氮肥对镉Cd胁迫下结缕草生长和生理特性的影响

白瑞霞+徐苏男+陈忠林

摘要：采用盆栽试验，研究了不同氮肥用量[0、200、300、400 mg/kg CO（NH2）2]对镉（Cd）胁迫（50 mg/kg）下结缕草生长和生理特性的影响。结果表明：Cd胁迫下结缕草的生长指标（叶长、株高、根长和生物量）和保护酶（SOD、POD和CAT）活性均显著下降，而丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）和可溶性蛋白的含量均大幅度上升。施加不同浓度的氮肥后，Cd胁迫下结缕草的生长和保护酶活性均有所提高；可溶性蛋白、MDA和Pro的含量均有所降低。施用氮肥对Cd胁迫下结缕草具有一定的缓解作用，当氮肥浓度为300 mg/kg时缓解效果最为显著。

关键词：结缕草；氮肥；Cd胁迫；生长指标；生理特性

中图分类号： S688.401 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0245-03

随着工农业迅速发展，土壤中镉（Cd）污染程度日趋严重。Cd很难被降解，只能在各种形态之间进行相互转化、分散和富集，易被植物吸收，并且能通过食物链在动物和人体内富集[1]。随着Cd浓度的增大，游离脯氨酸（Pro）和可溶性糖含量先升高后降低，细胞膜透性逐渐升高[2]。在黄松田水稻土中，受Cd污染后水稻生理指标的变异系数依次为过氧化物酶活性>叶绿素含量>脯氨酸含量[3]。

氮素是植物生长所必需的营养元素，也是主要的养分限制因素[4]。研究表明，氮肥不同比例分期追施使玉米叶片生育后期保护酶（SOD、CAT、POD）活性增强[5]。也有研究指出在小麦四分体形成期施氮，提高了旗叶衰老初期可溶性蛋白含量和衰老后期的光合速率，显著提高了粒质量和籽粒产量[6]。施高量尿素都显著提高了水稻籽粒中Cd含量[7]，说明氮肥对Cd污染具有修复作用。 结缕草（Zoysia japonica）是重要的多年生暖季型草坪草，具有耐热、耐旱、耐盐碱、耐瘠薄[8]等优良特性。结缕草应用于Cd污染土壤的修复已有报道[9-10]，而有关氮肥对Cd胁迫下如何具体影响植物生理特性的报道较少。本研究以结缕草为对象，探讨了氮肥对Cd胁迫下株高、叶长、生物量、保护酶、可溶性蛋白、丙二醛（MDA）和Pro的变化，为揭示氮肥对Cd胁迫下结缕草的生理代谢响应机制提供参考，也为重金属污染土壤修复实践提供指导。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤类型为沙壤土，采自辽宁大学环境学院生态园（123°24″E，41°31″N）[10]，土壤的基本理化性质见表1。

1.2 试验材料及设计

试验用土过2 mm筛后装入直径13 cm、高度10 cm塑料花盆中，每个花盆装土1 kg。2013年6月从结缕草草坪中选1块盖度及密度均匀一致的草皮，截面积为5 cm×5 cm的草皮块移植到每个花盆中，将花盆放置于生态试验园内。2014年6月20日开始对结缕草施加Cd2+（以CdCl2·25H2O 形态加入），浓度为50 mg/kg；并施不同浓度的氮肥0、200、300、400 mg/kg CO（NH2）2。在处理后第8天进行样品测定。试验共分5个处理，每个处理3次重复。具体试验设计见表2。

1.3 测定方法

1.3.1 生长指标 株高、叶长、根长用直尺直接测量；地上生物量是紧贴地表剪下结缕草的地上部分；地下生物量是除去地上部分之外的部分，将洗干净的地上、地下部分均放在105 ℃ 的烘箱内杀青30 min，在80℃ 下烘24 h 至恒质量，取出称质量。

1.3.2 保护酶活性 剪取不同处理植株相同部位的叶片带回实验室测定各项指标。SOD活性采用NBT光化还原法[7]测定；CAT活性采用氧化还原法[7]测定；POD活性采用愈创木酚法[8]测定。

1.3.3 MDA含量 采用硫代巴比妥酸显色法[9]测定。

1.3.4 脯氨酸含量 采用酸性茚三酮法[10]测定。

1.3.5 可溶性蛋白含量 采用考马斯亮蓝G250染色法[8]测定。

1.4 数据分析

用Excel录入数据，采用SPSS 17.0数据分析软件，对所有试验数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同用量氮肥对镉胁迫下结缕草生长指标的影响

由表3可知，Cd胁迫下的结缕草的叶长、株高、根长、地上和地下生物量与CK相比均大幅度下降，分别下降4029%、25.84%、31.45%、27.22%、32.10%，且差异性达显著水平（P

2.2 不同用量氮肥对Cd胁迫下结缕草保护酶系统的影响

在Cd胁迫下，结缕草叶片中的保护酶活性POD、SOD、CAT明显降低，比CK组分别下降32.17%、43.24%、64.41%（表4），且差异显著（P0.05）。

2.3 氮肥对Cd胁迫下结缕草丙二醛（MDA）含量的影响

在Cd胁迫下结缕草叶片中的丙二醛含量剧增（图1），比CK组增加116.89%，差异显著（P

2.4 不同用量氮肥对 Cd 胁迫下结缕草叶片脯氨酸（Pro）含量的影响

在Cd胁迫下结缕草叶片中的Pro含量增加（图2），比CK组增加78.82%，说明Cd对结缕草已经造成了伤害。不

同浓度的氮肥对Cd胁迫下的结缕草叶片的Pro含量均有一定程度的降低，氮肥浓度为300 mg/kg的处理较Cd组显著下降，降低了42.15%，差异达显著水平（P<0.05），且二者之间差异显著（P<005）。

2.5 不同用量氮肥对 Cd 胁迫下结缕草可溶性蛋白含量的影响

从图3可以看出，Cd胁迫下结缕草可溶性蛋白含量提升，比CK组增加19.21%，说明结缕草植株通过增加渗透性物质的量来调整渗透压，减轻Cd对植株的毒害。200、300、400 mg/kg处理组分别比Cd组降低9.70%、12.07%、260%，且200、300 mg/kg处理组与Cd组相比差异显著（P<0.05），说明氮肥对Cd胁迫下结缕草可溶性蛋白含量降低起一定作用。

3 结论与讨论

3.1 施氮肥对 Cd 胁迫下结缕草生长指标的影响

重金属污染影响植物生长，甚至导致死亡[11]。合理的土壤施肥可显著促进植物的生长发育，提高产量及产品品质[12]。镉胁迫对幼苗根长影响最为显著，因此根长的变化是指示植物受重金属毒性影响的一个重要指标[13]。大量研究结果表明，氮元素在施肥过程中对植物的生长影响较大[14]。本研究中，结缕草的叶长、株高、根长和生物量在Cd胁迫下明显降低，适当浓度氮肥处理可以促进Cd胁迫下结缕草的生长，使上述各指标升高，从植物表型生长指标的角度体现出施氮肥处理对Cd胁迫下结缕草生长的影响，各指标在 300 mg/kg 氮肥浓度处理组达到最大值，说明只有合适的供氮量才能更好地缓解Cd对植物造成的伤害。这与贾瑞丰等的研究结果[15]类似。

3.2 施氮肥对 Cd 胁迫下结缕草抗氧化酶活性和 MDA 含量的影响

不良环境能诱发生物代谢过程中产生的自由基而对植物膜有伤害作用，POD、SOD 和CAT共同组成植物体内的活性氧清除系统，可有效清除植物体内的自由基和过氧化物，减轻植物受害程度[16]。MDA 是植物细胞膜质中不饱和脂肪酸发生过氧化作用的最终产物之一，其含量的多少在一定程度上代表了细胞膜的损伤程度和植物对逆境反应的强弱[17]。

在Cd胁迫下，结缕草叶片3种酶活性均有不同程度的降低，说明其活性受到不同程度的抑制，可能是Cd干扰其分子结构或产生的活性氧自由基超过它们的清除能力，加剧了膜脂过氧化。同时MDA的含量增加，说明Cd对结缕草膜脂质氧化强度增大，并可能对膜系统结构造成伤害。这与周爽等的研究结果[18]一致。施加不同浓度的氮肥后，POD、SOD 和CAT的活性增强，MDA含量下降，说明氮肥可以有效缓解Cd胁迫对结缕草的伤害，通过生理生化调节提高结缕草抗性，从而增强结缕草体内多余活性氧物质，以及由活性氧歧化产生的H2O2等物质的清除能力，有效降低细胞膜脂过氧化程度，从而减轻Cd对植物细胞的损伤，这与张晓萍等的研究结果[19]类似。从以上指标可以看出，在本研究中300 mg/kg的氮肥浓度对Cd胁迫的缓解效果最为明显。

3.3 施氮肥对Cd胁迫下结缕草渗透性调节物质含量的影响

逆境条件下植物体内积累Pro具有一定的普遍性，它可作为渗透调节物质等对植物起保护作用[20]。可溶性蛋白是植物体内重要的渗透性调节物[21]，植物在逆境条件下通过积累有机物来调节细胞的渗透压，以增强适应环境的能力[22]。本研究中，Cd胁迫下结缕草叶片中Pro和可溶性蛋白含量大幅度上升，说明结缕草可能主要通过积累Pro和可溶性蛋白来提高其渗透性调节能力，与刘俊祥等的研究结果[23]类似。施氮肥后，二者含量均有所下降，可能是由于植株体内的保护酶和MDA活性得到提升，致使细胞内活性氧产生和清除之间的平衡得以维持，细胞膜脂过氧化程度降低，细胞的渗透压得到调整，说明氮肥在一定程度上可缓解Cd对结缕草的毒害。同生长指标和抗氧化酶活性的变化一致，300 mg/kg的氮肥浓度要优于200 mg/kg和400 mg/kg的浓度处理。

综上所述，施氮肥可以有效缓解Cd胁迫对结缕草生长及生理特性的影响，3种浓度的氮肥处理均表现出了对Cd胁迫的缓解作用。Cd胁迫下结缕草对土壤氮营养水平需求有一定的限量，适量的氮肥能够在一定程度上改善Cd对结缕草植株生长和生理特性的影响。因此，在结缕草生长的土壤受到镉污染的情况下，建议可以施加300 mg/kg左右浓度的氮肥来进行改善。

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