重金属污染对赣南2种植物叶片分解的影响*

马进泽，谢亿丽，江 平，曾 竞

(赣南师范大学 地理与环境工程学院，江西 赣州 341000)

1 引言

凋落物分解是驱动碳和养分循环的基本生态系统过程，在森林生态系统养分循环中具有重要作用[1-2]，在过去的几十年中受到越来越多的关注.通过分解作用，凋落物中的氮和磷等营养成分可提供给生产者，碳释放到大气中或以有机质的形态存储在土壤中，形成体现土壤肥力的腐殖质以及长期碳库[3-4].我国东部土壤有机碳密度大致随纬度的降低而递减，赣南等红壤地区土壤的碳密度为2.14 kg/m2-10 kg/m2，有机碳含量较低[5-6].提高红壤系列土壤有机碳的积累不仅可以提高土壤养分含量，而且在缓解全球气候变暖等方面发挥着重要作用[7].然而，迄今为止关于赣南地区凋落物分解的关注明显不足.

重金属污染因其对环境和生物的危害极大而受到广泛关注.在赣江流域稀土开发过程中，多种重金属离子浸出，因回收率不高而导致重金属污染[8].赣南矿区周围锌、铜、镉等重金属含量远远高于江西省土壤背景值，甚至高于国家土壤环境质量二级标准，如锌、铜、镉含量为二级标准的1.20，1.22和16.02倍[9-10].土壤动物在凋落物分解过程中具有重要作用，土壤重金属污染不仅改变土壤动物数量，而且通过改变土壤动物的肠道微生物抑制其生长繁殖[11].因此，重金属污染很可能对植物凋落物分解和土壤养分循环具有重要影响.一般来说，重金属污染会显著抑制凋落物的分解[12].Pradhan等研究表明铜对凋落物分解的抑制作用强于银，对细菌生物量、真菌多样性、繁殖的抑制作用以及微生物群落结构的改变也更强[13].然而，锌、铜、镉等重金属的种类、凋落物性状等对凋落物分解的影响仍需进一步研究.

植物凋落物性状在控制其分解方面起着重要的作用[14-15].植物凋落物性状(如氮、磷、木质素等含量)强烈影响分解者的丰度和活性，进而影响分解速率[16].植物凋落物的分解速率一般与凋落物的氮、磷含量呈正相关，与木质素、总酚含量呈负相关[17].在温带森林中，凋落物氮磷比与分解速率正相关[18]，而在热带森林中则正好相反[19-20].因此，寒带或温带植物凋落物性状对其分解影响规律可能无法解释亚热带植物凋落物的分解[20].

不同物种植物凋落物性状差异明显[21-22]，进而导致分解速率的不同[23].例如，一般草本植物分解率会高于木本植物叶片分解率，木本植物叶片分解率高于木本植物枝干[3,24].李海涛等在井冈山地区进行的分解实验，发现3种不同林型植物分解率顺序排列为：高山矮林凋落物的分解速率慢于针阔叶混交林，慢于常绿阔叶林，这可能与植物凋落物的初始磷浓度和碳磷比有关[25].因此，重金属污染对亚热带不同植物凋落物分解的影响也可能存在差异.

笔者在实验室内模拟锌、铜、镉3种重金属污染，研究重金属污染对脐橙和樟树这2种赣江流域重要树种叶片凋落物分解的影响，尝试回答重金属污染是否会抑制亚热带植物凋落物分解速率，并尝试揭示其机理.

2 材料和方法

2.1 研究区概况

赣州又称赣南，位于江西省南部，与湖南、福建、广东三省交界.赣州市群山环绕，丘陵起伏，平均海拔在300 m-500 m之间[26].赣州共17条主要河流，河流密布，是赣江发源地.地处中亚热带南缘，属于亚热带季风气候区，植被以常绿阔叶林为主，土壤类型以酸性红壤为主，是我国东南部生态和水资源安全的天然屏障.赣州市是全国重点有色金属基地之一，素有“世界钨都”之美誉.长期的矿产开发，导致严重的重金属污染，使赣南成为我国重金属污染重点防控地区[27].

脐橙(Citrussinensis)是芸香科，柑橘属植物甜橙的一类栽培品种，为赣州地区重要的经济树种.至2017年，赣南脐橙产量为全国的39.6%，种植面积、年产量居全国第一.樟树(Cinnamomumcamphora)属樟科常绿大乔木，是赣州地区重要的树种，可入药，能吸收多种有毒气体，具有经济价值、园林价值和药用价值.因此，本研究以脐橙和樟树这2种赣江流域重要树种叶片作为研究材料.

2.2 实验设计

2019年9月从赣南师范大学校园附近采集脐橙和樟树新鲜叶片带回实验室进行预处理.选取完整健康叶片，去掉叶柄，洗净晾干，然后置于烘箱中65 ℃烘干至恒重(烘干时间为48 h).称取3.0 g装入10 cm×10 cm的100目尼龙网袋中，然后封住尼龙网袋口制成分解袋.在校园周边树林下采集典型的红壤，去除杂质后风干过10号筛.根据赣南矿区土壤中重金属污染含量，土壤中3种重金属污染均设置了三个梯度：无污染，轻度污染和重度污染，无交互作用，共7种处理，3种重金属添加量见表1[28].土壤含水率为4.69%.将预处理的2种植物分解袋均匀的摆放在不同重金属处理的土壤表面，共放置2(物种)×7(土壤处理)×5(重复)=70个分解袋.分解实验持续3个月，分解袋表面覆盖相同植物的叶片，根据赣南降水频率定期向土壤表面喷洒蒸馏水，喷洒水量总量等于多年秋季平均降雨量.另外，每个物种保留5袋分解材料，用作测定叶片预处理过程中的重量损失和初始化学指标.

表1 土壤中添加重金属含量

2.3 测量指标和方法

清除分解袋外附着的杂质(土壤)后，将分解后的叶片置于烘箱中65 ℃烘干48 h，称量干重.然后利用球磨仪将叶片研磨粉碎用于测定各项化学指标.有机碳含量利用总有机碳/总氮分析仪(德国耶拿multi N/C 2100)测定，纤维素和木质素含量利用粗纤维测定仪(海能F800)通过酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素法进行测定计算获得[29].利用多功能微波消解系统(北京美诚MD6A-6H)通过硫酸-过氧化氢消解样品后，利用火焰-石墨炉原子吸收光谱仪(德国耶拿NovAA 400P)测定锰，通过钼锑抗光度法测定磷[30]，纳氏试剂测定氮[31].

2.4 数据处理

叶片分解率的计算公式如下[32]：

D(%)=100×(W0-Wt)/W0.

(1)

其中，W0和Wt分别为分解前后叶片的干重，D为分解率.

化学指标损失率计算公式如下：

Dc(%)=100×(W0×C0-Wt×Ct)/(W0×C0).

(2)

其中，C0和Ct分别为分解前后叶片化学指标C的含量，Dc为分解后化学指标C相对于初始化学指标C质量的损失率.

脐橙与樟树叶片间分解差异，以及3种重金属污染对叶片分解的影响均通过单因素方差分析方法进行分析，并使用Tukey检验进行多重比较分析.显著性水平设定为α=0.05.

3 结果与分析

3.1 脐橙与樟树叶片间分解差异

脐橙与樟树叶片的初始化学成分存在差异(表2).脐橙叶片的碳和锰含量分别比樟树低6.3%和94.9%，磷含量则比樟树高53.1%.2种植物叶片的分解也存在显著差异.脐橙叶片的分解率比樟树叶片高39.0%，脐橙叶片的磷和木质素损失率也高于樟树.然而，脐橙叶片氮、锰和纤维素损失率则低于樟树.值得注意的是，在分解过程中，脐橙锰元素和纤维素不减反增.

表2 脐橙与樟树叶片初始化学成分及分解的差异

3.2 重金属污染对脐橙叶片分解的影响

总体上，重金属显著影响了脐橙叶片的分解(表3).锌污染促进了脐橙叶片的氮元素损失，轻度污染和重度污染的氮损失率比对照组高87.5%和153.7%(图1C).锌污染抑制了磷元素和木质素的损失，轻度和重度锌污染的磷元素损失量分别降低了91.1%和44.7%(图1D)，木质素损失量分别降低了14.7%和18.6%(图1G).值得注意的是，锌污染还导致叶片中锰元素含量由损失转为增加(图1E).

表3 重金属污染对脐橙和樟树叶片分解影响的单因素方差分析

在铜污染下，污染加重会抑制脐橙叶片的分解速率(表3，图1A).与锌污染相似，铜污染促进了脐橙叶片的氮元素损失，抑制了磷元素和木质素的损失，还导致叶片中锰元素含量由损失转为增加(图1).轻度和重度铜污染下，脐橙叶片氮损失率比对照组高232.1%和158.5%(图1C).磷元素损失量分别降低了89.3%和67.1%(图1D)，木质素损失量分别降低了29.7%和28.0%(图1G).

镉污染影响到了脐橙叶片分解过程中氮元素、锰元素和木质素的损失(表3).与锌污染相似，镉污染促进了脐橙叶片的氮元素损失，抑制了锰元素和木质素的损失，甚至导致叶片中锰元素含量由损失转为增加(图1).轻度和重度铜污染下，脐橙叶片氮损失率比对照组高125.5%和163.5%(图1C)，木质素损失量分别降低了8.3%和29.5%(图1G).

图1 重金属污染对脐橙叶片分解率和化学成分损失率的影响

3.3 重金属污染对樟树叶片分解的影响

总体上，3种重金属均对樟树叶片分解有显著影响(表3，图2).锌污染对樟树叶片分解率具有抑制作用，污染后分解率下降了47.8%-52.8%(图2A).锌污染促进了樟树叶片的氮元素损失，轻度污染和重度污染的氮损失率比对照组高150.2%和144.2%(图2C).锌污染抑制了锰元素的损失，轻度和重度锌污染的锰元素损失量分别降低了89.9%和92.1%(图2E).

图2 重金属污染对樟树叶片分解率和化学成分损失率的影响

除纤维素外，铜污染对樟树叶片分解的所有指标均具有显著影响(表3).轻度和重度污染下，樟树叶片分解率降低了33.0%和22.6%(图2A)，氮损失率提高了194.5%和141.4%(图2C)，锰元素和木质素含量由损失转为增加(图2E和2G).轻度铜污染比对照组的碳和磷损失率高573.2%和561.9%(图2B和2D).

镉污染影响到了樟树叶片分解过程中碳元素、氮元素、锰元素和木质素的损失(表3).与锌和铜污染相似，镉污染促进了樟树叶片的氮元素损失(图2C).轻度和重度铜污染下，樟树叶片氮损失率比对照组高153.7%和181.3%.镉污染由无污染转到轻度污染的情况下，碳元素、锰元素和纤维素含量由损失转为增加(图2B、2E和2F)，木质素损失率增加119.2%(图2G).

4 讨论

不同植物凋落物中化学成分会存在明显差异[3]，这是导致不同植物分解存在差异的重要因素[21].本研究中，脐橙叶片的碳和锰含量比樟树低，磷含量则比樟树高.因此，导致2种植物分解存在明显差异.植物凋落物的磷含量及碳磷比会影响其分解的快慢[33].磷有益于分解者的丰度和活性，如真菌，加速凋落物分解.因此磷增加，碳磷比下降有利于凋落物的分解.本研究中脐橙叶片的分解率高于樟树，与脐橙叶片的磷含量较高有密切关系.在分解过程中，脐橙叶片氮和锰元素损失率低于樟树，导致分解后脐橙叶片氮和锰元素含量可能高于樟树.氮和锰元素对凋落物的分解具有促进作用[21].因此推测，在长期分解过程中，脐橙叶片的分解率也高于樟树叶片.

与其他研究一致[34]，重金属污染对植物凋落物分解具有抑制作用.这可能因为重金属污染抑制微生物的生物量和活性，从而抑制凋落物的分解[35].Verónica等通过荟萃分析发现镉对生物具有毒性，锌可以降低真菌的生产力[12].正如预期的那样，凋落物分解对重金属污染的响应取决于凋落物类型.重金属对脐橙和樟树叶片分解的影响存在差异.锌和铜污染对樟树叶片分解产生了负面影响，然而重金属污染对脐橙叶片分解仅表现为抑制趋势.这与2种植物的初始化学成分差异有关.例如，树木的枝干由于木质基质多和营养品质低，其中的分解者的生物活性低于落叶，因此，对重金属污染的敏感性低于叶片[36].

赣南矿区周围锌、铜、镉等重金属含量远远高于江西省土壤背景值[9].研究表明，重金属污染加重氮元素损失.重金属污染改变土壤养分循环，如氮循环，营养元素进入土壤和生境的固有的生态平衡就会被打破.另外，重金属还会导致锰元素积累.一般认为活的植物对重金属具有富集作用，本研究表明死亡的植物凋落物在分解过程中也会出现重金属富集，从而加重土壤重金属污染.除镉和锌外，锰污染也是赣南矿区土壤污染风险控制需要关注的重点[9].锌、铜、镉等重金属污染会导致锰等其他重金属元素的富集，引起重金属污染的连锁反应.因此，合理地预防和修复土壤重金属污染有利于维持当地生态系统平衡和物质循环.活化作用和钝化作用是目前土壤重金属污染治理和修复的重要方法[37].可以采取向土壤投入改良剂、超积累植物修复、微生物修复等具体措施来解决土壤重金属污染问题.

致谢

感谢肖志华，方林香，吴莉鑫参与实验材料的处理与分析处理.感谢俞筱押教授提出宝贵的修改意见.