在全球变化和人为活动强度日益增强的影响下, 滨海湿地的结构和功能呈现出不同程度退化状态.从1950~2011年, 据统计我国高达92.25%的滨海湿地丧失^[1].黄河三角洲作为我国暖温带保存完整的滨海湿地生态系统, 对维护区域生态平衡、保护生物多样性及促进经济发展发挥重要作用.近年来受人为和自然因素的影响, 黄河三角洲同样面临湿地退化和萎缩的生态问题, 其中重金属污染是该区湿地退化的一个重要驱动因素^[2].

黄河三角洲退化湿地的恢复工作不断开展, 在第八次“调水调沙”期间, 黄河水利委员会开始实施黄河下游生态调度, 对黄河三角洲自然生态保护区进行生态补水以恢复退化湿地^[3].调水调沙为滨岸潮滩湿地输入大量淡水的同时, 亦改变沉积环境和输入大量外源物质(如重金属), 由水沙携带而来的部分重金属会富集在湿地土壤或沉积物中.黄河三角洲湿地重金属分布存在区域差异, 现行河口区重金属含量最高, Cd是黄河三角洲的主要潜在生态风险因子^[4].黄河三角洲金属元素的主要来源为黄河泥沙输入、海水输入、大气输入及研究区人为污染^[5].其中, 黄河泥沙输入尤其是调水调沙期间对湿地重金属的影响较大：一方面水沙条件发生改变时, 沉积物中的重金属随着再悬浮作用被重新释放到水体中, 造成二次污染^[6]; 另一方面, 带来外源重金属, 据山东省海洋与渔业厅《山东省海洋环境公报》数据显示, 2010~2014年间经黄河入海的重金属类污染物分别高达692、640、110、704和386 t. Bai等^[7]对黄河三角洲调水调沙前后湿地土壤重金属污染特征进行研究发现, 调水调沙后部分重金属(As和Cd)含量明显高于调水调沙前.

碱蓬(Suaeda salsa)既是黄河三角洲湿地生态系统演替的先锋植物, 又是湿地退化的指示植物.研究发现过量沉积是导致碱蓬湿地退化的重要因素, 低潮滩碱蓬对重金属具有良好的富集作用^{[8, 9]}, 但对于调水调沙带来沉积环境和外源物质(如重金属)综合影响下对湿地植被生长的影响尚不清楚, 加之近年来受径流和含沙量的共同影响, 黄河三角洲水沙条件大幅改变^[10].为此本文选择滨岸潮滩湿地典型植被碱蓬为研究对象, 基于微区试验模拟分析了泥沙沉积及重金属Cd输入对先锋植物碱蓬的物质分配及抗氧化酶的影响, 目的在于揭示调水调沙对黄河三角洲植被碱蓬生长的影响及其对不稳定环境所产生的适应机制, 有助于科学评价调水调沙工程的生态效应, 以期为滨海湿地土壤重金属污染防治及有效保护和管理提供科学依据.

黄河三角洲位于渤海湾南岸和莱州湾西岸, 是由黄河携带的泥沙冲淤而成, 是我国暖温带地区最完整、最广阔、最年轻的新生湿地生态系统.黄河三角洲国家级自然保护区(东营)地处黄河入海口, 位于山东省东北部的渤海之滨(37°35′~38°12′N, 118°33′~119°20′E), 包括黄河入海口和1976年以前引洪的黄河故道两部分, 是全国最大的河口三角洲自然保护区.该区年平均气温12.1℃, 无霜期196 d, 年均蒸发量1 962 mm, 年均降水量为551.6 mm, 70%的降水集中于7、8月.保护区的新生天然湿地生态系统和自然景观是极为珍贵的自然界原始“本底”, 它为评价人类活动结果以及探讨某些生态系统今后合理的发展方向提供了原始参照.

试验供试碱蓬种子于2016年11月中旬采自黄河三角洲滨海湿地碱蓬群落.将采集的种子处理干净后放置于4℃的冰箱内保存备用.试验供试土壤采集于黄河三角洲碱蓬湿地盐碱土(0~30 cm).试验于2017年4月底在临沂大学山东省水土保持与环境保育重点实验室的温室内进行.挑选籽粒饱满的30粒碱蓬种子按试验设置播种于花盆中(直径25 cm), 每天用烧杯补充水分保持土壤湿润, 每盆的补水量一致.

试验设置4个泥沙埋深(M₀、M₁、M₂和M₃)和4个Cd输入量(C₀、C₁、C₂和C₃), 每个处理3个重复.根据现有研究^{[7, 8, 11]}, 埋深厚度(M₀、M₁、M₂和M₃)分别设置为：0、3、6以及12 cm, Cd输入水平(C₀、C₁、C₂和C₃)分别设置为：0、0.5、1.0和1.5 mg·kg^-1

依据历年调水调沙时间, 于6月底7月初(6月22日)对微区进行处理.于处理后的第15 d(7月6日)采集新鲜的碱蓬叶片, 测定叶绿素、超氧化歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和蛋白质含量.其中, 叶绿素含量测定时取0.1 g新鲜叶片, 剪碎, 用浓度为95%乙醇与浓度为80%丙酮(1:1)混合液浸提24 h, 提取液在波长663和645 nm下测定吸光度.并应用公式计算叶绿素a、b.

式中, c_a为叶绿素a的浓度(mg·g^-1); c_b为叶绿素b的浓度(mg·g^-1); A为吸光值.

超氧化歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和蛋白质含量测定均采用南京建成生物工程公司试剂盒测定.

试验于9月11日结束, 用小铲将碱蓬植株小心从盆中取出, 尽可能不破坏其原有根系结构, 并用蒸馏水冲洗干净后, 分离为根、茎、叶, 将植物样品先于105℃下杀青, 后于80℃下烘干至恒重, 称量干重.

运用Origin 8.0软件对数据进行作图和计算, 运用SPSS 20.0对数据进行统计分析, 不同泥沙沉积深度、Cd输入量及其交互作用对碱蓬生物量、叶绿素含量、抗氧化酶活性的影响采用多因素方差分析, 并在0.05水平进行显著性分析.

Cd输入及泥沙沉积对碱蓬生物量具有一定的影响(图 1), 在Cd输入量为C₀、C₁和C₃时, 碱蓬生物量随着埋深深度的增加呈现出先增加后减小的趋势; 当泥沙埋深为M₀和M₃时, 随着Cd输入量的增加, 碱蓬生物量呈现出减小的趋势, 并在C₀M₀和C₀M₃时取得最大值(51.33 g和55.73 g), 当泥沙埋深为M₁和M₂时, 碱蓬生物量最大值则出现在C₃M₁和C₃M₂. Cd输入及泥沙沉积对碱蓬生物量分配的影响具体表现为：随着埋深的增加, 碱蓬根所占的比例增大, 尤其是Cd输入为1.0 mg·kg^-1(C₂)和1.5 mg·kg^-1(C₃)时, 随着埋深的增加, 根所占的比例由5.13%和6.40%分别增加至8.92%和8.78%.方差分析结果表明, Cd输入、泥沙沉积及其交互作用对碱蓬根、茎和叶的影响并未达到显著水平(P > 0.05), 见表 1.

图 1

Fig. 1

图 1 河三角洲Cd输入及泥沙沉积对碱蓬生物量及生物量分配的影响 Fig. 1 Effect of sediment burial and Cd input on biomass and biomass allocation of Suaeda salsa in the Yellow River delta

表 1 (Table 1)

表 1 黄河三角洲Cd输入、泥沙沉积对碱蓬生物量及抗氧化酶活性影响的多因素方差分析 Table 1 Results of variance analysis for dry mass and antioxidative enzyme activities of Suaeda salsa at different sediment burial depths and Cd inputs 生长参数 Cd输入 泥沙沉积 Cd输入×泥沙沉积 F P F P F P 生物量(叶)/g 1.237 0.358 0.080 0.785 1.028 0.430 生物量(茎)/g 0.520 0.680 2.442 0.157 0.343 0.795 生物量(根)/g 0.888 0.488 2.427 0.158 0.502 0.692 叶绿素a/mg·g-1 1.232 0.360 0.336 0.578 0.668 0.584 叶绿素b/mg·g-1 1.947 0.201 0.313 0.591 0.862 0.499 蛋白质含量/mg·g-1 4.475 0.040 5.526 0.047 2.615 0.123 CAT/U·mg-1 6.451 0.016 0.601 0.460 9.815 0.005 SOD/U·mg-1 5.895 0.020 7.815 0.023 3.321 0.078 POD/U·mg-1 1.034 0.428 0.407 0.541 1.973 0.197

表 1 黄河三角洲Cd输入、泥沙沉积对碱蓬生物量及抗氧化酶活性影响的多因素方差分析 Table 1 Results of variance analysis for dry mass and antioxidative enzyme activities of Suaeda salsa at different sediment burial depths and Cd inputs

Cd输入及泥沙沉积对叶绿素含量具有一定的影响(图 2). Cd输入量最大时(C₃), 所有埋深处理碱蓬叶绿素a含量均低于对照(C₀).泥沙沉积为M₁、M₂和M₃处理时, 所有Cd输入的处理叶绿素b含量也均低于对照(C₀), 尤其是C₃M₁、C₃M₂及C₁M₃时分别比对照低78.67%、53.33%和28.64%[图 2(b)].在Cd输入相同时, 不埋深或轻微埋深, 叶绿素含量高, 且在C₀M₀、C₁M₁、C₂M₁时, 叶绿素a取得最大值(1.20、1.10、1.09 mg·g^-1), 在C₁M₀、C₂M₀、C₀M₁时叶绿素b取得最大值(0.47、0.45、0.61 mg·g^-1).方差分析结果表明：Cd输入、泥沙沉积及其交互作用对碱蓬叶绿素a和叶绿素b含量的影响并未达到显著水平(P > 0.05), 见表 1.

图 2

Fig. 2

图 2 黄河三角洲Cd输入及泥沙沉积对碱蓬叶绿素含量的影响 Fig. 2 Effect of sediment burial and Cd input on the chlorophyll content of Suaeda salsa in the Yellow River delta

随着泥沙埋深的增加(Cd输入为C₀、C₂), 碱蓬叶片蛋白质含量具有增加的趋势, 但在Cd输入最大时(C₃), 蛋白质含量均低于对照(M₀)[图 3(a)], 且Cd输入及泥沙沉积对碱蓬蛋白质含量的影响达到显著水平(P < 0.05)，见表 1.在无泥沙埋深或轻微埋深处理时, CAT及SOD活性在无Cd输入(C₀)或少量Cd输入(C₁)时较大[图 3(b)和图 3(c)], 而在最大埋深处理(M₃)时, 大量的Cd输入(C₂、C₃)时CAT活性分别比对照高62.66%和58.56%, 且CAT活性在C₃M₃时取得最大值(15.76 U·mg^-1).方差分析结果表明Cd输入、泥沙沉积及其交互作用对SOD活性的影响均达到显著水平, Cd输入及两者交互作用对CAT活性的影响达到显著水平(P < 0.05)，见表 1. POD在少量Cd输入时具有较大的活性[图 3(d)], 并均在C₁M₃时取得最大值(52.28 U·mg^-1), 但Cd输入、泥沙沉积及其交互作用对POD活性的影响并未达到显著水平(P > 0.05)，见表 1.

图 3

Fig. 3

图 3 黄河三角洲Cd输入及泥沙沉积对碱蓬抗氧化酶活性及蛋白质含量的影响 Fig. 3 Effect of sediment burial depth and Cd input on protein content and antioxidative enzyme activities of Suaeda salsa in the Yellow River delta

碱蓬湿地具有维持湿地系统正常演替、防风固堤等重要功能, 是丹顶鹤、白鹭等鸟类主要栖息地. 6月底7月初为碱蓬快速生长时期^[12], 而此时碱蓬即要受到调水调沙工程带来的大量泥沙的掩埋^[13]和外源物质的干扰, 又要受到潮汐带来的泥沙的作用^[14].在野外条件下探讨泥沙沉积、重金属Cd输入与植物生长之间的关系是非常困难的, 因为泥沙沉积、重金属输入对于植物的影响非常复杂并且这种影响很容易受到其他因素的干扰, 比如盐分、温度、水分条件等, 而在微区控制条件下能够较详细地探讨泥沙沉积、重金属Cd输入及其交互作用与植物生长的关系.

Cd输入量相同的条件下, 碱蓬生物量随着埋深的增加, 呈现先增加后减小的趋势.这一结果与Sun等^[8]结论一致, 适当的浅层埋深促进碱蓬的生长, 而过量的埋深对碱蓬的生长产生抑制作用.沉积是影响滨海湿地植被生长的重要因素之一^[15], 适当的浅层沉积会促进湿地植被生长^{[16, 17]}, 其主要原因在于过量的沉积使得幼苗被掩埋不能达到地面或者缺乏充足的氧气、光照和温度.沉积影响植被形态特征的发育, Sun等^[8]对黄河三角洲泥沙沉积对碱蓬形态特征的影响研究发现, 不同深度的沉积对碱蓬株高、胚轴长度、主根、径粗、分枝数等均产生影响, 这与沉积物营养水平、温度、微生物组成、菌根真菌以及沉积物中空气含量的变化有关^[15].因此, 对于不同的植被存在一个沉积的阈值, 在这个阈值之下的沉积会促进种子萌发和植被生长, 而超过这个阈值, 种子萌发和植被生长会受到严重的制约^[18].此外, 植被生长在这种泥沙沉积的环境中, 进化出一系列适应机制以适应胁迫及多变的环境, 如相对较高的幼苗株高、较长的下胚轴和根系, 以及增加物质量积累.在本研究中也同样发现随着泥沙埋深的增加, 碱蓬根部的生物量比重增加.牟晓杰^[11]研究发现碱蓬经过不同程度的土壤埋深后, 被埋部分的茎可发育成根系, 而根系的增加可促使植物吸收更多的水分和养分, 进而促进植物地上、地下器官干物质量的增加, 反映了其对于黄河口滨岸潮滩泥沙沉积环境的特殊适应对策.

泥沙沉积为M₀和M₃, 随着Cd输入的增加, 碱蓬的生物量呈现出减小的趋势, 表明大量的Cd输入对于碱蓬的生长具有一定的抑制作用. Cd是一种毒性很强的重金属, 对植物生长和发育而言属于非必需元素. Cd主要通过损害植物膜脂结构, 影响植物DNA合成和DNA修复, 阻碍植物细胞分裂, 诱发细胞染色体产生畸变^[19]、降低细胞膜通透性, 导致细胞损伤, 进而显著抑制植物生长^[20], 且碱蓬对Cd污染抵御能力差, 含量高于0.4 mg·kg^-1即可造成伤害^[21].在本研究中, Cd输入最大值为1.5 mg·kg^-1(> 0.4 mg·kg^-1), 在此水平下碱蓬的生长受到一定的抑制, 且致使碱蓬生物量下降的Cd浓度要高于0.4 mg·kg^-1, 可能原因在于何洁等^[21]对碱蓬种子进行处理, 0.4 mg·kg^-1为碱蓬幼苗的耐受能力, 而在本研究中处理开始于6月底7月初, 此时碱蓬已经处于快速生长阶段, 对外界胁迫的适应能力强于种子萌发阶段和幼苗生长阶段.当泥沙埋深为M₁和M₂时, 碱蓬生物量最大值则出现在Cd输入量最大时(C₃, 1.5 mg·kg^-1), 可能原因在于碱蓬处于快速生长阶段, 大量的Cd输入对其并未产生致命的作用, 为此浅层泥沙的促进作用大于Cd的抑制作用, 呈现出碱蓬生物量最大值出现在C₃M₁和C₃M₂的结果.

叶绿素含量是表征光合利用效率的最重要指标之一.本研究发现, Cd输入量最大时(C₃), 碱蓬叶绿素a和叶绿素b的含量均低于对照, 这一研究结果与张呈祥等^[22]关于德国鸢尾对Cd胁迫的生理生态响应的研究结果具有一致性, 即随着Cd浓度的增大, 叶绿素含量逐渐降低.究其原因可能在于叶绿体片层中捕光Chla/b-Pro复合体合成受抑制, 同时Cd抑制叶绿素合成相关酶(原叶绿素脂还原酶、δ-氨基乙酰丙酸合成酶和胆色素原脱氨酶)的活性从而阻碍叶绿素的合成^[23].当Cd处理相同时, 不埋深或轻微埋深, 叶绿素含量高, 而过量的泥沙埋深导致叶绿素含量降低, 进而影响植物的光合作用, 对植物的生长产生影响.李强^[24]关于掩埋对三峡库区消落带狗牙根生长的研究发现, 随着过量的埋深增加其光合电子传递速率呈显著降低趋势, 热耗散量显著增大, 光合作用能力减小, 发育呈显著降低趋势.

植物在生长过程中为了避免活性氧自由基(ROS)的伤害, 在长期进化过程中形成了较完善的防御机制, 使活性氧的产生与清除维持在一个平衡状态.当植物遇到胁迫时, 为了避免氧自由基产生的伤害, 植物体内就会增加抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT等)以降低活性氧自由基产生的伤害^[25].本研究发现Cd输入对碱蓬蛋白含量、CAT和SOD活性具有显著的影响, 泥沙埋深对蛋白含量及SOD活性具有显著影响, 两者的交互作用对CAT和SOD的影响达到显著水平(P < 0.05).外界胁迫会干扰物质在细胞中的运输过程, 抑制蛋白质的合成, 进而抑制植物体内一些保护酶的活性. SOD作为防御ROS的第一道防线, 在较轻外界胁迫条件下, SOD活性逐渐增加, 用以清除重金属胁迫导致植物体内所产生过多的ROS, 但是当胁迫浓度增加时, 会抑制SOD活性增加而急剧或缓慢下降, 本研究结果也证实了此观点, 在轻微埋深处理时, SOD活性在少量Cd输入(C₁)时较大, 在较大埋深处理和Cd输入时, SOD活性降低. CAT直接分解H₂O₂产生H₂O和O₂, POD以过氧化物为底物, 以植物体内多种还原剂为电子受体清除过氧化物.在本研究中, 轻微泥沙沉积和少量Cd输入时, CAT和SOD活性增强, 与SOD不同的是, CAT活性在最大埋深和最大Cd输入量处理时(C₃M₃)取得最大值(15.76 U·mg^-1), 这一结果表明低Cd胁迫或泥沙埋深SOD表现出与CAT基本协调一致的清除活性氧的作用, 对植物起到很好的保护作用, 当Cd胁迫浓度较高或深度埋深时, CAT表现出比SOD更强的活力.与之不同的是, 何洁等的研究发现^[21], 重金属对翅碱蓬生长及体内酶活性机制产生不同程度抑制, SOD、POD反应迅速, CAT相对缓慢.

(1) 泥沙沉积及Cd输入对碱蓬生物量及生物量分配具有影响, 表现为浅层埋深促进碱蓬生长, 深度埋深及大量Cd输入抑制生长; 随着埋深的增加, 碱蓬根所占的比例增大, 尤其是Cd输入为1.0 mg·kg^-1(C₂)和1.5 mg·kg^-1(C₃)时, 随着埋深的增加, 根所占的比例由5.13%和6.40%分别增加至8.92%和8.78%.

(2) 深度泥沙埋深及大量Cd输入时, 碱蓬叶绿素含量降低, 影响光合作用, 不利于碱蓬的生长.

(3) 轻微泥沙沉积和少量Cd输入时, CAT和SOD活性增强, 随着胁迫的增加, SOD活性减弱, 而CAT活性在最大埋深和最大Cd输入时(C₃M₃)取得最大值(15.76 U·mg^-1).

(4) 调水调沙过程中带来的泥沙沉积和外源重金属输入对碱蓬的生长产生了一定的影响, 但在一定范围内碱蓬可通过改变生物量分配比例及体内抗氧化胁迫物质含量来适应不同的生存环境, 这正是作为先锋物种的碱蓬在黄河口滨岸潮滩湿地这种复杂环境中长期生存的一种适应机制.