鉛鎘污染礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物葉表型變異分析及綜合評(píng)價(jià)

曹晶瀟, 陸素芬, 韋巖松, 韋聯(lián)強(qiáng), 黃啟堂

(河池學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院, 河池 546300)

長(zhǎng)期以來(lái)，陸生植物的表型可塑性受到植物生態(tài)學(xué)界的持續(xù)關(guān)注[1]。異質(zhì)性是自然系統(tǒng)的基本特征，表型可塑性是植物適應(yīng)異質(zhì)生境的重要生態(tài)對(duì)策[2-3]。隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染問(wèn)題日益加劇，土壤中重金屬的類型及濃度也表現(xiàn)出異質(zhì)性斑塊狀分布格局[4]。學(xué)者們就異質(zhì)重金屬環(huán)境中植物的生長(zhǎng)發(fā)育及適應(yīng)性開(kāi)展了一系列研究，如異質(zhì)性鉛污染環(huán)境中蛇莓的研究，異質(zhì)性銅污染環(huán)境中苦草的研究，異質(zhì)性鎘環(huán)境中積雪草的研究[5-7]；但大多數(shù)集中在對(duì)入侵植物的研究上，對(duì)非入侵植物研究較少。禾本科植物是一類廣泛分布的植物，具有生長(zhǎng)量大、抗逆能力強(qiáng)等特征，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有土壤污染修復(fù)植物的缺點(diǎn)和不足，是較理想的植物修復(fù)資源[8]。目前對(duì)該科植物進(jìn)行的研究多集中在地域分布、氣候和土壤理化因子所帶來(lái)的遺傳多樣性方面[9-10]，對(duì)土壤重金屬鉛(Pb)、鎘(Cd)污染的地區(qū)仍缺乏足夠的表型可塑性研究。植物葉片在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中對(duì)環(huán)境變化敏感且對(duì)氣候變化的響應(yīng)表現(xiàn)出表型可塑性[11]，葉性狀作為植物的重要特性之一，直接影響到植物的基本行為和功能，能夠反映植物適應(yīng)環(huán)境變化所形成的生存對(duì)策[12]。

廣西西江上游河池地區(qū)鉛鋅作業(yè)密集，包括Pb、Cd在內(nèi)的重金屬污染歷史遺留問(wèn)題突出。在已發(fā)布的報(bào)道中，南丹、環(huán)江等地區(qū)土壤Pb、Cd污染已經(jīng)嚴(yán)重影響人體健康[13-14]。因此，研究以南丹縣車河、茶山、大廠鎮(zhèn)等尾礦庫(kù)周邊自然生長(zhǎng)的3種優(yōu)勢(shì)植物粽葉蘆[Thysanolaenalatifolia(Roxb.)Honda]、類蘆[Neyraudiareynaudiana(kunth.)Keng]和芒草(MiscanthussinensisAnderss)為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析葉性狀的變異情況，以及在重金屬Pb、Cd異質(zhì)環(huán)境中的適應(yīng)性。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法闡明不同植物葉表型變異來(lái)源及綜合適應(yīng)性，為礦區(qū)土壤重金屬污染的生態(tài)恢復(fù)、植物資源開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

研究區(qū)域位于南丹縣大廠、車河鎮(zhèn)礦區(qū)帶，土壤Pb、Cd 均值高達(dá)5 856和91.87 mg/kg[15]，礦區(qū)主要出產(chǎn)銻、鋅、銅等有色金屬。采樣區(qū)域常見(jiàn)植物有棕葉蘆、類蘆、芒草、百背楓、蜈蚣草、五月艾等，多分布在尾礦庫(kù)采樣區(qū)域的斜坡草垛上。各采樣點(diǎn)的基本情況見(jiàn)表1。該地區(qū)土壤中的Pb、Cd含量均顯著高于《土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB 15618—2018)》中對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)篩選值(pH≤5.5、6.5

表1 采樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)

1.2 樣品采集與處理

植物樣品采集：于2018 年 7月，在礦區(qū)采摘3種植物(棕葉蘆、類蘆、芒草)各6個(gè)種群，每個(gè)植物種群隨機(jī)選取外觀無(wú)明顯病蟲(chóng)害6株植株，選取3個(gè)完全伸展沒(méi)有明顯蟲(chóng)害的葉片，總計(jì)324片，剪下置于裝有干燥劑的自封袋中，編號(hào)放入保溫箱(4 ℃，內(nèi)部有冰袋)中保持黑暗環(huán)境，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

土壤樣品的采集：采用“S”型土壤采樣布點(diǎn)法取各植物種群生長(zhǎng)地表層土壤混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室后鋪開(kāi)放置在室內(nèi)，風(fēng)干。采用四分法取樣分別過(guò)100目、60目和20目篩，分別裝封于自封袋中，貼上標(biāo)簽貯存在干燥環(huán)境中，進(jìn)行后續(xù)重金屬Pb、Cd以及相關(guān)理化性質(zhì)的測(cè)定，土壤理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表 1。

1.3 表型性狀的測(cè)定

先用去離子水清洗葉片表面灰塵，再將裝植株的自封袋中充滿水，置于 5 ℃黑暗環(huán)境下儲(chǔ)藏 12 h，取出后迅速吸干葉片表面水分，天平稱重其讀數(shù)即為葉片的飽和鮮重；采用美國(guó) CID公司生產(chǎn)的 CI-300手持式激光葉面積儀對(duì)其葉面積進(jìn)行測(cè)定；將葉片放入60 ℃的烘箱烘干48 h后，取出稱重即為干重。植物比葉面積(SLA)和葉干物質(zhì)質(zhì)量(LDMC)以及變異系數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[16]；采集過(guò)程中，利用不銹鋼直尺分別對(duì)3種植物各6個(gè)種群、每個(gè)種群各6株植株株高進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)3次，測(cè)量精確到0.1 cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

3種植物(粽葉蘆、類蘆、芒草)各種群表型變異特征采用巢式方差分析，計(jì)算各植物種間表型分化系數(shù)(Vst)和變異系數(shù)，具體計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[17]；Vst表示種群間變異占遺傳總變異的百分比，表明表型變異在種群間貢獻(xiàn)的大小。

運(yùn)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行種群間、種群內(nèi)方差分析、皮爾遜相關(guān)性分析，通過(guò)F檢驗(yàn)的Duncan統(tǒng)計(jì)辨識(shí)種群間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種植物各種群表型性狀特征

對(duì) 3種植物各 6個(gè)種群 4個(gè)表型性狀指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及多重比較結(jié)果見(jiàn)表 2。粽葉蘆各種群表型性狀：株高除紅塘、五一種群之間差異不顯著外，其余的種群間差異顯著；葉面積指標(biāo)拉么、三岔河、五一種群之間無(wú)顯著差異，茶山種群與其他 5個(gè)種群間差異顯著；SLA、LDMC 2個(gè)指標(biāo)中黑水溝、紅塘種群不存在顯著差異。類蘆各種群：五一種群株高與其他種群間存在顯著差異，葉面積、LDMC指標(biāo)中五一、黑水溝種群與其他種群差異顯著，SLA指標(biāo)各種群無(wú)明顯差異。芒草各種群：紅塘種群的株高、葉面積與其他 5個(gè)種群差異明顯，茶山、拉么種群的 SLA、LDMC與其他種群差異明顯。

表2 3種植物各種群表型性狀分析

2.2 3種植物各種群表型性狀變異來(lái)源分析

3種植物各6個(gè)種群表型性狀指標(biāo)在種群內(nèi)、種群間方差分量和表型分化系數(shù)情況見(jiàn)表3。就各性狀的平均方差分量而言，3種植物(粽葉蘆、類蘆、芒草)的表型性狀種群間的平均方差分量大于種群內(nèi)，說(shuō)明其表型性狀的種群間變異遠(yuǎn)大于種群內(nèi)變異；3種植物各種群的表型分化系數(shù)結(jié)果顯示：3種植物的表型變異種群間的變異都大于種群內(nèi)的變異，即變異主要存在于不同種群間，種群內(nèi)變異保持得較為穩(wěn)定；3種植物(粽葉蘆、類蘆、芒草)平均表型分化系數(shù)分別為 91.64%、72.24%和83.83%。

表3 3種植物表型性狀的方差分析及表型分化系數(shù)分析

2.3 3種植物各種群表型性狀變異特征分析

3 種植物各種群表型性狀變異系數(shù)見(jiàn)表 4。粽葉蘆各表型性狀種群內(nèi)平均變異系數(shù)為 16.10%，變異幅度為 8.86%～25.43%。株高、葉面積 2個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)大于種群內(nèi)部平均變異系數(shù)，SLA、LDMC變異系數(shù)小于種群內(nèi)部平均變異系數(shù)；由粽葉蘆不同種群間所有指標(biāo)的平均變異系數(shù)可知，拉么、五一種群這2個(gè)種群的變異系數(shù)均大于平均變異系數(shù)，表明拉么種群、五一種群的表型變異和多樣性較為豐富；紅塘、茶山種群的變異系數(shù)比較接近平均變異系數(shù)，表明這2個(gè)種群的多樣性大體一致；三岔河、黑水溝種群的變異系數(shù)小于粽葉蘆平均變異系數(shù)，表明這2個(gè)種群的表型變異較弱，多樣性也較低。

表4 3種植物各種群表型性狀變異系數(shù)分析

類蘆各種群表型變異性狀的種內(nèi)平均變異系數(shù)為 19.31%，變異幅度為 6.46%～34.82%。株高、葉面積 2個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)大于種群內(nèi)部平均變異系數(shù)，SLA、LDMC變異系數(shù)小于種群內(nèi)部平均變異系數(shù)；類蘆各種群間所有指標(biāo)的平均變異系數(shù)(表4)，茶山、拉么種群 2個(gè)種群的變異系數(shù)均大于平均變異系數(shù)，表明這2個(gè)種群的表型變異和多樣性較為豐富；三岔河、五一、黑水溝、紅塘種群的變異系數(shù)小于類蘆各表型平均變異系數(shù)，表明這4個(gè)種群的表型變異較弱，多樣性也較低。

芒草各種群表型性狀在種群內(nèi)平均變異系數(shù)為 22.13%，變異幅度為 11.49%～36.39%。株葉面積的變異系數(shù)大于種群內(nèi)部平均變異系數(shù)，株高、SLA、LDMC變異系數(shù)均小于種群內(nèi)部平均變異系；芒草不同種群間所有指標(biāo)的平均變異系數(shù)可知，拉么、五一、黑水溝 3個(gè)種群的變異系數(shù)均大于平均變異系數(shù)，表明這3種群的表型變異和多樣性較為豐富；茶山、三岔河、紅塘種群的變異系數(shù)小于芒草平均變異系數(shù)(22.13%)，表明這 3個(gè)種群的表型變異較弱，多樣性也較低。3種植物各種群表型性狀平均變異系數(shù)大小排序均為葉面積>株高> SLA> LDMC，說(shuō)明所測(cè)性狀中LDMC這一性狀比較穩(wěn)定。

2.4 3種植物表型性狀與土壤因子相關(guān)性

利用所測(cè)土壤因子與3種植物表型性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表5)表明：粽葉蘆各種群中株高與土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，葉干物質(zhì)質(zhì)量與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤因子對(duì)粽葉蘆表型性狀影響程度有一定差異，按照相關(guān)系數(shù)均值大小依次排列為：土壤總磷>含水量>pH值>總氮>總Pb>全鉀>有機(jī)質(zhì)>總Cd；土壤因子對(duì)類蘆表型性狀影響按照相關(guān)系數(shù)均值大小依次排列為：土壤pH值>全鉀>含水量>有機(jī)質(zhì)>總Cd>總磷>總氮>總Pb；芒草各種群株高與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)、與土壤總磷呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤因子對(duì)芒草表型性狀影響按照相關(guān)系數(shù)均值大小依次排列為：土壤pH值>總Cd>有機(jī)質(zhì)>總Pb>總氮>全鉀>總磷>含水量。

表5 3種植物表型性狀與土壤因子間的相關(guān)系數(shù)分析

3 討論與結(jié)論

3.1 礦區(qū)3種優(yōu)勢(shì)植物的表型變異來(lái)源

種群是生物適應(yīng)環(huán)境的基本單位。一般來(lái)說(shuō)，種群內(nèi)的變異體現(xiàn)種群的穩(wěn)定性，分布在群體間的變異真正反映了群體在不同環(huán)境中的適應(yīng)狀況，其大小在某種程度上說(shuō)明了該生物對(duì)不同環(huán)境適應(yīng)的廣泛程度，即種群間變異越大，該生物適應(yīng)的環(huán)境越廣[18-19]。3種植物(粽葉蘆、類蘆、芒草)表型分化系數(shù)分別為91.64%、72.24%和83.83%，高于珙桐(37%)[20]、北沙柳(26.54%)[21]等自然定居在未受Pb、Cd污染土壤中的植物表型分化系數(shù)，與紅椿(80.73%)[22]、夏蠟梅(89.30%)[23]等植物接近。與自然定居未遭受重金屬污染的植物地理居群相比，3種礦區(qū)植物種群間表型分化水平高，為了應(yīng)對(duì)土壤中Pb、Cd含量的差異，形成了穩(wěn)定表型遺傳特征。原因可能是本研究中的3種禾本科植物地下莖豐富，無(wú)性系繁殖發(fā)達(dá)，相比起異花授粉的植物而言，種群間交流較為容易，種群更新較為快速；其次，地理隔離會(huì)造成種群間交流不頻繁[22]，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，3種植物種群分布距離較近，且由于采樣區(qū)域平均海拔較低，各種群間沒(méi)有高山阻擋，相反那些葉表型變異主要來(lái)源于種群內(nèi)的植物，由于種群分布距離遠(yuǎn)，地理隔離使得種群間表型變異保持在相對(duì)較低水平，而促進(jìn)了種群內(nèi)部的遺傳分化。因此，與那些葉表型分化系數(shù)接近的植物種群相似[22-23]，3種植物種群間的環(huán)境異質(zhì)性程度大于種群內(nèi)，種群間變異是3種植物表型變異的主要來(lái)源。

變異系數(shù)是衡量物種表型性狀變異程度的重要指標(biāo)，值越大，說(shuō)明物種表型變異幅度越大，可以使種群整體更加適應(yīng)環(huán)境的變化[24]。研究中的3種優(yōu)勢(shì)植物的變異系數(shù)變化范圍較大(表4)，說(shuō)明它們?cè)谧匀粭l件下都具有極強(qiáng)的生存和適應(yīng)能力，其中，芒草的變異系數(shù)最大(表4)，就礦區(qū)這種重金屬污染環(huán)境而言芒草的適應(yīng)能力較其他2種植物強(qiáng)，這與田美虹等[25]研究結(jié)果類似。

綜上，研究中的3種優(yōu)勢(shì)植物各表型性狀的多樣性水平高，種群間表型多樣性大于種群內(nèi)，表型變異豐富，反映了3種植物具有廣泛的環(huán)境適應(yīng)性。

3.2 礦區(qū)3種優(yōu)勢(shì)植物葉表型性狀與土壤理化因子的關(guān)系

植物在不同的生態(tài)環(huán)境中，往往會(huì)以不同的形態(tài)適應(yīng)不同環(huán)境，這對(duì)提高該物種的抗逆性和適應(yīng)環(huán)境的能力十分有利[26]。3種植物表型性狀變異分析結(jié)果(表2)顯示相同植物不同種群間性狀差異顯著，說(shuō)明它們對(duì)異質(zhì)環(huán)境的趨異適應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)粽葉蘆、芒草表型性狀與土壤pH值、含水量、TP存在顯著相關(guān)性，推測(cè)長(zhǎng)期生長(zhǎng)在重金屬污染環(huán)境中的植物形成了較強(qiáng)的抗逆性，因此重金屬含量并不是影響礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物適應(yīng)能力的關(guān)鍵因素，相反在重金屬污染下，土壤本身的pH值是影響礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物適應(yīng)能力的關(guān)鍵因素。這可能是因?yàn)橥寥纏H值是土壤化學(xué)性質(zhì)的綜合反映，土壤中各營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化、釋放，鎂、鐵、鈣等微量元素的有效性，有機(jī)質(zhì)的合成與分解、微生物的活動(dòng)以及重金屬生物有效性都與土壤pH值有關(guān)[27]。因此，在考慮對(duì)礦區(qū)重金屬污染進(jìn)行植被修復(fù)時(shí)，比起采用化學(xué)方法降低土壤中重金屬總量而言，調(diào)整土壤酸堿性以及引種抗重金屬能力強(qiáng)且具有土壤改良作用的植物更為重要。類蘆的表型性狀與8個(gè)土壤因子均為無(wú)顯著相關(guān)性，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境因子對(duì)其葉表型影響不大，決定其表型的主要因素可能是其自身遺傳因素。

3.3 礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物適應(yīng)環(huán)境能力比較

SLA和LDMC是葉片最為關(guān)鍵的性狀因子，SLA與植物同化率有著較為密切的關(guān)系，一般而言，SLA 值越低表示該植物本身對(duì)環(huán)境資源的利用能力越強(qiáng)，對(duì)所獲得資源的保存能力也越強(qiáng)，能夠更好地適應(yīng)貧瘠的環(huán)境[28]，LDMC能夠很好地反映植物對(duì)養(yǎng)分的保有能力[29]。對(duì)外界惡劣環(huán)境抵抗能力較強(qiáng)的植物，往往具有較高的資源利用效率(SLA小、LDMC較高)，且對(duì)環(huán)境養(yǎng)分具有較好的保存能力，可通過(guò)慢速的養(yǎng)分循環(huán)來(lái)適應(yīng)環(huán)境；而資源利用能力較差的植物(SLA較大、LDMC較低)，對(duì)外界不良環(huán)境的抵抗能力也較差，此類植物通常具有較高的光合生產(chǎn)能力，可通過(guò)快速的養(yǎng)分循環(huán)來(lái)求得生存[30]。SLA、LDMC兩者體現(xiàn)了植物為獲得最大化碳收獲所采取的生存適應(yīng)策略，是植物適應(yīng)相同或不同生境所體現(xiàn)出的關(guān)鍵特征，能綜合反映植物利用資源的能力，具有重要的生態(tài)學(xué)意義[31]。本研究中的3種優(yōu)勢(shì)植物SLA大小排序?yàn)轸杖~蘆>類蘆>芒草，芒草的SLA值最小，表明芒草在該地區(qū)利用環(huán)境的能力較強(qiáng)，在礦區(qū)土壤重金屬污染適應(yīng)性方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。就本研究中的3種優(yōu)勢(shì)植物而言，芒草表現(xiàn)出相對(duì)最低水平的SLA和中等水平的LDMC；類蘆表現(xiàn)出中等水平的SLA和最大LDMC；粽葉蘆表現(xiàn)出最高水平的SLA和中等水平的LDMC；3種植物都表現(xiàn)出對(duì)礦區(qū)重金屬污染環(huán)境的趨同適應(yīng)。3種礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物L(fēng)DMC值平均值(0.37 g/g)大于滇中巖溶地區(qū)草本植物(0.27 g/g)[28]和科爾沁沙地植物(0.27 g/g)[32]。研究結(jié)果從側(cè)面說(shuō)明土壤重金屬污染地區(qū)植物抵御外界干擾能力強(qiáng)于其他地區(qū)植物，當(dāng)受到重金屬脅迫時(shí)仍能表現(xiàn)出對(duì)養(yǎng)分較高的保有能力，維持體內(nèi)碳同化，保證自身的正常生長(zhǎng)，更好地適應(yīng)污染環(huán)境，這對(duì)土壤重金屬污染生態(tài)恢復(fù)提供了良好的植物資源支撐。

綜合而言，芒草具有最高的資源利用效率，對(duì)外界不良環(huán)境的抵抗能力較強(qiáng)，類蘆次之，粽葉蘆在3種植物中抵抗不良環(huán)境能力最差；芒草在礦區(qū)土壤重金屬污染環(huán)境中表現(xiàn)出適應(yīng)性上的優(yōu)勢(shì)。