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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 7 期摇 摇 2011 年 4 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
川南天然常绿阔叶林人工更新后土壤氮库与微生物的季节变化 龚摇 伟,胡庭兴,王景燕,等 (1763)…………
IBIS模拟东北东部森林 NPP主要影响因子的敏感性 刘摇 曦,国庆喜,刘经伟 (1772)…………………………
不同坡位沙棘光合日变化及其主要环境因子 靳甜甜,傅伯杰,刘国华,等 (1783)………………………………
氮、硫互作对克隆植物互花米草繁殖和生物量累积与分配的影响 甘摇 琳,赵摇 晖,清摇 华,等 (1794)………
海岛棉和陆地棉叶片光合能力的差异及限制因素 张亚黎,姚贺盛,罗摇 毅,等 (1803)…………………………
遮荫对连翘光合特性和叶绿素荧光参数的影响 王建华,任士福,史宝胜,等 (1811)……………………………
3 种木本植物在铅锌和铜矿砂中的生长及对重金属的吸收 施摇 翔,陈益泰,王树凤,等 (1818)………………
施氮水平对小麦籽粒谷蛋白大聚合体粒径分布的调控效应 王广昌,王振林,崔志青,等 (1827)………………
强光下高温与干旱胁迫对花生光系统的伤害机制 秦立琴,张悦丽,郭摇 峰,等 (1835)…………………………
环境因子和干扰强度对高寒草甸植物多样性空间分异的影响 温摇 璐,董世魁,朱摇 磊,等 (1844)……………
利用 CASA模型模拟西南喀斯特植被净第一性生产力 董摇 丹,倪摇 健 (1855)…………………………………
北京市绿化树种紫玉兰的蒸腾特征及其影响因素 王摇 华,欧阳志云,任玉芬,等 (1867)………………………
平衡施肥对缺磷红壤性水稻土的生态效应 陈建国,张杨珠,曾希柏,等 (1877)…………………………………
冬小麦种植模式对水分利用效率的影响 齐摇 林,陈雨海,周勋波,等 (1888)……………………………………
黄土高原冬小麦地 N2O排放 庞军柱,王效科,牟玉静,等 (1896)………………………………………………
花前渍水预处理对花后渍水逆境下扬麦 9 号籽粒产量和品质的影响 李诚永,蔡摇 剑,姜摇 东,等 (1904)……
低硫氮比酸雨对亚热带典型树种气体交换和质膜的影响 冯丽丽,姚芳芳,王希华,等 (1911)…………………
夹竹桃皂甙对福寿螺的毒杀效果及其对水稻幼苗的影响 戴灵鹏,罗蔚华,王万贤 (1918)……………………
海河流域景观空间梯度格局及其与环境因子的关系 赵志轩,张摇 彪,金摇 鑫,等 (1925)………………………
中国灌木林鄄经济林鄄竹林的生态系统服务功能评估 王摇 兵,魏江生,胡摇 文 (1936)…………………………
城郊过渡带湖泊湿地生态服务功能价值评估———以武汉市严东湖为例 王凤珍,周志翔,郑忠明 (1946)……
黄河三角洲植物生态位和生态幅对物种分布鄄多度关系的解释 袁摇 秀,马克明,王摇 德 (1955)………………
基于景观可达性的广州市林地边界动态分析 朱耀军,王摇 成,贾宝全,等 (1962)………………………………
红脂大小蠹传入中国危害特性的变化 潘摇 杰,王摇 涛,温俊宝,等 (1970)………………………………………
基于线粒体 Cty b基因的西藏马鹿种群遗传多样性研究 刘艳华,张明海 (1976)………………………………
不同干扰下荒漠啮齿动物群落多样性的多尺度分析 袁摇 帅,武晓东,付和平,等 (1982)………………………
秦岭鼢鼠的洞穴选择与危害防控 鲁庆彬,张摇 阳,周材权 (1993)………………………………………………
京杭运河堤坝区域狗獾的栖息地特征 殷宝法,刘宇庆,刘国兴,等 (2002)………………………………………
专论与综述
微生物胞外呼吸电子传递机制研究进展 马摇 晨,周顺桂,庄摇 莉,等 (2008)……………………………………
厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用 王摇 惠,刘研萍,陶摇 莹,等 (2019)…………………………
问题讨论
海河流域森林生态系统服务功能评估 白摇 杨,欧阳志云,郑摇 华,等 (2029)……………………………………
研究简报
体重和盐度对中国蛤蜊耗氧率和排氨率的影响 赵摇 文,王雅倩,魏摇 杰,等 (2040)……………………………
虾塘养殖中后期微型浮游动物的摄食压力 张立通,孙摇 耀,赵从明,等 (2046)…………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*290*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*33*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄04
封面图说: 日斜茅荆坝·河北茅荆坝———地处蒙古高原向华北平原过渡地带的暖温带落叶阔叶林,色彩斑斓,正沐浴着晚秋温
暖的阳光。
彩图提供: 国家林业局陈建伟教授摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
生 态 学 报 2011,31(7):1818—1826
Acta Ecologica Sinica
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家林业局 948 项目(2006鄄4鄄06);浙江省科技厅重大项目(2006C12065);浙江省自然科学基金资助项目(Y3080506)
收稿日期:2010鄄03鄄13; 摇 摇 修订日期:2010鄄07鄄26
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: ytc. yalin@ yahoo. com. cn
3 种木本植物在铅锌和铜矿砂中的生长
及对重金属的吸收
施摇 翔1,陈益泰1,*,王树凤1,张晓磊1,2,袁摇 媛3
(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所,富阳摇 311400;2. 山东农业大学林学院,泰安摇 271018;
3.上海泽泉科技有限公司,上海摇 200333)
摘要:通过盆栽试验评价 3 种木本植物紫穗槐、桤木和黄连木修复铅锌矿和铜矿尾矿的潜力。 结果表明,150d后 3 种植物在矿
砂中都能生长,其中黄连木在铅锌矿砂中生长受到明显抑制,桤木的叶绿素含量显著降低。 3 种植物的根系发育在 2 种矿砂中
没有受到显著抑制。 重金属在 3 种植物组织中的含量为 17. 66 —55. 36 mg / kg (铜)、2. 67—196. 00 mg / kg(铅)、58. 93—333. 67
(锌,铅锌矿砂)和 49. 20—199. 33(锌,铜矿砂)。 3 种植物的生物富集系数(BCF)和转移系数(TF)值都小于 1。 60d后,桤木和
黄连木叶片的叶绿素荧光参数与对照相比没有显著变化,PS域的最大量子产量有下降的趋势。 重金属胁迫后显著增加 Mg、Fe、
Cu在功能叶的含量,显著地降低 Mn的含量。 因此可利用固氮植物紫穗槐在尾矿区造林和修复。
关键词:木本植物;尾矿;耐性;叶绿素荧光参数;根系
Growth and metal uptake of three woody species in lead / zinc and copper mine
tailing
SHI Xiang1, CHEN Yitai1,*, WANG Shufeng1, ZHANG Xiaolei1, 2, YUAN Yuan3
1 The Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Fuyang 311400, China
2 College of Forestry, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China
3 Shanghai Zealquest Scientific Limited Corporation, Shanghai 200333, China
Abstract: Mine tailings are known to have environmental perniciousness due to their high concentrations of heavy metals.
Phytoremediation can provide a cost鄄effective, long鄄lasting and aesthetic solution for the reclamation of mine tailings.
However, revegetation on mine tailing areas is a difficult practice because of toxicity of heavy metals and low nutrient
levels. As a result, most tailings disposal sites are devoid of vegetation. Hence, plant species with barren tolerance and
excess metal tolerance are required. To date, most of studies focused on the potential utilization of grasses in revegetation.
Few studies have evaluated the potential of fast growing woody species for revegetation and remediation of mine tailing areas.
The objectives of this study were to reveal the adaptation of the selected woody plants to mine tailings and the potential use
of woody species for the revegetation of mine tailings areas in China. A greenhouse pot experiment was conducted to evaluate
the potential of woody plants for revegetation in copper (Cu) and lead / zinc (Pb / Zn) mine tailings. Three woody plants
species (Amorpha fruticosa Linn, Alnus cremastogyne and Pistacia chinensis) were tested to assess their growth, chlorophyll
content, chlorophyll fluorescence parameters, root morphology, metal accumulation and translocation in plants. Pb / Zn
tailings and Cu tailings contained elevated concentrations of total Pb, Zn and Cu, which imposed stress to species planted.
All three species can grow in both Cu tailings and Pb / Zn tailings and show different tolerance to stress of tailings. The N
fixing shrub A. fruticosa is the most tolerant species to both tailing areas. P. chinensis was significantly stressed in term of
plant growth in Pb / Zn tailing. Heavy metals significantly decreased chlorophyll content of A. cremastogyne. The root
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morphology parameters of all plants grown in tailings showed no difference from that grown in soil. Despite the high
concentrations of heavy metals in the mine tailing, there was a slight transfer of these elements to the aboveground biomass.
The accumulated metal contents in the plants varied among species from 58. 93 to 333. 67 ( for Zn which grown in Pb / Zn
tailing area), 49. 20 to 199. 33 (for Zn which grown in Cu tailing area), 2. 67 to 196. 00 (Pb) and 17. 66 to 55. 36 mg / kg
(Cu). All plant species have low bioconcentration factor ( BCF) and translocation factor ( TF) except TF value of Zn
(TF=0. 84 in Cu tailing areas) of P. chinensis. At day 60, the chlorophyll fluorescence parameters of A. cremastogyne and
P. chinensis in two tailings showed no difference compared with control, but the quantum yield of PS域photochemist showed
the downward trend. The contents of iron (Fe), magnesium (Mg) and copper (Cu) in leaves increased while manganese
(Mn) decreased in A. cremastogyne and P. chinensis grown in tailings than that in control soil. The N鄄fixing species, A.
fruticosa which have the highest tolerance and biomass production, respectively, have great potential application in
revegetation in tailings of southern China.
Key Words: woody plants; mine tailing; tolerance; chlorophyll fluorescence parameters; root
金属尾矿因其较高的重金属含量而被认为对环境有严重的影响[1鄄2],大部分尾矿处置地区严重缺乏植
被[3]。 在中国有大量的金属矿进行开采,产生大量废弃物,这些废弃物包括尾矿导致了中国严重的环境污染
问题[4鄄5]。
植物修复被认为是减少尾矿环境危害的最有前途的方法[6]。 然而,重金属对植物的毒害且尾矿砂中缺
乏营养元素,使得植物修复较难在尾矿地区实践[7]。 因此,耐瘠薄和耐重金属的植物是较好的选择。 研究报
道,草本植物如 Isocoma veneta ( Kunth) Greene, Teloxys graveolens (Willd. ) [8], Bidens humilis[9], Atriplex
lentiformis (Torr. ) [10],Lygeum spartum 和 Piptatherum miliaceum[11]等种植在铅锌矿和铜矿尾矿上能够正常生
长。 但是利用有潜力的速生木本植物来进行植物修复的报道较少[12鄄14]。 与草本植物相比,木本植物是森林
和灌木丛的重要组成部分,有发达的根系。 此外,木本植物通过根系减少重金属的生物有效性和毒性且不参
与食物链,因此能够潜在地避免给人类生存带来危害。
有研究表明紫穗槐(Amorpha fruticosa Linn)、桤木(Alnus cremastogyne)和黄连木(Pistacia chinensis)对重金
属有一定的吸收作用[14鄄16],但是较少研究其受胁迫后生长和生理指标的变化。 本试验通过研究对 3 种植物
在矿砂中的生长、叶绿素相对含量、叶绿素荧光参数、根系形态的变化以及其对重金属的吸收,以期评价以上
3 种植物对尾矿修复的潜力。
1摇 材料与方法
1. 1摇 试验材料
试验供试材料为桤木(A. cremastogyne)、黄连木(P. chinensis)和紫穗槐(A. fruticosa)。 桤木和黄连木
1 年生苗采集自浙江富阳中国林科院亚热带林研究所苗圃。 紫穗槐种子采集于浙江富阳。 紫穗槐和桤木均
为固氮植物,其中紫穗槐长期被作为农业和开矿地区的恢复的主要植物[14]。 黄连木是一种优良的绿化、用
材、观赏、药用和油料树种,也是一种可以带动多种产业发展的高效树种[15]。
供试铜矿砂和铅锌矿砂分别采集自浙江省绍兴市(29毅897忆N, 120毅621忆E)和富阳市(30毅126忆N, 119毅847忆
E)。 红壤作为对照土壤采集自富阳市(30毅057忆N, 119毅956忆E),没有被重金属污染且粘重。 矿砂和土壤样品
均采集自土层表层(0—30 cm),其物理化学性质由表 1 所示。 根据国家标准 GB 15618鄄1995[17],矿砂中的重
金属含量显著高于标准值。
1. 2摇 试验方法
试验在中国林业科学研究院亚热带林业研究所温室大棚进行。 研究所位于富阳市,海拔 90 m,亚热带气
候,年平均气温 16. 2益,年降水量 1452 mm。
试验前将土壤和矿砂风干和混匀,每个圆形的塑料盆(直径 15cm伊高 15cm)装 3000g 土壤或矿砂。 试验
9181摇 7 期 摇 摇 摇 施翔摇 等:3 种木本植物在铅锌和铜矿砂中的生长及对重金属的吸收 摇
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选择生长基本一致的桤木和黄连木,每个塑料盆移栽 2 株扦插苗。 紫穗槐种子经低温处理和消毒后直接播种
至各介质中,然后在介质上覆盖一层红黄壤(1—1. 5 cm)。 发芽后,选择 6 株幼苗进行试验。 试验采用随机
区组设计,设 3 个重复,每个重复每个处理包括 3 盆,共 108 盆。 每 2h 自动喷水,使植物正常生长。 试验于
2009 年 6—11 月(共 150d)进行。 试验过程中,白天温度 25—35益,晚上 15—20益。 于试验的第 60 天测定其
叶绿素荧光参数(紫穗槐由于叶片小,故没测定)和叶绿素相对含量,并检测与叶绿素荧光有关的矿质元素。
试验结束后,收获所有植物,检测生物量,根系形态,植物组织中的重金属 (铅、锌和铜)。
表 1摇 红壤和矿砂的物理化学性质
Table 1摇 Physical and chemical characteristics of control soil and two mixed metals spoil types
项目 Item
速效磷
Available
phosphor
/ (mg / kg)
速效氮
Available
nitrogen
/ (mg / kg)
速效钾
Available
potassium
/ (mg / kg)
铜
Copper
/ (mg / kg)
锌
Zinc
/ (mg / kg)
铅
Lead
/ (mg / kg)
有机质
Organic matter
/ %
pH
红壤 Red soil 16. 0 86. 6 80. 85 24. 6 90. 8 28. 5 0. 54 5. 52
铅锌矿砂
Lead / Zinc tailing 1. 0 15. 9 40. 9 117. 0 2495. 0 2380. 0 5. 89 7. 84
铜矿砂
Copper tailing 4. 5 36. 2 143. 5 587. 5 1270. 0 227. 5 3. 68 8. 45
1. 3摇 样品分析
植物收获后,将其分为地上部和根系 2 部分。 根系用去离子水洗净,并用 5 mmol / L Ca(NO3) 2浸泡。 植
物样品经 105益杀青 30min,75益烘干 3d后称其生物量。
植物样品烘干粉碎后,称取 0. 2 g,用 4 mL HNO3和 1 mL HClO4混合液消解,重金属 (Pb、Cu 和 Zn)和矿
质元素含量用电感耦合等离子原子发射光谱 ICP鄄OES测定(IRIS Intrepid II XSP,Thermo)。
土壤和矿砂经风干过筛后测定重金属含量、营养元素、有机质和 pH。 土壤有机质 (K2Cr2O7外加热法)、
速效氮的测定(碱解扩散法)、土壤速效磷用钼蓝比色法测定[18]。 土壤样品经 5 mL 65% HNO3和 70% HClO4
混合液(4 颐1 体积分数)消解,用 ICP鄄OES测定重金属含量[19]。 pH 值用酸度计 PHS 测定(PHS鄄3C,上海精密
科学仪器有限公司;1 颐2. 5 土壤或矿砂 /水)。
叶片叶绿素含量用 CCM200 型手持叶绿素仪测定 (CID Inc),每株植物随机选取植株上部叶片 10 片,测
定其叶绿素值,取平均值。
叶绿素荧光参数测定采用便携式脉冲调制叶绿素荧光仪 (PAM鄄2500,Walz)。 每株选取 4 片成熟叶进行
测定, 荧光参数通过 PAM鄄WIN软件获得(Walz)。 测定前暗适应 30min。 测定程序为:先照射检测光( <0郾 1
滋mol·m-2·s-1),测定暗适应后的叶片最小荧光 (minimal fluorescence,F0)、最大荧光 (maximal fluorescence,
Fm)。 再测定光化光光强为 160 滋mol·m-2·s-1下的最大荧光 Fm忆和实时荧光(actual fluorescence,Fs)等指标,测
定时调整叶片使其受光量尽量一致,以减少误差。 通过以上数据计算光适应下的最小荧光(F0 忆),F0 忆 = 1 /
(1 / F0-1 / Fm+1 / Fm忆);(2) PS域最大光化学量子产量(Fv / Fm),Fv / Fm =(Fm-F0) / Fm;(3)光化学淬灭,qP =
(Fm忆-F) / (Fm忆-F0 忆);(4) 非光化学淬灭,qN = 1-(Fm忆-F0 忆) / (Fm -F0),(5) PS域有效光化学量子产量,
椎PSII =Yield =(Fm忆-F) / Fm忆。
植物根系去离子水洗净后,用双光源扫描仪扫描。 根系形态参数(根长、根面积、根体积、根平均直径以
及不同径级的根系长度、根系颜色)通过图片用根分析软件 WinRHIZO Pro 2005b 分析 (Regent Instruments
Inc)。
1. 4摇 数据分析
实验数据采用统计软件 SPSS V13. 0 进行方差分析(ANOVA)和最小差异显著法 (LSD),对 3 种植物在铅
锌矿砂和铜矿砂中的反应数据进行差异性比较。
0281 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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2摇 结果
2. 1摇 植物生物量
桤木、黄连木、紫穗槐在 3 种介质中生长的生物量由图 1 所示。 桤木在 3 种介质中生物量没有显著差异,
单株生物量在 8. 70—8. 94 g之间,与对照相比,铅锌矿砂和铜矿砂中地上部的生物量有 0. 4 g的减少,根系则
分别增加 0. 3g和 0. 2 g。 黄连木地上部的生长在铅锌矿中受到显著抑制,生物量与对照相比减少 37% 。 黄连
木在铜矿砂中地上部和根系的生物量相比对照有 17. 1%和 19. 8%的增加。 紫穗槐在污染介质有较好的生
长,在铅锌矿砂中根系的生物量与对照相比增加了 27. 4% 。
图 1摇 3 种介质环境下 3 种植物的单株干重生物量
Fig. 1摇 Seedling biomass after growing in three types of medium
图 2摇 3 种介质环境下 3 种植物的叶片叶绿素质量分数
摇 Fig. 2 摇 The chlorophyll content of three species in three types
of medium
2. 2摇 叶绿素相对含量
3 种植物叶绿素含量由图 2 所示。 在铅锌矿砂和
铜矿砂中,黄连木和紫穗槐植株叶片的平均叶绿素含量
与对照相比没有显著差异,没有出现明显的黄化现象
(少量叶片在叶缘出现黄化现象)。 桤木植株叶片平均
叶绿素含量与对照相比有显著差异,分别下降了
22郾 7% (铅锌矿砂)和 25. 2% (铜矿砂),叶缘有黄化
现象。
2. 3摇 叶绿素荧光参数
在铅锌矿砂和铜矿砂中,桤木的 F0较对照有增加,
黄连木则有下降。 黄连木 Fm和 F t在两种污染介质中均
降低。 桤木在两种污染介质中的最大荧光降低而实际
荧光有所增加。 桤木和黄连木的最大光化学量子产率
(Fv / Fm)在两种污染介质中降低,其中桤木的 Fv / Fm值
均从 0. 787 下降到 0. 75(图 3)。 Fv / Fm值的减少表明植物开始受到重金属的毒害。 方差分析可知,上述 4 个
参数在 3 种介质中没有显著差异。
2. 4摇 根系形态
植物根系在不同矿砂中的形态发育有显著差异(图 4),与生物量的表现基本一致。 桤木根系在铅锌矿砂
和铜矿砂中的生长没有受到显著的抑制,其中根长较对照有一定的增加。 根表面积、根平均直径和根体积等
1281摇 7 期 摇 摇 摇 施翔摇 等:3 种木本植物在铅锌和铜矿砂中的生长及对重金属的吸收 摇
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图 3摇 3 种介质环境下 3 种植物的叶绿素荧光参数
Fig. 3摇 The chlorophyll fluorescence parameters of three species in three types of medium
参数有不同程度的下降(根平均直径在铅锌矿砂中除外)。 在铜矿砂中,根平均直径与对照相比有显著下降,
从 2. 14 mm下降到 1. 60 mm。 黄连木的根系发育受重金属铅和锌的影响较大,与对照相比根长和根表面积分
别减少了 32. 3%和 19. 8% 。 在铜矿砂中,黄连木根系发育较好,根表面积、根平均直径和根体积较对照有一
定程度的增加。 方差分析可知,紫穗槐根系形态参数在 3 种介质中没有显著差异。 除根长外,根表面积、根平
均直径和根体积等参数较对照都有一定程度的减少。
3 种植物在 3 种介质环境中不同径级的根系长度由表 2 所示。 根系长度主要集中在(0—0. 5 和 0. 5—1)
两个径级,1—2 和>2 两个径级根系长度所占比例很小,特别是>2 径级 (表 2)。 桤木 0—0. 5 径级的比例显
著低于其他 2 个树种,特别是在铅锌矿区,细根比例为 60% ,低于对照的 67. 9%和铜矿砂的 71. 2% 。 桤木
0郾 5—1 和 1—2 这 2 个径级的比例则显著高于其他树种。 紫穗槐细根(0—0. 5)的比例较高,其中在铅锌矿砂
和铜矿砂的比例高达 88% ,对照比例为 82. 2% 。 黄连木的情况与紫穗槐相反,细根比例(0—0. 5)是对照较
高,为 87. 3% ;铜矿砂中最低,为 81. 9% 。
表 2摇 3 种介质环境下 3 种植物不同径级根系长度 / cm
Table 2摇 The length of roots in different diameter classes of three woody species in three types of medium
树种 Species 介质 Media 0—0. 5 0. 5—1 1—2 >2
桤木 Alnus cremastogyne 红土 909. 02依385 288. 24依103 b 106. 68依45 b 34. 73依18
铅锌矿砂 1013. 56依248 448. 03依115 a 185. 36依56 a 42. 08依7
铜矿砂 1096. 61依396 317. 91依118 b 96. 47依47 b 28. 17依6
黄连木 Pistacia chinensis 红土 1279. 26依241a 118. 04依18 44. 11依16 22. 81依13
铅锌矿砂 836. 86依290 b 90. 51依41 37. 07依9 26. 15依8
铜矿砂 1028. 50依344 ab 148. 11依38 46. 56依14 32. 18依7
紫穗槐 Amorpha fruticosa 红土 490. 45依205 62. 09依25 26. 04依9 18. 03依6
铅锌矿砂 516. 74依226 43. 26依20 15. 49依5 6. 95依2
铜矿砂 600. 08依326. 29 49. 89依13 16. 41依6 10. 73依3
摇 摇 表中同一列不同字母表示不同处理下同一树种根系形态参数差异显著(P<0. 05)
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图 4摇 3 种介质环境下 3 种植物根系形态参数
Fig. 4摇 The parameters of root of three species in three types of medium
根系颜色能初步反映出植物在逆境胁迫下的表现。 黄连木根系颜色主要是深褐色和浅黄色,其中深褐色
的比例在 50%以上(体积除外)。 褐色和黄棕色所占比例小(体积除外)。 方差分析显示,各指标在 3 种介质
中没有显著差异。 紫穗槐根系颜色与黄连木相似,其中褐色的比例在 50%以上(体积除外)。 桤木根系颜色
主要是深褐色和浅黄色,其中以浅黄色为主。 各指标对照根系浅黄色的比例要高于污染介质。
2. 5摇 植物对重金属元素的吸收
各树种根系和地上部组织中铅、锌和铜的含量由表 3 所示。 重金属主要积累在植物的根部。 铜在各树种
组织中含量的变化范围为 17. 66—55. 36 mg / kg。 铜矿砂中,紫穗槐和桤木地上部铜的含量为 25. 26mg / kg,
24. 66 mg / kg,高于黄连木树种。 桤木根系铜的含量为 53. 88mg / kg,高于黄连木和紫穗槐。 与对照相比,植物
体内铜的含量没有显著的提高。 铅在植物组织中的含量变化范围为 2. 67—196. 00 mg / kg。 桤木根系中铅的
含量要显著高于其他 2 个树种,为 196. 00 mg / kg。 紫穗槐根系铅含量最低,为 80. 00 mg / kg,但其地上部含量
较高,为 13. 67 mg / kg。 植物生长在铅锌矿砂中,其体内重金属锌的含量要高于铜矿砂中的植物。 桤木根系
中锌的含量为333. 67mg / kg(铅锌矿砂)和199 . 33mg / kg(铜矿砂) ,为最高。紫穗槐(铅锌矿砂)和黄连木
表 3摇 150d后 3 种植物在不同介质中各组织中重金属含量(干重)
Table 3摇 Heavy metal concentrations in three woody species shoot and root tissues following different types of substrate after 150 days
树种
Species
处理
Treatment
锌 Zinc / (mg / kg)
地上部 Shoot 根系 Root
铅 Lead / (mg / kg)
地上部 Shoot 根系 Root
铜 Copper / (mg / kg)
地上部 Shoot 根系 Root
桤木 红壤 78. 90依6. 12 ab 186. 67依22. 01 b 5. 00依1. 00 c 15. 33依3. 78 c 18. 26依0. 64 b 47. 56依1. 62 ab
Alnus cremastogyne 铅锌矿砂 80. 03依2. 35 ab 333. 67依138. 27 a 9. 33依0. 57 b 196. 00依3. 60 a nd nd
铜矿砂 77. 66依22. 80 ab 199. 33依58. 62 b nd nd 24. 66依6. 40 a 53. 88依16. 29 a
黄连木 红壤 47. 97依4. 07 d 68. 93依2. 70 c 4. 67依0. 58 c 31. 67依2. 08 c 17. 66依1. 16 b 55. 36依1. 77 a
Pistacia chinensis 铅锌矿砂 58. 93依2. 58 cd 185. 67依3. 78 b 15. 00依1. 00 a 143. 67依5. 51 a nd nd
铜矿砂 49. 20依5. 92 d 60. 13依9. 52 c nd nd 19. 60依0. 34 ab 41. 46依3. 21 b
紫穗槐 红壤 70. 70依1. 75 bc 96. 26依3. 34 bc 3. 00依0 c 10. 67依0. 57 c 21. 33依0. 51 ab 53. 4依4. 59 a
Amorpha fruticosa 铅锌矿砂 92. 53依4. 33 a 135. 00依3. 46 bc 13. 67依2. 51 a 80. 00依3. 60 b nd nd
铜矿砂 61. 20依7. 97 cd 90. 03依3. 21bc nd nd 25. 26依4. 01 a 47. 26依2. 15 ab
摇 摇 表中同一列不同字母表示不同处理下各树种组织内重金属含量差异显著(P<0. 05);nd表示未检测
3281摇 7 期 摇 摇 摇 施翔摇 等:3 种木本植物在铅锌和铜矿砂中的生长及对重金属的吸收 摇
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(铜矿砂)根系中锌的含量较低,分别为 135. 00 和 60. 13 mg / kg。 与根系相似,桤木地上部锌的含量较高,而
黄连木组织中含量最低。 紫穗槐地上部锌含量最高,为 92. 53 mg / kg。
桤木、黄连木和紫穗槐在铅锌矿砂和铜矿砂介质中的生物富集系数 BCF 值由表 4 所示。 铜的 BCF 值在
0. 03—0. 04 之间,表明各树种对铜的积累有限。 铅的 BCF 值在 0. 003—0. 006 之间,说明所试植物几乎不积
累铅。 锌的 BCF值在铜矿砂中高于在铅锌矿砂中。 方差分析表明,BCF值在树种和介质中没有显著差异。
表 4 表示各树种在铅锌矿砂和铜矿砂介质中的转移系数 TF值。 紫穗槐对重金属的转移能力高于其他树
种,TF值分别为 0. 17(铅锌矿砂,铅)、0. 68(铅锌矿砂,锌)、0. 53(铜矿砂,铜)和 0. 689(铜矿砂,锌)。 黄连木
在铜矿砂中有较高的 TF值,为 0. 84。 桤木对重金属的转移能力较弱。
表 4摇 3 种植物在不同矿砂中的根系富集系数(BCF)和转移系数(TF)
Table 4摇 Bioconcentration factor (BCF) and Translocation factor (TF) of Pb, Cu and Zn in three woody species
树种
Species
BCF
铅锌矿砂 Lead / Zinc tailing
铅 Lead 锌 Zinc
铜矿砂 Copper tailing
铜 Copper 锌 Zinc
TF
铅锌矿砂 Lead / Zinc tailing
铅 Lead 锌 Zinc
铜矿砂 Copper tailing
铜 Copper 锌 Zinc
桤木 Alnus cremastogyne 0. 004依0. 0002 0. 03依0 0. 04依0. 01 0. 06依0. 018 0. 06依0. 02c 0. 28依0. 15 b 0. 46依0. 02 0. 41依0. 14b
黄连木 Pistacia chinensis 0. 006依0. 0004 0. 02依0. 001 0. 03依0 0. 04依0. 004 0. 10依0. 003b 0. 32依0. 01b 0. 47依0. 04 0. 84依0. 25a
紫穗槐
Amorpha fruticosa 0. 006依0. 0011 0. 04依0. 002 0. 04依0. 006 0. 05依0. 006 0. 17依0. 03a 0. 68依0. 02a 0. 53依0. 06 0. 68依0. 07ab
摇 摇 表中同一列不同字母表示同一处理下各树种 BCF和 TF值差异显著(P<0. 05)
3摇 讨论
植物对重金属的耐性是植物修复重金属污染土壤的前提。 3 种植物在 2 种矿砂中都能生长,但受害程度
不同,反映出不同植物对重金属耐性程度的不同,可能是因为矿砂中过量的重金属元素。 铅和锌是植物正常
生长和发育所必需的元素,但土壤中过量的铅、锌和铜会抑制植物的生长。 Kabata鄄Pendias 和 Pendias[20]报道
土壤中 100—400 mg / kg 铅、70—400 mg / kg锌和 60—125 mg / kg铜会对植物产生毒害作用,而本试验供试矿
砂中铅、锌和铜的含量显著高于这个界限。 Levy等[21]报道植物中重金属正常和毒性浓度范围 0. 5—10 mg / kg
(Pb)和 30—300 mg / kg(Pb)、3—30 mg / kg(Cu)和 20—100 mg / kg(Cu)以及 10—150 mg / kg(Zn)和 >100
mg / kg(Zn)。 本研究中植物组织中重金属含量要高于以上界限,可能是导致植物在不同矿砂中有不同耐性的
原因。 图 1 表明紫穗槐能正常生长,说明其对铅、锌和铜有较好的耐性。 营养元素对植物生长有着重要的作
用。 矿砂中营养元素的缺失可能是造成植物不能正常生长的另外一个原因[22]。 固氮植物能从空气中固定氮
从而提高其氮水平,因此固氮植物是尾矿植物修复的较好树种。 从本试验结果可知,固氮植物紫穗槐在矿砂
中有较好的生长,能适合矿区的植物修复。 根系在植物生长发育过程中有非常重要的作用。 研究表明植物根
系在矿砂中并没有受到很大的毒害,且某些根系形态参数比对照高,可能是因为试验供试植物本身的差异造
成的。 据观察,植物新生根系颜色以浅色为主,试验的结果表明,3 种植物的新根比例较低,可能是金属毒性
对其发育起到了抑制作用。 由于对照红壤较粘重,因此可能影响了植物根系的发育。
试验表明在矿砂中植物有叶黄化的症状。 本试验测定的 Ca、Mg、Fe、Cu 和 Mn 等 5 种矿质元素中(数据
未给出),矿砂介质中植物叶片 Ca、Mg、Fe、Cu 的含量的与对照相比有增加(Ca 在铅锌矿砂中减少),特别是
Mg的含量增加显著;Mn的含量下降明显。 由于 Mn与植物的光合、呼吸、叶绿素和蛋白质的合成等重要代谢
过程密切相关,缺 Mn时叶绿素和 PS域放氧复合体的合成将受到抑制[23]。 因此推测本实验中 Mn 的亏缺是
桤木黄化症的主要原因之一,这与镉处理后,杨树出现黄化症的机理一致[23]。
PS域的最大量子产量作为光抑制和 PS域复合体受伤的指标[24],反映了植物潜在的最大光合能力。 当植
物受到胁迫时,Fv / Fm 会显著下降。 试验结果表明,60d后黄连木和桤木的 Fv / Fm 值在 3 种介质中没有差异,
桤木的 Fv / Fm 值有一定程度的下降,说明在重金属胁迫下,桤木叶片发生了光抑制或者 PS域复合体受损害。
黄连木在 60d时 Fv / Fm 值与对照相比无变化,表明黄连木受到重金属胁迫后有一定的耐性,但在试验后期,黄
连木在铅锌矿中表现出一定的受害症状,其受害机理将进一步研究。 Fv / Fm 下降可能是 F0的上升或 Fm 的下
4281 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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降。 本试验中桤木 F0有少量的升高,表明被叶绿素吸收的能量转化成电能(电子传递)的比例下降。 Fm 有下
降的趋势,可能是叶绿素分子减少所致。 黄连木的 F0值没有变化,但在铜矿砂中有轻微降低,可能是因为 PS
域天线的热耗散增加的缘故。 光化学淬灭(qP)反映 PS域原初电子受体 QA的氧化还原状态,较低的 qP,反映
PS域中开放的反应中心比例和参与 CO2固定的电子减少[25]。 以往的研究表明,重金属胁迫导致植物 qP 下
降[23鄄25],本试验中,桤木和黄连木(铅锌矿砂)的 qP呈现上升的趋势,但不显著(数据未给出),反映 QA氧化状
态的增加,可能是因为在重金属胁迫下放氧复合体或捕光色素复合体受到伤害,QA接受电子能力减弱,致使
QA的还原程度和还原速率也随之下降[23]。 黄连木在铜矿砂中的 qP有下降的趋势,表明黄连木幼苗利用光能
的效率下降,PS域的电子传递有受阻的趋势。 非光化学淬灭(qN)反映了 PS域反应中心对天线色素吸收过量
光能后的热耗散能力,同时也能反映光合系统的损伤程度[26]。 黄连木(铜矿砂)的 qN 有增加的趋势,表明光
保护机制起到了一定的作用,这也与生物量的结果相一致。
Seo等[14]报道在没有营养处理下,紫穗槐根、茎和叶中的重金属含量分别为 358. 6 mg / kg (Zn)、67. 3
mg / kg (Zn)和 644. 3 mg / kg (Zn);47. 5 mg / kg (Pb)、51. 2 mg / kg (Pb)和 323. 0 mg / kg (Pb);18. 2 mg / kg
(Cu)、5. 1 mg / kg (Cu)和 215. 7 mg / kg (Cu)。 而本试验表明植物对重金属的吸收相对较少,可能是试验时间
较短(Seo的试验周期为 18 个月),此外试验供试植物属于幼苗期,对重金属的毒性耐性较低。 土壤 pH 是影
响重金属生物有效性的一个重要原因[27]。 当土壤为碱性时,会限制重金属在土壤中的生物有效性[28],而试
验供试矿砂 pH分别为 7. 84(铅锌矿砂)和 8. 45(铜矿砂),这可能是植物不能有效吸收重金属的一个原因。
表 4 表明 3 种植物都能较好的吸收锌而较难吸收和转移铜和铅,可能是因为铅和铜的毒性导致了植物不能有
效的将其从根系转移至地上部[29]。
试验中植物的 BCF值和 TF值都小于 1,表明其对重金属的吸收转移能力较弱,因此收获的植物很难有效
的去除矿砂中的重金属。 Mendez等[4]认为植物的 BCF值和 TF值都小于 1,可作为植物固定的参考植物。 植
物不同组织对重金属的吸收不一样,研究结果显示根系组织能积累更多的重金属,表明重金属进入高等植物
后,其迁移能力被有效的限制[30],根据毒理学的观点,植物积累较少的重金属,可以避免其进入食物链,有效
减少环境危害[5]。
4摇 结论
本研究的目的是评价速生木本植物在尾矿修复中的潜力,通过试验得出以下结论:
(1)紫穗槐、桤木和黄连木能在铅锌矿砂和铜矿砂中生长,紫穗槐在 3 种介质中的生长没有显著差异;桤
木在污染介质中出现黄化症状,黄连木的生物量在铅锌矿中显著减少。
(2)重金属主要积累在植物根部,只有很少一部分重金属通过植物转移到地上部组织中。 所有植物的
BCF值和 TF值都小于 1。
(3)固氮植物紫穗槐有较好的耐性和较高的生物量,是修复铅锌矿和铜矿尾矿区的潜力树种。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 7 April,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Seasonal variation of soil nitrogen pools and microbes under natural evergreen broadleaved forest and its artificial regeneration
forests in Southern Sichuan Province, China GONG Wei, HU Tingxing, WANG Jingyan, et al (1763)…………………………
Sensitivity analysis for main factors influencing NPP of forests simulated by IBIS in the eastern area of Northeast China
LIU Xi, GUO Qingxi, LIU Jingwei (1772)
……………
…………………………………………………………………………………………
Diurnal changes of photosynthetic characteristics of Hippophae rhamnoides and the relevant environment factors at different slope
locations JIN Tiantian, FU Bojie, LIU Guohua, et al (1783)……………………………………………………………………
Interactive effects of nitrogen and sulfur on the reproduction, biomass accumulation and allocation of the clonal plant Spartina
alterniflora GAN Lin, ZHAO Hui, QING Hua, et al (1794)………………………………………………………………………
Difference in leaf photosynthetic capacity between pima cotton (Gossypium barbadense) and upland cotton (G. hirsutum) and
analysis of potential constraints ZHANG Yali, YAO Hesheng, LUO Yi, et al (1803)……………………………………………
Effects of shades on the photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence parameters of Forsythia suspensa
WANG Jianhua, REN Shifu, SHI Baosheng,et al (1811)
…………………
…………………………………………………………………………
Growth and metal uptake of three woody species in lead / zinc and copper mine tailing
SHI Xiang, CHEN Yitai, WANG Shufeng,et al (1818)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………
GMP particles size distribution in grains of wheat in relation to application of nitrogen fertilizer
WANG Guangchang, WANG Zhenlin, CUI Zhiqing,et al (1827)
………………………………………
…………………………………………………………………
Damaging mechanisms of peanut (Arachis hypogaea L. ) photosystems caused by high鄄temperature and drought under high irradiance
QIN Liqin, ZHANG Yueli, GUO Feng,et al (1835)………………………………………………………………………………
The effect of natural factors and disturbance intensity on spacial heterogeneity of plant diversity in alpine meadow
WEN Lu, DONG Shikui, ZHU Lei,et al (1844)
……………………
……………………………………………………………………………………
Modeling changes of net primary productivity of karst vegetation in southwestern China using the CASA model
DONG Dan, NI Jian (1855)
………………………
…………………………………………………………………………………………………………
The characteristics of Magnolia liliflora transpiration and its impacting factors in Beijing City
WANG Hua, OUYANG Zhiyun, REN Yufen,et al (1867)
…………………………………………
…………………………………………………………………………
Ecological effects of balanced fertilization on red earth paddy soil with P鄄deficiency
CHEN Jianguo, ZHANG Yangzhu,ZENG Xibai,et al (1877)
……………………………………………………
………………………………………………………………………
Effects of planting patterns on water use efficiency in winter wheat QI Lin, CHEN Yuhai, ZHOU Xunbo,et al (1888)………………
Nitrous oxide emissions from winter wheat field in the Loess Plateau PANG Junzhu, WANG Xiaoke, MU Yujing, et al (1896)……
Effects of hardening by pre鄄anthesis waterlogging on grain yield and quality of post鄄anthesis waterlogged wheat (Triticum aestivum
L. cv Yangmai 9) LI Chengyong, CAI Jian, JIANG Dong, et al (1904)…………………………………………………………
Effects of simulated acid rain with lower S / N ratio on gas exchange and membrane of three dominant species in subtropical forests
FENG Lili, YAO Fangfang, WANG Xihua, et al (1911)
…
…………………………………………………………………………
Molluscicidal efficacy of Nerium indicum cardiac glycosides on Pomacea canaliculata and its effects on rice seedling
DAI Lingpeng, LUO Weihua, WANG Wanxian (1918)
…………………
……………………………………………………………………………
Spatial gradients pattern of landscapes and their relations with environmental factors in Haihe River basin
ZHAO Zhixuan, ZHANG Biao, JIN Xin, et al (1925)
……………………………
……………………………………………………………………………
The assessment of forest ecosystem services evaluation for shrubbery鄄economic forest鄄bamboo forest in China
WANG Bing,WEI Jiangsheng,HU Wen (1936)
…………………………
……………………………………………………………………………………
Evaluation on service value of ecosystem of Peri鄄urban transition zone lake: a case study of Yandong Lake in Wuhan City
WANG Fengzhen,ZHOU Zhixiang,ZHENG Zhongming (1946)
…………
……………………………………………………………………
Explaining the abundance鄄distribution relationship of plant species with niche breadth and position in the Yellow River Delta
YUAN Xiu, MA Keming, WANG De (1955)
………
………………………………………………………………………………………
Forestland boundary dynamics based on an landscape accessibility analysis in Guangzhou, China
ZHU Yaojun,WANG Cheng,JIA Baoquan,et al (1962)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Changes in invasion characteristics of Dendroctonus valens after introduction into China
PAN Jie, WANG Tao, WEN Junbao, et al (1970)
………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Population genetic diversity in Tibet red deer (Cervus elaphus wallichi) revealed by mitochondrial Cty b gene analysis
LIU Yanhua,ZHANG Minghai (1976)
………………
………………………………………………………………………………………………
Multi鄄scales analysis on diversity of desert rodent communities under different disturbances
YUAN Shuai,WU Xiaodong,FU Heping,et al (1982)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
Cave鄄site selection of Qinling zokors with their prevention and control LU Qingbin, ZHANG Yang, ZHOU Caiquan (1993)…………
The habitat characteristics of Eurasian badger in Beijing鄄Hangzhou Grand Canal embankment
YIN Baofa,LIU Yuqing,LIU Guoxing,et al (2002)
…………………………………………
…………………………………………………………………………………
Review and Monograph
Electron transfer mechanism of extracellular respiration: a review MA Chen, ZHOU Shungui, ZHUANG Li, et al (2008)…………
The biochemical mechanism and application of anammox in the wastewater treatment process
WANG Hui, LIU Yanping, TAO Ying, et al (2019)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
Discussion
Evaluation of the forest ecosystem services in Haihe River Basin, China
BAI Yang, OUYANG Zhiyun, ZHENG Hua, et al (2029)
………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Scientific Note
Effects of body size and salinity on oxygen consumption rate and ammonia excretion rate of Mactra chinensis Philippi
ZHAO Wen,WANG Yaqian,WEI Jie,et al (2040)
………………
…………………………………………………………………………………
Study on microzooplankton grazing in shrimp pond among middle and late shrimp culture period
ZHANG Litong, SUN Yao, ZHAO Congming, et al (2046)
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2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊 Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊 Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1 ~ 9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任: 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑: 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 7 期摇 (2011 年 4 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 7摇 2011
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