重金屬Cd 對一年生直立與傾斜生長楊樹解剖特性的影響

戎 恭，儲 茵，劉盛全*

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學林學與園林學院，合肥 230036；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，合肥 230036)

重金屬Cd 通過工業(yè)過程、供暖系統(tǒng)、城市交通、磷肥和巖石礦化進入環(huán)境，被認為是對動植物有毒害作用最廣泛的污染物之一[1]。與有機物不同，重金屬本質(zhì)上是不可生物降解的，因此會在環(huán)境中積累。土壤中重金屬積累對環(huán)境和人類都會構(gòu)成威脅。在土壤中，重金屬對土壤微生物產(chǎn)生毒理學效應，可能導致微生物數(shù)量的減少和活性的降低[2]。樹木修復（Dendroremediation）是一種新興的植物修復技術(shù)[3]，發(fā)揮了樹木生長迅速、生物量大、根系穩(wěn)定、壽命長、耐修剪、易繁殖等多種優(yōu)勢，可以彌補超富集植物總量小的缺陷，可實現(xiàn)城市土壤重金屬污染治理的可持續(xù)修復。

楊樹具有適應性強、生長迅速、繁殖容易等特點，是世界上人工栽培最多的樹種之一。雖然楊樹重金屬富集能力不如超富集植物，但它的根系深，生物量大，蒸騰速率高，具有較好的重金屬固著能力，且吸著在木材細胞壁中的重金屬可較長地固定，避免很快又回到環(huán)境中。從木材利用角度，重金屬富集木還有助于部分木材性質(zhì)的改良。楊樹基因組完整，便于后期通過基因表達的調(diào)控來提高楊樹重金屬富集木的形成，提高木材富集重金屬能力。因此，因地制宜栽培楊樹等人工林樹種被認為是今后最具潛力和應用前景的綠色、高效重金屬污染治理技術(shù)[4]。

應拉木是樹木中非正常木材組織，通常是指闊葉材在外力作用下形成的彎曲樹干或樹枝試圖恢復到它原來位置，從而在傾斜樹干上形成的解剖和物理力學性質(zhì)明顯不同的木材[5]。楊樹應拉木的結(jié)構(gòu)和正常木有很多不同點：在微觀角度上應拉木中導管比較少，但是其整體所占體積大于正常木[6]。在超微結(jié)構(gòu)上應拉木比正常木次生細胞壁層多一個細胞壁層（即膠質(zhì)層，gelatinous layer），應拉木次生細胞壁木質(zhì)化程度低于正常木，而膠質(zhì)層中纖維素含量高、微纖絲排列規(guī)整且角度近于零度，微纖絲束之間存在大量微空隙（10～30 nm）[7]。這些微空隙對于重金屬離子來說，無疑是最好的吸著和富集位點。因此，應拉木在立木蒸騰作用過程中，更有利于無機鹽從根部運輸至樹冠，也有利于對土壤中重金屬的吸收。

對于楊樹等樹種木材富集重金屬的研究，目前主要是從重金屬在不同楊樹品系樹木根、莖、枝、葉和樹皮的含量分布差異性來進行比較。如，新西蘭園藝與食品研究所Robinson 博士研究不同品系的楊樹和柳樹對Cd 的耐性和富集特性，發(fā)現(xiàn)楊樹樹干對Cd 具有較好的耐性和固著性[8]；德國哥廷根大學Polle 博士比較了兩種品系楊樹對重金屬Cd 的耐受性，研究結(jié)果表明Cd 在兩種品系楊樹的根部和樹干富集最多[9]。國內(nèi)學者張東為等研究不同濃度Cd（5～150 mg·kg-1）對5 種楊樹品系生長的影響[10]；何家利等研究了6 種楊樹品系對Cd 的耐受性，發(fā)現(xiàn)Cd 會使其中4 個品系的光合作用下降，但Cd 在楊樹地上部分含量可達到超固著水平[11]。

綜上可以看出，盡管國內(nèi)外對楊樹重金屬富集木木材開展了一些研究，但主要集中在土壤重金屬對不同楊樹生長性狀的影響以及樹木根、莖、葉等不同部位吸收效果測定上，而對從正常木和應拉木的比較角度去研究重金屬Cd 對楊樹樹干解剖特征的影響還還鮮見報道。

本試驗以人工林 69 楊(Populus deltoidscv.I-69/55)為研究對象，在相同環(huán)境和立地條件下，先在春季通過營養(yǎng)盆培育楊樹苗木，然后施加0、5、20、50 和100 mg·kg-1的重金屬Cd，再在生長旺盛時期人工控制樹干使其傾斜45°，測定分析不同Cd濃度對直立生長和傾斜生長這兩種生長方式下微纖絲角、結(jié)晶度、纖維長度、導管長度以及雙壁厚等解剖特征的影響程度，以期揭示重金屬Cd 在進入不同傾斜角度的楊樹體內(nèi)后對楊樹材性的影響，為楊樹木材材質(zhì)改良和高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤 試驗土壤采用安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)萃園內(nèi)表層土并拌入適量的營養(yǎng)土，其中自然土壤與營養(yǎng)土壤的比例為1:1（自然土壤與營養(yǎng)土壤各占10.5 kg），混合均勻后裝入花盆中。測得土壤的理化性質(zhì)中有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和有效硫分別為73.104 g·kg-1、1.822 g·kg-1、133.8 mg·kg-1、346 mg·kg-1和80.89 mg·kg-1，微量元素中Cd、Zn 和Cu分別為0.144 7、22.68 和37.43 mg·kg-1。

1.1.2 培育苗木及處理 試驗采用69 楊(Populus deltoidsBartr. cv. 'Lux' (I-69/55))扦插苗。2018 年3月，從安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)萃園中的一棵生長狀態(tài)良好的69 楊樹上剪下一些15 cm 左右的插穗備用。經(jīng)一個月培養(yǎng)后，選取長勢均一約20 cm 高的扦插苗30棵。將30 棵扦插苗栽植在安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)萃園陽光大棚的營養(yǎng)盆中。花盆直徑33 cm，高38 cm，每盆裝土21.0 kg。在7 月份通過對其中的15 棵楊樹苗人工授力使其與垂直方向傾斜45°，為了避免外界對苗木生長的干擾，每根苗木用竹竿固定并用塑料扎帶捆扎住樹干和竹竿，如圖1 所示。同時配置4種不同濃度的Cd(NO3)2溶液(5、 20、50 和100 mg·kg-1)對其土壤進行表面噴灑，記為C1、C2、C3和C4。并設(shè)置未進行重金屬處理的苗木作為對照組，記為C0。同一種濃度Cd 處理的楊樹苗栽植3棵作為重復試驗。為了使楊樹生長在環(huán)境相同的生長條件下，定期定量給楊樹苗澆水和施肥。8 月初至11月底對直立和傾斜的楊樹每月測量1次生長量（樹高和地徑），共4 次，如表1 和表2 所示。

圖1 楊樹兩種培育方式Figure 1 Poplars in two plantations

表1 不同Cd 處理濃度下直立生長與人工傾斜楊樹的樹高Table 1 Tree height of upright and inclined poplars at different treatments of Cd application cm

表2 不同Cd 處理濃度下直立生長與人工傾斜楊樹的地徑Table 2 Basal diameter of upright and inclined poplars at different treatments of Cd application cm

1.1.3 化學試劑 試驗用Cd(NO3)2為天津市光復精細化工研究所生產(chǎn)的Cd(NO3)2· 4H2O，分子量為308.47。

1.2 方法

1.2.1 試樣的選取 12 月初砍伐取樣，樹干按其高度分為頂部、中部和基部3 個部分，另外傾斜生長下的樹干以髓心為分界點，傾斜樹干上部為應拉區(qū)，傾斜樹干下部為對應區(qū)。

1.2.2 纖維長度和導管長度的測量方法 將楊樹的樹干的每部分用美工刀片修剪至火柴桿大小的木條，放入試管中，用冰醋酸—雙氧水（V:V=1:1）離析液離析，然后水洗3 次，觀測時先混合均勻，然后取適量樣品置于載玻片上，在投影顯微鏡上放大倍數(shù)為100 倍的條件下測定纖維長度和導管長度。纖維長度和導管長度隨機測定30 根，最后取得平均值。

1.2.3 雙壁厚的測量方法 將制作的永久切片放在顯微鏡下拍照，拷貝出圖片在Image J 軟件中測量細胞的腔徑和直徑，計算得到雙壁厚。雙壁厚=細胞直徑 - 細胞腔徑。每組測量30 個數(shù)據(jù)，求得平均值。

1.2.4 微纖絲角的測量方法 采用XRD（X 射線衍射儀）測量微纖絲角，將楊樹樹干去除樹皮后，傾斜生長樹干沿髓心劈開，上部為應拉區(qū)，下部為對應區(qū)，然后用切片機直接操作最終得到30 mm×10 mm×1mm 表面光滑的長方形薄片為標準試樣。在X射線衍射儀的旋轉(zhuǎn)靶臺上安裝好樣品。

測試條件：36 kV，20 mA，波長為1.540 56 的Cu 靶X 射線衍射發(fā)生裝置。2θ 角度為22.2°，試樣從90°到270°，共旋轉(zhuǎn)180°，掃描速度16°·min-1。采用0.6T 法來測定微纖絲角[12]。

1.2.5 結(jié)晶度的測量方法 采用XRD（X 射線衍射儀）測量結(jié)晶度，將楊樹樹干以及直立生長和傾斜生長下的頂部，中部，基部試樣分別磨成粉末。將其平鋪在X 射線衍射儀的測試板的凹槽里。

測試條件：36 kV，20 mA，波長為1.540 56 的Cu 靶X 射線衍射發(fā)生裝置。掃描范圍2θ= 5° ～ 50°，掃描速度為2°·min-1。衍射強度在2θ= 22°（002 面）是極大值，設(shè)其積分強度為Iu；在2θ= 18°附近出現(xiàn)波谷，設(shè)其積分強度為Ia，則得到結(jié)晶度計算公式為Cr=(Iu-Ia)/Iu×100%[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 軟件作圖，采用SPSS 及Excel 軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd 濃度處理下直立和傾斜楊樹的纖維長度和導管長度變化規(guī)律

2.1.1 纖維長度 表3 為不同Cd 濃度處理下楊樹直立生長和傾斜生長下的纖維長度。由表3 中的數(shù)據(jù)可知，在直立生長中，隨著土壤中重金屬Cd 濃度的升高，各濃度下的纖維長度均小于C0，但減少量并不與土壤中Cd 的濃度呈正比；在傾斜生長中，對應區(qū)的纖維長度變化與直立生長下的保持一致，均為C0濃度下的纖維長度最高。但在應拉區(qū)中則不同，在應拉區(qū)中，隨著土壤中Cd 濃度的升高，纖維長度先減小后增大。且在C1 濃度下達到最小。另外，通過LSD 分析，應拉區(qū)組內(nèi)各處理濃度的纖維長度之間無顯著性差異。說明在傾斜生長下的應拉區(qū)中，重金屬Cd 濃度的高低對纖維長度影響不大。而對應區(qū)中則與此不同，說明對應區(qū)對Cd 濃度的吸收能力較應拉區(qū)強。

表3 不同Cd 濃度處理下楊樹直立生長和傾斜生長下的纖維長度Table 3 Fiber length of upright and inclined poplars at different treatments of Cd application μm

圖2 為不同Cd 濃度處理下楊樹直立生長和傾斜生長下縱向分布上的纖維長度變化情況，從圖中可以看出，隨著土壤中重金屬Cd 含量的增加，直立生長和傾斜生長下的纖維長度在縱向分布上總是呈現(xiàn)基部＞中部＞頂部的趨勢。即同一處理下的纖維長度隨著樹干高度的增加而減小。

圖2 不同Cd 濃度處理下直立生長和傾斜生長楊樹在縱向上的纖維長度Figure 2 Fiber length on longitudinal distribution of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd

對處理濃度、傾斜角度下纖維長度和導管長度的雙因素方差進行分析，結(jié)果（表4）顯示，單因素顯著性分析中，處理濃度對纖維長度的影響達到了顯著水平。處理濃度和傾斜角度的共同作用下，也達到顯著水平。

表4 處理濃度和傾斜角度下纖維長度、導管長度的雙因素方差分析結(jié)果（P 值）Table 4 Double factors variance analysis results (P value) of fiber length and vessel length at different treatments of Cd application and titl angles

2.1.2 導管長度 表5 為不同Cd 濃度處理下楊樹直立生長和傾斜生長下的導管長度。由表5 可知，在直立生長中，隨著土壤中Cd 濃度的升高，楊樹的導管長度先是保持穩(wěn)定，當Cd 的濃度達到C3和C4時，導管長度大于C0。這一結(jié)果表明，當土壤中的Cd 濃度達到一定濃度時，會使直立生長下的導管長度增加。在傾斜生長的應拉區(qū)中，隨著土壤中的Cd 濃度的升高，應拉區(qū)的導管長度也逐漸增大，并且在C3濃度下達到最大，當濃度升高到C4時，導管長度減少。在傾斜生長的對應區(qū)中，隨著土壤中Cd 濃度的升高，對應區(qū)的導管長度呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，并且在C1濃度下最小，C4濃度下最大。

表5 不同Cd 濃度處理下直立生長和傾斜生長楊樹的導管長度Table 5 Vessel length of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd μm

圖3 為不同Cd 濃度處理下楊樹直立生長和傾斜生長下縱向分布上的導管長度變化情況。從圖3中可以看出，隨著土壤中重金屬Cd 含量的增加，傾斜生長下的導管長度在縱向分布上呈現(xiàn)基部＞中部＞頂部的趨勢。而在直立生長中，三者之間的大小關(guān)系只在C0濃度下表現(xiàn)為基部＞中部＞頂部，但隨著Cd 濃度的升高，三者之間的關(guān)系沒有明顯的規(guī)律。

圖3 不同Cd 濃度處理下直立生長和傾斜生長楊樹在縱向上的導管長度Figure 3 Vessel length on longitudinal distribution of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd

由表4 可知，單因素中，傾斜角度對導管長度的影響達到顯著水平。表明楊樹導管的形態(tài)會隨著傾斜生長而發(fā)生改變，從而影響重金屬Cd 在導管內(nèi)的累積和遷移。這與前期研究得出的傾斜樹干吸收重金屬鎘含量比直立樹干多的結(jié)果相一致[14]。

2.2 不同Cd 濃度處理下直立和傾斜楊樹雙壁厚的變化規(guī)律變化規(guī)律

不同Cd 濃度處理下楊樹直立生長和傾斜生長下的雙壁厚如表6 所示。由表6 可知，直立生長下的雙壁厚隨著土壤中Cd 濃度的升高先減小再增大，并且在C1濃度下達到最小。這一結(jié)果表明，高濃度下細胞壁加厚。傾斜生長下，隨著土壤中Cd 濃度的升高，雙壁厚小于對照組C0。表明在直立和傾斜生長的條件下，重金屬Cd 的施加對雙壁厚作用正好相反。隨著土壤中Cd 濃度的升高，直立生長和傾斜生長下縱向分布上的雙壁厚呈波動變化的趨勢，但直立生長下波動趨勢要比傾斜生長下范圍大（圖4）。這一結(jié)果表明，重金屬Cd 對直立生長的雙壁厚的影響要強于傾斜生長。

表6 不同Cd 濃度處理下直立生長和傾斜生長楊樹的雙壁厚Table 6 Double wall thickness of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd μm

圖4 不同Cd 濃度處理下直立生長和傾斜生長楊樹在縱向上的雙壁厚Figure 4 Double wall thickness on longitudinal distribution of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd

由表7 中可知，在單因素方面，只有處理濃度對雙壁厚的厚度影響達到顯著水平，在兩個因素的相互作用下，處理濃度和傾斜角度共同作用下達到了顯著水平。

表7 處理濃度和傾斜角度下雙壁厚多因素方差分析結(jié)果（P 值）Table 7 Multivariate factors variance analysis results (P value)of double wall thickness at different treatments of Cd application and titl angles

2.3 不同Cd 濃度處理下直立和傾斜楊樹的微纖絲角變化規(guī)律

表8 為不同Cd 濃度處理下楊樹直立生長和傾斜生長下的微纖絲角。從表8 中可以看出，隨著土壤中Cd濃度的增大，直立生長下的微纖絲角逐漸減小，并且在C3濃度下減到最小，然后當Cd 濃度為C4時，又增大為最大。而在傾斜生長下則呈現(xiàn)出不同的趨勢，在應拉區(qū)的微纖絲角中， C1、C2濃度下的微纖絲角小于C0，C3、C4濃度下的微纖絲角則大于C0。而在對應區(qū)中，在所有受Cd 脅迫土壤下的微纖絲角均大于C0。這一結(jié)果表明，重金屬Cd 的施加濃度會對直立生長以及傾斜生長下的微纖絲角產(chǎn)成不同的影響。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能與直立生長和傾斜生長下的楊樹在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不同以及二者所吸收的重金屬Cd 的含量不同而導致的。

另外，從表8 中還可以看出，在應拉區(qū)的微纖絲角上，除C3濃度下傾斜生長下的微纖絲角大于直立生長，其余濃度下均為直立生長下的微纖絲角大于傾斜生長。在對應區(qū)中，在C4濃度下，直立生長下的微纖絲角小于傾斜生長，這一結(jié)果與C0濃度下的結(jié)果一致，而其余濃度下（C1、C2和C3）則與此相反，均為直立生長下的微纖絲角大于傾斜生長。

表8 不同Cd 濃度處理下直立生長和傾斜生長楊樹的微纖絲角Table 8 Microfibril angle of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd (°)

此外，在楊樹傾斜生長下，隨著土壤中的Cd濃度的升高，應拉區(qū)的微纖絲角總是小于對應區(qū)。這一結(jié)果與劉亞梅等人研究的結(jié)果一致，其主要原因是由于應拉區(qū)中含有大量的膠質(zhì)層，而膠質(zhì)層S2層微纖絲幾乎與縱向平行，導致應拉區(qū)微纖絲角比對應區(qū)要小[7]。

表9 為處理濃度和不同區(qū)域微纖絲角、結(jié)晶度的雙因素方差分析結(jié)果。由表9 可知，處理濃度和傾斜角度以及兩個因素的共同作用下對微纖絲角的影響均未達到顯著水平。

表9 處理濃度和傾斜角度下微纖絲角、結(jié)晶度的雙因素方差分析結(jié)果（P 值）Table 9 Double factors variance analysis results (P value) of microfibril angle and crystallinity treated with different concentrations of Cd

2.4 不同Cd 濃度處理下直立和傾斜楊樹的結(jié)晶度變化規(guī)律

表10 為不同Cd 濃度處理下楊樹直立生長和傾斜生長下的結(jié)晶度。從表10 中可以看出，隨著土壤中Cd 濃度的升高，直立生長下的結(jié)晶度總是小于C0，而在傾斜生長下應拉區(qū)中則呈現(xiàn)出相反的趨勢，在應拉區(qū)的結(jié)晶度中，隨著土壤中Cd 濃度的升高，受Cd 脅迫下各濃度的結(jié)晶度總是大于C0。而在對應區(qū)中，除在C1濃度下對應區(qū)的結(jié)晶度大于C0外，其余濃度下均小于C0。這一結(jié)果表明，當樹干吸收土壤中的重金屬Cd 后，會影響纖維素構(gòu)成的結(jié)晶區(qū)在纖維素整體中的占比。

另外，從表10 還可以看出，在應拉區(qū)的結(jié)晶度上，只有C0與C4濃度下傾斜生長下的結(jié)晶度大于直立生長，其余濃度下均為直立生長下的結(jié)晶度大于傾斜生長。在對應區(qū)中，除C1濃度下，直立生長下的結(jié)晶度小于傾斜生長，而其余濃度下（C1、C2和C3）則與此相反，均為直立生長下的微纖絲角大于傾斜生長。

表10 不同Cd 濃度處理下直立生長和傾斜生長楊樹的結(jié)晶度Table 10 Crystallinity of upright and inclined popars treated with different concentrations of Cd %

此外，在楊樹傾斜生長下，隨著土壤中的Cd濃度的升高，應拉區(qū)的結(jié)晶度總是大于對應區(qū)。這一結(jié)果與朱玉慧等人研究的結(jié)果一致[15]。其主要原因是由于應拉區(qū)中含有大量的膠質(zhì)木纖維，其中膠質(zhì)層微纖絲傾角基本與樹軸方向平行，同時，木質(zhì)素和半纖維素等不定型高聚物含量減少，使得纖維素結(jié)晶度增加[16]。

圖5 不同Cd 濃度處理下直立生長和傾斜生長楊樹在縱向上的結(jié)晶度Figure 5 Crystallinity on longitudinal distribution of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd

3 結(jié)論

當楊樹受土壤中的重金屬Cd 脅迫后，不同的解剖特征影響不同。其中纖維長度和細胞雙壁厚與土壤中Cd 的處理濃度具有顯著性差異，而導管長度、微纖絲角、結(jié)晶度等差異不顯著。表明纖維和細胞壁層的厚度對重金屬Cd 的響應更顯著。

不同傾斜角度對同一Cd 處理濃度下的解剖特征表現(xiàn)不同，其中傾斜角度對導管長度的影響具有顯著性差異。表明楊樹導管的形態(tài)會隨著傾斜生長而發(fā)生改變，從而影響到重金屬Cd 在導管內(nèi)的累積和遷移。