氮添加对美洲黑杨镉吸收、富集与分配的影响

2021-11-04高陈晨陈良华郝林婷杨林凯

四川农业大学学报 2021年5期

雷浩，高陈晨，陈良华，陈娜，郝林婷，柳奇，舒锟，杨林凯

（长江上游林业生态工程四川省重点实验室/长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室/华西雨屏区人工林生态系统研究长期科研基地/四川农业大学生态林业研究所，成都 611130）

伴随我国工农业的快速发展，土壤重金属污染日益严重，土壤生态安全受到严重威胁。据报道，我国土壤总的点位超标率为16.1%，以轻度污染为主，镉污染的点位超标率为7.0%，远高于其他重金属污染物的超标率，是最常见的无机污染物。土壤中重金属的来源复杂，包括自然来源、工业污染、农业污染和大气沉降等[1]。例如，冶炼、采矿、重金属尾矿的不合理排放会直接或间接地向环境中排放大量的Cd[2]，导致土壤Cd污染；污泥的利用和含Cd化肥的施用是造成农业土壤重金属污染的主要原因。全国污灌区调查结果显示，在约1.4×106hm2的污水灌溉区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌溉区面积的64.8%[3]。土壤重金属污染存在隐蔽性、生物不可降解性和逐级富集等特点，严重威胁着生态安全和人类健康，加快污染土壤的修复刻不容缓。

随着工农业的发展和城市化进程的加快，化石燃料的燃烧和不合理使用化肥等人类活动极大地改变了陆地生态系统的N循环，全球性N沉降量总体上呈现高速上升趋势。从1860年到2005年，全球的活性氮沉降量增加了2倍，预计到2050年，N沉降量还会翻倍，许多地方的N沉降量将超过50 kg·N/（hm2·a）[4]。陆地生态系统中长期过量的N输入通常会导致土壤酸化、盐基阳离子流失和土壤中有毒金属离子（如铝和锰）的释放等，对植物的生长发育和抗逆性（如抗冻性）产生负面影响，降低植物的多样性。但是，氮沉降如何影响植物对重金属胁迫的耐受性，以及如何影响植物对有毒重金属离子的吸收、富集与分配，相关研究显得不足。

杨树是世界上分布最广、适应性最强的树种之一，具有易繁殖、速生和耐性强等优点[5]，具有良好的重金属耐受性和富集能力[6]，表现出良好的重金属污染土壤的修复潜力。有研究表明，杨树的根、茎和叶能够富集大量重金属，尤其是Cd和Zn，Cd在杨树根和叶中的最高浓度分别可达9 962和514.08 mg/kg[7-8]。大多数研究发现，重金属在杨树各部位的富集量表现为根系大于地上部分[7，9]，杨树重金属富集和耐受性的差异受到遗传因素的调控[10]。本研究拟以美洲黑杨为材料，通过施氮的方式模拟氮沉降，研究不同N添加水平对美洲黑杨不同器官Cd富集和分配的影响，重点关注不同根级重金属富集、转移、分配及蓄积总量的变化，可以为美洲黑杨在镉污染土壤中的应用和污染林地的氮素管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料和研究区概况

本实验在四川农业大学成都校区（103°41′E，30°36′N）进行，该地海拔 579 m，年平均气温 15.8 ℃，年均日照时数1 104.5 h，年均降雨量896.1 mm，年平均相对湿度为84%，属于亚热带湿润气候区，气候温和，雨量充沛。本实验以长江中下游地区的常用人工林树种美洲黑杨（Populus deltoides）为对象，将采至江苏省镇江市的美洲黑杨1a生枝条为实验材料。实验土壤采自四川洪雅（镉含量为0.12 mg/kg），土壤类型为黄壤。土壤样品采回后经过风干、磨碎、混匀，装入直径28 cm的圆柱形塑料盆中，每盆装12 kg风干土。

1.2 实验设计和处理

实验设计为两因素（Cd和N）的完全随机实验设计，Cd设置 3个水平（对照，2.5和 5 mg/kg），N 设置4个水平（对照，不添加外源氮；5 g/（m2·a），即施氮量为5克氮每平方米每年；10 g/（m2·a），即施氮量为10克氮每平方米每年；15 g/（m2·a），即施氮量为15克氮每平方米每年），共12个处理，每个处理设9个重复，共计108盆。向以上制备好的土壤中添加重金属镉（CdCl2·2.5H2O），达到预设浓度，镉添加平衡3个月后用于本实验。2019年4月中旬，将美洲黑杨枝条扦插于营养钵中，待幼苗新芽长出约10 cm时，移栽长势一致的幼苗用于盆栽实验，每盆移植1株幼苗。实验于2019年5月初开始，在半受控（只遮蔽雨水）的大棚中进行，每次浇水均避免水分渗漏，以防止Cd流失。以NH4NO3为N源进行N添加，依据温江近十年6—9月的平均降水量及月均降水量的占比计算实验处理期间的N添加量（本地区氮沉降量约6 g/（m2·a）），每月的N添加量分为8次添加，平均一周两次添加N，将每次的施N量溶于一定量清水（300 mL）均匀喷施到土壤表面，对照施以等量清水。实验期间正常进行浇水管理，及时除草、除虫。

1.3 取样和实验分析

2019年9月底，实验处理结束。每种处理随机收获3株幼苗，将每株幼苗的根、茎、叶分开，叶片和茎用自来水洗干净后用去离子水润洗。根系样品清洗后按照K.S.Pregitzer等[11]的方法把根系进行分级，最先端的根尖定为1级根，1级根的母根为2级根，2级根的母根为3级根，一直分至6级。1级和2级在形态结构、生理和代谢活性上非常相似，故把1～2级混合一起后进行研究。所有样品经105℃杀青30 min，烘干至恒重后称重。各器官样品粉碎后经硝酸和高氯酸消解后，采用火焰原子吸收法测定各器官的镉含量。各器官镉积累量=镉含量×生物量；镉富集系数=植物体中镉平均含量/土壤中镉含量；镉转移系数=植物地上部分镉含量/植物地下部分镉含量。

1.4 数据统计分析

数据的前期处理在WPS 2019软件中进行，利用Origin 2019软件制图，在SPSS 20.0统计软件中对数据进行单因素方差分析（one-way ANOVA），并用Tukey法（P20.05）检验处理间的差异显著性，采用双因素方差分析检验镉污染、氮添加及交互作用对参数影响的显著性。

2 结果与分析

2.1 氮添加对美洲黑杨不同器官镉含量及积累量的影响

如表1所示，在中、高氮处理（N10和N15）条件下，与未添加外源镉的土壤（Cd0）相比，镉处理（Cd2.5和Cd5）条件下美洲黑杨茎、叶和所有级别根系的Cd含量均显著增加。未施镉条件下，N10、N15条件下1～2级根和3级根的镉含量显著高于N0、N5条件下对应根级的镉含量，氮处理并没有引起其他器官镉含量的变化。Cd2.5条件下，与N0相比，N5降低了叶片中的镉含量，但是N10和N15均增加了茎、1～2级、3级、4级和5级根中的镉含量，N15还显著增加了6级根中的镉含量。Cd5污染水平条件下，与N0相比，N5增加了3级根中的镉含量，N10和N15均增加了叶、茎、1～2级、3级和4级根中的镉含量，N15还增加了5级根和6级根的镉含量。

表1 不同处理下美洲黑杨不同器官重金属含量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处理条件下，与未添加外源镉的土壤（Cd0）相比，镉处理（Cd2.5和 Cd5）均显著增加了美洲黑杨叶、茎、1～2级根和总镉积累量。未施镉条件下，与N0相比，N5和N15增加了茎和1～2级根的镉积累量，N15还增加了3级根的镉积累量。Cd2.5条件下，与N0相比，N10显著增加了美洲黑杨叶和茎的镉积累量。Cd5条件下，与N0相比，N10和N15增加了叶和茎的镉积累量，N5却减少了美洲黑杨叶片的镉积累量。在添加外源镉的土壤（Cd2.5和Cd5）中，与N0相比，N10和N15还增加了美洲黑杨的镉积累总量。

表2 不同处理下美洲黑杨不同器官重金属积累量Table 2 Accumulation of heavy metals in different organs of P.deltoides under different treatments μg

2.2 氮添加对美洲黑杨镉富集系数和转移系数的影响

如图1所示，在所有的N处理条件下，与未添加外源镉的土壤（Cd0）相比，随着镉污染程度的加剧，美洲黑杨镉的富集系数下降。Cd0条件下，N5和N10处理分别使美洲黑杨的富集系数上升1.7倍和2倍；Cd2.5条件下，N10处理使镉的富集系数上升了1.8倍；Cd5条件下，N5、N10和N15处理均显著增加了镉的富集系数。

图1 不同处理下美洲黑杨镉的富集系数和转移系数Figure 1 Bioconcentration factors and translocation factors of cadmium in P.deltoides under different treatments

在N0和N15条件下，与未添加外源镉的土壤（Cd0）相比，镉处理条件下（Cd2.5和 Cd5）镉转移系数显著增加。未施镉时，与N0相比，N10显著增加了美洲黑杨的转移系数；Cd2.5条件下，与N0相比，N5和N15显著降低了镉的转移系数。

2.3 氮添加对美洲黑杨不同器官和不同根级重金属的分配格局的影响

如图2所示，在所有的N处理条件下，与未添加外源镉的土壤（Cd0）相比，外源镉的添加（Cd2.5和Cd5）均引起美洲黑杨叶片中镉蓄积比例显著增加。Cd0条件下，N5和N15不同程度增加了镉在地上部分（茎和叶）的蓄积比例，降低了根系中的分配比例，但N10处理促进了镉在根系中的积累比例。Cd2.5条件下，与N0相比，N5和N15显著促进镉在美洲黑杨根系中积累比例，减少了其在美洲黑杨叶片中的积累比例，N10引起的变化并不显著。Cd5条件下，N10和N15一定程度增加了镉在叶片的积累比例，降低了镉在根系的蓄积比例，但N5引起的变化并不显著。

图2 不同处理下美洲黑杨不同器官重金属积累量分配格局Figure 2 Distribution pattern of heavy metal accumulation in different organs of P.deltoides under different treatments

如图3所示，在N0、N10和N15处理条件下，与未添加外源镉的土壤（Cd0）相比，外源镉的添加（Cd2.5和Cd5）均引起美洲黑杨1～2级根的镉蓄积比例显著增加。Cd0条件下，与N0相比，N10增加了3～4级根镉的蓄积比例，降低了6级根的蓄积比例；N15降低了1～2级根和6级根的积累比例，增加了3～5级根的蓄积比例。Cd2.5条件下，与N0相比，N5降低了1～2级根和3级根的蓄积比例，增加了4～5级根的蓄积比例。Cd5条件下，与N0相比，N5降低了1～2级根的蓄积比例，增加了6级根的蓄积比例；N10和N15均增加了1～2级和4级根的蓄积比例，降低了6级根的蓄积比例。

图3 不同处理下美洲黑杨不同根级重金属积累量分配格局Figure 3 Distribution pattern of heavy metal accumulation in different root levels of P.deltoides under different treatments

3 讨论

杨树作为典型的速生木本植物，具有生长迅速和生物量大等优点，虽然富集能力无法与超富集植物相比，但能蓄积较大总量的重金属，表现出了良好的修复重金属污染土壤的潜力。本研究中，土壤受较低的镉污染条件下（2.5和5 mg/kg），杨树所有器官中重金属的浓度均高于土壤中重金属的浓度，表现出了良好的富集效应。陈良华[12]研究了25 mg/kg的土壤镉污染条件下，滇杨雌雄植株叶片中镉的浓度均超过120 mg/kg；Hao L.等[13]的研究结果表明，土壤镉污染水平为5 mg/kg条件下，美洲黑杨1～3级根的镉含量均超过40 mg/kg。在重金属有效性更高的水培条件下，M.Zacchini等[8]对10个杨树无性系幼苗进行重金属处理，50 μmol/L镉处理条件下，杨树根系和地上部分的镉含量分别为9 962和293mg/kg；万雪琴等[14]的结果表明，25和50 μmol/L的镉浓度条件下，3个欧美杨（P.deltoides×P.nigra）无性系叶片的镉含量均超过75和125 mg/kg。本研究中，土壤Cd污染条件下，所有处理美洲黑杨经过1个生长季的生长，镉的总积累量均超过191.85 μg，十分可观。Wu F.等[15]的研究结果也发现欧美杨在低浓度镉污染处理条件下（21.5 mg/kg土壤）仍然能够蓄积较大总量的镉。另一方面，土壤Cd污染条件下，与未施氮相比，氮添加总体上使美洲黑杨各器官镉的含量总体上升（尤其是N10处理），各器官的镉积累量随氮添加量的增加表现出“先增后减”的趋势，表明适度的氮添加有利于促进美洲黑杨对镉的积累。氮添加促进植物富集镉的原因主要在于两个方面：改变土壤的理化性质（如pH和有效氮含量），提高了土壤中重金属的生物有效性并具有促进固相重金属淋溶的效应，从而促进植物的镉吸收[16-17]；氮添加引起的施肥效应会促进植物的生长和生物量的积累，从而显著提高Cd的总积累量[18]。

大多数研究表明，重金属在木本植物各器官的重金属含量表现为根系3地上部分器官[7-9]。本研究中，美洲黑杨中镉的含量基本表现为1～2级根3叶片3茎≈3级根3其他根系，与以上研究的结果类似。我们的研究表明，镉污染条件下，氮添加不但会促进美洲黑杨对镉的富集，同时还会抑制镉向地上部分的转移，进而对镉在美洲黑杨体内的分配格局产生影响。董姬妃等[19]也发现施氮能促进白三叶（Trifolium repens）对镉的富集并减少镉向地上部分的转移。谭长强等[20]结果表明，施氮促进了杂交相思树（Acacia mangium×Acacia auriculiformis）对镉的富集及向地上部分的迁移。另一方面，从蓄积量的格局来看，在大多数情况下，美洲黑杨地上部Cd积累量3根系Cd积累量，氮添加的效应因污染程度的不同而不同。例如，Cd2.5条件下，N15显著增加了镉在根系中的积累比例，减少了其在叶片中的积累比例；但在Cd5条件下，N15的效应却截然相反，表明氮添加的效应同时受到土壤重金属污染程度的影响。

植物细根是树木根系的重要组成部分，是林木吸收、运输水分和养分的主要功能器官，具有重要的生理和生态功能[21-22]。植物根系是直接与土壤中有毒镉离子接触的器官，最先遭受镉毒害作用[23]。同时，因凯氏带的阻隔作用，根系通常是木本植物镉富集能力最强的器官[24]。本研究表明，Cd污染条件下，美洲黑杨1～2级根重金属含量显著高于其余根级，重金属含量随着根级的增加而持续下降，这与Guo Y.Y.等[25]和 Xu Z.等[26]的研究结果一致。有研究表明，氮素能够提高植物根系对必需元素的吸收来降低镉的毒害作用[27]，根系活力增加，植物富集矿质元素和重金属元素的能力增强。本研究中，在两个污染梯度条件下，N10和N15均显著增加了1～2级、3级、4级根中重金属的含量，从而一定程度增加了1～2级根中镉的蓄积比例。值得注意的是，与高级别根系相比，低级别根系的寿命更短且周转更快[28]，低级根中的重金属更易因根系的周转而归还土壤。可见，氮添加不仅影响到美洲黑杨不同级别根系中重金属的含量和分配格局，同时通过调控根系生长、寿命、周转过程间接影响着重金属在土壤-根系系统的循环，影响着重金属的修复效率。