林业科学  2013, Vol. 49 Issue (11): 51-59   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20131107
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文章信息

贾中民, 王力, 魏虹, 冯汉茹, 李昌晓
Jia Zhongmin, Wang Li, Wei Hong, Feng Hanru, Li Changxiao
垂柳和旱柳对镉的积累及生长光合响应比较分析
Comparative Analysis of Salix babylonica and Salix matsudana for Their Cadmium Accumulation, Growth and Photosynthesis in Response to Cadmium Contamination
林业科学, 2013, 49(11): 51-59
Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(11): 51-59.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20131107

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收稿日期：2012-09-18
修回日期：2013-03-05

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贾中民
王力
魏虹
冯汉茹
李昌晓

引用本文
贾中民, 王力, 魏虹, 冯汉茹, 李昌晓. 2013. 垂柳和旱柳对镉的积累及生长光合响应比较分析[J]. 林业科学, 49(11): 51-59.
Jia Zhongmin, Wang Li, Wei Hong, Feng Hanru, Li Changxiao. 2013. Comparative Analysis of Salix babylonica and Salix matsudana for Their Cadmium Accumulation, Growth and Photosynthesis in Response to Cadmium Contamination. Scientia Silvae Sinicae, 49(11): 51-59.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20131107
垂柳和旱柳对镉的积累及生长光合响应比较分析
贾中民1, 2, 王力1, 魏虹1, 冯汉茹3, 李昌晓1    
1. 西南大学生命科学学院三峡库区生态环境教育部重点实验室 重庆 400715；
2. 重庆市地质矿产勘查开发局川东南地质大队 重庆 400038；
3. 重庆市凤鸣山中学 重庆 400037
收稿日期：2012-09-18；修回日期：2013-03-05
基金项目：国家林业公益性行业科研专项（201004039）；国家教育部“留学回国人员科研启动金”（教外司留 [2010]1561号）；重庆市自然科学基金项目（CSTC-2010BB7003,CSTC2012jjA8003）；重庆市基础与前沿研究计划重点项目（CSTC2013JJB00004）。
通讯作者：魏虹
摘要：以垂柳和旱柳插条为研究对象，采用营养液培养方式，设置0 （对照组），5，10，20，50 mg·L-1（以纯Cd计）5个不同条件处理组，研究垂柳和旱柳的生长、生物量、根系形态特征、光合作用及其镉含量。结果表明：1）由生物量和生长指标评价的耐性指数Ti （%）随着营养液镉浓度的增加而下降，垂柳和旱柳在镉浓度为5，10 mg·L-1时Ti分别为79.30，73.11和98.48，90.69，具有较高的镉耐受能力，且旱柳镉耐受能力大于垂柳。2）随着镉胁迫浓度的增加，垂柳根长和根表面积显著下降（P<0.05），垂柳根体积和旱柳根长、根表面积、根体积先增加后下降，而2树种根平均直径显著增加（P<0.05）。3）镉胁迫抑制垂柳和旱柳叶片生长发育过程中光合色素的合成，但对已成熟叶色素积累影响较小；垂柳幼苗净光合速率（Pn）在镉浓度5 mg·L-1时、旱柳幼苗净光合速率在镉浓度10 mg·L-1时与对照相比显著上升（P<0.05），而后开始显著下降（P<0.05），10 mg·L-1时垂柳幼苗Pn也具有对照植株的86.47%；垂柳和旱柳幼苗的气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）与其净光合速率（Pn）变化一致，但未达到显著增大水平；垂柳光合参数显著下降时的镉胁迫浓度小于旱柳，说明旱柳对镉的光合适应能力大于垂柳，尤其是10 mg·L-1以下。4）垂柳和旱柳根镉含量大于地上部分镉含量，垂柳转移系数介于0.02~0.15之间，旱柳转移系数介于0.08~0.51之间，是垂柳的1.71~5.18倍，10 mg·L-1时垂柳和旱柳地上部分平均镉积累浓度分别达到130.42 mg·kg-1 DW和273.72 mg·kg-1 DW。综上所述，垂柳和旱柳萌条在镉浓度小于10 mg·L-1时具有较强的生长适应性和光合适应能力，镉耐受性较高，且旱柳镉耐受能力大于垂柳；同时旱柳地上部分积累镉的能力和向地上部分转移镉的能力均大于垂柳。研究证实，垂柳和旱柳可以用于土壤镉污染地区的修复，但旱柳具有更大的应用潜力。
关键词： 垂柳    旱柳    镉    耐性    积累    生长    光合响应    
Comparative Analysis of Salix babylonica and Salix matsudana for Their Cadmium Accumulation, Growth and Photosynthesis in Response to Cadmium Contamination
Jia Zhongmin1, 2, Wang Li1, Wei Hong1, Feng Hanru3, Li Changxiao1     
1. Key Laboratory of Eco-Environments of the Three Gorges Reservoir Region of Ministry of Education College of Life Science, Southwest University Chongqing 400715;
2. Southeast Sichuan Geological Group, Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration Chongqing 400038;
3. Chongqing Fengmingshan Middle School Chongqing 400037
Abstract: In this paper, a hydroponic experiment of Salix babylonica and S. matsudana was conducted to evaluate the phytoremediation capability to cadmium contamination. The rooted cuttings were exposed to 0, 5, 10, 20, 50 mg Cd·L-1 for four weeks in a growth chamber. Growth, biomass, photosynthesis and cadmium content distribution in various parts of the plants were measured. It was found that: 1) The tolerance indexes (Ti) (%) based on the dry biomass and growth parameters decreased with increasing cadmium concentration in culture solution. The Ti of S. babylonica and S. matsudana reached 79.30, 73.11 and 98.48, 90.69 in 5 and 10 mg·L-1, respectively. The two species were able to be defined as highly tolerant by a standard of (Ti>60), and S. matsudana had higher tolerance than S. babylonica. 2) The root length and surface area of S. babylonica decreased significantly with increasing cadmium, while the root length, surface area and volume of S. matsudana as well as the root volume of S. babylonica increased firstly, and then decreased. Root average diameter of the two species increased significantly with increased cadmium content. 3) Cadmium inhibited the chlorophyll biosynthesis of developing leaves of S. babylonica and S. matsudana, however had no significant effect on the pigments in mature leaves. The net photosynthetic rate (Pn) of S. babylonica seedlings in 5 mg·L-1 and S. matsudana seedlings in 10 mg·L-1 increased significantly (P<0.05), and then decreased significantly (P<0.05), compared with the control. But the Pn of S. babylonica seedlings in 10 mg·L-1 still had 86.47% of the controlled plants. The stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr), intercellular CO2 concentration (Ci) of the two species had similar variation patterns to the Pn, but the variations were not significant except in 50 mg·L-1. Cadmium content at which the gas exchange of S. babylonica decreased significantly was lower than that of S. matsudana, indicating that tolerance of S. matsudana was higher than that of S. babylonica. 4) Cadmium accumulation in roots of the two species was higher than in the shoots in 5-50 mg·L-1 of cadmium. The cadmium translocation factor (Tf) of S. matsudana was 0.08-0.51, being 1.71-5.18 times than that of S. babylonica (0.02-0.15). The Cd concentrations in the aerial parts of S. babylonica and S. matsudana cultured in 10 mg·L-1 Cd reached to 130.42 mg·kg-1 DW and 273.72 mg·kg-1 DW, respectively. The results indicated that S. babylonica and S. matsudana had a higher adaptability of growth and photosynthesis to cadmium when Cd content in hydroponics was less than 10 mg·L-1, especially 5 mg·L-1, and thus had a high tolerance to cadmium. The capability of translocation and accumulation in aerial parts of S. matsudana was greater than that of S. babylonica. Therefore the two species hold promise for phytoextraction in cadmium-contaminated areas, especially S. matsudana. However a longer field-scale study on cadmium-contaminated soils is needed before their role in phytoremediation can be confirmed.
Key words: Salix babylonica    Salix matsudana    cadmium    tolerance    accumulation    growth    photosynthetic response    

土壤重金属污染是全球主要环境问题之一，其中镉以其移动性大、毒性高、极易进入动植物和人体产生毒害作用，成为备受关注的元素之一。土壤中过量积累的镉对植物细胞是有毒性的，通常会引起植物的许多胁迫症状(Lux et al.，2011)，如镉能够引起叶片卷曲、坏死，并抑制根和茎的生长(Sanita et al.，1999); 能扰乱水分和养分的吸收平衡，破坏光合机构，抑制气孔开度(DalCorso，2012); 还能产生氧化胁迫使未成熟叶片衰老(Schützendübel et al.，2002); 体内积累过量的镉，严重影响植物的生长和发育，尤其是抑制植物的叶绿素合成和光合作用而导致植物生物量下降(Shah et al.，2010)。

树木对污染土地中重金属的修复潜力在过去20年里受到广泛关注，尤其是快速生长的物种(Riddell-Black，1994 ; Pulford et al.，2003 ; 韦秀文等，2011 ; 卢德亮等，2012)。其中柳树(Salix)以其生长快、生物量高、容易繁殖(Pulford et al.，2003)、根系发达(Rytter et al.，1996)、地上部分收获后再生能力强(Philippot，1996)、生长季节高效的营养物质吸收能力和高的蒸腾作用(Ebbs et al.，2003)、积累高浓度的毒性金属尤其是镉的能力(Klang-Westin et al.，2003 ; Meers et al.，2007 ; Utmazian et al.，2007)，满足植物修复的大多数要求。不少柳树种或无性系在吸收、积累以及修复土壤镉方面具有较大的潜力，成为近年来研究的目标之一，但不同柳树种或无性系对镉的吸收能力不同(Klang-Westin et al.，2003 ; Meers et al.，2007 ; Utmazian et al.，2007)。本试验拟对营养液培养下垂柳和旱柳体内镉的积累特性及其生长、光合响应开展研究，解决以下2个问题: 1)垂柳和旱柳对镉的积累能力如何; 2)镉胁迫对2树种反映其耐受能力的生长、光合特性等生理活性的影响有多大。最终评价2树种对镉的修复潜力并获得其耐受策略方面的认识，明确2树种是否能有效地用于镉污染区域的植物修复。

1 材料与方法 1.1 研究材料

垂柳(Salix babylonica)和旱柳(Salixmatsudana)是杨柳科(Salicaceae)柳属落叶乔木(中国科学院植物研究所，2001)。其中垂柳萌芽力强，根系发达，生长迅速，较耐寒，特耐水湿，短期水淹及顶不致死亡，常选作护堤树种，是平原水边常见树种之一; 旱柳生长快，萌芽力强，根系发达、主根深、侧根和须根分布于各土层中，耐寒性强，喜水湿，亦耐干旱。

1.2 试验设计

2009年3月初剪取1年生未萌发的垂柳和旱柳枝条(取自嘉陵江东阳镇段岸边，剪成长20 cm、直径0.8~1.0 cm 的插条)，在自来水中预培养4周，长成完整小苗后，在1/4 Hoagland 改良营养液中适应2周，然后选取生长一致的完整小苗，放入含镉的1/4 Hoagland 改良营养液中培养4周后取样。整个试验在温室中进行(温度: 白天25 ℃/夜晚18℃ ; 空气湿度: 60 %~70 % ; 光周期:光照14 h/黑暗10 h，光照用500 W 金属卤钨灯提供)。试验容器为22 cm × 32 cm × 16 cm 的塑料箱，内放8 L 水，上面盖有孔的木板，每孔1株，苗木用脱脂棉固定。试验设置5个处理(以CdCl2·2.5 H2O的形式加入，纯 Cd 计浓度): CK 组(对照组，不加外源镉，0 mg·L-1)、T1组(5 mg·L-1)、T2组(10 mg·L-1)、T3组(20 mg·L-1)、T4组(50 mg·L-1)，每个处理4个重复，每个重复5根插条。每周换2次营养液，整个试验期间氧气泵连续吹气，调酸碱 pH6.0 。

1.3 气体交换参数的测定

每个处理随机选取8株(每个重复2株)进行光合测定。选择萌条顶端倒数第5 -6片完全展开叶，先用饱和光进行30 min 光诱导后，使用便携式光合仪 LI-6400(Li-Cor，USA)红蓝光源叶室测定叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等气体交换参数。整个测定过程中控制光合有效辐射为1 000 μmol·m-2 s-1，CO2浓度为400 μmol·moL-1，叶室温度为25 ℃。

1.4 光合色素含量的测定

测定光合指标的叶片经充分研磨、浸提后，用岛津2550分光光度计测定470，645和663 nm 处的吸光度，根据高俊凤(2006)的方法计算叶绿素(Chls)、类葫萝卜素(Car)含量。

1.5 根系形态的测定

根洗净后分别放入盛水的根系盘内，完全展开，通过数字化扫描仪(STD1600 Ep som，USA)获取根系图像，然后用 WinRHIZO2003图像分析软件(Regent Instruments，Canada)进行分析，获取总根长、根表面积、平均直径、根体积。所有测定均在400 dpi 的分辨率下进行，如有必要，可将根样剪断以便更精确地测量分析。

1.6 生物量和镉含量的测定

在镉处理时和试验结束取样时分别量取株高，获得镉胁迫期间株高增长量，然后把植物分为根、萌条(地上部分)2部分。地上部分用超纯水彻底洗净; 根部用超纯水洗净后，用20 mmol·L-1 EDTA Na 洗5 min，去除根表面吸附的镉离子，然后再迅速用超纯水冲洗干净。在烘箱中80 ℃下烘干至恒质量，称质量后用不锈钢植物粉碎机粉碎，过60目尼龙筛，储存于聚乙烯瓶中备用(贾中民等，2011)。

精确量取待测样品0.200 0 g，加入优级纯 HNO3和H2O2共8 mL，比例为3:1(V:V)，在 ETHOS A/260微波消解仪(Milestone，Italy)中消解10 min 升温至140 ℃，接着10 min 内升温至180 ℃，然后180 ℃维持15 min，待消解完毕冷却后用超纯水转入50 mL 容量瓶内。用石墨炉原子吸收法测定镉含量(国家药典委员会，2005)。

1.7 数据分析

耐性指数(tolerance index，Ti)用镉胁迫组株高增长量、总根长或生物量与对照组相应指标的比值的平均值计算(Wilkins，1978)。转移系数(translocation factor，Tf)用地上部分平均镉含量(mg·kg-1)与根部平均镉含量(mg·kg-1)的比值计算，以评价植物根吸收的镉积累在地上部分的能力(Zacchini et al.，2009)。

利用 Excel 2003和SPSS15.0进行试验数据的处理、分析和显著性检验(Duncan 法，P<0.05)，Origin8.0作图。

2 结果与分析 2.1 镉胁迫对垂柳和旱柳生长的影响 2.1.1 镉对垂柳和旱柳生物量的影响

垂柳根、地上部分生物量随营养液镉浓度的升高均呈下降趋势，除T4(50 mg·L-1)组与对照相比显著下降外(P<0.05)，其余各组(5，10，20 mg·L-1)无显著下降，4个镉胁迫组垂柳根、地上部分生物量分别为对照植株的84.65 %，77.08 %，68.47 %，32.52 %和84.32 %，82.47 %，68.81 %，33.15 %(图 1 A，B)。

图 1 镉对垂柳和旱柳生物量、生长及耐性指数的影响(平均值±标准误) Fig. 1 Effects of Cd on biomass，growth and tolerance indexes of S． babylonica and S． matsudana(Mean ± SE) 对每一镉浓度水平 ，标有不同字母的各处理之间有显著差异(显著性水平 P<0.05)。下同。
For each level of Cd concentration，means of treatments with different letters are significantly different(P<0.05)． The same below．

旱柳地上部分生物量在镉浓度为5~20 mg·L-1之间时没有显著差异(P>0.05)，但均显著低于对照;而根生物量随着镉浓度的增加先上升后下降，在10 mg·L-1时达到最大并具有显著水平(P<0.05); 当镉浓度达到50 mg·L-1时，根和地上部分生物量又显著低于对照组，4个镉胁迫组旱柳根、地上部分生物量分别为对照组植株的112.70 %，138.60 %，100.10 %，59.33 %和81.24 %，72.18 %，75.34 %，47.69 %(图 1 A，B)。

2.1.2 镉对垂柳和旱柳株高增长量、根系形态的影响

镉胁迫组垂柳株高增长量显著低于对照，而旱柳株高增长量在 T3组(20 mg·L-1)才显著下降(P<0.05)，且 T1，T2，T3组无显著变化(图 1 C)。4个镉胁迫组垂柳和旱柳株高增长量分别为对照植株的86.81%，71.95%，31.30%，5.80%和90.10%，91.05%，81.25%，14.12%，说明相同镉浓度对旱柳株高生长的抑制作用小于垂柳。

随着镉浓度的增加，垂柳总根长和根表面积显著下降(P<0.05，图 1 D，表 1); 而旱柳总根长和根表面积先上升后下降，并在 T2组(10 mg·L-1)达到最大。说明5，10 mg·L-1镉对旱柳根生长有一定的促进作用，相同镉浓度对旱柳根生长的抑制作用小于垂柳。镉胁迫4周后，4个镉胁迫组垂柳和旱柳总根长分别为对照植株的68.70%，51.72%，28.92%，21.88%和100.02%，106.76%，60.19%，26.17% 。

表 1 不同浓度镉胁迫对垂柳和旱柳根系形态特征的影响 Tab.1 Effects of the different Cd concentrations on the root morphology of S． babylonica and S． matsudana (Mean ± SE)

随着镉浓度的增加，垂柳和旱柳根的平均直径均表现为上升趋势;与对照相比，T1组无显著变化，T2，T3，T4组显著高于对照(P<0.05，表 1); 而2树种根体积呈先增加后下降的趋势，垂柳在 T1组(5 mg·L-1)最大但不显著，旱柳在 T2组(10mg· L-1)最大且达到显著水平;与对照相比，垂柳根体积在 T2，T3，T4组显著下降，而旱柳仅在 T4组显著下降(P<0.05，表 1)。

2.2 镉胁迫对垂柳和旱柳耐性指数的影响

垂柳和旱柳的耐性指数 Ti 随着营养液镉浓度的增加而逐渐下降(图 1 E)。与对照组植株相比，垂柳幼苗耐性指数在镉浓度为5~50 mg·L-1时均显著下降(P<0.05); 旱柳幼苗耐性指数直到镉浓度为20 mg·L-1时才显著下降(P<0.05)。镉胁迫4周后，4个镉胁迫组垂柳和旱柳幼苗 Ti 分别降为对照的79.30 %，73.11 %，53.11 %，27.21 %和98.48 %，90.69 %，78.61 %，40.71 %，旱柳幼苗 Ti均大于垂柳 Ti，其下降幅度也小于垂柳下降幅度。

2.3 镉胁迫对垂柳和旱柳光合色素含量的影响

T1，T2，T3组(5，10，20 mg·L-1)垂柳和旱柳叶片光合色素含量显著低于 CK 组(P<0.05)，但10，20 mg·L-1组旱柳色素含量无显著差异; 5，10，20 mg·L-1镉胁迫组垂柳的总叶绿素含量、类胡萝卜素含量分别为 CK 组植株的59.83%，48.96%，30.21%和65.67%，54.36%，33.64%(图 2)，5，10，20 mg·L-1组旱柳的总叶绿素含量、类胡萝卜素含量分别为CK 组植株的82.10%，61.64%，50.22%和81.11%，62.33%，50.62%(图 2)。T4组(50 mg·L-1)垂柳的光合色素含量虽显著低于 CK 组，却显著高于 T1，T2，T3组(P<0.05); 而 T4组(50 mg·L-1)旱柳的光合色素含量与 CK 组相比没有显著差异，并显著高于T1，T2，T3组(P<0.05)。

图 2 镉对垂柳和旱柳光合色素含量的影响(平均值±标准误) Fig. 2 Effects of Cd on the photosynthetic pigment contents of S． babylonica and S． matsudana(Mean ± SE)
2.4 镉胁迫对垂柳和旱柳光合作用的影响

镉直接影响到垂柳和旱柳叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间 CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)，随着镉浓度的增加先上升后下降(图 3 A，B，C，D)。

图 3 镉对垂柳和旱柳光合作用的影响(平均值±标准误) Fig. 3 Effects of Cd on the photosynthesis of S． babylonica and S． matsudana(Mean ± SE)

垂柳和旱柳叶片的净光合速率 Pn 随着镉浓度的增加先上升后下降(图 3 A)。与对照相比，5 mg·L-1组垂柳幼苗 P 显著上升(P<0.05)，10，20，50mg·L － 1组垂柳幼苗Pn 显著下降(P< 0.05)，4 个镉胁迫组垂柳幼苗Pn分别为对照组的110.88%，86.47%，44.09%，23.86%。5 mg·L -1组旱柳幼苗净光合速率与对照相比略有上升，但没有达到显著水平，10 mg·L -1组显著上升(P < 0.05)，20，50 mg·L -1组显著下降(P< 0.05)，4个镉胁迫组旱柳幼苗Pn 分别为对照的101.82%，121.78%，73.46 %，65.53 % 。

随着镉胁迫浓度的增加，各处理组的气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均表现出先上升后下降的趋势(图 3 B，D)。5 mg·L-1组垂柳幼苗Tr 与对照相比没有显著差异，而10 mg·L-1组显著下降; 20，50 mg·L-1组垂柳幼苗 Gs，Tr 与对照相比均显著下降(P<0.05)。5，10，20 mg·L-1组旱柳幼苗Gs，Tr与 CK 组没有显著差异，而50 mg·L-1组却显著下降(P<0.05)。

垂柳和旱柳幼苗的胞间 CO2浓度(Ci)随着镉胁迫浓度的增加先上升后下降，与对照相比，垂柳Ci 在镉胁迫浓度为20，50 mg·L-1时均达到显著下降水平; 而旱柳Ci只在50 mg·L-1(T4)时才显著下降(P<0.05，图 3 C)。

2.5 垂柳和旱柳各部分镉含量及其转移系数 2.5.1 根镉含量

垂柳根部镉含量随着营养液镉浓度的增加显著增高; T1，T2，T3组旱柳根部镉含量虽逐渐增加但未达到显著水平，T4组才显著增高(P<0.05，图 4 A)。4个镉胁迫组垂柳和旱柳根镉含量分别为491.79，976.38，1 515.15，2 417.59mg·kg-1 DW和745.38，760.93，888.55，1 699.55mg·kg-1 DW。 T1组垂柳根镉含量小于旱柳，T2，T3，T4组垂柳根镉含量大于旱柳根镉含量。

图 4 垂柳和旱柳根、地上部分的镉含量及转移系数(平均值±标准误) Fig. 4 Cd contents in roots，aerial parts and translocation factors of S． babylonica and S． matsudana(Mean ± SE) 垂柳转移系数在4个镉胁迫组间的差异采用 Dunnett’s T3检验。
Dunnett’s T3 was used to test the translocation factors of S． babylonica treated with cadmium．
2.5.2 地上部分镉含量

垂柳和旱柳地上部分镉含量随镉浓度的增加先增加后减少，在 T3组达到最大值，T4组显著下降(P<0.05，图 4 B)。4个镉胁迫组垂柳和旱柳地上部分镉含量分别为69.04，130.42，150.49，58.44 mg·kg-1 DW和172.72，273.72，436.60，133.70 mg·kg-1 DW。旱柳地上部分镉含量均高于垂柳地上部分镉含量。

2.5.3 转移系数

4个镉胁迫组垂柳镉转移系数随着镉浓度的增加而下降，T1，T2，T3组垂柳转移系数没有显著变化，但都显著高于 T4组(图 4 C); 4个镉胁迫组旱柳幼苗转移系数随着镉浓度的增加先升后降，在20 mg·L-1组达到最大，而50 mg·L-1组则显著低于其他3组(P<0.05，图 4 C)。垂柳转移系数介于0.02~0.15之间，旱柳转移系数介于0.08~0.51之间，是垂柳的1.71~5.18倍，镉胁迫组旱柳转移系数均大于垂柳。

3 讨论

研究表明，重金属能够抑制植物的生长，尤其是直接接触重金属而表现出快速敏感变化的根部，生长在含镉介质中的柳树和杨树(Populus)( et al.，2003)、芒(Miscanthus sinensis)(Scebba et al.，2006)和玉米(Zea mays)( et al.，2007)等植物的根变得更短更粗，镉胁迫下柳插条根部和萌条均呈现生长受阻状况(Vassilev et al.，2005)。本试验中发现，垂柳根生物量、地上部分生物量直到镉浓度为50 mg·L-1 、株高增长量和根长在镉浓度为5 mg·L-1时与对照相比才显著下降，根平均直径随着镉胁迫浓度的增加而增大，说明株高和根长受到抑制的镉浓度比相应生物量下降时的镉浓度更低，镉胁迫对根生长的抑制能够通过根直径的增加来补偿(Cosio et al.，2006)。旱柳幼苗在镉浓度小于20 mg·L-1时根生物量增加而地上部分生物量下降，表明尽管镉主要积累在根部，镉对旱柳地上部分生物量的抑制作用仍大于对根生物量的抑制作用(Cosio et al.，2006);同时也表明镉对旱柳根生长有一定的促进作用，这与镉胁迫下秋华柳(Salix variegata)的根生长响应一致(贾中民等，2011)。

基于植物生长和生物量指标的耐性指数 Ti(%)可以反映植物对重金属耐性的大小。有研究者把植物耐性分为高耐受性(Ti > 60)、中等程度耐受性(35 < Ti < 60)和敏感型(Ti < 35)3种类型(Lux et al.，2004)。根据这个划分，树马齿苋(Porulaca afra)、白雪姬(Tradescantia sillamontana)(燕傲蕾等，2010)和秋华柳(贾中民等，2011)的平均耐性指数(%)分别为79.88，81.35，91.72，对镉具有高耐受性; 而菖蒲(Acorus calamus)(周守标等，2007)和鸡冠菜(Meristotheca papulosa)(徐素琴等，2005)的平均耐性指数(%)分别为59，52.6，对镉耐受性较低。这些研究试验处理浓度和时间与本试验相近，在镉浓度为5，10 mg·L-1时，垂柳和旱柳 Ti(%)分别为79.3和73.11，98.48和90.69，说明垂柳和旱柳具有较高的镉耐受性，2树种都对镉表现出了较强的生长适应性，但旱柳对镉的生长适应性更强，同时也说明不同柳树种或无性系之间的镉耐受性有显著差异(Punshon et al.，1999)。

生长在重金属镉环境中的植物，其叶绿素的生物合成会受到影响，类胡萝卜素含量也会下降(El-Shintinawy，1999)。本研究中，低浓度镉胁迫使2树种光合色素含量显著下降，但50 mg·L-1时垂柳各色素含量与对照相比虽显著下降，仍高于其他低浓度镉胁迫组，旱柳植株各色素含量与对照相比虽略有下降但无显著变化。虽然所测色素含量的叶片均为成熟叶片，但叶片在镉胁迫开始时或胁迫过程中情况有所不同，50 mg·L-1组垂柳和旱柳株高增长量很小，所测叶片在镉胁迫开始时已经成熟，以成熟状态经历了镉胁迫; 而低浓度组2树种在镉胁迫后株高增长量依然较大，所测叶片在镉胁迫开始时还未成熟，成熟(生长发育)过程中经历了镉胁迫。这说明镉主要抑制了垂柳和旱柳叶片生长发育过程中光合色素的生物合成，而对已成熟叶片的色素积累影响较小，也表明镉诱导色素积累量的变化与植物叶片生长发育期有关(Prasad，2004)。

植物光合器官对于重金属的毒性是非常敏感的，因为重金属一定会通过抑制卡尔文循环的酶活性和因气孔关闭造成的CO2缺乏而直接或间接影响植物光合功能(Becerril et al.，1988 ; Pietrini et al.，2003 ; Bertrand et al.，2005 ; Linger et al.，2005)。本试验中，垂柳净光合速率(Pn)在镉浓度为5 mg·L-1时、旱柳 Pn 在10 mg·L-1时显著高于对照(P<0.05)，10 mg·L-1时垂柳幼苗 Pn 也有对照植株的86.47 %，表明垂柳和旱柳对低浓度重金属镉具有较强的光合耐受性，且旱柳的光合适应性大于垂柳。2树种的气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间 CO2浓度(Ci)与2树种的 Pn 具有相似的变化规律，但低浓度镉对它们的促进作用均未达到显著水平(图 3 B，C，D)，而垂柳在20 mg·L-1以上、旱柳在50 mg·L －1时 Gs和Tr 显著低于对照(P<0.05)，说明此浓度下镉引起了2树种叶片气孔的部分关闭(Poschenrieder et al.，1989)，引起了 Tr 的下降和影响 CO2的吸收，进而抑制了2树种的光合作用，因为植物光合作用和蒸腾速率的抑制之间具有线性关系(Barcelo et al.，1986); 同时进一步说明旱柳的光合适应性大于垂柳。

事实上，金属离子从根部向地上部分的有效转移能够降低污染物对根部理化性质的危害，并且改善植物吸收金属的效率进而随着时间推移去除污染土壤的金属污染(Zacchini et al.，2009)。本研究结果显示，垂柳和旱柳地上部分镉含量均随着营养液镉浓度的增加先上升后下降，均在 T3组(20 mg·L-1)达到最大值，2树种地上部分平均镉积累浓度分别介于58.44~150.49 mg·kg-1 DW和133.7~436.6 mg·kg-1 DW 之间，这表明虽有报道显示土壤或营养液中镉浓度的增加与地上部分镉浓度具有非饱和线性关系(Salt et al.，1995 ; Ingwersen et al.，2005)，但随着镉胁迫浓度的增加地上部分镉浓度通常会达到一个最大值(Perriguey et al.，2008 ; Peng et al.，2009 ; Street et al.，2009 ; Liu et al.，2010)。50 mg·L-1组垂柳和旱柳地上部分镉含量低于5~20 mg·L-1组，其原因可能是该浓度下2树种蒸腾速率急剧下降，仅分别为5~20 mg·L-1组的12.18 %~36.89 %和23.13 %~27.81 %，因为水分运动的维持是金属离子进入叶片的驱动因子之一(Clemens，2006)，镉在木质部内向地上部分的转移是通过叶片水分的蒸腾作用促进的(Prasad，2004)。金属向地上部分的转移是有效利用植物修复污染土壤的一个关键生化过程，在转移过程中金属可与细胞壁结合，然而，植物已经进化出多种机制限制镉进入木质部，以阻止镉在地上部分组织的积累，这解释了为什么大多数被植物吸收的金属积累在根部(75 %~90 %)(Prasad，2004 ; Lux et al.，2011)。4个镉胁迫组中，垂柳和旱柳根部镉积累量分别占整株的78.08 %~95.39 %和50.44 %~86.41 % ; 垂柳转移系数 Tf 介于0.024~0.15之间，旱柳转移系数 Tf 介于0.079~0.514之间，是垂柳的1.71~5.18倍，进一步证明了上述结论的正确性。上述事实说明垂柳和旱柳幼苗在向地上部分迁移和积累镉方面是颇具潜力的树种，同时2树种具有很高的镉耐受性，这些特性对垂柳和旱柳把土壤镉吸收并转移到地上可收获部分是非常有益的，但旱柳向地上部分迁移镉的能力和地上部分积累镉的能力均大于垂柳。

综上所述，垂柳和旱柳就生长和光合特性而言能较好地适应10 mg·L-1镉胁迫，尤其是5 mg·L-1时适应能力更强。研究表明，垂柳和旱柳具有很高的镉耐受性、地上部分高镉积累能力和一定的向地上部分迁移镉的能力，而且旱柳的这些特性均大于垂柳，同时考虑到本试验中相同的镉胁迫时间内旱柳地上部分生物量是垂柳的2~3倍，所以旱柳更具有镉污染土壤的修复潜力。

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