雷 浩，高陳晨，陳良華，陳 娜，郝林婷，柳 奇，舒 錕，楊林凱

（長江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點實驗室/長江上游森林資源保育與生態(tài)安全國家林業(yè)和草原局重點實驗室/華西雨屏區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)研究長期科研基地/四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所，成都 611130）

伴隨我國工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴重，土壤生態(tài)安全受到嚴重威脅。據(jù)報道，我國土壤總的點位超標率為16.1%，以輕度污染為主，鎘污染的點位超標率為7.0%，遠高于其他重金屬污染物的超標率，是最常見的無機污染物。土壤中重金屬的來源復(fù)雜，包括自然來源、工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染和大氣沉降等[1]。例如，冶煉、采礦、重金屬尾礦的不合理排放會直接或間接地向環(huán)境中排放大量的Cd[2]，導(dǎo)致土壤Cd污染；污泥的利用和含Cd化肥的施用是造成農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的主要原因。全國污灌區(qū)調(diào)查結(jié)果顯示，在約1.4×106hm2的污水灌溉區(qū)中，遭受重金屬污染的土地面積占污水灌溉區(qū)面積的64.8%[3]。土壤重金屬污染存在隱蔽性、生物不可降解性和逐級富集等特點，嚴重威脅著生態(tài)安全和人類健康，加快污染土壤的修復(fù)刻不容緩。

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城市化進程的加快，化石燃料的燃燒和不合理使用化肥等人類活動極大地改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)的N循環(huán)，全球性N沉降量總體上呈現(xiàn)高速上升趨勢。從1860年到2005年，全球的活性氮沉降量增加了2倍，預(yù)計到2050年，N沉降量還會翻倍，許多地方的N沉降量將超過50 kg·N/（hm2·a）[4]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中長期過量的N輸入通常會導(dǎo)致土壤酸化、鹽基陽離子流失和土壤中有毒金屬離子（如鋁和錳）的釋放等，對植物的生長發(fā)育和抗逆性（如抗凍性）產(chǎn)生負面影響，降低植物的多樣性。但是，氮沉降如何影響植物對重金屬脅迫的耐受性，以及如何影響植物對有毒重金屬離子的吸收、富集與分配，相關(guān)研究顯得不足。

楊樹是世界上分布最廣、適應(yīng)性最強的樹種之一，具有易繁殖、速生和耐性強等優(yōu)點[5]，具有良好的重金屬耐受性和富集能力[6]，表現(xiàn)出良好的重金屬污染土壤的修復(fù)潛力。有研究表明，楊樹的根、莖和葉能夠富集大量重金屬，尤其是Cd和Zn，Cd在楊樹根和葉中的最高濃度分別可達9 962和514.08 mg/kg[7-8]。大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，重金屬在楊樹各部位的富集量表現(xiàn)為根系大于地上部分[7，9]，楊樹重金屬富集和耐受性的差異受到遺傳因素的調(diào)控[10]。本研究擬以美洲黑楊為材料，通過施氮的方式模擬氮沉降，研究不同N添加水平對美洲黑楊不同器官Cd富集和分配的影響，重點關(guān)注不同根級重金屬富集、轉(zhuǎn)移、分配及蓄積總量的變化，可以為美洲黑楊在鎘污染土壤中的應(yīng)用和污染林地的氮素管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料和研究區(qū)概況

本實驗在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)（103°41′E，30°36′N）進行，該地海拔 579 m，年平均氣溫 15.8 ℃，年均日照時數(shù)1 104.5 h，年均降雨量896.1 mm，年平均相對濕度為84%，屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛。本實驗以長江中下游地區(qū)的常用人工林樹種美洲黑楊（Populus deltoides）為對象，將采至江蘇省鎮(zhèn)江市的美洲黑楊1a生枝條為實驗材料。實驗土壤采自四川洪雅（鎘含量為0.12 mg/kg），土壤類型為黃壤。土壤樣品采回后經(jīng)過風(fēng)干、磨碎、混勻，裝入直徑28 cm的圓柱形塑料盆中，每盆裝12 kg風(fēng)干土。

1.2 實驗設(shè)計和處理

實驗設(shè)計為兩因素（Cd和N）的完全隨機實驗設(shè)計，Cd設(shè)置 3個水平（對照，2.5和 5 mg/kg），N 設(shè)置4個水平（對照，不添加外源氮；5 g/（m2·a），即施氮量為5克氮每平方米每年；10 g/（m2·a），即施氮量為10克氮每平方米每年；15 g/（m2·a），即施氮量為15克氮每平方米每年），共12個處理，每個處理設(shè)9個重復(fù)，共計108盆。向以上制備好的土壤中添加重金屬鎘（CdCl2·2.5H2O），達到預(yù)設(shè)濃度，鎘添加平衡3個月后用于本實驗。2019年4月中旬，將美洲黑楊枝條扦插于營養(yǎng)缽中，待幼苗新芽長出約10 cm時，移栽長勢一致的幼苗用于盆栽實驗，每盆移植1株幼苗。實驗于2019年5月初開始，在半受控（只遮蔽雨水）的大棚中進行，每次澆水均避免水分滲漏，以防止Cd流失。以NH4NO3為N源進行N添加，依據(jù)溫江近十年6—9月的平均降水量及月均降水量的占比計算實驗處理期間的N添加量（本地區(qū)氮沉降量約6 g/（m2·a）），每月的N添加量分為8次添加，平均一周兩次添加N，將每次的施N量溶于一定量清水（300 mL）均勻噴施到土壤表面，對照施以等量清水。實驗期間正常進行澆水管理，及時除草、除蟲。

1.3 取樣和實驗分析

2019年9月底，實驗處理結(jié)束。每種處理隨機收獲3株幼苗，將每株幼苗的根、莖、葉分開，葉片和莖用自來水洗干凈后用去離子水潤洗。根系樣品清洗后按照K.S.Pregitzer等[11]的方法把根系進行分級，最先端的根尖定為1級根，1級根的母根為2級根，2級根的母根為3級根，一直分至6級。1級和2級在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理和代謝活性上非常相似，故把1～2級混合一起后進行研究。所有樣品經(jīng)105℃殺青30 min，烘干至恒重后稱重。各器官樣品粉碎后經(jīng)硝酸和高氯酸消解后，采用火焰原子吸收法測定各器官的鎘含量。各器官鎘積累量=鎘含量×生物量；鎘富集系數(shù)=植物體中鎘平均含量/土壤中鎘含量；鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上部分鎘含量/植物地下部分鎘含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)的前期處理在WPS 2019軟件中進行，利用Origin 2019軟件制圖，在SPSS 20.0統(tǒng)計軟件中對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（one-way ANOVA），并用Tukey法（P20.05）檢驗處理間的差異顯著性，采用雙因素方差分析檢驗鎘污染、氮添加及交互作用對參數(shù)影響的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對美洲黑楊不同器官鎘含量及積累量的影響

如表1所示，在中、高氮處理（N10和N15）條件下，與未添加外源鎘的土壤（Cd0）相比，鎘處理（Cd2.5和Cd5）條件下美洲黑楊莖、葉和所有級別根系的Cd含量均顯著增加。未施鎘條件下，N10、N15條件下1～2級根和3級根的鎘含量顯著高于N0、N5條件下對應(yīng)根級的鎘含量，氮處理并沒有引起其他器官鎘含量的變化。Cd2.5條件下，與N0相比，N5降低了葉片中的鎘含量，但是N10和N15均增加了莖、1～2級、3級、4級和5級根中的鎘含量，N15還顯著增加了6級根中的鎘含量。Cd5污染水平條件下，與N0相比，N5增加了3級根中的鎘含量，N10和N15均增加了葉、莖、1～2級、3級和4級根中的鎘含量，N15還增加了5級根和6級根的鎘含量。

表1 不同處理下美洲黑楊不同器官重金屬含量Table 1 Heavy metal content in different organs of P.deltoides under different treatments mg·kg-1

如表2所示，在所有的N處理條件下，與未添加外源鎘的土壤（Cd0）相比，鎘處理（Cd2.5和 Cd5）均顯著增加了美洲黑楊葉、莖、1～2級根和總鎘積累量。未施鎘條件下，與N0相比，N5和N15增加了莖和1～2級根的鎘積累量，N15還增加了3級根的鎘積累量。Cd2.5條件下，與N0相比，N10顯著增加了美洲黑楊葉和莖的鎘積累量。Cd5條件下，與N0相比，N10和N15增加了葉和莖的鎘積累量，N5卻減少了美洲黑楊葉片的鎘積累量。在添加外源鎘的土壤（Cd2.5和Cd5）中，與N0相比，N10和N15還增加了美洲黑楊的鎘積累總量。

表2 不同處理下美洲黑楊不同器官重金屬積累量Table 2 Accumulation of heavy metals in different organs of P.deltoides under different treatments μg

2.2 氮添加對美洲黑楊鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

如圖1所示，在所有的N處理條件下，與未添加外源鎘的土壤（Cd0）相比，隨著鎘污染程度的加劇，美洲黑楊鎘的富集系數(shù)下降。Cd0條件下，N5和N10處理分別使美洲黑楊的富集系數(shù)上升1.7倍和2倍；Cd2.5條件下，N10處理使鎘的富集系數(shù)上升了1.8倍；Cd5條件下，N5、N10和N15處理均顯著增加了鎘的富集系數(shù)。

圖1 不同處理下美洲黑楊鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)Figure 1 Bioconcentration factors and translocation factors of cadmium in P.deltoides under different treatments

在N0和N15條件下，與未添加外源鎘的土壤（Cd0）相比，鎘處理條件下（Cd2.5和 Cd5）鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著增加。未施鎘時，與N0相比，N10顯著增加了美洲黑楊的轉(zhuǎn)移系數(shù)；Cd2.5條件下，與N0相比，N5和N15顯著降低了鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

2.3 氮添加對美洲黑楊不同器官和不同根級重金屬的分配格局的影響

如圖2所示，在所有的N處理條件下，與未添加外源鎘的土壤（Cd0）相比，外源鎘的添加（Cd2.5和Cd5）均引起美洲黑楊葉片中鎘蓄積比例顯著增加。Cd0條件下，N5和N15不同程度增加了鎘在地上部分（莖和葉）的蓄積比例，降低了根系中的分配比例，但N10處理促進了鎘在根系中的積累比例。Cd2.5條件下，與N0相比，N5和N15顯著促進鎘在美洲黑楊根系中積累比例，減少了其在美洲黑楊葉片中的積累比例，N10引起的變化并不顯著。Cd5條件下，N10和N15一定程度增加了鎘在葉片的積累比例，降低了鎘在根系的蓄積比例，但N5引起的變化并不顯著。

圖2 不同處理下美洲黑楊不同器官重金屬積累量分配格局Figure 2 Distribution pattern of heavy metal accumulation in different organs of P.deltoides under different treatments

如圖3所示，在N0、N10和N15處理條件下，與未添加外源鎘的土壤（Cd0）相比，外源鎘的添加（Cd2.5和Cd5）均引起美洲黑楊1～2級根的鎘蓄積比例顯著增加。Cd0條件下，與N0相比，N10增加了3～4級根鎘的蓄積比例，降低了6級根的蓄積比例；N15降低了1～2級根和6級根的積累比例，增加了3～5級根的蓄積比例。Cd2.5條件下，與N0相比，N5降低了1～2級根和3級根的蓄積比例，增加了4～5級根的蓄積比例。Cd5條件下，與N0相比，N5降低了1～2級根的蓄積比例，增加了6級根的蓄積比例；N10和N15均增加了1～2級和4級根的蓄積比例，降低了6級根的蓄積比例。

圖3 不同處理下美洲黑楊不同根級重金屬積累量分配格局Figure 3 Distribution pattern of heavy metal accumulation in different root levels of P.deltoides under different treatments

3 討論

楊樹作為典型的速生木本植物，具有生長迅速和生物量大等優(yōu)點，雖然富集能力無法與超富集植物相比，但能蓄積較大總量的重金屬，表現(xiàn)出了良好的修復(fù)重金屬污染土壤的潛力。本研究中，土壤受較低的鎘污染條件下（2.5和5 mg/kg），楊樹所有器官中重金屬的濃度均高于土壤中重金屬的濃度，表現(xiàn)出了良好的富集效應(yīng)。陳良華[12]研究了25 mg/kg的土壤鎘污染條件下，滇楊雌雄植株葉片中鎘的濃度均超過120 mg/kg；Hao L.等[13]的研究結(jié)果表明，土壤鎘污染水平為5 mg/kg條件下，美洲黑楊1～3級根的鎘含量均超過40 mg/kg。在重金屬有效性更高的水培條件下，M.Zacchini等[8]對10個楊樹無性系幼苗進行重金屬處理，50 μmol/L鎘處理條件下，楊樹根系和地上部分的鎘含量分別為9 962和293mg/kg；萬雪琴等[14]的結(jié)果表明，25和50 μmol/L的鎘濃度條件下，3個歐美楊（P.deltoides×P.nigra）無性系葉片的鎘含量均超過75和125 mg/kg。本研究中，土壤Cd污染條件下，所有處理美洲黑楊經(jīng)過1個生長季的生長，鎘的總積累量均超過191.85 μg，十分可觀。Wu F.等[15]的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)歐美楊在低濃度鎘污染處理條件下（21.5 mg/kg土壤）仍然能夠蓄積較大總量的鎘。另一方面，土壤Cd污染條件下，與未施氮相比，氮添加總體上使美洲黑楊各器官鎘的含量總體上升（尤其是N10處理），各器官的鎘積累量隨氮添加量的增加表現(xiàn)出“先增后減”的趨勢，表明適度的氮添加有利于促進美洲黑楊對鎘的積累。氮添加促進植物富集鎘的原因主要在于兩個方面：改變土壤的理化性質(zhì)（如pH和有效氮含量），提高了土壤中重金屬的生物有效性并具有促進固相重金屬淋溶的效應(yīng)，從而促進植物的鎘吸收[16-17]；氮添加引起的施肥效應(yīng)會促進植物的生長和生物量的積累，從而顯著提高Cd的總積累量[18]。

大多數(shù)研究表明，重金屬在木本植物各器官的重金屬含量表現(xiàn)為根系3地上部分器官[7-9]。本研究中，美洲黑楊中鎘的含量基本表現(xiàn)為1～2級根3葉片3莖≈3級根3其他根系，與以上研究的結(jié)果類似。我們的研究表明，鎘污染條件下，氮添加不但會促進美洲黑楊對鎘的富集，同時還會抑制鎘向地上部分的轉(zhuǎn)移，進而對鎘在美洲黑楊體內(nèi)的分配格局產(chǎn)生影響。董姬妃等[19]也發(fā)現(xiàn)施氮能促進白三葉（Trifolium repens）對鎘的富集并減少鎘向地上部分的轉(zhuǎn)移。譚長強等[20]結(jié)果表明，施氮促進了雜交相思樹（Acacia mangium×Acacia auriculiformis）對鎘的富集及向地上部分的遷移。另一方面，從蓄積量的格局來看，在大多數(shù)情況下，美洲黑楊地上部Cd積累量3根系Cd積累量，氮添加的效應(yīng)因污染程度的不同而不同。例如，Cd2.5條件下，N15顯著增加了鎘在根系中的積累比例，減少了其在葉片中的積累比例；但在Cd5條件下，N15的效應(yīng)卻截然相反，表明氮添加的效應(yīng)同時受到土壤重金屬污染程度的影響。

植物細根是樹木根系的重要組成部分，是林木吸收、運輸水分和養(yǎng)分的主要功能器官，具有重要的生理和生態(tài)功能[21-22]。植物根系是直接與土壤中有毒鎘離子接觸的器官，最先遭受鎘毒害作用[23]。同時，因凱氏帶的阻隔作用，根系通常是木本植物鎘富集能力最強的器官[24]。本研究表明，Cd污染條件下，美洲黑楊1～2級根重金屬含量顯著高于其余根級，重金屬含量隨著根級的增加而持續(xù)下降，這與Guo Y.Y.等[25]和 Xu Z.等[26]的研究結(jié)果一致。有研究表明，氮素能夠提高植物根系對必需元素的吸收來降低鎘的毒害作用[27]，根系活力增加，植物富集礦質(zhì)元素和重金屬元素的能力增強。本研究中，在兩個污染梯度條件下，N10和N15均顯著增加了1～2級、3級、4級根中重金屬的含量，從而一定程度增加了1～2級根中鎘的蓄積比例。值得注意的是，與高級別根系相比，低級別根系的壽命更短且周轉(zhuǎn)更快[28]，低級根中的重金屬更易因根系的周轉(zhuǎn)而歸還土壤?？梢姡砑硬粌H影響到美洲黑楊不同級別根系中重金屬的含量和分配格局，同時通過調(diào)控根系生長、壽命、周轉(zhuǎn)過程間接影響著重金屬在土壤-根系系統(tǒng)的循環(huán)，影響著重金屬的修復(fù)效率。

4 結(jié)論

①美洲黑楊對土壤中的鎘表現(xiàn)出良好的富集能力，總體來看，氮添加對美洲黑楊多數(shù)器官的鎘富集具有促進作用（尤其是根系），但這種促進效應(yīng)因污染程度的不同有一定的差異。

②土壤鎘污染條件下，氮添加會促進美洲黑楊鎘的富集系數(shù)，并降低鎘向地上部分的轉(zhuǎn)移，尤其是在N15條件下。

③在不同Cd污染條件下，美洲黑楊根系中鎘含量隨根序的增加而降低，適度的氮添加（如N10）能促進鎘在低級根中的富集。因此，本研究表明適度的氮添加（如N10）能夠提高美洲黑楊重金屬積累與修復(fù)能力。在不同重金屬污染條件下，適度的外源氮添加有利于美洲黑楊的生長并有利于提高其對重金屬污染土壤的修復(fù)能力。