栓皮栎树皮对铅的吸收-迁移-贮存规律1)
时间：2023-06-19 08:50:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘彦平 贾子瑞 常二梅 刘建锋 史胜青 江泽平 赵秀莲
(林木遗传育种国家重点实验室(中国林业科学研究院林业研究所)，北京，100091)
树皮指容易从树干上剥离下来的部分，占树木生物量的10%～15%，包括维管形成层以外活的和已死亡的所有组织[1]。由于树皮直接暴露于环境中，与环境中的重金属污染物紧密接触，容易吸收大气环境中的重金属[2-4]。关于树皮对大气重金属污染物吸收效能，已有较多研究成果[5-7]，树皮直接将大气重金属扣留在树皮表面，再通过物理化学作用吸收重金属元素。关于重金属在树皮-树干的径向迁移规律、树干重金属的分布与贮存特征，也有较多研究成果[8-10]，但观点各异，还没有在业内形成共识；
无论是根系吸收还是树皮吸收，对树干中总金属含量的相对贡献率仍然在探索之中。尽管已有研究初步证明了重金属在树干的径向迁移[11-13]，但有关树干重金属的径向迁移能力及树干重金属贮存特征的研究仍然很少。
为此，本研究在北京市海淀区大昭山林地设置试验地，以栓皮栎(Quercusvariabilis)为研究对象，选择树龄大于10 a样木，将60 mL浓度为0.1 mol/L的Pb(NO3)2溶液包施于树干胸径处(1.2 m)树皮上，并分别于5、6、7、8月份对每棵处理树的处理部位补充40 mL浓度为0.1 mol/L的Pb(NO3)2溶液。处理163 d后，在每棵树周围采集表层土壤(0～5 cm深)，用于测定土壤被铅(Pb)污染程度；
在树高(H)0.2 m、1.2 m、(1/2)H、(3/4)H处，分别采集树干同一高度的外皮、内皮、边材、心材及顶端叶片样品，使用HNO3微波消煮，应用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-OES)测定样品中铅质量分数；
分析树皮对铅的吸收-迁移-贮存及树干铅的径向、纵向分布特征和迁移规律。旨在为探索重金属在树皮-树干的径向迁移规律、树干重金属的分布与贮存特征提供参考。
1.1 试验设计
在北京市海淀区大昭山林地(39°28′～41°5′N，115°22′～117°30′E)设置试验地。试验地全年降水集中在6—8月份，占全年总降水量的74%，年降水量733.2 m；
年均气温11 ℃。栓皮栎(Quercusvariabilis)是我国的造林绿化树种，广泛分布于我国华北和东南地区。树皮黑褐色，深纵裂，木栓层发达。试验选择树龄大于10 a、无病虫害、生长良好的6株样本， 3株为对照树、3株为处理树(见表1)。
表1 样木基础数据
参照Wang et al.[13]的方法，首先将60 mL浓度为0.1 mol/L的Pb(NO3)2溶液均匀喷洒于毛巾上，然后将毛巾包在树干胸径处(1.2 m)。为防止毛巾变干，外面用保鲜膜包裹，并用塑料绳固定。试验中铅(Pb)质量分数远高于大气环境可溶性重金属质量分数，以确保足量铅进入树皮和木材。此外，为防止茎流污染土壤，将1块3 cm厚的泡沫板包裹在施加部位的上面，茎流槽部位接上塑料软管并固定。树皮和泡沫板之间的接缝处填充了密封胶，以防止径流渗漏(见图1)。处理树和对照树均设置3个重复。
图1 铅在栓皮栎树皮上的包施样图
1.2 样品采集与处理
本研究在2021年4月7日至2021年9月20日进行，分别于5、6、7、8月份对每棵树的处理部位补充40 mL浓度为0.1 mol/L的Pb(NO3)2溶液。处理163 d后，在每棵树周围采集表层土壤(0～5 cm深)，用以评估土壤受铅污染程度。在树高(H)0.2 m、1.2 m、(1/2)H、(3/4)H处，采集样木的外皮、内皮、边材、心材及顶端叶片样品；
外皮和叶片表面用超纯水超声清洗3次，持续10 s，以去除污染物和未吸收的重金属元素；
将所有样品在烘箱中80 ℃干燥48 h以上至恒质量，然后均质化为粉末。样品风干，剔除动植物残体，用木棒压碎过1 mm筛，封密保存备用。
1.3 样品中铅质量分数测定
使用HNO3微波消煮，电感耦合等离子体质谱仪(ICP-OES)测定样品中铅质量分数。称取0.25 g样品于消煮管中，加入硝酸10 mL浸泡12 h，在林木遗传育种国家重点实验室(中国林业科学研究院)微波消解仪(GEN 1200FE1)进行消煮。赶酸后将1 mL左右液体移到25 mL容量瓶定容，同时做空白试验，摇匀静置后置于15 mL移液管中待测。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2010软件和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。采用夏皮罗-威尔克检验法(Shapiro-Wilk)检验数据的正态性；
使用单因素方差分析法，检测处理组与对照组之间的差异显著性(ANOVA，P<0.05)。
2.1 树干铅质量分数的纵向分布特征
为了检查树干下的土壤是否被铅污染，测量了处理树和对照树表层土壤中铅质量分数。处理树土壤中铅的平均质量分数[(10.29±0.68)mg/kg]与对照树土壤中铅的平均质量分数[(10.06±0.76)mg/kg]无显著差异，表明铅溶液的渗漏对根系吸收的影响可忽略不计。
由表2可见：尽管各树木的树龄和高度不同，但处理树外皮、内皮、边材、心材中铅质量分数的垂直分布模式相似，总体上表现，由大到小依次为1.2 m处、0.2 m处、(1/2)H处≈(3/4)H处。对照树外皮铅质量分数的纵向分布，由大到小依次为(1/2)H处、1.2 m处、(3/4)H处、0.2 m处，这可能与树冠树叶((3/4)H高处)及树下草本植物(0.2 m高出)拦截大气颗粒物有关，有待进一步深入研究。
表2 处理树、对照树树皮和木材中铅质量分数的纵向分布
2.2 树干铅质量分数的径向分布特征
由表3可见：总体上，树干同一相对高度的外皮、内皮、边材、心材中铅质量分数，均表现为处理树的大于对照树的。在0.2 m处，处理树外皮铅的平均质量分数显著高于对照树(P<0.05)；
在内皮、边材、心材中，处理树和对照树的铅质量分数无显著差异。在1.2 m处，处理树外皮和内皮的铅质量分数显著高于对照树(P<0.05)，在边材、心材中铅质量分数无显著差异。在0.2 m、1.2 m处，铅质量分数随着距离外树皮距离的增加向心材方向降低，处理树铅质量分数由大到小依次为外皮、内皮、边材、心材；
对照树，外皮铅质量分数相对较高，内皮、边材、心材3个部位铅质量分数比较接近。在(1/2)H、(3/4)H处，处理树和对照树的内皮、边材、心材中的铅质量分数没有显著差异。处理树和对照树铅质量分数，均表现为外皮铅质量分数相对较高，内皮、边材、心材3个部位铅质量分数比较接近；
顶端叶片中铅质量分数，处理树的铅质量分数[(1.125±0.103)mg/kg]大于对照树的铅质量分数[(0.829±0.121)mg/kg]。
表3 树木不同纵向高度树体内铅的径向分布
由于处理树周围的土壤中没有铅污染，并且在1.2 m处的树皮、木材中铅质量分数最高，因此表明，1.2 m处树皮表面的铅通过栓皮栎外皮进入到内皮，再经过形成层进入到边材、心材中。在(1/2)H、(3/4)H处，处理树的树皮、木材铅质量分数高于对照树，表明在树木蒸腾作用下，铅从木材(边材或心材)向上运输并在此贮存。
3.1 树皮对铅的吸收与迁移
为说明铅在树干中的径向迁移规律，分别计算了胸径处内皮与外皮之间、边材与内皮之间、心材与边材之间的铅质量分数比值(见表4)，三者的比值均表现为对照树的大于处理树的，这进一步说明了铅从外皮到心材有不同程度的径向迁移。已有研究表明，铯(Cs)在日本雪松中也有一定的径向迁移和累积[13]，但铅与铯的累积部位不同，与心材相比，铅更倾向于累积在栓皮栎的边材部位(见表3)，而铯在日本雪松的心材部位累积量更高[13]。此外，本研究对1.2 m处不同径向部位Pb的迁移率的测算结果进一步表明，内皮与外皮之间铅的迁移率最小(见表4)，说明外皮向内皮的迁移能力最弱，而边材与内皮之间铅的迁移率最大，表明铅从内皮向边材的迁移能力最强，铅倾向于在边材中累积(比值接近于1)。心材与边材之间铅迁移率处于前两者中间，说明从边材到心材的迁移能力较弱，进一步说明了铅具有在边材中累积的趋势。当考虑到空气中铅的整体吸收过程时，这些研究结果是相当重要的。这说明铅可以直接沉积于树皮，而在木材中积累。这也正是植物在落叶后茎处于休眠状态时能够吸收大量铅的原因。Stewart(1966)在其研究中假设，有害物质可能被分泌到心材中，并在木质部导管中积累[14]，这种推论可能也适用于铅。铅粘附在木质部导管的细胞壁上，与细胞壁之间发生相互作用。还有相关研究认为，铅从内树皮(韧皮部)向边材(木质部)的转移，主要通过薄壁组织细胞的共质体促进，并由蒸腾作用对韧皮部和木质部之间的相关梯度驱动[15]。这需要对韧皮部和木质部之间的相互作用做进一步深入研究，以充分了解铅从内树皮向木材的转移机理。
表4 对照树和处理树胸径(1.2 m)处不同径向部位铅迁移率(用铅质量分数(w)的比值表示)
3.2 树干中铅的贮存特征
已有研究表明，树皮中的铅质量分数随着离外树皮距离的增加而呈指数下降(超过20倍)[16]。例如，刺槐外树皮到距离外皮1 cm深处，铅质量分数从500 μg/g下降到30 μg/g，距离外皮4 cm深的木材中下降到6 μg/g[17]。然而，在本研究中，由于考虑到含有活组织的内部树皮中的金属质量分数与木材中的金属质量分数更直接相关，本研究将外层树皮与内层树皮分开测算，分别评估了它们在吸收过程中各自的作用，结果表明，胸径(1.2 m)处树皮和木材不同径向部位其金属质量分数之间呈现很好的对数关系，对照树和处理树决定系数(R2)分别为0.990、0.999。外皮滞留了大量的铅，表明外皮对重金属的滞留能力及径向迁移阻碍作用强于内皮。
3.3 树皮对铅的吸收机理
本研究表明，铅能够被外树皮吸收进入到内树皮，再通过形成层迁移至边材、心材；
在通过蒸腾作用或其他相关的驱动因素作用下，可以在木材中向上迁移。但与铯的迁移速率和累积部位不同[13]。目前为止，这些微量金属通过树皮进入木材的机制仍然没有定论[18-19]。有研究认为，树皮在通过离子交换进行对金属离子的吸附时，主要是通过与官能团(如羧基和酚羟基)络合[20]。为此，粉碎的树皮经常被用作去除废水中金属离子的有效吸附剂[21-26]。也有研究认为，金属离子的径向转移是因为茎流中的阳离子和茎中的质子之间发生了离子交换[27]。本研究推测，树皮对铅的吸收也可能与离子交换过程有关，在离子交换过程中，铅与其他阳离子发生了交换，但这不足以诠释铅进入木材组织的原因。因此，需要进一步研究树皮化学和解剖特征，以及不同树种的韧皮部和木质部之间的相互作用，以充分阐释树皮对重金属的吸收机制。
通过研究栓皮栎树皮对重金属铅的吸收及随后的迁移与贮存特征，本研究认为：①铅可以被栓皮栎外树皮吸收和滞留；
少部分铅被径向迁移内皮，再通过形成层迁移至边材、心材；
在树木蒸腾作用下，铅从木材竖直迁移至顶端叶片。②通过计算胸径处内皮与外皮之间、边材与内皮之间、心材与边材之间的铅质量分数比值，铅从内皮向边材的迁移能力最强(比值接近1)，从边材向心材的迁移能力较弱，从外皮向内皮的迁移能力最弱。铅更倾向于在边材中累积。③对树干中铅的径向贮存特征分析，树干中的铅质量分数随着离外树皮距离的增加而呈对数关系下降。
