錫礦山重金屬污染區(qū)小飛蓬根系構(gòu)型的差異

羅威宇 杜易桓 周子涵 萬天雪 馬銀花

（湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，湖南婁底 417000）

礦山開采、金屬冶煉、工業(yè)廢渣廢氣是冷水江市錫礦山地區(qū)重金屬污染的主要來源。重金屬污染具有污染范圍廣、隱蔽性強(qiáng)、無法自然降解、毒性大和修復(fù)治理難度大等特性。重金屬污染一般為復(fù)合型污染，單一的重金屬污染非常少[1]。一般來說，當(dāng)重金屬濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，會(huì)對(duì)植物的生理、生化過程產(chǎn)生阻礙[2]。植物對(duì)重金屬的耐受程度是評(píng)估植物修復(fù)重金屬污染潛力的一個(gè)重要參考指標(biāo)。

小飛蓬（Conyza canadensisL.）屬于一種世界性的雜草，對(duì)于Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等重金屬元素都有較強(qiáng)的抗性，能適應(yīng)多種惡劣的礦區(qū)生長環(huán)境，常出現(xiàn)在不同礦區(qū)修復(fù)植物篩選的研究中[3-5]。課題組通過前期對(duì)錫礦山的野外實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，菊科植物小飛蓬在錫礦山污染區(qū)生長情況良好，屬于優(yōu)勢(shì)物種，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的重金屬污染耐受度。土壤重金屬脅迫會(huì)影響到植物根系的形態(tài)分布、植物地上部分的生長和生態(tài)功能的發(fā)揮，而植物根系構(gòu)型的形態(tài)學(xué)指標(biāo)能較好反映根系的生長狀況，在一定程度上體現(xiàn)植物的重金屬污染耐受度。因此，本試驗(yàn)通過探究錫礦山地區(qū)不同重金屬污染程度下小飛蓬根系構(gòu)型的差異變化，探究重金屬污染對(duì)小飛蓬根系生長的影響，評(píng)估其重金屬污染耐受性，為今后探索小飛蓬應(yīng)用于錫礦山土壤重金屬污染的植物修復(fù)潛力提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采樣地區(qū)為湖南省冷水江錫礦山地區(qū)的重金屬污染區(qū)；試驗(yàn)樣本為污染區(qū)的土壤樣本、采集的小飛蓬樣本。

1.2 污染區(qū)劃分

根據(jù)距冶煉工廠和礦物冶煉殘?jiān)亩逊e物的遠(yuǎn)近劃定污染區(qū)。對(duì)土壤進(jìn)行采樣，采樣完成后對(duì)土壤進(jìn)行標(biāo)記和保存，帶回試驗(yàn)室后對(duì)采樣進(jìn)行成分分析，以內(nèi)梅羅污染指數(shù)為污染區(qū)劃分提供依據(jù)。根據(jù)土壤分析的結(jié)果對(duì)采樣區(qū)域的污染程度進(jìn)行排序，之后對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行污染區(qū)劃分，污染區(qū)一共劃分為3個(gè)區(qū)域：輕度污染區(qū)、中度污染區(qū)和重度污染區(qū)（表1）。

表1 采集到小飛蓬的地區(qū)

1.3 試驗(yàn)材料的采樣、處理和分析

在各個(gè)污染區(qū)的樣方內(nèi)對(duì)所需標(biāo)本進(jìn)行采集并進(jìn)行記錄，保持植株的完整性。根系附帶一定的泥土以保持采集樣本的活性，避免植物干枯，記錄植物的種類、采集數(shù)量等。將在樣方內(nèi)采集到的小飛蓬帶回實(shí)驗(yàn)室，先用清水將小飛蓬根部的泥土清洗干凈，然后用酒精進(jìn)行清洗，處理時(shí)注意保持小飛蓬根系構(gòu)型的完整度，剪下試驗(yàn)所需的小飛蓬根系。使用根系分析儀進(jìn)行分析，對(duì)導(dǎo)出數(shù)據(jù)使用GraphPad Prism 6 軟件進(jìn)行顯著性差異分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

錫礦山不同重金屬污染區(qū)對(duì)小飛蓬根系平均長度、投影面積、表面積、體積、直徑、連接數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)和根尖數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定影響。從圖1與圖2中可以得出，隨著土壤重金屬污染程度的加深，小飛蓬的根系長度、投影面積、像素面積、表面積、體積、直徑、連接數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、根尖數(shù)和分叉數(shù)逐漸增加。與輕度污染區(qū)相比，中度污染區(qū)小飛蓬的根系長度、投影面積、像素面積、表面積、體積、連接數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)和根尖數(shù)有增長趨勢(shì)但未達(dá)到顯著性水平，重度污染區(qū)的增加量達(dá)到顯著水平（P<0.05）；與輕度污染區(qū)相比，中度與重度污染區(qū)小飛蓬的直徑、連接數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)和根尖數(shù)有顯著增加（P<0.05），重度污染區(qū)的增加量達(dá)到極顯著水平（P<0.01）；生長區(qū)污染程度變化與小飛蓬根系交叉數(shù)變化并無顯著差異。這說明小飛蓬具有較強(qiáng)的抗逆性，且對(duì)重金屬污染具有很好的耐受性。

圖1 不同污染區(qū)下小飛蓬的長度（a）、投影面積（b）、像素面積（c）、表面積（d）、體積（e）、直徑（f）

圖2 不同污染區(qū)下小飛蓬根的連接數(shù)（a）、節(jié)點(diǎn)數(shù)（b）、根尖數(shù)（c）和分叉數(shù)（d）

3 結(jié)論與討論

錫礦山的優(yōu)勢(shì)種群小飛蓬分布廣泛，抗逆性強(qiáng)，具有強(qiáng)大的繁殖能力、較好的重金屬耐受性，可用于植物修復(fù)。如Liu 等[6]對(duì)中國湖南省中部的湘潭錳礦土壤和重金屬富集特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)小飛蓬對(duì)錳富集能力較強(qiáng)。Wei 等[7]研究發(fā)現(xiàn)小飛蓬表現(xiàn)出鎘積累特征，可以作為鎘的富集植物。閆寶環(huán)等[8]對(duì)銅川市三里洞煤矸石堆積地土壤重金屬污染區(qū)和草本植物中重金屬含量開展了研究，表明小飛蓬有較強(qiáng)的重金屬富集能力。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可得出，錫礦山重金屬污染會(huì)促進(jìn)小飛蓬根系構(gòu)型復(fù)雜化，且中度、重度污染區(qū)的小飛蓬根系平均長度、直徑、表面積等形態(tài)學(xué)指標(biāo)均較輕度污染區(qū)高；尤其在重度污染區(qū)，小飛蓬通過增加根系生長來抵御土壤重金屬脅迫。植物根系長度、根系粗壯程度與根系構(gòu)型的復(fù)雜度的增加等變化都將更有利于植物對(duì)深層土壤營養(yǎng)物質(zhì)更好地吸收，保持良好生長狀態(tài)?？赡苁且?yàn)樵谶_(dá)到小飛蓬的重金屬最大耐受度前，小飛蓬能通過調(diào)節(jié)自身的根系構(gòu)型來增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，從而降低重金屬污染產(chǎn)生的不良影響。如Yu等[9]通過水培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高濃度的鎘可以誘導(dǎo)小飛蓬幼苗生長，產(chǎn)生大量的蛋白質(zhì)、氨基酸等物質(zhì)，并通過滲透調(diào)節(jié)增強(qiáng)抗逆性，降低重金屬毒性。本試驗(yàn)?zāi)艹醪秸f明生長在錫礦山復(fù)合污染區(qū)優(yōu)勢(shì)物種小飛蓬具有較強(qiáng)的重金屬耐受性，具有應(yīng)用于植物修復(fù)的研究價(jià)值和應(yīng)用潛力。