重金屬污染區(qū)與非污染區(qū)平車前生物量分配的比較

文 珂 ，劉文勝 ，趙運(yùn)林

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.湖南省環(huán)境資源植物開發(fā)與利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

礦山開采在提供人類所需原材料的同時，也形成了大面積重金屬污染的環(huán)境。長期生長于污染土壤的植物為適應(yīng)所處環(huán)境，其表型特征將發(fā)生改變[1]，甚至形成具有重金屬抗性的礦山生態(tài)型 （Metallophyte）[2-3]。探明植物適應(yīng)重金屬污染的相關(guān)表型特征是揭示形成植物抗性的生態(tài)機(jī)理，進(jìn)而有可能使這種進(jìn)化特征在重金屬污染的植物修復(fù)方面得到應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)[4-5]。

個體大小、種子大小與數(shù)量以及生物量分配模式等均為重要的植物生長、生殖性狀，也是植物適應(yīng)環(huán)境的重要表征[6]。許多研究表明，在較高濃度重金屬脅迫條件下，植物生長將受到抑制，導(dǎo)致單株生物量降低[7-8]，并且植物的抗性種群與同物種的非抗性種群相比單株生物量較低[9-10]；另有研究則表明一定濃度重金屬能促進(jìn)植物生長，進(jìn)而提高總生物量[11]；甚至有研究顯示一些植物的抗性種群生物量高于非抗性種群[12]。與此同時，有研究顯示，在重金屬脅迫條件下，根受到傷害程度最深，其生物量分配比例在脅迫條件下將減少；也有許多研究則顯示，重金屬抗性種群的植物個體將更多的能量投資于根或者繁殖器官，從而適應(yīng)其所處環(huán)境[13-16]。因而，需要更多生長于重金屬污染區(qū)與非污染區(qū)植物生長、生殖特征的對比研究，以期揭示植物對重金屬環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)模式。

平車前Plantago depressa為車前科一年生草本植物，在我國廣泛分布。該植物生長迅速，抗逆性強(qiáng)，能夠忍耐鉛（Pb）、鋅（Zn）等多種重金屬[6]。該植物能在重金屬污染區(qū)完成生長、生殖過程，是一種對多種重金屬具有抗性的植物，是研究植物對礦山適應(yīng)方式的良好材料。

本研究選取已有20多年開采歷史的蘭坪鉛鋅礦區(qū)為研究區(qū)域，選擇重金屬污染與非污染土壤自然生長的平車前作為研究對象，通過對2個種群植物的個體大小、種子大小與數(shù)量、生物量分配開展對比研究，探討該植物對土壤重金屬污染的適應(yīng)方式，將揭示植物對重金屬適應(yīng)的生態(tài)機(jī)制，同時也為利用該植物進(jìn)行礦山恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣地選擇

蘭坪鉛鋅礦區(qū)位于云南省怒江州蘭坪縣金頂鎮(zhèn)3.5 km處，是我國鉛鋅礦儲量最高的礦山。該礦始開采于1990年，至今已有20多年歷史。蘭坪縣年平均氣溫為11.3 ℃，年降水量為1 008 mm，冬春干旱，夏季多雨，具有典型的亞熱帶、山地主體型季風(fēng)氣候特點(diǎn)。

平車前是蘭坪鉛鋅礦區(qū)較常見的植物，在礦區(qū)能生長、結(jié)實[16-17]。本文選擇由尾礦堆積24 a后自然恢復(fù)形成的馬桑Coriaria nepalensis灌叢作為污染區(qū)，該區(qū)（以下簡稱污染區(qū)）土壤Cd、Pb、Zn等重金屬含量均遠(yuǎn)高于Ⅲ類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）；選擇礦區(qū)附近生長有平車前的農(nóng)田土壤作為非污染區(qū) （以下簡稱非污染區(qū)），該區(qū)土壤各重金屬含量均低于Ⅲ類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) （GB15618—1995）（見表1）。

表1 污染區(qū)與非污染區(qū)土壤基本理化性質(zhì)?Table 1 Basic physical and chemical properties of soil samples from heavy metals polluted and non-polluted areas

1.2 樣品采集

于2015年8月底至9月初，在蘭坪鉛鋅礦區(qū)污染區(qū)和非污染區(qū)樣地利用樣線法開展平車前植株及土壤樣品采集。即在2個樣地分別設(shè)置1條150 m的樣線，樣線上每隔5 m采集一個植物樣品（樣線上無平車前分布的除外）。植物采集為整株采集（包括根、莖、葉、果穗等），平車前根系在土壤中分布較深，為采集所有的根，每個植物樣品土壤挖取的深度達(dá)0.5 m。非污染區(qū)共采集27株，污染區(qū)共采集23株，共計50株平車前樣品。樣品采集后放至塑封袋，并帶回實驗室進(jìn)行下一步分析。

1.3 表型檢測

用游標(biāo)卡尺測量所有植株高度、根長、葉片長度、葉片寬度等形態(tài)學(xué)指標(biāo) （均選取最長根、最大葉片進(jìn)行測量），統(tǒng)計根數(shù)量、葉片數(shù)量、每株小穗數(shù)、每穗種子數(shù)等指標(biāo)。

測量指標(biāo)完成后，將樣品用自來水沖洗，自然晾干。將每份植株樣品區(qū)分為根、葉、花序軸和蒴果4個部分，裝入信封中，在65℃烘箱中烘烤48 h至恒質(zhì)量，用萬分之一天平稱量各部分質(zhì)量。

生物量分配采用Reekie[18]的方法進(jìn)行計算，各指標(biāo)計算公式如下：

式中：Mtotal為總生物量，Mroot為根生物量，Mleaf為葉生物量，Mscape為花序軸生物量，Mcapsule為蒴果生物量，Mvegetative為營養(yǎng)器官生物量，Aroot為根生物量分配，Aleaf為葉生物量分配，Ascape為花序軸生物量分配，Areproductive為生殖分配。

1.4 數(shù)據(jù)處理

植物表型、種子大小、生物量分配的相關(guān)指標(biāo)利用SPSS13.0統(tǒng)計軟件中的Independent-Samples T-Test 進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 個體大小

植物個體大小是其對環(huán)境適應(yīng)的綜合體現(xiàn)。表2顯示，與非污染區(qū)相比，污染區(qū)生長的平車前植株高度由20.50 cm降至17.03 cm，降低了16.9%；葉片長度也由4.91 cm下降為4.18 cm，降低了14.9%；每植株的葉片數(shù)量、葉片寬度、須根數(shù)量、主根長度則未發(fā)生顯著變化。

表2 重金屬污染區(qū)、非污染區(qū)平車前形態(tài)特征比較?Table 2 Comparisons of morphological characteristics between heavy metals polluted and nonpolluted Plantago depressa

兩個樣地植物生物量比較結(jié)果顯示，污染區(qū)平車前單株生物量為1.62 g，在2.33～0.85 g 之間；非污染區(qū)平車前總生物量為2.73 g，在 4.87～1.21 g 之間，污染區(qū)總生物量較非污染區(qū)有明顯下降 （t=3.136，P=0.003），降低了40.66%。葉（t=4.011，P＜0.001）、蒴果（t=2.696，P=0.011）、花序軸（t=3.248，P=0.002）均顯示出相同的趨勢（見圖1）；污染區(qū)與非污染區(qū)平車前根生物量差異不顯著（t=1.427，P=0.160）。

圖1 污染區(qū)與非污染區(qū)平車前各器官生物量Fig. 1 Biomass of different organs of Plantago depressa from polluted and non-polluted soils

2.2 種子大小與數(shù)量

種子大小與數(shù)量是植物適應(yīng)環(huán)境的主要表現(xiàn)。平車前為穗狀花序的植物，果實為蒴果。種子數(shù)量比較結(jié)果顯示，污染區(qū)的每植株穗數(shù)（t=3.255，P=0.003）、每穗果實數(shù)（t=2.343，P=0.023）、每果實的種子數(shù) （t=2.633，P=0.011） 顯著低于非污染區(qū)，其值分別由非污染區(qū)的7.11、44.42、9.05下降至污染區(qū)的3.75、32.43和7.90，分別下降了47.26%、27.00%和12.71%。同時，種子千粒重由非污染區(qū)的0.39 g降為污染區(qū)的0.31 g，下降了20.5%（t=2.609，P=0.014）（見表3）。這說明污染區(qū)的種子大小、數(shù)量均較非污染區(qū)的顯著降低。

表3 污染區(qū)、非污染區(qū)平車前種子大小與數(shù)量的比較?Table 3 Comparisons of seed size and number of Plantagodepressa from polluted and non-polluted soils

生物量分配是植物對環(huán)境適應(yīng)的重要策略[18]。圖2的平車前生物量分配顯示，污染區(qū)根生物量分配比例為0.44，非污染區(qū)根生物量分配比例為0.27，污染區(qū)較非污染區(qū)有較高的根生物量分配（t=-3.509，P＜0.001）。非污染區(qū)繁殖分配為0.18，污染區(qū)繁殖分配為0.16，t檢驗顯示二者無顯著差異（t=0.717，P=0.477）。非污染區(qū)莖葉生物量分配比例為0.53，高于污染區(qū)莖葉生物量的0.42（t=3.444，P=0.001）。

3 討 論

3.1 個體大小

個體大小具有較大的可塑性，是植物適應(yīng)環(huán)境的重要表征。本研究顯示污染區(qū)平車前葉片大小和數(shù)量、單株生物量等均較非污染區(qū)的低，說明平車前的生長已受到較高濃度Pb、Zn等重金屬的明顯抑制。已有的許多研究均顯示，在較高濃度重金屬脅迫下，植物個體將變小[6,11,19-21]。本研究與這些研究結(jié)果一致，說明高濃度重金屬脅迫植物生長受到抑制，植株變小是一個普遍現(xiàn)象。另一方面，許多研究還顯示，抗性種群 （礦山生態(tài)型） 比非抗性種群 （非礦山生態(tài)型） 具有更低的個體生物量[2]。本研究污染區(qū)平車前個體變小也有可能是該植物在長期的脅迫下，已形成了抗性種群的原因?，F(xiàn)場調(diào)查顯示平車前在重金屬高污染區(qū)能正常開花、結(jié)實，其種子也能萌發(fā)并形成幼苗，這些均符合重金屬抗性種群的相關(guān)特征。當(dāng)然，需要有更多的研究，例如盆栽實驗來進(jìn)一步證實污染區(qū)平車前是否已形成抗性種群。

圖2 污染區(qū)與非污染區(qū)平車前生物量分配的比較Fig. 2 Comparison of biomass allocation in Plantago depressa from polluted and non-polluted soils

3.2 種子大小與數(shù)量

種子大小與數(shù)量是植物有性繁殖能力的主要指標(biāo)，能較好地指示植物對環(huán)境的適應(yīng)方式。本研究結(jié)果顯示，污染區(qū)平車前的種子大小、數(shù)量均顯著低于非污染區(qū)，這說明重金屬污染對平車前生殖器官的發(fā)育產(chǎn)生了明顯的抑制作用。車前屬Plantago植物受重金屬脅迫的許多研究顯示，種子大小與數(shù)量是植物適應(yīng)脅迫的重要方式。例如，李曉紅等[22]發(fā)現(xiàn)鋁 （Al） 脅迫下車前P.asiatica種子千粒重沒有發(fā)生顯著變化，開花數(shù)量則明顯減少，說明該植物是通過減少種子產(chǎn)量而不是降低種子質(zhì)量來適應(yīng)脅迫環(huán)境的。郭水良等[23]對北美車前P. virginica的研究得出與李曉紅等[22]相同的結(jié)果。本研究污染區(qū)平車前的種子大小、數(shù)量則均顯著低于非污染區(qū)，其原因可能是該植物通過降低種子數(shù)量與質(zhì)量來適應(yīng)脅迫環(huán)境。

3.3 生物量分配

生物量分配是植物適應(yīng)環(huán)境的重要方式。本研究結(jié)果顯示，平車前重金屬污染區(qū)根生物量分配比例較非污染區(qū)高，這可能是該植物對重金屬脅迫環(huán)境適應(yīng)的一種方式。陳香等[13]對車前和北美車前、Nieet al.[19]對博落回Macleaya cordata重金屬脅迫下的研究均顯示，重金屬脅迫條件下植物根生物量分配比例較未脅迫條件下低。其原因是根作為植物最重要的絡(luò)合重金屬的部位，它受到脅迫傷害最顯著，因而生物量降低明顯。本研究結(jié)果與這些研究結(jié)果不同。Huanget al.[15]對齒果 酸 模Rumex dentatus、Zalecka和 Wierzbicka[21]對 石 竹Dianthus chinensis、Schwartz[24]、Whiting等[25]和Haines[26]對遏蘭菜Thlaspi arvense的研究結(jié)果均顯示，抗性 （礦山生態(tài)型） 比非抗性種群（非礦山生態(tài)型） 具有更高的根生物量分配比例，本研究與這些研究結(jié)果一致。這說明平車前長期在高重金屬脅迫環(huán)境下生長，可能已形成抗性種群。同時，該生態(tài)型可能產(chǎn)生了相應(yīng)的適應(yīng)機(jī)制，幫助植物即使在高重金屬脅迫條件下，仍然能夠增加根的生物量分配比例[15]。Huanget al.[15]已報道植物器官中不同的酸性轉(zhuǎn)化酶活性可能是抗性植物增加根生物量分配比例的機(jī)制之一。還需要更多的研究以揭示這種適應(yīng)機(jī)制。

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