氮添加對(duì)美洲黑楊鎘吸收、富集與分配的影響

雷 浩，高陳晨，陳良華，陳 娜，郝林婷，柳 奇，舒 錕，楊林凱

（長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/長(zhǎng)江上游森林資源保育與生態(tài)安全國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華西雨屏區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)研究長(zhǎng)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(guó)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，土壤生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅。據(jù)報(bào)道，我國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，以輕度污染為主，鎘污染的點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%，遠(yuǎn)高于其他重金屬污染物的超標(biāo)率，是最常見(jiàn)的無(wú)機(jī)污染物。土壤中重金屬的來(lái)源復(fù)雜，包括自然來(lái)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(huì)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(guó)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(jí)富集等特點(diǎn)，嚴(yán)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(jìn)程的加快，化石燃料的燃燒和不合理使用化肥等人類活動(dòng)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(shì)。從1860年到2005年，全球的活性氮沉降量增加了2倍，預(yù)計(jì)到2050年，N沉降量還會(huì)翻倍，許多地方的N沉降量將超過(guò)50 kg·N/（hm2·a）[4]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中長(zhǎng)期過(guò)量的N輸入通常會(huì)導(dǎo)致土壤酸化、鹽基陽(yáng)離子流失和土壤中有毒金屬離子（如鋁和錳）的釋放等，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆性（如抗凍性）產(chǎn)生負(fù)面影響，降低植物的多樣性。但是，氮沉降如何影響植物對(duì)重金屬脅迫的耐受性，以及如何影響植物對(duì)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(shù)是世界上分布最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的樹(shù)種之一，具有易繁殖、速生和耐性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[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(shù)的根、莖和葉能夠富集大量重金屬，尤其是Cd和Zn，Cd在楊樹(shù)根和葉中的最高濃度分別可達(dá)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(shù)各部位的富集量表現(xiàn)為根系大于地上部分[7，9]，楊樹(shù)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(guò)施氮的方式模擬氮沉降，研究不同N添加水平對(duì)美洲黑楊不同器官Cd富集和分配的影響，重點(diǎn)關(guān)注不同根級(jí)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(shí)驗(yàn)在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)（103°41′E，30°36′N）進(jìn)行，該地海拔 579 m，年平均氣溫 15.8 ℃，年均日照時(shí)數(shù)1 104.5 h，年均降雨量896.1 mm，年平均相對(duì)濕度為84%，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛。本實(shí)驗(yàn)以長(zhǎng)江中下游地區(qū)的常用人工林樹(shù)種美洲黑楊（Populus deltoides）為對(duì)象，將采至江蘇省鎮(zhèn)江市的美洲黑楊1a生枝條為實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和處理

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為兩因素（Cd和N）的完全隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，Cd設(shè)置 3個(gè)水平（對(duì)照，2.5和 5 mg/kg），N 設(shè)置4個(gè)水平（對(duì)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(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)9個(gè)重復(fù)，共計(jì)108盆。向以上制備好的土壤中添加重金屬鎘（CdCl2·2.5H2O），達(dá)到預(yù)設(shè)濃度，鎘添加平衡3個(gè)月后用于本實(shí)驗(yàn)。2019年4月中旬，將美洲黑楊枝條扦插于營(yíng)養(yǎng)缽中，待幼苗新芽長(zhǎng)出約10 cm時(shí)，移栽長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗用于盆栽實(shí)驗(yàn)，每盆移植1株幼苗。實(shí)驗(yàn)于2019年5月初開(kāi)始，在半受控（只遮蔽雨水）的大棚中進(jìn)行，每次澆水均避免水分滲漏，以防止Cd流失。以NH4NO3為N源進(jìn)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(jì)算實(shí)驗(yàn)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(duì)照施以等量清水。實(shí)驗(yàn)期間正常進(jìn)行澆水管理，及時(shí)除草、除蟲。

1.3 取樣和實(shí)驗(yàn)分析

2019年9月底，實(shí)驗(yàn)處理結(jié)束。每種處理隨機(jī)收獲3株幼苗，將每株幼苗的根、莖、葉分開(kāi)，葉片和莖用自來(lái)水洗干凈后用去離子水潤(rùn)洗。根系樣品清洗后按照K.S.Pregitzer等[11]的方法把根系進(jìn)行分級(jí)，最先端的根尖定為1級(jí)根，1級(jí)根的母根為2級(jí)根，2級(jí)根的母根為3級(jí)根，一直分至6級(jí)。1級(jí)和2級(jí)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(jí)混合一起后進(jìn)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(cè)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(jì)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對(duì)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(jí)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(jí)根和3級(jí)根的鎘含量顯著高于N0、N5條件下對(duì)應(yīng)根級(jí)的鎘含量，氮處理并沒(méi)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(jí)、3級(jí)、4級(jí)和5級(jí)根中的鎘含量，N15還顯著增加了6級(jí)根中的鎘含量。Cd5污染水平條件下，與N0相比，N5增加了3級(jí)根中的鎘含量，N10和N15均增加了葉、莖、1～2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)根中的鎘含量，N15還增加了5級(jí)根和6級(jí)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?xiàng)l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(jí)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(jí)根的鎘積累量，N15還增加了3級(jí)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(duì)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?xiàng)l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?xiàng)l件下（Cd2.5和 Cd5）鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著增加。未施鎘時(shí)，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(duì)美洲黑楊不同器官和不同根級(jí)重金屬的分配格局的影響

如圖2所示，在所有的N處理?xiàng)l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(jìn)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(jìn)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?xiàng)l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(jí)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(jí)根鎘的蓄積比例，降低了6級(jí)根的蓄積比例；N15降低了1～2級(jí)根和6級(jí)根的積累比例，增加了3～5級(jí)根的蓄積比例。Cd2.5條件下，與N0相比，N5降低了1～2級(jí)根和3級(jí)根的蓄積比例，增加了4～5級(jí)根的蓄積比例。Cd5條件下，與N0相比，N5降低了1～2級(jí)根的蓄積比例，增加了6級(jí)根的蓄積比例；N10和N15均增加了1～2級(jí)和4級(jí)根的蓄積比例，降低了6級(jí)根的蓄積比例。

圖3 不同處理下美洲黑楊不同根級(jí)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(shù)作為典型的速生木本植物，具有生長(zhǎng)迅速和生物量大等優(yōu)點(diǎn)，雖然富集能力無(wú)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(shù)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(guò)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(jí)根的鎘含量均超過(guò)40 mg/kg。在重金屬有效性更高的水培條件下，M.Zacchini等[8]對(duì)10個(gè)楊樹(shù)無(wú)性系幼苗進(jìn)行重金屬處理，50 μmol/L鎘處理?xiàng)l件下，楊樹(shù)根系和地上部分的鎘含量分別為9 962和293mg/kg；萬(wàn)雪琴等[14]的結(jié)果表明，25和50 μmol/L的鎘濃度條件下，3個(gè)歐美楊（P.deltoides×P.nigra）無(wú)性系葉片的鎘含量均超過(guò)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(guò)1個(gè)生長(zhǎng)季的生長(zhǎng)，鎘的總積累量均超過(guò)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?xiàng)l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(shì)，表明適度的氮添加有利于促進(jìn)美洲黑楊對(duì)鎘的積累。氮添加促進(jìn)植物富集鎘的原因主要在于兩個(gè)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(jìn)固相重金屬淋溶的效應(yīng)，從而促進(jìn)植物的鎘吸收[16-17]；氮添加引起的施肥效應(yīng)會(huì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)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(jí)根3葉片3莖≈3級(jí)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(huì)促進(jìn)美洲黑楊對(duì)鎘的富集，同時(shí)還會(huì)抑制鎘向地上部分的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而對(duì)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(jìn)白三葉（Trifolium repens）對(duì)鎘的富集并減少鎘向地上部分的轉(zhuǎn)移。譚長(zhǎng)強(qiáng)等[20]結(jié)果表明，施氮促進(jìn)了雜交相思樹(shù)（Acacia mangium×Acacia auriculiformis）對(duì)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(lái)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(shí)受到土壤重金屬污染程度的影響。

植物細(xì)根是樹(shù)木根系的重要組成部分，是林木吸收、運(yùn)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(shí)，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(qiáng)的器官[24]。本研究表明，Cd污染條件下，美洲黑楊1～2級(jí)根重金屬含量顯著高于其余根級(jí)，重金屬含量隨著根級(jí)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(duì)必需元素的吸收來(lái)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(qiáng)。本研究中，在兩個(gè)污染梯度條件下，N10和N15均顯著增加了1～2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)根中重金屬的含量，從而一定程度增加了1～2級(jí)根中鎘的蓄積比例。值得注意的是，與高級(jí)別根系相比，低級(jí)別根系的壽命更短且周轉(zhuǎn)更快[28]，低級(jí)根中的重金屬更易因根系的周轉(zhuǎn)而歸還土壤。可見(jiàn)，氮添加不僅影響到美洲黑楊不同級(jí)別根系中重金屬的含量和分配格局，同時(shí)通過(guò)調(diào)控根系生長(zhǎng)、壽命、周轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)土壤中的鎘表現(xiàn)出良好的富集能力，總體來(lái)看，氮添加對(duì)美洲黑楊多數(shù)器官的鎘富集具有促進(jìn)作用（尤其是根系），但這種促進(jìn)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(huì)促進(jìn)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(jìn)鎘在低級(jí)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(zhǎng)并有利于提高其對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)能力。