华西雨屏区常绿阔叶林4种重金属的空间分布特征

2020-03-19吴福佳游成铭宋会兴

四川农业大学学报 2020年1期

吴福佳，游成铭，朱亮，宋会兴*

（1.四川农业大学风景园林学院，成都 611130；2.四川农业大学林学院，成都 611130）

重金属是一类在环境中普遍存在，对植物生长发育具有潜在威胁的元素[1]，具有难降解累积性强等特点[2-3]。土壤中的重金属通过根系进入植物体内可能会抑制光合作用、酶活性、改变细胞膜的通透性等影响植物的繁殖与生长[4]。但不同的植物往往具有不同的适应策略。已有研究多关注单一物种或功能群[5-10]，而忽略了群落内不同功能群的差别。同时，植物对重金属的吸收主要取决于植物体吸取重金属以及向地上部运输的能力，不同器官具有不同的贡献[11]，如作为主要吸收器官的根系可能具有更高的重金属含量[12]，而通过茎和枝长距离运输后，作为光合器官的叶片重金属含量可能较低。相对于乔木和灌木物种，林下草本无须维持较高的生长量，根系吸收能力可能相对较低[13]，也许表现出相对较低的含量，且与叶片重金属含量差异相对较小。同时，由于生物活性和植物吸收的差异，不同的物种又会表现出不同的适应策略[14-15]，表现为重金属在不同功能群不同构件内的含量分配存在差异，这对环境治理功能型植物群落的构建提出了挑战。

四川盆地西缘的华西雨屏区重金属地质背景值较高[16]，且降雨量丰沛，淋溶作用强，土壤中重金属含量和生物活性相对偏高。尤其是随着成都平原经济快速发展，人口密度增大，区域环境污染问题日渐显现，大气氮沉降甚至改变了土壤重金属含量特征[17]。然而，对常见重金属在区域自然植物群落内的空间分布格局特征尚缺乏必要关注。因此，以区域典型常绿阔叶林主要乔灌草物种为研究对象，分析不同物种各器官（叶、根、皮、枝和茎）Cu、Zn、Cr 和Pb 等常见重金属含量特征，充分认识不同生活型物种的重金属适应策略，以期为该区域功能性植物群落的构建提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区域位于四川农业大学华西雨屏区生态环境监测站都江堰灵岩山（103°34′～103°36′E，31°01′～31°01′N）的四川农业大学教学实验林场，地处成都平原与四川盆周西缘山地接合部，为浅切割低山地貌类型，成土母岩以砂岩为主[18-19]。区域气候属于亚热带温湿气候，年均温15.2 ℃，最高气温31.6 ℃（7 月），最低气温-1.4 ℃（1 月），降雨充沛，多阴雨天气，年均降水量在1 243.0 mm[20]。研究区域的乔木层主要优势物种有喜树（Camptotheca acuminata）、侧柏（Platycladus orientalis）、稠李（Padus racemosa）等；灌木层主要优势物种有水麻（Debregeasia orientalis）、茶树（Camellia sinensis）、高粱泡（Rubus lambertianus）等；草本主要优势物种有丛枝蓼（Polygonum posumbu）、冷水花（Pilea notata）、绞股蓝（Gynostemma pentaphyllum）等。

1.2 研究方法

为充分认识植物的重金属适应策略，2017 年6—7 月植物生长旺盛季节，在常绿阔叶林样地内设置6 个大小面积为20 m×20 m 的样方，每个样方之间距离大于20 m。在每个样方内进行植物物种调查，确定群落内不同生活型优势物种11 种，包括5个乔木树种（喜树、侧柏、稠李、柳杉、灯台），3 个灌木树种（水麻、茶树、高粱泡），3 个草本（丛枝蓼、冷水花、绞股蓝）。对木本植物采用高枝剪剪取林冠层东南西北4 个方位和上中下各部分枝条（10～15 cm），取完整且健康的成熟叶片1～2 kg，不同方位的皮、茎，编号装入自封袋；根系采用土芯法用根钻在根系采样点钻取土芯，去除凋落物后装入自封袋；草本层全株采集，去掉病害叶片，编号装入自封袋。

将样品带回实验室，对植物按器官进行分类，放入烘箱105 ℃杀青2 h，65 ℃烘干至恒重。称取0.2 g 粉碎过后的试样（过100 目筛）于微波消解罐中，加入5 mL 硝酸、1 mL 氢氟酸和1 mL 盐酸于通风橱中静置过夜，上机消解前加盖旋紧，放入微波消解仪进行消解。采用使用岛津AA-7000 火焰原子吸收光谱仪测定重金属Cu、Zn、Cr、Pb 含量。计算重金属含量

式中，ω 为铜、锌、铬和铅重金属的质量分数（mg/kg）；ρ 为测得的重金属的质量浓度（mg/L）；V为测定时定容体积（mL）；10-3为将 mL 换算成 L 的系数；ts 为分取倍数；m 为试样质量（g）；103为将mg/g 换算成mg/kg 的系数。

重金属转运系数：

式中，TF 为转运系数（mg/kg）；S 为植物地上部重金属含量（mg/kg）；R 为植物根部重金属含量（mg/kg）。

1.3 数据处理

选用Micrisoft Excel2010 对数据进行整理，采取双因素方差分析（two-way ANOVA）检验不同物种和不同器官及其交互作用下重金属含量的分配特征，采取单因素方差分析（one-way ANOVA）分别检验不同物种和不同器官中重金属元素含量，采用LSD 法进行多重比较，著性水平设定为P=0.05。以上分析使用SPSS 20.0 进行分析。采用Origin 9.0 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 Cu元素

物种、器官及其交互作用对4 种重金属元素含量均有极显著影响（P＜0.01；表1）。草本和灌木叶片的 Cu 含量显著高于乔木叶片（P＜0.05，图1a），其中水麻叶片中Cu 含量最高，而稠李叶和灯台叶中Cu含量最低。草本根系中Cu 含量显著高于乔木和灌木根系，其中草本冷水花根系中Cu 含量最高，而灯台根系中 Cu 含量最低（P＜0.05，图1b）。喜树皮和水麻皮中Cu 含量显著高于其他物种皮中的Cu 含量，而灯台皮中的Cu 含量显著低于其他物种皮中的Cu 含量（P＜0.05，图1c）。水麻枝中 Cu 含量显著高于其他物种的枝，侧柏枝和灯台枝中Cu 含量最低（P＜0.05，图1d）。水麻茎中Cu 含量不仅显著高于其他物种茎中的Cu 含量，且在不同物种不同器官中Cu 含量最高（P＜0.05，图1e）。

2.2 Zn元素

草本叶片和根系中Zn 含量均显著高于乔木及灌木叶片和根系中 Zn 含量（P＜0.05，图2a、2b），且乔木和灌木之间Zn 含量无显著差异。柳杉根系、丛枝蓼根系和冷水花根系中Zn 含量显著高于其他物种根系中的Zn 含量，而稠李和灯台根系中Zn 含量显著低于其他物种根系中的Zn 含量（P＜0.05，图2b）。茶树皮中Zn 含量显著高于其他物种皮中的Zn含量，而稠李皮和灯台皮中Zn 含量显著低于其他物种皮中的Zn 含量（P＜0.05，图2c）。水麻枝中Zn含量显著高于其他物种枝中的Zn 含量，其中柳杉枝和灯台枝中 Zn 含量最低（P＜0.05，图2d）。Zn 含量在喜树茎中最高，稠李枝中最低（P＜0.05，图2e）。

2.3 Cr元素

草本叶片Cr 含量显著高于乔木和灌木叶片（P＜0.05，图3a）。冷水花叶片中Cr 含量显著高于其他物种的叶片，其次柳杉叶片中Cr 含量较多，而其他物种叶片中Cr 含量均无显著差异（图3a）。灯台根系中Cr 含量最高，且在不同物种不同器官中Cr含量也是最高的，喜树根系中Cr 含量最低（P＜0.05，图3b）。灯台皮中Cr 含量显著高于其他物种皮，而喜树皮和侧柏皮中Cr 含量显著低于其他物种皮中Cr含量（P＜0.05，图3c）。喜树枝和柳杉枝 Cr 含量显著高于其他物种的枝，水麻枝中Cr 含量显著低于其他物种枝（P＜0.05，图3d）。稠李茎和茶树茎中 Cr 含量显著高于喜树茎、侧柏茎和柳杉茎（P＜0.05，图3e）。

2.4 Pb元素

Pb 含量在不同生活型各器官之间均无显著差异（图4a、4b）。相对物种而言，高粱泡叶片中Pb 含量显著高于其他物种叶片中Pb 含量，其次绞股蓝叶片中Pb 含量较高（P＜0.05，图4a）。灯台根系中 Pb含量显著高于其他物种根系中Pb 含量，其次高粱泡根系中Pb 含量较高；而喜树根系和冷水花根系中Pb 含量显著低于其他物种根系中Pb 含量（P＜0.05，图4b）。灯台皮Pb 含量不仅显著高于其他物种皮中Pb 含量，且在不同物种不同器官中Pb 含量最高（P＜0.05，图4c）。灯台枝Pb 含量显著高于其他物种枝中Pb 含量，侧柏枝Pb 含量显著低于其他物种枝中Pb 含量，而其他物种枝中Pb 含量均无显著差异（P＜0.05，图4d）。在调查的几种优势物种茎中Pb 含量均无显著差异（P＞0.05，图4e）。

表1 华西雨屏区常绿阔叶林优势物种不同器官重金属含量的双因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA of heavy metal content in different organs of dominant species of evergreen broad-leaved forest in Rainy area of west China

图1 华西雨屏区常绿阔叶林优势物种Cu 含量Figure 1 Cu concentration of dominant species in evergreen broad-leaved forest in rainy area of west China

2.5 重金属转运系数

华西雨屏区常绿阔叶林优势物种中水麻、灯台、稠李和喜树对重金属Cu 和Zn 污染的土壤有较好的潜在修复作用。喜树、柳杉、冷水花修复重金属Cr 污染的土壤有较好的效应，其中喜树转运系数达到4.23。在调查的优势物种中对修复重金属Pb 污染的土壤，稠李、高粱泡和茶树较为明显，其他物种转运系数均小于1（表2）。

3 讨论与结论

3.1 重金属在不同生活型间各植物器官内的分布特征

研究结果表明，在华西雨屏区常绿阔叶林优势物种不同生活型植物器官中重金属Cu、Zn、Cr 和Pb含量存在显著性差异。3 种生活型植物具有不同的重金属含量，表现为草本植物单位质量重金属含量高于木本植物。如草本和灌木叶片中Cu 含量显著高于乔木叶片，草本叶片和根系中Zn 含量均显著高于乔木及灌木叶片和根系中Zn 含量，草本根系中Cu 含量显著高于乔木和灌木根系，草本植物叶片Cr含量显著高于乔木和灌木叶片。康薇对园林植物的研究结果认为，乔木物种较林下灌木物种更能吸收重金属，从而植物体内具有较高重金属含量[21]。这与本研究结果并不一致。对于同一生境中不同生活型物种，乔木物种多树形高大、冠层生物量巨大可能导致分布在某一器官组织中的重金属浓度较低；此外，华西雨屏区气候温暖湿润、降雨丰沛[22]，淋溶作用使得重金属元素在浅层土壤活性增加[23]，造成浅根系的草本植物吸收更多的资源，造成具有较高的重金属含量。

图2 华西雨屏区常绿阔叶林优势物种Zn 含量Figure 2 Zn concentration of dominant species in evergreen broad-leaved forest in rainy area of west China

3.2 重金属在不同物种间植物各器官内的分布特征

不同重金属元素在植物各器官内的含量也存在一定的差异。方差分析结果表明，在研究的所有物种中水麻各器官（除根系）Cu 含量均最高，丛枝蓼叶和根系中Zn 含量较其他物种相同器官Zn 含量最高，其次茶树皮、水麻枝和喜树茎较其他物种相同器官Zn 含量最高。根系是植物养分吸收的主要器官，根系吸收土壤中水分及矿质营养的同时会吸收土壤中有害重金属元素，因此根系中重金属含量一般较其他器官高[24]。但也有例外，如而祖元刚等[25]发现假苍耳地上部分的Cu 含量大于地下部分，Cu主要存储器官为茎和叶。本研究中，重金属含量较高的器官多为地上部分，这一方面可能与区域内大气污染是植物重金属含量的主要因素有关；另一方面，植物地上部分重金属含量大于根部表征该类植物具有较强的转运能力和富集能力，预示着该类植物存在对重金属污染土壤的修复效应[26]。基于后一种假设，本项研究中计算了植物物种对不同重金属转运系数，转运系数大于1 的物种则具备修复该类重金属污染土壤的潜力。

3.3 相同物种对不同重金属元素的吸收特征

在相同的物种中，灯台树各器官在生物必需重金属元素Cu 和Zn 含量均最低，喜树各器官与其他物种相同器官比较Cu 和Zn 含量均较高；而在非生物必需重金属元素Cr 和Pb 中灯台根系和灯台皮相对其他物种同一器官中比较含量均最高，喜树各器官与其他物种相同器官比较Cr 和Pb 含量均最低。这些结果表明，即使是同一物种对不同种类的重金属元素吸收和积累亦有所差别，不同植物呈现出对不同重金属不同的适应策略，喜树表现为更能吸收生物必需重金属元素Cu 和Zn，而灯台表现为更能吸收非生物必需重金属元素，这可能与其植物先天性组织器官的结构和生理代谢特征相关[27-28]。但是由于植物物种的差异以及重金属元素效应不同，使得植物对重金属的适应过程和机理的研究极为复杂，需要更广泛深入的研究。