錫礦山重金屬污染區小飛蓬根系構型的差異

羅威宇 杜易桓 周子涵 萬天雪 馬銀花

（湖南人文科技學院農業與生物技術學院，湖南婁底 417000）

礦山開采、金屬冶煉、工業廢渣廢氣是冷水江市錫礦山地區重金屬污染的主要來源。重金屬污染具有污染范圍廣、隱蔽性強、無法自然降解、毒性大和修復治理難度大等特性。重金屬污染一般為復合型污染，單一的重金屬污染非常少[1]。一般來說，當重金屬濃度達到一定數值時，會對植物的生理、生化過程產生阻礙[2]。植物對重金屬的耐受程度是評估植物修復重金屬污染潛力的一個重要參考指標。

小飛蓬（Conyza canadensisL.）屬于一種世界性的雜草，對于Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等重金屬元素都有較強的抗性，能適應多種惡劣的礦區生長環境，常出現在不同礦區修復植物篩選的研究中[3-5]。課題組通過前期對錫礦山的野外實地調研發現，菊科植物小飛蓬在錫礦山污染區生長情況良好，屬于優勢物種，且表現出較強的重金屬污染耐受度。土壤重金屬脅迫會影響到植物根系的形態分布、植物地上部分的生長和生態功能的發揮，而植物根系構型的形態學指標能較好反映根系的生長狀況，在一定程度上體現植物的重金屬污染耐受度。因此，本試驗通過探究錫礦山地區不同重金屬污染程度下小飛蓬根系構型的差異變化，探究重金屬污染對小飛蓬根系生長的影響，評估其重金屬污染耐受性，為今后探索小飛蓬應用于錫礦山土壤重金屬污染的植物修復潛力提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采樣地區為湖南省冷水江錫礦山地區的重金屬污染區；試驗樣本為污染區的土壤樣本、采集的小飛蓬樣本。

1.2 污染區劃分

根據距冶煉工廠和礦物冶煉殘渣的堆積物的遠近劃定污染區。對土壤進行采樣，采樣完成后對土壤進行標記和保存，帶回試驗室后對采樣進行成分分析，以內梅羅污染指數為污染區劃分提供依據。根據土壤分析的結果對采樣區域的污染程度進行排序，之后對污染區域進行污染區劃分，污染區一共劃分為3個區域：輕度污染區、中度污染區和重度污染區（表1）。

表1 采集到小飛蓬的地區

1.3 試驗材料的采樣、處理和分析

在各個污染區的樣方內對所需標本進行采集并進行記錄，保持植株的完整性。根系附帶一定的泥土以保持采集樣本的活性，避免植物干枯，記錄植物的種類、采集數量等。將在樣方內采集到的小飛蓬帶回實驗室，先用清水將小飛蓬根部的泥土清洗干凈，然后用酒精進行清洗，處理時注意保持小飛蓬根系構型的完整度，剪下試驗所需的小飛蓬根系。使用根系分析儀進行分析，對導出數據使用GraphPad Prism 6 軟件進行顯著性差異分析與作圖。

2 結果與分析

錫礦山不同重金屬污染區對小飛蓬根系平均長度、投影面積、表面積、體積、直徑、連接數、節點數和根尖數會產生一定影響。從圖1與圖2中可以得出，隨著土壤重金屬污染程度的加深，小飛蓬的根系長度、投影面積、像素面積、表面積、體積、直徑、連接數、節點數、根尖數和分叉數逐漸增加。與輕度污染區相比，中度污染區小飛蓬的根系長度、投影面積、像素面積、表面積、體積、連接數、節點數和根尖數有增長趨勢但未達到顯著性水平，重度污染區的增加量達到顯著水平（P<0.05）；與輕度污染區相比，中度與重度污染區小飛蓬的直徑、連接數、節點數和根尖數有顯著增加（P<0.05），重度污染區的增加量達到極顯著水平（P<0.01）；生長區污染程度變化與小飛蓬根系交叉數變化并無顯著差異。這說明小飛蓬具有較強的抗逆性，且對重金屬污染具有很好的耐受性。

圖1 不同污染區下小飛蓬的長度（a）、投影面積（b）、像素面積（c）、表面積（d）、體積（e）、直徑（f）

圖2 不同污染區下小飛蓬根的連接數（a）、節點數（b）、根尖數（c）和分叉數（d）

3 結論與討論

錫礦山的優勢種群小飛蓬分布廣泛，抗逆性強，具有強大的繁殖能力、較好的重金屬耐受性，可用于植物修復。如Liu 等[6]對中國湖南省中部的湘潭錳礦土壤和重金屬富集特性進行分析發現小飛蓬對錳富集能力較強。Wei 等[7]研究發現小飛蓬表現出鎘積累特征，可以作為鎘的富集植物。閆寶環等[8]對銅川市三里洞煤矸石堆積地土壤重金屬污染區和草本植物中重金屬含量開展了研究，表明小飛蓬有較強的重金屬富集能力。根據數據分析結果可得出，錫礦山重金屬污染會促進小飛蓬根系構型復雜化，且中度、重度污染區的小飛蓬根系平均長度、直徑、表面積等形態學指標均較輕度污染區高；尤其在重度污染區，小飛蓬通過增加根系生長來抵御土壤重金屬脅迫。植物根系長度、根系粗壯程度與根系構型的復雜度的增加等變化都將更有利于植物對深層土壤營養物質更好地吸收，保持良好生長狀態。可能是因為在達到小飛蓬的重金屬最大耐受度前，小飛蓬能通過調節自身的根系構型來增強環境適應性，從而降低重金屬污染產生的不良影響。如Yu等[9]通過水培試驗發現高濃度的鎘可以誘導小飛蓬幼苗生長，產生大量的蛋白質、氨基酸等物質，并通過滲透調節增強抗逆性，降低重金屬毒性。本試驗能初步說明生長在錫礦山復合污染區優勢物種小飛蓬具有較強的重金屬耐受性，具有應用于植物修復的研究價值和應用潛力。