馬云瑤 戎 恭 鄭青雅 馬云璐 儲(chǔ) 茵 劉盛全

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

我國(guó)土壤鎘（Cd）污染形勢(shì)嚴(yán)峻，治理和修復(fù)受Cd 污染的土壤是當(dāng)今面臨的一個(gè)緊迫的任務(wù)[1]。植物修復(fù)（Phytoremediation）是一種清潔污染土壤的新技術(shù)，具有就地治理、低成本和可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)，其中植物提取修復(fù)（Phytoextraction）是通過(guò)植物對(duì)污染土壤中重金屬的耐受性和抵抗性以及對(duì)重金屬的吸收、富集能力來(lái)將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，然后將植物移出土壤系統(tǒng)并進(jìn)行回收和處置[2]。目前主要是利用對(duì)重金屬有超富集能力的草本植物，但由于這些草本植物生長(zhǎng)緩慢，生物量低，故修復(fù)治理耗時(shí)較長(zhǎng)[3-4]。樹(shù)木提取修復(fù)（Dendroextraction）是利用木本植物進(jìn)行的提取修復(fù)，雖然它們對(duì)污染物多不具備高累積性，但由于木本植物，特別是速生樹(shù)種具有生長(zhǎng)迅速、生物量大、根系發(fā)達(dá)、管理方便、生態(tài)安全等優(yōu)勢(shì)，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積極效益[4-5]。楊樹(shù)是速生樹(shù)種，在全世界栽種面積很廣，易繁殖、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)Cd 的吸收富集能力總體相對(duì)較強(qiáng)，是土壤Cd 提取修復(fù)的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，并且楊樹(shù)在減少土壤中鎘含量的同時(shí)，具有清潔空氣、美化環(huán)境的作用[6]。但前期諸多的研究均表明楊樹(shù)樹(shù)干對(duì)Cd 的吸收和富集能力則相對(duì)較低[7-9]。研究樹(shù)干吸收和富集Cd 的特性及如何提高其富集能力對(duì)利用楊樹(shù)進(jìn)行Cd 污染土壤修復(fù)治理有重要意義，但目前這方面研究很少[10]。

應(yīng)拉木是闊葉樹(shù)的樹(shù)干或樹(shù)枝由于傾斜生長(zhǎng)而形成的一種異常的木材組織，它的解剖和物理力學(xué)特性是在外力的作用下試圖恢復(fù)到原來(lái)的位置而形成的[11-12]。其木材的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和化學(xué)成分與正常木有所不同, 如應(yīng)拉木纖維細(xì)胞壁的纖維腔壁內(nèi)出現(xiàn)了特殊的膠質(zhì)層，該膠質(zhì)層具有的纖維素含量高、木質(zhì)素含量低、微纖絲角小等特點(diǎn)[13-14],可能更利于重金屬在木材部分的富集[10]，前后承接不當(dāng)而極少有這方面的研究報(bào)道。

通過(guò)設(shè)置不同濃度Cd 添加處理的土壤進(jìn)行兩年的盆栽試驗(yàn)，人工模擬楊樹(shù)應(yīng)拉木的形成，對(duì)楊樹(shù)進(jìn)行人工傾斜(45°)生長(zhǎng)來(lái)模擬兩年生傾斜種植楊樹(shù)對(duì)重金屬Cd 的富集過(guò)程，分析不同Cd 濃度處理對(duì)兩年生楊樹(shù)生長(zhǎng)量的影響，并著眼全樹(shù)，聚焦樹(shù)干，研究楊樹(shù)不同部位及樹(shù)干縱向和橫向Cd 含量分布規(guī)律，綜合分析傾斜楊樹(shù)富集Cd 的能力和累積機(jī)理，為提高楊樹(shù)樹(shù)干部分吸收和累積Cd 的能力進(jìn)行初步的探尋。

1 材料與方法

1.1 盆栽實(shí)驗(yàn)

2018 年3 月，采集安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園內(nèi)表層土然后拌入營(yíng)養(yǎng)土組成試驗(yàn)土壤，表層土壤和營(yíng)養(yǎng)土的比例為1 ∶1，混合均勻后裝入營(yíng)養(yǎng)盆中，營(yíng)養(yǎng)盆直徑33 cm，高38 cm，每盆裝土21.0 kg。2018 年3 月從安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園中的一棵69 楊樹(shù)(Populus deltoides‘Lux’ (I-69/55))新生樹(shù)枝上剪下生長(zhǎng)狀態(tài)良好、長(zhǎng)勢(shì)均一的扦插苗15 棵，每棵楊樹(shù)扦插苗剪成15 cm 左右備用。將15 棵扦插苗栽植于營(yíng)養(yǎng)盆，并安放在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園陽(yáng)光大棚下。樹(shù)苗自然生長(zhǎng)兩個(gè)月后通過(guò)均勻噴灑Cd(NO3)2溶液進(jìn)行Cd 的添加。綜合參考《國(guó)家土壤質(zhì)量環(huán)境農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2018)和《國(guó)家土壤質(zhì)量環(huán)境建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB36600-2018)的篩選值和管控值[15-16]，以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]，設(shè)置5 種不同的Cd 添加濃度梯度（0，5，20，50，100 mg/kg）依次記為C0、C1、C2、C3、C4，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。兩周后將楊樹(shù)樹(shù)苗傾斜45°放置，并用竹竿固定樹(shù)苗，使其保持傾斜生長(zhǎng)。為了使楊樹(shù)在環(huán)境相同的條件下生長(zhǎng)，在擺放花盆時(shí)采用隨機(jī)分布的方法擺放，并定期定量給樹(shù)苗澆水。

1.2 生長(zhǎng)量的跟蹤測(cè)定

在生長(zhǎng)季（3—11 月）每月測(cè)定楊樹(shù)的生長(zhǎng)狀況，主要包括樹(shù)高和地徑。樹(shù)高統(tǒng)一從花盆土壤表層部位開(kāi)始測(cè)量至樹(shù)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(zhǎng)度，再計(jì)算得出直徑。

1.3 樣品的采集、處理以及Cd 的測(cè)定

于2019 年12 月對(duì)兩年傾斜生長(zhǎng)楊樹(shù)按照樹(shù)葉、樹(shù)枝、樹(shù)根、樹(shù)干的樹(shù)皮部分（以下稱為樹(shù)皮）、樹(shù)干的木材部分（以下稱為樹(shù)干）五個(gè)不同部位分別進(jìn)行樣品采樣。其中樹(shù)干和樹(shù)皮又按照縱向分為頂部、中部、基部，每一高度又分應(yīng)拉區(qū)（傾斜上部）和對(duì)應(yīng)區(qū)（傾斜下部）分別采集，每一個(gè)區(qū)的樹(shù)干木材部分再按徑向取近樹(shù)皮處和近髓心處樣。樹(shù)葉在11 月落葉前采集，然后在12月初拔出楊樹(shù)，其中樹(shù)干截取5 cm 厚的基部、中部、頂部圓盤。植株樣首先用自來(lái)水沖洗，除去表面泥沙和污垢，再用去離子水沖洗3 遍。每個(gè)圓盤分為應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)兩部分，首先用不銹鋼刨刀分別將應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)樹(shù)皮取下，然后木材部分按年輪逐層分別取下應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)的近樹(shù)皮處和近髓心處木材樣。各部位的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(guò)60 目篩，分別裝袋標(biāo)號(hào)。采用石墨爐原子吸收分光光度法（TAS990 GF 北京普析）測(cè)定楊樹(shù)不同部分Cd 含量。

此外，通過(guò)生物富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表示傾斜楊樹(shù)對(duì)Cd 的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。生物富集系數(shù)（bioconcentration factors, BCF）指植物體內(nèi)重金屬含量與相應(yīng)的土壤重金屬含量之比，這里采用楊樹(shù)地上各部分Cd 含量與Cd 添加處理濃度的比值。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（translocation factor,TF）指植物地上部分重金屬含量與地下根部重金屬含量之比[19]。

利用Excel 2013 和Origin 2017 等進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與繪圖，采用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析和最小顯著性差異檢驗(yàn)，比較兩年傾斜生長(zhǎng)楊樹(shù)對(duì)Cd 的吸收和富集能力在不同處理濃度，以及在不同部位、樹(shù)干縱向和徑向的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源Cd 的添加對(duì)傾斜楊樹(shù)生長(zhǎng)性狀的影響

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，所有Cd 處理下的樹(shù)木未出現(xiàn)明顯的不良癥狀，楊樹(shù)生長(zhǎng)總體良好。楊樹(shù)在不同Cd 脅迫條件下樹(shù)高和地徑均隨時(shí)間的增加而增加（表1）。

對(duì)于傾斜楊樹(shù)樹(shù)高，C1 處理下第一年樹(shù)高顯著高于C3 和C4 處理，在兩年收獲時(shí)不同處理樹(shù)高的順序?yàn)镃1 ＞C0 ＞C4 ＞C3 ＞C2，但未達(dá)到差異顯著（表1），表明外源Cd 的添加對(duì)傾斜楊樹(shù)樹(shù)高生長(zhǎng)沒(méi)有顯著的抑影響。對(duì)于地徑，C0處理下第一年地徑顯著高于C1、C2、C3 處理，在兩年收獲時(shí)不同處理傾斜楊樹(shù)地徑的順序?yàn)镃0＞C4 ＞C1 ＞C2 ＞C3，但未達(dá)到差異顯著（表1），表明外源Cd 的添加對(duì)楊樹(shù)地徑具有一定的抑制作用，但抑制作用沒(méi)有達(dá)到顯著水平。外源Cd的添加對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)的影響與楊樹(shù)品種、樹(shù)齡、栽培方式以及土壤類型等因素有關(guān)[19]。

表1 不同Cd 濃度處理下兩年生傾斜楊樹(shù)每年的樹(shù)高和地徑Table 1 Height and basal diameter of the two-year-old poplars in each year under different Cd treatments

2.2 傾斜楊樹(shù)不同部位Cd 含量分布

除了樹(shù)根和樹(shù)干中的Cd 含量是C1 略高于C2，兩年傾斜楊樹(shù)各部位中的Cd 含量總體隨土壤中Cd 處理濃度的增加而增加（表2）。方差分析表明，楊樹(shù)不同部位Cd 含量在不同處理濃度和楊樹(shù)不同部位都有顯著差異（P＜0.001），不同處理下楊樹(shù)各部位Cd 含量均是樹(shù)葉中最高，其次是樹(shù)皮、樹(shù)根、樹(shù)枝、樹(shù)干（表2）。而在戎恭等人[10]一年生傾斜生長(zhǎng)楊樹(shù)的研究當(dāng)中樹(shù)皮中Cd 含量最高，其次是樹(shù)葉、樹(shù)根、樹(shù)干，在何佳麗的研究當(dāng)中灰楊樹(shù)根的Cd 含量最高[21]，這種差異可能與楊樹(shù)的樹(shù)齡及品種的不同有關(guān)[22]。

表2 不同Cd 濃度處理下兩年生傾斜楊樹(shù)不同部位的Cd 含量 mg·kg-1Table 2 Cd concentration in different parts of the two-year old leaning poplars under different Cd treatments

2.3 樹(shù)皮和樹(shù)干Cd 含量沿樹(shù)高縱向及在不同區(qū)域的分布

樹(shù)皮和樹(shù)干Cd 含量總體隨土壤中Cd 處理濃度的增加而顯著增加，并且各處理傾斜楊樹(shù)樹(shù)皮Cd 含量分別高于樹(shù)干Cd 含量（圖1）。樹(shù)皮中Cd含量在C1、C2、C3 處理下均是基部顯著高于中部和頂部，除了C4 中部樹(shù)皮Cd 含量略高于基部外，其它處理均是基部最高，在所有處理中頂部樹(shù)皮Cd 含量都是最低（圖1a）。樹(shù)干中Cd 含量在C1、C2、C3、C4 處理下均是頂部顯著高于中部和基部，在所有處理中，均是頂部樹(shù)干Cd 最高，除了C4 樹(shù)干基部Cd 含量略高于中部外，其它處理均是基部最低（圖1b）。傾斜楊樹(shù)樹(shù)皮Cd含量總體表現(xiàn)出隨著樹(shù)高降低的特征，而樹(shù)干則相反（圖1）。方差分析表明，樹(shù)皮中Cd 含量隨樹(shù)高差異不顯著，樹(shù)干中Cd 含量隨樹(shù)高在P＜0.05 水平上差異顯著。

圖1 不同Cd 濃度處理下兩年生傾斜楊樹(shù)不同高度樹(shù)皮和樹(shù)干Cd 含量：(A)樹(shù)皮；(B)樹(shù)干Fig. 1 Cd concentration in the bark and stem of the two-year old leaning poplars along the height under different Cd treatments :(a)bark;(b)stem

傾斜楊樹(shù)樹(shù)皮和樹(shù)干應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)Cd 含量均隨土壤中Cd 濃度的增加而顯著增加（圖2）。除了樹(shù)干在C0 處理外，傾斜楊樹(shù)樹(shù)皮和樹(shù)干中Cd 的含量均是對(duì)應(yīng)區(qū)略高于應(yīng)拉區(qū)（圖2）。方差分析表明，樹(shù)皮和樹(shù)干應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)Cd 含量均未達(dá)到差異顯著。

圖2 不同Cd 濃度處理下兩年生傾斜楊樹(shù)應(yīng)拉區(qū)與對(duì)應(yīng)區(qū)中樹(shù)皮和樹(shù)干的Cd 含量：(A)樹(shù)皮；(B)樹(shù)干Fig.2 Cd concentration in the stem and bark parts of the two trunk zones of the two-year old leaning poplars under different Cd concentrations:(a)bark;(b)stem

2.4 樹(shù)干Cd 含量的徑向分布

楊樹(shù)樹(shù)干近樹(shù)皮處與近髓心處的Cd 含量均隨土壤中Cd 濃度的增加而顯著增加，不同Cd 濃度處理下楊樹(shù)樹(shù)干中近樹(shù)皮處的Cd 含量均高于近髓心處（圖3）。方差分析顯示，樹(shù)干Cd 含量在徑向上的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.5 傾斜楊樹(shù)對(duì)Cd 的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力

BCF 能夠表示植物從土壤中吸收和富集重金屬的能力。由表3 可知，除樹(shù)根外，傾斜楊樹(shù)地上各部位均表現(xiàn)出BCF 隨著Cd 處理濃度的升高而降低的趨勢(shì)，說(shuō)明雖然傾斜楊樹(shù)各部位對(duì)Cd 的吸收量均隨著處理濃度的升高而升高（見(jiàn)2.2, 2.3,2.4 和2.5），但對(duì)Cd 吸收量的增加并不與土壤Cd濃度增加成比例，導(dǎo)致BCF 隨處理濃度降低。不同處理中二年生傾斜楊樹(shù)各部位的平均BCF 介于0.21 ～3.49 之間，總體低于許多具有Cd 高累積性能的草本植物[23-24]，但總體高于一年生傾斜楊樹(shù)[10]。楊樹(shù)各部位在C1 的BCF 值均顯著高于其在其它處理濃度的BCF 值，且均大于1.0（表3），說(shuō)明在5 mg/kg 左右的低濃度時(shí)，楊樹(shù)對(duì)Cd 的吸收和富集能力最強(qiáng)。BCF 在傾斜楊樹(shù)不同部位有差異性顯著，表現(xiàn)為樹(shù)葉平均BCF 最大，其次是樹(shù)皮、樹(shù)根，樹(shù)枝和樹(shù)干的BCF 值最?。ū?），說(shuō)明楊樹(shù)樹(shù)葉富集Cd 的能力最強(qiáng)，樹(shù)枝和樹(shù)干最弱。

表3 不同濃度Cd 處理下兩年生傾斜楊樹(shù)不同部位的BCFTable 3 BCF of different parts of the two-year old leaning poplars under different treatments of Cd addition

TF 表示重金屬在植物體內(nèi)由根部向地上部位的遷移能力，當(dāng)TF＞1 時(shí)，可說(shuō)明該地上部位對(duì)Cd 有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)和富集能力。由表4 可知，不同處理?xiàng)顦?shù)不同部位平均TF 值介于0.53 ～4.04 之間，隨著土壤中Cd 濃度的升高，各部位TF 值均表現(xiàn)為C2 ＞C3 ＞C1 ＞C4，說(shuō)明土壤中的Cd 濃度可能會(huì)影響Cd 在傾斜楊樹(shù)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，但這種影響并不與土壤中Cd 的處理濃度成比例。楊樹(shù)各部位在C2 的TF 值均大于1.0，且均顯著高于其在其它處理濃度的TF 值（表4）。不同部位TF 有顯著性差異，樹(shù)葉最高，其次為樹(shù)皮，樹(shù)枝和樹(shù)干最低，除了樹(shù)干外，其它部位TF 均值都高于1.0，說(shuō)明傾斜楊樹(shù)地上各部位的轉(zhuǎn)運(yùn)能力總體較強(qiáng)。

表4 不同濃度Cd 處理下兩年生傾斜楊樹(shù)不同部位的TFTable 4 TF of different parts of the two-year old leaning poplars under different treatments of Cd addition

3 結(jié)論與討論

外源Cd 的添加對(duì)兩年生傾斜楊樹(shù)樹(shù)高和地徑生長(zhǎng)沒(méi)有顯著的抑制作用，而且楊樹(shù)不同部位的Cd 含量均隨土壤中Cd 濃度的增加而顯著增加，說(shuō)明傾斜楊樹(shù)對(duì)Cd 有較強(qiáng)的耐受性。

樹(shù)葉中的Cd 含量最高，其次是樹(shù)皮、樹(shù)根、樹(shù)枝、樹(shù)干。沿著樹(shù)干高度，傾斜楊樹(shù)樹(shù)皮Cd 含量總體表現(xiàn)出隨著樹(shù)高降低的特征，而樹(shù)干則相反。在兩年生楊樹(shù)強(qiáng)烈的蒸騰作用下，Cd 隨著蒸騰流向上輸送，最終累積在樹(shù)葉中，加上樹(shù)葉中含有較多的碳酸鹽和氨基酸，能夠與Cd 離子結(jié)合，生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，導(dǎo)致樹(shù)葉中的Cd 含量不斷增加[3,25]。在樹(shù)干內(nèi)部，Cd 隨著水分和所需的礦物質(zhì)元素一起通過(guò)木質(zhì)部往上運(yùn)輸遷移，在樹(shù)干頂部累積相對(duì)更多。Cd 又可通過(guò)紋孔和木射線等構(gòu)造分子由木質(zhì)部到韌皮部，由于樹(shù)皮組織中富含有助于與二價(jià)離子結(jié)合的萜類、軟木脂、脂肪酸酯、氨基酸等物質(zhì)，可累積較多的Cd，可能在基部的側(cè)向輸送比頂部更強(qiáng)，導(dǎo)致樹(shù)皮是基部Cd 累積高于頂部[26]。

二年生傾斜楊樹(shù)樹(shù)皮和樹(shù)干中Cd 的含量均是對(duì)應(yīng)區(qū)略高于應(yīng)拉區(qū)。Cd 在樹(shù)木內(nèi)部進(jìn)行橫向輸送的過(guò)程中，由于重力作用，可能更傾向于向傾斜楊樹(shù)下部（對(duì)應(yīng)區(qū)）遷移，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)區(qū)Cd 含量略高于應(yīng)拉區(qū)。另外，從兩個(gè)區(qū)域木材結(jié)構(gòu)來(lái)看，對(duì)應(yīng)區(qū)木材的導(dǎo)管組織比量高于應(yīng)拉區(qū)[27]，而導(dǎo)管主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸養(yǎng)分和無(wú)機(jī)鹽，在輸送的過(guò)程中Cd 可暫時(shí)附著在導(dǎo)管壁上，這可能是導(dǎo)致對(duì)應(yīng)區(qū)Cd 含量高于應(yīng)拉區(qū)的原因。樹(shù)干近樹(shù)皮處Cd 含量高于近髓心處，這可能是由于在楊樹(shù)幼齡材中，近髓心部分薄壁細(xì)胞比量高，而近樹(shù)皮部分的導(dǎo)管比量高于近髓心部分，因此會(huì)有更多的Cd 隨著水分和營(yíng)養(yǎng)元素運(yùn)輸而附著在導(dǎo)管壁上[28]。

兩年生傾斜楊樹(shù)不同部位不同處理濃度下BCF 值在0.21 到3.49 之間，TF 值在0.53 到4.04之間。地上部分各部位BCF 總體隨著土壤Cd 濃度的升高而降低，在低濃度處理（C1=5 mg/kg）時(shí)傾斜楊樹(shù)各部位BCF 均顯著高于其它較高濃度處理的BCF。TF 值隨不同Cd 濃度處理和楊樹(shù)各部位都有顯著差異，各部位TF 在C2=20 mg/kg 時(shí)均顯著高于其它處理濃度的TF。各部位平均 BCF值和TF 值都是樹(shù)葉最高，分別達(dá)到1.45 和2.45，樹(shù)干最低，分別為0.58 和0.94。

傾斜楊樹(shù)對(duì)Cd 有較強(qiáng)的耐受性，各部位在較低濃度時(shí)對(duì)Cd 有相對(duì)較高的富集能力，以及樹(shù)葉對(duì)Cd 有總體較高的富集能力等對(duì)利用69 楊樹(shù)在土壤樹(shù)木修復(fù)具體實(shí)踐上有重要意義。但是，Cd在楊樹(shù)中的吸收和累積機(jī)制，以及如何進(jìn)一步提高其吸收累積能力，特別是在樹(shù)干中的累積能力還有待深入的研究。