重金属Cd、Cu对黑杨品系苗木生长的影响

周广波 ，张方刚 ，荀守华 ，乔玉玲 ，丁昌俊 ，李善文 ，董玉峰 *

(1.莘县国有马西林场，山东 莘县 252415；2.临邑县农林局，山东 临邑 251500；3山东省林业科学研究院 山东省林木遗传改良重点实验室，山东 济南250014；4.林木遗传育种国家重点实验室，国家林业局林木培育重点实验室，中国林业科学研究院林业研究所，北京100091)

土壤重金属污染是全球面临的一个严重的生态环境问题，因其具有持续时间长、污染隐蔽性强、污染区域广等特点，导致污染土壤治理十分困难，并成为环境污染治理研究的热点和难点［1-2］。国内外对土壤重金属污染的治理方法主要有物理修复、化学修复和生物修复［3-5］。然而，因植物修复技术具有成本相对较低、不引起二次污染等优点，近年来已经为重金属污染治理与修复研究的热点［6-8］。目前，国外内学者对植物修复的研究主要集中在重金属对植物生长与生理生化特征的影响，及重金属在植物体内的吸收、迁移和转化机制等方面［6-7］。但针对重金属对植物生长等方面的研究相对较少［9］，尤其是重金属对同种植物不同品种和无性系生长的影响更是鲜有报道。

杨树种类多、生长快、繁殖容易、适生栽培区域广泛，是中纬度地区最重要的造林树种之一。研究表明，杨树对重金属 Zn、Pb、Cu、As、Cd 等均具有一定的修复效应［10-11］，如在重金属 Cd、Zn、Cu、Pb 复合污染下，水培的20个杨树和柳树品种生物量、重金属耐性和富集量等方面存在显著差异［12］。然而，目前国内的相关研究相对较少，并已影响到杨树在土壤重金属污染修复中的应用。本文通过开展黑杨派杂交无性系苗木在重金属Cd和Cu污染土壤中的对比生长试验，探索不同杨树品系对土壤重金属污染的生长响应，旨在初选出适宜推广的耐重金属污染品系，为区域重金属污染土壤的植物修复提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 植物材料

选用山东省林业科学研究院杨树课题组初选的黑杨人工杂交无性系 L-6、L-9、L-16、L-18、L-23和L-24，和当前主栽杨树品种中菏1号、I-107、T26和L324，共计10个品系。取其1年生插穗扦插盆栽。从长清区育苗基地剪取1年生苗干，每个品系6～8株，各品系苗高和苗径相对均匀一致。

1.2 土壤材料

土壤为山东省林业科学研究院试验苗圃土，速效氮、磷和钾的含量分别为67.7、48.2和79mg/kg，pH为7.55，可溶性盐分为0.056%，土壤田间持水量为33.2%。

选用镉（Cd）和铜（Cu）2种重金属化合物作为试验污染物。Cd化合物为CdCl2·2.5H2O分析纯，分子量228.35，采购试剂为天津市凯通化学试剂有限公司生产。Cu化合物为CuSO4·5H2O分析纯，分子量249.68，为莱阳市康德化工有限公司生产。

重金属Cd设计3个处理用量，分别为Cd1=50 mg·kg-1、Cd2=100 mg·kg-1和 Cd3=150 mg·kg-1，以零用量为对照（CK）。重金属Cu设计3个处理用量，Cu1=500 mg·kg-1、Cu2=1000 mg·kg-1、Cu3=1500 mg·kg-1，并以零用量为对照（CK）。

1.3 试验方法

采用盆栽试验，其中花盆口直径30 cm，高26 cm，每盆装土7 kg。将每种化学试剂每一处理浓度的10个品系所需土壤全部称重，称取所需的试剂总重量加入土壤，充分混合搅拌均匀，装盆。土壤装盆后浇适量清水，待平衡一月后，选规格均一的插穗进行扦插，每盆扦插1个插穗，待插穗发芽成活后保留1株健壮苗。盆栽试验的全过程在严格控制水分和大气条件下进行。

生长季结束，测量试验品系的苗高、地径，将试验植株从盆中带根系取出，挂牌标记，每株称重，即为苗木生物量。

1.4 数据分析

试验各组数据均运用SPSS 16.0进行ANOVA方差分析和LSD法进行多重比较，显著性水平定为p=0.05。聚类分析使用层次聚类法（Hierarchical cluster），度量标准选用Pearson系数。

2 结果与分析

2.1 Cd、Cu处理对地径生长量的影响

Cd和Cu处理对杨树苗木的地径生长量具有一定的影响，但不同品系对Cd和Cu水平的响应趋势不完全一致（表1）。在重金属Cd的3个处理（Cd1、Cd2、Cd3）中，除中菏1号外其他9个品系的地径生长量均是在 Cd1 水平（50 mg·kg-1）下最大，其中最大地径生长量出现在L-9。当Cd用量为100 mg·kg-1时，各品系苗木生长量高于对照或与对照无显著性差异，其中L-18和L-23的地径生长量最大；当Cd用量为150 mg/kg时，各品系苗木生长量略低于对照或与对照无显著性差异，其中L-6的地径生长量最大，L-18的地径生长量最小。这说明土壤中Cd含量在50-100 mg·kg-1对杨树苗木的生长影响较小，但Cd含量超过100 mg·kg-1则对地径生长产生抑制作用。

在使用重金属Cu的3个处理中，除L-24外其他9个品系地径生长量随Cu浓度增加无显著性差异。使用 500 mg·kg-1和 1000 mg·kg-1Cu 处理时对各品系苗木地径生长量无抑制表现；使用1500 mg/kg Cu处理时，多数品系地径生长量大于对照或与对照无显著性差异，个别品系地径生长量（L-24、L-6、L-9）小于对照。

2.2 Cd、Cu处理对高生长量的影响

Cd处理对10个杨树品系高生长量的影响具有一定差异（表2）。表2表明，中菏 1号、L-324、L-6、L-24、L-23的高生长量在不同Cd处理水平下无显著差异，而I-107则存在显著差异。这说明，I-107对Cd的耐受性水平较高或者Cd对I-107的高生长没有影响。当 Cd用量为 50 mg·kg-1时，L-16、L-9和I-107的高生长量显著大于对照，而其他品系与对照差异不显著；而Cd2水平下，只有L-16的高生长量显著大于对照，而其他品系与对照的差异不显著；当Cd用量为150 mg·kg-1时，10个品系的高生长量均与对照差异不显著。

表1 Cd、Cu处理对地径生长量的影响

表2 Cd、Cu处理对高生长量的影响

Cu处理对10个杨树品系苗高生长量的影响各不相同（表2）。表2表明，在不同处理水平下，I-107、L-16、T-26、中菏1号的高生长量无显著性差异，而其他6个品系的高生长量存在一定的显著性差异。不使用Cu处理时，10个品系中L-6的苗高生长量最大。当Cu用量为500 mg·kg-1时，L-23、L-9的苗高生长量显著高于对照，其他品系则与对照物显著差异；当Cu用量为1000 mg·kg-1时，只有L-324的高生长量显著低于对照，其他品系的高生长量与对照差异不显著；当Cu用量为1500 mg·kg-1时，只有L-18的高生长率显著低于对照，而其他9个品系与对照差异不显著。

2.3 Cd、Cu处理对生物量的影响

Cd处理对10个品系生物量具有显著性影响，但不同的Cd水平对各品系的影响不完全一致。当Cd 用量为 50 mg·kg-1时，I-107、L-16、L-18、L-9 的生物量显著高于对照，分别为对照的1.24倍、1.53倍、1.42倍和1.45倍。当Cd用量为100 mg·kg-1时，I-107、L-16、L-18、L-9、L-324、 中菏 1 号的生物量显著高于对照，其中中菏1号的生物量约为对照的2.03倍。当Cd用量为150 mg·kg-1时，只有中菏1号的生物量呈现显著增加，而其他品系的生物量呈下降趋势或者差异不显著。

表3 Cd、Cu处理对生物量的影响

Cu处理同样对10个品系的生物量具有显著性影响，但不同品系对不同处理水平的响应不同。当Cu 用量为 500 mg·kg-1时，I-107、L-16、L-18、L-9的生长量显著高于对照，分别约为对照的1.24、1.53、1.42和 1.45倍。当 Cu用量为 1000 mg·kg-1时，I-107、L-16、L-18、L-9、L-324 的生长量显著高于对照。当Cu用量为1500 mg·kg-1时，I-107的生物量显著下降，而中菏1号仍为显著增加，而其他无性系没有显著变化。

2.4 不同品系对Cd、Cu处理响应的聚类分析

以10个品系不同处理下的地径、苗高、生物量为变量，进行层次聚类。聚类分析结果表明，10个品系对Cd和Cu处理的响应规律不一致（图1，表4）。10个品系在3个用量Cd处理后，苗高、地径生长量排在较大的是L-9和L-6，生物量最大的是L-16，其次是L-9。这说明这几个系号自身具有速生特性，同时表明L-9、L-16和L-6对重金属Cd污染具有较强抗性。10个品系在Cu处理后，苗高生长量最大的为L-9，其次是L-6；地径生长量最大的系号是L-6和L-9；生物量最大的系号是L-9，其次是L-6。

以9作为组间分类特征值，10个品系分别可以3组和4组。其中，中菏1号对Cd处理的响应最为显著，而I-107对Cu的处理的响应最为显著。同样，多重比较分析（LSD）也支持这一结论（表4）。

图1 不同品系对Cd、Cu处理响应的聚类分析

表4 Cd、Cu处理对生长量影响的综合比较

3 讨论与结论

重金属Cd和Cu对黑杨品系苗木生长量的具有一定的影响，但影响程度的大小受品系和处理水平的影响，这与王新等［10］、张春燕等［13］的研究结论一致。本试验土壤加入50-100 mg·kg-1Cd有利于苗木高度、地径和生物量的增加，Cd用量超过100 mg·kg-1则不利于苗木的生长。张东为等［14］试验证明辽育系列苗木的生物量明显受镉污染的影响，在土壤含Cd量为150 mg·kg-1时，2个品种生物量显著下降，这与本试验结果相似。

土壤加入500 mg·kg-1的重金属Cu对黑杨苗木高生长量没有抑制，Cu用量超过500 mg·kg-1Cu则降低苗木高生长量。使用500 mg·kg-1和1000 mg·kg-1Cu处理有利于苗木地径生长量没有抑制，用量1500 mg·kg-1Cu时则地径生长量受抑制。本试验中，Cu对黑杨苗木生物量有促进作用，土壤加入500 mg·kg-1和 1000 mg·kg-1Cu 有利于杨树苗木生物量的增加。袁成等［15］通过调查分析江苏省宿迁市境内杨树叶片3种重金属Cu、Mn、Zn的含量，呈现出 Mn、Zn 含 量较 高 分 别 为 50.47 mg·kg-1、36.67 mg·kg-1，Cu含量中等。正是因为杨树体内Cu含量少，在土壤中增加用量，相当于增加微量元素，反而有利于直径生长和单株生物量增加。

不同品系在Cd和Cu处理后生长量差异显著。在3个用量Cd污染后，苗高、地径生长量排在前列的系号是L-9和L-6，生物量最大的系号是L-16，其次是L-9。在3个用量Cu污染后苗高、地径和生物量较大的系号同样是L-9和L-6。说明这几个系号自身具有速生特性，同时表明它们对重金属Cd和Cu污染具有较强耐受性。