商侃侃 張國威 宋凝寧

(上海辰山植物園，上海，201602) (華東師范大學(xué))

砍伐可促進(jìn)灌木萌蘗分枝、莖葉生長，具有更新復(fù)壯株叢、延緩衰老的作用[1]，可進(jìn)一步擴(kuò)大單株冠幅和生物量。通過對(duì)水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、槭樹(Acersp.)和榆樹(Ulmussp.)的萌芽更新研究表明，利用5～20 cm伐樁是重點(diǎn)經(jīng)營對(duì)象，其中10～20 cm伐樁所產(chǎn)生的萌芽生長最好[2]。平茬對(duì)騰格里沙漠沙拐棗(Calligonummongolicum)、花棒(Hedysarumscoparium)和沙木蓼(Atraphaxisfrutescens)生長量具有顯著提高效果，前兩者留茬高度應(yīng)該選擇30 cm或40 cm，后者留茬高度應(yīng)該選擇20 cm或30 cm[3]。檸條(Caraganakorshinskii)生長季砍伐的最適宜留茬高度為2～4 cm，太低或太高均不利于枝條的分蘗與再生[4]；對(duì)退化老齡檸條林更需要進(jìn)行平茬復(fù)壯，砍伐周期以2 a為一個(gè)砍伐周期最好[5]，也有報(bào)道至少需要5 a[6]。可見，適宜的留茬高度和砍伐頻次對(duì)植物的持續(xù)生長具有重要意義。

植物修復(fù)主要是利用植物根系吸收富集污染物，輸送、儲(chǔ)存在植物體根部及地上部分，并通過刈割、修剪、采伐植物地上部分等手段達(dá)到清除環(huán)境中污染物的目的[7-9]。實(shí)際修復(fù)中，植物對(duì)重金屬的去除效率主要取決于地上部分對(duì)重金屬的富集總量，即植物地上部分的生物量和體內(nèi)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積。刈割提高了龍葵(Solanumnigrum)富集Cd的能力，輕度刈割(留茬15 cm)單株積累量明顯增加，重度刈割(留茬30 cm)的刈割部分Cd積累量達(dá)總量的1/4[10]；刈割可以促進(jìn)黑麥草(Loliumperenne)對(duì)Pb的吸收，使Pb吸收量增加了34.12%，但未增加Cd和Zn的吸收[11]。刈割提高了蜈蚣草(Pterisvittata)修復(fù)As污染土壤的效率，多次收獲并沒有降低As的積累速度[12]；多次刈割提高了紫花苜蓿(Medicagosativa)地上部分的生長速率，促進(jìn)了地上部分生物量的累積，提高Cd污染土壤修復(fù)效率[13]?？梢姡藜艋蜇赘钪参锏厣喜糠植粌H能提高植物地上部分的再生能力，還能促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收，提高植物的修復(fù)效率[14-15]。但以往研究以超富集草本植物盆栽試驗(yàn)為基礎(chǔ)，也報(bào)道了重金屬污染下的花灌木生長影響[16-17]，而砍伐處理能否提高灌木植物重金屬提取效率的報(bào)道很少。

因此，本研究以重金屬污染模擬試驗(yàn)場的6種花灌木為對(duì)象，進(jìn)行不同伐樁高度和砍伐頻次處理，分析花灌木的萌枝特性、重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取量，篩選出不同花灌木的最佳伐樁高度和頻次，為城市重金屬污染土壤修復(fù)的植物管理提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于上海市松江區(qū)土壤污染修復(fù)模擬試驗(yàn)場(31°4′39″N、121°11′12″E)。該地區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.8 ℃，年平均日照1 997.1 h，年降水量1 103.2 mm，年均增發(fā)量1 257 mm，年均有霜期136 d。

2 材料與方法

2.1 場地設(shè)置

為了盡可能地模擬中國城市土壤污染現(xiàn)狀特征的條件[18]，設(shè)置60 cm深土壤層的隔離，使用適量的CuCl2、PbCl2、ZnCl2粉末，機(jī)械地?cái)嚢杈鶆?，混合?5～30 cm土壤層，建成2 000 m2的植物修復(fù)模擬試驗(yàn)場。試驗(yàn)地分為20個(gè)樣地，每個(gè)樣地面積10 m×10 m，設(shè)置Cu、Pb、Zn、混合污染、空白對(duì)照5個(gè)處理，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)場地土壤基本理化性質(zhì)和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1，土壤密度、pH值、電導(dǎo)率、含水率、總孔隙度、總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)均無顯著差異[19]，各樣地重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)受到目標(biāo)重金屬鹽的添加存在較大差別(表1)。于2015年春季種植12種花灌木，每個(gè)樣地每種植物各種植6株[20]。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于重金屬污染處理下12種花灌木的生長和生物量積累差別不顯著[20]，于2016年3月份選擇夾竹桃、傘房決明‘彩葉’杞柳、‘紅王子’錦帶、木芙蓉和海濱木槿等6個(gè)種類(表2)，對(duì)其中16個(gè)重金屬污染樣地內(nèi)的4株植株進(jìn)行不同強(qiáng)度砍伐處理。根據(jù)伐樁保留高度，分為0(貼地)、5、10和20 cm 4種模式，分別記為T1、T2、T3和T4，每個(gè)處理共計(jì)8次重復(fù)。至2016年生長季末期(11月底)，隨機(jī)選擇其中一半植株進(jìn)行砍伐，另一半植株保持生長。至2017年生長季末期(11月底)，對(duì)2016年砍伐植株當(dāng)年生萌條再次砍伐，記為1 a砍伐1次(C1)處理；同時(shí)砍伐2016年保留生長植株的2年生萌條，記為2 a砍伐1次(C2)處理。

表1 重金屬污染植物修復(fù)模擬試驗(yàn)場土壤性質(zhì)

試驗(yàn)處理總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1空白0.01016.5 89.3 20.0 75.5Cu污染0.02515.61128.318.193.3Pb污染0.02217.118.3840.683.7Zn污染0.02217.523.723.32453.5(Cu+Pb+Zn)污染0.01717.3521.11468.41300.5

表2 供試花灌木伐樁特點(diǎn)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 指標(biāo)測定

砍伐植株的地上部分，統(tǒng)計(jì)同一萌生植株上所有萌條的數(shù)量并稱量新鮮地上生物量，每個(gè)樣品的新鮮地上生物量用電子天平(香山ACS-JC21D)在田間稱質(zhì)量。隨機(jī)挑選10根萌條測量粗度和長度，并采集部分樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分直接置于烘箱在80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱量干質(zhì)量，確定含水量并計(jì)算干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。另一部分用去離子水沖洗干凈，105 ℃殺青0.5 h，80 ℃烘至恒質(zhì)量，用不銹鋼植物粉碎機(jī)磨碎。

準(zhǔn)確稱量植物樣品0.2 g(精確到0.000 1 g)，于100 mL消解管中，加入5 mL HNO3浸泡過夜，翌日再加入5 mL HNO3，在120 ℃下消化5 h。期間，加入H2O2(雙氧水)2～3次，至溶液澄清。然后將溶液轉(zhuǎn)移至25 mL具塞刻度試管，冷卻后定容，搖勻備測。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Agilent ICP-MS 7700)，測定消解溶液中Cu、Pb和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，萌條指植株砍伐后由新生芽萌發(fā)的單個(gè)枝條，單個(gè)伐樁萌生的所有萌條之和為萌生植株。

所獲數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel和SPSS11.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用LSD測驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 伐樁高度對(duì)當(dāng)年生萌條生長的影響

不同伐樁高度處理下6種花灌木當(dāng)年生萌條的數(shù)量、粗度、長度、干質(zhì)量以及植株干質(zhì)量存在差異，其中對(duì)夾竹桃、傘房決明和‘彩葉’杞柳的影響顯著(P<0.05)，而對(duì)‘紅王子’錦帶、木芙蓉和海濱木槿的影響不明顯(表3)。夾竹桃、傘房決明和‘彩葉’杞柳的當(dāng)年生萌條數(shù)量隨著伐樁高度增加而增加，均以T4處理最多，分別為14.3、9.0、14.8個(gè)。隨著伐樁高度增加，夾竹桃、傘房決明、‘彩葉’杞柳的當(dāng)年生萌條直徑和長度呈先增加后降低趨勢，夾竹桃、傘房決明均以T3處理下最大，‘彩葉’杞柳以T2處理效果最好；‘紅王子’錦帶萌條直徑呈增加趨勢，以T4處理效果最佳；木芙蓉和海濱木槿萌條直徑和長度有下降趨勢。隨著伐樁高度增加，夾竹桃和傘房決明的萌條干質(zhì)量和植株干質(zhì)量有增加趨勢，以T3處理下最高；‘彩葉’杞柳萌條干質(zhì)量呈先增加后降低趨勢，以T2處理最高，植株干質(zhì)量呈增加趨勢，以T4處理最高；‘紅王子’錦帶、木芙蓉和海濱木槿的萌條干質(zhì)量和植株干質(zhì)量有減少趨勢，以T1處理下最高。

表3 不同伐樁高度萌條生長特性

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同種植物不同處理間差異顯著(P<0.05)。

3.2 伐樁高度對(duì)植株重金屬提取量的影響

比較6種花灌木不同伐樁高度植株重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取量，同種植物不同伐樁高度間重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不明顯，夾竹桃、傘房決明和‘彩葉’杞柳的植株重金屬提取量存在顯著差異(P<0.05)，‘紅王子’錦帶、木芙蓉和海濱木槿的植株重金屬提取量差異不顯著(表4)。總體來看，所有植株Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1～26.8 mg·kg-1，Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5～56.5 mg·kg-1，Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.1～435.4 mg·kg-1。夾竹桃萌條Cu、Pb、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別以T4、T4和T2處理下最高；傘房決明萌條Cu、Pb、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別以T4、T4和T3處理下最高；‘彩葉’杞柳萌條Cu、Pb、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別以T3、T3和T1處理最高；‘紅王子’錦帶萌條Cu、Pb、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別以T4、T1和T1處理下最高；木芙蓉萌條Cu、Pb、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別以T1、T3和T2處理下最高；海濱木槿萌條Cu、Pb、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別以T3、T3和T1處理下最高。

總體來看，所有植株Cu提取量為0.50～28.50 mg·株-1，Pb提取量為0.19～31.70 mg·株-1，Zn提取量為2.97～229.90 mg·株-1。夾竹桃萌條Cu、Pb、Zn提取量分別以T3、T4和T3處理效果最好；傘房決明萌條Cu、Pb、Zn提取量均以T3處理效果最好；‘彩葉’杞柳萌條Cu、Pb、Zn提取量均以T4處理效果最好；‘紅王子’錦帶萌條Cu、Pb、Zn提取量分別以T2、T1和T2處理效果最好；木芙蓉萌條Cu、Pb、Zn提取量分別以T1、T1和T2處理效果最好；海濱木槿萌條Cu、Pb、Zn提取量分別以T3、T3和T1處理效果最好。

表4 不同伐樁高度植株重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同種植物不同處理間差異顯著(P<0.05)。

3.3 砍伐頻次對(duì)植株重金屬提取量的影響

通過比較6種花灌木一、二年生萌條重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)植物的C2處理萌條重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于C1處理萌條，但差異不明顯(表5)。夾竹桃、傘房決明C2處理萌條Cu、Pb、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于C1處理萌條，呈一個(gè)累積現(xiàn)象；‘彩葉’杞柳C2處理萌條Cu、Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于C1處理萌條，Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)以C1處理萌條較高；‘紅王子’錦帶C2處理萌條的Cu、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于C1處理萌條，Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)以C1處理萌條較高；木芙蓉C2處理萌條Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于C1處理萌條，Cu、Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)以C1處理萌條較高；海濱木槿與木芙蓉類似，C2處理萌條Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于C1處理萌條，而C1處理萌條Cu、Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于C2處理萌條。

對(duì)于Cu的提取，夾竹桃、傘房決明和‘彩葉’杞柳C2處理植株的Cu提取量顯著多于C1處理累計(jì)量，分別提高66.3%、420.0%和53.1%；‘紅王子’錦帶C2處理植株Cu提取量略多于C1處理累計(jì)量，僅多20.0%；木芙蓉和海濱木槿C2處理植株Cu提取量則少于C1處理砍伐累計(jì)量，分別少9.1%和54.6%。對(duì)于Pb的提取，夾竹桃、傘房決明和‘彩葉’杞柳C2處理植株P(guān)b提取量顯著多于C1處理累計(jì)量，分別多出69.1%、103.5%和65.5%；‘紅王子’錦帶、木芙蓉和海濱木槿C2處理植株P(guān)b提取量顯著低于C1處理累計(jì)量，分別為25.0%、22.9%和46.7%(表5)。對(duì)于Zn的提取，傘房決明C2處理植株Zn提取量顯著多于C1處理砍伐累計(jì)量，多489.3%；夾竹桃、‘彩葉’杞柳、木芙蓉C2處理植株Zn提取量多于C1處理砍伐累計(jì)量，分別多40.9%、11.3%和12.6%；‘紅王子’錦帶和海濱木槿C2處理植株Zn提取量少于C1處理砍伐累計(jì)量，分別少16.5%和53.4%。

表5 不同砍伐頻次植株重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)和提取量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同種植物不同處理間差異顯著(P<0.05)。

4 結(jié)論與討論

合理高效的施肥、水分管理、刈割等農(nóng)藝措施，可以從改善植物的養(yǎng)分、水分及空間分布等條件來促進(jìn)植物的生長發(fā)育，以獲取理想的生物量，提高植物修復(fù)效率[14]。刈割作為一種農(nóng)藝措施，能提高很多作物地上部分的再生能力，對(duì)于多年生、再生能力強(qiáng)的修復(fù)植物，可以借鑒牧草種植中廣泛應(yīng)用的刈割措施來提高其生物量，提高修復(fù)效率[11，21]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同伐樁高度對(duì)夾竹桃、傘房決明和‘彩葉’杞柳的萌條生長和重金屬提取量影響顯著，而對(duì)‘紅王子’錦帶、木芙蓉和海濱木槿的影響較小。夾竹桃和傘房決明的最佳伐樁保留高度為10 cm，具有最高的生物量和重金屬提取量；‘彩葉’杞柳的最佳伐樁保留高度為5 cm，具有最高的生物量和重金屬提取量，這與筐柳天然林砍伐高度一致[22]；而‘紅王子’錦帶、木芙蓉和海濱木槿比較理想的伐樁保留高度為0，即以近地面皆伐的處理效果最好。這可能隨著伐樁部位的不斷變高，休眠芽的年齡階段越年輕而發(fā)育階段越老，萌條生長勢隨之減弱，即地表以下部位的休眠芽最年幼且最具有活力[23]。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，夾竹桃、傘房決明和‘彩葉’杞柳可以在伐樁枝條上進(jìn)一步萌生萌條，而超過一定高度后枝條的粗度和長度會(huì)下降，以5～10 cm的留茬高度最佳。而木芙蓉、海濱木槿、‘紅王子’錦帶以根頸部的萌條為主，尤其是木芙蓉伐樁枝條再萌蘗能力差，故以近地面砍伐最佳。

廖曉勇[24]研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，蜈蚣草的最佳刈割頻率為1 a 3次，每次留茬高度7.5 cm左右，其修復(fù)效率是1 a收獲1次處理的1.9倍。從砍伐頻次來看，傘房決明、夾竹桃、‘彩葉’杞柳和海濱木槿的2 a砍伐1次植株生物量顯著多于1 a砍伐1次的累計(jì)生物量，這與檸條的研究結(jié)果一致[5]；而‘紅王子’錦帶和木芙蓉2 a砍伐1次植株干生物量略少于1 a砍伐1次的累計(jì)生物量。對(duì)于重金屬的提取量，夾竹桃、傘房決明和‘彩葉’杞柳2 a砍伐1次植株的Cu、Pb、Zn的提取量明顯多于1 a砍伐1次的累計(jì)量；木芙蓉和海濱木槿2 a砍伐1次植株的Cu提取量，‘紅王子’錦帶、木芙蓉和海濱木槿2 a砍伐1次植株的Pb提取量以及‘紅王子’錦帶和海濱木槿2 a砍伐1次植株的Zn提取量均少于1 a砍伐1次的重金屬累計(jì)提取量。因此，在重金屬污染場地植物修復(fù)時(shí)，為提高萌條生長和重金屬提取量，木芙蓉宜采用冬季重剪，貼地面進(jìn)行，1 a砍伐1次；‘彩葉’杞柳采用冬季落葉期砍伐，傘房決明和夾竹桃宜采用春季萌芽前砍伐，保留5～10 cm的留茬高度，每2 a砍伐1次?！t王子’錦帶、海濱木槿可根據(jù)個(gè)體密度是否影響到植株生長進(jìn)行不同留茬高度的砍伐處理，頻次可以1 a砍伐1次或2 a砍伐1次。