.05 level; Different capital letters indicate significant difference between different materials under the same processing at the 0.05 level; ＂—＂indicates no growth of seedlings under treatment, the same as below

2.1.38种禾本科草种子萌发期耐Cu2+的综合评价 为避免单一指标的片面性并克服多个指标的复杂性，全面而准确地评价重金属离子处理对8种禾本科植物种子萌发及幼苗生长的影响，采用模糊数学隶属函数法，对供试8种禾本科植物种子相对发芽率、相对发芽指数、相对活力指数、相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重进行隶属函数值计算，得出种子萌发期耐Cu2+胁迫的隶属函数总平均值。隶属函数平均值越大,综合性状越好，结果表明：耐Cu2+的强弱顺序为：玉米>高丹草>燕麦>黑麦>无芒雀麦>黑麦草>垂穗披碱草>高羊茅(表3)。

表3 8种禾本科草种子萌发期Cu2+的耐性隶属函数值及综合评价值Table 3 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of the growth indexes of 8 grasses under Cu2+stress during seed germination period

2.2 Cd2+对8种禾本科草种子发芽和幼苗生长的影响

随着Cd2+浓度的增大，供试8种植物种子相对发芽率、发芽指数和活力指数，幼苗的相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重均呈不同程度的降低趋势(图2、表4)。

2.2.1Cd2+对8种禾本科草种子发芽的影响 供试各Cd2+浓度处理对燕麦和高丹草种子的相对发芽率影响较小，各处理间无显著差异，2种草种子的平均相对发芽率为101%。而垂穗披碱草、无芒雀麦、黑麦草和高羊茅的相对发芽率随Cd2+浓度的增大呈降低趋势，低浓度处理促进了种子的发芽(图2A)。供试各Cd2+浓度处理下的8种禾本科草种子的相对发芽指数和相对发芽率有相同的趋势，但200 mg·L-1Cd2+浓度下玉米和高丹草的相对发芽指数却显著高于其他浓度处理(图2B)。随着Cd2+浓度的增大，供试8种材料的相对活力指数均呈降低趋势，低浓度处理(1 mg·L-1、50 mg·L-1Cd2+)对8种牧草种子的活力指数影响较小(图2C)。在200 mg·L-1Cd2+浓度下，高羊茅不发芽。

2.2.2Cd2+对8种禾本科草种子幼苗生长的影响 玉米、燕麦、高丹草和垂穗披碱草的相对芽长在供试Cd2+浓度间的差异不显著；1、50 mg·L-1黑麦草、无芒雀麦、黑麦和高羊茅的相对芽长显著高于150、200 mg·L-1处理(P<0.05)(表4)。玉米、燕麦、垂穗披碱草、无芒雀麦和高丹草幼苗的相对芽重在1、50 mg·L-1的Cd2+浓度处理间无显著性差异，但均显著高于150、200 mg·L-1处理(P<0.05)。150、200 mg·L-1下玉米、燕麦、高丹草、和黑麦间的相对芽长和相对芽重均显著高于黑麦草、高羊茅(表4)。黑麦草和高丹草幼苗相对根长在1、50 mg·L-1的Cd2+浓度处理下无显著性差异；燕麦和黑麦的幼苗根长1、50和150 mg·L-1的Cd2+浓度处理下无显著性差异，但显著高于200 mg·L-1处理(P<0.05)；1 mg·L-1Cd2+下，玉米、黑麦草、高丹草、垂穗披碱草和黑麦的相对根长显著高于燕麦、无芒雀麦和高羊茅(P<0.05)(表4)。玉米、燕麦、垂穗披碱草和无芒雀麦幼苗根重在各Cd2+浓度处理间均无显著性差异。1 mg·L-1的Cd2+处理下，8草种之间的相对根重差异不显著。50、150 mg·L-1Cd2+下，燕麦、高丹草和黑麦的相对根长显著高于玉米、黑麦草、垂穗披碱草、无芒雀麦和高羊茅(P<0.05)。150、200 mg·L-1的Cd2+处理下，玉米、燕麦、高丹草和黑麦相对根重显著高于垂穗披碱草和无芒雀麦(P<0.05)。150、200 mg·L-1处理下，黑麦草和高羊茅出现无根苗。

图2 不同浓度Cd2+对8种禾本科草种子相对发芽率、相对发芽指数和相对活力指数的影响Fig.2 Effects of different Cd2+concentration on the seed relative germination rate, relative germination index and relative vigor index of 8 grasses

2.2.38种禾本科草种子萌发期耐Cd2+的综合评价 采用模糊数学隶属函数法，对供试8种植物种子相对发芽率、相对发芽指数、相对活力指数、相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重进行隶属函数值计算，根据隶属函数总平均值得出种子萌发期耐Cd2+胁迫的强弱顺序为：高丹草>黑麦>玉米>燕麦>无芒雀麦>垂穗披碱草>黑麦草>高羊茅(表5)。

2.3 不同浓度Pb2+对8种禾本科草种子发芽和幼苗生长的影响

随着Pb2+浓度的增大，供试8种植物种子相对发芽率、发芽指数和活力指数，幼苗的相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重均呈不同程度的降低趋势(图3、表6)。

2.3.1Pb2+对8种禾本科草种子发芽的影响 各Pb2+浓度处理间，玉米和高丹草种子的相对发芽率均在100%以上，说明Pb2+处理对其种子的发芽有促进作用，而黑麦和燕麦种子的相对发芽率在90%～100%之间，各处理间无显著的差异，垂穗披碱草、无芒雀麦、黑麦草和高羊茅种子的相对发芽率随Pb2+浓度的增大呈降低趋势(图3A)。各Pb2+浓度处理下，8种禾草种子的相对发芽指数和相对发芽率有相同的趋势，500 mg·L-1Pb2+浓度处理下，垂穗披碱草和黑麦草的相对发芽指数均高于0.8，显著高于其他处理下的相对发芽指数(图3B)。和其他两种金属离子处理一样，随着Pb2+浓度增大，黑麦草和高羊茅的相对活力指数呈降低趋势，高浓度处理下的活力指数显著低于低浓度处理(图3C)。

表4 不同浓度Cd2+对8种禾本科草种子相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重的影响Table 4 Effects of different Cd2+ concentration on the seed relative bud length, relative root length,relative shoot weight and relative root of 8 grasses

表5 8种禾本科草种子萌发期Cd2+的耐性隶属函数值及综合评价值Table 5 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of the growth indexes of 8 grasses under Cd2+stress during seed germination period

图3 不同浓度Pb2+对8种禾本科草种子相对发芽率、相对发芽指数和相对活力指数的影响Fig.3 Effects of different Pb2+ concentration on the seed relative germination rate, relative germination index and relative vigor index of 8 grasses

2.3.2Pb2+对8种禾本科草种子幼苗生长的影响 供试各Pb2+浓度下，燕麦的相对芽长均无显著差异(表6)。500 mg·L-1的Pb2+处理下玉米、垂穗披碱草、无芒雀麦、黑麦草和高羊茅的相对芽长显著高于1 000、1 500和2 000 mg·L-1处理(P<0.05)。500、1 000 mg·L-1的Pb2+处理下，燕麦、高丹草和无芒雀麦的相对芽长显著高于玉米、黑麦、黑麦草、垂穗披碱草和高羊茅(P<0.05)(表6)。黑麦草、燕麦和高丹草的相对芽重，在各供试Pb2+浓度间的差异不显著(表6)。500、1 000和1 500 mg·L-1的Pb2+处理下玉米、无芒雀麦和黑麦的相对芽重显著高于2 000 mg·L-1处理(P<0.05)。500 mg·L-1的Pb2+处理下黑麦草、高丹草和黑麦的相对芽重显著高于玉米、燕麦、垂穗披碱草和无芒雀麦(表6)。供试各Pb2+浓度下，玉米、燕麦和黑麦的相对根长和相对根重显著高于垂穗披碱草、黑麦草和高羊茅(P<0.05)((表6)。500 mg·L-1的Pb2+处理下垂穗披碱草、无芒雀麦、黑麦草、燕麦和玉米的相对根长显著高于1 000 mg·L-1处理，且显著高于1 500、2 000 mg·L-1处理(P<0.05)。Pb2+浓度处理对黑麦草和高羊茅的幼苗生长抑制作用较强。

表6 不同浓度Pb2+对8种禾本科草种子相对芽长、相对根长、相对芽重和相对根重的影响Table 6 Effects of different Pb2+ concentration on the seed relative bud length, relative root length, relative shoot weight and relative root of 8 grasses

2.3.38种禾本科草种子萌发期耐Pb2+的综合评价 采用模糊数学隶属函数法，对供试8种禾本科植物种子的7种指标进行隶属函数值计算，根据隶属函数总平均值得出种子萌发期耐Pb2+胁迫的强弱顺序为：高丹草>燕麦>玉米>黑麦>无芒雀麦>垂穗披碱草>黑麦草>高羊茅(表7)。

表7 8种禾本科草种子萌发期Pb2+的耐性隶属函数值及综合评价值Table 7 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of the growth indexes of 8 grasses under Pb2+stress during seed germination period

3 讨论

重金属会对种子发芽和幼苗生长产生不同程度的抑制和刺激，种子的萌发和早期发育对污染物的影响尤为敏感。本研究结果表明随着Cu2+、Cd2+和Pb2+浓度的增大，供试8种禾本科草类植物种子相对发芽率、发芽指数和活力指数，均呈不同程度的降低趋势。总体来看，3种重金属离子对玉米、燕麦、高丹草和黑麦种子萌发抑制作用较小，而对垂穗披碱草、无芒雀麦、黑麦草和高羊茅草种发芽抑制作用较大。这可能与种子对重金属毒性的响应程度不同有关[21]。在3种不同重金属离子浓度处理下，对玉米、高丹草和黑麦草种的发芽表现为低浓度的促进和高浓度的抑制，这与刘明美[22]、张震等[23]研究重金属对草种子萌发和幼苗生长的影响存在较低浓度促进效应和高浓度抑制效应的结论相似。此外，也有研究表明Cd2+促进早熟禾、金鸡菊、狗牙根和剪股颖的苗生长，而抑制黑麦草、高羊茅、白三叶、非洲凤仙幼苗的生长[21]。说明不同植物受重金属影响程度存在差异。本研究中，随着重金属Cu2+浓度的增大，对玉米、高丹草和燕麦的相对芽长和相对芽重有促进作用，其他5种禾本科草类植物幼苗的芽长和芽重均呈不同程度的下降趋势。高柱等[24]研究表明重金属Cu2+胁迫浓度较低时，对苏丹草发芽率、发芽势、发芽指数的影响为促进作用，这与我们的研究结论相似。而供试8种禾本科草种的相对根长和相对根重均呈下降趋势。因为根是植物吸收水分的器官，在其生长和发育中，一直完全与重金属溶液接触，故受到重金属的影响最为严重[25-26]。随着重金属Cd2+和Pb2+浓度的增大，除了个别由于种子取材不均而导致的较小差异以外，供试8种禾本科草种的幼苗生长均呈下降趋势；8种禾本科草类植物间相比，高丹草和黑麦幼苗长度下降的相对较慢，其它6种下降的较快，这说明高丹草和黑麦幼苗的生长对Cd2+和Pb2+耐性优于其他6种供试禾本科草类植物种子。本研究结果表明，Cu2+、Cd2+和Pb2+对植物幼苗生长均有抑制作用，高浓度胁迫下就出现“无根苗”，尤其是黑麦草和高羊茅。重金属胁迫下植物根系比茎叶响应更为强烈，这与王彦梅等[27]研究重金属对小麦和黑麦生长的胁迫结果相一致。

4 结论

本研究采用性状相对值进行隶属函数值综合评价，研究了重金属Cu2+、Cd2+和Pb2+对8种禾草种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明，种子萌发期耐Cu2+的强弱顺序为：玉米>高丹草>燕麦>黑麦>无芒雀麦>黑麦草>垂穗披碱草>高羊茅，耐Cd2+的强弱顺序为：高丹草>黑麦>玉米>燕麦>无芒雀麦>垂穗披碱草>黑麦草>高羊茅，耐Pb2+的强弱顺序为：高丹草>燕麦>玉米>黑麦>无芒雀麦>垂穗披碱草>黑麦草>高羊茅。综合而言，玉米、高丹草、黑麦和燕麦在萌发期对Cu2+、Cd2+、Pb2+胁迫的耐受力较强。