不同栓皮櫟家系對(duì)重金屬的耐性和富集特性

施 翔，王樹鳳，陳益泰，安 然，徐琴娣，孫海菁

(中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江省林木育種技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311400)

重金屬土壤污染是引起人類健康和生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重關(guān)注的主要環(huán)境問題之一[1]。由于重金屬對(duì)動(dòng)物和人類具有致癌和致突變作用[2]，必須對(duì)土壤中的大多數(shù)污染物質(zhì)進(jìn)行清除，并盡量減少潛在有毒元素進(jìn)入食物鏈[3]。土壤中重金屬的主要人為來源為采礦業(yè)[3]。通常礦物加工會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物，大多數(shù)廢棄物被認(rèn)為是有毒或有害的[4]。廢棄的金屬尾礦地區(qū)普遍嚴(yán)重缺乏植被[5]，并導(dǎo)致了嚴(yán)峻的環(huán)境問題。因此，對(duì)廢棄尾礦區(qū)域進(jìn)行環(huán)境治理是十分緊迫的課題。

篩選合適的植物是能否在廢棄尾礦庫成功進(jìn)行植物修復(fù)的一個(gè)關(guān)鍵因素[6]。與草本植物相比，木本植物特別是速生木本植物具有生物量大、根系發(fā)達(dá)的特點(diǎn)[7]，并在一定程度上有能力富集重金屬[8-9]。栓皮櫟（Quercus variabilisBl.）為殼斗科（Fagaceae）櫟屬（QuercusL.）高大落葉喬木，在我國分布廣泛，是重要的鄉(xiāng)土樹種。研究表明栓皮櫟適應(yīng)性強(qiáng)，具有一定的重金屬積累能力[10]。本項(xiàng)目組前期的盆栽試驗(yàn)結(jié)果也表明栓皮櫟在重金屬脅迫下有較好的耐性。目前關(guān)于該樹種在廢棄尾礦區(qū)對(duì)重金屬吸收積累的研究較少。因此，本研究選擇栓皮櫟為試驗(yàn)材料，探討其在鉛鋅尾礦環(huán)境下對(duì)重金屬吸收積累特性的差異，以期篩選出具有土壤修復(fù)潛力的植物材料，為尾礦庫植被恢復(fù)技術(shù)的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江省杭州市富陽區(qū)（30°07′42″N, 119°50′39″ E），屬亞熱帶季風(fēng)氣候。鉛鋅礦砂樣品采集自表層（0～30 cm），其中鎘、鉛、鋅和銅濃度分別為28.5、2380.0、2495.0 和117 mg·kg?1；有效磷、水解氮和速效鉀濃度分別為1.0、15.9 和40.9 mg·kg?1；pH 值7.84。通過計(jì)算內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來評(píng)價(jià)鉛鋅礦砂污染程度，其綜合污染指數(shù)為21.38，達(dá)到重污染水平。

1.2 供試植物

栓皮櫟種子分別采集自山東泰山（36°12′40″ N,117°07′13″ E）和徂徠山（36°03′56″ N, 117°14′54″E），其中包括泰山3 個(gè)家系（T2、T7 和T8）以及徂徠山1 個(gè)家系（J5）。采種母樹生長正常，無病蟲害。2014 年播種，播種基質(zhì)為珍珠巖∶泥炭 =1∶3。2015 年5 月選取生長一致的各家系1 年生容器苗（平均苗高35～40 cm）進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 研究方法

在試驗(yàn)點(diǎn)開挖寬約18 cm、深20 cm 種植溝，溝內(nèi)種植容器苗。株行距為2 m × 2 m。按照隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，栓皮櫟每個(gè)家系1 行10 株，重復(fù)3 次。2016、2017 和2018 年春各進(jìn)行平茬1 次。2018 年9 月對(duì)參試材料進(jìn)行破壞性取樣進(jìn)行生物量、養(yǎng)分和重金屬含量分析。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.4.1 苗高和地徑 試驗(yàn)結(jié)束后用卷尺測(cè)量每株栓皮櫟苗高。用游標(biāo)卡尺按同一方向測(cè)定每株栓皮櫟地徑。

1.4.2 生物量 樣品收獲后，將其分為葉片、莖和根系3 部分。根系用去離子水沖洗3 次后用5 mmol·L?1Ca(NO3)2浸泡。所有樣品經(jīng)105℃殺青30 min，75℃烘干3 d 后稱量。

1.4.3 元素含量 樣品烘干粉碎后過篩，稱取0.2 g。金屬元素濃度根據(jù)施翔等[11]方法進(jìn)行測(cè)定。金屬元素含量 = 地上部（根系）重金屬濃度 ×地上部（根系）生物量。植物重金屬富集系數(shù)（Bioconcentration factor, BCF）= 植物體內(nèi)重金屬濃度/土壤重金屬濃度；重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（Translocation factor, TF）= 地上部重金屬濃度/根系重金屬濃度。植物體內(nèi)全氮和全磷濃度根據(jù)冷華妮等[12]的方法測(cè)定。氮（磷）吸收量以每株含量表示。氮、磷利用效率 = 整株生物量/整株氮（磷）吸收量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

各指標(biāo)數(shù)據(jù)均利用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素（One-way ANOVA）和LSD 法進(jìn)行方差分析和多重比較（α= 0.05）。利用OriginPro 2019 軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差/標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同家系栓皮櫟的形態(tài)差異

栓皮櫟各家系在鉛鋅礦砂環(huán)境中未表現(xiàn)出葉片變黃、萎焉等顯著毒害效應(yīng)。但參試家系苗高表現(xiàn)出一定差異，其中泰山8 號(hào)家系苗高高于其它參試材料，為145.7 cm；徂徠山5 號(hào)家系苗高則低于其它家系，僅為110.7 cm（圖1）。各參試材料地徑在鉛鋅礦砂中有同樣表現(xiàn)。徂徠山5 號(hào)家系地徑僅為9.8 mm，低于其它家系（圖1）。

圖1 鉛鋅礦砂環(huán)境下4 個(gè)栓皮櫟家系苗高和地徑Fig.1 Seedling height and ground diameter of four families from Q.variabilis on Pb/Zn mine tailing

2.2 不同家系栓皮櫟的生物量差異

重金屬脅迫下參試栓皮櫟各家系葉片生物量無顯著差異（圖2），其中泰山7 號(hào)家系葉片生物量高于其它家系，為15.2 g·株?1。徂徠山5 號(hào)家系莖生物量低于其它家系，僅為30.7 g·株?1，其它家系莖生物量無顯著差異（圖2）。徂徠山5 號(hào)家系根系生物同樣表現(xiàn)為低于其它家系，為45.8 g·株?1。而泰山7 號(hào)家系根系生物量為63.6 g·株?1，高于其它家系。

圖2 鉛鋅礦砂環(huán)境下4 個(gè)栓皮櫟家系生物量Fig.2 Seedling biomass of four families from Q.variabilis on Pb/Zn mine tailing

2.3 不同家系栓皮櫟對(duì)營養(yǎng)元素的利用

重金屬脅迫下，栓皮櫟家系體內(nèi)營養(yǎng)元素濃度也表現(xiàn)出一定差異（表1）。4 個(gè)家系栓皮櫟葉片氮（N）濃度為18.13～20.27 g·kg?1，其中泰山2 號(hào)家系葉片N 濃度較高。栓皮櫟莖N 濃度為4.53～6.57 g·kg?1，其中徂徠山5 號(hào)家系莖N 濃度最高。方差分析表明徂徠山5 號(hào)家系根系N 濃度顯著高于其它家系，為12.22 g·kg?1。各家系N 吸收量無顯著差異，為0.85～1.02 g·株?1。N 利用效率則在家系間差異顯著，為88.8～142.5 g·g?1，其中徂徠山5 號(hào)家系N 利用效率最低。重金屬脅迫下，4 個(gè)家系栓皮櫟葉片磷（P）濃度為1.28～1.88 g·kg?1，其中泰山2 號(hào)家系葉片P 濃度最高。栓皮櫟莖P 濃度為0.69～0.82 g·kg?1，且在家系間無顯著差異。方差分析表明泰山8 號(hào)家系根系P 濃度顯著高于其它家系，為1.17 g·kg?1。各家系P 吸收量為0.079～0.119 g·株?1，其中徂徠山5 號(hào)家系P 吸收量最低。各家系P 利用效率則表現(xiàn)出相反趨勢(shì)，徂徠山5 號(hào)家系P 利用效率為1136.5 g·g?1，高于其它家系。泰山2 號(hào)家系P 利用效率最低，僅為936.7 g·g?1。

表1 鉛鋅礦砂環(huán)境下4 個(gè)栓皮櫟家系各器官中氮和磷濃度Table 1 Average N and P concentrations in different organs of four families from Q.variabilis on Pb/Zn mine tailing

2.4 不同家系栓皮櫟對(duì)重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)

4 個(gè)栓皮櫟家系對(duì)不同重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)表現(xiàn)出一定差異（表2）。由表2 可知，4 個(gè)栓皮櫟家系體內(nèi)鉛（Pb）濃度表現(xiàn)為根系 > 葉片 > 莖，而鎘（Cd）濃度則表現(xiàn)為根系 > 莖 > 葉片（徂徠山5 號(hào)家系除外）。相比Cd 和Pb，栓皮櫟各家系體內(nèi)鋅（Zn）和銅（Cu）濃度表現(xiàn)為葉片 > 根系 >莖。研究表明徂徠山5 號(hào)家系體內(nèi)各重金屬濃度最高（葉片Zn 除外）；泰山8 號(hào)家系體內(nèi)重金屬濃度較低（葉片Zn 和莖 Cu 除外）。

方差分析表明泰山8 號(hào)家系地上部Cd 和Pb含量顯著低于其它家系，分別為0.020 和0.21 mg。盡管徂徠山5 號(hào)家系地上部生物量低于其它家系，但其體內(nèi)重金屬濃度較高，因而其地上部Cd 和Pb 含量較高，每株分別為0.032 和0.45 mg。各家系地上部Zn 和Cu 含量無顯著差異，每株分別為2.02～2.72 mg 和0.36～0.41 mg，其中徂徠山5 號(hào)家系體內(nèi)含量最低。泰山8 號(hào)家系根系各重金屬含量均低于其它家系，Cd、Pb、Zn 和Cu 含量分別為0.033、0.92、2.19 和0.29 mg。

表2 鉛鋅礦砂環(huán)境下4 個(gè)栓皮櫟家系各器官中重金屬濃度Table 2 Average heavy metal concentrations in different organs of four families from Q.variabilis on Pb/Zn mine tailing

由圖3 可知，徂徠山5 號(hào)家系各重金屬富集系數(shù)（BCF）均最高，表現(xiàn)出較強(qiáng)的重金屬富集能力。泰山8 號(hào)家系各重金屬BCF 值均低于其它家系，較難富集各重金屬。通常各家系較容易富集Cu，而較難富集Pb。參試材料重金屬BCF 值均小于0.100，特別是鉛BCF 值均小于0.012。栓皮櫟家系對(duì)各重金屬表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)移能力（圖3），其中徂徠山5 號(hào)和泰山2 號(hào)家系對(duì)Cd 和Pb 有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)移能力。泰山2 號(hào)家系對(duì)Zn 的轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)，其重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）為1.06，顯著高于其它家系。泰山8 號(hào)和泰山7 號(hào)家系對(duì)Cu 的轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)，其TF 值分別為1.16 和1.12?？傮w而言，參試材料較容易轉(zhuǎn)移Cu 和Zn，較難轉(zhuǎn)移Pb，其TF 值均小于0.25。

圖3 4 個(gè)栓皮櫟家系重金屬富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）Fig.3 Bioconcentration factors (BCF) and translocation factor (TF) of heavy metals of four families from Q.variabilis

2.5 主成分分析

根據(jù)主成分分析（圖4），前2 軸解釋率為85.7%，第1 主成分（PC1）占63.0%，其中高載荷且為正值的指標(biāo)有植物體內(nèi)鎘和鉛濃度、莖和根系鋅和氮濃度、葉片和根系銅濃度，為負(fù)值的指標(biāo)為苗高、地徑、莖生物量和葉片磷濃度。說明家系間形態(tài)學(xué)指標(biāo)以及莖生物量差異主要由體內(nèi)重金屬濃度決定。第2 主成分（PC2）占22.7%，其中高載荷且為負(fù)值的指標(biāo)有葉片和根系生物量，為正值的指標(biāo)有葉片鋅和氮濃度、莖銅和磷濃度。圖4 展示了標(biāo)準(zhǔn)化的主成分得分和各家系所處的位置。從第1 主成分得分排序看，植物體內(nèi)重金屬元素較高的徂徠山5 號(hào)家系得分最高，而體內(nèi)重金屬濃度較低的泰山8 號(hào)家系得分最低。表明植物體內(nèi)重金屬濃度水平在第1 主成分中起主導(dǎo)作用。從第2 主成分得分排序看，植物地上部磷濃度以及葉片氮濃度較高的家系得分較高，泰山7 號(hào)家系體內(nèi)氮磷濃度相對(duì)較低，因此得分最低。表明植物地上部營養(yǎng)元素濃度在第2 主成分中起主導(dǎo)作用。

圖4 鉛鋅礦砂環(huán)境下栓皮櫟家系生長和重金屬吸收特性的主成分分析Fig.4 Principal component analysis showing four families from Q.variabilis distributions and relationships between all the variables on Pb/Zn mine tailing

3 討論

3.1 不同家系栓皮櫟對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)

通常植物在高濃度重金屬脅迫下會(huì)表現(xiàn)出一定的毒害效應(yīng)[13]。本研究中4 個(gè)栓皮櫟家系在鉛鋅礦砂中未出現(xiàn)顯著毒害效應(yīng)，表明參試材料對(duì)重金屬有較強(qiáng)耐性，也初步說明栓皮櫟是潛在的重金屬耐性植物。研究也發(fā)現(xiàn)重金屬脅迫下參試材料苗高、地徑、莖以及根系生物量表現(xiàn)出一定差異，這表明不同家系對(duì)重金屬響應(yīng)有所不同，這可能與其基因型有關(guān)。研究也證實(shí)來自山東徂徠山地區(qū)的栓皮櫟家系苗高、地徑以及整株生物量均小于泰山地區(qū)的3 個(gè)栓皮櫟家系，表明不同種源的環(huán)境可塑性以及種源地環(huán)境異質(zhì)性是造成這種現(xiàn)象的可能原因。本研究表明徂徠山5 號(hào)家系在鉛鋅礦砂環(huán)境下耐性較弱。盡管如此，徂徠山5 號(hào)家系莖和根系氮濃度高于其它家系，這可能是因?yàn)槠渖锪枯^低，造成養(yǎng)分濃縮，這與李金波等[14]的研究相似。盡管供試礦砂氮磷濃度低，但本研究中4 個(gè)栓皮櫟家系仍具有較高氮磷利用效率，特別是磷利用效率高于楓香（Liquidambar formosanaHance）[12]和部分木荷（Schima superbaGardn. et Champ.）種源[15]，這可能是其具有較高重金屬耐性的原因。這與植物耐鋁能力與氮磷利用效率具有一定關(guān)聯(lián)的結(jié)果相似[16]。

3.2 不同家系栓皮櫟對(duì)重金屬的吸收與轉(zhuǎn)移

本研究中參試4 個(gè)栓皮櫟家系較難從高濃度鉛鋅礦砂中富集重金屬，這與蔡志全等[10]的研究結(jié)果一致。此外本研究中鉛鋅礦砂pH 值為7.84，這可能是參試材料體內(nèi)重金屬濃度較低的原因之一[17]。但也有研究表明栓皮櫟在銻（Sb）污染土壤中根系Sb 濃度可達(dá)1623.4 mg·kg?1[18]。這可能是因?yàn)樗ㄆ祵?duì)不同重金屬的吸收積累有顯著差異。通常重金屬主要賦存在木本植物根系[19]。本研究各參試栓皮櫟家系也有相似表現(xiàn)，其TF 值均小于1.00（泰山2 號(hào)家系鋅、泰山7 號(hào)和泰山8 號(hào)銅TF值除外）。較低的TF 值表明重金屬較難轉(zhuǎn)運(yùn)至栓皮櫟地上部，可能是其在重金屬脅迫下的另一種保護(hù)機(jī)制[20]。與麻櫟（Q.acutissimaCarruth.）[21]相比，栓皮櫟鎘和鉛的TF 值較低，可能與試驗(yàn)基質(zhì)不同有關(guān)。而在基質(zhì)相似的鉛鋅礦砂脅迫下，栓皮櫟重金屬TF 值較引種的北美櫟樹（Q.spp.）高（鉛除外），特別是其銅TF 值顯著高于北美櫟樹[11]?？傮w而言，參試栓皮櫟體內(nèi)重金屬濃度較其它木本植物低[22]，其葉片和莖重金屬濃度通常在植物正常范圍或未達(dá)到毒害濃度[23]，這可能是栓皮櫟在本研究環(huán)境下無顯著毒害效應(yīng)的一個(gè)重要原因。

研究表明參試栓皮櫟家系體內(nèi)重金屬濃度較低，但家系間差異顯著。如徂徠山5 號(hào)家系體內(nèi)鎘和鉛濃度較其它家系高。這可能是因?yàn)樗ㄆ捣植紡V泛，加上長期的地理隔離和自然選擇，導(dǎo)致種內(nèi)分化，從而使得栓皮櫟重金屬積累機(jī)制存在自然變異[24]。

3.3 栓皮櫟家系的應(yīng)用前景

本研究中栓皮櫟各家系生長速度較快，抗性強(qiáng)，根系較為發(fā)達(dá)，體內(nèi)重金屬濃度較低。根據(jù)Mendez 等[25]的研究，可認(rèn)為本研究參試的4 個(gè)栓皮櫟家系可作為植物固定修復(fù)（Phytostabilisation）的參考植物。有研究報(bào)道飼料中允許的最大微量元素濃度（干質(zhì)量）分別為150（鋅）、40（鉛）和1（鎘）mg·kg?1[22]。而本研究參試栓皮櫟葉片生物量分配比例較小，且葉片中重金屬濃度均低于以上標(biāo)準(zhǔn)，因此通過食物鏈向環(huán)境釋放重金屬的風(fēng)險(xiǎn)較低。研究也發(fā)現(xiàn)栓皮櫟各家系每年生長表現(xiàn)均較為相似，且平茬后的地上部生物量逐年增加。同時(shí)栓皮櫟體內(nèi)重金屬濃度在年度表現(xiàn)上無顯著差異。因此可利用栓皮櫟良好的萌蘗能力，適當(dāng)密植，提高單位面積生物量，在實(shí)現(xiàn)尾礦區(qū)綠化的同時(shí)逐年去除土壤重金屬。

4 結(jié)論

參試栓皮櫟家系在鉛鋅礦砂環(huán)境中的生長未受到抑制，這與其有較高的營養(yǎng)元素利用效率以及體內(nèi)重金屬濃度較低有關(guān)。參試栓皮櫟家系的重金屬富集能力較低，富集系數(shù)（BCF）均小于0.100；除鉛外，參試栓皮櫟對(duì)其它重金屬表現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)移能力。4 個(gè)栓皮櫟家系在鉛鋅礦砂中的生長、重金屬積累轉(zhuǎn)移能力存在一定差異，其中泰山8 號(hào)家系重金屬的積累和轉(zhuǎn)移能力較弱。初步研究表明，參試栓皮櫟家系特別是泰山8 號(hào)家系可作為有潛力的污染土壤修復(fù)樹種，主要起到植物固定修復(fù)作用。今后可通過研究重金屬脅迫下栓皮櫟體內(nèi)各元素的相互關(guān)系來進(jìn)一步探究其重金屬耐性。