重金屬污染對(duì)贛南2種植物葉片分解的影響*

馬進(jìn)澤，謝億麗，江 平，曾 競

(贛南師范大學(xué) 地理與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

1 引言

凋落物分解是驅(qū)動(dòng)碳和養(yǎng)分循環(huán)的基本生態(tài)系統(tǒng)過程，在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中具有重要作用[1-2]，在過去的幾十年中受到越來越多的關(guān)注.通過分解作用，凋落物中的氮和磷等營養(yǎng)成分可提供給生產(chǎn)者，碳釋放到大氣中或以有機(jī)質(zhì)的形態(tài)存儲(chǔ)在土壤中，形成體現(xiàn)土壤肥力的腐殖質(zhì)以及長期碳庫[3-4].我國東部土壤有機(jī)碳密度大致隨緯度的降低而遞減，贛南等紅壤地區(qū)土壤的碳密度為2.14 kg/m2-10 kg/m2，有機(jī)碳含量較低[5-6].提高紅壤系列土壤有機(jī)碳的積累不僅可以提高土壤養(yǎng)分含量，而且在緩解全球氣候變暖等方面發(fā)揮著重要作用[7].然而，迄今為止關(guān)于贛南地區(qū)凋落物分解的關(guān)注明顯不足.

重金屬污染因其對(duì)環(huán)境和生物的危害極大而受到廣泛關(guān)注.在贛江流域稀土開發(fā)過程中，多種重金屬離子浸出，因回收率不高而導(dǎo)致重金屬污染[8].贛南礦區(qū)周圍鋅、銅、鎘等重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于江西省土壤背景值，甚至高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如鋅、銅、鎘含量為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的1.20，1.22和16.02倍[9-10].土壤動(dòng)物在凋落物分解過程中具有重要作用，土壤重金屬污染不僅改變土壤動(dòng)物數(shù)量，而且通過改變土壤動(dòng)物的腸道微生物抑制其生長繁殖[11].因此，重金屬污染很可能對(duì)植物凋落物分解和土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要影響.一般來說，重金屬污染會(huì)顯著抑制凋落物的分解[12].Pradhan等研究表明銅對(duì)凋落物分解的抑制作用強(qiáng)于銀，對(duì)細(xì)菌生物量、真菌多樣性、繁殖的抑制作用以及微生物群落結(jié)構(gòu)的改變也更強(qiáng)[13].然而，鋅、銅、鎘等重金屬的種類、凋落物性狀等對(duì)凋落物分解的影響仍需進(jìn)一步研究.

植物凋落物性狀在控制其分解方面起著重要的作用[14-15].植物凋落物性狀(如氮、磷、木質(zhì)素等含量)強(qiáng)烈影響分解者的豐度和活性，進(jìn)而影響分解速率[16].植物凋落物的分解速率一般與凋落物的氮、磷含量呈正相關(guān)，與木質(zhì)素、總酚含量呈負(fù)相關(guān)[17].在溫帶森林中，凋落物氮磷比與分解速率正相關(guān)[18]，而在熱帶森林中則正好相反[19-20].因此，寒帶或溫帶植物凋落物性狀對(duì)其分解影響規(guī)律可能無法解釋亞熱帶植物凋落物的分解[20].

不同物種植物凋落物性狀差異明顯[21-22]，進(jìn)而導(dǎo)致分解速率的不同[23].例如，一般草本植物分解率會(huì)高于木本植物葉片分解率，木本植物葉片分解率高于木本植物枝干[3,24].李海濤等在井岡山地區(qū)進(jìn)行的分解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3種不同林型植物分解率順序排列為：高山矮林凋落物的分解速率慢于針闊葉混交林，慢于常綠闊葉林，這可能與植物凋落物的初始磷濃度和碳磷比有關(guān)[25].因此，重金屬污染對(duì)亞熱帶不同植物凋落物分解的影響也可能存在差異.

筆者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬鋅、銅、鎘3種重金屬污染，研究重金屬污染對(duì)臍橙和樟樹這2種贛江流域重要樹種葉片凋落物分解的影響，嘗試回答重金屬污染是否會(huì)抑制亞熱帶植物凋落物分解速率，并嘗試揭示其機(jī)理.

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

贛州又稱贛南，位于江西省南部，與湖南、福建、廣東三省交界.贛州市群山環(huán)繞，丘陵起伏，平均海拔在300 m-500 m之間[26].贛州共17條主要河流，河流密布，是贛江發(fā)源地.地處中亞熱帶南緣，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，植被以常綠闊葉林為主，土壤類型以酸性紅壤為主，是我國東南部生態(tài)和水資源安全的天然屏障.贛州市是全國重點(diǎn)有色金屬基地之一，素有“世界鎢都”之美譽(yù).長期的礦產(chǎn)開發(fā)，導(dǎo)致嚴(yán)重的重金屬污染，使贛南成為我國重金屬污染重點(diǎn)防控地區(qū)[27].

臍橙(Citrussinensis)是蕓香科，柑橘屬植物甜橙的一類栽培品種，為贛州地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)樹種.至2017年，贛南臍橙產(chǎn)量為全國的39.6%，種植面積、年產(chǎn)量居全國第一.樟樹(Cinnamomumcamphora)屬樟科常綠大喬木，是贛州地區(qū)重要的樹種，可入藥，能吸收多種有毒氣體，具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、園林價(jià)值和藥用價(jià)值.因此，本研究以臍橙和樟樹這2種贛江流域重要樹種葉片作為研究材料.

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年9月從贛南師范大學(xué)校園附近采集臍橙和樟樹新鮮葉片帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理.選取完整健康葉片，去掉葉柄，洗凈晾干，然后置于烘箱中65 ℃烘干至恒重(烘干時(shí)間為48 h).稱取3.0 g裝入10 cm×10 cm的100目尼龍網(wǎng)袋中，然后封住尼龍網(wǎng)袋口制成分解袋.在校園周邊樹林下采集典型的紅壤，去除雜質(zhì)后風(fēng)干過10號(hào)篩.根據(jù)贛南礦區(qū)土壤中重金屬污染含量，土壤中3種重金屬污染均設(shè)置了三個(gè)梯度：無污染，輕度污染和重度污染，無交互作用，共7種處理，3種重金屬添加量見表1[28].土壤含水率為4.69%.將預(yù)處理的2種植物分解袋均勻的擺放在不同重金屬處理的土壤表面，共放置2(物種)×7(土壤處理)×5(重復(fù))=70個(gè)分解袋.分解實(shí)驗(yàn)持續(xù)3個(gè)月，分解袋表面覆蓋相同植物的葉片，根據(jù)贛南降水頻率定期向土壤表面噴灑蒸餾水，噴灑水量總量等于多年秋季平均降雨量.另外，每個(gè)物種保留5袋分解材料，用作測(cè)定葉片預(yù)處理過程中的重量損失和初始化學(xué)指標(biāo).

表1 土壤中添加重金屬含量

2.3 測(cè)量指標(biāo)和方法

清除分解袋外附著的雜質(zhì)(土壤)后，將分解后的葉片置于烘箱中65 ℃烘干48 h，稱量干重.然后利用球磨儀將葉片研磨粉碎用于測(cè)定各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo).有機(jī)碳含量利用總有機(jī)碳/總氮分析儀(德國耶拿multi N/C 2100)測(cè)定，纖維素和木質(zhì)素含量利用粗纖維測(cè)定儀(海能F800)通過酸性洗滌纖維和酸性洗滌木質(zhì)素法進(jìn)行測(cè)定計(jì)算獲得[29].利用多功能微波消解系統(tǒng)(北京美誠MD6A-6H)通過硫酸-過氧化氫消解樣品后，利用火焰-石墨爐原子吸收光譜儀(德國耶拿NovAA 400P)測(cè)定錳，通過鉬銻抗光度法測(cè)定磷[30]，納氏試劑測(cè)定氮[31].

2.4 數(shù)據(jù)處理

葉片分解率的計(jì)算公式如下[32]：

D(%)=100×(W0-Wt)/W0.

(1)

其中，W0和Wt分別為分解前后葉片的干重，D為分解率.

化學(xué)指標(biāo)損失率計(jì)算公式如下：

Dc(%)=100×(W0×C0-Wt×Ct)/(W0×C0).

(2)

其中，C0和Ct分別為分解前后葉片化學(xué)指標(biāo)C的含量，Dc為分解后化學(xué)指標(biāo)C相對(duì)于初始化學(xué)指標(biāo)C質(zhì)量的損失率.

臍橙與樟樹葉片間分解差異，以及3種重金屬污染對(duì)葉片分解的影響均通過單因素方差分析方法進(jìn)行分析，并使用Tukey檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較分析.顯著性水平設(shè)定為α=0.05.

3 結(jié)果與分析

3.1 臍橙與樟樹葉片間分解差異

臍橙與樟樹葉片的初始化學(xué)成分存在差異(表2).臍橙葉片的碳和錳含量分別比樟樹低6.3%和94.9%，磷含量則比樟樹高53.1%.2種植物葉片的分解也存在顯著差異.臍橙葉片的分解率比樟樹葉片高39.0%，臍橙葉片的磷和木質(zhì)素?fù)p失率也高于樟樹.然而，臍橙葉片氮、錳和纖維素?fù)p失率則低于樟樹.值得注意的是，在分解過程中，臍橙錳元素和纖維素不減反增.

表2 臍橙與樟樹葉片初始化學(xué)成分及分解的差異

3.2 重金屬污染對(duì)臍橙葉片分解的影響

總體上，重金屬顯著影響了臍橙葉片的分解(表3).鋅污染促進(jìn)了臍橙葉片的氮元素?fù)p失，輕度污染和重度污染的氮損失率比對(duì)照組高87.5%和153.7%(圖1C).鋅污染抑制了磷元素和木質(zhì)素的損失，輕度和重度鋅污染的磷元素?fù)p失量分別降低了91.1%和44.7%(圖1D)，木質(zhì)素?fù)p失量分別降低了14.7%和18.6%(圖1G).值得注意的是，鋅污染還導(dǎo)致葉片中錳元素含量由損失轉(zhuǎn)為增加(圖1E).

表3 重金屬污染對(duì)臍橙和樟樹葉片分解影響的單因素方差分析

在銅污染下，污染加重會(huì)抑制臍橙葉片的分解速率(表3，圖1A).與鋅污染相似，銅污染促進(jìn)了臍橙葉片的氮元素?fù)p失，抑制了磷元素和木質(zhì)素的損失，還導(dǎo)致葉片中錳元素含量由損失轉(zhuǎn)為增加(圖1).輕度和重度銅污染下，臍橙葉片氮損失率比對(duì)照組高232.1%和158.5%(圖1C).磷元素?fù)p失量分別降低了89.3%和67.1%(圖1D)，木質(zhì)素?fù)p失量分別降低了29.7%和28.0%(圖1G).

鎘污染影響到了臍橙葉片分解過程中氮元素、錳元素和木質(zhì)素的損失(表3).與鋅污染相似，鎘污染促進(jìn)了臍橙葉片的氮元素?fù)p失，抑制了錳元素和木質(zhì)素的損失，甚至導(dǎo)致葉片中錳元素含量由損失轉(zhuǎn)為增加(圖1).輕度和重度銅污染下，臍橙葉片氮損失率比對(duì)照組高125.5%和163.5%(圖1C)，木質(zhì)素?fù)p失量分別降低了8.3%和29.5%(圖1G).

圖1 重金屬污染對(duì)臍橙葉片分解率和化學(xué)成分損失率的影響

3.3 重金屬污染對(duì)樟樹葉片分解的影響

總體上，3種重金屬均對(duì)樟樹葉片分解有顯著影響(表3，圖2).鋅污染對(duì)樟樹葉片分解率具有抑制作用，污染后分解率下降了47.8%-52.8%(圖2A).鋅污染促進(jìn)了樟樹葉片的氮元素?fù)p失，輕度污染和重度污染的氮損失率比對(duì)照組高150.2%和144.2%(圖2C).鋅污染抑制了錳元素的損失，輕度和重度鋅污染的錳元素?fù)p失量分別降低了89.9%和92.1%(圖2E).

圖2 重金屬污染對(duì)樟樹葉片分解率和化學(xué)成分損失率的影響

除纖維素外，銅污染對(duì)樟樹葉片分解的所有指標(biāo)均具有顯著影響(表3).輕度和重度污染下，樟樹葉片分解率降低了33.0%和22.6%(圖2A)，氮損失率提高了194.5%和141.4%(圖2C)，錳元素和木質(zhì)素含量由損失轉(zhuǎn)為增加(圖2E和2G).輕度銅污染比對(duì)照組的碳和磷損失率高573.2%和561.9%(圖2B和2D).

鎘污染影響到了樟樹葉片分解過程中碳元素、氮元素、錳元素和木質(zhì)素的損失(表3).與鋅和銅污染相似，鎘污染促進(jìn)了樟樹葉片的氮元素?fù)p失(圖2C).輕度和重度銅污染下，樟樹葉片氮損失率比對(duì)照組高153.7%和181.3%.鎘污染由無污染轉(zhuǎn)到輕度污染的情況下，碳元素、錳元素和纖維素含量由損失轉(zhuǎn)為增加(圖2B、2E和2F)，木質(zhì)素?fù)p失率增加119.2%(圖2G).

4 討論

不同植物凋落物中化學(xué)成分會(huì)存在明顯差異[3]，這是導(dǎo)致不同植物分解存在差異的重要因素[21].本研究中，臍橙葉片的碳和錳含量比樟樹低，磷含量則比樟樹高.因此，導(dǎo)致2種植物分解存在明顯差異.植物凋落物的磷含量及碳磷比會(huì)影響其分解的快慢[33].磷有益于分解者的豐度和活性，如真菌，加速凋落物分解.因此磷增加，碳磷比下降有利于凋落物的分解.本研究中臍橙葉片的分解率高于樟樹，與臍橙葉片的磷含量較高有密切關(guān)系.在分解過程中，臍橙葉片氮和錳元素?fù)p失率低于樟樹，導(dǎo)致分解后臍橙葉片氮和錳元素含量可能高于樟樹.氮和錳元素對(duì)凋落物的分解具有促進(jìn)作用[21].因此推測(cè)，在長期分解過程中，臍橙葉片的分解率也高于樟樹葉片.

與其他研究一致[34]，重金屬污染對(duì)植物凋落物分解具有抑制作用.這可能因?yàn)橹亟饘傥廴疽种莆⑸锏纳锪亢突钚?，從而抑制凋落物的分解[35].Verónica等通過薈萃分析發(fā)現(xiàn)鎘對(duì)生物具有毒性，鋅可以降低真菌的生產(chǎn)力[12].正如預(yù)期的那樣，凋落物分解對(duì)重金屬污染的響應(yīng)取決于凋落物類型.重金屬對(duì)臍橙和樟樹葉片分解的影響存在差異.鋅和銅污染對(duì)樟樹葉片分解產(chǎn)生了負(fù)面影響，然而重金屬污染對(duì)臍橙葉片分解僅表現(xiàn)為抑制趨勢(shì).這與2種植物的初始化學(xué)成分差異有關(guān).例如，樹木的枝干由于木質(zhì)基質(zhì)多和營養(yǎng)品質(zhì)低，其中的分解者的生物活性低于落葉，因此，對(duì)重金屬污染的敏感性低于葉片[36].

贛南礦區(qū)周圍鋅、銅、鎘等重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于江西省土壤背景值[9].研究表明，重金屬污染加重氮元素?fù)p失.重金屬污染改變土壤養(yǎng)分循環(huán)，如氮循環(huán)，營養(yǎng)元素進(jìn)入土壤和生境的固有的生態(tài)平衡就會(huì)被打破.另外，重金屬還會(huì)導(dǎo)致錳元素積累.一般認(rèn)為活的植物對(duì)重金屬具有富集作用，本研究表明死亡的植物凋落物在分解過程中也會(huì)出現(xiàn)重金屬富集，從而加重土壤重金屬污染.除鎘和鋅外，錳污染也是贛南礦區(qū)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)控制需要關(guān)注的重點(diǎn)[9].鋅、銅、鎘等重金屬污染會(huì)導(dǎo)致錳等其他重金屬元素的富集，引起重金屬污染的連鎖反應(yīng).因此，合理地預(yù)防和修復(fù)土壤重金屬污染有利于維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)平衡和物質(zhì)循環(huán).活化作用和鈍化作用是目前土壤重金屬污染治理和修復(fù)的重要方法[37].可以采取向土壤投入改良劑、超積累植物修復(fù)、微生物修復(fù)等具體措施來解決土壤重金屬污染問題.

致謝

感謝肖志華，方林香，吳莉鑫參與實(shí)驗(yàn)材料的處理與分析處理.感謝俞筱押教授提出寶貴的修改意見.