不同栓皮櫟家系對重金屬的耐性和富集特性

施 翔，王樹鳳，陳益泰，安 然，徐琴娣，孫海菁

(中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江省林木育種技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311400)

重金屬土壤污染是引起人類健康和生態系統嚴重關注的主要環境問題之一[1]。由于重金屬對動物和人類具有致癌和致突變作用[2]，必須對土壤中的大多數污染物質進行清除，并盡量減少潛在有毒元素進入食物鏈[3]。土壤中重金屬的主要人為來源為采礦業[3]。通常礦物加工會產生大量廢棄物，大多數廢棄物被認為是有毒或有害的[4]。廢棄的金屬尾礦地區普遍嚴重缺乏植被[5]，并導致了嚴峻的環境問題。因此，對廢棄尾礦區域進行環境治理是十分緊迫的課題。

篩選合適的植物是能否在廢棄尾礦庫成功進行植物修復的一個關鍵因素[6]。與草本植物相比，木本植物特別是速生木本植物具有生物量大、根系發達的特點[7]，并在一定程度上有能力富集重金屬[8-9]。栓皮櫟（Quercus variabilisBl.）為殼斗科（Fagaceae）櫟屬（QuercusL.）高大落葉喬木，在我國分布廣泛，是重要的鄉土樹種。研究表明栓皮櫟適應性強，具有一定的重金屬積累能力[10]。本項目組前期的盆栽試驗結果也表明栓皮櫟在重金屬脅迫下有較好的耐性。目前關于該樹種在廢棄尾礦區對重金屬吸收積累的研究較少。因此，本研究選擇栓皮櫟為試驗材料，探討其在鉛鋅尾礦環境下對重金屬吸收積累特性的差異，以期篩選出具有土壤修復潛力的植物材料，為尾礦庫植被恢復技術的實施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于浙江省杭州市富陽區（30°07′42″N, 119°50′39″ E），屬亞熱帶季風氣候。鉛鋅礦砂樣品采集自表層（0～30 cm），其中鎘、鉛、鋅和銅濃度分別為28.5、2380.0、2495.0 和117 mg·kg?1；有效磷、水解氮和速效鉀濃度分別為1.0、15.9 和40.9 mg·kg?1；pH 值7.84。通過計算內梅羅綜合污染指數來評價鉛鋅礦砂污染程度，其綜合污染指數為21.38，達到重污染水平。

1.2 供試植物

栓皮櫟種子分別采集自山東泰山（36°12′40″ N,117°07′13″ E）和徂徠山（36°03′56″ N, 117°14′54″E），其中包括泰山3 個家系（T2、T7 和T8）以及徂徠山1 個家系（J5）。采種母樹生長正常，無病蟲害。2014 年播種，播種基質為珍珠巖∶泥炭 =1∶3。2015 年5 月選取生長一致的各家系1 年生容器苗（平均苗高35～40 cm）進行試驗。

1.3 研究方法

在試驗點開挖寬約18 cm、深20 cm 種植溝，溝內種植容器苗。株行距為2 m × 2 m。按照隨機區組設計，栓皮櫟每個家系1 行10 株，重復3 次。2016、2017 和2018 年春各進行平茬1 次。2018 年9 月對參試材料進行破壞性取樣進行生物量、養分和重金屬含量分析。

1.4 測定項目和方法

1.4.1 苗高和地徑 試驗結束后用卷尺測量每株栓皮櫟苗高。用游標卡尺按同一方向測定每株栓皮櫟地徑。

1.4.2 生物量 樣品收獲后，將其分為葉片、莖和根系3 部分。根系用去離子水沖洗3 次后用5 mmol·L?1Ca(NO3)2浸泡。所有樣品經105℃殺青30 min，75℃烘干3 d 后稱量。

1.4.3 元素含量 樣品烘干粉碎后過篩，稱取0.2 g。金屬元素濃度根據施翔等[11]方法進行測定。金屬元素含量 = 地上部（根系）重金屬濃度 ×地上部（根系）生物量。植物重金屬富集系數（Bioconcentration factor, BCF）= 植物體內重金屬濃度/土壤重金屬濃度；重金屬轉移系數（Translocation factor, TF）= 地上部重金屬濃度/根系重金屬濃度。植物體內全氮和全磷濃度根據冷華妮等[12]的方法測定。氮（磷）吸收量以每株含量表示。氮、磷利用效率 = 整株生物量/整株氮（磷）吸收量。

1.5 數據處理

各指標數據均利用SPSS 26.0 軟件進行統計分析。采用單因素（One-way ANOVA）和LSD 法進行方差分析和多重比較（α= 0.05）。利用OriginPro 2019 軟件作圖。圖表中數據為平均值 ± 標準差/標準誤。

2 結果與分析

2.1 不同家系栓皮櫟的形態差異

栓皮櫟各家系在鉛鋅礦砂環境中未表現出葉片變黃、萎焉等顯著毒害效應。但參試家系苗高表現出一定差異，其中泰山8 號家系苗高高于其它參試材料，為145.7 cm；徂徠山5 號家系苗高則低于其它家系，僅為110.7 cm（圖1）。各參試材料地徑在鉛鋅礦砂中有同樣表現。徂徠山5 號家系地徑僅為9.8 mm，低于其它家系（圖1）。

圖1 鉛鋅礦砂環境下4 個栓皮櫟家系苗高和地徑Fig.1 Seedling height and ground diameter of four families from Q.variabilis on Pb/Zn mine tailing

2.2 不同家系栓皮櫟的生物量差異

重金屬脅迫下參試栓皮櫟各家系葉片生物量無顯著差異（圖2），其中泰山7 號家系葉片生物量高于其它家系，為15.2 g·株?1。徂徠山5 號家系莖生物量低于其它家系，僅為30.7 g·株?1，其它家系莖生物量無顯著差異（圖2）。徂徠山5 號家系根系生物同樣表現為低于其它家系，為45.8 g·株?1。而泰山7 號家系根系生物量為63.6 g·株?1，高于其它家系。

圖2 鉛鋅礦砂環境下4 個栓皮櫟家系生物量Fig.2 Seedling biomass of four families from Q.variabilis on Pb/Zn mine tailing

2.3 不同家系栓皮櫟對營養元素的利用

重金屬脅迫下，栓皮櫟家系體內營養元素濃度也表現出一定差異（表1）。4 個家系栓皮櫟葉片氮（N）濃度為18.13～20.27 g·kg?1，其中泰山2 號家系葉片N 濃度較高。栓皮櫟莖N 濃度為4.53～6.57 g·kg?1，其中徂徠山5 號家系莖N 濃度最高。方差分析表明徂徠山5 號家系根系N 濃度顯著高于其它家系，為12.22 g·kg?1。各家系N 吸收量無顯著差異，為0.85～1.02 g·株?1。N 利用效率則在家系間差異顯著，為88.8～142.5 g·g?1，其中徂徠山5 號家系N 利用效率最低。重金屬脅迫下，4 個家系栓皮櫟葉片磷（P）濃度為1.28～1.88 g·kg?1，其中泰山2 號家系葉片P 濃度最高。栓皮櫟莖P 濃度為0.69～0.82 g·kg?1，且在家系間無顯著差異。方差分析表明泰山8 號家系根系P 濃度顯著高于其它家系，為1.17 g·kg?1。各家系P 吸收量為0.079～0.119 g·株?1，其中徂徠山5 號家系P 吸收量最低。各家系P 利用效率則表現出相反趨勢，徂徠山5 號家系P 利用效率為1136.5 g·g?1，高于其它家系。泰山2 號家系P 利用效率最低，僅為936.7 g·g?1。

表1 鉛鋅礦砂環境下4 個栓皮櫟家系各器官中氮和磷濃度Table 1 Average N and P concentrations in different organs of four families from Q.variabilis on Pb/Zn mine tailing

2.4 不同家系栓皮櫟對重金屬的吸收與轉運

4 個栓皮櫟家系對不同重金屬的吸收和轉運表現出一定差異（表2）。由表2 可知，4 個栓皮櫟家系體內鉛（Pb）濃度表現為根系 > 葉片 > 莖，而鎘（Cd）濃度則表現為根系 > 莖 > 葉片（徂徠山5 號家系除外）。相比Cd 和Pb，栓皮櫟各家系體內鋅（Zn）和銅（Cu）濃度表現為葉片 > 根系 >莖。研究表明徂徠山5 號家系體內各重金屬濃度最高（葉片Zn 除外）；泰山8 號家系體內重金屬濃度較低（葉片Zn 和莖 Cu 除外）。

方差分析表明泰山8 號家系地上部Cd 和Pb含量顯著低于其它家系，分別為0.020 和0.21 mg。盡管徂徠山5 號家系地上部生物量低于其它家系，但其體內重金屬濃度較高，因而其地上部Cd 和Pb 含量較高，每株分別為0.032 和0.45 mg。各家系地上部Zn 和Cu 含量無顯著差異，每株分別為2.02～2.72 mg 和0.36～0.41 mg，其中徂徠山5 號家系體內含量最低。泰山8 號家系根系各重金屬含量均低于其它家系，Cd、Pb、Zn 和Cu 含量分別為0.033、0.92、2.19 和0.29 mg。

表2 鉛鋅礦砂環境下4 個栓皮櫟家系各器官中重金屬濃度Table 2 Average heavy metal concentrations in different organs of four families from Q.variabilis on Pb/Zn mine tailing

由圖3 可知，徂徠山5 號家系各重金屬富集系數（BCF）均最高，表現出較強的重金屬富集能力。泰山8 號家系各重金屬BCF 值均低于其它家系，較難富集各重金屬。通常各家系較容易富集Cu，而較難富集Pb。參試材料重金屬BCF 值均小于0.100，特別是鉛BCF 值均小于0.012。栓皮櫟家系對各重金屬表現出不同的轉移能力（圖3），其中徂徠山5 號和泰山2 號家系對Cd 和Pb 有較強的轉移能力。泰山2 號家系對Zn 的轉移能力較強，其重金屬轉移系數（TF）為1.06，顯著高于其它家系。泰山8 號和泰山7 號家系對Cu 的轉移能力較強，其TF 值分別為1.16 和1.12?？傮w而言，參試材料較容易轉移Cu 和Zn，較難轉移Pb，其TF 值均小于0.25。

圖3 4 個栓皮櫟家系重金屬富集系數（BCF）和轉移系數（TF）Fig.3 Bioconcentration factors (BCF) and translocation factor (TF) of heavy metals of four families from Q.variabilis

2.5 主成分分析

根據主成分分析（圖4），前2 軸解釋率為85.7%，第1 主成分（PC1）占63.0%，其中高載荷且為正值的指標有植物體內鎘和鉛濃度、莖和根系鋅和氮濃度、葉片和根系銅濃度，為負值的指標為苗高、地徑、莖生物量和葉片磷濃度。說明家系間形態學指標以及莖生物量差異主要由體內重金屬濃度決定。第2 主成分（PC2）占22.7%，其中高載荷且為負值的指標有葉片和根系生物量，為正值的指標有葉片鋅和氮濃度、莖銅和磷濃度。圖4 展示了標準化的主成分得分和各家系所處的位置。從第1 主成分得分排序看，植物體內重金屬元素較高的徂徠山5 號家系得分最高，而體內重金屬濃度較低的泰山8 號家系得分最低。表明植物體內重金屬濃度水平在第1 主成分中起主導作用。從第2 主成分得分排序看，植物地上部磷濃度以及葉片氮濃度較高的家系得分較高，泰山7 號家系體內氮磷濃度相對較低，因此得分最低。表明植物地上部營養元素濃度在第2 主成分中起主導作用。

圖4 鉛鋅礦砂環境下栓皮櫟家系生長和重金屬吸收特性的主成分分析Fig.4 Principal component analysis showing four families from Q.variabilis distributions and relationships between all the variables on Pb/Zn mine tailing

3 討論

3.1 不同家系栓皮櫟對重金屬脅迫的響應

通常植物在高濃度重金屬脅迫下會表現出一定的毒害效應[13]。本研究中4 個栓皮櫟家系在鉛鋅礦砂中未出現顯著毒害效應，表明參試材料對重金屬有較強耐性，也初步說明栓皮櫟是潛在的重金屬耐性植物。研究也發現重金屬脅迫下參試材料苗高、地徑、莖以及根系生物量表現出一定差異，這表明不同家系對重金屬響應有所不同，這可能與其基因型有關。研究也證實來自山東徂徠山地區的栓皮櫟家系苗高、地徑以及整株生物量均小于泰山地區的3 個栓皮櫟家系，表明不同種源的環境可塑性以及種源地環境異質性是造成這種現象的可能原因。本研究表明徂徠山5 號家系在鉛鋅礦砂環境下耐性較弱。盡管如此，徂徠山5 號家系莖和根系氮濃度高于其它家系，這可能是因為其生物量較低，造成養分濃縮，這與李金波等[14]的研究相似。盡管供試礦砂氮磷濃度低，但本研究中4 個栓皮櫟家系仍具有較高氮磷利用效率，特別是磷利用效率高于楓香（Liquidambar formosanaHance）[12]和部分木荷（Schima superbaGardn. et Champ.）種源[15]，這可能是其具有較高重金屬耐性的原因。這與植物耐鋁能力與氮磷利用效率具有一定關聯的結果相似[16]。

3.2 不同家系栓皮櫟對重金屬的吸收與轉移

本研究中參試4 個栓皮櫟家系較難從高濃度鉛鋅礦砂中富集重金屬，這與蔡志全等[10]的研究結果一致。此外本研究中鉛鋅礦砂pH 值為7.84，這可能是參試材料體內重金屬濃度較低的原因之一[17]。但也有研究表明栓皮櫟在銻（Sb）污染土壤中根系Sb 濃度可達1623.4 mg·kg?1[18]。這可能是因為栓皮櫟對不同重金屬的吸收積累有顯著差異。通常重金屬主要賦存在木本植物根系[19]。本研究各參試栓皮櫟家系也有相似表現，其TF 值均小于1.00（泰山2 號家系鋅、泰山7 號和泰山8 號銅TF值除外）。較低的TF 值表明重金屬較難轉運至栓皮櫟地上部，可能是其在重金屬脅迫下的另一種保護機制[20]。與麻櫟（Q.acutissimaCarruth.）[21]相比，栓皮櫟鎘和鉛的TF 值較低，可能與試驗基質不同有關。而在基質相似的鉛鋅礦砂脅迫下，栓皮櫟重金屬TF 值較引種的北美櫟樹（Q.spp.）高（鉛除外），特別是其銅TF 值顯著高于北美櫟樹[11]?？傮w而言，參試栓皮櫟體內重金屬濃度較其它木本植物低[22]，其葉片和莖重金屬濃度通常在植物正常范圍或未達到毒害濃度[23]，這可能是栓皮櫟在本研究環境下無顯著毒害效應的一個重要原因。

研究表明參試栓皮櫟家系體內重金屬濃度較低，但家系間差異顯著。如徂徠山5 號家系體內鎘和鉛濃度較其它家系高。這可能是因為栓皮櫟分布廣泛，加上長期的地理隔離和自然選擇，導致種內分化，從而使得栓皮櫟重金屬積累機制存在自然變異[24]。

3.3 栓皮櫟家系的應用前景

本研究中栓皮櫟各家系生長速度較快，抗性強，根系較為發達，體內重金屬濃度較低。根據Mendez 等[25]的研究，可認為本研究參試的4 個栓皮櫟家系可作為植物固定修復（Phytostabilisation）的參考植物。有研究報道飼料中允許的最大微量元素濃度（干質量）分別為150（鋅）、40（鉛）和1（鎘）mg·kg?1[22]。而本研究參試栓皮櫟葉片生物量分配比例較小，且葉片中重金屬濃度均低于以上標準，因此通過食物鏈向環境釋放重金屬的風險較低。研究也發現栓皮櫟各家系每年生長表現均較為相似，且平茬后的地上部生物量逐年增加。同時栓皮櫟體內重金屬濃度在年度表現上無顯著差異。因此可利用栓皮櫟良好的萌蘗能力，適當密植，提高單位面積生物量，在實現尾礦區綠化的同時逐年去除土壤重金屬。

4 結論

參試栓皮櫟家系在鉛鋅礦砂環境中的生長未受到抑制，這與其有較高的營養元素利用效率以及體內重金屬濃度較低有關。參試栓皮櫟家系的重金屬富集能力較低，富集系數（BCF）均小于0.100；除鉛外，參試栓皮櫟對其它重金屬表現一定的轉移能力。4 個栓皮櫟家系在鉛鋅礦砂中的生長、重金屬積累轉移能力存在一定差異，其中泰山8 號家系重金屬的積累和轉移能力較弱。初步研究表明，參試栓皮櫟家系特別是泰山8 號家系可作為有潛力的污染土壤修復樹種，主要起到植物固定修復作用。今后可通過研究重金屬脅迫下栓皮櫟體內各元素的相互關系來進一步探究其重金屬耐性。