周廣波 ，張方剛 ，荀守華 ，喬玉玲 ，丁昌俊 ，李善文 ，董玉峰 *

(1.莘縣國(guó)有馬西林場(chǎng)，山東 莘縣 252415；2.臨邑縣農(nóng)林局，山東 臨邑 251500；3山東省林業(yè)科學(xué)研究院 山東省林木遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250014；4.林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(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)

土壤重金屬污染是全球面臨的一個(gè)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，因其具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染隱蔽性強(qiáng)、污染區(qū)域廣等特點(diǎn)，導(dǎo)致污染土壤治理十分困難，并成為環(huán)境污染治理研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)［1-2］。國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤重金屬污染的治理方法主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)［3-5］。然而，因植物修復(fù)技術(shù)具有成本相對(duì)較低、不引起二次污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)為重金屬污染治理與修復(fù)研究的熱點(diǎn)［6-8］。目前，國(guó)外內(nèi)學(xué)者對(duì)植物修復(fù)的研究主要集中在重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)與生理生化特征的影響，及重金屬在植物體內(nèi)的吸收、遷移和轉(zhuǎn)化機(jī)制等方面［6-7］。但針對(duì)重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)等方面的研究相對(duì)較少［9］，尤其是重金屬對(duì)同種植物不同品種和無(wú)性系生長(zhǎng)的影響更是鮮有報(bào)道。

楊樹種類多、生長(zhǎng)快、繁殖容易、適生栽培區(qū)域廣泛，是中緯度地區(qū)最重要的造林樹種之一。研究表明，楊樹對(duì)重金屬 Zn、Pb、Cu、As、Cd 等均具有一定的修復(fù)效應(yīng)［10-11］，如在重金屬 Cd、Zn、Cu、Pb 復(fù)合污染下，水培的20個(gè)楊樹和柳樹品種生物量、重金屬耐性和富集量等方面存在顯著差異［12］。然而，目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究相對(duì)較少，并已影響到楊樹在土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用。本文通過(guò)開展黑楊派雜交無(wú)性系苗木在重金屬Cd和Cu污染土壤中的對(duì)比生長(zhǎng)試驗(yàn)，探索不同楊樹品系對(duì)土壤重金屬污染的生長(zhǎng)響應(yīng)，旨在初選出適宜推廣的耐重金屬污染品系，為區(qū)域重金屬污染土壤的植物修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 植物材料

選用山東省林業(yè)科學(xué)研究院楊樹課題組初選的黑楊人工雜交無(wú)性系 L-6、L-9、L-16、L-18、L-23和L-24，和當(dāng)前主栽楊樹品種中菏1號(hào)、I-107、T26和L324，共計(jì)10個(gè)品系。取其1年生插穗扦插盆栽。從長(zhǎng)清區(qū)育苗基地剪取1年生苗干，每個(gè)品系6～8株，各品系苗高和苗徑相對(duì)均勻一致。

1.2 土壤材料

土壤為山東省林業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)苗圃土，速效氮、磷和鉀的含量分別為67.7、48.2和79mg/kg，pH為7.55，可溶性鹽分為0.056%，土壤田間持水量為33.2%。

選用鎘（Cd）和銅（Cu）2種重金屬化合物作為試驗(yàn)污染物。Cd化合物為CdCl2·2.5H2O分析純，分子量228.35，采購(gòu)試劑為天津市凱通化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。Cu化合物為CuSO4·5H2O分析純，分子量249.68，為萊陽(yáng)市康德化工有限公司生產(chǎn)。

重金屬Cd設(shè)計(jì)3個(gè)處理用量，分別為Cd1=50 mg·kg-1、Cd2=100 mg·kg-1和 Cd3=150 mg·kg-1，以零用量為對(duì)照（CK）。重金屬Cu設(shè)計(jì)3個(gè)處理用量，Cu1=500 mg·kg-1、Cu2=1000 mg·kg-1、Cu3=1500 mg·kg-1，并以零用量為對(duì)照（CK）。

1.3 試驗(yàn)方法

采用盆栽試驗(yàn)，其中花盆口直徑30 cm，高26 cm，每盆裝土7 kg。將每種化學(xué)試劑每一處理濃度的10個(gè)品系所需土壤全部稱重，稱取所需的試劑總重量加入土壤，充分混合攪拌均勻，裝盆。土壤裝盆后澆適量清水，待平衡一月后，選規(guī)格均一的插穗進(jìn)行扦插，每盆扦插1個(gè)插穗，待插穗發(fā)芽成活后保留1株健壯苗。盆栽試驗(yàn)的全過(guò)程在嚴(yán)格控制水分和大氣條件下進(jìn)行。

生長(zhǎng)季結(jié)束，測(cè)量試驗(yàn)品系的苗高、地徑，將試驗(yàn)植株從盆中帶根系取出，掛牌標(biāo)記，每株稱重，即為苗木生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)各組數(shù)據(jù)均運(yùn)用SPSS 16.0進(jìn)行ANOVA方差分析和LSD法進(jìn)行多重比較，顯著性水平定為p=0.05。聚類分析使用層次聚類法（Hierarchical cluster），度量標(biāo)準(zhǔn)選用Pearson系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd、Cu處理對(duì)地徑生長(zhǎng)量的影響

Cd和Cu處理對(duì)楊樹苗木的地徑生長(zhǎng)量具有一定的影響，但不同品系對(duì)Cd和Cu水平的響應(yīng)趨勢(shì)不完全一致（表1）。在重金屬Cd的3個(gè)處理（Cd1、Cd2、Cd3）中，除中菏1號(hào)外其他9個(gè)品系的地徑生長(zhǎng)量均是在 Cd1 水平（50 mg·kg-1）下最大，其中最大地徑生長(zhǎng)量出現(xiàn)在L-9。當(dāng)Cd用量為100 mg·kg-1時(shí)，各品系苗木生長(zhǎng)量高于對(duì)照或與對(duì)照無(wú)顯著性差異，其中L-18和L-23的地徑生長(zhǎng)量最大；當(dāng)Cd用量為150 mg/kg時(shí)，各品系苗木生長(zhǎng)量略低于對(duì)照或與對(duì)照無(wú)顯著性差異，其中L-6的地徑生長(zhǎng)量最大，L-18的地徑生長(zhǎng)量最小。這說(shuō)明土壤中Cd含量在50-100 mg·kg-1對(duì)楊樹苗木的生長(zhǎng)影響較小，但Cd含量超過(guò)100 mg·kg-1則對(duì)地徑生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。

在使用重金屬Cu的3個(gè)處理中，除L-24外其他9個(gè)品系地徑生長(zhǎng)量隨Cu濃度增加無(wú)顯著性差異。使用 500 mg·kg-1和 1000 mg·kg-1Cu 處理時(shí)對(duì)各品系苗木地徑生長(zhǎng)量無(wú)抑制表現(xiàn)；使用1500 mg/kg Cu處理時(shí)，多數(shù)品系地徑生長(zhǎng)量大于對(duì)照或與對(duì)照無(wú)顯著性差異，個(gè)別品系地徑生長(zhǎng)量（L-24、L-6、L-9）小于對(duì)照。

2.2 Cd、Cu處理對(duì)高生長(zhǎng)量的影響

Cd處理對(duì)10個(gè)楊樹品系高生長(zhǎng)量的影響具有一定差異（表2）。表2表明，中菏 1號(hào)、L-324、L-6、L-24、L-23的高生長(zhǎng)量在不同Cd處理水平下無(wú)顯著差異，而I-107則存在顯著差異。這說(shuō)明，I-107對(duì)Cd的耐受性水平較高或者Cd對(duì)I-107的高生長(zhǎng)沒(méi)有影響。當(dāng) Cd用量為 50 mg·kg-1時(shí)，L-16、L-9和I-107的高生長(zhǎng)量顯著大于對(duì)照，而其他品系與對(duì)照差異不顯著；而Cd2水平下，只有L-16的高生長(zhǎng)量顯著大于對(duì)照，而其他品系與對(duì)照的差異不顯著；當(dāng)Cd用量為150 mg·kg-1時(shí)，10個(gè)品系的高生長(zhǎng)量均與對(duì)照差異不顯著。

表1 Cd、Cu處理對(duì)地徑生長(zhǎng)量的影響

表2 Cd、Cu處理對(duì)高生長(zhǎng)量的影響

Cu處理對(duì)10個(gè)楊樹品系苗高生長(zhǎng)量的影響各不相同（表2）。表2表明，在不同處理水平下，I-107、L-16、T-26、中菏1號(hào)的高生長(zhǎng)量無(wú)顯著性差異，而其他6個(gè)品系的高生長(zhǎng)量存在一定的顯著性差異。不使用Cu處理時(shí)，10個(gè)品系中L-6的苗高生長(zhǎng)量最大。當(dāng)Cu用量為500 mg·kg-1時(shí)，L-23、L-9的苗高生長(zhǎng)量顯著高于對(duì)照，其他品系則與對(duì)照物顯著差異；當(dāng)Cu用量為1000 mg·kg-1時(shí)，只有L-324的高生長(zhǎng)量顯著低于對(duì)照，其他品系的高生長(zhǎng)量與對(duì)照差異不顯著；當(dāng)Cu用量為1500 mg·kg-1時(shí)，只有L-18的高生長(zhǎng)率顯著低于對(duì)照，而其他9個(gè)品系與對(duì)照差異不顯著。

2.3 Cd、Cu處理對(duì)生物量的影響

Cd處理對(duì)10個(gè)品系生物量具有顯著性影響，但不同的Cd水平對(duì)各品系的影響不完全一致。當(dāng)Cd 用量為 50 mg·kg-1時(shí)，I-107、L-16、L-18、L-9 的生物量顯著高于對(duì)照，分別為對(duì)照的1.24倍、1.53倍、1.42倍和1.45倍。當(dāng)Cd用量為100 mg·kg-1時(shí)，I-107、L-16、L-18、L-9、L-324、 中菏 1 號(hào)的生物量顯著高于對(duì)照，其中中菏1號(hào)的生物量約為對(duì)照的2.03倍。當(dāng)Cd用量為150 mg·kg-1時(shí)，只有中菏1號(hào)的生物量呈現(xiàn)顯著增加，而其他品系的生物量呈下降趨勢(shì)或者差異不顯著。

表3 Cd、Cu處理對(duì)生物量的影響

Cu處理同樣對(duì)10個(gè)品系的生物量具有顯著性影響，但不同品系對(duì)不同處理水平的響應(yīng)不同。當(dāng)Cu 用量為 500 mg·kg-1時(shí)，I-107、L-16、L-18、L-9的生長(zhǎng)量顯著高于對(duì)照，分別約為對(duì)照的1.24、1.53、1.42和 1.45倍。當(dāng) Cu用量為 1000 mg·kg-1時(shí)，I-107、L-16、L-18、L-9、L-324 的生長(zhǎng)量顯著高于對(duì)照。當(dāng)Cu用量為1500 mg·kg-1時(shí)，I-107的生物量顯著下降，而中菏1號(hào)仍為顯著增加，而其他無(wú)性系沒(méi)有顯著變化。

2.4 不同品系對(duì)Cd、Cu處理響應(yīng)的聚類分析

以10個(gè)品系不同處理下的地徑、苗高、生物量為變量，進(jìn)行層次聚類。聚類分析結(jié)果表明，10個(gè)品系對(duì)Cd和Cu處理的響應(yīng)規(guī)律不一致（圖1，表4）。10個(gè)品系在3個(gè)用量Cd處理后，苗高、地徑生長(zhǎng)量排在較大的是L-9和L-6，生物量最大的是L-16，其次是L-9。這說(shuō)明這幾個(gè)系號(hào)自身具有速生特性，同時(shí)表明L-9、L-16和L-6對(duì)重金屬Cd污染具有較強(qiáng)抗性。10個(gè)品系在Cu處理后，苗高生長(zhǎng)量最大的為L(zhǎng)-9，其次是L-6；地徑生長(zhǎng)量最大的系號(hào)是L-6和L-9；生物量最大的系號(hào)是L-9，其次是L-6。

以9作為組間分類特征值，10個(gè)品系分別可以3組和4組。其中，中菏1號(hào)對(duì)Cd處理的響應(yīng)最為顯著，而I-107對(duì)Cu的處理的響應(yīng)最為顯著。同樣，多重比較分析（LSD）也支持這一結(jié)論（表4）。

圖1 不同品系對(duì)Cd、Cu處理響應(yīng)的聚類分析

表4 Cd、Cu處理對(duì)生長(zhǎng)量影響的綜合比較

3 討論與結(jié)論

重金屬Cd和Cu對(duì)黑楊品系苗木生長(zhǎng)量的具有一定的影響，但影響程度的大小受品系和處理水平的影響，這與王新等［10］、張春燕等［13］的研究結(jié)論一致。本試驗(yàn)土壤加入50-100 mg·kg-1Cd有利于苗木高度、地徑和生物量的增加，Cd用量超過(guò)100 mg·kg-1則不利于苗木的生長(zhǎng)。張東為等［14］試驗(yàn)證明遼育系列苗木的生物量明顯受鎘污染的影響，在土壤含Cd量為150 mg·kg-1時(shí)，2個(gè)品種生物量顯著下降，這與本試驗(yàn)結(jié)果相似。

土壤加入500 mg·kg-1的重金屬Cu對(duì)黑楊苗木高生長(zhǎng)量沒(méi)有抑制，Cu用量超過(guò)500 mg·kg-1Cu則降低苗木高生長(zhǎng)量。使用500 mg·kg-1和1000 mg·kg-1Cu處理有利于苗木地徑生長(zhǎng)量沒(méi)有抑制，用量1500 mg·kg-1Cu時(shí)則地徑生長(zhǎng)量受抑制。本試驗(yàn)中，Cu對(duì)黑楊苗木生物量有促進(jìn)作用，土壤加入500 mg·kg-1和 1000 mg·kg-1Cu 有利于楊樹苗木生物量的增加。袁成等［15］通過(guò)調(diào)查分析江蘇省宿遷市境內(nèi)楊樹葉片3種重金屬Cu、Mn、Zn的含量，呈現(xiàn)出 Mn、Zn 含 量較 高 分 別 為 50.47 mg·kg-1、36.67 mg·kg-1，Cu含量中等。正是因?yàn)闂顦潴w內(nèi)Cu含量少，在土壤中增加用量，相當(dāng)于增加微量元素，反而有利于直徑生長(zhǎng)和單株生物量增加。

不同品系在Cd和Cu處理后生長(zhǎng)量差異顯著。在3個(gè)用量Cd污染后，苗高、地徑生長(zhǎng)量排在前列的系號(hào)是L-9和L-6，生物量最大的系號(hào)是L-16，其次是L-9。在3個(gè)用量Cu污染后苗高、地徑和生物量較大的系號(hào)同樣是L-9和L-6。說(shuō)明這幾個(gè)系號(hào)自身具有速生特性，同時(shí)表明它們對(duì)重金屬Cd和Cu污染具有較強(qiáng)耐受性。