模擬礦區(qū)錳脅迫對入侵植物喜旱蓮子草的影響

張寶成，曹運琴，曾 剛，李德輝

（1.茅臺學院，貴州 仁懷 564507；2.遵義師范學院生物與農(nóng)業(yè)科技學院，貴州 遵義 563006）

錳礦在貴州省的分布量比較大，錳的平均品位高，高品質(zhì)的碳酸錳富錳礦石儲量超過7 000 萬t［1］。遵義市是貴州省錳礦的重要分布區(qū)，煤礦開采會產(chǎn)生大量的錳礦渣，含錳的部分物質(zhì)可以通過粉塵進入大氣產(chǎn)生污染［2］。長期的礦渣堆積會使周邊土壤的錳濃度增加，改變礦區(qū)周圍土壤的理化性質(zhì)，從而對土壤造成污染。礦區(qū)長期開采后，土壤的理化性質(zhì)被改變，一般植物難以生長，導致礦區(qū)植被覆蓋率低、生物多樣性低等環(huán)境問題，造成生態(tài)環(huán)境脆弱，裸露的土壤經(jīng)過水蝕和風蝕產(chǎn)生高濃度的錳進入水域造成水域污染，長此以往會造成當?shù)氐乃廖廴荆绊懙饺藗兊慕】担?］。研究表明，水土被金屬污染后，人飲用后金屬進入人體，與人體內(nèi)的蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生強烈反應，使人體內(nèi)的蛋白質(zhì)及酶失活，就會造成急性、亞急性以及慢性中毒等疾?。?］。

礦區(qū)的修復技術(shù)是促進礦山開發(fā)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。礦區(qū)的物理修復有客土法，主要針對局部土壤，使局部土壤達到利用要求。中國的礦山通常位于偏遠的區(qū)域，大量的運輸成本造成恢復成本高?；瘜W修復法利用化學物質(zhì)與土壤溶液中重金屬發(fā)生反應，使重金屬活性降低或?qū)⒆饔煤蟮闹亟饘僦苯訌耐寥乐腥コ姆椒?。入侵植物到新的區(qū)域天敵少，其適應性強、可塑性強、生長快［5-7］。喜旱蓮子草為一種入侵植物，廣泛分布于中國的陸地和水域，適應能力強，探索其對高濃度金屬的生理生化特性，可為礦山開采后的生態(tài)修復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

采集茅臺學院土壤，去除植物枯枝落葉和石礫，把土壤過篩混合均勻后裝入花缽。采集均勻一致的喜旱蓮子草扦插作為試驗材料，定期澆水管理，生根1 周后，選取大小均一的植株隨機分為5 組，每組4個重復，分別用濃度0%（對照）、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的氯化錳溶液澆灌，隔一段時間分別記錄植株生長情況。

1.2 方法

喜旱蓮子草生長澆灌生長95 d 后測定每株的葉面積、葉片中脯氨酸含量（μg/g）、可溶性糖含量（mg/g）、葉片中的淀粉含量（mg/g）、葉中丙二醛（μmol/g）和葉綠素（mg/g）［8-11］。并將其根際土壤風干、磨細、過篩，測定其根際土壤中的蔗糖酶、蛋白酶和脲酶的活性。

土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性采用比色法進行測定［12］。使用Excel 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，利用SPSS 軟件進行方差分析、多重比較及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 錳對喜旱蓮子草葉綠素含量的影響

不同濃度氯化錳對葉綠素含量的影響見圖1。由圖1 可知，隨氯化錳濃度的增加，喜旱蓮子草的葉綠素a 濃度呈下降趨勢，處理組葉綠素a 濃度為對照的0.83～0.96 倍；葉綠素b 濃度也隨氯化錳濃度的增加而逐漸下降，處理組是對照組含量的0.52～0.81倍；不同氯化錳濃度的喜旱蓮子草類胡蘿卜素含量無明顯變化，為對照組的0.94～1.06 倍；處理組總?cè)~綠素含量為對照組的0.74～0.93 倍。

2.2 錳對喜旱蓮子草葉片的影響

不同濃度氯化錳對葉片生理指標的影響見圖2。由圖2 可知，0.5%氯化錳處理組的可溶性糖含量為0.41 mg/g，與對照組（0.34 mg/g）差異不顯著（P＞0.05）。當氯化錳為1.0%、1.5%、2.0%時，可溶性糖含量要顯著高于對照（P＜0.05）。所有氯化錳處理組的脯氨酸含量均顯著高于對照（P＜0.05），為對照的1.23～2.97 倍。不同濃度氯化錳處理的喜旱蓮子草葉中丙二醛含量無明顯差異（P＞0.05），各處理組丙二醛濃度為對照組的1.00～1.07 倍。0.5%氯化錳組的淀粉含量為2.46 mg/g，與對照組（2.28 mg/g）差異不顯著（P＞0.05），其他濃度處理組淀粉含量均顯著低于對照組（P＜0.05），為對照組的0.14～0.43 倍。

圖2 不同濃度氯化錳葉片生理指標變化

2.3 錳對喜旱蓮子草葉片及株高的影響

不同濃度氯化錳對葉片的影響見表1。由表1可知，隨著氯化錳濃度的增加，單株葉片數(shù)和葉面積均呈增加趨勢，氯化錳濃度為1.5%時，單株葉片數(shù)和葉面積均為最高，分別為12.25 片和52.18 cm2。葉質(zhì)比也隨著氯化錳濃度增加而增加，在氯化錳濃度為1.5%時最大，為51.77 cm2/g；不同濃度氯化錳處理后單葉片面積均低于對照。

表1 不同濃度氯化錳處理對葉數(shù)目及葉面積的影響

不同濃度氯化錳對株高的影響見圖3。由圖3可知，不同濃度氯化錳處理組喜旱蓮子草株高與對照組在5 和20 d 時差異不顯著（P＞0.05）。40 d 時，對照組株高要顯著高于各個氯化錳處理組（P＜0.05），其中0.5%氯化錳組顯著高于其處理組（P＜0.05）。氯化錳處理60 、80 和95 d 后各處理組株高的變化與40 d 時變化趨勢一致。

圖3 不同濃度氯化錳脅迫下喜旱蓮子草株高

2.4 錳對喜旱蓮子草根際土壤酶活性的影響

不同濃度氯化錳對土壤酶活性的影響見圖4。由圖4 可知，與對照組相比，1.0%和1.5%氯化錳處理組的蔗糖酶活性有所，但差異不明顯（P＞0.05）。2.0%處理組蔗糖酶活性顯著高于對照組（P＜0.05）。各個氯化錳處理組土壤蛋白酶活性和脲酶活性均顯著小于對照組（P＜0.05），且隨著氯化錳處理濃度的增加呈現(xiàn)降低趨勢，蛋白酶活性降低幅度較大，脲酶降低幅度較小。

圖4 氯化錳脅迫對土壤酶活性影響

錳脅迫下喜旱蓮子草的生理指標與土壤酶相關(guān)性分析見表2。由表2 可知，丙二醛與蔗糖酶活性呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）。蔗糖酶活性與可溶性糖、脯氨酸均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與淀粉含量呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）。這表明喜旱蓮子草的地上部分與地下部分密切相關(guān)。

表2 錳脅迫下喜旱蓮子草的生理指標與土壤酶相關(guān)性分析

3 小結(jié)

3.1 錳脅迫對喜旱蓮子草的影響

葉綠素是植物吸收光能重要的色素，它是評價植物衰老的重要參數(shù)之一［13］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著錳脅迫濃度增加，葉綠素逐漸降低，這可能是因為高濃度錳影響了喜旱蓮子草葉合成葉綠素的酶，導致其葉綠素含量降低［14］。葉綠素含量可作為植物脅迫的生理指標之一。本研究發(fā)現(xiàn)，喜旱蓮子草葉片中可溶性糖濃度隨氯化錳濃度增加而增加，這可能是在錳脅迫下影響了喜旱蓮子草對水分的吸收。植物通過增加葉片中可溶性糖含量來增加葉細胞溶質(zhì)濃度，來適應其葉片水勢改變［15］。植物在錳脅迫下，可溶性糖含量隨錳濃度的升高而不斷積累，植株通過增加可溶性糖濃度，從而增加細胞中溶液濃度以應對脅迫，因此可溶性糖含量可作為研究抗脅迫機制的一項重要生理指標。

劉曉嘉［16］研究發(fā)現(xiàn)，觀賞果樹在受鉛鎘脅迫后，葉片中的可溶性糖和脯氨酸濃度受重金屬濃度增加而增加，這與本研究結(jié)果一致。淀粉是光合產(chǎn)物積累的一種形式，對照組和0.5%氯化錳處理組下淀粉含量分別為2.28、2.46mg/g，當氯化錳濃度在1.0%～2.0%時，淀粉含量為對照的14.47%～42.98%，這說明在氯化錳脅迫下，喜旱蓮子草通過降低淀粉的積累來增加可溶性糖濃度以適應環(huán)境壓力。

丙二醛反映膜脂受氧化的程度，可作為判斷植物脅迫傷害程度的重要參數(shù)［17］。本研究結(jié)果表明，在不同氯化錳濃度處理下，丙二醛數(shù)值沒有明顯變化，氯化錳濃度為2.0%時對喜旱蓮子草葉中丙二醛濃度也沒有明顯影響，這表明喜旱蓮子草對氯化錳的耐受性比較強。喜旱蓮子草通過葉片的糖、淀粉和脯氨酸的含量來調(diào)節(jié)滲透勢，以減少細胞受損，可以作為錳礦區(qū)修復比較理想的植物。

3.2 錳脅迫對喜旱蓮子草根際土壤酶活性的影響

土壤蔗糖酶可以把糖分解為小分子物質(zhì)，有利于微生物作用下轉(zhuǎn)化為含有羥基和羧基的小分子物質(zhì)，這些物質(zhì)與金屬離子結(jié)合改變形態(tài)，可以降低金屬對植物的危害。土壤脲酶和蛋白酶分解可以把氮分解為小分子物質(zhì)，有利于植物的吸收［13］。土壤中的這些酶活性會影響植物葉片生理生化變化，植物根系與地上部分相互影響，兩者相互供應營養(yǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，葉面積隨氯化錳溶度的增加呈現(xiàn)出變小趨勢，喜旱蓮子草在氯化錳脅迫下通過改變?nèi)~片的數(shù)目、葉面積以適應環(huán)境。在氯化錳處理下，喜旱蓮子草通過降低單位面積的質(zhì)量使葉片變薄，從而增加葉面積以應對脅迫。在錳脅迫下，喜旱蓮子草葉片中糖濃度增加以改變滲透勢來適應環(huán)境，但降低了糖向淀粉的轉(zhuǎn)化，可以通過增加葉面積數(shù)量來彌補淀粉降低。