淹水对重金属污染土壤中杞柳生长和元素积累的影响

王丽，郑怡晖，冯木彩，曹旖旎，邸东柳，陈光才*

(1.杭州市富阳区环境卫生保障中心，浙江 杭州 311400；2.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；3.诸城市农业技术推广中心，山东 潍坊 262200)

近年来，随着我国经济的快速发展，土壤污染问题愈发严重，由此引发的一系列环境问题不容忽视[1]。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤环境状况整体形势较为严峻，全国土壤污染点位总超标率达16.10%，其中以重金属为主的污染点位占全部超标点位的82.80%，镉(Cd)、锌(Zn)的点位超标率分别为7.00%、0.90%[2]。土壤重金属含量超标，将降低土壤微生物活性和土壤肥力。同时，土壤中的重金属可通过食物链富集，最终影响植物、动物和人体健康[3]。人体内镉积累将破坏肝脏、肾脏功能[4-5]，因此亟需开展重金属污染土壤的绿色修复技术研发。

与价格高昂且容易产生二次污染的传统物理修复和化学修复方法相比，植物修复具有成本低、适用性广、环境友好等优势，广泛运用于修复土壤重金属污染[6]。植物修复是通过植物吸收、固定土壤重金属后，降低土壤重金属含量或土壤重金属的移动性，达到土壤修复目标[7-8]。目前，用于湿地污染修复的植物多为草本，如香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(Cannaindica)、凤眼莲(Eichhorniacrassipes)等[9]。但草本植物因个体矮小、生长缓慢、对重金属耐受性弱等，在土壤污染治理中存有一定局限性[10]。相较于草本植物，木本植物具有生长期长，生物量大，吸收污染物多、吸收重金属种类丰富等特点，被广泛用于重金属重度污染土壤的修复[11]。柳树(Salixspp.)因其生长速度快、根系发达、生物量大、耐水湿、重金属耐性强，可用于修复重金属重度污染土壤[12]。如Migeon等[13]在Cd、Zn严重污染条件下比较了25个树种的重金属富集情况，发现柳树对于Cd和Zn具有高积累特性。Tozser等[14]利用蒿柳(S.viminalis)提取污染地区重金属，结果显示Zn、Mn、Fe、Cu的生物富集系数较高，Cd、Mn及Zn的转运系数较高，表明蒿柳对重金属有较高的积累潜力。陈彩虹等[15]及刘治昆等[16]在水培条件下探究了Cu胁迫对‘苏柳172’(S.jiangsuensisCL J-172)和垂柳(S.babylonica)矿质元素积累、生长及生理特性的影响，明确了2种柳树用于Cu污染修复的潜力。在淹水条件下，杞柳(S.integra)能够增加不定根和皮孔数量，调节抗氧化酶系统和渗透调节物质等积极防御和共同作用来缓解淹水和Cu污染的复合胁迫[17-18]。

在河流、湖库等水陆交错带，因为水位的周期性变化，土壤淹水成为限制滨岸带植物生长的主要非生物胁迫因子之一[19]。淹水胁迫使植物地上叶片萎蔫脱落、地下根部腐烂，减少植物生物量，降低光合作用强度，从而削弱重金属污染土壤的植物修复效率[20]。柳树本身具有较强的生态适应性，能够在河湖岸带等低洼处生长良好，并且能够在淹水的Cd污染和Cu污染土壤中生长良好[21-22]。但在多种重金属污染的淹水环境下，柳树的生长适应性及重金属修复潜力尚不清楚，亟需开展系统研究。本研究以杞柳‘一支笔’(S.integra‘Yizhibi’)为试材，以超过风险管控值的Cd、Zn污染土壤为培养基质，通过盆栽试验，设置淹水和非淹水2组处理，研究其生长表现、生理适应性以及重金属积累和转运能力，以期为杞柳在污染湿地修复方面提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选取杭州市富阳区(29°53′N，119°54′E)受污染的土壤，其理化性质如表1所示。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)，该土壤样品重金属Cd和Zn远超土壤污染风险管制值，Cu和Pb未达到污染水平。

选用杞柳‘一支笔’为试材，从同一棵母树上挑选粗细一致、直径为0.80～1.00 cm的1年生枝条，用去离子水洗净后剪成长度为15 cm的插条备用。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physicochemical properties of tested soil

1.2 试验设计

盆栽试验在塑料大棚中进行，自然光照，环境温度为23 ℃～38 ℃，相对湿度为60%～65%。将剪好的杞柳插条插入装有1.2 kg重金属污染土壤的塑料花盆中(高15 cm，直径11 cm)，每盆1个插条，插条插入土壤10 cm，培养120 d后，将其随机分为2组，每组3个重复，每个重复有3盆，每盆1株苗，分别进行淹水和非淹水处理。淹水处理组淹水深度超过土壤表面10 cm，非淹水处理为对照组，对照组每天用自来水浇水，土壤湿度大致保持在田间持水量的70%。淹水处理维持90 d，整个试验周期为7个月。

1.3 土壤理化性质测定

土壤样品经风干、研磨，再通过2 mm的筛网筛分后贮存备用。将土壤和去离子水按1∶2.5的体积比混合摇匀，用pH计(Mettler Toledo,Columbus,USA)测量土壤pH[23]。土壤有机质采用重铬酸盐加热氧化法和硫酸亚铁试剂滴定法测定[23]。用元素分析仪(FLASH2000 CHNS/O，Thermo，USA)测量土壤中的总氮[23]；用硫酸消解钼蓝法测定总磷[23]。用王水(HNO3∶HCl为3∶1)在105 ℃消解土壤2 h后，通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES,Perkin Elmer Optima 8000,Waltham,MA,USA)测定土壤重金属和总钾含量。土壤理化性状测试结果详见表1，每组数据3次重复。

1.4 植物生长指标测定

淹水处理的7、14、28、56、90 d，9:00至14:00间，选取每株杞柳的3片成熟叶片，使用Li Cor-6800便携式光合系统测定植物光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(E)。样品室内光强设定为1 000 μmol photon/s，气流为500 μmol/s，CO2浓度为400 μmol/s。

收获植株前，测量杞柳株高及茎径，使用叶面积测量仪，测出叶长、叶宽和叶面积。将叶片与95%乙醇溶液混合后研磨，浸取3～5 min，后用分光光度计(UV-1800,MAPADA，Shanghai，China)分别在波长为665、649、652、470 nm测定叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、叶绿素a+b(Chl a+b)和类胡萝卜素(Car)的含量[23]。

1.5 植物取样与化学测定

每株杞柳收取后，分为根、插条、茎(插条上新长出主干部分)和叶4部分，用自来水清洗后用去离子水漂洗3次后，将样品放入105 ℃烘箱烘干1 h，随后在75 ℃烘至恒重。干燥完的样品用小型磨粉机研磨后，用0.25 mm筛网筛分备用。取各组织粉末0.25 g用浓硝酸(HNO3)和过氧化氢(H2O2)热阻断系统消化后，用2%(v/v)HNO3溶液稀释至50 mL，再采用电感耦合等离子体发射光谱法测定各样品中的重金属(Cd和Zn)和矿质元素(K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Na、B、Mo)含量。氮和磷的测定，参见1.3。

柳树富集系数和转运系数的计算公式分别如下：

1.6 数据处理与分析

采用DPS 13.01软件中LSD法在0.05水平进行单因素方差分析，通过Origin 2018绘制图表，试验结果值均表示为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 淹水条件下杞柳的生长表现

试验期间观察发现，杞柳能在Cd和Zn重度污染土壤中正常生长并维持较好的长势，淹水处理对杞柳生长影响不明显。较对照相比，淹水条件下的杞柳株高、叶面积、叶长及叶宽仅略微增加，但茎粗减少(表2)；总生物量差异不明显，但各组织生物量的差异不一致，淹水处理分别减少了杞柳叶部、插条、根部生物量的15.30%、30.20%和18.00%，但大幅增加了茎部生物量，为对照的147.30%(图1)。

表2 土壤淹水对杞柳生长及叶片性状的影响Table 2 The plant parameters and leaf traits of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

图1 土壤淹水对杞柳生物量的影响Figure 1 The biomass of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

2.2 淹水条件下杞柳的光合色素含量及光合能力

由表3可知，土壤淹水处理对杞柳叶绿素含量无显著影响，仅略微增加Chl a、Car含量和Chl a/Chl b值，降低Chl b和Chl a+b含量。处理时间对杞柳光合指标的影响如图2所示，从图中可以看出，土壤淹水降低杞柳光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)及蒸腾速率(E)。当淹水处理为90 d时，Pn、Gs、Ci、E分别下降7.70%、1.69%、37.87%、25.89%。此外，在28 d至56 d时，杞柳在淹水条件下的Ci值显著降低。

表3 土壤淹水条件下杞柳叶片光合色素含量Table 3 The photosynthetic pigment of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

图2 土壤淹水对杞柳的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(E)的影响Figure 2 Effects of different flooded time on photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), intercellular CO2concentration (Ci) and evaporation rate (E) of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

2.3 淹水条件下重金属元素在杞柳各器官的积累和分布

土壤淹水对杞柳各部位Cd、Zn分布均有显著影响(图3)。淹水显著降低杞柳根、插条、茎及叶部Cd含量，其中不同组织中Cd的积累量由高到低排序为：根>叶>插条>茎。而在非淹水条件下，Cd在杞柳各组织中的积累量由高到低依次为：根>叶>茎>插条。土壤淹水显著降低杞柳叶部、茎部、插条中Zn的含量，增加根部Zn浓度，其中各组织中Zn的积累量由高到低排序为根>叶>插条>茎。非淹水条件下各组织Zn积累量为叶>根>插条>茎。

图3 土壤淹水条件下Cd、Zn在杞柳各组织的浓度Figure 3 Concentration of Cd and Zn in tissue of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions注：图中数据表示平均值±标准差，不同字母表示在0.05水平上差异显著，n=3，下同

土壤淹水对杞柳生物富集系数及转运系数的影响如图4所示。淹水显著降低杞柳地上部Cd、Zn的生物富集系数，与非淹水处理相比，Cd、Zn的BCF值分别减少74.39%、90.68%。土壤淹水对根部Cd、Zn的富集系数影响显著，但变化不同，其中，淹水使根部Cd的BCF值降低29.94%，Zn的BCF值增加27.06%。土壤淹水对Cd、Zn的转运系数影响显著，地上部Cd、Zn的TF值分别降低了63.46%、80.56%。

图4 土壤淹水条件下杞柳地上部、根系重金属生物富集系数(BCF)及转运系数(TF)Figure 4 BCF and TF of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

2.4 淹水条件下杞柳矿质元素的积累和分布

土壤淹水条件下杞柳不同组织中的矿质元素含量如表4所示。淹水处理对不同组织中矿质元素含量影响显著。对大量元素分析发现，淹水处理显著降低叶片中P、Ca含量，增加K含量；显著降低茎组织中N、P、K、Ca、S含量；降低插条组织中N、P、K、Ca、Mg、S含量；降低根组织中N、P含量，增加K、Ca、Mg、S含量。

淹水处理对不同组织中微量元素含量影响更为明显。土壤淹水显著增加叶部和茎部Mn、Mo含量，降低Na、B含量，其中叶部Fe、Mn和Mo含量分别增加1.16倍、1.67倍、1.74倍，Na、B含量分别减少20.30%、33.40%；茎部Mn、Fe和Mo分别增加1.03、2.71、2.62倍，Na、B含量分别减少37.44%、8.07%。土壤淹水提高插条和根部对微量元素的吸收，其中插条Fe、Mn、Na、B和Mo含量分别增加7.50、3.05、1.57、1.22、2.50倍；根系Fe、Mn、Na、B和Mo分别增加2.17、6.48、1.81、1.69、4.91倍(表4)。

对土壤淹水条件下杞柳微量元素间的相关性进行分析，发现土壤淹水促进了杞柳各微量元素(除B外)间的相关性。无论是否淹水，Cd、Zn与各元素均呈正相关，在淹水条件下Cd、Zn与B的相关性不高，但与其他元素相关性较强(图5)。

表4 土壤淹水条件下杞柳不同组织中的营养元素含量Table 4 Elements level in tissue of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

图5 土壤淹水条件下杞柳中微量元素间的相关性Figure 5 The correlations of elements in Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

3 讨 论

3.1 土壤淹水对杞柳生长的影响

淹水导致土壤缺氧从而影响植物生长，植物会通过自身形态或生理改变以适应土壤环境，如增生不定根等，来满足植物生长对氧气的需求[24]。土壤淹水使柳树根系从有氧呼吸转为无氧呼吸，导致柳树树根腐烂死亡，虽增加不定根维持呼吸，但根的总生物量显著减少。土壤淹水减少了根部O2供应，导致植物叶片气孔关闭，从而降低气孔导度，减小蒸腾速率[25]。气孔导度降低，气体交换速率降低，致使叶片吸收CO2减少，其胞间CO2浓度降低，净光合速率也减小[20]。本研究中淹水56 d至90 d时，杞柳叶片气孔导度增加，推测是因不定根形成，增加了杞柳对O2的吸收，促使杞柳Ci值和Pn值下降幅度减弱[26-27]。同时，叶绿素与Pn值有着密切联系，叶绿素含量随着Pn值下降而下降[9]。在试验中，淹水条件对杞柳叶绿素影响微弱，但总含量略微减小，因此土壤淹水对杞柳的光合作用有削弱作用。

3.2 土壤淹水对杞柳矿质元素积累的影响

土壤条件会影响植物对无机离子的吸收和转运，干扰矿质营养代谢过程，作为生长和发育必需的物质，矿质元素在植物体内具有重要作用。本研究发现土壤淹水对杞柳体内矿质元素含量有显著影响，且淹水条件加强了杞柳中微量元素(除B外)之间的相关性。无论是否淹水，Cd、Zn与各元素影响均呈正相关，表明杞柳体内，Cd、Zn与矿质元素之间存在协同效应。土壤淹水增加了插条和根部对各微量元素的吸收，在缺氧条件下，杞柳地下部分微量元素的积累可能与根部渗透调节有关。土壤淹水增加了杞柳叶内和茎内Fe、Mn、Mo含量，减少了Na、B含量。Fe、Mn、Mo与光合作用关系密切，在叶绿体受损情况下，Fe、Mn含量的增加可以减缓淹水对杞柳光合作用的削弱[28]。Na、B含量减少可能是因为在淹水和重金属双重胁迫下，杞柳木质部转运受阻，金属离子转移能力下降，从而导致叶、茎部Na、B含量的减少[29-30]。

3.3 土壤淹水对杞柳重金属富集和转运的影响

植物对Cd的吸收是以蒸腾作用为动力，通过木质部运输完成，因此无论是否淹水，杞柳根部Cd含量最高，叶部其次[31]。但与非淹水土壤相比，土壤淹水减少杞柳各组织Cd含量，降低杞柳体内Cd的富集系数和转运系数，表明土壤淹水抑制杞柳对Cd的吸收和转运能力，推测是因土壤淹水破坏了根系的外皮层和内皮层，缺少内外皮层转运蛋白，致使Cd转运至茎部时受阻，从而导致杞柳的转运系数下降，地上部Cd富集能力下降[32]。

杞柳蒸腾速率的降低同样影响地上部Zn转运系数，但是在非淹水条件下，杞柳地上部Zn的转移系数高于Cd，推测是因Zn可参与光合作用，提高了转运效率[33]。淹水土壤根内Zn含量较对照处理显著增加，叶、茎和插条组织Zn含量减少，降低杞柳地上部的富集系数和转运系数，但增加了根系的富集系数。表明土壤淹水增加了杞柳根对Zn的吸收，抑制Zn的转运能力。推测是因土壤淹水破坏了根部结构，杞柳根系细胞液泡成为Zn的主要区隔场所，减少Zn从根部向地上部的运输。

3.4 淹水条件下杞柳的重金属修复潜力

生物量和重金属富集系数是决定植物修复能力的两大重要指标[34]。非淹水条件下，杞柳生长良好，对重金属吸收、积累和转运能力更强，表明其对重金属有良好的耐受性和修复能力。淹水条件下，杞柳均能存活并保持正常生长。淹水90 d时，光合速率和蒸腾速率下降，Cd、Zn的TF值分别降低63.46%、80.56%，土壤中Cd、Zn主要富集在杞柳根部，淹水降低杞柳的重金属转运能力，该现象与重金属的木质部转运驱动力—蒸腾拉力降低有关[21]。但淹水条件下杞柳总生物量及根、茎、叶生物量没有受到显著影响，表明杞柳有较强耐水淹能力，这与柳属植物生态幅较宽、抗逆性较强等生物学特性密切相关[35]。

综上所述，土壤淹水虽然对杞柳‘一支笔’地上部分的重金属转运能力和富集能力有一定上的削弱，但这是一种植物在适应淹水环境的普遍现象，常见于大多数湿地植物[36-39]。并且，淹水环境中杞柳仍能保持良好生长状态且具有较高生物量，根系生物富集Cd、Zn能力也较强，与其他草本湿地植物(香蒲、美人蕉、凤眼莲、芦苇、互花米草、香根草等)相比[9，40-41]，杞柳能利用自身更大的生物量和发达的根系，将土壤中金属污染物固定于体内，从而减少向湿地系统的释放，修复更大的土壤范围。因此，淹水条件下杞柳仍然具有较高的植物修复潜力。

4 结 论

杞柳‘一支笔’在重金属污染土壤中经90 d淹水后仍可正常生长，其光合速率略有下降，但生物量无显著降低。土壤淹水使杞柳体内微量元素间(除B外)相关性增强，增加杞柳插条和根部对微量元素的吸收和柳树叶内和茎内Fe、Mn、Mo含量，减少Na、B含量。土壤淹水降低杞柳蒸腾速率，致使杞柳的重金属转运能力降低，地上部的重金属富集能力减弱。综合考虑杞柳“一支笔”生长和金属积累情况，我们认为杞柳对淹水胁迫具有很高耐受性、生理适应机制和重金属富集能力，在淹水地区仍然具有较强的植物修复潜力，为更好地利用该物种改善湿地环境的重金属污染土壤、湿地和水系消落带物种的选择及植被的构建提供了参考依据。