劉喜建，陳 剛，胡紅玲，胡庭興，張 建，張成浩，鐵得祥，周 鑫，代大川，張雪媛

(1四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 成都 611130；2 四川省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610036)

當(dāng)前，隨著各類廢棄物的不斷排放，重金屬污染逐步加重[1]，目前我國(guó)已有近1/5耕地遭受多種重金屬不同程度的污染[2]。鎘(Cd)作為造成土壤污染最嚴(yán)重的重金屬元素之一，具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆轉(zhuǎn)性等特點(diǎn)，不僅能導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降，還會(huì)進(jìn)入整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，并通過食物鏈進(jìn)入人體而危害人類健康[3]。有研究表明，一定量的Cd脅迫能降低土壤養(yǎng)分有效性、改變植物細(xì)胞質(zhì)膜透性[4]，從而降低植物對(duì)N、P、K的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配能力[5]，導(dǎo)致植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素缺乏，生理代謝紊亂，同時(shí)外部呈現(xiàn)相應(yīng)的缺素癥狀[6]，進(jìn)而抑制植物生長(zhǎng)，甚至改變生物量的分配格局。

植物修復(fù)是指利用重金屬富集能力強(qiáng)的植物吸附土壤中的重金屬，達(dá)到降低土壤重金屬濃度、修復(fù)生態(tài)環(huán)境的目的[7]。與物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)相比，植物修復(fù)能在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境的條件下進(jìn)行修復(fù)且不易造成二次污染，此技術(shù)的關(guān)鍵是正確選擇修復(fù)植物[8]。近年來有關(guān)Cd污染植物修復(fù)的研究報(bào)道頗多，但其研究對(duì)象多為草本植物，如寶山堇菜(Violabaoshanensis)[9]、東南景天(Sedumalfredii)[10]等，而這些植物因生物量小、根系分布淺等缺點(diǎn)，對(duì)重金屬吸收存在一定的局限性[11]。

桉樹(Eucalyptusrobusta)為高大喬木，具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、根系分布廣等特點(diǎn)，目前在全球熱帶、亞熱帶地區(qū)已廣泛引種栽培，其種植面積超過2 000萬hm2，占世界人工林面積的23%，而我國(guó)是桉樹人工林栽植面積最大的國(guó)家之一[12]。有研究表明,桉樹能夠在重金屬污染地區(qū)生長(zhǎng)，并對(duì)Cd具有一定的富集作用[13]。巨桉(Eucalyptusgrandis)具有速生豐產(chǎn)的特點(diǎn)和優(yōu)良的造紙性能，近20年來，我國(guó)南方地區(qū)在退耕還林、防護(hù)林營(yíng)造等生態(tài)工程建設(shè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，營(yíng)造了大量的巨桉人工林，因此研究重金屬Cd對(duì)巨桉生長(zhǎng)和生理特性的影響以及巨桉對(duì)Cd的耐受性，分析Cd元素在巨桉各組織器官內(nèi)的分配和富集特性，探討巨桉修復(fù)Cd污染土壤的可能性，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。但目前針對(duì)Cd脅迫下巨桉幼樹的研究鮮有報(bào)道。本研究采用盆栽試驗(yàn)，探究巨桉幼樹在不同程度Cd脅迫下的生長(zhǎng)狀況、養(yǎng)分分配及Cd富集特性，以期為耐Cd樹種選擇及Cd污染土壤的植物修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)(成都校區(qū))教學(xué)科研試驗(yàn)基地，地理位置為東經(jīng)103°51′29″，北緯30°42′18″，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，雨量充沛。年度平均氣溫為16.8 ℃，月平均最高溫為25.9 ℃(7月)，月平均最低溫為6.9 ℃(12月)，極端高溫38 ℃(7月)，極端低溫-2 ℃(1月)；年均相對(duì)濕度84%；年降水量為759.1～1 155.0 mm；年均日照時(shí)數(shù)為840.2 h。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 土壤與容器 試驗(yàn)用土取自四川雅安，為坡積土，其理化性質(zhì)為：pH 6.5，全氮15.06 g/kg，全磷1.69 g/kg，全鉀12.10 g/kg，Cd 0.72 mg/kg。栽植容器采用規(guī)格一致的塑料盆(盆口直徑30 cm，底徑25 cm，高26 cm)，每盆裝土8 kg(干土質(zhì)量)。

1.2.2 供試植株 供試植株為健康的巨桉百日苗，每盆栽植1株，巨桉為速生樹種，為避免Cd脅迫期間土壤中缺乏營(yíng)養(yǎng)元素影響處理植株的生長(zhǎng)，從而干擾脅迫效果，參照當(dāng)?shù)鼐掼癜偃彰缭炝纸?jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)[14-15]，首先在2017年12月進(jìn)行土壤裝盆時(shí)，每盆添加15 g氮磷鉀復(fù)合肥作為基肥；栽植之后分別于1月中旬、2月中旬和4月中旬3次追施氮磷鉀復(fù)合肥。第1次施肥量為2 g/株(植株尚小，株高15 cm)，第2次施肥量為4 g/株(株高50 cm)，第3次施肥量為5 g/株(株高85 cm)；追肥方式為：以盆口邊緣距植株地徑13 cm為半徑，沿盆口用小鐵鍬開3 cm深環(huán)形溝，將肥料沿溝均勻施入，然后覆土并適量澆水。對(duì)巨桉苗進(jìn)行為期5個(gè)月的適應(yīng)性培養(yǎng)，期間定期采用HH2土壤水分測(cè)定儀(ML2x，GBR)監(jiān)測(cè)土壤水分狀況，使土壤體積含水量保持在18%左右(即田間持水量的70%～80%)。正式試驗(yàn)開始前15 d，所有處理植株均停止施肥，此時(shí)巨桉幼樹苗齡接近1年，平均株高(86.3±4.2)cm，平均地徑(7.98±0.96)mm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，四川土壤平均Cd含量為0.86 mg/kg，Cd污染最嚴(yán)重的區(qū)域可達(dá)22.2 mg/kg[16]。為預(yù)測(cè)未來重金屬排放持續(xù)增加可能加重對(duì)植物的危害，并考慮到巨桉速生且生長(zhǎng)季節(jié)長(zhǎng)，植株個(gè)體大的特點(diǎn)，如果試驗(yàn)設(shè)置的Cd脅迫含量較低則其對(duì)巨桉幼樹的脅迫效果可能不明顯，故本試驗(yàn)設(shè)置了2個(gè)高含量(50，100 mg/kg)Cd處理做參考。本試驗(yàn)設(shè)置的Cd脅迫含量分別為：0 mg/kg(CK)，12.5 mg/kg(T1)，25 mg/kg(T2)，50 mg/kg(T3)和100 mg/kg(T4)，T1～T4處理氯化鎘(CdCl2)施入量分別為0，25.4，50.8，101.6和203.2 mg/kg，每處理5次重復(fù)。試驗(yàn)于2018年5月初開始，為使Cd施入方式與Cd排放以及植物根系吸收過程相似，將設(shè)計(jì)的氯化鎘施入量等分為5份，分別于2018年5，6，7，8，9月分5次施入，每盆用500 mL去離子水將CdCl2配制成溶液，均勻澆灌在盆內(nèi)土壤表面，盆底托盤中如有滲出溶液，將其澆回土壤中，處理CK澆等量的去離子水。2018年10月分別測(cè)定各處理株高、地徑，然后收獲全部植株，并按吸收根、運(yùn)輸根、主干、枝條和葉5個(gè)器官分別進(jìn)行相關(guān)生物量等指標(biāo)的測(cè)定，其中分析測(cè)定的葉樣均為成熟的功能葉；植株根系按功能劃分法[17]進(jìn)行分類，其中1～3級(jí)為吸收根，4～5級(jí)為運(yùn)輸根。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 生長(zhǎng)指標(biāo) (1)株高、地徑凈生長(zhǎng)量。每個(gè)處理隨機(jī)取3株，分別采用直尺和電子游標(biāo)卡尺測(cè)定Cd處理前后巨桉幼樹的株高和地徑，計(jì)算不同處理株高、地徑凈生長(zhǎng)量，計(jì)算公式為：株高(地徑)凈生長(zhǎng)量=Cd處理后株高(地徑)-Cd處理前株高(地徑)。

(2)生物量。試驗(yàn)結(jié)束后，將巨桉幼樹按吸收根、運(yùn)輸根、主干、枝條、葉全株收獲，用去離子水將各器官洗凈并晾干后，于105 ℃殺青30 min，于65 ℃恒溫烘干至質(zhì)量恒定，稱其生物量，計(jì)算總生物量：總生物量=吸收根干質(zhì)量+運(yùn)輸根干質(zhì)量+主干干質(zhì)量+枝條干質(zhì)量+葉干質(zhì)量。

(3)根系活力。采用TTC法[18]測(cè)定根系活力。

1.4.2 各器官營(yíng)養(yǎng)元素含量 將各器官(吸收根、運(yùn)輸根、主干、枝條、葉)置于烘箱中105 ℃殺青30 min后，再經(jīng)65 ℃烘干至質(zhì)量恒定，粉碎并過孔徑1 mm篩，測(cè)定N、P、K含量，其中N含量使用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(AMS，Italy)測(cè)定，P含量使用紫外吸收分光光度計(jì)(Shimazu，Japan)測(cè)定，K含量使用原子吸收分光光度計(jì)(Shimazu，Japan)測(cè)定。

1.4.3 Cd含量 將各器官(吸收根、運(yùn)輸根、主干、枝條、葉)于105 ℃殺青30 min后，再經(jīng)65 ℃烘干至質(zhì)量恒定，粉碎研磨并過孔徑1 mm篩，采用干法灰化法消解制樣；將土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干并過孔徑1 mm篩后，用HNO3-HClO4(二者體積比為9∶1)消解制樣。分別采用石墨爐法和火焰法測(cè)定植株各器官和土壤中的Cd含量，測(cè)定儀器為原子吸收分光光度計(jì)。計(jì)算各器官中Cd的分配比例。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

Cd富集系數(shù)(bioconcentration factor，BF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(translocation factor，TF)計(jì)算的方法如下[19]：富集系數(shù)=植物地上部分(主干、枝條和葉)Cd含量/土壤中Cd含量，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物地上部分(主干、枝條和葉)Cd含量/植物地下部分(吸收根、運(yùn)輸根)Cd含量。

所有數(shù)據(jù)均使用Excel 2016(Microsoft Office,USA)軟件進(jìn)行整理，采用SPSS 22.0(IBM Inc,USA)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，顯著水平α設(shè)定為0.05，用Duncan’s法進(jìn)行多重比較，最后用Origin 2018(Origin,USA)制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹生長(zhǎng)的影響

由圖1和表1可知，隨著Cd含量的增加，巨桉幼樹株高和地徑的凈生長(zhǎng)量均呈下降趨勢(shì)，其中除了T1處理，T2、T3和T4處理株高和地徑的凈生長(zhǎng)量與CK間差異均達(dá)顯著水平；總生物量呈先下降后上升的趨勢(shì)，且各處理間無顯著差異；地下部生物量呈上升的趨勢(shì)，其中T2、T3和T4處理與CK間差異達(dá)顯著水平；地上部分生物量呈先下降后上升趨勢(shì)，其中T2、T3和T4處理均顯著低于CK；根系活力變化趨勢(shì)與地上部分生物量相似，也呈下降的趨勢(shì)，其中T3和T4處理與CK差異達(dá)顯著水平。

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

表1 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹生物量及根系活力的影響

2.2 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹各器官中營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響

表2顯示，隨著Cd含量的增加，巨桉幼樹各器官中N含量總體均呈降低趨勢(shì)。除了T4處理吸收根、主干和葉中的N含量顯著低于CK外，其他處理各器官中N含量與CK均無顯著差異。

表2 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹體內(nèi)N含量的影響

表3顯示，隨著Cd含量的增加，各器官中P含量總體均呈降低趨勢(shì)。除了T2、T3、T4處理吸收根和T4處理主干 P含量顯著低于CK外，其他處理各器官中P含量與CK均無顯著差異。

表3 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹體內(nèi)P含量的影響

表4顯示，隨著Cd含量的增加，各器官中K含量總體均呈降低趨勢(shì)。T1～T4處理吸收根和主干中的K含量較CK均顯著降低；T4處理枝條和葉中K含量顯著低于CK，其他處理與CK間差異不顯著；T1～T4處理運(yùn)輸根中的K含量與CK之間均無顯著差異。結(jié)果表明，Cd脅迫下巨桉幼樹對(duì)N、P、K元素的吸收均受到一定程度的抑制。

表4 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹體內(nèi)K含量的影響

2.3 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹各器官Cd富集與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹各器官Cd含量的影響如圖2所示。圖2顯示，隨著Cd含量的增加，巨桉幼樹各器官中Cd含量均呈增加趨勢(shì)。在相同Cd處理水平下，各器官中Cd含量由大到小的順序依次為吸收根>運(yùn)輸根>主干>枝條>葉，其中地下部分器官(吸收根、運(yùn)輸根)中Cd含量遠(yuǎn)高于地上部分器官(主干、枝條、葉)。

圖2 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹各器官Cd含量的影響

不同Cd處理下植株各器官中的Cd含量占全株的比例見表5。表5顯示，各處理吸收根Cd分配比例最高，其余器官依次為運(yùn)輸根、主干、枝條、葉，其中吸收根Cd分配比例為65.59%～77.67%；運(yùn)輸根Cd分配比例為10.09%～26.93%；主干Cd分配比例不超過10%，且隨著Cd含量的增加顯著降低；枝條和葉中Cd含量所占比例較低，且隨Cd含量的增加總體呈下降趨勢(shì)。CK各器官分配比例顯示，主干Cd含量在全株中所占比例最高，超過50%。

表5 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹各器官Cd分配比例的影響

不同Cd處理下巨桉幼樹各器官的Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)見表6。表6顯示，隨著Cd含量的增加，吸收根的Cd富集系數(shù)呈增加趨勢(shì)；運(yùn)輸根的Cd富集系數(shù)呈先增后降的趨勢(shì)；主干和葉的Cd富集系數(shù)均在T1處理時(shí)下降，T2處理時(shí)上升，之后再次下降；枝條的Cd富集系數(shù)呈先上升后降低趨勢(shì)，各處理間無明顯變化。隨著Cd含量的增加，各處理的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈降低趨勢(shì)。結(jié)果表明，巨桉幼樹的地下部分對(duì)Cd有較強(qiáng)的吸收能力，但其轉(zhuǎn)運(yùn)能力偏低。

表6 不同Cd處理下巨桉幼樹各器官的Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

3 討 論

3.1 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹生長(zhǎng)的影響

植物對(duì)長(zhǎng)期持續(xù)的Cd脅迫最突出的響應(yīng)表現(xiàn)為葉片失綠、生長(zhǎng)緩慢、生物量下降等[3]。本試驗(yàn)中，隨著Cd脅迫的加劇，巨桉幼樹株高和地徑的凈生長(zhǎng)量總體均呈降低趨勢(shì)，表明在較高含量Cd脅迫下巨桉幼樹受到一定程度的毒害作用，這與Lunácková等[20]和Scebba等[21]的研究結(jié)果相似。此外，植物在遭受Cd脅迫時(shí)，其根系是最先接觸Cd的器官，因此根系活力是判斷植物根系抗御逆境能力的重要生理指標(biāo)[22]。本研究結(jié)果表明，隨著Cd含量的不斷升高，巨桉幼樹根系活力受到了明顯抑制，說明Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹根系產(chǎn)生了毒害作用。本研究中，隨著Cd脅迫的加重，巨桉幼樹生物量的分配格局也發(fā)生明顯改變，其中地上部生物量減少，這一方面可能是由于Cd脅迫導(dǎo)致植株的光合作用、膜系統(tǒng)和酶系統(tǒng)等與新陳代謝相關(guān)的多種生理活動(dòng)受抑所致，另一方面，Cd可能還干擾了植株對(duì)礦質(zhì)元素及水分的吸收、同化及分配過程[22]，從而抑制其地上部分的生長(zhǎng)[23-24]；而地下部分生物量增加，這可能是其根系抗氧化酶的協(xié)同作用對(duì)植株的保護(hù)作用比根系活力下降的影響更顯著，從而保證了根系的正常生長(zhǎng)[25-26]。地下部分生物量增加以及地上部分生物量減小，二者兩兩相抵，最終導(dǎo)致總體上生物量變化不顯著，表明巨桉幼樹對(duì)Cd的脅迫有一定的耐受能力。

3.2 Cd脅迫對(duì)巨桉幼樹體內(nèi)養(yǎng)分特征的影響

N、P元素的缺乏會(huì)導(dǎo)致植株矮小、葉片變黃、長(zhǎng)勢(shì)減弱、葉邊緣卷曲、葉片脫落加?。籏元素的缺乏會(huì)導(dǎo)致植株對(duì)CO2的吸收受阻，影響光合作用[27]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著Cd含量的增加，巨桉幼樹各器官N、P、K含量總體均呈降低趨勢(shì)，這與譚長(zhǎng)強(qiáng)等[28]的研究結(jié)果相似，可能是植物根系中的細(xì)胞質(zhì)膜不存在Cd的特殊轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通道[29]，Cd進(jìn)入植物體內(nèi)，占據(jù)其他營(yíng)養(yǎng)元素離子通道，抑制了巨桉幼樹根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收；也可能是Cd脅迫引起的膜脂過氧化增加了細(xì)胞膜透性，導(dǎo)致部分小分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外流[27]，降低了植株對(duì)N、P、K元素的吸收效率。

3.3 巨桉幼樹對(duì)Cd的富集、轉(zhuǎn)移特性

植物在土壤中對(duì)Cd2+的吸收及其在不同器官中的分布因不同物種而異。本研究結(jié)果表明，在同一Cd處理水平下，吸收根Cd含量最高，其余依次為運(yùn)輸根、主干、枝條、葉，這與賈中民等[30-31]的研究結(jié)果一致，說明植物將大量Cd集中在根系，其原因主要有3方面：(1)根系細(xì)胞壁中纖維素、木質(zhì)素中的羧基、羥基、醛基等活潑基團(tuán)與Cd2+結(jié)合形成沉淀，積累于果膠位點(diǎn)上，阻止較多的Cd2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)[32-33]，造成大量Cd2+集中在根系細(xì)胞壁中。(2)根系細(xì)胞質(zhì)中的氨基酸、有機(jī)酸、多肽或無機(jī)物等與細(xì)胞質(zhì)中游離的Cd2+結(jié)合，通過液泡膜上的運(yùn)載體或通道蛋白進(jìn)入液泡中，將Cd2+限制在液泡中[34]，從而抑制Cd2+向地上部分運(yùn)輸。(3)植物可以通過植物螯合肽、金屬硫蛋白、有機(jī)酸、氨基酸等螯合劑與Cd2+產(chǎn)生螯合作用[35]，將Cd2+滯留在根系中，最終導(dǎo)致大量的Cd集中在根部，限制其向地上部分轉(zhuǎn)移，從而減少Cd積累對(duì)植株的傷害，增強(qiáng)其對(duì)Cd的耐受性[36-37]。

定義Cd超富集植物有兩個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)，第一是植物葉片或地上部中含Cd達(dá)到100 mg/kg(以干質(zhì)量計(jì))，第二是轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1[38]。本研究中，巨桉幼樹地上部Cd含量遠(yuǎn)低于100 mg/kg，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，表明巨桉幼樹對(duì)Cd的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力有限。

植物各器官生理功能和代謝活動(dòng)不同，其細(xì)根、葉、花、果實(shí)等器官常會(huì)因死亡、凋落并經(jīng)分解反回土壤，構(gòu)成Cd二次污染，而莖(主干+枝條)固定的Cd才具有一定的穩(wěn)定性，有利于收獲后進(jìn)一步的處理。巨桉幼樹莖中Cd含量隨Cd脅迫程度的加劇呈上升趨勢(shì)，并且隨著樹齡的增大，其莖的生物量會(huì)進(jìn)一步增加，Cd的累積量也將逐漸增加。

綜上可知，巨桉幼樹雖然不是Cd的超富集植物，對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力有限，但其生長(zhǎng)迅速，即使在高含量Cd的脅迫下其生長(zhǎng)并未受到明顯抑制，說明巨桉幼樹對(duì)Cd有較強(qiáng)的適應(yīng)性，因此可以初步確定巨桉為重金屬Cd污染地區(qū)土壤修復(fù)樹種。