馬云瑤 戎 恭 鄭青雅 馬云璐 儲 茵 劉盛全

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，安徽 合肥 230036）

我國土壤鎘（Cd）污染形勢嚴(yán)峻，治理和修復(fù)受Cd 污染的土壤是當(dāng)今面臨的一個緊迫的任務(wù)[1]。植物修復(fù)（Phytoremediation）是一種清潔污染土壤的新技術(shù)，具有就地治理、低成本和可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)，其中植物提取修復(fù)（Phytoextraction）是通過植物對污染土壤中重金屬的耐受性和抵抗性以及對重金屬的吸收、富集能力來將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，然后將植物移出土壤系統(tǒng)并進(jìn)行回收和處置[2]。目前主要是利用對重金屬有超富集能力的草本植物，但由于這些草本植物生長緩慢，生物量低，故修復(fù)治理耗時較長[3-4]。樹木提取修復(fù)（Dendroextraction）是利用木本植物進(jìn)行的提取修復(fù)，雖然它們對污染物多不具備高累積性，但由于木本植物，特別是速生樹種具有生長迅速、生物量大、根系發(fā)達(dá)、管理方便、生態(tài)安全等優(yōu)勢，與草本植物相比，具有相當(dāng)或更大的吸收總量以及更高的積極效益[4-5]。楊樹是速生樹種，在全世界栽種面積很廣，易繁殖、適應(yīng)性強(qiáng)，對Cd 的吸收富集能力總體相對較強(qiáng)，是土壤Cd 提取修復(fù)的優(yōu)勢樹種，并且楊樹在減少土壤中鎘含量的同時，具有清潔空氣、美化環(huán)境的作用[6]。但前期諸多的研究均表明楊樹樹干對Cd 的吸收和富集能力則相對較低[7-9]。研究樹干吸收和富集Cd 的特性及如何提高其富集能力對利用楊樹進(jìn)行Cd 污染土壤修復(fù)治理有重要意義，但目前這方面研究很少[10]。

應(yīng)拉木是闊葉樹的樹干或樹枝由于傾斜生長而形成的一種異常的木材組織，它的解剖和物理力學(xué)特性是在外力的作用下試圖恢復(fù)到原來的位置而形成的[11-12]。其木材的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和化學(xué)成分與正常木有所不同, 如應(yīng)拉木纖維細(xì)胞壁的纖維腔壁內(nèi)出現(xiàn)了特殊的膠質(zhì)層，該膠質(zhì)層具有的纖維素含量高、木質(zhì)素含量低、微纖絲角小等特點(diǎn)[13-14],可能更利于重金屬在木材部分的富集[10]，前后承接不當(dāng)而極少有這方面的研究報(bào)道。

通過設(shè)置不同濃度Cd 添加處理的土壤進(jìn)行兩年的盆栽試驗(yàn)，人工模擬楊樹應(yīng)拉木的形成，對楊樹進(jìn)行人工傾斜(45°)生長來模擬兩年生傾斜種植楊樹對重金屬Cd 的富集過程，分析不同Cd 濃度處理對兩年生楊樹生長量的影響，并著眼全樹，聚焦樹干，研究楊樹不同部位及樹干縱向和橫向Cd 含量分布規(guī)律，綜合分析傾斜楊樹富集Cd 的能力和累積機(jī)理，為提高楊樹樹干部分吸收和累積Cd 的能力進(jìn)行初步的探尋。

1 材料與方法

1.1 盆栽實(shí)驗(yàn)

2018 年3 月，采集安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園內(nèi)表層土然后拌入營養(yǎng)土組成試驗(yàn)土壤，表層土壤和營養(yǎng)土的比例為1 ∶1，混合均勻后裝入營養(yǎng)盆中，營養(yǎng)盆直徑33 cm，高38 cm，每盆裝土21.0 kg。2018 年3 月從安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園中的一棵69 楊樹(Populus deltoides‘Lux’ (I-69/55))新生樹枝上剪下生長狀態(tài)良好、長勢均一的扦插苗15 棵，每棵楊樹扦插苗剪成15 cm 左右備用。將15 棵扦插苗栽植于營養(yǎng)盆，并安放在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園陽光大棚下。樹苗自然生長兩個月后通過均勻噴灑Cd(NO3)2溶液進(jìn)行Cd 的添加。綜合參考《國家土壤質(zhì)量環(huán)境農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2018)和《國家土壤質(zhì)量環(huán)境建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB36600-2018)的篩選值和管控值[15-16]，以及國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]，設(shè)置5 種不同的Cd 添加濃度梯度（0，5，20，50，100 mg/kg）依次記為C0、C1、C2、C3、C4，每個處理設(shè)置3 個重復(fù)。兩周后將楊樹樹苗傾斜45°放置，并用竹竿固定樹苗，使其保持傾斜生長。為了使楊樹在環(huán)境相同的條件下生長，在擺放花盆時采用隨機(jī)分布的方法擺放，并定期定量給樹苗澆水。

1.2 生長量的跟蹤測定

在生長季（3—11 月）每月測定楊樹的生長狀況，主要包括樹高和地徑。樹高統(tǒng)一從花盆土壤表層部位開始測量至樹苗頂芽部位，地徑是從花盆土壤表面往上5 cm 左右處用軟尺圍繞苗木一圈的長度，再計(jì)算得出直徑。

1.3 樣品的采集、處理以及Cd 的測定

于2019 年12 月對兩年傾斜生長楊樹按照樹葉、樹枝、樹根、樹干的樹皮部分（以下稱為樹皮）、樹干的木材部分（以下稱為樹干）五個不同部位分別進(jìn)行樣品采樣。其中樹干和樹皮又按照縱向分為頂部、中部、基部，每一高度又分應(yīng)拉區(qū)（傾斜上部）和對應(yīng)區(qū)（傾斜下部）分別采集，每一個區(qū)的樹干木材部分再按徑向取近樹皮處和近髓心處樣。樹葉在11 月落葉前采集，然后在12月初拔出楊樹，其中樹干截取5 cm 厚的基部、中部、頂部圓盤。植株樣首先用自來水沖洗，除去表面泥沙和污垢，再用去離子水沖洗3 遍。每個圓盤分為應(yīng)拉區(qū)和對應(yīng)區(qū)兩部分，首先用不銹鋼刨刀分別將應(yīng)拉區(qū)和對應(yīng)區(qū)樹皮取下，然后木材部分按年輪逐層分別取下應(yīng)拉區(qū)和對應(yīng)區(qū)的近樹皮處和近髓心處木材樣。各部位的樣品用去離子水沖洗3 遍，在60℃下烘干后用研缽磨碎或用球磨儀粉碎，過60 目篩，分別裝袋標(biāo)號。采用石墨爐原子吸收分光光度法（TAS990 GF 北京普析）測定楊樹不同部分Cd 含量。

此外，通過生物富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表示傾斜楊樹對Cd 的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。生物富集系數(shù)（bioconcentration factors, BCF）指植物體內(nèi)重金屬含量與相應(yīng)的土壤重金屬含量之比，這里采用楊樹地上各部分Cd 含量與Cd 添加處理濃度的比值。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（translocation factor,TF）指植物地上部分重金屬含量與地下根部重金屬含量之比[19]。

利用Excel 2013 和Origin 2017 等進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與繪圖，采用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析和最小顯著性差異檢驗(yàn)，比較兩年傾斜生長楊樹對Cd 的吸收和富集能力在不同處理濃度，以及在不同部位、樹干縱向和徑向的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源Cd 的添加對傾斜楊樹生長性狀的影響

在整個實(shí)驗(yàn)期間，所有Cd 處理下的樹木未出現(xiàn)明顯的不良癥狀，楊樹生長總體良好。楊樹在不同Cd 脅迫條件下樹高和地徑均隨時間的增加而增加（表1）。

對于傾斜楊樹樹高，C1 處理下第一年樹高顯著高于C3 和C4 處理，在兩年收獲時不同處理樹高的順序?yàn)镃1 ＞C0 ＞C4 ＞C3 ＞C2，但未達(dá)到差異顯著（表1），表明外源Cd 的添加對傾斜楊樹樹高生長沒有顯著的抑影響。對于地徑，C0處理下第一年地徑顯著高于C1、C2、C3 處理，在兩年收獲時不同處理傾斜楊樹地徑的順序?yàn)镃0＞C4 ＞C1 ＞C2 ＞C3，但未達(dá)到差異顯著（表1），表明外源Cd 的添加對楊樹地徑具有一定的抑制作用，但抑制作用沒有達(dá)到顯著水平。外源Cd的添加對楊樹生長的影響與楊樹品種、樹齡、栽培方式以及土壤類型等因素有關(guān)[19]。

表1 不同Cd 濃度處理下兩年生傾斜楊樹每年的樹高和地徑Table 1 Height and basal diameter of the two-year-old poplars in each year under different Cd treatments

2.2 傾斜楊樹不同部位Cd 含量分布

除了樹根和樹干中的Cd 含量是C1 略高于C2，兩年傾斜楊樹各部位中的Cd 含量總體隨土壤中Cd 處理濃度的增加而增加（表2）。方差分析表明，楊樹不同部位Cd 含量在不同處理濃度和楊樹不同部位都有顯著差異（P＜0.001），不同處理下楊樹各部位Cd 含量均是樹葉中最高，其次是樹皮、樹根、樹枝、樹干（表2）。而在戎恭等人[10]一年生傾斜生長楊樹的研究當(dāng)中樹皮中Cd 含量最高，其次是樹葉、樹根、樹干，在何佳麗的研究當(dāng)中灰楊樹根的Cd 含量最高[21]，這種差異可能與楊樹的樹齡及品種的不同有關(guān)[22]。

表2 不同Cd 濃度處理下兩年生傾斜楊樹不同部位的Cd 含量 mg·kg-1Table 2 Cd concentration in different parts of the two-year old leaning poplars under different Cd treatments

2.3 樹皮和樹干Cd 含量沿樹高縱向及在不同區(qū)域的分布

樹皮和樹干Cd 含量總體隨土壤中Cd 處理濃度的增加而顯著增加，并且各處理傾斜楊樹樹皮Cd 含量分別高于樹干Cd 含量（圖1）。樹皮中Cd含量在C1、C2、C3 處理下均是基部顯著高于中部和頂部，除了C4 中部樹皮Cd 含量略高于基部外，其它處理均是基部最高，在所有處理中頂部樹皮Cd 含量都是最低（圖1a）。樹干中Cd 含量在C1、C2、C3、C4 處理下均是頂部顯著高于中部和基部，在所有處理中，均是頂部樹干Cd 最高，除了C4 樹干基部Cd 含量略高于中部外，其它處理均是基部最低（圖1b）。傾斜楊樹樹皮Cd含量總體表現(xiàn)出隨著樹高降低的特征，而樹干則相反（圖1）。方差分析表明，樹皮中Cd 含量隨樹高差異不顯著，樹干中Cd 含量隨樹高在P＜0.05 水平上差異顯著。

圖1 不同Cd 濃度處理下兩年生傾斜楊樹不同高度樹皮和樹干Cd 含量：(A)樹皮；(B)樹干Fig. 1 Cd concentration in the bark and stem of the two-year old leaning poplars along the height under different Cd treatments :(a)bark;(b)stem

傾斜楊樹樹皮和樹干應(yīng)拉區(qū)和對應(yīng)區(qū)Cd 含量均隨土壤中Cd 濃度的增加而顯著增加（圖2）。除了樹干在C0 處理外，傾斜楊樹樹皮和樹干中Cd 的含量均是對應(yīng)區(qū)略高于應(yīng)拉區(qū)（圖2）。方差分析表明，樹皮和樹干應(yīng)拉區(qū)和對應(yīng)區(qū)Cd 含量均未達(dá)到差異顯著。

圖2 不同Cd 濃度處理下兩年生傾斜楊樹應(yīng)拉區(qū)與對應(yīng)區(qū)中樹皮和樹干的Cd 含量：(A)樹皮；(B)樹干Fig.2 Cd concentration in the stem and bark parts of the two trunk zones of the two-year old leaning poplars under different Cd concentrations:(a)bark;(b)stem

2.4 樹干Cd 含量的徑向分布

楊樹樹干近樹皮處與近髓心處的Cd 含量均隨土壤中Cd 濃度的增加而顯著增加，不同Cd 濃度處理下楊樹樹干中近樹皮處的Cd 含量均高于近髓心處（圖3）。方差分析顯示，樹干Cd 含量在徑向上的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.5 傾斜楊樹對Cd 的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力

BCF 能夠表示植物從土壤中吸收和富集重金屬的能力。由表3 可知，除樹根外，傾斜楊樹地上各部位均表現(xiàn)出BCF 隨著Cd 處理濃度的升高而降低的趨勢，說明雖然傾斜楊樹各部位對Cd 的吸收量均隨著處理濃度的升高而升高（見2.2, 2.3,2.4 和2.5），但對Cd 吸收量的增加并不與土壤Cd濃度增加成比例，導(dǎo)致BCF 隨處理濃度降低。不同處理中二年生傾斜楊樹各部位的平均BCF 介于0.21 ～3.49 之間，總體低于許多具有Cd 高累積性能的草本植物[23-24]，但總體高于一年生傾斜楊樹[10]。楊樹各部位在C1 的BCF 值均顯著高于其在其它處理濃度的BCF 值，且均大于1.0（表3），說明在5 mg/kg 左右的低濃度時，楊樹對Cd 的吸收和富集能力最強(qiáng)。BCF 在傾斜楊樹不同部位有差異性顯著，表現(xiàn)為樹葉平均BCF 最大，其次是樹皮、樹根，樹枝和樹干的BCF 值最?。ū?），說明楊樹樹葉富集Cd 的能力最強(qiáng)，樹枝和樹干最弱。

表3 不同濃度Cd 處理下兩年生傾斜楊樹不同部位的BCFTable 3 BCF of different parts of the two-year old leaning poplars under different treatments of Cd addition

TF 表示重金屬在植物體內(nèi)由根部向地上部位的遷移能力，當(dāng)TF＞1 時，可說明該地上部位對Cd 有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)和富集能力。由表4 可知，不同處理?xiàng)顦洳煌课黄骄鵗F 值介于0.53 ～4.04 之間，隨著土壤中Cd 濃度的升高，各部位TF 值均表現(xiàn)為C2 ＞C3 ＞C1 ＞C4，說明土壤中的Cd 濃度可能會影響Cd 在傾斜楊樹內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，但這種影響并不與土壤中Cd 的處理濃度成比例。楊樹各部位在C2 的TF 值均大于1.0，且均顯著高于其在其它處理濃度的TF 值（表4）。不同部位TF 有顯著性差異，樹葉最高，其次為樹皮，樹枝和樹干最低，除了樹干外，其它部位TF 均值都高于1.0，說明傾斜楊樹地上各部位的轉(zhuǎn)運(yùn)能力總體較強(qiáng)。

表4 不同濃度Cd 處理下兩年生傾斜楊樹不同部位的TFTable 4 TF of different parts of the two-year old leaning poplars under different treatments of Cd addition

3 結(jié)論與討論

外源Cd 的添加對兩年生傾斜楊樹樹高和地徑生長沒有顯著的抑制作用，而且楊樹不同部位的Cd 含量均隨土壤中Cd 濃度的增加而顯著增加，說明傾斜楊樹對Cd 有較強(qiáng)的耐受性。

樹葉中的Cd 含量最高，其次是樹皮、樹根、樹枝、樹干。沿著樹干高度，傾斜楊樹樹皮Cd 含量總體表現(xiàn)出隨著樹高降低的特征，而樹干則相反。在兩年生楊樹強(qiáng)烈的蒸騰作用下，Cd 隨著蒸騰流向上輸送，最終累積在樹葉中，加上樹葉中含有較多的碳酸鹽和氨基酸，能夠與Cd 離子結(jié)合，生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，導(dǎo)致樹葉中的Cd 含量不斷增加[3,25]。在樹干內(nèi)部，Cd 隨著水分和所需的礦物質(zhì)元素一起通過木質(zhì)部往上運(yùn)輸遷移，在樹干頂部累積相對更多。Cd 又可通過紋孔和木射線等構(gòu)造分子由木質(zhì)部到韌皮部，由于樹皮組織中富含有助于與二價離子結(jié)合的萜類、軟木脂、脂肪酸酯、氨基酸等物質(zhì)，可累積較多的Cd，可能在基部的側(cè)向輸送比頂部更強(qiáng)，導(dǎo)致樹皮是基部Cd 累積高于頂部[26]。

二年生傾斜楊樹樹皮和樹干中Cd 的含量均是對應(yīng)區(qū)略高于應(yīng)拉區(qū)。Cd 在樹木內(nèi)部進(jìn)行橫向輸送的過程中，由于重力作用，可能更傾向于向傾斜楊樹下部（對應(yīng)區(qū)）遷移，導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)Cd 含量略高于應(yīng)拉區(qū)。另外，從兩個區(qū)域木材結(jié)構(gòu)來看，對應(yīng)區(qū)木材的導(dǎo)管組織比量高于應(yīng)拉區(qū)[27]，而導(dǎo)管主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸養(yǎng)分和無機(jī)鹽，在輸送的過程中Cd 可暫時附著在導(dǎo)管壁上，這可能是導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)Cd 含量高于應(yīng)拉區(qū)的原因。樹干近樹皮處Cd 含量高于近髓心處，這可能是由于在楊樹幼齡材中，近髓心部分薄壁細(xì)胞比量高，而近樹皮部分的導(dǎo)管比量高于近髓心部分，因此會有更多的Cd 隨著水分和營養(yǎng)元素運(yùn)輸而附著在導(dǎo)管壁上[28]。

兩年生傾斜楊樹不同部位不同處理濃度下BCF 值在0.21 到3.49 之間，TF 值在0.53 到4.04之間。地上部分各部位BCF 總體隨著土壤Cd 濃度的升高而降低，在低濃度處理（C1=5 mg/kg）時傾斜楊樹各部位BCF 均顯著高于其它較高濃度處理的BCF。TF 值隨不同Cd 濃度處理和楊樹各部位都有顯著差異，各部位TF 在C2=20 mg/kg 時均顯著高于其它處理濃度的TF。各部位平均 BCF值和TF 值都是樹葉最高，分別達(dá)到1.45 和2.45，樹干最低，分別為0.58 和0.94。

傾斜楊樹對Cd 有較強(qiáng)的耐受性，各部位在較低濃度時對Cd 有相對較高的富集能力，以及樹葉對Cd 有總體較高的富集能力等對利用69 楊樹在土壤樹木修復(fù)具體實(shí)踐上有重要意義。但是，Cd在楊樹中的吸收和累積機(jī)制，以及如何進(jìn)一步提高其吸收累積能力，特別是在樹干中的累積能力還有待深入的研究。