侧柏和国槐对干旱和铅胁迫的耐性及对铅污染土壤的修复

【摘要】铅是一种有毒重金属元素，严重影响人类健康及动植物的生存。铅在表土累积后，会影响土壤生化活性，降低农作物的产量，并可通过食物链影响人类健康。铅进入植物后叶绿素含量会降低，呼吸作用也会受到抑制。铅的积累还会对细胞代谢产生直接影响，破坏植物体内酶系统，以及影响各种酶的活性。在干旱、半干旱地区，干旱胁迫成为影响植物生长的主要限制因子。长期干旱胁迫下，植物的地径、株高、生物量、根冠比等都会发生变化。因此，干旱是西北矿区铅污染土壤植物修复过程中的一大重要限制因素。本文以侧柏(Platycladusorientalis)和国槐(Sophorajaponica)为材料，通过室内发芽试验研究了聚乙二醇(polyethyleneglycol，PEG)预处理对不同铅浓度下侧柏、国槐种子的萌发及幼苗生长的影响，及PEG模拟干旱胁迫与铅交叉逆境下侧柏、国槐幼苗的生长生理响应；通过盆栽试验，研究了1年生侧柏、国槐苗在土壤干旱及铅胁迫下生长情况和生理变化，铅在两种植物体内的分布及富集状况，以及两种植物对铅污染土壤理化性质和土壤酶活性的影响，揭示两种植物对逆境的耐性及对铅污染土壤的修复能力。不仅可以进一步从理论上阐明修复树木对干旱与重金属复合胁迫的生理生态响应机制，而且对我国西北矿区重金属污染土壤的人工植被恢复与生态环境建设也具有重要的理论指导意义。取得的主要研究结论如下：1.通过用不同浓度的PEG溶液浸种处理侧柏、国槐种子，研究PEG预处理对铅胁迫下两种树木种子萌发及幼苗生长的影响，结果表明：PEG预处理可以促进侧柏种子的萌发，经不同浓度PEG预处理的侧柏种子在铅胁迫下的生长较未经处理组有所提高，且10%和20%PEG预处理要好于30%PEG预处理；PEG预处理加剧了铅对国槐生长的抑制作用。2.通过室内光照培养箱对侧柏和国槐种子进行催芽，待幼苗长至两叶一心期时，选取长势一致的两种植物幼苗进行干旱和铅交叉胁迫处理，研究交叉胁迫下两种幼苗生长生理的响应，结果表明：一定程度的干旱胁迫处理能诱导侧柏和国槐幼苗对铅胁迫的交叉适应，具体表现为幼苗根长、苗长、茎粗增加、细胞膜透性降低、SOD活性增加。且对侧柏而言，20%PEG处理效果最佳，对国槐则10%PEG处理效果最佳。经过铅胁迫处理后，侧柏幼苗对干旱胁迫的耐性有所增加，特别是在30%PEG模拟的干旱胁迫下表现得最为明显。经铅处理后的国槐幼苗在干旱胁迫下的生长指标较未经铅处理幼苗均降低。3.通过土培盆栽试验研究1年生侧柏、国槐苗木在干旱和铅单一及复合胁迫下生长、生理特性的变化，结果表明：干旱胁迫抑制了侧柏和国槐地径、株高的生长，降低了两种植物的生物量积累，且使生物量分配也发生了变化。一定浓度的铅对侧柏和国槐的生长均具有促进作用，两种植物的生长指标分别在1000mg/kg和500mg/kg时达到最大值。干旱和铅复合胁迫下，干旱胁迫对两种植物生长的影响占主导作用，但铅在一定程度上能减轻干旱胁迫对两种植物的伤害。干旱胁迫下侧柏和国槐叶片内叶片相对含水量降低，SOD、POD活性及叶片脯氨酸含量增加，且国槐叶片的增幅要大于侧柏；两植物叶片中MDA含量均随着干旱胁迫程度的增加而增加。铅在2000mg/kg浓度范围内，侧柏叶片SOD、POD活性均先增加后降低，MDA含量在1000mg/kg达到最小值后增加，在2000mg/kg时显著高于对照；国槐叶片在铅胁迫下SOD活增加，但POD活性和叶片脯氨酸含量降低，MDA含量呈先降低后增加的趋势，在300mg/kg时低于对照。干旱和铅复合胁迫下，侧柏和国槐SOD、POD活性和脯氨酸含量变化不尽相同，与干旱胁迫水平及铅浓度有关。干旱胁迫打破了侧柏和国槐对矿质元素的吸收及分配平衡。两种植物根、茎和叶中不同矿质元素及不同部位的同种元素含量对干旱胁迫的反应不同且差异显著，侧柏在干旱胁迫下各种大量元素含量均增加且维持在较高水平。铅胁迫下侧柏和国槐根中大量元素增加。干旱和铅复合胁迫对两种植物体内矿质元素含量产生了显著影响，不同浓度的铅和不同程度的干旱胁迫处理对侧柏和国槐体内矿质元素表现出协同或者拮抗作用，但作用类型因元素种类及其部位不同而不同。4.通过对侧柏和国槐体内铅含量测定，研究了两种植物对铅的耐性及富集能力，结果表明：侧柏和国槐各器官铅含量均随着土壤中铅浓度的增加而增加，且对铅的吸收都主要积累在根部，地上部叶和茎中都较少，但叶中铅含量要高于茎。同一铅浓度下，侧柏体内的铅含量要高于国槐。两种植物的铅富集系数、转运系数均随着铅浓度的增加而降低。侧柏的铅富集系数要高于国槐，国槐的转运系数要高于侧柏，但两种植物的转运系数均小于1.0。干旱胁迫会影响两种植物对铅的富集与转运，但影响效果因植物种类而异。5.通过测定无植物生长与有侧柏、国槐苗木生长的土壤理化性质及土壤酶活性，研究干旱和铅对土壤理化性质及土壤酶活性的影响，同时分析侧柏和国槐对铅污染土壤的修复能力，结果表明：干旱和铅胁迫对土壤速效养分含量影响较大。一定程度的干旱胁迫(80%和60%SRW)对土壤中脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性均表现出激活作用，且在SRW为60%时，3种酶活性均达到最大值；低浓度铅对脲酶活性影响不显著，当铅浓度达到1000mg/kg时脲酶显著降低；500mg/kg浓度范围内的铅对土壤蔗糖酶活性有一定的促进作用，高于此浓度时铅显著抑制其活性；碱性磷酸酶活性随着铅浓度的增加逐渐降低。复合胁迫对土壤理化性质及土壤酶活性产生了显著影响，且两者之间存在交互作用，但交互作用的类型因铅浓度和土壤相对含水量不同而不同。种植侧柏和国槐后，土壤理化性质得到了改善，土壤肥力增强。侧柏和国槐土壤酶活性较无植物生长土壤酶活性有较大幅度增加。侧柏和国槐促进了整个土壤酶系统的恢复，两种植物对铅污染土壤都具有一定的修复作用。
【作者】周芙蓉；
【导师】王进鑫；
【作者基本信息】西北农林科技大学，环境科学，2014，博士
【关键词】木本植物；干旱胁迫；铅污染；抗氧化酶活性；植物修复；

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