廢棄鉛鋅礦復耕栽桑14年后桑樹的鎘富集特征

王 謝，趙 興，上官宇先，林超文，秦魚生，唐 甜，郭海霞，張建華

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，成都 610066; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，成都 610066; 3.成都師范學院，成都 611130 )

【研究意義】土壤重金屬污染問題越來越受到世界的重視[1-4]。隨著采礦業(yè)的迅猛發(fā)展，重金屬污染也在日益加劇[5-6]，礦區(qū)開采會對周圍生態(tài)環(huán)境造成劇烈破壞[7-8]，礦產(chǎn)開采過程中排放的廢渣、廢氣、廢水等重金屬離子污染物會通過未處理排放、地表徑流、大氣沉降和污水灌溉等方式進入礦區(qū)周邊農(nóng)田耕地[9]。廢棄礦區(qū)占用大量的土地資源，采礦作業(yè)使礦區(qū)周圍植被遭到大量破壞，導致水土及礦質(zhì)資源流失，大量土壤資源浪費[10]，同時礦區(qū)周邊土壤重金屬含量高，理化性質(zhì)差，使尾礦廢棄土壤上種植作物極其困難[8]。為了改善廢棄礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境和遏制水土流失，常以復耕的方式進行生態(tài)修復，以期通過種植作物達到降低土壤重金屬含量的作用[11]。作物—土壤系統(tǒng)是重金屬危害人群的關(guān)鍵界面和重要途徑[12]，重金屬污染物富集于污染地區(qū)農(nóng)作物的可食用部分，經(jīng)人采食后進入體內(nèi)，危害人群身體健康[13]。特別是礦區(qū)周圍追求經(jīng)濟效益最大化的農(nóng)戶，在缺乏理論科學的指導下盲目利用礦區(qū)廢棄耕地、不科學地種植作物，導致含量超標重金屬的的作物經(jīng)食物鏈危害人體健康[13]?！厩叭搜芯窟M展】鉛鋅礦是我國主要的礦產(chǎn)資源，關(guān)于鉛鋅礦區(qū)周圍農(nóng)田土壤鎘、鉛等重金屬元素含量超標問題也多有報道[6, 10, 14]，鎘是一種毒性較強的重金屬[15]，它在生物圈中有極難降解、毒性強、遷移性強的特點[16]。桑屬植物為多年生落葉木本植物，在我國西北至新疆、東北至西南各省區(qū)均有栽培，分布極為廣泛[17]，陳朝明等[15]指出在?！Q體系中土壤總鎘含量小于等于40.6 mg/kg時，桑樹生長正?；蚧菊?。Lei等[18]研究指出桑樹地上部分的鎘富集能力與桑樹的種植密度密切相關(guān)。潘雨齊[19]也指出桑樹對重金屬復合污染耐性較強，可以作為一種良好的礦區(qū)污染土壤的修復樹種?！颈狙芯壳腥朦c】目前，對較長時間尺度的大田桑樹富集鎘的研究相對較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究希望通過調(diào)查廢棄鉛鋅礦區(qū)復耕種植的桑樹各組織器官的鎘含量，以期揭示重金屬鎘在土壤—桑樹體系中的轉(zhuǎn)移累積特征，并為探索降低桑樹鎘含量的有效土壤調(diào)控方法，促進礦區(qū)復耕土壤的可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品的前處理和采集

廢棄鉛鋅礦區(qū)位于四川省YB縣，屬南亞熱帶干旱季風氣候?qū)倌蟻啛釒Ц珊庸葰夂騾^(qū)，冬暖、春溫高、夏秋涼爽，氣溫年差較小，太陽輻射強、日照充足、熱量豐富、四季分明。年平均氣溫19.2 ℃，重要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)為蠶桑、水果、蔬菜等[19]。在廢棄礦區(qū)周圍選取6塊樣地(15 m×50 m)作為研究區(qū)，設(shè)置編號為D1～D6，樣地具體空間坐標位置見表1。研究區(qū)土壤總鎘含量的范圍為0.12～0.33 mg/kg，均值為0.22 mg/kg，由《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)(GB15618—2018)》可知，當土壤pH<5.5和5.5

表1 樣地位置和土壤pH、鎘含量

1.2 樣品采集

每個樣地內(nèi)隨機建立3個5 m×5 m的樣方，于每個樣方內(nèi)使用土鉆按照Z形五點取樣法采集0～20 cm表層土壤，采集后按樣方為單元將土樣混合均勻，使用四分法取混合樣1 kg，帶回實驗室后挑除細根、石礫等雜質(zhì)并風干制樣，用于后續(xù)分析。樣品采集于2019年7月10日，分析測試于2019年7月17日至8月9日在四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所實驗室進行。

為精確評估桑樹各部分精細化利用的鎘風險。本研究按照桑樹中草藥的利用方式，分別采集桑葉、桑枝皮部、桑枝木部、莖干皮部、莖干木部、細根、粗根皮部、粗根木部樣品[20]。具體地，在每個樣方內(nèi)隨機選取1株桑樹，即每個樣地選取3株桑樹。每株桑樹隨機選擇3根1年生枝條，分別采集各枝條上的葉片、枝干的皮部和木部樣品。每株桑樹截取約10 cm長的莖干后按皮部和木部分開，桑樹耐剪伐莖干取樣后期桑樹依然可以正常生長。于桑樹樹干基部50 cm圓盤內(nèi)挖取0～20 cm土壤中的根系，將直徑小于2 mm的桑根定義為細根，直徑大于等于2 mm的桑根定義為粗根[21]，并將粗根的皮部和木部分開。將采集后的樣品烘干、粉碎后按樣方混合均勻，用于后續(xù)分析。

1.3 桑樹各組織器官生物量分配

每個樣地選擇具有代表性的1株桑樹，共選擇6株桑樹。對桑樹進行破壞性取樣，獲取整株桑樹的地上部分并挖掘出距離桑樹樹干50 cm內(nèi)、0～100 cm土層內(nèi)的所有根系。將樣品分為桑葉、桑枝皮部、桑枝木部、莖干皮部、莖干木部、細根、粗根皮部、粗根木部后分別稱量鮮重。各部分樣品分別取500 g新鮮樣品帶回實驗，使用烘干法測定各樣品水分含量。

1.4 分析測試

土壤有效鎘、全鎘含量的測定基于《GB/T 17141—1997土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》。桑葉片、枝條皮部、枝條木部、桑粗根皮、粗根木部和細根鎘含量基于國家標準《GB 5009.15—2014食品安全國家標準食品中鎘的測定方法》測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合桑樹各部位的鮮重和水分含量計算各部位生物量，桑樹的總生物量即為各部分生物量之和，各部位生物量與總生物量之比即為桑樹各組織器官生物分配比例。各組織器官鎘含量(mg/kg)與桑樹各組織器官生物量分配比例(%)的乘積即為各組織器官鎘累積量。各組織器官鎘累積量與?？偪傮w鎘累積量的比例即為各部分鎘累積量占比。

采用富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)來確定重金屬在各組織器官內(nèi)的富集能力和轉(zhuǎn)運能力。桑樹富集系數(shù)[22]是指桑樹各組織器官的鎘含量(mg/kg)與土壤中鎘含量(mg/kg)的比值。轉(zhuǎn)運系數(shù)[22]是指桑樹地上部分鎘含量(mg/kg)與桑樹根系鎘含量(mg/kg)的比值。本研究利用各組織器官的鎘的含量除以細根中的鎘含量，表示鎘從桑樹細根轉(zhuǎn)移到桑樹各組織器官的能力。

使用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行整理，數(shù)據(jù)分析基于SPSS 22軟件，部分數(shù)據(jù)使用Origin 9軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 桑樹各組織器官生物量分配

由表2可知，研究區(qū)內(nèi)桑樹各組織器官中生物量分配比例最大的部位為莖干木部，其生物量分配比例為22.39%，是生物量分配比例最低部位莖干皮部的13.57倍。桑樹各組織木部的生物量分配比例都大于與之對應的皮部生物量分配比例，葉片和細根的生物量分配比例分別為11.19%、12.65%，小于桑樹皮部的總生物量配比。

表2 桑樹各組織器官生物量分配比例

2.2 整株桑樹各部位鎘累積量占比

桑樹各部位鎘累積量占比表現(xiàn)為：根系(60.64%)>枝干(枝條和莖干，25.24%)>葉片(14.12%,圖1)。根系鎘累積量中細根鎘累積量占根系總累積量的64.13%，粗根鎘累積量占比為35.87%。枝干鎘累積量約為根系鎘累積量的41.62%。葉片的鎘累積量最少，僅為根系鎘累積量的23.43%。整體來看，桑樹全株鎘的累積量在根系、枝干和葉片上的分配比例約為12∶5∶3。

圖1 桑樹各部位Cd累積量占比

2.3 桑各部位重金屬元素鎘含量的分布情況

由圖2可知，桑樹各組織器官富集鎘的能力存在一定的差異。除與桑枝條皮部富集鎘含量之間差異不顯著外，細根富集鎘含量與其他6個組織器官富集的鎘含量均存在顯著差異(P<0.05)。桑樹細根是富集鎘的主要組織器官，其平均含量為(0.21±0.06)mg/kg，分別是葉片、莖干木部、莖干皮部、枝條木部、枝條皮部、粗根木部和粗根皮部富集鎘的平均含量的2.44、7.76、1.87、14.88、1.63、5.25和2.20倍。桑樹的莖干、枝條、粗根均表現(xiàn)為皮部鎘含量大于木部鎘含量。

圖2 桑樹各組織器官鎘含量

2.4 桑樹對鎘的富集和轉(zhuǎn)運能力

植物對重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)表征植物吸收和轉(zhuǎn)運重金屬的能力，值越大，表示吸收和轉(zhuǎn)運能力越強。由表3可知，桑樹地上部分富集系數(shù)0.29±0.01，只有地下部分富集系數(shù)的54.72%。其中，桑樹細根的富集系數(shù)最大(1.04±0.10)，分別是葉片、枝條皮部、枝條木部、莖干皮部、莖干木部、粗根皮部和粗根木部的1.87、1.19、12.30、1.49、6.55、1.98和4.46倍。同時，各組織器官中，皮部的富集系數(shù)都明顯高于木部。枝條皮部、莖干皮部和粗根皮部的富集系數(shù)分別為0.87±0.04、0.70±0.04和0.53±0.02，而其對應的木部富集系數(shù)分別為0.08±0.01、0.16±0.01和0.23±0.03。

表3 研究區(qū)桑樹樣品的富集系數(shù)

由表4可知，枝條皮部的轉(zhuǎn)運系數(shù)最大(0.62±0.02)，是轉(zhuǎn)運系數(shù)最小部位(枝條木部)的9.18倍。枝條皮部和莖干皮部轉(zhuǎn)運系數(shù)明顯大于枝條木部和莖干木部的轉(zhuǎn)運系數(shù)，這表明鎘在桑樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)運部位主要在皮部中。桑葉片的轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.41±0.02，轉(zhuǎn)運能力強于木部，但弱于皮部。整株桑樹的富集系數(shù)為0.39±0.02，轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.33±0.01，表明桑樹整體對于重金屬鎘的富集能力不強，轉(zhuǎn)運能力較弱。

表4 研究區(qū)桑樹樣品的轉(zhuǎn)運系數(shù)

2.5 桑富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)與土壤有效鎘含量之間的關(guān)系

桑富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)明顯受到土壤有效鎘含量的影響，從圖3可以看出，土壤有效鎘含量較低(小于0.088 mg/kg)的樣地內(nèi)，桑的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)遠大于土壤有效鎘含量較高的樣地。樣地D1土壤有效鎘含量僅為樣地D4土壤有效鎘含量的36%，其區(qū)域內(nèi)桑的富集系數(shù)卻為樣地D4內(nèi)桑富集系數(shù)的4倍；樣地D2土壤有效鎘含量為樣地D4土壤有效鎘含量的58.7%，但該區(qū)域內(nèi)桑轉(zhuǎn)運系數(shù)超出樣地D4內(nèi)桑轉(zhuǎn)運系數(shù)65%。

圖3 桑富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)與土壤有效鎘含量相關(guān)關(guān)系

3 討 論

3.1 桑樹不是鎘的超富集植物

可以特異性超量吸收積累某種重金屬并將其大量轉(zhuǎn)運至地上部分的植物被稱為重金屬元素的超富集植物[23]，判定桑樹是否為鎘的超富集植物有2個標準：①植物地上部分的重金屬含量應達到一定標準，鎘的臨界參考值為100 mg/kg；②植物根系的重金屬積累量必須小于地上部分的重金屬積累量[24]。本研究中的桑樹地上部分鎘含量的平均值為0.37 mg/kg。參考以上標準，研究區(qū)內(nèi)桑樹不是鎘的超累積植物，這與Jiang等[25]的研究結(jié)果一致。在相同土壤鎘含量下，研究桑樹體內(nèi)的鎘累積量分布為：根系>枝干(枝條和莖干)>葉片。總體來看，桑樹全株鎘的累積量在根系、枝干和葉片上的分配比例約為12∶5∶3，鎘主要的富集吸收發(fā)生在根系，同時，研究區(qū)桑樹整體對鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，表明桑樹對于鎘的吸收轉(zhuǎn)運能力不強。

3.2 細根是桑樹富集鎘積累量最大部位

植物細根有著巨大的吸收表面積，是植物吸收水和營養(yǎng)的主要界面，同時對植物養(yǎng)分循環(huán)和碳分配起著重要作用[22]。本研究發(fā)現(xiàn)細根是桑樹富集鎘的主要部位，積累量最大。這與陳朝明等[26]的研究結(jié)果一致。土壤中的鎘大部分與其他無機或有機組分發(fā)生沉淀、絡(luò)合、吸附等作用，形成磷酸鹽、碳酸鹽、有機質(zhì)硫化物結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)等形式，只有少數(shù)以離子交換態(tài)和水溶態(tài)形式存在的鎘可被植物吸收[27]。鎘元素為一種植物的非必需元素，但部分游離態(tài)的鎘可以借用植物體內(nèi)特異度較低的元素如鐵、鈣、鋅等的離子通道并與鐵、鈣、鋅等元素的轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)合，以共質(zhì)體途徑進入根表皮細胞[28]。植物根部呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳和水會生成碳酸，而碳酸能夠解離出氫離子和碳酸氫根離子，氫離子會與土壤中的鎘離子迅速的發(fā)生吸附交換，使大量的鎘離子聚集在植物根細胞表面，最終以質(zhì)體途徑進入根表皮細胞[29]。另外植物根部會分泌如麥根酸等小分子化合物來提高土壤中離子的利用率，而鎘能與這類小分子物質(zhì)螯合成金屬配合物，最終使鎘以螯合物的形式通過yellow-stripe 1-like蛋白進入根細胞[30]。

3.3 桑樹莖干和枝條中鎘富集受阻

土壤中鎘進入植物體內(nèi)是一個不需要結(jié)合部位的選擇性過程[31]，一般來說植物體內(nèi)富集鎘的含量是根>莖>葉>籽實[32]。本研究發(fā)現(xiàn)桑樹根系富集吸收的鎘只有少量會向莖干和枝條轉(zhuǎn)移，這反映了鎘元素在植物體內(nèi)的運輸和分配規(guī)律。鎘由根皮進入根木部的過程中，鎘會經(jīng)過質(zhì)外體和共質(zhì)體兩種途徑從皮部進入木部，但在質(zhì)外體途徑中，鎘在向中央皮層擴散時會受到凱氏帶的阻隔，凱氏帶猶如閥門控制物質(zhì)進出[33]，而Cd2+是很難穿過凱氏帶的，因此Cd2+進入細胞中央皮層的運輸主要是由凱氏帶未完全形成植物幼根來進行[31]，已經(jīng)形成凱氏帶的老根，Cd2+難以穿越凱氏帶，只能通過共質(zhì)體途徑進入導管細胞。桑樹根部積累的鎘由根木部向地上木部運輸?shù)倪^程，主要木質(zhì)部裝載的長距離運輸進行[34]。植物根部具有轉(zhuǎn)運Cd2+活性的轉(zhuǎn)運蛋白促進Cd2+經(jīng)共質(zhì)體途徑向木質(zhì)部裝載、運輸，而后由蒸騰作用向地上部遷移[35]，植物木質(zhì)部主要從下往上運輸水和無機鹽，但由于木質(zhì)部大多數(shù)細胞為死亡的木質(zhì)化細胞，無生理活性，且鎘在根系木質(zhì)部的累積有限，這也解釋了莖干和枝條中鎘含量較低的原因。

本研究發(fā)現(xiàn)桑樹各部位皮部鎘的積累量明顯大于木部，外層的皮部積累較多，內(nèi)層的木部積累較少，這與Kenji等[36]以蓖麻為研究材料的結(jié)果一致。共質(zhì)體途徑中鎘利用根細胞膜上通道進入細胞，再利用胞間連絲經(jīng)過皮層、內(nèi)皮層和周鞘最終進入內(nèi)導管細胞向地上運輸，共質(zhì)體途徑中鎘不進入細胞，而是利用細胞間的空隙進入維管束細胞再向地上運輸[37]。而蔡保松和張國平[38]研究認為鎘在植物根部的積累主要質(zhì)外體的細胞壁中，植物細胞初生壁中糖蛋白、纖維素和果膠質(zhì)等結(jié)構(gòu)物質(zhì)形成大小不一的網(wǎng)架(網(wǎng)孔)結(jié)構(gòu)，在較小網(wǎng)孔處，帶正電的Cd2+被細胞壁中的帶負電的親鎘物質(zhì)所吸附，同時，果膠質(zhì)中的羧基基團有著交換離子的作用，能對Cd2+產(chǎn)生固定和吸收[31]。加之韌皮部能雙向運輸物質(zhì)，且細胞具有高度分化的生理生命活性，能夠積累較大量的鎘。這也解釋了本研究中根、莖干和枝條皮部中鎘含量高的原因。

3.4 低土壤有效鎘濃度有利于鎘在桑樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)運

對比6個樣地土壤有效鎘含量與相應桑樹的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)相關(guān)關(guān)系后，發(fā)現(xiàn)土壤有效鎘濃度越低越有利于鎘在桑樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)運，究其原因可能與細胞壁對鎘離子的固定以及桑樹的逆境生理有關(guān)。蔡保松和張國平[38]在研究大、小麥的鎘吸收、轉(zhuǎn)運能力中指出在高鎘濃度下，細胞壁對鎘的固定、吸收作用較大，植物細胞壁會大量固定鎘離子，而減少細胞內(nèi)和細胞膜上的鎘離子含量；相反，在低鎘濃度環(huán)境下細胞壁的固定作用較小。這暗示了較低的土壤有效鎘濃度更有利于鎘在桑樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)運。黃曉華等[39]在研究鎘對5種常綠樹木生理生化特性的影響時發(fā)現(xiàn)，高鎘濃度會影響植物細胞質(zhì)膜的透性，植物復雜的逆境生理反應也可能是造成土壤高濃度鎘含量下，植物轉(zhuǎn)運能力下降的原因。本研究發(fā)現(xiàn)的桑樹在土壤低有效鎘濃度下鎘轉(zhuǎn)運能力較強的現(xiàn)象，可為鉛鋅礦區(qū)復耕種植桑樹以修復重金屬鎘污染土壤提供理論依據(jù)，并進一步促進礦區(qū)復耕土壤的可持續(xù)發(fā)展，保障桑產(chǎn)品和礦區(qū)附近居民食品健康安全。

4 結(jié) 論

桑樹全株鎘的累積量在根系、枝干和葉片上的分配比例約為12∶5∶3。桑樹各組織器官的鎘含量分別為0.21、0.13、0.11、0.10、0.09、0.04、0.03和0.01 mg/kg，鎘濃度差異表現(xiàn)為：細根>枝條皮部>莖干皮部>粗根皮部>葉片>粗根木部>莖干木部>枝條木部。桑樹鎘富集能力表現(xiàn)為：細根>枝條皮部>莖干皮部>葉片>粗根皮部>粗根木部>莖干木部>枝條木部，細根是桑樹吸收和富積鎘的主要部位。鎘從細根轉(zhuǎn)運到各組織器官的能力表現(xiàn)為：枝條皮部>莖干皮部>葉片>莖干木部>枝條木部，皮部是桑樹鎘遷移的主要途徑。低土壤有效鎘含量有利于桑樹對鎘的轉(zhuǎn)運。