不同砍伐强度对花灌木重金属提取效率的影响1)

商侃侃 张国威 宋凝宁

(上海辰山植物园，上海，201602) (华东师范大学)

砍伐可促进灌木萌蘖分枝、茎叶生长，具有更新复壮株丛、延缓衰老的作用[1]，可进一步扩大单株冠幅和生物量。通过对水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、槭树(Acersp.)和榆树(Ulmussp.)的萌芽更新研究表明，利用5～20 cm伐桩是重点经营对象，其中10～20 cm伐桩所产生的萌芽生长最好[2]。平茬对腾格里沙漠沙拐枣(Calligonummongolicum)、花棒(Hedysarumscoparium)和沙木蓼(Atraphaxisfrutescens)生长量具有显著提高效果，前两者留茬高度应该选择30 cm或40 cm，后者留茬高度应该选择20 cm或30 cm[3]。柠条(Caraganakorshinskii)生长季砍伐的最适宜留茬高度为2～4 cm，太低或太高均不利于枝条的分蘖与再生[4]；对退化老龄柠条林更需要进行平茬复壮，砍伐周期以2 a为一个砍伐周期最好[5]，也有报道至少需要5 a[6]。可见，适宜的留茬高度和砍伐频次对植物的持续生长具有重要意义。

植物修复主要是利用植物根系吸收富集污染物，输送、储存在植物体根部及地上部分，并通过刈割、修剪、采伐植物地上部分等手段达到清除环境中污染物的目的[7-9]。实际修复中，植物对重金属的去除效率主要取决于地上部分对重金属的富集总量，即植物地上部分的生物量和体内重金属质量分数的乘积。刈割提高了龙葵(Solanumnigrum)富集Cd的能力，轻度刈割(留茬15 cm)单株积累量明显增加，重度刈割(留茬30 cm)的刈割部分Cd积累量达总量的1/4[10]；刈割可以促进黑麦草(Loliumperenne)对Pb的吸收，使Pb吸收量增加了34.12%，但未增加Cd和Zn的吸收[11]。刈割提高了蜈蚣草(Pterisvittata)修复As污染土壤的效率，多次收获并没有降低As的积累速度[12]；多次刈割提高了紫花苜蓿(Medicagosativa)地上部分的生长速率，促进了地上部分生物量的累积，提高Cd污染土壤修复效率[13]。可见，修剪或刈割植物地上部分不仅能提高植物地上部分的再生能力，还能促进植物对重金属的吸收，提高植物的修复效率[14-15]。但以往研究以超富集草本植物盆栽试验为基础，也报道了重金属污染下的花灌木生长影响[16-17]，而砍伐处理能否提高灌木植物重金属提取效率的报道很少。

因此，本研究以重金属污染模拟试验场的6种花灌木为对象，进行不同伐桩高度和砍伐频次处理，分析花灌木的萌枝特性、重金属质量分数和提取量，筛选出不同花灌木的最佳伐桩高度和频次，为城市重金属污染土壤修复的植物管理提供参考。

1 试验地概况

试验地位于上海市松江区土壤污染修复模拟试验场(31°4′39″N、121°11′12″E)。该地区属北亚热带季风气候，年平均气温17.8 ℃，年平均日照1 997.1 h，年降水量1 103.2 mm，年均增发量1 257 mm，年均有霜期136 d。

2 材料与方法

2.1 场地设置

为了尽可能地模拟中国城市土壤污染现状特征的条件[18]，设置60 cm深土壤层的隔离，使用适量的CuCl2、PbCl2、ZnCl2粉末，机械地搅拌均匀，混合入25～30 cm土壤层，建成2 000 m2的植物修复模拟试验场。试验地分为20个样地，每个样地面积10 m×10 m，设置Cu、Pb、Zn、混合污染、空白对照5个处理，每个处理4个重复。试验场地土壤基本理化性质和重金属质量分数见表1，土壤密度、pH值、电导率、含水率、总孔隙度、总氮质量分数、总磷质量分数、有机质质量分数等指标均无显著差异[19]，各样地重金属质量分数受到目标重金属盐的添加存在较大差别(表1)。于2015年春季种植12种花灌木，每个样地每种植物各种植6株[20]。

2.2 试验设计

由于重金属污染处理下12种花灌木的生长和生物量积累差别不显著[20]，于2016年3月份选择夹竹桃、伞房决明‘彩叶’杞柳、‘红王子’锦带、木芙蓉和海滨木槿等6个种类(表2)，对其中16个重金属污染样地内的4株植株进行不同强度砍伐处理。根据伐桩保留高度，分为0(贴地)、5、10和20 cm 4种模式，分别记为T1、T2、T3和T4，每个处理共计8次重复。至2016年生长季末期(11月底)，随机选择其中一半植株进行砍伐，另一半植株保持生长。至2017年生长季末期(11月底)，对2016年砍伐植株当年生萌条再次砍伐，记为1 a砍伐1次(C1)处理；同时砍伐2016年保留生长植株的2年生萌条，记为2 a砍伐1次(C2)处理。

表1 重金属污染植物修复模拟试验场土壤性质

试验处理总磷质量分数/g·kg-1有机质质量分数/g·kg-1Cu质量分数/g·kg-1Pb质量分数/g·kg-1Zn质量分数/g·kg-1空白0.01016.5 89.3 20.0 75.5Cu污染0.02515.61128.318.193.3Pb污染0.02217.118.3840.683.7Zn污染0.02217.523.723.32453.5(Cu+Pb+Zn)污染0.01717.3521.11468.41300.5

表2 供试花灌木伐桩特点

注：表中数据为平均值±标准差。

2.3 指标测定

砍伐植株的地上部分，统计同一萌生植株上所有萌条的数量并称量新鲜地上生物量，每个样品的新鲜地上生物量用电子天平(香山ACS-JC21D)在田间称质量。随机挑选10根萌条测量粗度和长度，并采集部分样品带回实验室，一部分直接置于烘箱在80 ℃下烘干至恒质量，称量干质量，确定含水量并计算干物质质量分数。另一部分用去离子水冲洗干净，105 ℃杀青0.5 h，80 ℃烘至恒质量，用不锈钢植物粉碎机磨碎。

准确称量植物样品0.2 g(精确到0.000 1 g)，于100 mL消解管中，加入5 mL HNO3浸泡过夜，翌日再加入5 mL HNO3，在120 ℃下消化5 h。期间，加入H2O2(双氧水)2～3次，至溶液澄清。然后将溶液转移至25 mL具塞刻度试管，冷却后定容，摇匀备测。使用电感耦合等离子体质谱法(Agilent ICP-MS 7700)，测定消解溶液中Cu、Pb和Zn质量分数。

2.4 数据分析与处理

数据统计时，萌条指植株砍伐后由新生芽萌发的单个枝条，单个伐桩萌生的所有萌条之和为萌生植株。

所获数据采用Microsoft Excel和SPSS11.5进行统计分析，利用LSD测验进行差异显著性检验(P<0.05)。

3 结果与分析

3.1 伐桩高度对当年生萌条生长的影响

不同伐桩高度处理下6种花灌木当年生萌条的数量、粗度、长度、干质量以及植株干质量存在差异，其中对夹竹桃、伞房决明和‘彩叶’杞柳的影响显著(P<0.05)，而对‘红王子’锦带、木芙蓉和海滨木槿的影响不明显(表3)。夹竹桃、伞房决明和‘彩叶’杞柳的当年生萌条数量随着伐桩高度增加而增加，均以T4处理最多，分别为14.3、9.0、14.8个。随着伐桩高度增加，夹竹桃、伞房决明、‘彩叶’杞柳的当年生萌条直径和长度呈先增加后降低趋势，夹竹桃、伞房决明均以T3处理下最大，‘彩叶’杞柳以T2处理效果最好；‘红王子’锦带萌条直径呈增加趋势，以T4处理效果最佳；木芙蓉和海滨木槿萌条直径和长度有下降趋势。随着伐桩高度增加，夹竹桃和伞房决明的萌条干质量和植株干质量有增加趋势，以T3处理下最高；‘彩叶’杞柳萌条干质量呈先增加后降低趋势，以T2处理最高，植株干质量呈增加趋势，以T4处理最高；‘红王子’锦带、木芙蓉和海滨木槿的萌条干质量和植株干质量有减少趋势，以T1处理下最高。

表3 不同伐桩高度萌条生长特性

注：表中数据为平均值±标准差；同列数据后不同小写字母表示同种植物不同处理间差异显著(P<0.05)。

3.2 伐桩高度对植株重金属提取量的影响

比较6种花灌木不同伐桩高度植株重金属质量分数和提取量，同种植物不同伐桩高度间重金属质量分数差异不明显，夹竹桃、伞房决明和‘彩叶’杞柳的植株重金属提取量存在显著差异(P<0.05)，‘红王子’锦带、木芙蓉和海滨木槿的植株重金属提取量差异不显著(表4)。总体来看，所有植株Cu质量分数为5.1～26.8 mg·kg-1，Pb质量分数为3.5～56.5 mg·kg-1，Zn质量分数为60.1～435.4 mg·kg-1。夹竹桃萌条Cu、Pb、Zn质量分数分别以T4、T4和T2处理下最高；伞房决明萌条Cu、Pb、Zn质量分数分别以T4、T4和T3处理下最高；‘彩叶’杞柳萌条Cu、Pb、Zn质量分数分别以T3、T3和T1处理最高；‘红王子’锦带萌条Cu、Pb、Zn质量分数分别以T4、T1和T1处理下最高；木芙蓉萌条Cu、Pb、Zn质量分数分别以T1、T3和T2处理下最高；海滨木槿萌条Cu、Pb、Zn质量分数分别以T3、T3和T1处理下最高。

总体来看，所有植株Cu提取量为0.50～28.50 mg·株-1，Pb提取量为0.19～31.70 mg·株-1，Zn提取量为2.97～229.90 mg·株-1。夹竹桃萌条Cu、Pb、Zn提取量分别以T3、T4和T3处理效果最好；伞房决明萌条Cu、Pb、Zn提取量均以T3处理效果最好；‘彩叶’杞柳萌条Cu、Pb、Zn提取量均以T4处理效果最好；‘红王子’锦带萌条Cu、Pb、Zn提取量分别以T2、T1和T2处理效果最好；木芙蓉萌条Cu、Pb、Zn提取量分别以T1、T1和T2处理效果最好；海滨木槿萌条Cu、Pb、Zn提取量分别以T3、T3和T1处理效果最好。

表4 不同伐桩高度植株重金属质量分数和提取量

注：表中数据为平均值±标准差；同列数据后不同小写字母表示同种植物不同处理间差异显著(P<0.05)。

3.3 砍伐频次对植株重金属提取量的影响

通过比较6种花灌木一、二年生萌条重金属质量分数发现，多数植物的C2处理萌条重金属质量分数略高于C1处理萌条，但差异不明显(表5)。夹竹桃、伞房决明C2处理萌条Cu、Pb、Zn质量分数高于C1处理萌条，呈一个累积现象；‘彩叶’杞柳C2处理萌条Cu、Pb质量分数高于C1处理萌条，Zn质量分数以C1处理萌条较高；‘红王子’锦带C2处理萌条的Cu、Zn质量分数高于C1处理萌条，Pb质量分数以C1处理萌条较高；木芙蓉C2处理萌条Zn质量分数高于C1处理萌条，Cu、Pb质量分数以C1处理萌条较高；海滨木槿与木芙蓉类似，C2处理萌条Zn质量分数高于C1处理萌条，而C1处理萌条Cu、Pb质量分数高于C2处理萌条。

对于Cu的提取，夹竹桃、伞房决明和‘彩叶’杞柳C2处理植株的Cu提取量显著多于C1处理累计量，分别提高66.3%、420.0%和53.1%；‘红王子’锦带C2处理植株Cu提取量略多于C1处理累计量，仅多20.0%；木芙蓉和海滨木槿C2处理植株Cu提取量则少于C1处理砍伐累计量，分别少9.1%和54.6%。对于Pb的提取，夹竹桃、伞房决明和‘彩叶’杞柳C2处理植株Pb提取量显著多于C1处理累计量，分别多出69.1%、103.5%和65.5%；‘红王子’锦带、木芙蓉和海滨木槿C2处理植株Pb提取量显著低于C1处理累计量，分别为25.0%、22.9%和46.7%(表5)。对于Zn的提取，伞房决明C2处理植株Zn提取量显著多于C1处理砍伐累计量，多489.3%；夹竹桃、‘彩叶’杞柳、木芙蓉C2处理植株Zn提取量多于C1处理砍伐累计量，分别多40.9%、11.3%和12.6%；‘红王子’锦带和海滨木槿C2处理植株Zn提取量少于C1处理砍伐累计量，分别少16.5%和53.4%。

表5 不同砍伐频次植株重金属质量分数和提取量

注：表中数据为平均值±标准差；同列数据后不同小写字母表示同种植物不同处理间差异显著(P<0.05)。

4 结论与讨论

合理高效的施肥、水分管理、刈割等农艺措施，可以从改善植物的养分、水分及空间分布等条件来促进植物的生长发育，以获取理想的生物量，提高植物修复效率[14]。刈割作为一种农艺措施，能提高很多作物地上部分的再生能力，对于多年生、再生能力强的修复植物，可以借鉴牧草种植中广泛应用的刈割措施来提高其生物量，提高修复效率[11，21]。本研究发现，不同伐桩高度对夹竹桃、伞房决明和‘彩叶’杞柳的萌条生长和重金属提取量影响显著，而对‘红王子’锦带、木芙蓉和海滨木槿的影响较小。夹竹桃和伞房决明的最佳伐桩保留高度为10 cm，具有最高的生物量和重金属提取量；‘彩叶’杞柳的最佳伐桩保留高度为5 cm，具有最高的生物量和重金属提取量，这与筐柳天然林砍伐高度一致[22]；而‘红王子’锦带、木芙蓉和海滨木槿比较理想的伐桩保留高度为0，即以近地面皆伐的处理效果最好。这可能随着伐桩部位的不断变高，休眠芽的年龄阶段越年轻而发育阶段越老，萌条生长势随之减弱，即地表以下部位的休眠芽最年幼且最具有活力[23]。通过现场观察发现，夹竹桃、伞房决明和‘彩叶’杞柳可以在伐桩枝条上进一步萌生萌条，而超过一定高度后枝条的粗度和长度会下降，以5～10 cm的留茬高度最佳。而木芙蓉、海滨木槿、‘红王子’锦带以根颈部的萌条为主，尤其是木芙蓉伐桩枝条再萌蘖能力差，故以近地面砍伐最佳。

廖晓勇[24]研究发现，在一定条件下，蜈蚣草的最佳刈割频率为1 a 3次，每次留茬高度7.5 cm左右，其修复效率是1 a收获1次处理的1.9倍。从砍伐频次来看，伞房决明、夹竹桃、‘彩叶’杞柳和海滨木槿的2 a砍伐1次植株生物量显著多于1 a砍伐1次的累计生物量，这与柠条的研究结果一致[5]；而‘红王子’锦带和木芙蓉2 a砍伐1次植株干生物量略少于1 a砍伐1次的累计生物量。对于重金属的提取量，夹竹桃、伞房决明和‘彩叶’杞柳2 a砍伐1次植株的Cu、Pb、Zn的提取量明显多于1 a砍伐1次的累计量；木芙蓉和海滨木槿2 a砍伐1次植株的Cu提取量，‘红王子’锦带、木芙蓉和海滨木槿2 a砍伐1次植株的Pb提取量以及‘红王子’锦带和海滨木槿2 a砍伐1次植株的Zn提取量均少于1 a砍伐1次的重金属累计提取量。因此，在重金属污染场地植物修复时，为提高萌条生长和重金属提取量，木芙蓉宜采用冬季重剪，贴地面进行，1 a砍伐1次；‘彩叶’杞柳采用冬季落叶期砍伐，伞房决明和夹竹桃宜采用春季萌芽前砍伐，保留5～10 cm的留茬高度，每2 a砍伐1次。‘红王子’锦带、海滨木槿可根据个体密度是否影响到植株生长进行不同留茬高度的砍伐处理，频次可以1 a砍伐1次或2 a砍伐1次。