镉是一种植物非必需元素，以毒性强、在土壤-植物系统中移动性大等特点受到广泛关注，它在生物圈中通常给生物带来有害的生态效应。土壤中过量的镉会引起植物的许多胁迫症状，研究表明：叶镉浓度超过5~10 mg·kg^-1(干质量)时对大多数植物都是有害的(White et al., 2010); 镉能抑制叶绿素的生物合成并导致叶绿素含量的下降和不同色素比例的变化、影响PSⅡ反应中心和电子传递进而抑制光合作用，并导致生物量下降(Prasad, 2004)。但也有研究表明，一些植物光合作用未受镉胁迫影响，而蒸腾速率显著下降(Haag-Kerwer et al., 1999)、PSⅡ电子传递受到抑制(邓培雁等, 2007)。可见，不同植物对镉的光合响应有很大的不同。

三峡库区水系沉积物中镉异常明显，含量为0.15~2.14 mg·kg^-1，存在连续的中至重度污染，其高镉异常及其较强的生物有效性将对库区消落带的土壤-植物系统产生不利的生态后果(唐将, 2005)。柳树(Salix)和杨树(Populus)能够通过植物提取或固定的方法修复多种重金属污染(韦秀文等, 2011)，目前国内外对柳树耐重金属镉胁迫能力的研究主要集中在对镉的吸收、转移、积累分配等方面(徐爱春等, 2006; 杨卫东等, 2008; 贾中民等, 2011)，体内镉积累对光合系统正常运行影响程度则很少报道。

秋华柳(Salix variegata)是柳属多年生灌木(中国科学院植物研究所，2001)，在三峡库区消落带有一定的分布。该物种作为一种耐水淹植物(罗芳丽等, 2007; 李娅等, 2008)，其幼苗根吸收镉后向地上部分转移能力、地上部分镉积累能力及其镉耐受性都很高(贾中民等, 2011)，使之在三峡库区消落带土壤镉污染严重的区域具有较强的应用潜力。本试验以秋华柳当年实生苗为研究对象，通过盆栽试验，探究重金属镉对秋华柳幼苗光合色素含量、光合特性及叶绿素荧光特性的影响。明确不同浓度镉胁迫对秋华柳幼苗的光合作用和叶绿素荧光特性的影响程度，以揭示该树种对镉胁迫的光合适应能力，为该树种有效用于三峡库区消落带土壤镉污染区域提供科学依据。

2009年4月初在重庆北碚嘉陵江同兴镇河岸选取生长基本一致的150株秋华柳当年实生苗，带回实验基地预培养。4月底将风干的腐殖质土粉碎过5 mm筛，以CdCl₂·2.5H₂O溶液形式向土壤中加入镉，设置5个处理组：CK(0 mg·kg^-1，对照)，T1(10 mg·kg^-1)，T2(20 mg·kg^-1)，T3(50 mg·kg^-1)和T4(100 mg·kg^-1)。土壤加入Cd溶液后充分混匀，保持潮湿平衡1个月后，装入高20 cm，内径25 cm的花盆，盆内土层高度约为18 cm。于2009年6月6日选取生长基本一致的秋华柳培养苗随机移栽入盛有含镉土壤的花盆中，每个处理4盆，每盆2棵幼苗。将所有盆栽试验用苗置于西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室实验基地大棚下(透明顶棚，四周开敞)培养，整个试验期间进行常规田间管理。土壤基本理化性质见表 1。

表 1 土壤基本理化性质 Tab.1 The basic physico-chemical characteristics of soils

表 1 土壤基本理化性质 Tab.1 The basic physico-chemical characteristics of soils

试验从2009年6月6日开始，到2009年10月7日结束，历时120天。第120天时测试相关指标并进行破坏性取样。

使用便携式光合仪Li-6400(Li-Cor, USA)红蓝光源叶室进行气体交换参数的测定。控制CO₂浓度为400 μmol·mol^-1，光强为1 000 μmol·m^-2s^-1，叶室温度为25 ℃，时间为9:00—11:00。在光合测定前，先用饱和光(1 200 μmol·m^-2s^-1)对植物叶片进行30 min光诱导。选取健康成熟的功能叶(叶位为植株顶端倒数第9~11片完全展开叶)，测定其净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)、蒸腾速率(Tr)，并计算气孔限制值(L_s)=1-C_i/C_a (Farquhar et al., 1982)和水分利用效率(WUE)=P_n/Tr(Nijs et al., 1997)。

使用便携式光合仪Li-6400(Li-Cor, USA)荧光叶室测定相同叶位的叶绿素荧光。控制CO₂浓度为400 μmol·mol^-1，叶室温度为25 ℃。将植株暗适应1 h后，用弱测量光测定初始荧光(F_o)，然后给1个饱和脉冲光(6 000 μmol·m^-2s^-1，脉冲时间0.8 s)测得最大荧光(F_m)。饱和脉冲光结束后，打开光化学光(1 000 μmol·m^-2s^-1)，持续照射30 min，得到稳态荧光F_s，然后照射1次饱和脉冲光(6 000 μmol·m^-2s^-1，脉冲时间为0.8 s)，测得F′_m，关闭光化学光，同时打开远红光照射3 s，测得F′_o。并计算可变荧光(F_v)=F_m -F_o、PSⅡ最大光化学效率(F_v/F_m)、PSⅡ光化学有效量子产量(F_v′/F_m′)、PSⅡ实际电子传递的量子效率(Φ_PSⅡ)=(F_m′-F_s)/F_m′、表观电子传递速率(ETR)=Φ_PSⅡ×PAR×0.5×0.84、光化学猝灭(q_P)=(F′_m-F_s)/F′_v和非光学猝灭(NPQ)=F_m/F′_m-1(Genty et al., 1989; Demmig-Adams et al., 1996; Maxwell et al., 2000)。

采用直接浸提法(高俊凤，2006)用岛津2550分光光度计测定叶绿素(Chls)、类葫萝卜素(Car)含量，用于光合色素提取的叶片为测定光合、荧光指标的叶片。

利用统计分析软件Spss13.0和Excel 2003进行试验数据的处理和分析，Origin 8.0作图。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)揭示镉胁迫对秋华柳的光合色素含量、气体交换参数和叶绿素荧光特性的影响。用Duncan多重比较(Duncan′s multiple range test)检验不同镉胁迫浓度之间植株的色素含量、气体交换参数及叶绿素荧光特性的差异。

从表 2可知：T1(10 mg·kg^-1)组秋华柳叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量与CK组并无显著差异性，T2，T3，T4(20，50，100 mg·kg^-1)组植株与CK组相比显著下降(P < 0.05)，4个镉胁迫组植株之间的叶绿素含量和类胡萝卜素含量也有显著差异(P < 0.05)。T1, T2，T3，T4组秋华柳总叶绿素和类胡萝卜素含量分别为对照植株的98.11%，61.88%，32.15%，17.29%和96.09%，63.28%，36.52%，21.17%。

表 2 不同镉浓度对秋花柳幼苗光合色素含量的影响^① Tab.2 Effects of the different Cd concentrations on the photosynthetic pigment contents of S.variegata seedlings

表 2 不同镉浓度对秋花柳幼苗光合色素含量的影响① Tab.2 Effects of the different Cd concentrations on the photosynthetic pigment contents of S.variegata seedlings

与对照相比，秋华柳幼苗叶绿素a/b在T3，T4组才显著下降(P < 0.05)(表 1)，说明此浓度下镉对秋华柳叶绿素a的抑制效应显著大于叶绿素b。秋华柳叶绿素a/b的比值介于2.737~3.172之间(表 2)。

镉对光合作用是一种有效的抑制剂。秋华柳幼苗的净光合速率(P_n)和气孔导度(G_s)随着镉胁迫浓度的增加表现为基本一致的显著下降趋势(图 1A，B)，各处理组之间秋华柳幼苗P_n和G_s均有显著性差异(P < 0.05)，T1，T2，T3，T4组幼苗的P_n，G_s分别下降为对照(CK)组的84.9%，64.2%，35.89%，14.47%和72.8%，55.64%，40.99%，19.88%。

图 1 镉胁迫对秋华柳气体交换的影响 Fig.1 Effects of Cd stress on the gas exchange of S. variegata 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). For each level of Cadmium concentrations, means of treatments with different letters are significantly different (P＜0.05).下同。The same below.

随着镉胁迫浓度的加大，秋华柳幼苗的蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)呈下降趋势(图 1 D，F)。除T1(10 mg·kg^-1)组Tr与对照相比没有显著变化外，其余3组显著低于对照植株(P < 0.05); T1, T2(10，20 mg·kg^-1)组幼苗WUE与CK，T3，T4(0，50，100 mg·kg^-1)组均无显著性差异，但50, 100 mg·kg^-1组与对照相比显著下降(P < 0.05)。T1，T2，T3，T4组秋华柳的WUE分别下降到对照的82.87%，81.01%，64.18%，57.18%。

秋华柳幼苗P_n随着镉胁迫浓度的增加而下降的同时，胞间CO₂浓度(C_i)上升，气孔限制值(L_s)则呈下降趋势，说明秋华柳P_n的下降主要是由非气孔限制因素引起的。其中T1，T2，T3组秋华柳幼苗C_i，L_s与CK组植株相比均没有显著差异，而T4组幼苗与对照相比，C_i显著上升、L_s显著下降(P < 0.05)，(图 1C，E)。

不同浓度镉胁迫显著影响秋华柳幼苗叶绿素荧光参数的变化。随着土壤镉含量的增加，秋华柳幼苗的F_v/F_m，F′_v/F′_m，Φ_PSⅡ, ETR, q_P逐渐降低，而NPQ则逐渐上升(图 2)。

图 2 镉对秋华柳叶绿素荧光特性的影响 Fig.2 Effects of Cd stress on the chlorophyll fluorescence characteristics of S. variegata

不同浓度镉胁通之间没有达到显著差异(图 2B)。镉胁迫120天后，4个镉胁迫组秋华柳幼苗F′_v/F′_m分别下降为对照植株的83.71%, 76.19%，51.18%，42.51%。

秋华柳幼苗的Φ_PSⅡ, ETR具有相同的变化趋势(图 2 C，D)，T1组植株的Φ_PSⅡ, ETR与对照相比无显著变化，T2，T3，T4组幼苗的Φ_PSⅡ, ETR与对照相比均显著下降(P < 0.05)。4个镉胁迫组秋华柳幼苗的Φ_PSⅡ分别降为对照组植株的82.77%, 64.53%，37.01%，27.69%。

随着镉浓度的增加，秋华柳幼苗q_P下降，NPQ上升(图 2 E、F)。秋华柳幼苗q_P在T4组(100 mg·kg^-1)才显著低于对照(P < 0.05)，而NPQ在T3, T4组(50，100 mg·kg^-1)才显著高于对照，并且T4组(100 mg·kg^-1)显著高于T3组(50 mg·kg^-1)。说明镉浓度低于20 mg·kg^-1时非光化学猝灭保护机制不显著，而镉浓度大于50 mg·kg^-1时非光化学猝灭保护机制发挥显著效果, 这可能与秋华柳镉耐性有关。4个镉胁迫组秋华柳幼苗q_P，NPQ分别为对照植株的97.46%, 83.27%，75.49%，64.70%和179.4%，185.6%，446.9%，571.7%。

镉能抑制叶绿素和类胡萝卜素合成(Hasan et al., 2009)。金丝柳(Salix alba)无性系在镉浓度为10 mg·kg^-1下100天叶绿素浓度为对照的94.26%(徐爱春等, 2007); 而南美蟛蜞菊(Wedelia trilobata)在该浓度下生长3个月叶绿素就下降了19.25%(朱建玲等, 2008); 玉米(Zea mays)更是在1 mg·kg^-1的含镉土壤中生长20天叶绿素下降了29.85%(惠俊爱等, 2010); 杨树无性系在含25 μmol Cd·L^-1营养液中生长5个月叶绿素下降了44.8%(万雪琴等, 2008)。镉胁迫120天时，10 mg·kg^-1组秋华柳幼苗总叶绿素和类胡萝卜素含量仍具有对照的98.11%和96.09%，表明此时镉胁迫对秋华柳幼苗叶绿素含量影响不大。但随镉胁迫浓度的增加，叶绿素水平不断下降，这可能与高浓度镉胁迫下秋华柳幼苗叶片中积累大量的镉，破坏了叶绿体超微结构(秦建桥等, 2010)或者抑制原叶绿素还原酶和氨基-γ-酮戊酸的合成有关(Truong et al., 1996)。秋华柳幼苗的叶绿素a/b比值随土壤镉浓度的增加呈下降趋势，表明镉对叶绿素a的抑制效应大于叶绿素b，与前人研究结果一致(Haag-Kerwer et al., 1999)。但秋华柳幼苗叶绿素a/b在20 mg·kg^-1以下无明显下降，100 mg·kg^-1时仍然具有较高的比值(对照的86.3%)，这一结果有助于对镉的耐受性(Wu et al., 2003)。

镉能抑制气孔开度(Barceló et al., 1986)，降低植物对水分胁迫的耐性，表现出蒸腾速率降低和气孔阻力增加(White et al., 2010)，有效抑制植物的光合作用(Chugh et al., 1999; Vassilev et al., 2005)。本试验镉胁迫虽显著降低秋华柳幼苗的净光合速率(P_n)，但镉胁迫120天时，秋华柳幼苗P_n在镉浓度为10 mg·kg^-1时仍具有对照植株的84.9%，能进行较强的光合生长，说明秋华柳幼苗对镉胁迫具有很好的光合耐受性。镉胁迫120天时，秋华柳幼苗叶片气孔导度(G_s)和蒸腾速率(Tr)显著下降(图 1B，D)，这说明镉引起了植物气孔的部分关闭(Poschenrieder et al., 1989)，进而引起蒸腾速率的下降和影响CO₂的吸收，这可能是秋华柳幼苗光合作用下降的原因之一，因为植物的光合作用和蒸腾速率的抑制具有线性关系(Barcelo et al., 1986)，当镉通过气孔和CO₂固定影响到CO₂扩散时，光合作用也会对镉变得敏感(Becerril et al., 1988; Pietrini et al., 2003)。随着镉胁迫浓度的增加，秋华柳P_n依次显著下降(P < 0.05)，C_i逐渐升高，而L_s逐渐下降，根据Farquhar等(1982)的研究可以确定秋华柳幼苗P_n的下降主要是非气孔限制因素引起的，而不是镉对秋华柳气孔导度和蒸腾速率抑制的直接结果。

叶绿素荧光检测能快速灵敏地了解植物光合作用与环境的关系，通过不同荧光参数的变化，揭示植物应对外界变化特别是环境胁迫时的内在光能利用机制(Poschenrieder et al., 1989)。植物叶片PSⅡ的最大光化学效率(F_v/F_m)可作为衡量PSⅡ原初光能转换效率高低的依据(Maxwell et al., 2000); 光化学猝灭(q_P)能反映PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，在一定程度上反映PSⅡ反应中心的开放程度(Krause et al., 1991)。本研究发现镉胁迫120天时，秋华柳F_v/F_m在镉浓度为0，10，20 mg·kg^-1时为0.83, 0.82，0.79，属正常水平，说明镉对秋华柳幼苗PSⅡ原初光能转换效率影响较弱; 而秋华柳q_P在镉浓度为50 mg·kg^-1及其以下浓度时均无显著下降说明镉对PSⅡ反应中心的开放程度抑制效应也是较弱的，这与秋华柳具有一定的镉耐性有关(贾中民等, 2011)。

F′_v/F′_m是PSⅡ光化学的有效量子产量，代表激发能被开放的反应中心捕获的效率，它定量了由于热耗散的竞争作用而导致的光化学被限制的程度(Genty et al., 1989)。本研究发现：秋华柳幼苗F′_v/F′_m显著低于对照(P < 0.05)，说明镉胁迫显著阻碍秋华柳幼苗开放的反应中心捕获激发能的效率。而PSⅡ电子传递的量子产量(Φ_PSⅡ)可以看作是PSⅡ光化学的有效量子产量被开放的PSⅡ反应中心用于光化学的效率(Maxwell et al., 2000)。从图 2中Φ_PSⅡ和ETR对镉的响应可以看出，除10 mg·kg^-1组与对照没有显著变化外，其余各胁迫组秋华柳幼苗的电子传递受到显著抑制，镉浓度越高抑制效应越大，表明秋华柳PSⅡ反应中心部分失活或破坏，PSⅡ的电子传递对镉胁迫是相当敏感的，这可能是由于镉强烈抑制秋华柳幼苗PSⅡ原初醌受体Q_A的光化学还原效率，降低了PSⅡ向PSⅠ的电子传递，与其他植物的响应一致(邓培雁等, 2007; Harbinson et al., 1989; Küpper et al., 2007)。代表光适应状态下PSⅡ的天线系统将过量光能耗散为热能的NPQ(Bilger et al., 1990)随着镉胁迫浓度的增加而逐渐升高，表明秋华柳幼苗在镉胁迫下能够提高自身热耗散能力，从而增强自身的光保护能力，以避免或减轻光抑制甚至光氧化对光合机构的损害，使之维持一定水平的光合作用。这是秋华柳幼苗倾向于采用解毒这一镉耐受策略向地上部分转移大量镉离子并积累的原因之一(贾中民等, 2011)。

综上所述，秋华柳幼苗PSⅡ开放的反应中心捕获激发能的效率和光合电子传递在镉胁迫下受到强烈抑制，但在10 mg·kg^-1时秋华柳各光合指标与对照相比无显著下降(P_n，F′_v/F′_m除外)，而P_n仍具有对照植株的84.9%，就光合特性而言能很好地适应120天的镉胁迫，具有较强的光合耐受性。且该胁迫时间和浓度下秋华柳根部、地上部分生物量分别为对照植株的101.44%，96.06%，能进行正常的生物量生产; 根部吸收的镉向叶的转移系数为2，叶镉积累量达到85.2 mg·kg^-1(干质量) (贾中民等, 2011)。因此，可以考虑将秋华柳用于三峡库区消落带镉污染严重区域进行植物修复，但秋华柳能否耐受三峡水库建成后长时间的水淹和镉的双重胁迫有待进一步研究。