鉛污染對(duì)青楊雌雄幼苗鉛富集和營(yíng)養(yǎng)特征的影響

胡相偉，張明錦，徐 睿，楊萬(wàn)勤，張 健，陳良華

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)林業(yè)研究所，四川林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都611130）

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，是食品安全和人類健康的重大威脅。環(huán)境污染分為點(diǎn)源污染和面源污染，點(diǎn)源污染指具有固定污染排放源的一類污染，而面源污染也稱非點(diǎn)源污染，沒(méi)有固定的污染排放源，具有隱蔽性、分散性、不易監(jiān)測(cè)性及受多因子影響等特點(diǎn)［1－2］。20世紀(jì)70 年代以后，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始對(duì)污染進(jìn)行整治，工業(yè)三廢和城市生活污染得到有效控制，即點(diǎn)源污染對(duì)環(huán)境的危害在逐步減小，而面源污染的影響則日益突顯。目前，中國(guó)對(duì)點(diǎn)源污染也已逐漸加大控制力度，正處于污染構(gòu)成的快速轉(zhuǎn)變期，面源污染占污染的比重日益增加［3］，但植物對(duì)面源水平污染的生理生態(tài)研究還相當(dāng)缺乏，所以尤其需要進(jìn)行一些低水平污染的環(huán)境修復(fù)研究。

植物修復(fù)技術(shù)是治理面源污染的重要技術(shù)之一。與其他方法相比，植物修復(fù)技術(shù)具有廉價(jià)易操作、生態(tài)環(huán)境友好和易受大眾認(rèn)可等優(yōu)點(diǎn)［4］。傳統(tǒng)的思維方式中，最佳的植物修復(fù)材料是超富集植物，這類植物因其具有超強(qiáng)的重金屬積累能力和耐受力使其能在重金屬濃度極高的土壤中生長(zhǎng)繁衍。但是，絕大多數(shù)超富集植物都是草本植物，具有很多缺點(diǎn)，諸如生物量低、生長(zhǎng)緩慢，對(duì)生物氣候條件要求嚴(yán)格，不利于大范圍推廣，且專一性強(qiáng)，一般僅富集一種到兩種特定的重金屬。此外，這類植物如果沒(méi)有及時(shí)收割回收，很容易因植物器官的凋落和腐爛，導(dǎo)致重金屬重返土壤，降低了修復(fù)效率［5－7］。然而，選用對(duì)重金屬具有一定耐性，但因巨大生物量使富集總量超過(guò)超富集植物的速生木本植物，也會(huì)產(chǎn)生良好的修復(fù)效果［8－9］。木本植物在修復(fù)土壤的同時(shí)，還能提供木材和生物能源，并通過(guò)根和莖大量固定重金屬，阻礙其進(jìn)入食物鏈［10－11］。楊柳科植物具有速生豐產(chǎn)、適應(yīng)性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、繁殖容易等優(yōu)點(diǎn)，且不容易進(jìn)入食物鏈，還具有可觀的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值，其在重金屬修復(fù)方面的前景日益受到重視［12－13］。

本研究選用的速生木本植物青楊（Populus cathayana Rehd．），屬于楊柳科（Salicaceae）楊屬（Populus L．）植物，原產(chǎn)中國(guó)，分布廣泛，是典型的雌雄異株植物，具有生長(zhǎng)快、抗性強(qiáng)、易成活、適性廣等優(yōu)良特性［14］。已有的研究表明在溫度適宜、氣候濕潤(rùn)的生境中，青楊雌株比雄株生長(zhǎng)上具有優(yōu)勢(shì)，然而受到環(huán)境脅迫（如干旱、高低溫以及淹水等）后雄株則表現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)性和耐受性［15－19］，但目前對(duì)環(huán)境污染條件下青楊性別間差異的研究還非常缺乏。初步的野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同污染的區(qū)域，青楊雌雄生長(zhǎng)和分布情況有所不同，重度污染區(qū)青楊性比偏雄性，在輕度污染區(qū)則偏雌性。這說(shuō)明污染區(qū)青楊雌雄株的空間分異和生殖格局也可能與環(huán)境污染程度相關(guān)。因此，有必要進(jìn)行性別間重金屬脅迫耐受性差異的研究，這類研究可以為重金屬污染植物修復(fù)時(shí)的性別選擇提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1．1 實(shí)驗(yàn)材料

扦插所用一年生青楊枝條來(lái)自青海省大通縣國(guó)有林場(chǎng)（101°35′E；35°56′N）。實(shí)驗(yàn)用土取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)附近的稻田土壤，土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)碳含量10．13g·kg－1，銨態(tài)氮含量3．32 mg·kg－1，硝態(tài)氮含量0．22 mg·kg－1，有效磷含量37．72mg·kg－1，速效鉀含量11．47mg·kg－1，含水量22．30%，pH 7．56。實(shí)驗(yàn)采用盆栽方式，每盆裝稻田土15kg，塑料花盆口徑30cm，深25cm。

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用雙因素（性別和鉛處理）完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。根據(jù)中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618－2008）中鉛污染物的第二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)設(shè)定本研究的污染梯度，即超過(guò)50mg·kg－1為污染土壤；本研究中每種性別各設(shè)置20．5mg·kg－1（土壤背景值，對(duì)照，CK）、50 mg·kg－1（輕度污染，T1）、100 mg·kg（中度污染，T2）3個(gè)鉛濃度水平，均以干土質(zhì)量計(jì)算；T1和T2是將Pb（NO3）2與去離子水配成50 μmol·L－1的濃度施入土壤，在充分混勻平衡1 月后用于盆栽實(shí)驗(yàn)。

2013年3 月選取健壯、無(wú)病害、粗細(xì)一致的一年生雌雄青楊枝條，剪成長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)男」?jié)，扦插在苗床上；待扦插苗萌發(fā)生長(zhǎng)至6月初，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的青楊幼苗（約15cm）移栽入各處理花盆土壤中，每盆1株，雌雄幼苗每個(gè)處理各9株，共54株。青楊幼苗移栽后，實(shí)驗(yàn)處理在僅遮蔽雨水的大棚中進(jìn)行，對(duì)所有供試植株進(jìn)行統(tǒng)一澆水、除草防蟲(chóng)和防病等管理，控制澆水量以避免多余水分流出塑料盆。

1．3 樣品處理

2013年10 月中旬，每個(gè)處理隨機(jī)選取雌雄幼苗各5株，全株收獲并分為根、莖和葉，用去離子水擦凈表面，先于105 ℃烘箱中殺青0．5h，然后調(diào)至65 ℃烘干至恒重，計(jì)算單株青楊根、莖、葉生物量和總生物量。將每一株根、莖和葉樣品分別粉碎研磨后過(guò)篩混勻，以備植物營(yíng)養(yǎng)元素和鉛含量的測(cè)定。

植物樣品經(jīng)H2SO4－H2O2混合酸消煮后測(cè)定N 和P的含量，N 含量采用半微量凱氏定氮法，P含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定。植物樣品經(jīng)HNO3－HClO4混合酸消化后，使用島津AA－7000 火焰原子吸收光譜儀測(cè)定Pb含量。

1．4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS 18．0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，采用單因素方差分析（one－way ANOVA）計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)誤；不同處理間的差異采用Tukey多重比較檢驗(yàn)；采用多因素方差分析性別和鉛處理間的交互作用；顯著性水平設(shè)置為α＝0．05。最后將以上操作所得的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果錄入Origin 8作圖。

2 結(jié)果與分析

2．1 鉛脅迫對(duì)青楊雌雄幼苗生物量的影響

如表1所示，與CK 相比，青楊雌雄幼苗葉生物量、根生物量和根冠比在兩個(gè)升高的鉛濃度下均無(wú)顯著變化；雌雄幼苗莖生物量均隨鉛處理濃度的升高逐漸下降，雌株在T1和T2處理下分別比相應(yīng)CK 減小13．9%和18．1%，雄株則分別減小15．4%和19．7%；雌株總生物量在T1和T2處理下分別比相應(yīng)CK 顯著降低了14．1%和17．8%，而雄株總生物量則在3種處理下無(wú)顯著差異。同時(shí)，在相同鉛脅迫處理?xiàng)l件下，根生物量和總生物量在不同性別間均表現(xiàn)出極顯著差異，且雌株均顯著高于雄株。此外，多因素方差分析表明，根生物量受到了鉛與性別交互作用的顯著影響，也就是說(shuō)，對(duì)于根系生物量這一因變量而言，僅研究鉛或者性別的單獨(dú)效應(yīng)是不夠的，還須根據(jù)另一因素的不同水平研究該因素的作用大小。

2．2 鉛脅迫對(duì)青楊雌雄幼苗營(yíng)養(yǎng)元素的分配

青楊雌雄幼苗各器官N 濃度均未受鉛處理的顯著影響（圖1，A）。但因鉛處理導(dǎo)致的各器官生物量積累的變化，隨著鉛處理濃度的增加，青楊雌株幼苗葉和莖N 貯量逐漸降低，T2處理下莖部N 貯量顯著低于CK 處理，而雄株各器官N 貯量受鉛處理的影響不顯著；同時(shí)，在相同鉛處理?xiàng)l件下，青楊雌株的葉和根中N 的貯存總量顯著高于雄株，而莖中氮貯存總量在雌雄株間無(wú)顯著差異（圖1，B）。

總體來(lái)看，青楊雌雄幼苗各器官P 濃度在T1和T2處理下比相應(yīng)CK 有不同程度降低（在T1處理?xiàng)l件下葉片的變化除外）；與CK 相比，雌株葉片P濃度在T1處理下顯著增加，卻在T2處理下顯著減少，而雄株T2處理葉片的P濃度顯著降低（圖1，C）。與N 積累總量的變化趨勢(shì)相似，雌雄青楊幼苗各個(gè)器官P積累量在T1和T2鉛處理下表現(xiàn)出一定程度下降，尤其是對(duì)地上部分的器官；與CK 相比，T2處理顯著減小了雌株莖和葉片中P的積累總量，但僅減小了雄株葉片中P的積累總量（圖1，D）。多因素方差分析表明，青楊幼苗各器官P濃度和總量均受到鉛處理的顯著影響。

表1 面源污染水平鉛處理下青楊雌雄幼苗生物量積累及分配Table 1 Dry matter of accumulation in different organs and its characteristic of allocation in females and males of P．cathayana when exposed to diffused levels of Pb pollution

圖1 鉛污染環(huán)境下青楊雌雄幼苗各器官的氮磷含量及其比值變化F－CK、F－T1、F－T2 和M－CK、M－T1、M－T2 分別代表雌株和雄株CK、T1、T2 處理。同一器官不同字母表示處理間在0．05水平存在顯著差異；下同F(xiàn)ig．1 The contents of N，P，and ratio of N to P in different organs of females and males of P．cathayana exposed to diffused levels of Pb pollution F－CK，F(xiàn)－T1，F(xiàn)－T2and M－CK，M－T1，M－T2represents for the treatments CK，T1，T2in females and males，respectively．The values with different letters within the same organ indicate significant difference between the treatments at 0．05level；The same as below

與CK 相比，雌雄青楊的莖和根中N／P在鉛脅迫處理下均未發(fā)生顯著的變化；雌株葉片中N／P在T1和T2處理下先降低后升高，但均未達(dá)到顯著水平，而雄株葉片中N／P在T1和T2處理?xiàng)l件下逐漸增加，并在T2處理?xiàng)l件下達(dá)顯著水平（圖1，E）。多因素方差分析表明，僅青楊葉片的N／P受到鉛脅迫的顯著影響。

2．3 鉛脅迫對(duì)青楊雌雄幼苗鉛分布和積累的影響

從圖2，A 可以看出，不同濃度鉛處理對(duì)青楊幼苗根部鉛濃度有顯著影響，隨著鉛處理濃度的增加，兩種性別幼苗根部鉛濃度均顯著升高；雌株葉片和莖中鉛濃度也隨著鉛處理濃度的增加而有不同程度的升高，但雄株葉片和莖部鉛濃度均沒(méi)有顯著的變化。另外，雄株葉片和莖中鉛濃度在CK 和T1處理下均顯著高于雌株，而在T2處理下與雌株無(wú)顯著性差異；雄株根部鉛濃度在CK 條件下顯著高于雌株，在T1和T2處理?xiàng)l件下均低于雌株，并在T2處理下達(dá)到顯著水平。多因素方差分析表明，青楊各器官鉛濃度均受到性別、鉛處理及性別和鉛處理交互作用的顯著影響。

同時(shí)，與器官鉛濃度的變化規(guī)律相似，青楊雌雄幼苗根部鉛貯量在T1和T2處理下均比CK 顯著升高（雄株T1處理除外）；雌株葉部鉛貯量?jī)H在T2處理下顯著高于CK，而雄株葉片的鉛貯量在各處理間差異均不顯著；雌雄幼苗莖部鉛貯量在各處理間差異均不顯著（圖2，B）。與CK 相比，T1和T2處理均顯著增加了雌株鉛總積累量，且T2處理顯著高于T1處理；雄株鉛總積累量在3 種處理間差異均不顯著。在相同鉛脅迫條件下，雌株總鉛貯量只有在CK 處理下低于雄株，在T1和T2處理下均明顯高于雄株，尤其是在T2處理?xiàng)l件下是雄株的1．93倍（圖2，C）。多因素方差分析表明，性別和鉛處理的交互作用對(duì)青楊各器官及總鉛積累量有顯著影響。

圖2 鉛污染環(huán)境下青楊雌雄幼苗鉛的積累與分配的變化Fig．2 The Pb accumulation and allocation in different organs of females and males of P．cathayana under Pb pollution

此外，轉(zhuǎn)移系數(shù)是植物地上部分重金屬濃度與地下部分重金屬濃度的比值［20］。從圖2，D可以看出，隨著鉛處理濃度的增加，青楊兩種性別幼苗鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)均比CK 顯著下降，T2處理又比T1處理明顯下降，并在雄株中達(dá)到顯著水平。在相同鉛處理?xiàng)l件下，雄株各器官鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)均高于相應(yīng)雌株，但僅在T1處理?xiàng)l件下達(dá)到顯著水平。多因素方差分析表明，青楊幼苗鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)受到性別和鉛處理的顯著影響。

3 討 論

鉛是植物的非必需元素，當(dāng)植物體內(nèi)鉛離子過(guò)量時(shí)就會(huì)對(duì)自身細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，進(jìn)而對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，如抑制植物生物量生產(chǎn)，改變了生物量分配格局等［21］。本研究表明，即使在很低的鉛污染水平，如面源污染水平（50 mg·kg－1干土）同樣對(duì)青楊兩種性別的莖生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。同時(shí)，前人的研究表明，雌雄異株植物因其繁殖成本的差異和在不同生境中的長(zhǎng)期適應(yīng)進(jìn)化，導(dǎo)致其在分布、存活、生長(zhǎng)、生理和資源分配等方面表現(xiàn)出明顯的性別差異［22］，當(dāng)受到逆境脅迫時(shí)，這種 差 異 會(huì) 更 為 明 顯［15－17，23］，且 雌 株 的 環(huán) 境 適 應(yīng) 性 更差，對(duì)資源具有較高的要求［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，低水平鉛污染對(duì)青楊雄株幼苗的生物量未造成顯著影響，卻顯著降低了雌株生物量，這些結(jié)果說(shuō)明雌株對(duì)鉛污染更加敏感，青楊雄株則具有更強(qiáng)的鉛污染適應(yīng)性。另外，根冠比是衡量生物量分配的重要指標(biāo)。楊鵬等［17］對(duì)青楊幼苗進(jìn)行淹水和鋁脅迫處理，發(fā)現(xiàn)其根冠比顯著下降，表明這些逆境條件顯著抑制了青楊幼苗生物量向根系的正常分配，進(jìn)而影響了植株對(duì)水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收。本研究中，面源水平鉛處理對(duì)青楊幼苗的根冠比無(wú)顯著影響，說(shuō)明面源鉛污染并沒(méi)有對(duì)青楊生物量的分配產(chǎn)生負(fù)面影響，但從營(yíng)養(yǎng)元素的測(cè)定來(lái)看，面源鉛污染同樣造成了青楊的營(yíng)養(yǎng)失衡，尤其是P。該研究結(jié)果表明雖然面源鉛污染沒(méi)有改變生物量在地上與地下部分的分配，但可能影響到了根的結(jié)構(gòu)與功能，這值得進(jìn)一步深入研究。

植物各器官養(yǎng)分濃度的差異一定程度上表征了植物受逆境傷害的程度。N 是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素以及多種酶的重要組成成分，在植物生命活動(dòng)中占有重要地位，因此其在代謝旺盛器官中（如葉片）的分配相當(dāng)關(guān)鍵，而P 在ATP 反應(yīng)、糖類代謝、蛋白質(zhì)代謝、脂類代謝中起重要作用，并對(duì)細(xì)胞分裂和植物各器官分化發(fā)育，特別是開(kāi)花結(jié)實(shí)具有重要作用［25］。本實(shí)驗(yàn)中，與CK 相比，各鉛污染處理對(duì)青楊幼苗各器官的N 濃度無(wú)顯著影響，說(shuō)明這一水平的鉛污染并沒(méi)有對(duì)青楊N 的吸收以及同化產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。與N 濃度的變化相比，鉛污染對(duì)青楊P 濃度產(chǎn)生了一定的抑制，尤其是雌株，雌株P(guān)的失衡可以是影響其正常生長(zhǎng)的重要原因，可以預(yù)見(jiàn)的是，由鉛污染導(dǎo)致的長(zhǎng)期P失衡很可能會(huì)降低其代謝速率，影響雌株正常的生長(zhǎng)發(fā)育。此外，N 和P在植物體內(nèi)的積累和分配格局可以更為直觀地表征植物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)［26］，植物N／P 可用做N 飽和的診斷指標(biāo)，可用來(lái)確定養(yǎng)分限制的閾值；有研究表明，N／P低于14可以反映植物受N 限制，高于16時(shí)表明植物受P限制，介于14和16之間時(shí)受N 和P協(xié)同限制［27］。本研究中的土壤背景下，經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)季末期青楊兩種性別幼苗各器官的N／P 均低于10，說(shuō)明此時(shí)土壤養(yǎng)分供應(yīng)不充足，植物主要是缺N，導(dǎo)致青楊幼苗的生長(zhǎng)受到N 的限制。鉛污染條件下，雌株通過(guò)降低生物量，使其各器官中N／P維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，但對(duì)雄株而言，葉片N／P 隨著鉛處理濃度的升高逐漸增加，可能是因?yàn)樵阢U污染條件下雄株的正常生長(zhǎng)引起了由N 限制向P限制轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

已有研究表明，植物不同器官對(duì)重金屬的吸收、積累能力存在著較大的差異［28］，本研究表明青楊不同性別間對(duì)重金屬的積累與分配同樣存在差異，隨著鉛處理濃度的增加，青楊雌雄幼苗根部對(duì)鉛的吸收和積累量顯著增加，并且雌株增加的幅度要大于雄株；對(duì)于地上部分而言，鉛處理?xiàng)l件下雄株地上部分鉛濃度并未顯著增加，而雌株地上部分器官均顯著增加（尤其是T2處理）。這些結(jié)果說(shuō)明，鉛在青楊雌株幼苗體內(nèi)容易向地上部分運(yùn)輸和積累，但是葉片作為光合作用的主要器官，同樣也是植物最為敏感的器官，鉛的過(guò)量積累可能會(huì)產(chǎn)生毒理作用，這可能是其生物量下降的主要原因。從植物修復(fù)的角度來(lái)看，雌株在兩個(gè)鉛污染濃度處理?xiàng)l件下，雌株幼苗總鉛積累量均高于雄株，且隨著鉛污染水平的提高有進(jìn)一步的增加趨勢(shì)，說(shuō)明兩種性別對(duì)鉛污染的適應(yīng)策略不相同，雌株高積累的特性能夠促進(jìn)土壤中更多有效態(tài)鉛被固定在雌株生物體內(nèi)，有利于鉛的植物修復(fù)，但對(duì)其生長(zhǎng)必然產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，雄株則采取了排斥的策略［29］，以保證它的正常生長(zhǎng)。從鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)來(lái)看，隨著鉛污染強(qiáng)度的增大，青楊雄株的鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)進(jìn)一步減小，這就有效限制了鉛向其地上部敏感器官的運(yùn)輸和分配，可以減輕雄株的地上部分器官受到的鉛離子毒害，有利于其保持較好的生長(zhǎng)［30］。

綜上所述，在面源水平鉛污染情況下，青楊雄株幼苗生物量與正常狀況相比無(wú)顯著差異，而雌株生物量受到鉛的顯著負(fù)面影響，表明青楊雌株受到鉛污染的負(fù)面影響更大，雌株對(duì)環(huán)境脅迫更為敏感。兩個(gè)梯度的鉛污染均未對(duì)青楊兩種性別的N 營(yíng)養(yǎng)造成顯著影響，但對(duì)P 營(yíng)養(yǎng)的影響顯著，雄株在污染條件下較為正常的生長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致它更為缺P。雖然雌株生物量在受到鉛污染后顯著降低，但各污染條件下雌株的總生物均顯著高于雄株，加之雌株具有更強(qiáng)的鉛吸收和積累能力（尤其是根部），使得雌株根部對(duì)鉛的積累總量顯著高于雄株。值得注意的，雖然面源鉛污染導(dǎo)致了雌株生物量一定程度的下降，但在外觀上并沒(méi)有表現(xiàn)出一定的毒理癥狀。因此，從污染修復(fù)的角度來(lái)講，青楊雌株對(duì)受鉛污染土地的修復(fù)能力要強(qiáng)于雄株，但對(duì)于污染較為嚴(yán)重的地區(qū)，雄株較強(qiáng)的適應(yīng)能力使得其更適應(yīng)該地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。

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