栓皮櫟樹皮對(duì)鉛的吸收-遷移-貯存規(guī)律1)

劉彥平 賈子瑞 常二梅 劉建鋒 史勝青 江澤平 趙秀蓮

(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)，北京，100091)

樹皮指容易從樹干上剝離下來的部分，占樹木生物量的10%～15%，包括維管形成層以外活的和已死亡的所有組織[1]。由于樹皮直接暴露于環(huán)境中，與環(huán)境中的重金屬污染物緊密接觸，容易吸收大氣環(huán)境中的重金屬[2-4]。關(guān)于樹皮對(duì)大氣重金屬污染物吸收效能，已有較多研究成果[5-7]，樹皮直接將大氣重金屬扣留在樹皮表面，再通過物理化學(xué)作用吸收重金屬元素。關(guān)于重金屬在樹皮-樹干的徑向遷移規(guī)律、樹干重金屬的分布與貯存特征，也有較多研究成果[8-10]，但觀點(diǎn)各異，還沒有在業(yè)內(nèi)形成共識(shí)；無論是根系吸收還是樹皮吸收，對(duì)樹干中總金屬含量的相對(duì)貢獻(xiàn)率仍然在探索之中。盡管已有研究初步證明了重金屬在樹干的徑向遷移[11-13]，但有關(guān)樹干重金屬的徑向遷移能力及樹干重金屬貯存特征的研究仍然很少。

為此，本研究在北京市海淀區(qū)大昭山林地設(shè)置試驗(yàn)地，以栓皮櫟(Quercusvariabilis)為研究對(duì)象，選擇樹齡大于10 a樣木，將60 mL濃度為0.1 mol/L的Pb(NO3)2溶液包施于樹干胸徑處(1.2 m)樹皮上，并分別于5、6、7、8月份對(duì)每棵處理樹的處理部位補(bǔ)充40 mL濃度為0.1 mol/L的Pb(NO3)2溶液。處理163 d后，在每棵樹周圍采集表層土壤(0～5 cm深)，用于測(cè)定土壤被鉛(Pb)污染程度；在樹高(H)0.2 m、1.2 m、(1/2)H、(3/4)H處，分別采集樹干同一高度的外皮、內(nèi)皮、邊材、心材及頂端葉片樣品，使用HNO3微波消煮，應(yīng)用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-OES)測(cè)定樣品中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)；分析樹皮對(duì)鉛的吸收-遷移-貯存及樹干鉛的徑向、縱向分布特征和遷移規(guī)律。旨在為探索重金屬在樹皮-樹干的徑向遷移規(guī)律、樹干重金屬的分布與貯存特征提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在北京市海淀區(qū)大昭山林地(39°28′～41°5′N，115°22′～117°30′E)設(shè)置試驗(yàn)地。試驗(yàn)地全年降水集中在6—8月份，占全年總降水量的74%，年降水量733.2 m；年均氣溫11 ℃。栓皮櫟(Quercusvariabilis)是我國(guó)的造林綠化樹種，廣泛分布于我國(guó)華北和東南地區(qū)。樹皮黑褐色，深縱裂，木栓層發(fā)達(dá)。試驗(yàn)選擇樹齡大于10 a、無病蟲害、生長(zhǎng)良好的6株樣本， 3株為對(duì)照樹、3株為處理樹(見表1)。

表1 樣木基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

參照Wang et al.[13]的方法，首先將60 mL濃度為0.1 mol/L的Pb(NO3)2溶液均勻噴灑于毛巾上，然后將毛巾包在樹干胸徑處(1.2 m)。為防止毛巾變干，外面用保鮮膜包裹，并用塑料繩固定。試驗(yàn)中鉛(Pb)質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于大氣環(huán)境可溶性重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以確保足量鉛進(jìn)入樹皮和木材。此外，為防止莖流污染土壤，將1塊3 cm厚的泡沫板包裹在施加部位的上面，莖流槽部位接上塑料軟管并固定。樹皮和泡沫板之間的接縫處填充了密封膠，以防止徑流滲漏(見圖1)。處理樹和對(duì)照樹均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

圖1 鉛在栓皮櫟樹皮上的包施樣圖

1.2 樣品采集與處理

本研究在2021年4月7日至2021年9月20日進(jìn)行，分別于5、6、7、8月份對(duì)每棵樹的處理部位補(bǔ)充40 mL濃度為0.1 mol/L的Pb(NO3)2溶液。處理163 d后，在每棵樹周圍采集表層土壤(0～5 cm深)，用以評(píng)估土壤受鉛污染程度。在樹高(H)0.2 m、1.2 m、(1/2)H、(3/4)H處，采集樣木的外皮、內(nèi)皮、邊材、心材及頂端葉片樣品；外皮和葉片表面用超純水超聲清洗3次，持續(xù)10 s，以去除污染物和未吸收的重金屬元素；將所有樣品在烘箱中80 ℃干燥48 h以上至恒質(zhì)量，然后均質(zhì)化為粉末。樣品風(fēng)干，剔除動(dòng)植物殘?bào)w，用木棒壓碎過1 mm篩，封密保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 樣品中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

使用HNO3微波消煮，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-OES)測(cè)定樣品中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)。稱取0.25 g樣品于消煮管中，加入硝酸10 mL浸泡12 h，在林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院)微波消解儀(GEN 1200FE1)進(jìn)行消煮。趕酸后將1 mL左右液體移到25 mL容量瓶定容，同時(shí)做空白試驗(yàn)，搖勻靜置后置于15 mL移液管中待測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用夏皮羅-威爾克檢驗(yàn)法(Shapiro-Wilk)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性；使用單因素方差分析法，檢測(cè)處理組與對(duì)照組之間的差異顯著性(ANOVA，P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹干鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的縱向分布特征

為了檢查樹干下的土壤是否被鉛污染，測(cè)量了處理樹和對(duì)照樹表層土壤中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)。處理樹土壤中鉛的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)[(10.29±0.68)mg/kg]與對(duì)照樹土壤中鉛的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)[(10.06±0.76)mg/kg]無顯著差異，表明鉛溶液的滲漏對(duì)根系吸收的影響可忽略不計(jì)。

由表2可見：盡管各樹木的樹齡和高度不同，但處理樹外皮、內(nèi)皮、邊材、心材中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直分布模式相似，總體上表現(xiàn)，由大到小依次為1.2 m處、0.2 m處、(1/2)H處≈(3/4)H處。對(duì)照樹外皮鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的縱向分布，由大到小依次為(1/2)H處、1.2 m處、(3/4)H處、0.2 m處，這可能與樹冠樹葉((3/4)H高處)及樹下草本植物(0.2 m高出)攔截大氣顆粒物有關(guān)，有待進(jìn)一步深入研究。

表2 處理樹、對(duì)照樹樹皮和木材中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的縱向分布

2.2 樹干鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的徑向分布特征

由表3可見：總體上，樹干同一相對(duì)高度的外皮、內(nèi)皮、邊材、心材中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均表現(xiàn)為處理樹的大于對(duì)照樹的。在0.2 m處，處理樹外皮鉛的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于對(duì)照樹(P<0.05)；在內(nèi)皮、邊材、心材中，處理樹和對(duì)照樹的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異。在1.2 m處，處理樹外皮和內(nèi)皮的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于對(duì)照樹(P<0.05)，在邊材、心材中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異。在0.2 m、1.2 m處，鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著距離外樹皮距離的增加向心材方向降低，處理樹鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為外皮、內(nèi)皮、邊材、心材；對(duì)照樹，外皮鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，內(nèi)皮、邊材、心材3個(gè)部位鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較接近。在(1/2)H、(3/4)H處，處理樹和對(duì)照樹的內(nèi)皮、邊材、心材中的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有顯著差異。處理樹和對(duì)照樹鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均表現(xiàn)為外皮鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，內(nèi)皮、邊材、心材3個(gè)部位鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較接近；頂端葉片中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)，處理樹的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)[(1.125±0.103)mg/kg]大于對(duì)照樹的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)[(0.829±0.121)mg/kg]。

表3 樹木不同縱向高度樹體內(nèi)鉛的徑向分布

由于處理樹周圍的土壤中沒有鉛污染，并且在1.2 m處的樹皮、木材中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，因此表明，1.2 m處樹皮表面的鉛通過栓皮櫟外皮進(jìn)入到內(nèi)皮，再經(jīng)過形成層進(jìn)入到邊材、心材中。在(1/2)H、(3/4)H處，處理樹的樹皮、木材鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于對(duì)照樹，表明在樹木蒸騰作用下，鉛從木材(邊材或心材)向上運(yùn)輸并在此貯存。

3 討論

3.1 樹皮對(duì)鉛的吸收與遷移

為說明鉛在樹干中的徑向遷移規(guī)律，分別計(jì)算了胸徑處內(nèi)皮與外皮之間、邊材與內(nèi)皮之間、心材與邊材之間的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(見表4)，三者的比值均表現(xiàn)為對(duì)照樹的大于處理樹的，這進(jìn)一步說明了鉛從外皮到心材有不同程度的徑向遷移。已有研究表明，銫(Cs)在日本雪松中也有一定的徑向遷移和累積[13]，但鉛與銫的累積部位不同，與心材相比，鉛更傾向于累積在栓皮櫟的邊材部位(見表3)，而銫在日本雪松的心材部位累積量更高[13]。此外，本研究對(duì)1.2 m處不同徑向部位Pb的遷移率的測(cè)算結(jié)果進(jìn)一步表明，內(nèi)皮與外皮之間鉛的遷移率最小(見表4)，說明外皮向內(nèi)皮的遷移能力最弱，而邊材與內(nèi)皮之間鉛的遷移率最大，表明鉛從內(nèi)皮向邊材的遷移能力最強(qiáng)，鉛傾向于在邊材中累積(比值接近于1)。心材與邊材之間鉛遷移率處于前兩者中間，說明從邊材到心材的遷移能力較弱，進(jìn)一步說明了鉛具有在邊材中累積的趨勢(shì)。當(dāng)考慮到空氣中鉛的整體吸收過程時(shí)，這些研究結(jié)果是相當(dāng)重要的。這說明鉛可以直接沉積于樹皮，而在木材中積累。這也正是植物在落葉后莖處于休眠狀態(tài)時(shí)能夠吸收大量鉛的原因。Stewart(1966)在其研究中假設(shè)，有害物質(zhì)可能被分泌到心材中，并在木質(zhì)部導(dǎo)管中積累[14]，這種推論可能也適用于鉛。鉛粘附在木質(zhì)部導(dǎo)管的細(xì)胞壁上，與細(xì)胞壁之間發(fā)生相互作用。還有相關(guān)研究認(rèn)為，鉛從內(nèi)樹皮(韌皮部)向邊材(木質(zhì)部)的轉(zhuǎn)移，主要通過薄壁組織細(xì)胞的共質(zhì)體促進(jìn)，并由蒸騰作用對(duì)韌皮部和木質(zhì)部之間的相關(guān)梯度驅(qū)動(dòng)[15]。這需要對(duì)韌皮部和木質(zhì)部之間的相互作用做進(jìn)一步深入研究，以充分了解鉛從內(nèi)樹皮向木材的轉(zhuǎn)移機(jī)理。

表4 對(duì)照樹和處理樹胸徑(1.2 m)處不同徑向部位鉛遷移率(用鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)的比值表示)

3.2 樹干中鉛的貯存特征

已有研究表明，樹皮中的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著離外樹皮距離的增加而呈指數(shù)下降(超過20倍)[16]。例如，刺槐外樹皮到距離外皮1 cm深處，鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)從500 μg/g下降到30 μg/g，距離外皮4 cm深的木材中下降到6 μg/g[17]。然而，在本研究中，由于考慮到含有活組織的內(nèi)部樹皮中的金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與木材中的金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)更直接相關(guān)，本研究將外層樹皮與內(nèi)層樹皮分開測(cè)算，分別評(píng)估了它們?cè)谖者^程中各自的作用，結(jié)果表明，胸徑(1.2 m)處樹皮和木材不同徑向部位其金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈現(xiàn)很好的對(duì)數(shù)關(guān)系，對(duì)照樹和處理樹決定系數(shù)(R2)分別為0.990、0.999。外皮滯留了大量的鉛，表明外皮對(duì)重金屬的滯留能力及徑向遷移阻礙作用強(qiáng)于內(nèi)皮。

3.3 樹皮對(duì)鉛的吸收機(jī)理

本研究表明，鉛能夠被外樹皮吸收進(jìn)入到內(nèi)樹皮，再通過形成層遷移至邊材、心材；在通過蒸騰作用或其他相關(guān)的驅(qū)動(dòng)因素作用下，可以在木材中向上遷移。但與銫的遷移速率和累積部位不同[13]。目前為止，這些微量金屬通過樹皮進(jìn)入木材的機(jī)制仍然沒有定論[18-19]。有研究認(rèn)為，樹皮在通過離子交換進(jìn)行對(duì)金屬離子的吸附時(shí)，主要是通過與官能團(tuán)(如羧基和酚羥基)絡(luò)合[20]。為此，粉碎的樹皮經(jīng)常被用作去除廢水中金屬離子的有效吸附劑[21-26]。也有研究認(rèn)為，金屬離子的徑向轉(zhuǎn)移是因?yàn)榍o流中的陽離子和莖中的質(zhì)子之間發(fā)生了離子交換[27]。本研究推測(cè)，樹皮對(duì)鉛的吸收也可能與離子交換過程有關(guān)，在離子交換過程中，鉛與其他陽離子發(fā)生了交換，但這不足以詮釋鉛進(jìn)入木材組織的原因。因此，需要進(jìn)一步研究樹皮化學(xué)和解剖特征，以及不同樹種的韌皮部和木質(zhì)部之間的相互作用，以充分闡釋樹皮對(duì)重金屬的吸收機(jī)制。

4 結(jié)論

通過研究栓皮櫟樹皮對(duì)重金屬鉛的吸收及隨后的遷移與貯存特征，本研究認(rèn)為：①鉛可以被栓皮櫟外樹皮吸收和滯留；少部分鉛被徑向遷移內(nèi)皮，再通過形成層遷移至邊材、心材；在樹木蒸騰作用下，鉛從木材豎直遷移至頂端葉片。②通過計(jì)算胸徑處內(nèi)皮與外皮之間、邊材與內(nèi)皮之間、心材與邊材之間的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，鉛從內(nèi)皮向邊材的遷移能力最強(qiáng)(比值接近1)，從邊材向心材的遷移能力較弱，從外皮向內(nèi)皮的遷移能力最弱。鉛更傾向于在邊材中累積。③對(duì)樹干中鉛的徑向貯存特征分析，樹干中的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著離外樹皮距離的增加而呈對(duì)數(shù)關(guān)系下降。