锡矿山重金属污染区小飞蓬根系构型的差异

罗威宇 杜易桓 周子涵 万天雪 马银花

（湖南人文科技学院农业与生物技术学院，湖南娄底 417000）

矿山开采、金属冶炼、工业废渣废气是冷水江市锡矿山地区重金属污染的主要来源。重金属污染具有污染范围广、隐蔽性强、无法自然降解、毒性大和修复治理难度大等特性。重金属污染一般为复合型污染，单一的重金属污染非常少[1]。一般来说，当重金属浓度达到一定数值时，会对植物的生理、生化过程产生阻碍[2]。植物对重金属的耐受程度是评估植物修复重金属污染潜力的一个重要参考指标。

小飞蓬（Conyza canadensisL.）属于一种世界性的杂草，对于Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等重金属元素都有较强的抗性，能适应多种恶劣的矿区生长环境，常出现在不同矿区修复植物筛选的研究中[3-5]。课题组通过前期对锡矿山的野外实地调研发现，菊科植物小飞蓬在锡矿山污染区生长情况良好，属于优势物种，且表现出较强的重金属污染耐受度。土壤重金属胁迫会影响到植物根系的形态分布、植物地上部分的生长和生态功能的发挥，而植物根系构型的形态学指标能较好反映根系的生长状况，在一定程度上体现植物的重金属污染耐受度。因此，本试验通过探究锡矿山地区不同重金属污染程度下小飞蓬根系构型的差异变化，探究重金属污染对小飞蓬根系生长的影响，评估其重金属污染耐受性，为今后探索小飞蓬应用于锡矿山土壤重金属污染的植物修复潜力提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采样地区为湖南省冷水江锡矿山地区的重金属污染区；试验样本为污染区的土壤样本、采集的小飞蓬样本。

1.2 污染区划分

根据距冶炼工厂和矿物冶炼残渣的堆积物的远近划定污染区。对土壤进行采样，采样完成后对土壤进行标记和保存，带回试验室后对采样进行成分分析，以内梅罗污染指数为污染区划分提供依据。根据土壤分析的结果对采样区域的污染程度进行排序，之后对污染区域进行污染区划分，污染区一共划分为3个区域：轻度污染区、中度污染区和重度污染区（表1）。

表1 采集到小飞蓬的地区

1.3 试验材料的采样、处理和分析

在各个污染区的样方内对所需标本进行采集并进行记录，保持植株的完整性。根系附带一定的泥土以保持采集样本的活性，避免植物干枯，记录植物的种类、采集数量等。将在样方内采集到的小飞蓬带回实验室，先用清水将小飞蓬根部的泥土清洗干净，然后用酒精进行清洗，处理时注意保持小飞蓬根系构型的完整度，剪下试验所需的小飞蓬根系。使用根系分析仪进行分析，对导出数据使用GraphPad Prism 6 软件进行显著性差异分析与作图。

2 结果与分析

锡矿山不同重金属污染区对小飞蓬根系平均长度、投影面积、表面积、体积、直径、连接数、节点数和根尖数会产生一定影响。从图1与图2中可以得出，随着土壤重金属污染程度的加深，小飞蓬的根系长度、投影面积、像素面积、表面积、体积、直径、连接数、节点数、根尖数和分叉数逐渐增加。与轻度污染区相比，中度污染区小飞蓬的根系长度、投影面积、像素面积、表面积、体积、连接数、节点数和根尖数有增长趋势但未达到显著性水平，重度污染区的增加量达到显著水平（P<0.05）；与轻度污染区相比，中度与重度污染区小飞蓬的直径、连接数、节点数和根尖数有显著增加（P<0.05），重度污染区的增加量达到极显著水平（P<0.01）；生长区污染程度变化与小飞蓬根系交叉数变化并无显著差异。这说明小飞蓬具有较强的抗逆性，且对重金属污染具有很好的耐受性。

图1 不同污染区下小飞蓬的长度（a）、投影面积（b）、像素面积（c）、表面积（d）、体积（e）、直径（f）

图2 不同污染区下小飞蓬根的连接数（a）、节点数（b）、根尖数（c）和分叉数（d）

3 结论与讨论

锡矿山的优势种群小飞蓬分布广泛，抗逆性强，具有强大的繁殖能力、较好的重金属耐受性，可用于植物修复。如Liu 等[6]对中国湖南省中部的湘潭锰矿土壤和重金属富集特性进行分析发现小飞蓬对锰富集能力较强。Wei 等[7]研究发现小飞蓬表现出镉积累特征，可以作为镉的富集植物。闫宝环等[8]对铜川市三里洞煤矸石堆积地土壤重金属污染区和草本植物中重金属含量开展了研究，表明小飞蓬有较强的重金属富集能力。根据数据分析结果可得出，锡矿山重金属污染会促进小飞蓬根系构型复杂化，且中度、重度污染区的小飞蓬根系平均长度、直径、表面积等形态学指标均较轻度污染区高；尤其在重度污染区，小飞蓬通过增加根系生长来抵御土壤重金属胁迫。植物根系长度、根系粗壮程度与根系构型的复杂度的增加等变化都将更有利于植物对深层土壤营养物质更好地吸收，保持良好生长状态。可能是因为在达到小飞蓬的重金属最大耐受度前，小飞蓬能通过调节自身的根系构型来增强环境适应性，从而降低重金属污染产生的不良影响。如Yu等[9]通过水培试验发现高浓度的镉可以诱导小飞蓬幼苗生长，产生大量的蛋白质、氨基酸等物质，并通过渗透调节增强抗逆性，降低重金属毒性。本试验能初步说明生长在锡矿山复合污染区优势物种小飞蓬具有较强的重金属耐受性，具有应用于植物修复的研究价值和应用潜力。