鄭青雅，馬云璐，戎 恭，馬云瑤，儲 茵*，劉盛全

兩年生楊樹吸收和富集土壤鎘特性研究

鄭青雅1，馬云璐1，戎 恭2，馬云瑤1，儲 茵1*，劉盛全2

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036)

楊樹因生長速度快、生物量大、易種植等特性在修復(fù)鎘（Cd）污染土壤上具有較大優(yōu)勢。選擇69楊（Bartr. cv.‘Lux'(I-69/55)），設(shè)置了4組不同Cd濃度（5、20、50和100 mg·kg-1）土壤為試驗組，及一組未添加Cd的土壤為對照組，著眼全樹，重點關(guān)注樹干，研究兩年生楊樹的生長和不同部位對Cd的吸收分布規(guī)律。結(jié)果表明，在不同濃度Cd污染土壤下，楊樹生長未受到顯著影響，且楊樹不同部位Cd含量均隨土壤中Cd濃度的增加而增加，表明楊樹對Cd有較強(qiáng)的耐受性，楊樹不同部位Cd平均含量表現(xiàn)為樹葉＞樹皮＞樹根＞樹枝＞樹干。其中，Cd在樹干中的含量隨著樹高略有升高，而基部樹皮中的含量高于中部和頂部，樹干Cd含量的徑向差異不顯著。不同Cd處理濃度下楊樹各部位對Cd的富集系數(shù)介于0.15 ～4.27之間，總體隨土壤Cd濃度的升高而降低，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)介于0.28～3.50之間，樹葉、樹皮的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于樹干和樹枝?？傮w而言，69楊對Cd表現(xiàn)出較高的吸收和富集能力，可作為修復(fù)重金屬Cd污染土壤的潛力樹種。

69楊樹；鎘；樹木修復(fù)；吸收；富集

我國土壤重金屬污染嚴(yán)重，鎘（Cd）是最重要的污染元素之一[1]。Cd由于不能被土壤中的微生物直接降解，且又具有較強(qiáng)的遷移性，因此容易被植物吸收并累積，又易通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人類的健康[2-3]。因此，如何修復(fù)和治理受Cd污染的土壤是現(xiàn)今面臨的巨大挑戰(zhàn)。目前，用于治理和修復(fù)重金屬污染土壤的方法主要有物理、化學(xué)、生物等方法。其中，生物修復(fù)法，包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)和動物修復(fù)，與物理法和化學(xué)法相比，具有成本低、操作簡單、無二次污染、處理效果好且能大面積推廣用等優(yōu)點，備受關(guān)注[4-5]。

植物的提取修復(fù)（phytoextraction）是指利用具有超富集能力的植物有選擇地吸收并回收重金屬的方法，目前已發(fā)現(xiàn)多種對不同重金屬的具有超富集能力的植物，其中多為草本植物，如Cd的超累積植物有東南景天、擬南芥等[5]。但是這些草本植物由于個體矮小、生長緩慢、生物量少、根系單一且對重金屬遷移富集量不高，導(dǎo)致修復(fù)周期變長等缺點[6]。而利用木本植物，特別是速生、具有較高累積性能的木本植物來吸收重金屬并將它們轉(zhuǎn)移、蓄積到樹木各部位，以減弱甚至是消除重金屬污染的方法，被稱為重金屬的樹木提取修復(fù)（dendroextraction）[7]。由于速生樹木具有生長迅速、根系深、生物量大、壽命長、管理方便、可持續(xù)及生態(tài)安全等優(yōu)勢，同時樹木還能作為燃料或者木材產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，因而與草本植物相比，具有相當(dāng)或更大的吸收總量以及更高的綜合效益[6-7]。楊樹是世界上栽培面積最大的速生樹種之一，易繁育，適應(yīng)性強(qiáng)，又是Cd提取修復(fù)的模式樹種[8]。近20年來，國內(nèi)外學(xué)者對于樹木楊樹提取修復(fù)Cd開展了較多的研究，但對生物量大的樹干部分的深入研究很少[9-10]。

本試驗通過設(shè)置不同濃度Cd添加處理的土壤進(jìn)行盆栽試驗來模擬楊樹對重金屬Cd的富集過程，分析不同濃度下的Cd對兩年生楊樹生長量的影響，并聚焦樹干，研究楊樹不同部位、沿樹干不同高度和徑向的Cd含量分布變化規(guī)律，綜合分析楊樹富集Cd的能力和累積機(jī)理，為利用速生楊樹治理重金屬Cd污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤由安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園內(nèi)表層土壤拌入營養(yǎng)土組成，兩部分的比例為1∶1，混合均勻后裝入直徑為33 cm，高38 cm的花盆中，每盆裝土21.0 kg。測得土壤的pH 為6.91，有機(jī)質(zhì)和全氮、有效磷、速效鉀、有效硫分別為73.104 g·kg-1、1.82 g·kg-1、133.8mg·kg-1、346 mg·kg-1和80.9 mg·kg-1，重金屬元素Cd、Zn和Cu含量分別為0.145、22.68和37.43 mg·kg-1。2018年3月底從安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園中的69楊樹（Bartr. cv. 'Lux' (I-69/55)）新生樹枝上剪下一些滿足扦插要求的插穗備用，經(jīng)一段時間培養(yǎng)后選取生長狀態(tài)良好、長勢均一的扦插苗 15 棵。試驗試劑采用的Cd(NO3)2為天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)的Cd(NO3)2· 4H2O，分子量為308.47。

1.2 盆栽試驗

2018年3月底，將 15 棵扦插苗栽植于花盆中，并安放在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園陽光大棚下。參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)以及《國家土壤質(zhì)量環(huán)境農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—2018)和《國家土壤質(zhì)量環(huán)境建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB36600—2018)，設(shè)置了4種不同的Cd濃度梯度（5、20、50和100 mg·kg-1）來開展試驗[11-12]。待楊樹樹苗自然生長兩個月后，通過噴灑Cd(NO3)2溶液，使得Cd均勻混合至土壤中（一次性操作，后續(xù)不再添加），依次記為C1、C2、C3和C4，同時設(shè)置未施加Cd的土壤作為對照組，記為C0，每一處理設(shè)置3個重復(fù)，花盆隨機(jī)擺放，并定期給樹苗澆水，于2019年年底收獲15棵楊樹。

在楊樹的生長季中，（3—11月）每月測定和記錄楊樹的生長狀況，主要包括樹高和地徑。樹高統(tǒng)一從花盆土壤表層部位開始測量至樹苗頂芽部位，地徑是從花盆土壤表面往上5 cm左右處用軟尺圍繞苗木一圈的長度，再計算得出直徑。

1.3 樣品采集、預(yù)處理和Cd的測定

采集兩年生楊樹樹葉、樹枝、樹干、樹皮和樹根5個部位的植株樣，其中樹皮是指樹干上的樹皮，樹干指樹干的木材部分。樹干和樹皮又按照縱向分為頂部、中部和基部3個部分分別采集樣品，每個高度樹干再按徑向取近樹皮處和近髓心處木材樣。樹葉在當(dāng)年11月份落葉前采集，然后在12月初砍伐楊樹，采集各部分植株樣，其中樹干截取5 cm 厚的基部、中部、頂部圓盤。植株樣首先用自來水沖洗，除去表面泥沙和污垢，再用去離子水沖洗3遍。用不銹鋼刨刀將圓盤樹皮取下，第2年生長的楊樹木材部分按年輪逐層取下，分為近樹皮處和近髓心處。各部分樣品用去離子水沖洗3遍，在60 ℃下烘干后用研缽磨碎或用球磨儀粉碎，過60目篩，分別裝袋標(biāo)號。采用石墨爐原子吸收分光光度法（TAS990 GF）測定楊樹不同部位Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析和計算方法

生物富集系數(shù)（Bio-concentration factor，BCF）是指植物體內(nèi)重金屬含量與相應(yīng)的土壤重金屬含量的比值，轉(zhuǎn)移系數(shù)（translocation factor，TF）是指植物地上部中的重金屬含量與地下部中的重金屬含量的比值[5]。計算公式分別如下：

=植物體內(nèi)/土壤（1）

地上部分/地下部分（2）

式中：植物體內(nèi)表示植物地上或地下部分的Cd含量（mg·kg-1），土壤表示土壤中的Cd含量，這里采用Cd添加處理濃度（mg·kg-1），地上部分表示植株地上部分的Cd含量（mg·kg-1），地下部分表示植株地下部分的Cd含量（mg·kg-1）。

利用Excel 2013和Origin 2017等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算、統(tǒng)計與繪圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析和最小顯著性差異檢驗，比較楊樹對鎘的吸收和富集、轉(zhuǎn)運(yùn)能力在不同處理濃度，以及在不同部位、樹干縱向和徑向的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cd處理下兩年生楊樹的生長性狀

在生長過程中所有Cd處理下的楊樹均未觀察到明顯的不良癥狀。表1為楊樹的第1年和第2年年底收獲時不同Cd處理濃度下楊樹的樹高和地徑。由表1可以看出，在第1年楊樹的樹高中，外源Cd的添加會顯著影響楊樹的樹高，具體表現(xiàn)為隨著Cd濃度的增加，楊樹樹高表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。而在第1年的地徑中，外源Cd的施加則對楊樹的地徑?jīng)]有顯著性差異。這一結(jié)果表明外源Cd的添加對第1年楊樹的初生生長有顯著性影響，而對楊樹的次生生長沒有顯著性影響。在第2年的楊樹的樹高和地徑中，外源Cd的添加均對樹高和地徑的生長沒有顯著性影響（表1），產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是由于楊樹對Cd的耐受性很強(qiáng)，導(dǎo)致外源Cd的添加對第2年的楊樹的樹高沒有顯著性影響。值得注意的是，C1濃度下的楊樹的樹高均高于對照組，這一結(jié)果表明，低濃度下的Cd可能會促進(jìn)楊樹樹高的生長。這一研究結(jié)果在張東為等研究中也得以體現(xiàn)[13]。

2.2 楊樹不同部位Cd的分布

楊樹各部位中Cd含量除楊樹樹根中Cd含量是C1略高于C2外，其余部位均表現(xiàn)為隨土壤中Cd處理濃度的增加而顯著增加（表2）。楊樹不同部位Cd平均含量順序為：樹葉＞樹皮＞樹根＞樹枝＞樹干，楊樹不同部位間的Cd含量差異顯著（表2），楊樹樹葉中的Cd含量最高，樹干和樹枝含量最低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是外源Cd先通過根部進(jìn)入植物體內(nèi)，暫時積累在根部，并主要在強(qiáng)大的蒸騰作用下，隨著水分和所需的礦物質(zhì)元素一起通過樹木內(nèi)部的導(dǎo)管、紋孔和薄壁細(xì)胞等構(gòu)造分子進(jìn)行縱向和橫向運(yùn)輸，從而到達(dá)樹干木材、樹枝、樹皮和樹葉中[8,14]。樹葉處在蒸騰流上移的終端位置，加上樹葉中有較多的氨基酸等成分，這些化學(xué)物質(zhì)與Cd離子能夠結(jié)合，生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，導(dǎo)致Cd在樹葉中不斷積 累[14-15]。樹皮組織中富含有助于與二價離子結(jié)合的萜類、軟木脂、脂肪酸酯、氨基酸等物質(zhì)，也可累積較多的Cd[6]。而樹干和樹枝中，主要為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其他物質(zhì)的含量較少，相對不易與二價離子結(jié)合，所以有少部分累積在樹枝和樹干中[16]，這一結(jié)果與Kataweteetham等[17]對礦區(qū)污染土壤楊樹對Cd的吸收和累積規(guī)律類似。

表1 不同Cd濃度處理下兩年生楊樹每年的樹高和地徑

注：同一列中不同小寫字母表示不同處理間差異性顯著（＜0.05）。下同。

表2 不同Cd濃度處理下楊樹不同部位的Cd含量

注：根據(jù)最小顯著性差異檢驗，同一列不同小寫字母（a、b、c、d）表示同一部位不同濃度間有顯著性差異，不同大寫字母（A、B、C）表示同一濃度下不同部位間具有顯著性差異（< 0.05）。下同。

2.3 樹干和樹皮Cd含量沿樹高的縱向分布

不同高度樹皮和樹干Cd含量也均隨土壤中Cd處理濃度的增加而增加，楊樹樹皮Cd含量在不同高度表現(xiàn)為：基部＞中部＞頂部，而樹干則相反為：基部＜中部＜頂部（圖1），但總體上沿高度的差異性均不顯著。樹皮Cd含量在基部最高，并沿高度而降低，這可能是由于基部的樹皮更靠近根部，因此會有更多的Cd在樹皮基部積累。而樹干中的Cd沿高度的分布的原因是在樹葉強(qiáng)大的蒸騰作用下，樹根中的Cd會隨著水分和營養(yǎng)元素沿著木質(zhì)部導(dǎo)管由樹干基部向上運(yùn)輸，最終在樹葉中積累[18]。因此，樹干中的Cd在不同高度上表現(xiàn)為頂部＞中部＞基部。此外，樹皮和樹干木質(zhì)部是樹干的兩個基本組成部分。Cd在樹皮中的含量均顯著高于樹干木質(zhì)部（圖1），這一結(jié)果與Mertens[19]與Laureysens[20]等的研究結(jié)果一致。通常來說，樹干木質(zhì)部是重金屬向植物地上部分運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃珮涓傻臉淦s積累了比木質(zhì)部更多的重金屬，其可能原因就是重金屬進(jìn)入樹干后在蒸騰流的驅(qū)動下通過木質(zhì)部向樹葉中運(yùn)送的過程中有一個快速向樹皮的側(cè)向運(yùn)動[21]。而且樹皮部分的一些氨基酸可以二價鎘離子結(jié)合形成金屬結(jié)合肽，使得Cd可以在樹皮基部固定下來[22]。

圖1 不同 Cd濃度處理下楊樹樹皮和樹干不同高度中的Cd含量

Figure 1 Cd concentration in the bark and stem of poplar trees along the trunk height under different Cd treatments

圖2 不同Cd濃度處理下楊樹樹干Cd含量徑向分布

Figure 2 Radial change of Cd concentration in the stem of poplar trees under different Cd treatment

2.4 Cd在楊樹樹干中的徑向分布

楊樹樹干近樹皮處與近髓心處的Cd含量均隨土壤中Cd濃度的增加而增加，處理濃度對楊樹樹干Cd含量影響顯著（圖2）。Cd在近樹皮處和近髓心處的含量差別不大（圖2），方差分析表明樹干中的Cd含量在徑向上差異較小，沒有達(dá)到顯著水平。樹干部分由樹皮、形成層、木質(zhì)部及髓心組成，樹木的徑向生長主要是形成層細(xì)胞分裂不斷向內(nèi)生成新的木質(zhì)部的結(jié)果[23]。近髓心的木材是第1年生長形成，其中的Cd是兩年累積的結(jié)果，而近樹皮處的木材是第2年生長形成，其中的Cd是在第2年的生長過程中累積的。在較低濃度處理時，第2年新生長的木材Cd累積濃度比第1年木材的略高，而在高濃度處理時，則相反，但差異均不顯著。

2.5 楊樹吸收和富集重金屬Cd的能力

BCF反映了植物從土壤吸收和富集重金屬的能力。不同處理下楊樹各部位的BCF介于0.15～4.27之間（表3），總體低于許多具有Cd高累積性能的草本植物[24-25]。每個部位的BCF均隨著Cd處理濃度的升高而降低，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是楊樹對Cd吸收的增加量少于土壤Cd處理濃度的增加量，這與一些學(xué)者對楊樹和柳樹的研究結(jié)果相同[26-27]。值得注意的是，楊樹各部位在C1的BCF值均顯著高于其在其他濃度處理的BCF值（表3）。這一結(jié)果表明，楊樹在低濃度下的生物富集能力要顯著強(qiáng)于高濃度。此外，楊樹不同部位 BCF 差異顯著，總體表現(xiàn)為樹葉最高，樹皮和樹根其次，樹枝和樹干最低（表3）。其中樹根、樹皮和樹葉的BCF值均大于1，此時，樹根、樹皮和樹葉中富集的Cd含量要大于土壤中的Cd含量。這一結(jié)果表明，樹根、樹皮和樹葉對Cd的富集能力較強(qiáng)。但由于樹干和樹枝具有很多的木質(zhì)部，且木質(zhì)部是隨年份逐漸增加的，因此楊樹對Cd污染土壤具有很強(qiáng)的修復(fù)潛力。

表3 不同濃度Cd處理下楊樹的 BCF

表4 不同濃度Cd 處理下楊樹的TF

TF反映植物從根部向地上部位運(yùn)輸重金屬元素的能力，當(dāng)TF＞1時，可說明該部位轉(zhuǎn)運(yùn)該金屬的能力較好，也顯示了對Cd較強(qiáng)的富集能力[25]。不同Cd濃度處理下的TF值差異不顯著，也沒有表現(xiàn)出與處理濃度成比例變化的規(guī)律，不同部位平均TF值介于0.28～3.50之間（表4）。不同部位TF差異顯著，在每個處理均表現(xiàn)為樹葉＞樹皮＞樹枝和樹干，其中樹葉TF 值在所有濃度下均高于1.0，樹皮中除C1濃度下的TF略低于1.0外，其余濃度下的TF值均高于1.0。這一結(jié)果表明，樹葉和樹皮能夠較強(qiáng)的轉(zhuǎn)移出樹根中的Cd，使得樹根中更多的Cd向地上部位遷移。雖然樹干和樹枝TF 均值小于1.0，但是，在樹葉和樹皮將樹根中的Cd向地上部位遷移的過程中，樹干和樹枝起到了關(guān)鍵作用，為Cd遷移的過程中提供了運(yùn)輸通道，如樹干中的導(dǎo)管和木射線。此外，由于楊樹的木質(zhì)部是逐年積累的。因此，隨著生長季的延長，楊樹樹干和樹枝對Cd的遷移能力也會隨著生長季的延長而增加。

3 結(jié)論

不同濃度Cd的添加對楊樹的正常生長均沒有顯著影響，且不同部位的Cd含量均隨土壤中Cd濃度的增加而增加，表明楊樹對Cd有較強(qiáng)的耐受性。從Cd在楊樹中不同部位的分布規(guī)律來看，其含量按樹葉、樹皮、樹根、樹枝、樹干順序呈現(xiàn)遞減趨勢，其中樹葉Cd含量最高，可見其對Cd的吸收能力也最強(qiáng)。

Cd在楊樹樹皮中的含量隨著樹高而降低，基部樹皮中的含量高于中部和頂部，而樹干中則相反，頂部略高于中部和基部，但兩者差異均不顯著。Cd在兩年生楊樹樹干內(nèi)的徑向分布差異不明顯。

不同Cd濃度處理下楊樹各部位BCF介于0.15～4.27之間，TF介于0.28～3.50之間。BCF總體隨著土壤Cd濃度的升高而降低，在低濃度處理（5 mg·kg-1）時楊樹各部位BCF均顯著高于其他較高濃度處理各部位的BCF。不同Cd濃度處理下楊樹各部位TF值差別不顯著，也沒有表現(xiàn)出與處理濃度成比例變化的規(guī)律。各部位平均BCF值和TF值均是樹葉最高，分別達(dá)到1.8和1.69，樹干最低，分別為0.41和0.39。69楊各部位在較低處理濃度（5 mg·kg-1）及69楊樹葉在各處理均表現(xiàn)出相對較高的Cd吸收和富集能力，這在進(jìn)行土壤樹木修復(fù)具體實踐上有重要意義。

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Study on the uptake and enrichment of heavy metal Cd in two-year old poplar trees

ZHENG Qingya1, MA Yunlu1, RONG Gong2, MA Yunyao1, CHU Yin1, LIU Shengquan2

(1. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036;2. School of Forestry & Landscape Architecture, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

Poplar has a greater advantage in remediating cadmium (Cd)-contaminated soil due to its fast growth rate, high biomass and easy planting. Poplar 69 (Bartr.cv. 'Lux' (I-69/55)) was selected and set up four groups of soils with different Cd concentrations (5, 20, 50 and 100 mg·kg-1) as experimental groups and one group of soils without Cd addition as control groups , focusing on the whole tree and the trunk, to study the growth and Cd uptake distribution patterns of two-year-old. The results showed that the growth of poplar trees was not significantly affected by different concentrations of Cd contaminated soil, and the Cd content of different parts of poplar trees increased with the increase of Cd concentration in the soil, indicating that the poplar have strong tolerance to cadmium , and the average content of Cd in different parts of poplar was in the order of leaf＞bark＞root＞branch＞trunk. The content of Cd in the stem increased slightly with the tree height, while that in the bark decreased with the height with Cd in the base bark being significantly higher than that in the middle and top of the tree. The Bio-concentration factor (BCF) of cadmium in different parts of poplar ranged from 0.15 to 4.27, decreasing with the increase of cadmium in the soil, and the translocation factor (TF) was between 0.28 and 3.50. The BCF and TF of the leaf and bark were greater than those of the trunk and branch. Overall, Populus 69 has high Cd absorption and enrichment ability, and can be used as a potential species for remediation of heavy metal Cd-contaminated soil.

poplar 69; cadmium; dendroremediation; uptake; enrichment

X53

A

1672-352X (2023)02-0297-06

2022-05-23

國家自然科學(xué)基金 (31770595 )和安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金共同資助。

鄭青雅，碩士研究生。E-mail：13657035897@163.com 馬云璐，本科生。E-mail：1959885896@qq.com

通信作者:儲茵，博士，教授。E-mail：chuyin@ahau.edu.cn

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230509.004

2023-05-09 16:53:46

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20230509.1018.008.html