杨树修复土壤重金属污染研究进展

李晓宇

(辽宁省杨树研究所,辽宁 盖州 115213)

杨树是我国平原地区重要的造林树种。近年来，我国杨树研究成果丰硕，在氮沉降、土壤盐碱化、干旱胁迫、低温胁迫、重金属胁迫、病虫害防治及杨树生理和生化的响应机制的研究都取得了很大的进展，同时选育出一批具有抗旱、耐盐碱、耐重金属胁迫等优良品种，这为杨树成为理想的土壤重金属污染修复植物提供了丰富的品种资源。同时，杨树是一种适应性较强的树种，在世界范围内分布广泛，具有繁殖容易、生长速度快且生物量大等特点，同时其根系发达，对毒性物质具有较强的耐性，对重金属具有较强的富集及转运能力。此外，杨树是用材和绿化树种，其生物产品不会进入人体而造成伤害。因此，可采用与浅根系植物间种的模式来修复不同土壤深度的重金属。杨树上述优良特性为其用于土壤重金属污染修复提供了坚实基础。

1 土壤重金属对杨树生长及生理指标的影响

土壤重金属对杨树生长及生理指标的影响是多方面的。王新等[1]研究了杨树、落叶松对土壤中重金属的吸收积累及修复作用，研究发现，在试验浓度下，重金属胁迫下的杨树总生物量与对照相比下降了26%；与落叶松相比，杨树具有较高的重金属吸收系数。类延宝[2]以青杨组杨树为试验材料研究了其对土壤干旱和重金属锰污染的生理生态响应，研究发现在相同的锰处理浓度下，湿润种群的耐性指数较干旱种群的耐性指数低。张瑛[3]研究了用磁化水处理对镉胁迫下107杨生长、生理特性及土壤微生态环境的影响，结果表明，镉胁迫显著降低植株高生长、生理活性及干物质量；同时其对叶绿素b、类胡萝卜素含量、净光合速率、蒸腾速率和光合性能指数等指标均有不同程度抑制作用。余洋[4]研究发现，铅导致了银腺杨、毛白杨与三倍体毛白杨叶片抗氧化酶系统活性的变化；并使3种杨树根尖细胞微管骨架排布发生明显变化。张亚转[5]研究了3种杨树幼苗对镉胁迫的生理响应，结果表明，不同浓度镉胁迫下，根系对镉的富集量均大于叶片，叶片可溶性蛋白含量小于根，随着镉处理浓度的增大幼苗体内的非蛋白巯基、谷胱甘肽和植物螯合肽含量逐渐增加，且都大于对照。

杨素丹[6]对Zn、Cu胁迫下杨树的生理响应及体内积累进行研究，发现杨树对两者的忍耐力较强，Zn在低浓度时基本不影响杨树的正常生长，但随着两者浓度的升高及胁迫时间的延长，将会对杨树生长产生毒害作用。杨叶[7]测定了锶与柴油胁迫下青杨、白杨和俄罗斯杨幼苗的生长指标、生理生化指标和富集特征等，通过实验发现，在单一锶胁迫下，在锶浓度较低时，其对3种幼苗的株高和叶面积有促进作用，但是浓度较高时则出现抑制现象；随着锶处理浓度的增加3种幼苗对其富集浓度增加，其中锶主要富集在根和叶上；富集浓度表现为白杨>俄罗斯杨>青杨。在两者的复合胁迫下，3种幼苗的生长指标都显著降低，其中青杨与俄罗斯杨的降幅大于白杨。谭灵杰[8]采用盆栽实验的方式研究了美洲黑杨在盐镉复合胁迫下形态生长、生物量积累与分配、光合能力、抗氧化能力以及有毒离子积累情况的差异，结果表明雄株可积累更高的Cd，但其它方面其与雌株并未达到显著水平，说明美洲黑杨雄株具有更强的盐镉复合胁迫的耐受性，可适当增加雄株在盐镉复合污染区域的种植范围以获得良好的修复效果。王晓湘[9]通过对砷胁迫下外源GSH对杨树生理代谢的研究发现，砷胁迫对杨树苗高生长产生了抑制作用，但是随着外源GSH的加入，这种抑制作用能够得到缓解，甚至在砷浓度较低时可以解除抑制作用，恢复杨树苗高生长量到正常水平。张凯[10]在3种不同质量分数的重金属Cd和Cu的土壤中扦插杨树，研究了重金属胁迫对杨树幼苗生物量的影响，结果发现，不同质量分数Cd和Cu处理无论是对杨树幼苗的茎、根和总生物量的鲜重还是干重均有抑制作用，且抑制强度随着质量分数的增加而增强。

2 重金属在杨树体内富集规律

刘乃闻[11]通过ICP-OES法分析铜陵某矿区内杨树和泡桐内不同部位重金属镉、锌、铜的含量。研究发现，三者在杨树各器官的分布规律分别是叶>根>枝>干，叶>枝>干>根，根>枝>叶>干。袁成等[12]以江苏省宿迁市境内杨树为材料，调查了其对Cu、Mn、Zn的吸收和累积特征。通过调查发现，上述重金属在杨树各器官中呈现一定的趋势，其中叶片中为Zn>Mn>Cu；木质部中为Mn>Zn>Cu；根系中为Mn>Cu>Zn。郑慧芳[13]以97号杨为试验材料研究发现，在低氮处理时，镉离子主要集中在杨树根系中，地上部分相对较少，且叶片和根部细胞结构也发生了变化；恢复正常施氮后，茎皮层细胞中镉离子含量增大，说明地上器官对根部镉的吸收和转移效率有所增强，提高了对镉污染的修复效率。李舒琦[14]以杨树为试验材料，研究了器官、树龄以及二者的交互作用对吸收4种重金属的影响。结果表明，Cu、Pb和Ca在杨树中的分配规律基本一致，均按照皮、叶>枝>树干木质部的顺序分配。对凋落叶中Cu和Pb的含量进行测定发现，其含量随着树龄的增加而显著增加，且二者含量均显著高于生长期树叶中的含量。

齐洪涛等[15]利用盆栽的方法研究了堆肥污泥对杨树幼苗各器官重金属富集的影响。结果表明，Cd主要富集在叶部，其余4种重金属则主要富集在根部；5种重金属在不同器官含量由大到小的顺序是Cd基本表现为叶>根>茎，Hg基本表现为根>茎>叶，Cu、Zn和As的富集基本特征均为根>叶>茎。各器官中重金属富集量随着污泥用量的增加而呈现递增趋势。胡亚虎[16]采用野外调查的方法，研究了干旱区矿区周围重金属污染的钙质农田土壤上广泛分布的木本植物新疆杨、灌木白刺和草本植物骆驼蓬对土壤中Cd、Cu、Pb和Zn的吸收和富集特征。结果发现，植物不同器官对重金属的积累是由重金属种类决定，而非植物种类决定；除Cd主要积累在3种植物的地上部外，其他3种则主要积累在根部。

3 提高杨树修复重金属污染土壤强化措施

3.1 转基因技术的应用

何佳丽[17]在研究杨树对重金属镉胁迫的分子生理响应机制时发现，与野生型相比，转基因杨树的地上部分富集了更多的Cd，可溶性糖和淀粉在转基因杨树中也显著积累，除ROS在转基因材料的含量较低外，总硫醇、GSH和GSSG以及可溶性酚和游离脯氨酸含量较高，叶中GR的活性较大。这说明与野生型杨树相比，转基因杨树对Cd具有更高的耐受性。赵思雯[18]从小黑杨叶片中克隆得到2条杨树真核翻译起始因子基因的同源基因(PsneIF5A2/4)。该基因在根、茎、叶及花序中均有表达，并且在成熟叶中转录水平最高。分别用ABA、CdCl2、CuSO4、NaHCO3、ZnSO4、甘露醇、NaCl和PEG6000胁迫小黑杨幼苗，通过荧光定量PCR检测发现上述胁迫均能诱导该基因的表达，其中重金属胁迫和盐胁迫下表达量较多。

3.2 联合微生物修复

近年来很多研究发现，微生物尤其是真菌在植物修复土壤重金属过程中起到了非常重要的作用。杨树易被菌根(真)菌侵染，并通过其获得更多的水分及丰富的营养物质。豆青[19]研究了两株外生菌根真菌(ECMF)对青杨铅耐受性的影响。研究表明，在相同浓度铅胁迫下，接种ECMF的青杨与不接种ECMF的青杨相比，其株高和生物量均显著提高，且这种效果在高浓度铅胁迫下更为显著，说明接种ECMF能提高青杨对铅胁迫的耐受性。通过对比两株外生菌根真菌对青杨的侵染率发现，草地大马勃更容易侵染青杨，能更好地提高青杨对铅胁迫的耐受性。同时发现，虽然接种ECMF使青杨增加了对铅的吸收，但主要集中在根系，抑制其向地上敏感叶片中转移，从而降低了铅对青杨的损伤。

3.3 投加螯合剂

近年来，许多研究学者发现添加螯合剂对提高土壤中重金属的生物有效性有很大帮助，因而常常使用螯合剂来强化重金属污染土壤的植物提取修复。李舒琦[14]对钙质土壤上杨树修复Cu和Pb的机制进行研究发现，试验的3种螯合剂均可以显著提高Cu和Pb在土壤中有效态的含量，只是活化能力略有不同。其中施用EDTA和EGTA可以显著增加根和叶中Cu的含量，而EDTA还可显著提高叶中Pb的含量。金诚等[20]以新疆杨为试验材料，研究了3种螯合剂强化下其对干旱区农田土壤中Pb的吸收和富集特征。结果表明，螯合剂的增加显著提高了土壤中Pb的含量，其活化效果表现为EDTA>EGTA>CA。3种螯合剂均显著提高了杨树根中Pb的含量，均未显著提高杨树树干中Pb的含量，但在EDTA的2个投加水平作用下，杨树叶中Pb的含量和对照相比则显著增加，其增幅分别为125%和332%。Pb主要积累在杨树根部，3种螯合剂处理下杨树根中Pb的积累量占杨树总Pb积累量的比例由对照的88%增至94%～98%。总体而言，EDTA相比于EGTA和CA，更有助于杨树对土壤中Pb的吸收和积累。

4 展 望

为提高杨树在修复土壤重金属污染中的应用，提高其对重金属的耐受性及修复效率，今后可以从以下几方面开展研究：一是近年来杨树育种成果丰硕,可以进一步扩大杨树品种对修复土壤重金属污染的筛选范围，针对不同区域来选择修复能力强的杨树品种；二是开展杨树对重金属胁迫的生理和分子机制的研究，挖掘出杨树重金属解毒的关键基因，利用基因表达调控来提高杨树对重金属耐性，或利用基因的克隆转化来提高重金属向地上部分转运能力及在茎部贮存能力；三是进一步探索提高杨树修复土壤重金属污染的强化措施。