贵州4种乡土植物对锑矿土的适应性及金属积累特征研究

摘要：[目的]筛选合适的植物材料以促进退化锑矿山的生态恢复。[方法]本研究以马桑、柳杉、亮叶桦、车前草为研究对象，以非矿土（NMS）为对照，研究锑矿土（MS）对植物生物量，光合参数及不同器官碳（C）、氮（N）和磷（P）浓度的影响，并探讨植物对锑（Sb）、砷（As）积累能力。[结果]亮叶桦和车前草的生物量、净光合速率在MS处理下与对照相比无显著差异，植物耐性指数（T1）分别为92.12%、123.57%，均具有良好的耐受能力；马桑和柳杉的生物量、净光合速率在MS处理显著低于对照，植物Tl分别为67.54%、45.49%，对锑矿污染土壤较为敏感。柳杉叶、茎、根N浓度，马桑叶的N浓度表现为MS处理显著低于对照；亮叶桦叶、茎、根C、N浓度及化学计量比在MS处理与对照相比差异不显著；车前草叶C、N浓度和根N浓度表现为MS处理显著高于对照；4种植物叶、根P浓度均表现为MS处理高于对照。在MS处理下，马桑、柳杉、亮叶桦、车前草根对土壤中可利用的Sb、As的生物富集系数（BFA）均大于1，其中对Sb的BFA分别为30.79、9.85、36.98、24.02。[结论]亮叶桦、车前草在锑矿土上具有较强的适应性、养分利用效率和重金属富集能力，可作为锑矿污染地生态恢复的潜在植物材料。

关键词：锑矿山恢复；重金属污染；化学计量；富集转移

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1001-1498（2024）05-0124-12

锑（Sb）、砷（As）是两种有毒准金属元素，长期接触会对人体的各种器官系统造成损害，美国和欧盟已将这两种元素列为优先控制污染物。贵州晴隆锑矿作为中国重要的锑矿资源产地之一，采矿业的发展在带动当地工业经济发展的同时也导致矿区严重的Sb、As污染问题。此外，该地主要为碳酸盐喀斯特地貌，具有表层土壤结构不稳定，地下岩溶管道发达的特点，因此重金属极易通过雨水进入地下水系统，对周围环境构成潜在的生态风险。植物修复是管理金属污染土壤的有效生态策略。前期研究表明，矿区污染地的理想植物应具备重金属耐受性强、生长快、生物量大、根系发达、易于栽培和收获等特性。此外，相比于非乡土植物，乡土植物由于适应当地气候条件，通常会被优先考虑用于矿山修复材料。金属矿山污染地除重金属含量高外，还因土壤结构差、养分缺乏和持水能力有限等问题使得植物修复过程更加复杂。

重金属会对植物根系生长和叶片光合作用产生抑制，导致氮（N）、磷（P）等养分的吸收和分配被扰乱，并影响植物的碳（C）同化和贮藏能力I剐。在植物生长过程中，C是不可或缺的结构元素，N是合成Rubisco的主要元素，P在调节新陈代谢和蛋白质合成过程中发挥重要作用，且元素间相互作用会影响植物的代谢水平。了解植物C、N、P及其化学计量比对重金属污染土壤的响应可以更加清晰植物的生长适应能力。柳杉（Cryptomeria fortunei Hooibr.）、马桑（Coriarianepalensis Wall.、亮叶桦（Betula luminifera H．Winkl．）、车前草（Plantago asiatica Ledeb.）是贵州晴隆锑矿附近常见的4种乡土植物，前期研究表明：亮叶桦、马桑、车前草是破坏立地自然演替初期的先锋乔、灌、草植物，柳杉可作为植物修复材料用于炼锌废渣堆场生态修复，也是中国亚热带地区常见造林树种。鉴于此，本研究以马桑、柳杉、亮叶桦、车前草为实验材料，研究其对锑矿土的耐受性及对Sb、As的积累潜力，旨在为西南锑矿污染区快速生态恢复寻找合适的植物材料。本文拟解决以下科学问题：（1）锑矿土对不同乡土植物的生长以及各器官C、N、P含量变化与分配的影响？（2）不同乡土植物在锑矿土中的金属富集和转sxoKvnRkH4shN9hbdXXQilzt4INTIr1CsZYepVYvOxA=移能力差异？研究结果将为锑矿区的生态恢复与重建提供坚实的技术支撑和理论指导。

1 材料和方法

1.1 实验材料

实验锑矿土来自晴隆大厂锑矿尾矿渣（25°67＇32＂N，105°17＇23＂E），非矿土取自晴隆锑矿周边山地，土壤类型为黄壤，是贵州喀斯特地区典型土壤，土壤基本理化性质如表1所示：矿土的总Sb为28.07 g·kg-1、总As为0.94 g·kg-1，远超于贵州省Sb、As的背景值的2.24 mg·kg-1、20 mg·kg-1。但是，土壤的有效Sb、As含量低，矿土有效Sb、As分别为13.45 mg·kg-1和14.24 mg·kg-1。根据全国第二次土壤普查数据可知，锑矿土和非矿土有机质含量丰富，锑矿土N含量为缺乏，非矿土P含量为适中。供试植物材料马桑、柳杉、亮叶桦和车前草均取自贵州普定石漠化生态系统国家定位观测研究站的育苗基地（26°16＇50＂N，105°45＇47＂E），种植前马桑、柳杉、亮叶桦、车前草株高分别为9.53±1.75 cm、51.67+4.73 cm、46.00+3.56 cm、4.92+0.75 cm，柳杉、亮叶桦地径分别为5.19±0.49 cm、3.06±0.45 cm，马桑、车前草冠幅分别为40.75±5.55 cm、14.81±2.16 cm。

1.2 实验方法

本实验于2021年6月1日至2022年10月1日（总历时16月）在贵州普定石漠生态系统国家定位观测研究站温室内进行，共设置两个处理：锑矿土（MS）和非矿土（NMS），其中NMS为对照。实验前将锑矿土和非矿土表层土壤（0～20cm）运回温室，自然风干1个月后装盆，每盆2.5kg土壤。2021年6月1H，将4种植物带土球运输大棚，去除根系原有土壤，用蒸馏水冲洗干净，放人500 mg·kg-1ABT生根粉溶液中浸泡5 min，最后移栽到塑料花盆中。每个处理9盆植物，每盆1株、一共72盆。

1.3 指标测定

生物量测定：植株分地上、地下部分进行收获，将植物根系黏附土壤用自来水洗脱后，再用去离子水整株洗净并用滤纸吸干表面水分，随后放人105℃烘箱中杀青30 min，60℃烘干至质量恒定，测定生物量。

叶片形态指标：每处理随机选取3株进行测量，每株亮叶桦、马桑在相同部位随机选择5枚，柳杉、车前草则分别选取30和3枚叶片用于形态指标的测定。使用ImageJ - win64软件（NationalInstitute of Health，Bethesda，ML）测量叶面积（LA）。60℃下烘至质量恒定，称其干质量（DW）。

光合参数和叶绿素相对含量（SPAD）：选择晴天09： 00-11： 00，利用二氧化碳气体交换和荧光系统（Li-6800，Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA）和多相闪光技术荧光叶室（Li-Cor部件号6800-01A，叶室面积2 cm2）测定植物叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间二氧化碳浓度（Gi）。每处理选择3株植物，每株选取3片簇叶片测定。其中，亮叶桦测定叶片部位为植株顶部从上往向下数第4-8片，柳杉为从上向下数第3、4个枝条第2-3个分叉最外端新发枝。Li-6800光合仪设定通过叶室的光照强度为800μmol·m-2·s-1（内置红蓝光源），空气流速为500 umol·s-1，CO2浓度为400 umol·mol-1，泵速设定为10 000 rpm。由于柳杉叶片面积较小，没有填满叶室，每次测完数据后，需利用Image J软件算出试验叶片面积，随后校正气体交换参数。叶绿素相对含量叶片选择方法与光合参数测定一致，使用叶绿素检测仪（SPAD-502，KONICA MINOLTA，Japan）测定SPAD，

Sb、As和C、N、P含量的测定：将马桑、柳杉、亮叶桦分成叶、茎、根3部分，车前草则分成叶、根两部分，使用球磨仪（Retsch MM400，GER）进行粉碎。Sb、As和P的含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES，ThermoFisher CAP 7400，Germany）测定，使用体积比为5：1的硝酸和过氧化氢作为消解液。C、N含量采用Vario Max Cube有机元素分析仪ElementarCor.，Germany）测定。

1.4 数据处理与分析

植物在锑矿土的生长能力使用耐受指数（Tl）Wilkins来评估：

Tl=TBt/TBe（1）

式中，TBt和TBc分别为锑矿土和对照土中植物生长16个月的总生物量。

植物对土壤中有效态和总量重金属提取效率分别用生物富集系数（Bioaccumulation factor）

BFA和BFT表示，植物根部重金属转运到叶片的能力用转移系数（Transferfactor，TF）表示：

BFA= Cho/Csa（2）

BFT= Cho/Cst（3）

TF= Cl/ Cr（4）

式中，Cho、Csa、Cst分别为不同植物器官的金属浓度、土壤的有效态金属浓度和土壤总量重金属浓度，Cl和Ct分别为植物叶和根的金属浓度。

考虑到不同植物Sb、As、C、N、P对照具有异质性，因此锑矿土对不同植物Sb、As、C、N、P化学计量的影响程度利用响应比（Responseratio，RR）进行衡量：

RR=lnXt - InXG（5）

式中，Xt和XG分别为锑矿土和非矿土处理下植物各参数的值，同时计算RR的95%置信区间。如果RR＞0且95%置信区间不包括0，则表明锑矿土对植物的Sb、As、C、N、P、C/N、C/P、N/P有显著正效应；如果RR＜O且95%置信区间不包括0，则表明锑矿土对植物的Sb、As、C、N、P、C/N、C/P、N/P有显著负效应。

本实验采用Excel进行数据整理，用SPSS26.0软件进行显著性分析。其中，采用独立样本T检验或单因素方差分析（Dunncan）比较各处理之间的显著性（p＜0.05）。全文图片使用Origin2023进行绘制。所有数据结果采用平均值±标准差（n=3）表示。

2 结果与分析

2.1 锑矿土对4种植物叶片形态及生物量影响

由图1和表2可以看出，锑矿土对四种植物的生物量积累和叶片形态有不同的影响，主要分为两类。第一类为锑矿土对植物生长无显著影响。与对照相比，MS处理下亮叶桦和车前草地上生物量、地下生物量、总生物量、叶面积、叶干质量差异不显著。第二类为锑矿土对植物的生长有消极影响。柳杉的地上生物量、地下生物量、总生物量、叶面积、叶干质量表现为在MS处理显著低于对照，分别降低了51.48%、63.13%、54.52%、25.00%、30.77%。与对照相比，马桑地上生物量、地下生物量、总生物量在MS处理下照显著降低，下降范围为：28.48%～38.57%。种植在MS中的四种植物的T1差异显著，从大到小依次为：车前草（123.57%）＞亮叶桦（92.12%）＞马桑（67.54%）＞柳杉（45.49%）。

2.2 锑矿土对4种植物SPAD及光合参数影响

如表3所示，亮叶桦、车前草的SPAD和3项光合指标（Pn、Gs、 Ci）在MS和NMS处理间差异不显著。与对照相比，MS处理下的柳杉SPAD、Pn、Gs、Ci、Tr分别显著降低了21.78%、42.98%、40.00%、4.63%、40.24%。马桑的Pn、Ci均表现为在MS处理相比对照显著降低，分别减少了34.03%和4.58%。

2.3 锑矿土对4种植物C、N、P浓度及化学计量特征影响

如图2所示，MS处理木本植物茎C浓度显著高于叶和根，叶N、P浓度显著高于茎和根；车前草C、N、P浓度表现为叶大于根；马桑、柳杉C：N、C：P比表现为茎大于叶和根。4种植物在MS处理下叶和根N：P范围为3.87～12.40。

如图3所示，不同植物叶、根C、N、P浓度及化学计量对锑矿土的响应具有差异。与对照相比，MS处理显著降低了马桑叶N浓度，但对马桑根N浓度影响不显著。与对照相比，MS处理的柳杉根C、N和叶N浓度分别显著下降了63.85%、42.48%和31.27%，叶片C浓度显著增加了2.43%。亮叶桦叶、根C、N、P浓度表现为MS处理相比对照差异不显著（亮叶桦叶P浓度除外）。车前草叶、根C、N、P浓度表现为MS处理显著高于对照（车前草根C浓度除外）。与对照相比，MS处理显著增加了马桑、柳杉的叶C：N，分别增加了25.38%、33.68%，显著降低了车前草的叶和根C：N，以及柳杉的根C：N。马桑、柳杉、车前草的叶、根以及亮叶桦的叶C：P均表现为MS处理显著降低于对照，其中马桑、柳杉、车前草的根C：P在MS处理相比对照分别减少了73.18%、106.34%、37.27%。马桑和柳杉的叶和根以及亮叶桦的叶N：P表现为MS处理显著低于对照。MS处理下车前草的叶N：P相比对照增加了9.23%，根N：P相比对照减少了18.2g%。

2.4 4种植物各部位Sb、As含量及富集、转移能力差异

如图4所示，MS处理下4种植物叶、根Sb浓度高于As浓度。如图5所示，柳杉的根As浓度在MS处理下相比对照显著降低了50.78%：马桑、亮叶桦、车前草的根As浓度则均表现为MS处理显著高于对照，MS处理相比对照分别增加了107.47%、95.23%、70.74%。此外，4种植物叶、根Sb浓度在MS处理下相比对照显著增加，其中柳杉根Sb浓度增加了312.73%。

如图6所示，在MS处理下，除柳杉叶片对土壤有效态As的富集系数BFA小于1外，4种植物叶和根对Sb、As的BFA均大于1，其中马桑、柳杉、亮叶桦、车前草根对Sb的BFA分别为30.79、9.85、36.98、24.02。但植物不同器官对土壤重金属总量富集系数BFT均小于1。植物对重金属的转移能力如图7所示，MS处理下柳杉对Sb、As的TF为分别1.96、0.20。马桑、亮叶桦、车前草对Sb、As的TF均小于1。

3 讨论

3.1 4种植物在锑矿土中的生长适应性

植物对重金属污染土壤耐受性的差异会导致植物出现不同的生长响应，生长迟缓是植物遭受胁迫后最直观的表型特征。从结果可知，MS处理下亮叶桦、车前草的生物量、SPAD、净光合速率与对照相比无显著差异，而MS处理对柳杉和马桑的生物量、SPAD、净光合速率有显著的负效应（表2、3），表明亮叶桦和车前草对锑矿土的适应能力更强。叶片是植物进行光合作用的主要器官，柳杉的叶干质量、叶面积在MS处理下相比对照显著降低（表2），表明重金属会诱导叶片发育得更薄、更小，单位面积叶片叶绿素含量降低，进而对柳杉光合作用产生不利影响。目前普遍认为气孔限制和非气孔限制是植物光合速率降低的两个主要因素，判断的依据是Ci和Gs变化方向：Gs降低同时Ci降低为气孔限制，否则为非气孔限制。本研究中马桑Ci、Pn下降，Gs差异不显著，表明马桑光合速率受到抑制的主要原因是非气孔因素，玉米（Zea mays Linn.）在干旱胁迫下也发生类似的光合抑制；柳杉Gs、Ci、Pn下降，表明柳杉叶片气孔关导致吸收的C02含量减少，进而光合速率降低。耐性指数T1可综合反应植物对重金属耐性的大小。根据Lux等对于植物耐性的区分，T1＞60%为高耐受性，进一步分析可知马桑、亮叶桦、车前草T1均大于60%，在锑矿土上表现出较好的耐受力，而柳杉T1为45.49%，对锑矿污染土壤较为敏感。

C、N、P作为植物生长的所必需的大量元素，其含量变化体现了植物对环境的适应特征。碳水化合物是植物生长发育的能量基础，根据其功能可分为两大类：以木质素和果胶等为主的结构性碳和以水溶性糖为主的非结构性碳。重金属与果胶结合可以降低重金属进入植物细胞的可能性，而可溶性糖能够调节因重金属胁迫而导致的细胞渗透紊乱。本研究中，重金属促进柳杉叶C浓度的同时显著抑制根C浓度（图2、3），说明重金属可能影响柳杉体内C循环，导致柳杉难以向根系运输更多的C来满足生长和抵御金属胁迫的需要；此外，MS处理下柳杉叶、茎、根N浓度显著低于对照（图2、3），结合锑矿土的有效Sb、有效As显著高于对照，TN显著低于对照的土壤条件（表1），由此可知锑矿土低N、高重金属的环境条件严重扰乱了柳杉对N元素的吸收和分配。马桑根系N浓度表现为MS处理与对照无显著差异，但叶片N浓度在MS下相比对照显著降低（图3）。推测是马桑和豆科植物一样，通过根瘤菌固氮保证根系N的吸收，而叶片N含量的减少可能是植物为抵御重金属，大量的N投入到Rubisco酶的合成，以缓解重金属对光合结构的伤害。P有助于根系的发育和植物的生长。本研究中马桑、柳杉、车前草叶、根P浓度相比对照显著升高（图3），其他学者也观察到类似的现象，原因可能是锑矿土P含量丰富，也有可能是Sb、As胁迫作为环境信号，激活了重金属抗性防御系统，植物通过在根和叶中储存更多的P来满足相关抗氧化酶的合成。

前期大量研究表明，胁迫环境会引起植物资源受限，而相对应的，植物通过提高对有限资源的利用效率来调节自身养分分配以适应恶劣的外界环境。本研究中马桑、柳杉茎中C：N、C：P高于其他器官（图2），这种差异可能是由于更多的N、P被分配给活性器官，以满足植物生长发育的需求。茎主要负责支撑和贮藏，因此，碳水化合物含量高；叶作为光合作用的主要场所，需要充足的N和P来合成各种酶进行生物化学反应；根系是植物从土壤中汲取营养物质的重要器官，通过吸收N、P元素以支持新陈代谢，并将多余的N、P转移到叶片。亮叶桦不同器官C、N浓度及化学计量比在MS处理与对照相比变化幅度小（图2、3），表明亮叶桦在矿区恶劣环境中具有较强的维持养分平衡的能力。Aagren等研究发现，C：N、C：P可直接影响植物生长速率，C：N、C：P越低，植物生长越快。本研究结果表明，车前草叶、根N浓度相较对照显著上升（图2、3），同时，根C：N、C：P相较对照显著降低。由此可知，车前草在应对胁迫时倾向于采取快速获取资源、促进自身生长的策略，以减轻重金属对自身的毒害。目前普遍采用N、P阈值来判断植物生长的养分限定状况，依据14/16阈值假说，本研究发现，4种植物在MS处理下不同器官的N：P比均低于16（图2），表明锑矿土下4种植物受到N的限制，此外，锑矿土中N元素含量缺乏，因此适量N肥的施用可能有助于缓解营养元素的限制。

3.2 四种植物对锑矿土的重金属富集0和转移能力

重金属可通过共质体、质外体等途径从土壤进入植物体，且不同植物对重金属的吸收和富集能力存在差异。马桑、柳杉、亮叶桦、车前草根对土壤中可利用的Sb、As的富集系数（BFA）均大于1，其中对Sb的BFA分别为30.79、9.85、36.98和24.02（图6），表明植物对土壤中可利用的Sb、As均具有较强的富集能力。但由于锑矿土重金属的生物利用度较低，植物整体上对Sb、As的吸收率低。通常来说，在成熟叶片中，Sb浓度大于150 mg·kg-1对植物产生毒害。从结果可知，4种植物叶片Sb含量均超过毒害限定范围（图4）。其中，柳杉叶片Sb浓度最高，达到259.55 mg·kg-1。MS处理下柳杉对Sb的转移系数大于1（图7），说明柳杉倾向于将Sb转移到叶片。结合柳杉光合能力受到抑制和生长减缓，我们推测柳杉叶片受胁迫后，产生的氧化应激、渗透调节、金属螯合等解毒机制不足以消除Sb对其的伤害。本研究中柳杉根As含量表现为锑矿土低于对照，但Sb含量表现为锑矿土高于对照（图5），分析原因可能是Sb、As同属第五主族元素，价态同为Ⅲ价和V价，类似的化学性质导致他们进入植物体内所依靠的转运蛋白相似，转运途中可能因占用共同的转运通道而发生竞争，而植物存在最大金属吸收值，故而可能会出现锑矿土处理下柳杉根Sb浓度显著高于对照，根As浓度显著低于对照的现象。马桑和亮叶桦在MS处理上根Sb、As浓度显著高于叶片（图5），表明马桑和亮叶桦在重度污染条件下更倾向于将重金属囤积在根部，减少重金属对茎叶的损伤，这种策略可能和细胞壁对重金属的螯合以及细胞区室化有关。Baroni等人发现长叶车前草（Plantago lanceolata Linn．）根部Sb浓度为1150 mg·kg-1，高于1000 mg·kg-1，是潜在的Sb超累积植物。然而，本研究中车前草根部Sb浓度仅为323.01 mg·kg-1（图4），造成这种现象的原因可能是土壤Sb污染程度的高低：长叶车前草污染土壤可交换性Sb含量达到139 mg·kg-1，而本实验中土壤有效Sb含量仅为13.45 mg·kg-1。另外，植物品种不同也会在一定程度影响车前草富集能力，在铅锌矿砂中不同栓皮栎（Quercus variabilis BI.）家系研究中也发现类似现象。

由于本实验锑矿土重金属生物利用度低，因此筛选的修复植物材料除了考虑植物富集重金属的能力，还应注重其对金属的固定能力。与草本植物相比，木本植物具有更加发达的根系和更大的生物量，在维持植物群落稳定、固定深层土壤重金属以及防治细沟侵蚀和水土流失方面具有更大的优势。本实验中的亮叶桦虽然在NMS和MS上总生物量虽然仅有12.59 g和11.60 g（表2），但盆栽容器的大小可能是生物量限制的重要因素之一。前期研究发现亮叶桦幼苗生长呈现“慢-快-慢”的节律，3年生野生亮叶桦平均树高、地径、冠幅分别为4.3 m、4.45 cm、2.37 m，此外，亮叶桦在锑矿土中对Sb、As的转移系数均小于1（图7），在一定程度上减轻了植物落叶对土壤造成的二次污染。

4 结论

锑矿土处理下的4种植物表现出不同的生长响应和重金属富集能力。其中，亮叶桦和车前草的生物量、光合参数及C、N、P浓度受锑矿土影响较小，表现出对锑矿土较强的耐受性及维持体内养分平衡的能力。马桑和柳杉的C或N浓度受锑矿土的显著负面影响，且其光合参数和生物量也受到抑制作用。马桑、亮叶桦、车前草的根对土壤可利用Sb和As的生物富集系数较大（Sb＞20，As＞1），表明其对土壤Sb和As具有一定的吸收能力。鉴于柳杉、马桑、亮叶桦和车前草对锑矿土污染的适应和金属富集能力，因此亮叶桦和车前草可作为西南锑矿污染区锑砷污染土壤修复的植物材料。

（责任编辑：张研）

基金项目：国家重点研发计划项目（No.2020YFC1807704）