張 燁 劉海龍 韋鑠星 覃子海 陳博雯 肖玉菲 馬錦林

(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院/國(guó)家林業(yè)局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室/廣西特色經(jīng)濟(jì)林培育與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西南寧 530002)

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重[1-4]，其中重金屬是重要的環(huán)境污染物。土壤中重金屬污染問(wèn)題作為影響我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素已引起了人們廣泛關(guān)注[5]。土壤重金屬積累破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí)，也導(dǎo)致重金屬在植物中大量積累，不僅嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且還可經(jīng)食物鏈危及動(dòng)物和人類健康[6]。鉛是造成土壤污染的重要重金屬污染物之一，過(guò)量的鉛一旦進(jìn)入環(huán)境，特別是進(jìn)入土壤后難以排除，而且，當(dāng)土壤中鉛濃度超過(guò)一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生一定影響，濃度過(guò)高甚至導(dǎo)致植物死亡，最終會(huì)引起生態(tài)環(huán)境惡化和生態(tài)平衡失調(diào)[7]。植物具有吸收、根慮、降解、穩(wěn)定等功能，對(duì)土壤中的污染物有強(qiáng)大的凈化作用，植物修復(fù)因具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注[8-9]，但是草本植物在用于土壤重金屬污染修復(fù)時(shí)存在生物量小、修復(fù)周期長(zhǎng)、需反復(fù)收割等局限，因此，研究生物量較大的木本植物對(duì)重金屬的耐性及富集效應(yīng)具有重要意義[10]。研究鉛脅迫對(duì)植物幼苗生長(zhǎng)的影響對(duì)土壤重金屬鉛污染修復(fù)具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

油茶(Camellia spp.)原產(chǎn)和主栽于中國(guó)，是山茶屬植物中種子含油率較高，且有一定栽培經(jīng)營(yíng)面積的樹(shù)種的統(tǒng)稱，為世界四大木本油料植物之一[11-12]。其主要產(chǎn)品茶油，不飽和脂肪酸含量超過(guò)80%，有 “東方橄欖油” 的美譽(yù)[13-14]。香花油茶(C.osmantha Ye CX，Ma JL et Ye H)為2012年在南寧發(fā)現(xiàn)的油茶新物種，不僅果量多、出籽率高、早熟，且樹(shù)型美觀、花帶香氣，可同時(shí)作為油料作物樹(shù)種和觀賞樹(shù)種[15]。由于油茶的種植面積廣闊，而很多地方的土壤都受到重金屬鉛的污染，在受重金屬鉛污染的土壤中香花油茶幼苗是否可以生存？香花油茶幼苗在受重金屬鉛污染的土壤中生長(zhǎng)狀況如何？香花油茶幼苗對(duì)重金屬鉛的耐受限度是多少？值得深入研究?？蔀槭苤亟饘巽U污染地區(qū)香花油茶的種植提供參考，為受重金屬鉛污染地區(qū)土壤修復(fù)木本植物的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西南寧市廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院生物技術(shù)研究所苗圃，東經(jīng)108o21'2"，北緯22o55'16"。境域?qū)贊駶?rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，陽(yáng)光充足，雨量充沛，霜少無(wú)雪，氣候溫和，夏長(zhǎng)冬短，年平均氣溫在21.6℃左右，極端最高氣溫40.4℃，極端最低氣溫-2.4℃。冬季最冷的1月平均12.8℃，夏季最熱的7、8月平均28.2℃。年均降雨量達(dá)1 304.2 mm，平均相對(duì)濕度為79%，氣候特點(diǎn)是炎熱潮濕。土壤為第四紀(jì)紅壤，立地條件中等，質(zhì)地為輕粘土，土壤有機(jī)質(zhì)含量11.3 g/kg、含水率3.41%、pH5.2，土壤中Pb含量為0。

1.1.2 試驗(yàn)材料

供試植物香花油茶選用廣西林科院油茶苗圃1年生實(shí)生苗，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致(苗高、地徑無(wú)顯著差異)的實(shí)生苗進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方法

采用硝酸鉛配成1 000 mg/L的Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液，取適量Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液噴灑于7組供試土壤，反復(fù)攪拌、混勻，使土壤Pb含量分別達(dá)到： 200、400、600、 800、 1 000、 1 200、 2 000 mg/kg， 另外設(shè)置一組空白對(duì)照，置于通風(fēng)處自然風(fēng)干、熟化15 d，期間定時(shí)攪拌。待熟化完成后，將事先準(zhǔn)備好的香花油茶實(shí)生苗進(jìn)行盆栽，每盆栽植1株，試驗(yàn)期間保持土壤濕潤(rùn)，并在盆下放置塑料托盤(pán)，澆水后若有水滲出，將盤(pán)內(nèi)滲出的水分倒回至盆中，以免Pb流失。每個(gè)處理設(shè)置20個(gè)重復(fù)。

1.2.2 分析方法

幼苗存活率：培養(yǎng)180 d后，統(tǒng)計(jì)幼苗存活數(shù)，幼苗存活率＝(處理后幼苗存活數(shù)/處理前幼苗數(shù))×100%。

生長(zhǎng)指標(biāo)與生物量測(cè)定：培養(yǎng)180 d后，對(duì)采集的香花油茶植株先用自來(lái)水將根系洗凈，再用20 mmol/L的Na2-EDTA交換15 min，用以吸附根系表面吸附的Pb離子，然后用超純水仔細(xì)沖洗，用濾紙吸干表面水分，用卷尺測(cè)定株高、用游標(biāo)卡尺測(cè)定根長(zhǎng)，稱量植株總重，然后將根、莖、葉剪開(kāi)，分別稱其鮮重。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb脅迫對(duì)香花油茶幼苗株高的影響

香花油茶幼苗的株高隨著Pb濃度的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，不同土壤Pb濃度下香花油茶幼苗間株高呈現(xiàn)不同程度的差異(圖1)。

圖1 不同濃度Pb對(duì)香花油茶幼苗株高的影響

由圖1可知，土壤Pb濃度在400、600和800 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗間的生長(zhǎng)高度不存在顯著差異，濃度為800 mg/kg時(shí)，株高達(dá)到最高的62.3 cm，但當(dāng)濃度達(dá)到1 000 mg/kg時(shí)，株高顯著變矮，當(dāng)Pb濃度為1 200 mg/kg的時(shí)候香花油茶幼苗株高最矮，為27.8 cm。這說(shuō)明低濃度的Pb對(duì)香花油茶幼苗的株高有一定的促進(jìn)作用，高濃度的Pb對(duì)香花油茶幼苗的株高又起到了抑制作用。

2.2 Pb脅迫對(duì)香花油茶幼苗地徑的影響

香花油茶幼苗的地徑隨著Pb濃度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，不同土壤Pb濃度下香花油茶幼苗間地徑呈現(xiàn)不同程度的差異(圖2)。

圖2 不同濃度Pb影響下香花油茶幼苗的地徑變化

由圖2可以看出，當(dāng)土壤中Pb濃度小于200 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗地徑受影響不大；當(dāng)濃度增加到400 mg/kg時(shí)，幼苗的地徑顯著減小，但土壤Pb濃度在400、600和 800 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗間的地徑差異不顯著；當(dāng)濃度增加到1 000 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗的地徑生長(zhǎng)受到嚴(yán)重的抑制作用。

2.3 Pb脅迫對(duì)香花油茶幼苗根長(zhǎng)的影響

香花油茶幼苗的根長(zhǎng)隨著Pb濃度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，不同土壤Pb濃度下香花油茶幼苗的根長(zhǎng)存在不同程度的差異性(圖3)。

圖3 不同濃度Pb影響下香花油茶幼苗的根長(zhǎng)變化

由圖3可知，當(dāng)土壤中Pb濃度小于600 mg/kg時(shí)，Pb含量對(duì)香花油茶幼苗根長(zhǎng)的影響差別不大；當(dāng)土壤中Pb濃度達(dá)到800 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗根長(zhǎng)顯著變短，說(shuō)明此時(shí)土壤中重金屬Pb對(duì)香花油茶幼苗根長(zhǎng)的伸長(zhǎng)起到了明顯的抑制作用。

2.4 Pb脅迫對(duì)香花油茶幼苗生物量的影響

隨著土壤中Pb含量的不斷升高，香花油茶幼苗的總生物量、莖生物量、葉生物量均呈現(xiàn)先增加后又減少的趨勢(shì)(表1)。

由表1可知，當(dāng)土壤Pb含量處于較低水平(≤600 mg/kg)時(shí)，香花油茶幼苗的生物量達(dá)到最大，說(shuō)明中低濃度的Pb不僅沒(méi)有對(duì)香花油茶幼苗產(chǎn)生毒害作用，反而促進(jìn)了香花油茶幼苗的生長(zhǎng)。當(dāng)土壤Pb的含量達(dá)到800 mg/kg水平時(shí)，香花油茶幼苗的生長(zhǎng)受到了明顯的限制，生物量明顯下降，當(dāng)Pb的含量達(dá)到1 200 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗的總生物量?jī)H為95.36g，此時(shí)香花油茶幼苗受到明顯的毒害作用，植株矮化，根系變短，根毛變少，生物量嚴(yán)重下降。當(dāng)Pb含量達(dá)到2 000 mg/kg時(shí)，植株全部死亡。根生物量隨著土壤中Pb含量的增加呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，當(dāng)土壤Pb的含量達(dá)到800 mg/kg水平時(shí)，香花油茶根系生物量顯著減少。

表1 不同濃度Pb對(duì)香花油茶幼苗生物量的影響

3 討論與結(jié)論

(1)苗期生長(zhǎng)是植物經(jīng)受重金屬脅迫的關(guān)鍵時(shí)期。重金屬元素進(jìn)入土壤以后，與植物發(fā)生吸附作用并在植物體內(nèi)運(yùn)輸，影響植物個(gè)體的形態(tài)發(fā)育，抑制植物的正常生長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)香花油茶幼苗進(jìn)行不同濃度Pb脅迫處理，結(jié)果表明：香花油茶幼苗對(duì)重金屬Pb具有較高的耐性，當(dāng)土壤中Pb濃度低于800 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗的株高、莖生物量、葉生物量和總生物量顯著提高；當(dāng)土壤中Pb含量在1 200 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗才出現(xiàn)植株矮化明顯、葉子蜷曲變黃的現(xiàn)象；當(dāng)土壤中Pb含量達(dá)到2 000 mg/kg時(shí)，香花油茶幼苗全部死亡。

(2)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤中重金屬Pb對(duì)香花油茶幼苗生長(zhǎng)的影響主要是抑制根的生長(zhǎng)，對(duì)根的影響明顯大于對(duì)地上部分的影響，根是植物體在土壤中與重金屬結(jié)合的最重要的部位，也是最容易受重金屬毒性影響的部位。至于地上部分的變化，可能是香花油茶幼苗受重金屬Pb脅迫后，抑制了根的伸長(zhǎng)，進(jìn)而影響了其地上部分的生長(zhǎng)。土壤中重金屬Pb濃度越高，這種抑制越明顯。當(dāng)土壤中Pb含量超過(guò)香花油茶幼苗的耐受限度時(shí)，香花油茶幼苗死亡。香花油茶對(duì)重金屬Pb的富集過(guò)程是怎樣的？耐性指數(shù)是多少？影響香花油茶耐重金屬Pb的因素又有哪些？香花油茶根部在吸收重金屬Pb后的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么變化？值得進(jìn)一步研究。

(3)通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的Pb對(duì)香花油茶幼苗的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用，中低濃度的Pb對(duì)香花油茶幼苗生長(zhǎng)的抑制作用不太明顯，有的反而促進(jìn)了香花油茶幼苗的生長(zhǎng)，促進(jìn)香花油茶幼苗生長(zhǎng)的原因可能是進(jìn)入香花油茶幼苗體內(nèi)的Pb能夠促進(jìn)香花油茶對(duì)部分微量元素的吸收和誘導(dǎo)部分碳水化合物的表達(dá)(如多糖、功能蛋白)，從而促進(jìn)了香花油茶幼苗的生長(zhǎng)。因此，在受重金屬Pb污染不是很嚴(yán)重的地區(qū)可以種植香花油茶，但香花油茶作為木本油料植物，主要取用部位是果實(shí)，重金屬Pb進(jìn)入香花油茶植株的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程如何？后期植物開(kāi)花結(jié)果是否會(huì)遷移轉(zhuǎn)化到果實(shí)中？需要后期進(jìn)一步的研究。