废弃铅锌矿复耕栽桑14年后桑树的镉富集特征

王 谢，赵 兴，上官宇先，林超文，秦鱼生，唐 甜，郭海霞，张建华

(1.四川省农业科学院农业资源与环境研究所，成都 610066; 2.农业农村部西南山地农业环境重点实验室，成都 610066; 3.成都师范学院，成都 611130 )

【研究意义】土壤重金属污染问题越来越受到世界的重视[1-4]。随着采矿业的迅猛发展，重金属污染也在日益加剧[5-6]，矿区开采会对周围生态环境造成剧烈破坏[7-8]，矿产开采过程中排放的废渣、废气、废水等重金属离子污染物会通过未处理排放、地表径流、大气沉降和污水灌溉等方式进入矿区周边农田耕地[9]。废弃矿区占用大量的土地资源，采矿作业使矿区周围植被遭到大量破坏，导致水土及矿质资源流失，大量土壤资源浪费[10]，同时矿区周边土壤重金属含量高，理化性质差，使尾矿废弃土壤上种植作物极其困难[8]。为了改善废弃矿区周围生态环境和遏制水土流失，常以复耕的方式进行生态修复，以期通过种植作物达到降低土壤重金属含量的作用[11]。作物—土壤系统是重金属危害人群的关键界面和重要途径[12]，重金属污染物富集于污染地区农作物的可食用部分，经人采食后进入体内，危害人群身体健康[13]。特别是矿区周围追求经济效益最大化的农户，在缺乏理论科学的指导下盲目利用矿区废弃耕地、不科学地种植作物，导致含量超标重金属的的作物经食物链危害人体健康[13]。【前人研究进展】铅锌矿是我国主要的矿产资源，关于铅锌矿区周围农田土壤镉、铅等重金属元素含量超标问题也多有报道[6, 10, 14]，镉是一种毒性较强的重金属[15]，它在生物圈中有极难降解、毒性强、迁移性强的特点[16]。桑属植物为多年生落叶木本植物，在我国西北至新疆、东北至西南各省区均有栽培，分布极为广泛[17]，陈朝明等[15]指出在桑—蚕体系中土壤总镉含量小于等于40.6 mg/kg时，桑树生长正常或基本正常。Lei等[18]研究指出桑树地上部分的镉富集能力与桑树的种植密度密切相关。潘雨齐[19]也指出桑树对重金属复合污染耐性较强，可以作为一种良好的矿区污染土壤的修复树种。【本研究切入点】目前，对较长时间尺度的大田桑树富集镉的研究相对较少。【拟解决的关键问题】本研究希望通过调查废弃铅锌矿区复耕种植的桑树各组织器官的镉含量，以期揭示重金属镉在土壤—桑树体系中的转移累积特征，并为探索降低桑树镉含量的有效土壤调控方法，促进矿区复耕土壤的可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 样品的前处理和采集

废弃铅锌矿区位于四川省YB县，属南亚热带干旱季风气候属南亚热带干河谷气候区，冬暖、春温高、夏秋凉爽，气温年差较小，太阳辐射强、日照充足、热量丰富、四季分明。年平均气温19.2 ℃，重要经济产业为蚕桑、水果、蔬菜等[19]。在废弃矿区周围选取6块样地(15 m×50 m)作为研究区，设置编号为D1～D6，样地具体空间坐标位置见表1。研究区土壤总镉含量的范围为0.12～0.33 mg/kg，均值为0.22 mg/kg，由《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618—2018)》可知，当土壤pH<5.5和5.5

表1 样地位置和土壤pH、镉含量

1.2 样品采集

每个样地内随机建立3个5 m×5 m的样方，于每个样方内使用土钻按照Z形五点取样法采集0～20 cm表层土壤，采集后按样方为单元将土样混合均匀，使用四分法取混合样1 kg，带回实验室后挑除细根、石砾等杂质并风干制样，用于后续分析。样品采集于2019年7月10日，分析测试于2019年7月17日至8月9日在四川省农业科学院土壤肥料研究所实验室进行。

为精确评估桑树各部分精细化利用的镉风险。本研究按照桑树中草药的利用方式，分别采集桑叶、桑枝皮部、桑枝木部、茎干皮部、茎干木部、细根、粗根皮部、粗根木部样品[20]。具体地，在每个样方内随机选取1株桑树，即每个样地选取3株桑树。每株桑树随机选择3根1年生枝条，分别采集各枝条上的叶片、枝干的皮部和木部样品。每株桑树截取约10 cm长的茎干后按皮部和木部分开，桑树耐剪伐茎干取样后期桑树依然可以正常生长。于桑树树干基部50 cm圆盘内挖取0～20 cm土壤中的根系，将直径小于2 mm的桑根定义为细根，直径大于等于2 mm的桑根定义为粗根[21]，并将粗根的皮部和木部分开。将采集后的样品烘干、粉碎后按样方混合均匀，用于后续分析。

1.3 桑树各组织器官生物量分配

每个样地选择具有代表性的1株桑树，共选择6株桑树。对桑树进行破坏性取样，获取整株桑树的地上部分并挖掘出距离桑树树干50 cm内、0～100 cm土层内的所有根系。将样品分为桑叶、桑枝皮部、桑枝木部、茎干皮部、茎干木部、细根、粗根皮部、粗根木部后分别称量鲜重。各部分样品分别取500 g新鲜样品带回实验，使用烘干法测定各样品水分含量。

1.4 分析测试

土壤有效镉、全镉含量的测定基于《GB/T 17141—1997土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》。桑叶片、枝条皮部、枝条木部、桑粗根皮、粗根木部和细根镉含量基于国家标准《GB 5009.15—2014食品安全国家标准食品中镉的测定方法》测定。

1.5 数据分析

结合桑树各部位的鲜重和水分含量计算各部位生物量，桑树的总生物量即为各部分生物量之和，各部位生物量与总生物量之比即为桑树各组织器官生物分配比例。各组织器官镉含量(mg/kg)与桑树各组织器官生物量分配比例(%)的乘积即为各组织器官镉累积量。各组织器官镉累积量与桑总总体镉累积量的比例即为各部分镉累积量占比。

采用富集系数和转运系数来确定重金属在各组织器官内的富集能力和转运能力。桑树富集系数[22]是指桑树各组织器官的镉含量(mg/kg)与土壤中镉含量(mg/kg)的比值。转运系数[22]是指桑树地上部分镉含量(mg/kg)与桑树根系镉含量(mg/kg)的比值。本研究利用各组织器官的镉的含量除以细根中的镉含量，表示镉从桑树细根转移到桑树各组织器官的能力。

使用Excel 2016软件对数据进行整理，数据分析基于SPSS 22软件，部分数据使用Origin 9软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 桑树各组织器官生物量分配

由表2可知，研究区内桑树各组织器官中生物量分配比例最大的部位为茎干木部，其生物量分配比例为22.39%，是生物量分配比例最低部位茎干皮部的13.57倍。桑树各组织木部的生物量分配比例都大于与之对应的皮部生物量分配比例，叶片和细根的生物量分配比例分别为11.19%、12.65%，小于桑树皮部的总生物量配比。

表2 桑树各组织器官生物量分配比例

2.2 整株桑树各部位镉累积量占比

桑树各部位镉累积量占比表现为：根系(60.64%)>枝干(枝条和茎干，25.24%)>叶片(14.12%,图1)。根系镉累积量中细根镉累积量占根系总累积量的64.13%，粗根镉累积量占比为35.87%。枝干镉累积量约为根系镉累积量的41.62%。叶片的镉累积量最少，仅为根系镉累积量的23.43%。整体来看，桑树全株镉的累积量在根系、枝干和叶片上的分配比例约为12∶5∶3。

图1 桑树各部位Cd累积量占比

2.3 桑各部位重金属元素镉含量的分布情况

由图2可知，桑树各组织器官富集镉的能力存在一定的差异。除与桑枝条皮部富集镉含量之间差异不显著外，细根富集镉含量与其他6个组织器官富集的镉含量均存在显著差异(P<0.05)。桑树细根是富集镉的主要组织器官，其平均含量为(0.21±0.06)mg/kg，分别是叶片、茎干木部、茎干皮部、枝条木部、枝条皮部、粗根木部和粗根皮部富集镉的平均含量的2.44、7.76、1.87、14.88、1.63、5.25和2.20倍。桑树的茎干、枝条、粗根均表现为皮部镉含量大于木部镉含量。

图2 桑树各组织器官镉含量

2.4 桑树对镉的富集和转运能力

植物对重金属的富集系数和转运系数表征植物吸收和转运重金属的能力，值越大，表示吸收和转运能力越强。由表3可知，桑树地上部分富集系数0.29±0.01，只有地下部分富集系数的54.72%。其中，桑树细根的富集系数最大(1.04±0.10)，分别是叶片、枝条皮部、枝条木部、茎干皮部、茎干木部、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。同时，各组织器官中，皮部的富集系数都明显高于木部。枝条皮部、茎干皮部和粗根皮部的富集系数分别为0.87±0.04、0.70±0.04和0.53±0.02，而其对应的木部富集系数分别为0.08±0.01、0.16±0.01和0.23±0.03。

表3 研究区桑树样品的富集系数

由表4可知，枝条皮部的转运系数最大(0.62±0.02)，是转运系数最小部位(枝条木部)的9.18倍。枝条皮部和茎干皮部转运系数明显大于枝条木部和茎干木部的转运系数，这表明镉在桑树体内的转运部位主要在皮部中。桑叶片的转运系数为0.41±0.02，转运能力强于木部，但弱于皮部。整株桑树的富集系数为0.39±0.02，转运系数为0.33±0.01，表明桑树整体对于重金属镉的富集能力不强，转运能力较弱。

表4 研究区桑树样品的转运系数

2.5 桑富集系数、转运系数与土壤有效镉含量之间的关系

桑富集系数、转运系数明显受到土壤有效镉含量的影响，从图3可以看出，土壤有效镉含量较低(小于0.088 mg/kg)的样地内，桑的富集系数、转运系数远大于土壤有效镉含量较高的样地。样地D1土壤有效镉含量仅为样地D4土壤有效镉含量的36%，其区域内桑的富集系数却为样地D4内桑富集系数的4倍；样地D2土壤有效镉含量为样地D4土壤有效镉含量的58.7%，但该区域内桑转运系数超出样地D4内桑转运系数65%。

图3 桑富集系数、转运系数与土壤有效镉含量相关关系

3 讨 论

3.1 桑树不是镉的超富集植物

可以特异性超量吸收积累某种重金属并将其大量转运至地上部分的植物被称为重金属元素的超富集植物[23]，判定桑树是否为镉的超富集植物有2个标准：①植物地上部分的重金属含量应达到一定标准，镉的临界参考值为100 mg/kg；②植物根系的重金属积累量必须小于地上部分的重金属积累量[24]。本研究中的桑树地上部分镉含量的平均值为0.37 mg/kg。参考以上标准，研究区内桑树不是镉的超累积植物，这与Jiang等[25]的研究结果一致。在相同土壤镉含量下，研究桑树体内的镉累积量分布为：根系>枝干(枝条和茎干)>叶片。总体来看，桑树全株镉的累积量在根系、枝干和叶片上的分配比例约为12∶5∶3，镉主要的富集吸收发生在根系，同时，研究区桑树整体对镉的富集系数和转运系数均小于1，表明桑树对于镉的吸收转运能力不强。

3.2 细根是桑树富集镉积累量最大部位

植物细根有着巨大的吸收表面积，是植物吸收水和营养的主要界面，同时对植物养分循环和碳分配起着重要作用[22]。本研究发现细根是桑树富集镉的主要部位，积累量最大。这与陈朝明等[26]的研究结果一致。土壤中的镉大部分与其他无机或有机组分发生沉淀、络合、吸附等作用，形成磷酸盐、碳酸盐、有机质硫化物结合态、铁锰氧化物结合态等形式，只有少数以离子交换态和水溶态形式存在的镉可被植物吸收[27]。镉元素为一种植物的非必需元素，但部分游离态的镉可以借用植物体内特异度较低的元素如铁、钙、锌等的离子通道并与铁、钙、锌等元素的转运蛋白结合，以共质体途径进入根表皮细胞[28]。植物根部呼吸作用产生的二氧化碳和水会生成碳酸，而碳酸能够解离出氢离子和碳酸氢根离子，氢离子会与土壤中的镉离子迅速的发生吸附交换，使大量的镉离子聚集在植物根细胞表面，最终以质体途径进入根表皮细胞[29]。另外植物根部会分泌如麦根酸等小分子化合物来提高土壤中离子的利用率，而镉能与这类小分子物质螯合成金属配合物，最终使镉以螯合物的形式通过yellow-stripe 1-like蛋白进入根细胞[30]。

3.3 桑树茎干和枝条中镉富集受阻

土壤中镉进入植物体内是一个不需要结合部位的选择性过程[31]，一般来说植物体内富集镉的含量是根>茎>叶>籽实[32]。本研究发现桑树根系富集吸收的镉只有少量会向茎干和枝条转移，这反映了镉元素在植物体内的运输和分配规律。镉由根皮进入根木部的过程中，镉会经过质外体和共质体两种途径从皮部进入木部，但在质外体途径中，镉在向中央皮层扩散时会受到凯氏带的阻隔，凯氏带犹如阀门控制物质进出[33]，而Cd2+是很难穿过凯氏带的，因此Cd2+进入细胞中央皮层的运输主要是由凯氏带未完全形成植物幼根来进行[31]，已经形成凯氏带的老根，Cd2+难以穿越凯氏带，只能通过共质体途径进入导管细胞。桑树根部积累的镉由根木部向地上木部运输的过程，主要木质部装载的长距离运输进行[34]。植物根部具有转运Cd2+活性的转运蛋白促进Cd2+经共质体途径向木质部装载、运输，而后由蒸腾作用向地上部迁移[35]，植物木质部主要从下往上运输水和无机盐，但由于木质部大多数细胞为死亡的木质化细胞，无生理活性，且镉在根系木质部的累积有限，这也解释了茎干和枝条中镉含量较低的原因。

本研究发现桑树各部位皮部镉的积累量明显大于木部，外层的皮部积累较多，内层的木部积累较少，这与Kenji等[36]以蓖麻为研究材料的结果一致。共质体途径中镉利用根细胞膜上通道进入细胞，再利用胞间连丝经过皮层、内皮层和周鞘最终进入内导管细胞向地上运输，共质体途径中镉不进入细胞，而是利用细胞间的空隙进入维管束细胞再向地上运输[37]。而蔡保松和张国平[38]研究认为镉在植物根部的积累主要质外体的细胞壁中，植物细胞初生壁中糖蛋白、纤维素和果胶质等结构物质形成大小不一的网架(网孔)结构，在较小网孔处，带正电的Cd2+被细胞壁中的带负电的亲镉物质所吸附，同时，果胶质中的羧基基团有着交换离子的作用，能对Cd2+产生固定和吸收[31]。加之韧皮部能双向运输物质，且细胞具有高度分化的生理生命活性，能够积累较大量的镉。这也解释了本研究中根、茎干和枝条皮部中镉含量高的原因。

3.4 低土壤有效镉浓度有利于镉在桑树体内的转运

对比6个样地土壤有效镉含量与相应桑树的富集系数、转运系数相关关系后，发现土壤有效镉浓度越低越有利于镉在桑树体内的转运，究其原因可能与细胞壁对镉离子的固定以及桑树的逆境生理有关。蔡保松和张国平[38]在研究大、小麦的镉吸收、转运能力中指出在高镉浓度下，细胞壁对镉的固定、吸收作用较大，植物细胞壁会大量固定镉离子，而减少细胞内和细胞膜上的镉离子含量；相反，在低镉浓度环境下细胞壁的固定作用较小。这暗示了较低的土壤有效镉浓度更有利于镉在桑树体内的转运。黄晓华等[39]在研究镉对5种常绿树木生理生化特性的影响时发现，高镉浓度会影响植物细胞质膜的透性，植物复杂的逆境生理反应也可能是造成土壤高浓度镉含量下，植物转运能力下降的原因。本研究发现的桑树在土壤低有效镉浓度下镉转运能力较强的现象，可为铅锌矿区复耕种植桑树以修复重金属镉污染土壤提供理论依据，并进一步促进矿区复耕土壤的可持续发展，保障桑产品和矿区附近居民食品健康安全。

4 结 论

桑树全株镉的累积量在根系、枝干和叶片上的分配比例约为12∶5∶3。桑树各组织器官的镉含量分别为0.21、0.13、0.11、0.10、0.09、0.04、0.03和0.01 mg/kg，镉浓度差异表现为：细根>枝条皮部>茎干皮部>粗根皮部>叶片>粗根木部>茎干木部>枝条木部。桑树镉富集能力表现为：细根>枝条皮部>茎干皮部>叶片>粗根皮部>粗根木部>茎干木部>枝条木部，细根是桑树吸收和富积镉的主要部位。镉从细根转运到各组织器官的能力表现为：枝条皮部>茎干皮部>叶片>茎干木部>枝条木部，皮部是桑树镉迁移的主要途径。低土壤有效镉含量有利于桑树对镉的转运。