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(東北林業(yè)大學園林學院，黑龍江 哈爾濱150040)

我國約有五分之一的耕地受到重金屬的污染，重金屬污染具有多元性、隱蔽性、一定程度上的長距離傳輸性和污染后果嚴重性等特點，其中鉛污染的范圍最廣[1-2]。鉛是一種有毒性的銀白色金屬，對植物危害嚴重，已成為國內外研究的熱點[3]。近年來，已有大量關于重金屬鉛污染對植物毒害的報道[4-5]。植物受到鉛毒害后，種子萌發(fā)、胚芽發(fā)育以及植株的生長進程都會受到影響，嚴重時能引起植物矮化，葉片失綠，影響植物對礦質元素的吸收并改變膜結構和滲透平衡，同時對葉綠體有一定的損傷，進而影響到植物的光合作用[6]。但鉛又是植物生長的非必需元素，所以土壤中鉛的含量超過植物的耐受范圍后會對植物產生一系列毒害作用[7]。因此這種重金屬成為目前研究的重點[8]。

土壤的重金屬污染使園林地被植物的生長受到了極大威脅，進而加速了耐重金屬污染園林植物的篩選。在北方地區(qū)，應用在城市園林綠化中的地被植物的種類并不多，能適應北方干旱、寒冷的種類更加有限。絹毛委陵菜(PotentillasericeaL.)是良好的地被植物，適宜生存的生態(tài)環(huán)境十分廣泛[9]，花色艷麗，栽培管理簡單，具有較高的園林利用價值[10]和特別的觀賞效果，且在環(huán)境保護、水土保持等方面有著明顯的優(yōu)勢。目前關于委陵菜的引種馴化、干旱脅迫等方面有報道，但重金屬脅迫下光合特性及熒光參數(shù)的變化未見報道。本試驗以絹毛委陵菜為材料，研究絹毛委陵菜光合特性及熒光參數(shù)對Pb2+脅迫的響應機制，為選擇耐金屬污染植株提供理論依據(jù)，對修復土壤重金屬污染，充分挖掘超富集植物具有一定的理論及實踐指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

絹毛委陵菜為黑龍江省森林植物園提供的野生栽培種。

1.2 試驗設計

在東北林業(yè)大學苗圃基地進行盆栽試驗(花盆直徑120 mm×高110 mm)，每盆裝土0.25 kg(干質量)。將生長一致、發(fā)育正常的多年生絹毛委陵菜幼苗定植到花盆中，每盆5株。待生長恢復后進行Pb2+脅迫處理，Pb以Pb(NO3)2的形式加入。處理期間，采用稱重法進行水分的控制，使水分處于60%～80%之間，保證植株正常生長。

重金屬Pb2+脅迫試驗設置0 mg·kg-1、300 mg·kg-1、600 mg·kg-1、1 000 mg·kg-1、1 500 mg·kg-1和2 000 mg·kg-1(以含Pb2+量計，每組5盆，重復3次)6個濃度梯度。分別以CK、Pb 300、Pb 600、Pb 1 000、Pb 1 500、Pb 2 000表示，采用根外澆灌的方法，將Pb(NO3)2以水溶液的形式分5次加入到盆土中，避免重金屬的流失。每10 d后測定各生理指標。共計50 d。

1.3 試驗方法

1.3.1光合作用相關生理因子的測定 采用美國Li-Cor公司生產的LI-6400便攜式光合測定儀測定光合數(shù)據(jù)，測量均在上午9:00-11:00，天氣晴朗無風條件下進行。測定時選取生長良好、大小相近的葉片，以專用內置紅藍光源控制葉室，光強設置為1 200 μmol·m-2s-1，CO2濃度設定為400 μmol·mol-1(使用CO2鋼瓶)。溫度控制在28°C[11]，設定系統(tǒng)內氣流速度為500 μmol·s-1，對照組和處理組分別選取3片葉子測定，并做好標記，每片葉子每次測量重復記錄3組數(shù)據(jù)，然后計算其平均值。測定指標包括葉片凈光合速率(Pn，μmol CO2·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol H2O·m-2·s-1)、氣孔導度(Gs，mol H2O·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol CO2·mol-1)。

1.3.2光合熒光參數(shù)的測定 在植株生長到最后階段時，采用美國LI-Cor公司生產的LI-6400便攜式光合測定儀，使用熒光葉室，測定絹毛委陵菜的熒光參數(shù)。測量條件與測量光合的條件一致。參照Ralph[12]的方法，將葉片暗適應30 min，測定初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)。從每個培養(yǎng)盆中選取長勢基本一致的絹毛委陵菜的葉片的相同部位做好標記并進行測量，獲得3個以上的平行數(shù)據(jù)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算：可變熒光Fv(Fv=Fm-Fo)、PSII最大光化學效率(Fv/Fm)、PSII潛在活性(Fv/Fo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

計算和繪圖采用Excel 2003軟件進行，方差分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行，多重比較分析和顯著性分析使用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 重金屬鉛脅迫對絹毛委陵菜光合特性的影響

2.1.1鉛脅迫對凈光合速率(Pn)的影響 植物的凈光合速率積累的有機物，是植物進行生長發(fā)育的重要物質基礎，試驗結果表明，Pn會隨著脅迫時間的延長和濃度的升高呈明顯下降趨勢。如圖1，在10 d時，Pb 300與Pb 600有較小幅度的上升，分別上升0.34%，1.07%，Pb 300與Pb 600較對照組差異性不顯著，Pb2000與其它各組差異性顯著(P<0.05)，Pb 2 000較對照組下降了24.37%；20 d，30 d時的變化幅度與第10 d基本相同，Pb 300與對照組差異性不顯著，20 d時，Pb 2 000較對照組差異性顯著(P<0.05)，比對照組下降了31.69%，30 d時，Pb 2 000較對照組下降了50.04%。在重金屬鉛脅迫50 d時，隨著濃度的增加，Pn的下降趨勢和下降幅度加快。處理組Pb 300與對照組相比下降了24.37%，但可以正常生長。剩余的處理組與對照組相比均差異性顯著(P<0.05)。各處理組分別比對照組下降了37.52%，69.41%，75.96%，79.35%。

圖1 鉛脅迫對葉片凈光合速率的影響Fig.1 Effect of heavy metal lead stress on net photosynthetic rate of leaves注：不同小寫字母表示同一時間不同處理濃度間顯著差異(P<0.05)，下同Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different pb concentrations at the same time at the 0.05 level; The same as below

2.1.2鉛脅迫對氣孔導度(Gs)的影響 氣孔導度指的是氣孔的張開程度，葉片氣孔是控制二氧化碳由大氣進入葉肉組織以及水分從葉片內部擴散到周圍空氣中的閥口，其參與植物的多種生理過程。由圖2可知，絹毛委陵菜受到重金屬鉛的脅迫后，氣孔導度出現(xiàn)下降趨勢，且濃度越大下降趨勢越明顯。在第10 d時，Pb 300較對照組略微上升，其余處理組隨濃度的升高氣孔導度逐漸下降。20 d時，Pb 300，Pb 600與對照組差異性不明顯，其余各組與對照組相比顯著下降。自30 d開始，各處理組之間差異性顯著，呈下降趨勢。在50 d時，植株的氣孔導度達到最低，各處理組分別比對照組下降了21.81%，62.31%，66.31%，67.19%，74.74%。

圖2 鉛脅迫對葉片氣孔導度的影響Fig.2 Effect of heavy metal lead stress on stomata conductance of leaves

2.1.3鉛脅迫對蒸騰速率(Tr)的影響 蒸騰作用承擔了植物吸收水分和轉運水分的主要工作，能夠保持細胞組織形態(tài)完好，且能將光合作用和氧化代謝中產生的多余熱能散到植株體外。如圖3可知，蒸騰速率的變化趨勢與凈光合速率和葉片氣孔導度的變化趨勢相似。隨著鉛脅迫濃度的加大蒸騰速率逐漸下降，各處理組與對照組相比均差異性顯著，處理50 d時的各個濃度梯度分別比對照組降低了43.01%，53.51%，54.54%，57.61%，68.28%；處理組Pb 300，Pb 600，Pb 1 000，Pb 1 500差異性顯著。

圖3 鉛脅迫對葉片蒸騰速率的影響Fig.3 Effect of heavy metal lead stress on transpiration rate of leaves

2.1.4鉛脅迫對胞間CO2濃度(Ci)的影響 如圖4可知，胞間CO2濃度與脅迫濃度呈正相關。10 d，20 d，各處理組與對照組相比上升趨勢大致相同，30 d，40 d，50 d上升幅度較大。10 d，20 d時，Pb 300與對照組差異性不顯著，其他各處理組與對照組均差異性顯著(P<0.05)。在30 d時，Ci急劇上升，各處理組間差異性顯著，分別比對照上升了8.17%，35.28%，46.01%，54.33%，75.22%。此時，Pb2000的生長較其它組生長緩慢。40 d，50 d時，各處理組Ci一直在上升，但是上升的幅度基本保持一致。50 d各處理組分別比對照組增加了13.58%，24.59%，31.37%，43.98%，73.51%，此時處理濃度Pb 1 000，Pb 1 500，Pb 2 000的植株地上部分已干枯接近死亡。

圖4 鉛脅迫對葉片胞間CO2濃度的影響Fig.4 Effect of heavy metal lead stress on intercellular CO2 concentration of leaves

2.2 重金屬鉛對絹毛委陵菜葉綠素熒光參數(shù)的影響

植物在正常情況下，PSII最大光化學效率(Fv/Fm)的數(shù)值穩(wěn)定，一般在0.75～0.85之間，這一數(shù)值與物種無關，只有在植物受到外界不良環(huán)境脅迫時，F(xiàn)v/Fm的數(shù)值會顯著下降[13]。Fv/Fm的值反映了PSII反應中心均處于開放狀態(tài)時的量子產量，即PSII的潛在最大量子產量[14]。如圖5，在重金屬脅迫到第50 d時，處理組Pb300與對照組PSII最大光化學效率相比，差異性顯著，其他4個處理組與對照組相比均差異性顯著(P<0.05)，分別比對照組下降了13.75%，21.12%，29.53%，38.63%。說明此時濃度較大的處理組可能導致了PSII反應中心失活，而對絹毛委陵菜的生長產生了阻礙。

Fv/Fo反映了PSII的潛在活性，是Fv/Fm的另一種表達方式，同樣表明光化學反應狀況，不同的是Fv/Fo對脅迫的響應更為敏感，變化幅度也更大。如圖6，鉛脅迫下PSII潛在活性隨著濃度的增大逐漸出現(xiàn)下降的趨勢，且所有處理組與對照組相比均差異性顯著(P<0.05)，表明重金屬Pb2+脅迫對絹毛委陵菜產生了顯著影響。

圖5 鉛脅迫對PSII最大光化學效率(Fv/Fm)的影響Fig.5 Effect of lead stress on maximal photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm)

圖6 鉛脅迫對PSII潛在活性(Fv/Fo)的影響Fig.6 Effect of lead stress on Potential activity of PSII (Fv/Fo)

3 討論與結論

重金屬脅迫對地被植物等所造成的破壞作用主要是與受脅迫的時間長短以及處理組重金屬濃度的大小有著一定的聯(lián)系[15]。大量研究表明,重金屬對植物光合作用的影響是通過干擾呼吸和光合過程中的電子傳遞、生物酶活性和破壞葉綠體的完整性來實現(xiàn)，這種抑制作用具有時間和濃度效應。植物的凈光合速率一般隨重金屬濃度的升高呈先上升后下降[16]或一直呈下降的趨勢[17]。在本試驗中，隨著脅迫時間和脅迫濃度的增加，絹毛委陵菜的凈光合速率顯著下降，與牟蘭[18]，楊文權[19]，Krupa Z[20]的研究結果一致。劉洋等[21]的研究中表明紅椿(Toonaciliate)幼苗葉片的蒸騰速率隨濃度的增加逐漸下降，李文嬈等[22]也發(fā)現(xiàn)隨著水分脅迫時間的延長，紫花苜蓿的蒸騰速率也顯著下降。這與本試驗研究結果一致。氣孔因素和非氣孔因素都會影響光合速率[23]。Farquhar等[24]認為，檢查氣孔因素限制是否為光合速率的原因，要同時看氣孔導度的大小和胞間CO2濃度的變化。當光合速率下降時，如果兩者同時下降，說明光合速率的降低主要是由于氣孔因素限制所致；如果氣孔導度下降而胞間CO2濃度升高，則表明此時光合速率下降的主要原因是非氣孔因素限制所致。本試驗中，Pn、Gs下降，Ci升高說明影響絹毛委陵菜光合速率的原因是非氣孔因素限制。

光合作用是植物體中重要的代謝過程，而葉片葉綠素熒光與光合作用密切相關，因此將葉綠素熒光參數(shù)作為光合反應中靈敏的指標[25]。而Fv/Fm和Fv/Fo值用于度量植物葉片PSII原初光能轉化效率和PSII潛在活性，是表明光化學反應狀況的2個重要參數(shù)[26]。葉綠素熒光參數(shù)的變化能夠反映外界的環(huán)境脅迫對植物光合作用各過程產生的影響[27]。在本試驗中，隨著Pb2+處理濃度的增大，葉片最大光化學效率(Fv/Fm)明顯下降，且在Pb 1 000，Pb 1 500、Pb 2 000處理時下降幅度較大，各處理組均與對照差異顯著。不同濃度的Pb2+脅迫處理對絹毛委陵菜的Fv/Fm影響不同，原因可能是低濃度處理激發(fā)了植物體內鉛的解毒機制，將Pb2+脅迫對PSII的抑制作用降到最低。試驗結果表明，絹毛委陵菜的光化學效率隨著Pb2+脅迫濃度增大，逐漸減小，表明鉛脅迫引起PSII反應中心的開放程度和捕獲激發(fā)能的效率下降。在Fv/Fm代表光反應中心的原初光能轉換效率，反映植物體內進行光合作用的潛在的最大光合能力[28]。本試驗中隨著脅迫濃度的增大Fv/Fm逐漸減小，與韓張雄[29]、萬雪琴[30]、劉曉靜[31]等的研究結果保持一致。

在重金屬鉛脅迫下，隨著脅迫時間的延長，各處理組光合參數(shù)與對照是存在顯著差異的。

絹毛委陵菜的Pn、Gs和Tr變化趨勢隨著脅迫時間和脅迫濃度的增加逐漸降低，Ci變化趨勢逐漸升高。此時非氣孔因素限制是影響絹毛委陵菜光合速率下降的主要原因。熒光參數(shù)Fv/Fm和Fv/Fo顯著下降，表明植物的光合系統(tǒng)受到破壞，光合物質合成減少，植物的生長受到抑制。絹毛委陵菜在一定的脅迫濃度范圍內(Pb 300，Pb 600)可以存活，可以考慮將絹毛委陵菜作為重金屬鉛輕微污染地區(qū)的修復植物。