周强英 黄泽梅 陈 瑶

( 西南大学园艺园林学院，重庆 400715)

伴随工、农业快速发展以及城市化进程加快，生态环境问题突出。重金属污染作为最严重的环境问题之一引起广泛关注，土壤重金属污染多以复合污染为主，尤以铅（Pb）、镉（Cd）最为严重[1-2]。根据《全国土壤污染状况调查公报》[3]，Pb、Cd点位超标率为1.5%、7%，分别位居第6位和第1位。Pb、Cd毒性强，微量就会对动植物和人类造成不可逆损害。Pb引起植物矮化、叶片失绿，导致根部中毒、植株枯萎死亡等；Cd移动性大，易破坏植物光合系统，干扰代谢，加速衰老[4]。重金属间的相互作用对植物生长代谢、重金属吸收积累和转运均有影响。如Murtaza等[5]发现与单一污染相比，Pb、Cd复合污染促进马鞭草（Verbena officinalis）根系累积Cd和地上部积累Pb。目前对于植物修复重金属污染的研究多集中于农作物、经济作物等生长缓慢、生物量小的草本植物[6]，对于观赏价值高、生长迅速、生物量大的速生园林树木研究较少。木本植物具有较高的经济和使用价值，有利于实现污染土壤资源化，同时吸收积累污染物后短期内不会释放到环境中，没有进入食物链的风险，具有明显的优越性。

与一般木本植物相比，黄葛树（Ficus virens）、女贞（Ligustrum lucidum）为西南地区乡土植物，易繁殖、生长速度快，根系发达，具有更强的适应性和抗逆性，被广泛应用于园林绿化中，而近年来Pb、Cd污染已成为西南地区典型环境污染[7]。本研究采用土壤盆栽方法，通过研究Pb、Cd复合胁迫下黄葛树、女贞幼苗的生长、生理反应及对Pb、Cd的吸收积累特性，比较2个树种对Pb、Cd复合胁迫的耐受性和修复潜力，为Pb、Cd污染区域的植物修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以黄葛树、女贞1年生实生苗为试验材料，2017年 7月于西南大学校园内（106°24′E，29°48′N）采集的种子在温室播种，2018年3月选取生长势基本一致的幼苗移栽至装有供试土壤5 kg（干质量）的塑料盆中（口径25 cm，盆深18 cm），盆下垫托盘，每盆种3株，常规管理。供试土壤pH为6.54、有机质含量为1.53%、全氮含量为0.808 g/kg、速效氮含量为68.3 mg/kg、速效磷含量为65.5 mg/kg、速效钾含量为230.7 mg/kg、总Cd含量为 0.17 mg/kg、总Pb含量为 17.8 mg/kg。

1.2 试验设计

待幼苗恢复生长60 d后，以乙酸铅（Pb（CH3COO）2·3H2O）、氯化镉（CdCl2·2.5H2O）配制不同浓度Pb、Cd溶液进行1次性土壤浇灌。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》[8]，设置5个污染水平（表1），每个处理重复5盆。

表1 试验设计Table 1 The concentration design of Pb and Cd combined pollution

1.3 指标测定

处理前及处理30、60、90 d后测定幼苗株高、地径。处理90 d后，将材料收获洗净烘干至恒质量，称量地上部和根部干物质量。生物量测定后将材料各部分磨碎过筛（1 mm），硝酸—高氯酸混合消化后用Z-5000原子吸收分光光度计（日立，日本）测定幼苗根部和地上部Pb、Cd含量[9]。处理10、20、30、40 d后，采用丙酮乙醇混合液提取法[9]测定叶绿素含量；硫代巴比妥酸法[9]测定丙二醛（MDA）含量；氮蓝四唑法[10]测定超氧化物歧化酶（SOD）活性。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2003、SPSS 16.0和Data Processing System进行数据处理与分析，Origin 2017进行图表制作。为排除树种遗传差异对综合评价的影响，参照鲁艳等[11]方法引入单项指标耐Pb、Cd系数（α），利用主成分分析法和隶属函数法[10]对2个树种耐Pb、Cd能力进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 铅镉复合胁迫下2个树种的生长特性

2.1.1 铅镉复合胁迫对2个树种株高净生长量的影响

由表2可知，复合胁迫前期，黄葛树除T4外，其余处理组株高增量未受明显抑制；胁迫90 d后，只有外源Pb达到重度污染时，即T3和T4株高增量比CK下降了18.8%和34.9%，且与CK差异显著（P＜0.05）。复合胁迫下女贞株高增量均显著低于CK（P＜0.05），且随Pb、Cd浓度的增加或时间的延长下降幅度越大；90 d后，T4降至最低，仅为CK的25.7%，且与CK差异极显著（P＜0.01）。

表2 Pb、Cd复合胁迫对2个树种株高净生长量的影响Table 2 Effects on net plant height growth of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.1.2 铅镉复合胁迫对2个树种地径净生长量的影响

由表3可知，2个树种各处理组地径净生长量均低于CK，随时间延长，黄葛树下降幅度变小。90 d后，黄葛树T3和T4地径增量比CK降低了24.5%、48.8%，且与CK差异极显著（P＜0.01）。当Cd达重度污染时，即女贞T2和T4地径增量较CK降低了51%、66.7%，且与CK差异极显著（P＜0.01）。

表3 Pb、Cd复合胁迫对2个树种地径净生长量的影响Table 3 Effects on net ground diameter growth of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.1.3 铅镉复合胁迫对2个树种生物量的影响

由表4可知，Pb、Cd复合污染抑制2个树种生物量积累，黄葛树、女贞生物量均在T4降至最低，地上部降至CK的55.2%、25.6%；根部降至CK的67.3%、33.8%；总生物量分别为CK的61.5%、27.6%，且与CK差异极显著（P＜0.01）。除T1外，其余处理组女贞比黄葛树下降幅度更大，表明Pb、Cd复合胁迫对女贞生物量的抑制更强。

表4 Pb、Cd复合胁迫对2个树种生物量的影响Table 4 Effects on biomass of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.2 铅镉复合胁迫下2个树种的生理特性

2.2.1 铅镉复合胁迫对2个树种叶绿素含量的影响

Pb、Cd复合胁迫对2个树种叶绿素含量的影响见图1。

图1 Pb、Cd复合胁迫对2个树种叶绿素含量的影响Fig. 1 Effects on chlorophyll contents of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

由图1可知，胁迫20 d后，黄葛树T1和T2叶绿素含量比CK增加了19.8%、23.6%，差异显著（P＜0.05）；T3和T4比CK降低了23.7%、44.8%，差异显著（P＜0.05）。40 d后，各处理与CK间的差异变小。复合胁迫20 d后，女贞叶绿素含量随Pb或Cd浓度增加而降低，T4比CK降低了38.8%，差异显著（P＜0.05）。随时间延长，T1和T3叶绿素含量有所回升，整体来看，女贞叶绿素受Cd影响大于Pb。

2.2.2 铅镉复合胁迫对2个树种MDA含量的影响

Pb、Cd复合胁迫对2个树种MDA含量的影响见图2。由图2可知，Pb、Cd胁迫使2个树种MDA含量增加，黄葛树MDA含量随复合胁迫中Pb或Cd浓度的增加显著升高（P＜0.05），20 d时，T4达到最大值，为CK的2.5倍，差异显著（P＜0.05）。女贞 MDA含量随Pb或 Cd浓度的增加先升后降，T2达到最大值，20、40 d时分别为CK的5.89和3.1倍，差异显著（P＜0.05）。

图1 Pb、Cd复合胁迫对2个树种MDA含量的影响Fig. 2 Effects on MDA contents of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.2.3 铅镉复合胁迫对 2个树种 SOD活性的影响

Pb、Cd复合胁迫对2个树种SOD活性的影响见图3。由图3可知，高浓度Pb、Cd胁迫使黄葛树SOD活性前期下降，后期升高。T4的SOD活性在10 d时比CK降低了26.9%，差异显著（P＜0.05）；40 d时，比CK升高了8.6%，差异显著（P＜0.05）；其余组与CK差异较小。不同胁迫水平下，女贞SOD活性变化无明显规律，仅在胁迫20 d时，高浓度处理组（除T1外）显著高于CK（P＜0.05）；其余时间段各处理组与CK间差异不显著。

图3 Pb、Cd复合胁迫对2个树种SOD活性的影响Fig. 3 Effects on SOD activity of 2 tree species under combined stress of Pb and Cd

2.3 铅镉复合胁迫下2个树种对铅镉的吸收特性

由图4可知，黄葛树、女贞体内Pb、Cd含量均表现为根部＞地上部。2个树种各部分Cd含量随外源Cd浓度增加而增加，Pb含量则未随外源Pb浓度改变呈现规律性变化，外源Pb达到1 500 mg/kg时，黄葛树地上部Pb积累量反而下降。黄葛树地上部累积Pb能力除T4外其余各处理下强于女贞，根部各水平均高于女贞；吸收积累Cd能力则表现为女贞＞黄葛树。不论地上部或根部，相同Pb浓度下加大Cd浓度均使黄葛树Pb含量下降、女贞Pb含量上升，差异显著（P＜0.05）；重度Cd（50 mg/kg）水平下，2个树种体内Cd含量均随复合污染中Pb浓度增加而上升，差异显著（P＜0.05）。

图4 2个树种不同部位Pb、Cd积累量Fig. 4 Accumulation of Pb and Cd in different parts of 2 tree species

2.4 2个树种耐铅镉复合胁迫综合评价

2.4.1 各单项指标耐铅镉系数

为减小实验误差对研究结果的影响，本研究综合评价体系中生长指标和生理指标均采用各时间段的平均值。参照鲁艳等[11]方法，求出各处理浓度单项指标耐Pb、Cd系数，见表5。

表5 各单项指标耐Pb、Cd系数α值Table 5 The α value of Pb and Cd resistant coefficients for each single index %

2.4.2 2个树种对铅镉复合胁迫耐性综合评价

由表6可知，提取的2个主成分累计贡献率达到87.895%（＞85%），表明2个主成分已基本涵盖原来8个指标的大部分信息。主成分分析总得分＜D＞值表明，综合耐性黄葛树（0.629）＞女贞（0.444）。黄葛树各处理组综合得分排序为T1（0.827）、T2（0.689）、T3（0.619）、T4（0.382），表明黄葛树仅在重度Pb+重度Cd胁迫下综合耐性下降严重。女贞各处理综合得分排序为T1（0.801）、T3（0.503）、T2（0.380）、T4（0.093），升高Cd比升高Pb综合耐性下降更明显，表明女贞对Cd的耐性弱于Pb。

表6 2个树种对铅镉复合胁迫耐性的综合评价Table 6 Comprehensive evaluation of tolerance of Pb and Cd stress of 2 tree species

3 结论与讨论

植物在重金属胁迫下，形态学反应是最直观的表现，重金属离子进入植物细胞后影响光合作用和蒸腾作用、干扰营养物质吸收和代谢等，致使植物生长延缓[12]。本试验中2个树种在复合胁迫下株高、地径净增长量，总生物量均呈现一定程度的降低。但随着时间延长，黄葛树下降幅度变小，女贞下降幅度增大，说明黄葛树自身调节能力较女贞更强。

叶绿素含量高低直接决定植物光合作用水平[13]，重金属胁迫下叶绿素含量通常呈现一定程度的下降[14]。本试验中，重度Pb、Cd胁迫下，黄葛树和女贞叶绿素含量均下降，可能是因为Pb、Cd进入植物体抑制了合成叶绿素的相关酶类或破坏叶绿体结构导致叶绿素合成受阻。重金属胁迫导致植物体产生过量活性氧，使植物细胞发生膜脂过氧化作用，MDA作为膜脂过氧化产物一定程度上反应了植物受逆境胁迫情况[15]。Murtaza等[5]研究发现小麦随处理浓度增加体内MDA含量上升、膜稳定指数下降。本试验组MDA含量均高于对照组，与张家洋等[16]研究相似，表明Pb、Cd胁迫对2个树种细胞膜造成损害。重金属胁迫还通过间接激活NADPH氧化酶、扰乱电子传递等方式引起ROS产生和清除失衡[17]。有研究表明[18]，抗性强的品种比敏感品种在受到重金属胁迫时抗氧化酶表现出更强的响应。本试验中，黄葛树抗氧化酶表达体系比女贞更活跃，从而对Pb、Cd胁迫表现出更强的适应性，这与陈良华等[7]的研究结果相似。

植物抗污染能力涉及体内多种代谢过程，用单一指标评价难免存在片面性。本试验通过主成分分析法将8个单项指标综合成新的、相互独立的2个综合指标，利用隶属函数对综合指标进行加权平均得到＜D＞值，使2个树种的Pb、Cd耐性更具可比性。

大多数研究表明植物吸收Pb、Cd后会将其优先积累在根部[7,19]，本试验中黄葛树、女贞对Pb、Cd累积均表现为根部＞地上部，这可能是2个树种自身耐性机制限制Pb、Cd向地上部转移以减轻毒害。重度Pb浓度下，黄葛树地上部对Pb的积累反而降低，这与张思悦[20]的研究结果相似，可能是高浓度Pb使植物根系中毒，阻碍了Pb向地上部转移。本试验结果显示黄葛树比女贞更耐Cd，但黄葛树地上部和根部Cd积累量均小于女贞，这可能是植物本身的一种耐性机制，减少对相应重金属的吸收以降低毒害。土壤共存Pb、Cd通常会由于竞争土壤吸附位点而产生交互作用，但针对不同植物表现有差异。王君等[21]发现Cd促进麻栎根部对Pb的积累，熊春晖等[22]研究表明莲藕对Pb、Cd的吸收具有协同作用，本试验中Cd促进女贞但抑制黄葛树吸收累积Pb，Pb促进重度Cd水平下2个树种Cd的积累。

综合研究表明，黄葛树对Pb、Cd复合胁迫的耐性强于女贞，除重度Pb+重度Cd水平外，其余处理浓度下均表现较强的耐受能力和维持较高的观赏性，用于修复Pb、Cd复合污染土壤具有较大潜力；女贞则适宜用以修复轻度Pb+轻度Cd污染土壤，或作为重度Pb、Cd污染的指示植物。