采矿、大量燃烧化学燃料以及过度施肥等人类活动造成Cd、Zn、Pb等重金属持续不断的进入土壤，给人类、环境和农业生产带来极大危害^[1-2]。重金属作为一类典型的累积性污染物，难以被土壤微生物所分解，且具有长期性、不可逆性、隐蔽性等特点，并可通过土壤-植物系统迁移累积，继而通过食物链进入人体，最终引起人体内各种生理功能改变^[3-4]。Cd和Pb作为一种植物的非必需元素，一旦在植物体内发生积累，就会影响植物的生长发育^[5]。Zn是植物的微量营养元素，参与植物体内的生理生化反应，但过量的Zn也会对植物体产生毒害作用^[6]。目前，重金属污染已在全球范围内成为一个严重的、亟需解决的环境问题^[7]。近年来，除了对一些草本和水生植物的重金属富集特性做了大量的研究之外，对木本植物的重金属富集特性也逐渐开展研究，如黑杨(Populus nigra)^[8]、白榆(Ulmus pumila)^[9]、柳树(Salix × smithiana)^[10]。但是，面对国内重金属污染程度高、面积大、损失重的严峻形势，这些研究积累是远远不能满足实际需求的。

银中杨(Populus alba ‘Berolinensis’)具有生长快、材质优良、抗寒及抗病虫害等方面特点，是防护林，丰产速生林以及城市绿化的首选树种。由于银中杨一般生长在道路两侧，易受汽车尾气的影响，可能会如同行道树毛白杨(Populus tomentosa)一样在各部位积聚一定含量的Cd、Zn和Pb ^[11]。然而，银中杨各部位对土壤中重金属的富集特性尚未见报道。本研究用不同含量Cd、Zn或Pb处理盆栽银中杨的土壤，分析银中杨根、茎、叶对Cd、Zn和Pb的富集量和生物富集系数，以期弄清银中杨对土壤中Cd、Zn和Pb的富集特性。

1.   材料与方法

1.1   供试材料及处理方法

2015年4月末，在黑龙江省平山森林植物检疫隔离试种苗圃内，将银中杨插扦苗种植于规格为250 mm×280 mm(高×直径)且含有5 kg土壤基质的花盆中，每盆插扦1株，土壤基质为沙土:草炭土:本地土=1:1:1。定期浇水除草，恢复生长2个月后，于7月初将长势一致、健康的银中杨分为10组，每组50株，对其进行重金属处理，使土壤中的Cd含量为0.5、1.5、2.5 mg/kg、Pb含量为300、500、700 mg/kg、Zn含量为300、500、700 mg/kg。各组的标记代码为Cd_0.5(0.5 mg/kg)、Cd_1.5(1.5 mg/kg)、Cd_2.5(2.5 mg/kg)，Zn₃₀₀(300 mg/kg)、Zn₅₀₀(500 mg/kg)、Zn₇₀₀(700 mg/kg)、Pb₃₀₀(300 mg/kg)、Pb₅₀₀(500 mg/kg)、Pb₇₀₀(700 mg/kg)，对照组CK不加任何试剂。重金属处理2个月后，于9月初进行银中杨整株采样，并采集对应土壤样品，用于测定重金属含量。每个处理组设置3个重复，每个重复随机采样3株。Cd、Zn和Pb在土壤中的含量设计依据土壤环境质量标准；农林生产和植物正常生长的土壤临界值进行确定^[12]。

1.2   重金属含量测定

将采集回的银中杨洗净，整株按根、茎、叶分成3部分，并和采集的土壤一同在70℃下烘干至恒质量。然后将银中杨各部位样品及相应土样粉碎，过100目筛，聚乙烯密封袋保存备用。植物样品参照李冰等^[13]的方法利用HNO₃-HClO₄进行电热板消煮、土壤样品参照龙加洪等^[14]的电热板消煮法进行前处理并进行适当稀释后，利用火焰原子吸收光谱仪ICE3000自动进样，测定各样品重金属含量。

1.3   数据处理与分析

银中杨某部位对重金属的富集系数(BCF)=C_植i/C_土i，式中：C_植i指植物某部位的重金属i的含量(mg/kg)，C_土i指土壤中重金属i的含量(mg/kg)。

使用SPSS19.0软件统计数据的平均值和标准误差。采用Pearson进行双变量相关性分析，检验银中杨各部位的重金属含量与土壤中重金属含量之间的相关性。采用one-way ANOVA进行差异显著性方差分析，以LSD (最小显著法)在0.05水平下检验各处理与对照之间差异显著性。

2.   结果与分析

2.1   银中杨各部位对重金属的富集量与土壤中重金属含量的相关性

银中杨根、茎、叶对Cd、Zn和Pb的富集量均与土壤中相应的重金属含量呈极显著的正相关(P < 0.01，n=12，见表 1)。

表  1  银中杨各部位对重金属的富集量与土壤中重金属含量的相关性

Table  1.  Correlations between the bio-accumulation amount of heavy metals in each part of Populus alba 'Berolinensis' and heavy metal content in the soil

项目 Item	Cd			Zn			Pb
	相关系数Correlation coefficient	P		相关系数Correlation coefficient	P		相关系数Correlation coefficient	P
根Root	0.729	＜0.01		0.937	＜0.01		0.972	＜0.01
茎Stem	0.916	＜0.01		0.897	＜0.01		0.973	＜0.01
叶Leaf	0.944	＜0.01		0.937	＜0.01		0.797	＜0.01

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2.2   银中杨各部位对Cd的富集量及对Cd的富集系数

在Cd各处理组，银中杨各部位对Cd的富集量均显著高于CK，根、茎、叶分别为CK的2.21~6.72倍、3.61~6.55倍、3.78~6.12倍(P < 0.05，见图 1A)。由图 1A可知，银中杨茎、叶对Cd的富集量随处理含量的升高而不同程度的升高，但Cd_2.5处理组的根对Cd的富集量显著的低于Cd_1.5处理组(P < 0.05)。说明土壤中高含量的Cd超越银中杨根对Cd的富集阈限。银中杨不同部位之间对Cd的富集未表现出任何规律。

图  1  银中杨各部位的Cd含量(A)和对Cd的富集系数(B)

不同小写字母表示银中杨相同部位不同处理之间差异显著(P < 0.05)；不同大写字母表示银中杨相同处理不同部位之间差异显著(P < 0.05)；Cd_0.5、Cd_1.5、Cd_2.5分别表示Cd含量为0.5、1.5、2.5 mg/kg。下同。

Figure  1.  Content (A) and bio-concentration factor (B) of Cd in each part of Populus alba 'Berolinensis'

Different lowercase letters mean there is significant difference among varied treatment concentrations in the same part (P < 0.05); different capital letters mean there is significant difference among varied parts in the same treatment concentrations (P < 0.05); Cd_0.5, Cd_1.5, Cd_2.5 represent the Cd content of 0.5, 1.5, 2.5 mg/kg, respectively. The same below.

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银中杨各部位对Cd的富集系数见图 1B。由图 1B可知，高含量处理组的根、茎、叶对Cd的富集系数均不同程度的低于低含量处理组，且各处理组的银中杨各部位对Cd的富集系数均显著的低于CK(P < 0.05)。Cd_0.5和Cd_1.5处理组的根、茎、叶之间对Cd的富集系数差异不显著(P>0.05)，但Cd_2.5处理组的根显著低于茎和叶(P < 0.05)。说明银中杨各部位对Cd的富集系数与土壤中的Cd含量呈负相关，且在低含量下对Cd的富集能力一致，但高含量下根对Cd的富集能力弱于茎和叶。

2.3   银中杨各部位对Zn的富集量及对Zn的富集系数

银中杨各部位对Zn的富集量显著高于CK，根、茎、叶分别是CK的3.22~8.99倍、1.75~3.43倍、2.17~4.07倍(P < 0.05，见图 2A)。由图 2A可知，根、茎、叶对Zn的富集量随土壤中Zn处理含量的升高而依次不同程度的升高。Zn₃₀₀处理组中的叶、根、茎和Zn₅₀₀、Zn₇₀₀处理组中的根、叶、茎对Zn的富集量依次显著降低(P < 0.05)。说明银中杨各部位对Zn的富集量均与土壤中Zn含量呈依赖关系，且存在着明显的差异，在低含量时表现为叶>根>茎，在中、高含量时表现为根>叶>茎。

图  2  银中杨各部位的Zn含量(A)和对Zn的富集系数(B)

Zn₃₀₀、Zn₅₀₀、Zn₇₀₀分别表示Zn含量为300、500、700 mg/kg。

Figure  2.  Content (A) and bio-concentration factor (B) of Zn in each part of Populus alba 'Berolinensis'

Zn₃₀₀, Zn₅₀₀, Zn₇₀₀ represent the Zn content of 300, 500, 700 mg/kg, respectively.

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土壤中的Zn含量对银中杨富集系数的影响呈根茎叶特异性，且各处理组的银中杨各部位对Zn的富集系数均不同程度的高于CK(图 2B)。由图 2B可知，Zn₃₀₀处理组的叶对Zn的富集系数显著高于Zn₅₀₀和Zn₇₀₀处理组(P < 0.05)，但各处理含量之间的根或茎差异不显著(P>0.05)。Zn₃₀₀处理组中的叶、根、茎和Zn₅₀₀、Zn₇₀₀处理组中的根、叶、茎对Zn的富集系数依次不同程度的降低。说明银中杨各部位对Zn的富集能力存在明显的差异，在低含量时表现为叶>根>茎，在中、高含量时表现为根>叶>茎。

2.4   银中杨各部位对Pb的富集量及对Pb的富集系数

在Pb各处理组，银中杨根、茎、叶对Pb的富集量均显著高于CK，且依次为CK的4.51~17.76倍、5.06~21.10倍、10.58~15.46倍(P < 0.05，见图 3A)。由图 3A可知，银中杨根、茎对Pb的富集量随Pb处理含量的升高而依次显著升高(P < 0.05)，但Pb₇₀₀处理组的叶较大程度的低于Pb₅₀₀处理组。Pb各处理组中的根对Pb的富集量均显著高于茎和叶(P < 0.05)，且分别是茎、叶的1.90~5.74倍、2.10~2.89倍。说明土壤中高含量的Pb能超越银中杨叶对Pb的富集阈限，且银中杨对Pb的富集主要集中在根。

图  3  银中杨各部位的Pb含量(A)和对Pb的富集系数(B)

Pb₃₀₀、Pb₅₀₀、Pb₇₀₀分别表示Pb含量为300、500、700 mg/kg。

Figure  3.  Content (A) and bio-concentration factor (B) of Pb in each part of Populus alba 'Berolinensis'

Pb₃₀₀, Pb₅₀₀, Pb₇₀₀ represent the Pb content of 300, 500, 700 mg/kg, respectively.

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土壤中的Pb含量对银中杨对Pb的富集系数影响也呈根茎叶特异性，且各处理组的银中杨各部位对Pb的富集系数均不同程度的高于CK(见图 3B)。由图 3B可知，Pb₇₀₀处理组的叶对Pb的富集系数显著低于Pb₅₀₀和Pb₃₀₀处理组(P < 0.05)，但根和茎对Pb的富集系数随Pb处理含量的升高依次升高，其中Pb₇₀₀处理组与Pb₃₀₀处理组差异显著(P < 0.05)。Pb各处理组中的根对Pb的富集系数均显著高于茎和叶(P < 0.05)，分别是茎、叶的1.89~5.76倍、2.07~2.88倍。说明银中杨根对Pb的富集能力显著强于茎、叶。

3.   结论与讨论

土壤重金属含量、重金属种类以及植物种类均会显著影响植物对土壤中重金属的富集量^[15-18]。本研究发现银中杨各部位的Cd、Zn和Pb含量均与土壤中的相应的重金属含量呈极显著的正相关(P < 0.01)，各处理组的银中杨根、茎、叶中相应的重金属含量均显著高于CK(P < 0.05)，但高含量的Cd处理超越根对Cd的富集阈限、高含量的Pb处理超越叶对Pb的富集阈限。说明土壤中的Cd、Zn和Pb含量影响银中杨对其的富集量，且呈根茎叶特异性。富集系数表示土壤中重金属向植物体内迁移的难易程度，是表征植物对重金属吸收能力的一项重要评价指标^[19-20]。植物对重金属的富集系数也受重金属含量、重金属种类和植物种类的影响^[21-22]。本研究发现高含量Cd处理下的根、茎、叶对Cd的富集系数均不同程度的低于低含量处理；高含量Zn处理下叶对Zn的富集系数和高含量Pb处理下叶对Pb的富集系数也均不同程度的低于低含量处理，但根、茎对Zn的富集系数对Zn的处理含量不敏感，而根、茎对Pb的富集系数却对Pb的处理含量呈依赖性。说明土壤中的Cd、Zn和Pb含量影响银中杨对其的富集能力，同时也呈根茎叶特异性。

张会敏等^[23]发现相思谷尾矿8种定居植物对重金属吸收主要集中在根部。而唐欢欢等^[24]在研究植物对重金属的吸收与富集作用时发现植物根部对As和Cu的富集作用比根部以上突出，而对Zn相反。说明植物对土壤中重金属的富集能力受重金属种类和富集部位的影响。本研究发现银中杨各部位之间对Cd的富集量未表现出任何规律，但对Cd的富集系数，在低含量下一致，在高含量下根显著低于茎和叶(P < 0.05)。Zn低含量处理下的叶、根、茎和高含量处理下的根、叶、茎对Zn的富集量和富集系数均依次不同程度的降低。Pb各含量处理均使根对Pb的富集量和富集系数显著高于茎和叶(P < 0.05)。说明银中杨各部位对Cd的富集情况表现为茎和叶的富集阈限高于根部；对Zn的富集情况在低含量时表现为叶>根>茎，在中、高含量时表现为根>叶>茎；对Pb的富集主要集中在根。