重金屬污染對贛南2種植物葉片分解的影響*

馬進澤，謝億麗，江 平，曾 競

(贛南師范大學 地理與環境工程學院，江西 贛州 341000)

1 引言

凋落物分解是驅動碳和養分循環的基本生態系統過程，在森林生態系統養分循環中具有重要作用[1-2]，在過去的幾十年中受到越來越多的關注.通過分解作用，凋落物中的氮和磷等營養成分可提供給生產者，碳釋放到大氣中或以有機質的形態存儲在土壤中，形成體現土壤肥力的腐殖質以及長期碳庫[3-4].我國東部土壤有機碳密度大致隨緯度的降低而遞減，贛南等紅壤地區土壤的碳密度為2.14 kg/m2-10 kg/m2，有機碳含量較低[5-6].提高紅壤系列土壤有機碳的積累不僅可以提高土壤養分含量，而且在緩解全球氣候變暖等方面發揮著重要作用[7].然而，迄今為止關于贛南地區凋落物分解的關注明顯不足.

重金屬污染因其對環境和生物的危害極大而受到廣泛關注.在贛江流域稀土開發過程中，多種重金屬離子浸出，因回收率不高而導致重金屬污染[8].贛南礦區周圍鋅、銅、鎘等重金屬含量遠遠高于江西省土壤背景值，甚至高于國家土壤環境質量二級標準，如鋅、銅、鎘含量為二級標準的1.20，1.22和16.02倍[9-10].土壤動物在凋落物分解過程中具有重要作用，土壤重金屬污染不僅改變土壤動物數量，而且通過改變土壤動物的腸道微生物抑制其生長繁殖[11].因此，重金屬污染很可能對植物凋落物分解和土壤養分循環具有重要影響.一般來說，重金屬污染會顯著抑制凋落物的分解[12].Pradhan等研究表明銅對凋落物分解的抑制作用強于銀，對細菌生物量、真菌多樣性、繁殖的抑制作用以及微生物群落結構的改變也更強[13].然而，鋅、銅、鎘等重金屬的種類、凋落物性狀等對凋落物分解的影響仍需進一步研究.

植物凋落物性狀在控制其分解方面起著重要的作用[14-15].植物凋落物性狀(如氮、磷、木質素等含量)強烈影響分解者的豐度和活性，進而影響分解速率[16].植物凋落物的分解速率一般與凋落物的氮、磷含量呈正相關，與木質素、總酚含量呈負相關[17].在溫帶森林中，凋落物氮磷比與分解速率正相關[18]，而在熱帶森林中則正好相反[19-20].因此，寒帶或溫帶植物凋落物性狀對其分解影響規律可能無法解釋亞熱帶植物凋落物的分解[20].

不同物種植物凋落物性狀差異明顯[21-22]，進而導致分解速率的不同[23].例如，一般草本植物分解率會高于木本植物葉片分解率，木本植物葉片分解率高于木本植物枝干[3,24].李海濤等在井岡山地區進行的分解實驗，發現3種不同林型植物分解率順序排列為：高山矮林凋落物的分解速率慢于針闊葉混交林，慢于常綠闊葉林，這可能與植物凋落物的初始磷濃度和碳磷比有關[25].因此，重金屬污染對亞熱帶不同植物凋落物分解的影響也可能存在差異.

筆者在實驗室內模擬鋅、銅、鎘3種重金屬污染，研究重金屬污染對臍橙和樟樹這2種贛江流域重要樹種葉片凋落物分解的影響，嘗試回答重金屬污染是否會抑制亞熱帶植物凋落物分解速率，并嘗試揭示其機理.

2 材料和方法

2.1 研究區概況

贛州又稱贛南，位于江西省南部，與湖南、福建、廣東三省交界.贛州市群山環繞，丘陵起伏，平均海拔在300 m-500 m之間[26].贛州共17條主要河流，河流密布，是贛江發源地.地處中亞熱帶南緣，屬于亞熱帶季風氣候區，植被以常綠闊葉林為主，土壤類型以酸性紅壤為主，是我國東南部生態和水資源安全的天然屏障.贛州市是全國重點有色金屬基地之一，素有“世界鎢都”之美譽.長期的礦產開發，導致嚴重的重金屬污染，使贛南成為我國重金屬污染重點防控地區[27].

臍橙(Citrussinensis)是蕓香科，柑橘屬植物甜橙的一類栽培品種，為贛州地區重要的經濟樹種.至2017年，贛南臍橙產量為全國的39.6%，種植面積、年產量居全國第一.樟樹(Cinnamomumcamphora)屬樟科常綠大喬木，是贛州地區重要的樹種，可入藥，能吸收多種有毒氣體，具有經濟價值、園林價值和藥用價值.因此，本研究以臍橙和樟樹這2種贛江流域重要樹種葉片作為研究材料.

2.2 實驗設計

2019年9月從贛南師范大學校園附近采集臍橙和樟樹新鮮葉片帶回實驗室進行預處理.選取完整健康葉片，去掉葉柄，洗凈晾干，然后置于烘箱中65 ℃烘干至恒重(烘干時間為48 h).稱取3.0 g裝入10 cm×10 cm的100目尼龍網袋中，然后封住尼龍網袋口制成分解袋.在校園周邊樹林下采集典型的紅壤，去除雜質后風干過10號篩.根據贛南礦區土壤中重金屬污染含量，土壤中3種重金屬污染均設置了三個梯度：無污染，輕度污染和重度污染，無交互作用，共7種處理，3種重金屬添加量見表1[28].土壤含水率為4.69%.將預處理的2種植物分解袋均勻的擺放在不同重金屬處理的土壤表面，共放置2(物種)×7(土壤處理)×5(重復)=70個分解袋.分解實驗持續3個月，分解袋表面覆蓋相同植物的葉片，根據贛南降水頻率定期向土壤表面噴灑蒸餾水，噴灑水量總量等于多年秋季平均降雨量.另外，每個物種保留5袋分解材料，用作測定葉片預處理過程中的重量損失和初始化學指標.

表1 土壤中添加重金屬含量

2.3 測量指標和方法

清除分解袋外附著的雜質(土壤)后，將分解后的葉片置于烘箱中65 ℃烘干48 h，稱量干重.然后利用球磨儀將葉片研磨粉碎用于測定各項化學指標.有機碳含量利用總有機碳/總氮分析儀(德國耶拿multi N/C 2100)測定，纖維素和木質素含量利用粗纖維測定儀(海能F800)通過酸性洗滌纖維和酸性洗滌木質素法進行測定計算獲得[29].利用多功能微波消解系統(北京美誠MD6A-6H)通過硫酸-過氧化氫消解樣品后，利用火焰-石墨爐原子吸收光譜儀(德國耶拿NovAA 400P)測定錳，通過鉬銻抗光度法測定磷[30]，納氏試劑測定氮[31].

2.4 數據處理

葉片分解率的計算公式如下[32]：

D(%)=100×(W0-Wt)/W0.

(1)

其中，W0和Wt分別為分解前后葉片的干重，D為分解率.

化學指標損失率計算公式如下：

Dc(%)=100×(W0×C0-Wt×Ct)/(W0×C0).

(2)

其中，C0和Ct分別為分解前后葉片化學指標C的含量，Dc為分解后化學指標C相對于初始化學指標C質量的損失率.

臍橙與樟樹葉片間分解差異，以及3種重金屬污染對葉片分解的影響均通過單因素方差分析方法進行分析，并使用Tukey檢驗進行多重比較分析.顯著性水平設定為α=0.05.

3 結果與分析

3.1 臍橙與樟樹葉片間分解差異

臍橙與樟樹葉片的初始化學成分存在差異(表2).臍橙葉片的碳和錳含量分別比樟樹低6.3%和94.9%，磷含量則比樟樹高53.1%.2種植物葉片的分解也存在顯著差異.臍橙葉片的分解率比樟樹葉片高39.0%，臍橙葉片的磷和木質素損失率也高于樟樹.然而，臍橙葉片氮、錳和纖維素損失率則低于樟樹.值得注意的是，在分解過程中，臍橙錳元素和纖維素不減反增.

表2 臍橙與樟樹葉片初始化學成分及分解的差異

3.2 重金屬污染對臍橙葉片分解的影響

總體上，重金屬顯著影響了臍橙葉片的分解(表3).鋅污染促進了臍橙葉片的氮元素損失，輕度污染和重度污染的氮損失率比對照組高87.5%和153.7%(圖1C).鋅污染抑制了磷元素和木質素的損失，輕度和重度鋅污染的磷元素損失量分別降低了91.1%和44.7%(圖1D)，木質素損失量分別降低了14.7%和18.6%(圖1G).值得注意的是，鋅污染還導致葉片中錳元素含量由損失轉為增加(圖1E).

表3 重金屬污染對臍橙和樟樹葉片分解影響的單因素方差分析

在銅污染下，污染加重會抑制臍橙葉片的分解速率(表3，圖1A).與鋅污染相似，銅污染促進了臍橙葉片的氮元素損失，抑制了磷元素和木質素的損失，還導致葉片中錳元素含量由損失轉為增加(圖1).輕度和重度銅污染下，臍橙葉片氮損失率比對照組高232.1%和158.5%(圖1C).磷元素損失量分別降低了89.3%和67.1%(圖1D)，木質素損失量分別降低了29.7%和28.0%(圖1G).

鎘污染影響到了臍橙葉片分解過程中氮元素、錳元素和木質素的損失(表3).與鋅污染相似，鎘污染促進了臍橙葉片的氮元素損失，抑制了錳元素和木質素的損失，甚至導致葉片中錳元素含量由損失轉為增加(圖1).輕度和重度銅污染下，臍橙葉片氮損失率比對照組高125.5%和163.5%(圖1C)，木質素損失量分別降低了8.3%和29.5%(圖1G).

圖1 重金屬污染對臍橙葉片分解率和化學成分損失率的影響

3.3 重金屬污染對樟樹葉片分解的影響

總體上，3種重金屬均對樟樹葉片分解有顯著影響(表3，圖2).鋅污染對樟樹葉片分解率具有抑制作用，污染后分解率下降了47.8%-52.8%(圖2A).鋅污染促進了樟樹葉片的氮元素損失，輕度污染和重度污染的氮損失率比對照組高150.2%和144.2%(圖2C).鋅污染抑制了錳元素的損失，輕度和重度鋅污染的錳元素損失量分別降低了89.9%和92.1%(圖2E).

圖2 重金屬污染對樟樹葉片分解率和化學成分損失率的影響

除纖維素外，銅污染對樟樹葉片分解的所有指標均具有顯著影響(表3).輕度和重度污染下，樟樹葉片分解率降低了33.0%和22.6%(圖2A)，氮損失率提高了194.5%和141.4%(圖2C)，錳元素和木質素含量由損失轉為增加(圖2E和2G).輕度銅污染比對照組的碳和磷損失率高573.2%和561.9%(圖2B和2D).

鎘污染影響到了樟樹葉片分解過程中碳元素、氮元素、錳元素和木質素的損失(表3).與鋅和銅污染相似，鎘污染促進了樟樹葉片的氮元素損失(圖2C).輕度和重度銅污染下，樟樹葉片氮損失率比對照組高153.7%和181.3%.鎘污染由無污染轉到輕度污染的情況下，碳元素、錳元素和纖維素含量由損失轉為增加(圖2B、2E和2F)，木質素損失率增加119.2%(圖2G).

4 討論

不同植物凋落物中化學成分會存在明顯差異[3]，這是導致不同植物分解存在差異的重要因素[21].本研究中，臍橙葉片的碳和錳含量比樟樹低，磷含量則比樟樹高.因此，導致2種植物分解存在明顯差異.植物凋落物的磷含量及碳磷比會影響其分解的快慢[33].磷有益于分解者的豐度和活性，如真菌，加速凋落物分解.因此磷增加，碳磷比下降有利于凋落物的分解.本研究中臍橙葉片的分解率高于樟樹，與臍橙葉片的磷含量較高有密切關系.在分解過程中，臍橙葉片氮和錳元素損失率低于樟樹，導致分解后臍橙葉片氮和錳元素含量可能高于樟樹.氮和錳元素對凋落物的分解具有促進作用[21].因此推測，在長期分解過程中，臍橙葉片的分解率也高于樟樹葉片.

與其他研究一致[34]，重金屬污染對植物凋落物分解具有抑制作用.這可能因為重金屬污染抑制微生物的生物量和活性，從而抑制凋落物的分解[35].Verónica等通過薈萃分析發現鎘對生物具有毒性，鋅可以降低真菌的生產力[12].正如預期的那樣，凋落物分解對重金屬污染的響應取決于凋落物類型.重金屬對臍橙和樟樹葉片分解的影響存在差異.鋅和銅污染對樟樹葉片分解產生了負面影響，然而重金屬污染對臍橙葉片分解僅表現為抑制趨勢.這與2種植物的初始化學成分差異有關.例如，樹木的枝干由于木質基質多和營養品質低，其中的分解者的生物活性低于落葉，因此，對重金屬污染的敏感性低于葉片[36].

贛南礦區周圍鋅、銅、鎘等重金屬含量遠遠高于江西省土壤背景值[9].研究表明，重金屬污染加重氮元素損失.重金屬污染改變土壤養分循環，如氮循環，營養元素進入土壤和生境的固有的生態平衡就會被打破.另外，重金屬還會導致錳元素積累.一般認為活的植物對重金屬具有富集作用，本研究表明死亡的植物凋落物在分解過程中也會出現重金屬富集，從而加重土壤重金屬污染.除鎘和鋅外，錳污染也是贛南礦區土壤污染風險控制需要關注的重點[9].鋅、銅、鎘等重金屬污染會導致錳等其他重金屬元素的富集，引起重金屬污染的連鎖反應.因此，合理地預防和修復土壤重金屬污染有利于維持當地生態系統平衡和物質循環.活化作用和鈍化作用是目前土壤重金屬污染治理和修復的重要方法[37].可以采取向土壤投入改良劑、超積累植物修復、微生物修復等具體措施來解決土壤重金屬污染問題.

致謝

感謝肖志華，方林香，吳莉鑫參與實驗材料的處理與分析處理.感謝俞筱押教授提出寶貴的修改意見.