文 珂 ，劉文勝 ，趙運(yùn)林

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省環(huán)境資源植物開(kāi)發(fā)與利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

礦山開(kāi)采在提供人類所需原材料的同時(shí)，也形成了大面積重金屬污染的環(huán)境。長(zhǎng)期生長(zhǎng)于污染土壤的植物為適應(yīng)所處環(huán)境，其表型特征將發(fā)生改變[1]，甚至形成具有重金屬抗性的礦山生態(tài)型 （Metallophyte）[2-3]。探明植物適應(yīng)重金屬污染的相關(guān)表型特征是揭示形成植物抗性的生態(tài)機(jī)理，進(jìn)而有可能使這種進(jìn)化特征在重金屬污染的植物修復(fù)方面得到應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)[4-5]。

個(gè)體大小、種子大小與數(shù)量以及生物量分配模式等均為重要的植物生長(zhǎng)、生殖性狀，也是植物適應(yīng)環(huán)境的重要表征[6]。許多研究表明，在較高濃度重金屬脅迫條件下，植物生長(zhǎng)將受到抑制，導(dǎo)致單株生物量降低[7-8]，并且植物的抗性種群與同物種的非抗性種群相比單株生物量較低[9-10]；另有研究則表明一定濃度重金屬能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，進(jìn)而提高總生物量[11]；甚至有研究顯示一些植物的抗性種群生物量高于非抗性種群[12]。與此同時(shí)，有研究顯示，在重金屬脅迫條件下，根受到傷害程度最深，其生物量分配比例在脅迫條件下將減少；也有許多研究則顯示，重金屬抗性種群的植物個(gè)體將更多的能量投資于根或者繁殖器官，從而適應(yīng)其所處環(huán)境[13-16]。因而，需要更多生長(zhǎng)于重金屬污染區(qū)與非污染區(qū)植物生長(zhǎng)、生殖特征的對(duì)比研究，以期揭示植物對(duì)重金屬環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)模式。

平車前Plantago depressa為車前科一年生草本植物，在我國(guó)廣泛分布。該植物生長(zhǎng)迅速，抗逆性強(qiáng)，能夠忍耐鉛（Pb）、鋅（Zn）等多種重金屬[6]。該植物能在重金屬污染區(qū)完成生長(zhǎng)、生殖過(guò)程，是一種對(duì)多種重金屬具有抗性的植物，是研究植物對(duì)礦山適應(yīng)方式的良好材料。

本研究選取已有20多年開(kāi)采歷史的蘭坪鉛鋅礦區(qū)為研究區(qū)域，選擇重金屬污染與非污染土壤自然生長(zhǎng)的平車前作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)2個(gè)種群植物的個(gè)體大小、種子大小與數(shù)量、生物量分配開(kāi)展對(duì)比研究，探討該植物對(duì)土壤重金屬污染的適應(yīng)方式，將揭示植物對(duì)重金屬適應(yīng)的生態(tài)機(jī)制，同時(shí)也為利用該植物進(jìn)行礦山恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣地選擇

蘭坪鉛鋅礦區(qū)位于云南省怒江州蘭坪縣金頂鎮(zhèn)3.5 km處，是我國(guó)鉛鋅礦儲(chǔ)量最高的礦山。該礦始開(kāi)采于1990年，至今已有20多年歷史。蘭坪縣年平均氣溫為11.3 ℃，年降水量為1 008 mm，冬春干旱，夏季多雨，具有典型的亞熱帶、山地主體型季風(fēng)氣候特點(diǎn)。

平車前是蘭坪鉛鋅礦區(qū)較常見(jiàn)的植物，在礦區(qū)能生長(zhǎng)、結(jié)實(shí)[16-17]。本文選擇由尾礦堆積24 a后自然恢復(fù)形成的馬桑Coriaria nepalensis灌叢作為污染區(qū)，該區(qū)（以下簡(jiǎn)稱污染區(qū)）土壤Cd、Pb、Zn等重金屬含量均遠(yuǎn)高于Ⅲ類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）；選擇礦區(qū)附近生長(zhǎng)有平車前的農(nóng)田土壤作為非污染區(qū) （以下簡(jiǎn)稱非污染區(qū)），該區(qū)土壤各重金屬含量均低于Ⅲ類土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) （GB15618—1995）（見(jiàn)表1）。

表1 污染區(qū)與非污染區(qū)土壤基本理化性質(zhì)?Table 1 Basic physical and chemical properties of soil samples from heavy metals polluted and non-polluted areas

1.2 樣品采集

于2015年8月底至9月初，在蘭坪鉛鋅礦區(qū)污染區(qū)和非污染區(qū)樣地利用樣線法開(kāi)展平車前植株及土壤樣品采集。即在2個(gè)樣地分別設(shè)置1條150 m的樣線，樣線上每隔5 m采集一個(gè)植物樣品（樣線上無(wú)平車前分布的除外）。植物采集為整株采集（包括根、莖、葉、果穗等），平車前根系在土壤中分布較深，為采集所有的根，每個(gè)植物樣品土壤挖取的深度達(dá)0.5 m。非污染區(qū)共采集27株，污染區(qū)共采集23株，共計(jì)50株平車前樣品。樣品采集后放至塑封袋，并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下一步分析。

1.3 表型檢測(cè)

用游標(biāo)卡尺測(cè)量所有植株高度、根長(zhǎng)、葉片長(zhǎng)度、葉片寬度等形態(tài)學(xué)指標(biāo) （均選取最長(zhǎng)根、最大葉片進(jìn)行測(cè)量），統(tǒng)計(jì)根數(shù)量、葉片數(shù)量、每株小穗數(shù)、每穗種子數(shù)等指標(biāo)。

測(cè)量指標(biāo)完成后，將樣品用自來(lái)水沖洗，自然晾干。將每份植株樣品區(qū)分為根、葉、花序軸和蒴果4個(gè)部分，裝入信封中，在65℃烘箱中烘烤48 h至恒質(zhì)量，用萬(wàn)分之一天平稱量各部分質(zhì)量。

生物量分配采用Reekie[18]的方法進(jìn)行計(jì)算，各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：Mtotal為總生物量，Mroot為根生物量，Mleaf為葉生物量，Mscape為花序軸生物量，Mcapsule為蒴果生物量，Mvegetative為營(yíng)養(yǎng)器官生物量，Aroot為根生物量分配，Aleaf為葉生物量分配，Ascape為花序軸生物量分配，Areproductive為生殖分配。

1.4 數(shù)據(jù)處理

植物表型、種子大小、生物量分配的相關(guān)指標(biāo)利用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件中的Independent-Samples T-Test 進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 個(gè)體大小

植物個(gè)體大小是其對(duì)環(huán)境適應(yīng)的綜合體現(xiàn)。表2顯示，與非污染區(qū)相比，污染區(qū)生長(zhǎng)的平車前植株高度由20.50 cm降至17.03 cm，降低了16.9%；葉片長(zhǎng)度也由4.91 cm下降為4.18 cm，降低了14.9%；每植株的葉片數(shù)量、葉片寬度、須根數(shù)量、主根長(zhǎng)度則未發(fā)生顯著變化。

表2 重金屬污染區(qū)、非污染區(qū)平車前形態(tài)特征比較?Table 2 Comparisons of morphological characteristics between heavy metals polluted and nonpolluted Plantago depressa

兩個(gè)樣地植物生物量比較結(jié)果顯示，污染區(qū)平車前單株生物量為1.62 g，在2.33～0.85 g 之間；非污染區(qū)平車前總生物量為2.73 g，在 4.87～1.21 g 之間，污染區(qū)總生物量較非污染區(qū)有明顯下降 （t=3.136，P=0.003），降低了40.66%。葉（t=4.011，P＜0.001）、蒴果（t=2.696，P=0.011）、花序軸（t=3.248，P=0.002）均顯示出相同的趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）；污染區(qū)與非污染區(qū)平車前根生物量差異不顯著（t=1.427，P=0.160）。

圖1 污染區(qū)與非污染區(qū)平車前各器官生物量Fig. 1 Biomass of different organs of Plantago depressa from polluted and non-polluted soils

2.2 種子大小與數(shù)量

種子大小與數(shù)量是植物適應(yīng)環(huán)境的主要表現(xiàn)。平車前為穗狀花序的植物，果實(shí)為蒴果。種子數(shù)量比較結(jié)果顯示，污染區(qū)的每植株穗數(shù)（t=3.255，P=0.003）、每穗果實(shí)數(shù)（t=2.343，P=0.023）、每果實(shí)的種子數(shù) （t=2.633，P=0.011） 顯著低于非污染區(qū)，其值分別由非污染區(qū)的7.11、44.42、9.05下降至污染區(qū)的3.75、32.43和7.90，分別下降了47.26%、27.00%和12.71%。同時(shí)，種子千粒重由非污染區(qū)的0.39 g降為污染區(qū)的0.31 g，下降了20.5%（t=2.609，P=0.014）（見(jiàn)表3）。這說(shuō)明污染區(qū)的種子大小、數(shù)量均較非污染區(qū)的顯著降低。

表3 污染區(qū)、非污染區(qū)平車前種子大小與數(shù)量的比較?Table 3 Comparisons of seed size and number of Plantagodepressa from polluted and non-polluted soils

生物量分配是植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的重要策略[18]。圖2的平車前生物量分配顯示，污染區(qū)根生物量分配比例為0.44，非污染區(qū)根生物量分配比例為0.27，污染區(qū)較非污染區(qū)有較高的根生物量分配（t=-3.509，P＜0.001）。非污染區(qū)繁殖分配為0.18，污染區(qū)繁殖分配為0.16，t檢驗(yàn)顯示二者無(wú)顯著差異（t=0.717，P=0.477）。非污染區(qū)莖葉生物量分配比例為0.53，高于污染區(qū)莖葉生物量的0.42（t=3.444，P=0.001）。

3 討 論

3.1 個(gè)體大小

個(gè)體大小具有較大的可塑性，是植物適應(yīng)環(huán)境的重要表征。本研究顯示污染區(qū)平車前葉片大小和數(shù)量、單株生物量等均較非污染區(qū)的低，說(shuō)明平車前的生長(zhǎng)已受到較高濃度Pb、Zn等重金屬的明顯抑制。已有的許多研究均顯示，在較高濃度重金屬脅迫下，植物個(gè)體將變小[6,11,19-21]。本研究與這些研究結(jié)果一致，說(shuō)明高濃度重金屬脅迫植物生長(zhǎng)受到抑制，植株變小是一個(gè)普遍現(xiàn)象。另一方面，許多研究還顯示，抗性種群 （礦山生態(tài)型） 比非抗性種群 （非礦山生態(tài)型） 具有更低的個(gè)體生物量[2]。本研究污染區(qū)平車前個(gè)體變小也有可能是該植物在長(zhǎng)期的脅迫下，已形成了抗性種群的原因。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示平車前在重金屬高污染區(qū)能正常開(kāi)花、結(jié)實(shí)，其種子也能萌發(fā)并形成幼苗，這些均符合重金屬抗性種群的相關(guān)特征。當(dāng)然，需要有更多的研究，例如盆栽實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步證實(shí)污染區(qū)平車前是否已形成抗性種群。

圖2 污染區(qū)與非污染區(qū)平車前生物量分配的比較Fig. 2 Comparison of biomass allocation in Plantago depressa from polluted and non-polluted soils

3.2 種子大小與數(shù)量

種子大小與數(shù)量是植物有性繁殖能力的主要指標(biāo)，能較好地指示植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)方式。本研究結(jié)果顯示，污染區(qū)平車前的種子大小、數(shù)量均顯著低于非污染區(qū)，這說(shuō)明重金屬污染對(duì)平車前生殖器官的發(fā)育產(chǎn)生了明顯的抑制作用。車前屬Plantago植物受重金屬脅迫的許多研究顯示，種子大小與數(shù)量是植物適應(yīng)脅迫的重要方式。例如，李曉紅等[22]發(fā)現(xiàn)鋁 （Al） 脅迫下車前P.asiatica種子千粒重沒(méi)有發(fā)生顯著變化，開(kāi)花數(shù)量則明顯減少，說(shuō)明該植物是通過(guò)減少種子產(chǎn)量而不是降低種子質(zhì)量來(lái)適應(yīng)脅迫環(huán)境的。郭水良等[23]對(duì)北美車前P. virginica的研究得出與李曉紅等[22]相同的結(jié)果。本研究污染區(qū)平車前的種子大小、數(shù)量則均顯著低于非污染區(qū)，其原因可能是該植物通過(guò)降低種子數(shù)量與質(zhì)量來(lái)適應(yīng)脅迫環(huán)境。

3.3 生物量分配

生物量分配是植物適應(yīng)環(huán)境的重要方式。本研究結(jié)果顯示，平車前重金屬污染區(qū)根生物量分配比例較非污染區(qū)高，這可能是該植物對(duì)重金屬脅迫環(huán)境適應(yīng)的一種方式。陳香等[13]對(duì)車前和北美車前、Nieet al.[19]對(duì)博落回Macleaya cordata重金屬脅迫下的研究均顯示，重金屬脅迫條件下植物根生物量分配比例較未脅迫條件下低。其原因是根作為植物最重要的絡(luò)合重金屬的部位，它受到脅迫傷害最顯著，因而生物量降低明顯。本研究結(jié)果與這些研究結(jié)果不同。Huanget al.[15]對(duì)齒果 酸 模Rumex dentatus、Zalecka和 Wierzbicka[21]對(duì) 石 竹Dianthus chinensis、Schwartz[24]、Whiting等[25]和Haines[26]對(duì)遏蘭菜Thlaspi arvense的研究結(jié)果均顯示，抗性 （礦山生態(tài)型） 比非抗性種群（非礦山生態(tài)型） 具有更高的根生物量分配比例，本研究與這些研究結(jié)果一致。這說(shuō)明平車前長(zhǎng)期在高重金屬脅迫環(huán)境下生長(zhǎng)，可能已形成抗性種群。同時(shí)，該生態(tài)型可能產(chǎn)生了相應(yīng)的適應(yīng)機(jī)制，幫助植物即使在高重金屬脅迫條件下，仍然能夠增加根的生物量分配比例[15]。Huanget al.[15]已報(bào)道植物器官中不同的酸性轉(zhuǎn)化酶活性可能是抗性植物增加根生物量分配比例的機(jī)制之一。還需要更多的研究以揭示這種適應(yīng)機(jī)制。

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