长汀稀土矿废弃地植被恢复优势树种种子萌发对镉和酸胁迫的响应

发布时间：2020-05-16 06:56

【摘要】：福建长汀县是我国南方典型的离子型稀土矿区。近年来,由于对稀土矿的大量开采和冶炼产生了大面积的废弃地,不但使土壤结构和植被遭到严重破坏,引发水土流失,同时还造成土壤酸化、重金属污染等生态环境恶化问题。因此,长汀矿山废弃地的植被恢复已成为当地亟需解决的重大环境问题。有关研究表明,影响长汀稀土矿废弃地植被恢复的主要因素为土壤酸化和重金属镉污染。在长汀稀土矿废弃地的治理过程中发现,枫香(Liquidambar formosana)、木荷(Schima superba)、胡枝子(L espedeza bicolor)和马尾松(Pinus massoniana)在长汀稀土矿废弃地植被恢复中取得理想的恢复效果,并得到了广泛应用。但是,退化生态系统的恢复是一个长期的过程,虽然通过人工建植的方式可达到废弃地植被的快速绿化,但植被恢复效果是否可以长期维持,生态系统是否可以自我恢复还是未知,而植物种子萌发是生态恢复效果长期维持和能否自我演替更新的关键。由于恢复时间的限制,目前对这4个树种是否可以在长汀稀土矿废弃地完成天然更新尚不清楚,4个树种的种子对酸镉胁迫的种子萌发及其形态生理响应尚不明晰。既然它们可适应酸和镉污染逆境环境,其种子可能存在有待挖掘的对酸和镉胁迫的适应策略。鉴于此,以马尾松、枫香、木荷、胡枝子4个长汀稀土矿废弃地植被恢复优势树种的种子为试验对象,设置不同梯度镉浓度(ck、5、10、20 mg·L~(-1))、pH值(ck,5.5,4.5,3.5)及酸镉复合胁迫pH-5.5+Cd-5模拟胁迫试验,测定不同胁迫处理下4个树种种子萌发、幼苗生长等形态学指标,以及不同萌发阶段体内抗氧化系统及渗透调节物质含量、淀粉酶活性、激素等生理指标,利用傅里叶红外光谱分析不同胁迫条件下4个树种种子体内化合物中官能团和极性键振动结构,比较不同酸和镉胁迫处理4个树种种子萌发的形态生理响应差异,分析种子萌发特性与幼苗生长以及生理特性之间的相关性,采用隶属函数分析对4个树种种子种子萌发和幼苗生长对酸和镉胁迫的响应进行综合性评价,最终揭示4个树种种子萌发和幼苗生长对重金属镉和酸胁迫的形态和生理响应策略,以期为我国矿山废弃地植被恢复提供科学依据。主要研究结果如下:(1)随pH的降低,枫香、木荷和马尾松种子发芽率、发芽势、发芽指数均呈先增后降的变化规律,pH-5.5对枫香、木荷和马尾松种子萌发均具有一定促进作用,但pH-3.5则具有抑制作用,酸胁迫对胡枝子种子萌发无显著影响。镉胁迫对马尾松种子有促进作用,但对胡枝子种子则具有抑制作用。枫香种子活力指数随镉胁迫浓度增大显著降低。Cd-10处理对木荷种子萌发有促进作用,但其他处理则有抑制作用。(2)pH-5.5、pH-4.5对枫香、木荷、马尾松芽苗的生长均具有促进作用,但pH-3.5则会抑制这3个树种的芽苗生长,各生长指标中根系对酸胁迫的反应最敏感。镉胁迫对胡枝子幼苗生长有显著抑制,但对木荷影响不显著。对枫香、马尾松幼苗的生长表现出“低促高抑”的规律,低浓度Cd-5具有一定促进,但镉浓度≥10 mg·L~(-1)时则表现出抑制作用,特别是对根系具有显著抑制。(3)酸胁迫条件下,4个树种体内抗氧化酶活性、可溶性蛋白和还原糖含量等在不同萌发阶段变化存在一定差异。在露白期,pH-4.5、pH-5.5处理下马尾松体内的CAT活性,枫香、胡枝子与马尾松体内的POD活性,木荷、胡枝子与马尾松体内的SOD活性均增大;枫香、木荷的可溶性蛋白含量,木荷、胡枝子与马尾松的还原糖含量均显著提高;枫香、木荷、马尾松可溶性糖含量随pH的降低均呈先增加后降低趋势。在发芽期,随pH的降低,枫香体内的CAT活性、木荷体内的SOD活性均先增后减,而胡枝子和木荷的CAT活性与胡枝子、马尾松SOD的活性则先减后增;酸胁迫对马尾松CAT活性、枫香与马尾松还原糖含量、胡枝子可溶性糖含量均具有促进作用。(4)镉胁迫条件下,4个树种体内抗氧化酶活性、可溶性蛋白和还原糖含量等在不同萌发阶段变化同样存在一定差异。在露白期,随镉浓度增加,木荷、胡枝子与马尾松的SOD活性、胡枝子的CAT、POD活性以及木荷与马尾松的可溶性糖含量均先增后减,Cd-20处理马尾松、胡枝子与木荷的POD活性,胡枝子与马尾松脯氨酸含量、胡枝子可溶性糖含量均显著提高;镉胁迫对枫香可溶性蛋白以及木荷、胡枝子与马尾松的还原糖含量均有显著的促进作用。在发芽期,随镉胁迫浓度增大,马尾松体内的CAT活性、木荷与马尾松的还原糖含量、可溶性糖含量均先增后减,枫香、马尾松可溶性蛋白含量均先减后增,马尾松、枫香体内POD活性均呈逐渐增大的趋势;镉胁迫对4个树种的SOD活性均有促进作用,提高SOD活性可能是4个树种种子萌发对镉胁迫的主要响应策略。(5)随pH值减小,枫香体内ɑ、β-淀粉酶活性先增大后减小,赤霉素含量逐渐增大;木荷、马尾松体内赤霉素含量先减小后增大,而胡枝子则相反;pH-5.5处理枫香、马尾松露白期的β-淀粉酶活性,木荷、马尾松发芽期的ɑ-淀粉酶活性均显著大于对照。随镉胁迫浓度的增加,木荷露白期ɑ-淀粉酶活性先减后增,发芽期则相反;在露白期枫香、胡枝子与马尾松的β-淀粉酶活性以及发芽期胡枝子与马尾松的ɑ-淀粉酶活性均呈先增后减的趋势。枫香、木荷、马尾松赤霉素含量均呈先增后减波动。(6)傅里叶红外光谱分析结果表明,枫香在pH-4.5、Cd-10处理下以及木荷、胡枝子在Cd-5处理下能够加快分解碳水化合物,促进合成蛋白质、氨基酸、多肽类、有机酸物质的合成和分泌,同时木荷与胡枝子能够分泌酯类化合物和木质素中苯羟基、醇、酯基、醚基或酚类等物质更有利于种子的萌发;酸镉复合胁迫刺激了木荷、胡枝子与马尾松氨基酸、多肽和蛋白质类物质的合成和分泌,用以络合镉实现解毒;同时对木荷、胡枝子与马尾松种子萌发有较大促进作用,但对枫香种子萌发有较大抑制作用。马尾松对酸胁迫有较强耐性,pH-3.5处理的马尾松种子内总糖、纤维素、半纤维素、蛋白质、维生素等各有机质含量达最大值。此外细胞壁对Cd~(2+)有固定作用并有巯基(S—H)参与形成金属硫蛋白。(7)4个树种种子萌发及形态生理各指标的隶属函数分析表明,枫香与马尾松在pH-4.5、Cd-5处理下以及木荷在pH-5.5+Cd-5、pH-5.5、Cd-10、Cd-5处理下综合隶属函数值均高于CK,可见以上处理对枫香、马尾松与木荷种子萌发及幼苗生长有一定促进作用。而pH-3.5与Cd-20均会对枫香、马尾松与木荷产生不同程度的抑制作用。但胡枝子的隶属函数值均低于CK,总体表现为抑制作用。综上,枫香、木荷、胡枝子与马尾松种子对重金属镉和酸存在不同的阶段性响应。一定浓度的酸、镉胁迫有利于4个树种种子萌发与芽苗生长,另外细胞壁对Cd~(2+)有固定作用并有巯基(S—H)参与形成金属硫蛋白限制镉离子毒害,不同萌发时期均能诱导抗氧化酶和渗透调节物质来清除体内多余活性氧,提高植株抗氧化能力。同时,淀粉酶活性、赤霉素对4个树种种子萌发起着关键作用,促进了4个树种种子在酸、镉胁迫下的萌发,实现对镉的解毒和耐酸性,从而适应镉和酸胁迫逆境。
【图文】：

技术路线图,胡枝子,枫香,木荷

9图 2-1 技术路线图Fig.2-1 The technology roadmap试验材料试验用马尾松、枫香、木荷、胡枝子种子购自江西九江某种子公司在庐摘的种子，存储于 4℃冰箱备用。图 2-1（a、b、c、d）分别为枫香、木荷、胡枝子种子。

种子,树种,超纯水

图 2-2 4 个树种种子Fig.2-2 Seeds of 4 tree species设计长汀稀土矿废弃地土壤酸化及镉污染程度，，即 pH 值在 4.05~度 3.72~5.23 mg·kg-1范围[10, 83]，设置不同 pH 值及镉浓度胁迫分析纯(CH3COO)2Cd·3H2O 配制，浓度分别为：0（以去离子 mg·L-1（文中以 ck、Cd-5、Cd-10、Cd-20 表示）；pH 调节采用 Ck（去离子水对照），5.5，4.5，3.5（文中以 ck、pH-5.5、pH-4酸镉复合胁迫为 pH-5.5+Cd-5。萌发试验：先将马尾松、枫香、木荷、胡枝子的种子用 0.3％浸泡 30 min 后，用超纯水冲洗 6 遍，然后用超纯水浸泡 24 h种子，余下的种子用滤纸吸干表面的水分，用于胁迫试验。用工气候箱（宁波江南仪器厂）进行萌发试验，培养条件为温
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X503.23

【参考文献】