14份柳枝稷种质资源苗期耐镉性综合评价

镉(Cd)是环境中常见的非生物胁迫因子,从种质资源中筛选出不同耐镉型的植物材料有利于能源植物在重金属污染土地上的高效开发利用。基于此,本研究以14个能源植物柳枝稷品种为供试材料,外源施加浓度为10μmol·L~(-1)镉,结合形态和生理指标,采用隶属函数及标准差系数权重法综合评价了柳枝稷幼苗对Cd的耐受性。结果表明:10μmol·L~(-1) Cd胁迫显著降低了柳枝稷根长、根表面积、根尖数、总生物量、净光合速率及根系活力,且品种间差异显著(P0.01)。根据隶属函数法得到柳枝稷对镉耐受性综合评价值(D),其中Kanlow最高,Forestburg最低。采用系统聚类法对D值进行聚类分析,结果表明,14份柳枝稷可分为3组不同耐镉型材料,其中强耐镉型材料1份,为Kanlow;中等耐镉型材料9份,分别为Alamo、BoMaster、Carthage、Cave in Rock、Longisland、Newyork、Shawnee、Sunburst、Trailblazer;镉敏感型材料4份,分别为Blackwell、Dacotah、Forestburg、Shelter。结合柳枝稷对Cd的吸收,进一步分析发现耐镉性较强的品种镉富集能力也较强。可为选择适宜的柳枝稷材料种植于镉污染土地上提供理论依据,同时为丰富评价植物耐镉种质资源提供可操作性的方法。     

14份柳枝稷种质资源苗期耐镉性综合评价

镉(Cd)是环境中常见的非生物胁迫因子,从种质资源中筛选出不同耐镉型的植物材料有利于能源植物在重金属污染土地上的高效开发利用。基于此,本研究以14个能源植物柳枝稷品种为供试材料,外源施加浓度为10 μmol·L^-1镉,结合形态和生理指标,采用隶属函数及标准差系数权重法综合评价了柳枝稷幼苗对Cd的耐受性。结果表明:10 μmol·L^-1 Cd胁迫显著降低了柳枝稷根长、根表面积、根尖数、总生物量、净光合速率及根系活力,且品种间差异显著(P<0.01)。根据隶属函数法得到柳枝稷对镉耐受性综合评价值(D),其中Kanlow最高,Forestburg最低。采用系统聚类法对D值进行聚类分析,结果表明,14份柳枝稷可分为3组不同耐镉型材料,其中强耐镉型材料1份,为Kanlow;中等耐镉型材料9份,分别为Alamo、BoMaster、Carthage、Cave in Rock、Longisland、Newyork、Shawnee、Sunburst、Trailblazer;镉敏感型材料4份,分别为Blackwell、Dacotah、Forestburg、Shelter。结合柳枝稷对Cd的吸收,进一步分析发现耐镉性较强的品种镉富集能力也较强。可为选择适宜的柳枝稷材料种植于镉污染土地上提供理论依据,同时为丰富评价植物耐镉种质资源提供可操作性的方法。     

镉和pH对柳枝稷种子萌发及幼苗的耦合作用研究

植物修复技术是一种清除土壤中重金属有效、经济的生态技术。为在重金属污染的土壤环境下建植柳枝稷进行植物修复提供基础理论依据,本试验采用三因素五水平正交旋转试验设计,研究镉、pH和浸种及其耦合作用分别对高地型Blackwell(B品种)和低地型Kanlow(K品种)柳枝稷种子萌发及幼苗发育的影响。结果表明,不同镉处理下两个品种柳枝稷种子发芽率与对照差异均不显著,但是浸种可显著提高柳枝稷种子发芽指数和种子活力指数。随着镉浓度的增加,其幼苗根长、苗长、及种子活力均呈缓慢下降趋势,且镉对幼根生长的影响大于其对幼苗生长的影响。B品种比K品种更加耐受镉胁迫;播种前浸种可以缓解镉胁迫,促进柳枝稷幼苗和根的发育。镉和pH对柳枝稷种子萌发和幼苗发育存在耦合作用,同时pH为4.8时柳枝稷幼苗根长苗长及种子活力有最大值。在较低浓度的镉胁迫环境下(150μmol/L),高地型B品种比低地型K品种种子萌发和幼苗生长综合表现更好,同时适当浸种和偏酸性条件均有利于柳枝稷幼苗在镉污染土壤环境中的生长。本试验表明柳枝稷对镉胁迫有较强的耐受性,具有一定修复镉污染土壤的潜能,在实际应用中可通过推广种植柳枝稷来改善镉污染的土壤环境。     

外源ABA对镉胁迫下柳枝稷生理特性及镉吸收的影响

为探究外源脱落酸(Abscisic acid,ABA)缓解柳枝稷(Panicum virgatum)镉(Cd)毒害效应及可能产生的生理机制,本试验以2个柳枝稷品种'Alamo'与'Cave in Rock'为材料,在水培条件下,研究了外源1μmol·L-1 ABA预处理对20μmol·L-1镉(Cd2+)胁迫下柳枝稷幼...     

不同水分梯度下能源植物芒草和柳枝稷生物量分配规律

黄土高原面积广袤,进行能源植物种植具有巨大潜质。然而,由于该区生态环境脆弱,水分是限制能源植物产量的主要因子。本研究通过室内控水试验,对不同水分梯度条件(田间持水量的75%、55%和35%)下芒草(Miscanthus sinensis)和柳枝稷(Panicum virgatum)两种能源植物干物质的分配规律进行研究,以期为能源植物的节水高产提供依据。结果表明,水分显著影响根生物量、地上生物量及总生物量(P0.05);芒草生物量显著高于柳枝稷;随着水分的降低,生物量显著下降。不同水分条件显著影响柳枝稷的根冠比、而对芒草影响较小;柳枝稷在较低土壤含水量下,通过增加根系数量及根冠比来加强对水分和养分的吸收。在试验条件下,田间持水量的55%与75%水分条件对两种能源植物地上、地下及总生物量无显著影响(P0.05);水分含量在田间持水量的55%下,两种植物有较高水分利用效率。     

柳枝稷对镉、铅及其交互污染的耐性与累积效应

利用3因素5水平正交旋转组合设计,采用盆栽试验,研究镉(Cd)、铅(Pb)胁迫及其交互作用对柳枝稷生理响应、根长、苗长及镉、铅富积的影响,评估柳枝稷对Cd、Pb污染土壤的修复潜力。结果表明:随着Cd和Pb胁迫浓度的增加,柳枝稷生长受到抑制。超氧化物歧化酶(SOD)活性呈先下降后上升的趋势,丙二醛(MDA)含量呈上升趋势。柳枝稷对Cd富集系数大于对Pb富集系数,且对Cd富集系数大于1,但其转移系数较低。3种胁迫中,pH对柳枝稷Cd和Pb累积无显著相关性(P0.05)。Cd与Pb交互效应对柳枝稷Cd富集具有拮抗作用,而pH与Cd或Pb的交互效应则均表现为协同作用。当Cd浓度为75.6～94μg·g~(-1)、Pb浓度为471～645μg·g~(-1)和pH为4.8～5.1时,柳枝稷对Cd有效富集能力最高。研究结果显示,柳枝稷可用于Cd污染土壤的生态修复。     

不同外源植物生长物质对柳枝稷种子萌发特性的影响

为了提高柳枝稷(Panicum virgatum L.)种子萌发率,探究不同植物生长物质处理对柳枝稷种子萌发特性的影响,本研究以柳枝稷(Panicum virgatum‘Forestburg’)种子为材料,采用不同浓度(0,10,50,200,400,1 000μmol·L~(-1))的赤霉素(GA3,GA4+7)、脱落酸(ABA)、6-苄氨基腺嘌呤(6-BA)、吲哚乙酸(IAA)、氟啶酮(FL)和多效唑(PA)等7种外源植物生长物质处理种子,分析柳枝稷种子萌发特性对不同浓度外源植物生长调节剂的响应。结果表明:10~200μmol·L~(-1) IAA和GA4+7,10~50μmol·L~(-1) GA3,50μmol·L~(-1) 6-BA及10μmol·L~(-1) FL均可对柳枝稷种子萌发产生显著促进作用(P0.05),但是当其浓度过高时则会抑制柳枝稷种子萌发;ABA会抑制柳枝稷种子的萌发,PA对柳枝稷的萌发无显著作用;GA4+7对柳枝稷种子萌发影响效果最好,其中经200μmol·L~(-1) GA4+7处理后种子萌发率最高,可达71%,较对照提高30%。     

纤维素类能源草在京郊地区的经济效益与生态价值评价

纤维素类能源草是一类重要的能源植物与良好的生物质资源。对柳枝稷、荻、芦竹3种纤维素类能源草从农业种植到纤维素乙醇制备的整个过程进行了经济效益与生态价值的初步评价,结果表明,以柳枝稷、荻、芦竹为原料,每制备1.00 t纤维素乙醇的经济效益分别为4 147.85,1 185.08,2 019.76元,柳枝稷最优,芦竹次之,荻再次之;每制备1.00 t纤维素乙醇所需种植的柳枝稷、荻、芦竹的大气净化生态价值分别为4 639.28,4 351.25,4 320.39元,柳枝稷最优,荻次之,芦竹再次之;3种纤维素类能源草均具有强大的固定大气CO₂的能力,对于降低温室气体CO₂浓度、促进土壤碳的积累具有积极作用。     

镉胁迫对紫花苜蓿镉吸收特征及根系形态影响

采用盆栽模拟方法,研究了4种镉(Cd)浓度(0,10,25,50 mg/kg)下紫花苜蓿对Cd吸收特征及根系形态的变化特征。结果发现,随着镉胁迫加剧,紫花苜蓿地上生物量、根系生物量、根系总长度、根平均直径、根表面积、根系体积、根尖数和分枝数均显著下降(P<0.05),地上部生物量分别为对照的87.8%,56.5%,14.3%,根系生物量分别为96.1%,63.3%,16.2%;不同部位镉吸收量表现为细根>地上部>粗根,三者均随着处理浓度增加而显著提高,细根镉含量与地上部镉含量呈显著正相关;地上部最高镉积累量出现在25 mg/kg处理中,达到7.715 μg/株;不同径级根系的总根长、根表面积、根体积随镉浓度增加呈下降趋势,根径<0.5 mm根系占总根系比例呈增加趋势。研究表明,紫花苜蓿可用于低Cd污染场地的植被恢复,其根系对Cd胁迫的响应特征呈现侧根产生—根受损的动态平衡现象。     

黄土高原丘陵区冰草和柳枝稷土壤细沟可蚀性季节动态

为了评价黄土高原丘陵区退耕还草水土保持效应,本研究以黄土丘陵区冰草(Agropyron cristatum)和柳枝稷(Panicum virgatum)为研究对象,在不同坡度(S=17.36%~42.26%)和流量(Q=1.0~2.5L·s~(-1))条件下,采用变坡试验水槽测定土壤的分离能力,利用线性回归方法,结合土壤侵蚀过程,运用WEPP模型推求土壤细沟可蚀性(Kr),分析了冰草和柳枝稷生育期内土壤Kr的季节变化规律。结果表明,黄土丘陵区冰草生育期内土壤Kr具有显著的季节变化(P0.05),总体呈下降趋势;柳枝稷生育期内土壤Kr无显著季节变化(P0.05)。冰草土壤Kr表现为下降的季节变化,变化范围为0.002 1~0.022 4s·m~(-1);柳枝稷土壤Kr表现为先升高后降低的季节变化,变化范围为0.003 2~0.021 9s·m~(-1)。土壤黏结力、水稳性团聚体和根重密度是影响冰草和柳枝稷生育期内土壤Kr季节变化的主要因素。土壤细沟可蚀性与土壤黏结力、水稳性团聚体及根重密度间呈显著负相关关系。此外,用土壤黏结力和根重密度能够较好地模拟黄土丘陵区冰草和柳枝稷生育期内土壤细沟可蚀性的季节变化。冰草和柳枝稷土壤细沟可蚀性季节变化主要由根系生长和土壤黏结力变化所致。土壤细沟可蚀性与土壤黏结力、水稳性团聚体和根重密度间呈显著负相关关系。用土壤黏结力和根重密度等参数能够较好地模拟冰草和柳枝稷土壤细沟可蚀性的季节变化规律。     

Physiological effects of different Cd concentrations on maize root architecture and classification北大核心CSCD

In this research, a hydroponics experiment was conducted to apply different concentrations of cadmium (Cd) (0, 5, 10, 25, 50, 100, 200 μmol·L-1) to maize seedlings with two leaves and one new leaf, in order to explore the effects of the different Cd concentrations on the maize seedling growth, Cd absorption kinetics and root morphology and classification. After 5 days of Cd stress, the maize seedings were sampled, the plant height, main root length, aboveground and underground biomass, root architecture, Cd content and photosynthesis and related parameters were measured. It was found that with increasing Cd stress, the plant height, main root length, biomass and tolerance index of shoots and roots, total root length, root surface area, root volume, root forks and root tips all decreased significantly; Root average diameter and root:shoot increased significantly (P<0.05). Meanwhile root parameters (root length, root surface area and root volume) of root diameter classes designated Ⅰ-Ⅲ (0-1.5 mm) showed a decreasing trend, which had a significant (P<0.05) negative correlation with root Cd concentration. The proportion of root length, root surface area and root volume with diameter between 0-0.5 mm showed a downward trend under Cd stress. Under Cd stress, Cd concentration and accumulation in underground and aboveground parts of maize seedlings increased significantly, chlorophyll content decreased, and photosynthesis was inhibited. This study has shown that Cd affected root development mainly by inhibiting the growth and morphology of fine roots, and inhibited photosynthesis, elongation and biomass accumulation of the aboveground and underground parts of the maize seedings. © 2022, Editorial Office of Acta Prataculturae Sinica. All rights reserved.     

四种冷季型草坪植物对镉的耐受性与积累特性

高羊茅、草地早熟禾、多年生黑麦草和匍匐剪股颖在镉(Cd)污染土壤上有很高的耐受力,但它们对Cd的耐受性和积累能力鲜有报道。4种冷季型草坪植物在不同Cd浓度(50, 100, 200, 400 mg Cd/kg)下处理60 d,本文对4种草坪植物在Cd胁迫下的生理响应及地上部和根系的Cd含量进行了研究。从Cd胁迫对草坪植物的草坪质量、相对生长速率、草坪密度、地上部和根系的生物量、叶片电导率、叶片相对含水量和叶片光化学效率的影响可以看出,高羊茅对Cd的耐受性最好,其次为多年生黑麦草,再次是草地早熟禾,匍匐剪股颖对Cd的耐受性最差。本研究还发现草坪植物在Cd胁迫下,叶片相对生长速率和根系生物量比其他的生理指标敏感。4种草坪植物地上部和根系的Cd浓度和积累量随着处理浓度的增加而增加。在相同Cd浓度处理下,草地早熟禾地上部Cd浓度最高,高羊茅和匍匐剪股颖次之,多年生黑麦草地上部的Cd浓度最低。4种草坪植物中根系Cd浓度最高的是多年生黑麦草。在50~400 mg Cd/kg处理下,草地早熟禾的转运系数和萃取率最大,多年生黑麦草的转运系数和萃取率最小。在相同Cd处理水平下,草地早熟禾地上部的Cd积累量比其他3种草坪植物高,匍匐翦股颖根系生物量低导致其根系的Cd积累量最低。本研究结果表明,4种草坪植物对Cd有较强的耐受性和积累能力,它们具有应用于Cd污染土壤上植物固定的潜力。     

氮肥对挖沙废弃地能源草生长特性与生物质产量的影响

能源草是目前最具发展潜力的生物质资源之一,为获得能源草在华北地区边际土地种植过程中肥料效应方面的基础数据,在京郊挖沙废弃地上开展了能源草柳枝稷(Panicum virgatum L.)、荻(Triarrhena sacchariflora(Maxim.) Nakai)和芦竹(Arundo donax L.)的氮肥效应试验。结果表明:氮肥对边际土地上种植的3种能源草的株高、分蘖数量、叶片SPAD值和生物质产量均具有显著的促进作用(P<0.05);生物质产量与土壤氮素浓度之间的回归分析表明,在挖沙废弃地上获得柳枝稷、荻和芦竹最高生物质产量的适宜土壤氮素浓度分别为115.1mg·kg^-1、131.0mg·kg^-1、125.1mg·kg^-1。     

生物炭、磷及AMF对Cd胁迫下柳枝稷生长及土壤性质的影响

为探讨添加磷、生物炭和接种丛枝菌根真菌对柳枝稷镉（Cd）耐性的作用，采用盆栽法研究土壤Cd浓度为20 mg·kg^-1时，不同处理［对照（CK）、4.5%生物炭（biochar，B）、60 mg·kg^-1磷（phosphorus，P₆₀）、4.5%生物炭+60 mg·kg^-1磷（B+P₆₀）］结合丛枝菌根真菌（AMF）对柳枝稷生长状况、矿质离子（P、Se）和Cd含量、土壤pH值、速效磷和酸性磷酸酶活性及土壤不同形态Cd含量的影响。结果表明：磷添加可显著提高柳枝稷根系侵染率，P₆₀处理下根系侵染率达到了56.9%。与CK相比，B、P₆₀、B+P₆₀处理对柳枝稷植株高度、叶片SPAD值、生物量无显著影响，各处理结合AMF的植株高度、叶片SPAD值、生物量均显著升高，但接菌后各处理间差异不显著。除了P₆₀处理下地上部Se和Cd含量及B+P₆₀处理下地上部Cd含量高于CK外， B、P₆₀、B+P₆₀处理下P、Se、Cd与CK无显著差异；接种AMF后CK和B处理下地上部Se和Cd含量均高于未接菌处理，且B+AM处理地上部Cd含量显著高于其他处理；但接菌后P₆₀处理地上部Se和Cd含量均低于未接菌处理。此外，无论是否接种AMF，B和B+P₆₀处理根系Cd含量均显著高于CK和P₆₀，土壤速效磷含量高于CK，土壤酸性提取态Cd含量低于CK和P₆₀。接种AMF后CK、B和B+P₆₀处理的土壤残渣态Cd含量高于CK和对应未接菌处理，但接菌P₆₀处理的土壤残渣态Cd含量低于未接菌处理。由此可见，B或B+P₆₀处理提高了根系Cd和土壤速效磷含量，降低了土壤酸性提取态Cd含量；二者结合AMF提高了柳枝稷生物量和地上部Se和Cd含量及土壤残渣态Cd含量。因此，AMF结合生物炭或生物炭/磷添加提高了柳枝稷生物量、Cd吸收量，降低了土壤中重金属的生物活性，可以在重度Cd污染土壤中应用。     

Root Responses to Short-Lived Pulses of Soil Nutrients and Shoot Defoliation in Seedlings of Three Rangeland Grasses

Root proliferation is important in determining root foraging capability of rangeland grasses to unpredictable soil-nutrient pulses. However, root proliferation responses are often confounded by the inherent relative growth rate (RGR) of the particular species being compared. Additionally, inherent biomass allocation to roots (R:S ratio) can be associated with root RGR, hence likely influencing root foraging responses. The influence of relative growth rate and biomass allocation patterns on the speed and efficiency of root foraging responses at the critical seeding stage was examined in two important perennial rangeland grasses that occur widely in the Great Basin Region of the United States (Whitmar bluebunch wheatgrass [Pseudoroegneria spicata {Pursh} Löve] and Hycrest crested wheatgrass [Agropyron desertorum {Fisch. ex Link} Schult. × A. cristatum L. Gaert.]) as well as in the widespread exotic invasive annual grass, cheatgrass (Bromus tectorum L.). Greenhouse-grown seedlings were exposed to four nutrient regimes: uniform–low, uniform–high, soil-nutrient pulse, soil-nutrient depletion, and to either no clipping or clipping (80% removal of standing shoot biomass). Hycrest was the only species that exhibited root proliferation responses to the short-lived nutrient pulse, and this response occurred through root elongation rather than initiation of lateral root branches. Overall, defoliation inhibited proliferation-based root responses to a larger extent than topological-based root responses. Defoliated plants of Hycrest interrupted root development (topological index did not change) following shoot defoliation compared to undefoliated plants. In contrast, root topological developmental patterns were the same for defoliated and undefoliated plants of Whitmar, whereas cheatgrass exhibited an intermediate response between Whitmar and Hycrest. Our results suggest that inherent biomass allocation to roots contributes to enhanced capabilities of proliferation-based root responses.     

草本能源植物修复重金属污染土壤的潜力

在北京郊区重金属轻度污染土地开展了柳枝稷、荻、芦竹、杂交狼尾草四种草本能源植物的规模化种植,分析其对砷、汞、铜、铬、铅、镉等六种重金属的富集能力与修复潜力。结果表明,四种草本能源植物均属于非超积累植物,但柳枝稷、荻、芦竹、杂交狼尾草的生物质产量较高,分别为23.23t.hm-2、28.22t.hm-2、47.08t.hm-2、59.22t.hm-2,且不受重金属轻度污染的明显负面影响,因此其重金属绝对富集量可观。杂交狼尾草对砷、汞、铜、铅、镉的绝对富集量分别为23.12g.hm-2、0.35g.hm-2、1132.62g.hm-2、95.18g.hm-2、6.07g.hm-2,芦竹对铬的绝对富集量达到1333.37g.hm-2。草本能源植物对重金属污染土壤具有一定的修复潜力,并以杂交狼尾草最大,芦竹、荻、柳枝稷次之。