土壤重金屬脅迫對(duì)經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的光合響應(yīng)特征研究

劉建華 朱濟(jì)友 姚姜銘 李夏榕 覃國(guó)銘 于 強(qiáng)

(1.中國(guó)社會(huì)科學(xué)院數(shù)量經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所， 北京 100732； 2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 北京 100083； 3.廣西大學(xué)林學(xué)院， 南寧 530005； 4.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所， 廣州 510520)

0 引言

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組分，也是地球生物賴以生存的重要自然資源之一。近年來(lái)，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，農(nóng)藥和化肥的過(guò)度使用、采礦活動(dòng)、工業(yè)廢水的排放等，使許多重金屬及其化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入農(nóng)田土壤環(huán)境，造成了嚴(yán)重的土壤污染，土壤質(zhì)量每況愈下[1-2]。研究表明，當(dāng)環(huán)境中的重金屬含量超過(guò)臨界值時(shí)，將引起土壤退化等一系列生態(tài)問(wèn)題。土壤中的重金屬不僅嚴(yán)重危害農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)、降低產(chǎn)量和質(zhì)量，甚至最終導(dǎo)致植物死亡，而且由于植物對(duì)重金屬的吸附作用，其將通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，在人體某些重要器官中積累，會(huì)進(jìn)一步危害人類的健康[2-6]。因此，土壤重金屬污染對(duì)農(nóng)作物的影響已成為研究學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。

重金屬是土壤環(huán)境中主要污染物之一。研究表明，土壤環(huán)境污染中的重金屬一般指Hg、Cd、Pb、Hg、As、Cu等生物毒性比較顯著的金屬元素[7]。由于土壤環(huán)境中的重金屬污染具有多元性、隱蔽性、循環(huán)性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，因此受到生態(tài)學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-9]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于重金屬污染對(duì)植物毒害的影響研究已有較多報(bào)道[10]。經(jīng)濟(jì)樹(shù)種是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，而土壤是其賴以生存的重要載體，土壤重金屬污染問(wèn)題將制約經(jīng)濟(jì)樹(shù)種正常的生長(zhǎng)發(fā)育，甚至對(duì)其食用安全性造成巨大威脅[11]。當(dāng)植物生長(zhǎng)在含有重金屬污染的土壤環(huán)境中時(shí)，這些重金屬元素或離子對(duì)植物的毒害主要表現(xiàn)為抑制生長(zhǎng)、葉片病害發(fā)生率提高、光合作用降低等方面[12-14]。其中，重金屬污染抑制、破壞植物正常的光合系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)是其毒害植物的一個(gè)重要機(jī)制[13]。葉片中的葉綠素含量是衡量植物光合作用的重要指標(biāo)，重金屬對(duì)葉綠素合成的影響必然制約其光合作用的正常進(jìn)行[13-14]。盡管重金屬污染對(duì)植物生長(zhǎng)會(huì)造成一定的傷害，但在不同的樹(shù)種間存在較大差異。因此，研究土壤重金屬污染對(duì)不同經(jīng)濟(jì)樹(shù)種光合生理特性的響應(yīng)及其相關(guān)性，可為農(nóng)田土地安全利用及經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的種植管理提供重要借鑒。

基于此，本文以北京市平谷區(qū)3種重要經(jīng)濟(jì)樹(shù)種(核桃樹(shù)、李樹(shù)、桃樹(shù))為研究對(duì)象，隨機(jī)選取60個(gè)采樣點(diǎn)，研究其在不同濃度重金屬(Cr、Pb、As、Cu)污染環(huán)境下的生理生態(tài)響應(yīng)，探討植物對(duì)4種常見(jiàn)重金屬元素脅迫的抗性機(jī)制，旨在為重金屬污染下的植物修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集及重金屬含量測(cè)定

據(jù)北京市平谷區(qū)統(tǒng)計(jì)局2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，平谷區(qū)全區(qū)耕地面積為117.30 km2，占全區(qū)土地總面積的12.37%，園地面積為249.05 km2，占全區(qū)土地總面積的26.27%。選取該區(qū)域普遍種植的核桃樹(shù)、桃樹(shù)和李樹(shù)作為研究對(duì)象。取樣地點(diǎn)位于北京市平谷區(qū)，在園區(qū)中隨機(jī)選擇60個(gè)果園樣地進(jìn)行土壤樣品采集，其中核桃樹(shù)(新豐)、桃樹(shù)(白桃)、李樹(shù)(脆蜜李)園地各20個(gè)，樹(shù)齡為5～6年生，密度約為3 900株/hm2。由于樣地選擇位于同一園區(qū)，保證了經(jīng)濟(jì)樹(shù)種種植經(jīng)營(yíng)和管理的相對(duì)一致性。如圖1所示，在每個(gè)園地設(shè)置20 m×20 m樣地，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，以對(duì)角線取樣法采集表層土樣，3份土壤混合均勻后均分為3份，3個(gè)重復(fù)。土壤除去石礫、植物根系及其他雜質(zhì)后，放在通風(fēng)處自然風(fēng)干備用。重金屬含量測(cè)定采用消煮法，采用ICP-OES7000DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PE，美國(guó))測(cè)定。

圖1 土壤樣品采集方式示意圖Fig.1 Schematic of soil sample collection method

1.2 葉綠素相對(duì)含量測(cè)定

葉綠素相對(duì)含量可以指示植物本身的狀況，是表征植物光合作用的重要指標(biāo)。于2019年8月晴朗天氣10：00—12：00，利用CCM-200 Plus型手持式葉綠素儀(OPTI-Science，美國(guó))測(cè)定葉綠素相對(duì)含量(CCI值)。每個(gè)樣地選擇30株經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，共計(jì)180株經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，每株樹(shù)分東西南北4個(gè)方位選擇30片健康、成熟的葉片，每個(gè)葉片樣本分上、中、下3個(gè)部位測(cè)定一次，取平均值為該樣本的葉綠素相對(duì)含量。葉綠素儀每10 min校準(zhǔn)一次。

1.3 重金屬污染評(píng)價(jià)

重金屬污染評(píng)價(jià)分析采用單因子指數(shù)法，基于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》采用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算(表1)。環(huán)境質(zhì)量指數(shù)公式為

Pi=Ci/Si

(1)

式中Pi——土壤重金屬元素i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，即單因子污染指數(shù)

Ci——土壤重金屬元素i含量(質(zhì)量比)實(shí)測(cè)值，mg/kg

Si——土壤重金屬元素i含量(質(zhì)量比)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 Soil environment quality standard values mg/kg

圖2 果園樣地土壤4種重金屬含量分布圖Fig.2 Distribution diagrams of four kinds of heavy metals in soil of orchard sample plot

內(nèi)梅羅綜合評(píng)價(jià)法同時(shí)考慮了單因子指數(shù)的平均值與最高值(表2)，因此采用單因子指數(shù)法結(jié)合內(nèi)梅羅綜合評(píng)價(jià)法用于評(píng)價(jià)土壤重金屬元素污染水平，計(jì)算公式為

(2)

式中Pn——內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

Pmax——土壤污染物中環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的最大值

Pave——土壤污染物中環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的平均值

表2 土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Assessment standard of Nemerow pollution index for soil quality

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 23.0和Excel 2019分析和處理數(shù)據(jù)，并在Origin Pro8中制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 果園土壤重金屬含量

研究表明，由于土壤重金屬污染的隱蔽性、累積性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，大量重金屬離子從各個(gè)途徑進(jìn)入土壤后較難排出[15]。鉻(Cr)、砷(As)、銅(Cu)、鉛(Pb)作為生物毒性較顯著的重金屬元素，在土地安全利用研究中受到廣泛關(guān)注和重視。由圖2可看出，在不同的樣地中土壤重金屬含量存在較明顯的差異。鉻元素質(zhì)量比范圍為46.23～221.40 mg/kg，平均值為141.20 mg/kg；砷元素質(zhì)量比范圍為4.85～48.28 mg/kg，平均值為21.43 mg/kg；銅元素質(zhì)量比范圍為20.01～37.27 mg/kg，平均值為26.32 mg/kg；鉛元素質(zhì)量比范圍為16.40～41.55 mg/kg，平均值為24.58 mg/kg。

2.2 土壤環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

果園4種重金屬元素單因子污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。結(jié)合表2的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，重金屬元素Cr、As兩個(gè)指數(shù)分別處于0.7～1、1～2范圍內(nèi)，污染等級(jí)分別處于警戒線和輕度污染等級(jí)，這可能與附近黃金尾礦庫(kù)礦石滑坡有關(guān)。總體來(lái)看，Cu、Pb元素污染指數(shù)較低，屬于安全等級(jí)。

表3 調(diào)查樣地重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Risk assessment results of heavy metal pollution in investigation sample sites

2.3 不同土壤重金屬含量下的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉綠素相對(duì)含量

農(nóng)用地中的重金屬主要來(lái)源于大氣沉降、農(nóng)藥與化肥的使用及污水排放等，輸入土壤后，直接參與了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)，并通過(guò)農(nóng)作物的吸收積累在根系、莖稈、葉片、種子和果實(shí)中，嚴(yán)重危害植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育[16-19]。由圖2、3可知，在不同重金屬含量(Cr、As、Cu、Pb)的土壤環(huán)境中，由于重金屬脅迫的復(fù)合影響，3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的葉綠素相對(duì)含量存在較顯著的差異，這說(shuō)明了土壤重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)存在明顯的影響，尤其體現(xiàn)在其光合特性上。由圖4可知，3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的葉綠素相對(duì)含量由大到小依次為李樹(shù)(25.9±6.5)、桃樹(shù)(24.3±7.1)、核桃樹(shù)(18.55±4.8)。

圖3 不同土壤重金屬含量環(huán)境下3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的葉綠素相對(duì)含量Fig.3 Relative contents of chlorophyll of three economic tree species in different soil heavy metal content environments

圖4 不同經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉綠素相對(duì)含量Fig.4 Relative chlorophyll content of different economic tree species

2.4 土壤重金屬含量與葉綠素相對(duì)含量的相關(guān)性

研究表明，土壤中的重金屬離子通過(guò)植物根系吸收后，長(zhǎng)期累積在植物體內(nèi)，從而抑制其生長(zhǎng)代謝、光合作用等一系列生長(zhǎng)生理活動(dòng)[20]。植物的光合作用是保證植物正常生長(zhǎng)最重要的生理活動(dòng)之一，對(duì)植物體內(nèi)的有機(jī)質(zhì)、能量及營(yíng)養(yǎng)的合成和積累具有重要作用[21]。如果植物在光合作用環(huán)節(jié)受到制約，將嚴(yán)重影響和阻礙植物的生長(zhǎng)甚至致其死亡。而葉綠素是高等植物進(jìn)行光合作用必不可少的綠色色素，常用于表征光合能力及水平[21]。由4種土壤重金屬含量與3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉綠素相對(duì)含量的回歸關(guān)系可知(圖5)，植物的葉綠素相對(duì)含量與4種土壤重金屬含量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明重金屬脅迫抑制了植物光合作用的途徑，從而降低了其光合能力，且隨著脅迫強(qiáng)度的增大，對(duì)葉綠素相對(duì)含量的抑制作用越強(qiáng)。

對(duì)土壤重金屬含量與葉綠素相對(duì)含量的Pearson相關(guān)分析可知(表4)，土壤重金屬含量與3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉綠素相對(duì)含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在4種不同重金屬元素脅迫下，3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的葉綠素相對(duì)含量都不同程度地下降。根據(jù)圖5斜率來(lái)看，土壤重金屬?gòu)?fù)合影響程度在不同經(jīng)濟(jì)樹(shù)種中敏感性強(qiáng)度由大到小依次為李樹(shù)、桃樹(shù)、核桃樹(shù)。其中，鉻元素對(duì)3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉綠素相對(duì)含量的影響程度由大到小依次為桃樹(shù)、李樹(shù)、核桃樹(shù)；砷元素對(duì)3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉綠素相對(duì)含量的影響程度由大到小依次為李樹(shù)、核桃樹(shù)、桃樹(shù)；銅和鉛元素對(duì)3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉綠素相對(duì)含量的影響程度由大到小依次為李樹(shù)、桃樹(shù)、核桃樹(shù)。由此說(shuō)明，3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種中，核桃樹(shù)對(duì)土壤重金屬脅迫的抗性較強(qiáng)，李樹(shù)次之，桃樹(shù)較差。

3 討論

Cr、As、Cu、Pb是土壤環(huán)境中常見(jiàn)的重金屬污染元素，當(dāng)重金屬進(jìn)入土壤后被植物吸收，會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)造成一定的毒害作用。葉綠素是植物光合作用正常運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的色素之一，表征了植物的光合能力，甚至影響植物正常的新陳代謝水平，對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要[20]。本研究以北京市平谷區(qū)3種重要經(jīng)濟(jì)樹(shù)種(核桃樹(shù)、李樹(shù)、桃樹(shù))為研究對(duì)象，隨機(jī)選取60個(gè)采樣點(diǎn)研究其在不同重金屬(Cr、Pb、As、Cu)含量污染環(huán)境下的生理生態(tài)響應(yīng)。

表4 3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉綠素相對(duì)含量與土壤重金屬含量的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.4 Pearson correlation coefficient between relative chlorophyll content of three economic tree species and soil heavy metal content

60個(gè)果園樣點(diǎn)的土壤重金屬元素含量存在較大差異。由單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬Cr元素與As元素綜合污染等級(jí)分別處于警戒線等級(jí)和輕度污染等級(jí)，Cu、Pb元素處于安全等級(jí)。總體來(lái)看，兩個(gè)污染指數(shù)由大到小依次為As、Cr、Cu、Pb。不同果園中，土壤重金屬污染程度存在明顯差異，這可能與化肥、農(nóng)藥的施用及周邊黃金尾礦庫(kù)礦土流失有關(guān)。

土壤重金屬脅迫對(duì)北京市3種主要經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的光合作用具有顯著的抑制作用，且抑制效應(yīng)與重金屬含量(脅迫程度)呈正向相關(guān)。當(dāng)土壤重金屬脅迫程度增強(qiáng)時(shí)，3種經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的葉綠素相對(duì)含量均顯著下降，這將大大削弱其光合作用。盡管重金屬脅迫對(duì)植物葉綠素相對(duì)含量具有顯著的影響，但其影響程度在不同的樹(shù)種中存在較大差異。基于光合特性分析，土壤重金屬脅迫的耐受性由大到小依次為核桃樹(shù)、李樹(shù)、桃樹(shù)。葉綠素相對(duì)含量還能很好地表征植物葉片的“綠色程度”，重金屬脅迫下經(jīng)濟(jì)樹(shù)種葉片綠色程度降低可能與其內(nèi)部葉綠素相對(duì)含量的降低有關(guān)，重金屬脅迫抑制了葉片中葉綠素的合成或破壞已經(jīng)合成的葉綠素，進(jìn)而導(dǎo)致葉片“失綠”[20-21]。因此，在今后的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種種植過(guò)程中，可以根據(jù)其對(duì)土壤重金屬脅迫的能力及特征進(jìn)行合理管理。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)果園中土壤重金屬Cr、As元素綜合污染等級(jí)分別處于警戒線等級(jí)和輕度污染等級(jí)，Cu、Pb元素處于安全等級(jí)。總體來(lái)看，單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)由大到小依次為As、Cr、Cu、Pb。

(2)土壤重金屬脅迫對(duì)3種主要經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的光合特性具有顯著的抑制作用，且抑制效應(yīng)與重金屬含量(脅迫程度)呈正相關(guān)。

(3)土壤重金屬脅迫對(duì)植物葉綠素相對(duì)含量具有顯著的影響，其影響程度在不同的樹(shù)種中存在較大差異。其中，以核桃樹(shù)對(duì)土壤重金屬脅迫的抗性較強(qiáng)，李樹(shù)次之，桃樹(shù)較差。