李金波，李詩剛，宋桂龍，濮陽雪華，薛博晗，隋永超

(1.北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京 100083； 2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣州 深圳 518040)

Li Shi-gangE-mail：lishigang@sztechand.com.cn

砷(Arsenic，As)是生物生長的非必需元素，也是國際癌癥研究組織確認(rèn)最早的一級致癌物，其在環(huán)境中的平均濃度達(dá)到5 mg·kg-1[1]。目前砷污染已經(jīng)成為一個非常重要的環(huán)境問題，在我國湖南、河南等省份均有不同程度的砷污染問題，并曾出現(xiàn)砷污染地下水導(dǎo)致人中毒事件的發(fā)生[2]。植物在砷污染的土壤中生長，生長發(fā)育會受到抑制，生物性狀和養(yǎng)分吸收特征也會發(fā)生異常變化[3]。

治理土壤重金屬污染的措施主要有工程治理技術(shù)、農(nóng)業(yè)改良措施、生物修復(fù)技術(shù)、植物-化學(xué)修復(fù)技術(shù)[4]。生物修復(fù)技術(shù)中的植物修復(fù)技術(shù)具有成本低、對環(huán)境擾動小等優(yōu)點(diǎn)，具有極大的應(yīng)用前景[5]。植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是尋找好的植物修復(fù)材料，黑麥草(Loliumperenne)具有生物量大、生長快、易于種植等特點(diǎn)，且有報道稱黑麥草對重金屬有較強(qiáng)的抗性和富集能力[6]，是一種良好的植物修復(fù)材料。萬玉山等[7]在黑麥草、芥菜(Brassicajuncea)、苜蓿(Medicagosativa)和高羊茅(Festucaarundinacea)4種植物之間進(jìn)行了Cd、B[α]P污染土壤修復(fù)植物的篩選，結(jié)果表明黑麥草和芥菜對土壤中有效態(tài)Cd均有富集能力，黑麥草對污染土壤的修復(fù)效果強(qiáng)于苜蓿和高羊茅。李松克等[8]研究了多年生黑麥草對黃壤重金屬污染土壤的修復(fù)，結(jié)果表明多年生黑麥草對Cd、Cr、Pb、As、Hg都有一定的富集能力。

植物在受到重金屬脅迫后，其根、莖、葉都會吸收土壤中的重金屬。但由于根系直接接觸土壤或水環(huán)境，所以根系是植物吸收重金屬的主要器官[9]。同時，根系也是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，植物地上部的生長發(fā)育會受到根系形態(tài)直接或間接的影響[10]。當(dāng)植物受到重金屬Cd脅迫時，各器官中的Cd含量一般為根、葉、莖、花、果、籽粒，所以Cd對植物的毒害首先表現(xiàn)在根系形態(tài)和生理功能的改變[11-12]。陳偉等[13]研究了重金屬離子對兩種草坪草熒光特性和根系形態(tài)的影響，結(jié)果表明高羊茅總根長、總根表面積、總分叉數(shù)、總根尖數(shù)都顯著低于未經(jīng)過重金屬處理的對照，多年生黑麥草則表現(xiàn)為對低濃度金屬離子抗性較強(qiáng)，高濃度金屬離子抗性較差且二者都有隨濃度升高而降低的趨勢。朱云集等[14]研究了As脅迫對小麥(Triticumaestivum)根系生長及活性氧代謝的影響，也得出了類似的結(jié)果。重金屬對植物的危害之一就是影響營養(yǎng)元素的吸收，使植物體內(nèi)養(yǎng)分離子失衡[15]。As對冬小麥根系生長和養(yǎng)分吸收的影響研究結(jié)果表明，當(dāng)砷濃度為5～10 mg·L-1時，小麥根系中P、K、Mg、Mn、Cu和Zn的含量有增加的趨勢，當(dāng)砷濃度為15～20 mg·L-1時，小麥根系中P、Mn、Zn的含量則相比對照有降低趨勢[16]。綜上所述，雖然已有一些重金屬對植物根系形態(tài)和養(yǎng)分吸收影響的研究，但在As脅迫下對黑麥草的根系形態(tài)和養(yǎng)分吸收的研究卻鮮見報道。因此，本研究以一年生黑麥草和多年生黑麥草為材料，研究其在As脅迫下的根系形態(tài)和根系養(yǎng)分吸收特征，以探究As脅迫對黑麥草根系形態(tài)和養(yǎng)分吸收的影響，并試圖分析兩種黑麥草之間的差異。

1　材料與方法

1.1　供試材料及試驗(yàn)地概況

多年生黑麥草(Loliumperenne)和一年生黑麥草(L.multiflorum)種子均來自北京正道種業(yè)有限公司，品種分別為Mathilde和Idyll。

供試土壤取自北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所昌平試驗(yàn)基地(116.25° E,40.18° W)，土壤類型為潮土，質(zhì)地中壤，pH為7.68，全氮含量1.33 g·kg-1，速效鉀含量70.2 mg·kg-1，有效磷含量13.9 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量8.2 g·kg-1，As含量0.337 mg·kg-1。將土壤風(fēng)干并過5 mm孔徑篩，按照14∶1(w∶w)混入腐熟雞糞作為底肥。

盆栽試驗(yàn)在北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所昌平試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)選用上內(nèi)徑20 cm、下內(nèi)徑10 cm、高28 cm的錐形塑料花盆，每盆裝混合土3 kg。As以NaAsO2配成200 mL溶液澆入土壤，靜置兩周。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)0(CK)、100 mg·kg-1兩個As濃度(以純As∶混合土計)，分別用DCK、D100、YCK、Y100表示多年生黑麥草的CK和As處理，一年生黑麥草的CK和As處理。各處理設(shè)置3次重復(fù)，共計12盆。

在育苗盤里育苗，待出苗10 d后選取長勢一致的幼苗移栽至As處理花盆，生長適應(yīng)2周后定株10株，然后定期定量培養(yǎng)60 d。

1.3　根系形態(tài)參數(shù)測定

參考Green等[17]的方法，將植物根系取出并清洗干凈，將根系剪下后隨機(jī)選擇一株平鋪在根系掃描盤內(nèi)，采用Epson Scan V700根系掃描儀掃描根系圖像，將圖像保存至計算機(jī)并使用WinRHIZO PRO 2013根系分析系統(tǒng)軟件(Regent Instruments Inc.,Canada)計算總根長、總根表面積、根平均直徑、總根體積、根尖數(shù)、分枝數(shù)。

1.4　根系砷及營養(yǎng)元素的測定

根系掃描后全部收集置于80 ℃下烘干至恒重，烘干樣品使用粉碎機(jī)粉碎并過0.3 mm孔徑篩備用。首先稱取0.200 g，使用Hanon220s石墨消解儀采用H2SO4-H2O2消化完全后定容至100 mL，然后用全自動流動分析儀(SEAL AA3)測定全N含量。再稱取0.500 g，采用HNO3-H2O2消化完全后動容至50 mL，采用ICP-MS(安捷倫 7700)測定As、P、K、Ca、Mg、Mn含量。

1.5　數(shù)據(jù)處理及分析

原始數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010軟件整理，運(yùn)用SPSS for Windows 17.0軟件對黑麥草根系形態(tài)參數(shù)、As及養(yǎng)分含量進(jìn)行單因素方差分析并將As含量分別與根系形態(tài)及養(yǎng)分含量做相關(guān)性分析，分析結(jié)果用origin作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　砷脅迫對兩種黑麥草根系形態(tài)的影響

As脅迫下多年生黑麥草和一年生黑麥草的根系形態(tài)變化如圖1所示。當(dāng)As濃度為100 mg·kg-1時，兩種黑麥草的總根長都受到抑制，但一年生黑麥草并未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，二者分別比各自對照降低47.6%和17.7%。一年生黑麥草的總根表面積在As脅迫下幾乎無差異，而多年生黑麥草則顯著降低了46.8%(P<0.05)。一年生黑麥草的根平均直徑和總根體積在As脅迫下分別比對照增加23.8%和24.3%， 多年生黑麥草的總根體積則比對照顯著降低46.1%(P<0.05)。兩種黑麥草的根尖數(shù)和分枝數(shù)在As脅迫下均顯著降低(P<0.05)，根尖數(shù)分別降低56.8%和55.0%，分枝數(shù)分別降低67.1%和44.1%?？傮w來看，As脅迫下一年生黑麥草的根系受抑制程度要明顯小于多年生黑麥草，這也說明一年生黑麥草根系的As耐性要優(yōu)于多年生黑麥草。

圖1　As脅迫下兩種黑麥草根系形態(tài)變化Fig. 1　Changes in root morphological features of two ryegrass species under arsenic (As) stress

不同小寫字母表示處理間差異顯著性(P<0.05),DCK、YCK分別表示多年生黑麥草、一年生黑麥草的對照，D100、Y100分別表示多年生黑麥草、一年生黑麥草100 mg·kg-1砷處理,下同。

Different lowercase letters indicate significant difference between the four treatments at the 0.05 level; DCK, YCKindicate the blank forLoliumperenneandL.multiflorumrespectively, D100、Y100indicate the 100 mg·kg-1As treatment forL.perenneandL.multiflorumrespectively; similarly for the following figures.

2.2　砷脅迫下兩種黑麥草砷含量

兩種黑麥草在As脅迫下地上部和地下部As含量都顯著升高(P<0.05)(圖2)，多年生黑麥草地上部As含量是一年生黑麥草的1.16倍(P<0.05)，二者分別為各自對照的15.36和9.15倍；多年生黑麥草地下部As含量是一年生黑麥草的1.20倍(P<0.05)，二者分別為各自對照的337.89和112.62倍。多年生黑麥草對As的吸收能力明顯優(yōu)于一年生黑麥草，這也可能是多年生黑麥草根系受抑制程度更大的原因。

圖2　As脅迫下兩種黑麥草As含量Fig 2　As concentration in two ryegrass species under As stress

2.3　砷脅迫下兩種黑麥草根系營養(yǎng)元素含量

兩種黑麥草根系對營養(yǎng)元素的吸收都受到了As脅迫的影響(圖3)。兩種黑麥草在As處理下N、P、K都呈現(xiàn)增高趨勢，并且除一年生黑麥草N含量之外都達(dá)到顯著水平(P<0.05)，As處理下二者N含量分別比對照增高了125.7%和29.4%，P含量分別比對照增高了216.9%和47.6%，K含量分別比對照增高了207.0%和65.6%。多年生黑麥草Ca含量較對照顯著增高了22.6%(P<0.05),一年生黑麥草幾乎無差異(P>0.05)。兩種黑麥草在As處理下Mg含量都沒有顯著差異(P>0.05)。而Mn含量都顯著增高(P<0.05)，二者分別比對照增高了19.8%和58.2%?？傮w來看，As處理促進(jìn)了兩種黑麥草根系對養(yǎng)分元素的吸收，但兩種黑麥草之間存在較大差異。

在沒有As處理時，一年生黑麥草根系對于N、P、K、Ca、Mg五種大量元素的吸收大于多年生黑麥草，除N和K之外都達(dá)到了顯著水平(P<0.05)；一年生黑麥草對于Mn元素的吸收要小于多年生黑麥草并且二者差異顯著(P<0.05)。結(jié)果說明As脅迫對于根系吸收N、P、K的影響多年生黑麥草大于一年生黑麥草，而對于根系吸收Mn的影響一年生黑麥草大于多年生黑麥草。

2.4　砷脅迫下兩種黑麥草根系A(chǔ)s含量與營養(yǎng)元素的關(guān)系

As脅迫下，兩種黑麥草在As與6種營養(yǎng)元素吸收的相關(guān)性方面，表現(xiàn)出了趨勢基本一致，但顯著性明顯不同(表1)。對于多年生黑麥草而言，As與N、P、K、Ca四種元素極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與Mn元素呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，As與Mg元素沒有顯著相關(guān)性。對于一年生黑麥草而言，As與K、Mn兩種元素極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與N、P、Ca、Mg四種元素沒有顯著相關(guān)性。總體來看，As與6種營養(yǎng)元素基本呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，As處理促進(jìn)了兩種黑麥草根系對于營養(yǎng)元素的吸收，但二者之間表現(xiàn)出較大差異，同樣的As處理條件下多年生黑麥草根系養(yǎng)分吸收受影響更大。

2.5　砷脅迫下兩種黑麥草根系A(chǔ)s含量與根系形態(tài)的關(guān)系

對于多年生黑麥草而言，As含量與總根長、總根表面積、總根體積、根尖數(shù)、分枝數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(表2)。對于一年生黑麥草而言，As與根尖數(shù)和分枝數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。兩種黑麥草根系A(chǔ)s與根平均直徑都沒有顯著相關(guān)性，且一年生黑麥草根系A(chǔ)s與總根長、總根表面積、總根體積也沒有顯著相關(guān)性?？傮w來看，As脅迫抑制了兩種黑麥草根系的生長，但多年生黑麥草根系受抑制程度更加嚴(yán)重。

3　討論與結(jié)論

3.1　黑麥草根系對As的吸收

黑麥草是常見的禾本科植物，具有生物量大、根系發(fā)達(dá)的特點(diǎn)。根系是植物最早接觸重金屬的器官，也是阻攔重金屬的第一道屏障。有研究證明黑麥草能夠有效富集土壤中的Cd離子，并且Cd主要集中在根系中[18]。研究中兩種黑麥草根系中都有較高的As含量，這與前人的研究結(jié)果也基本一致。兩種黑麥草相比，多年生黑麥草根系A(chǔ)s含量大于一年生黑麥草，說明多年生黑麥草對As的吸收能力大于一年生黑麥草。植物在吸收重金屬后會將大量重金屬富集在根部，較少部分轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉部分，其原因可能是植物自身防止重金屬對葉片光合作用的影響以及對莖葉新陳代謝的毒害，這也是植物對逆境的一種適應(yīng)機(jī)制[19]，相關(guān)研究證明Cd和Pb會分別降低東南景天(Sedumalfredii)[20]的葉綠素含量和破壞絹毛委陵菜(Potentillasericea)[21]的葉綠體膜系統(tǒng),說明重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)到葉片后會影響植物的光合作用。

圖3　As脅迫下兩種黑麥草根系N、P、K、Ca、Mg、Mn含量Fig. 3　N, P, K, Ca, Mg, and Mn concentration in the roots of two ryegrass species under As stress

As含量As concentration營養(yǎng)元素Nutrient elementNPKCaMgMn多年生黑麥草Perennial ryegrass0.938**0.991**0.980**0.946**0.7080.816*一年生黑麥草Annual ryegrass0.7200.7880.977**0.286-0.4110.985**

*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),下同。

*,** mean significant correlation at 0.05 and 0.01 levels,respectively; similarly for the following tables.

表2　兩種黑麥草根系形態(tài)與砷的相關(guān)系數(shù)Table 2　Correlation coefficients between root morphological parameters and As concentration in the roots of two ryegrass species

3.2　As對黑麥草根系形態(tài)的影響

根系是植物重要的營養(yǎng)器官，能夠從土壤中吸收水分及養(yǎng)分。當(dāng)土壤受到污染時，根系也是最早感知土壤非生物逆境脅迫的器官，根系形態(tài)能夠直觀反映根的適應(yīng)能力[22]。結(jié)果表明，As脅迫抑制兩種黑麥草根系的總根長、總根表面積、根尖數(shù)、分枝數(shù)，對根平均直徑有一定促進(jìn)作用，這與前人在小麥(Triticumaestivum)和杞柳(Salixintegra)上的研究結(jié)果相一致[23-24]。兩種黑麥草之間存在較大差異，這說明黑麥草根系對As的耐性與其基因型有關(guān)?？偢L、總根表面積和總根體積能反映植物根系的吸收能力，根尖數(shù)和分枝數(shù)則反映植物側(cè)根的發(fā)生情況。As可能通過破壞根細(xì)胞結(jié)構(gòu)、抑制根細(xì)胞分裂導(dǎo)致總根長、總根表面積、總根體積的減少。也有研究表明，紫花苜蓿(Medicagosativa)根系在10 mg·kg-1Cd脅迫下根平均直徑相對CK會顯著降低[22]，與本研究結(jié)果相反，這可能與金屬離子種類以及植物種有關(guān)。研究中兩種黑麥草在100 mg·kg-1As脅迫下根尖數(shù)和分枝數(shù)度顯著降低，與田曉鋒等[25]在高濃度Cd下對梧桐(Firmianaplatanifolia)的研究結(jié)果相類似，但在低濃度Cd下根毛會增多。

3.3　As對黑麥草根系養(yǎng)分吸收的影響

重金屬對植物的危害之一是影響植物對營養(yǎng)元素的吸收，擾亂其體內(nèi)的養(yǎng)分平衡，進(jìn)而對新陳代謝產(chǎn)生影響。結(jié)果表明，兩種黑麥草根系A(chǔ)s含量與營養(yǎng)元素含量總體呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，二者表現(xiàn)出協(xié)同作用。兩種黑麥草之間存在較大差異，多年生黑麥草根系A(chǔ)s含量與N、P、K、Ca、Mn五種營養(yǎng)元素含量都呈現(xiàn)出顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，而一年生黑麥草根系A(chǔ)s含量只與K、Mn含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明植物因基因型不同，重金屬含量與營養(yǎng)元素之間的相關(guān)性也存在差異，這與前人在6種水草上的研究結(jié)果相類似[26]。研究中2種黑麥草根系在100 mg·kg-1As脅迫下會增加對營養(yǎng)元素的吸收，其原因可能是100 mg·kg-1的As脅迫導(dǎo)致兩種黑麥草根系生物量降低，但是沒有影響到根系對營養(yǎng)元素的吸收能力，所以造成根系中養(yǎng)分的“濃縮效應(yīng)”[16]，類似結(jié)果在菜豆(Phaseolusvulgaris)的研究中也有體現(xiàn)[27]。但是劉全吉等[16]的研究結(jié)果表明冬小麥在5～10 mg·L-1As處理下根系中K、Mg、P、Mn、Cu含量有不同程度的提高，在15～20 mg·L-1As處理下根系中Mn、Cu、Zn、Fe等微量元素的含量顯著降低，這說明植物根系中As含量與營養(yǎng)元素的相關(guān)性不僅與植物種有關(guān)，也與As處理濃度有關(guān)，因此有必要在多濃度梯度As脅迫下研究兩種黑麥草根系A(chǔ)s吸收與營養(yǎng)元素的相關(guān)性。另外，重金屬與營養(yǎng)元素的關(guān)系錯綜復(fù)雜，有待在分子水平上作進(jìn)一步研究。

綜上所述，As脅迫能抑制兩種黑麥草根系的總根長、總根表面積、根尖數(shù)、分枝數(shù)，但二者對As的耐性不同，一年生黑麥草根系耐性優(yōu)于多年生黑麥草，多年生黑麥草總根長和總根表面積受抑制程度更加明顯；兩種黑麥草對As的吸收能力存在顯著差異，多年生黑麥草優(yōu)于一年生黑麥草。As促進(jìn)了兩種黑麥草根系對N、P、K、Mn元素的吸收，多年生黑麥草根系中As對N、P、K 3種大量元素的促進(jìn)作用大于一年生黑麥草，一年生黑麥草根系中As對微量元素Mn的促進(jìn)作用大于多年生黑麥草。兩種黑麥草相比，多年生黑麥草對As脅迫更加敏感，其根系形態(tài)和養(yǎng)分吸收受到更大影響。