戎 恭，储 茵，刘盛全*

(1. 安徽农业大学林学与园林学院，合肥 230036；2. 安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036)

重金属Cd 通过工业过程、供暖系统、城市交通、磷肥和岩石矿化进入环境，被认为是对动植物有毒害作用最广泛的污染物之一[1]。与有机物不同，重金属本质上是不可生物降解的，因此会在环境中积累。土壤中重金属积累对环境和人类都会构成威胁。在土壤中，重金属对土壤微生物产生毒理学效应，可能导致微生物数量的减少和活性的降低[2]。树木修复（Dendroremediation）是一种新兴的植物修复技术[3]，发挥了树木生长迅速、生物量大、根系稳定、寿命长、耐修剪、易繁殖等多种优势，可以弥补超富集植物总量小的缺陷，可实现城市土壤重金属污染治理的可持续修复。

杨树具有适应性强、生长迅速、繁殖容易等特点，是世界上人工栽培最多的树种之一。虽然杨树重金属富集能力不如超富集植物，但它的根系深，生物量大，蒸腾速率高，具有较好的重金属固着能力，且吸着在木材细胞壁中的重金属可较长地固定，避免很快又回到环境中。从木材利用角度，重金属富集木还有助于部分木材性质的改良。杨树基因组完整，便于后期通过基因表达的调控来提高杨树重金属富集木的形成，提高木材富集重金属能力。因此，因地制宜栽培杨树等人工林树种被认为是今后最具潜力和应用前景的绿色、高效重金属污染治理技术[4]。

应拉木是树木中非正常木材组织，通常是指阔叶材在外力作用下形成的弯曲树干或树枝试图恢复到它原来位置，从而在倾斜树干上形成的解剖和物理力学性质明显不同的木材[5]。杨树应拉木的结构和正常木有很多不同点：在微观角度上应拉木中导管比较少，但是其整体所占体积大于正常木[6]。在超微结构上应拉木比正常木次生细胞壁层多一个细胞壁层（即胶质层，gelatinous layer），应拉木次生细胞壁木质化程度低于正常木，而胶质层中纤维素含量高、微纤丝排列规整且角度近于零度，微纤丝束之间存在大量微空隙（10～30 nm）[7]。这些微空隙对于重金属离子来说，无疑是最好的吸着和富集位点。因此，应拉木在立木蒸腾作用过程中，更有利于无机盐从根部运输至树冠，也有利于对土壤中重金属的吸收。

对于杨树等树种木材富集重金属的研究，目前主要是从重金属在不同杨树品系树木根、茎、枝、叶和树皮的含量分布差异性来进行比较。如，新西兰园艺与食品研究所Robinson 博士研究不同品系的杨树和柳树对Cd 的耐性和富集特性，发现杨树树干对Cd 具有较好的耐性和固着性[8]；德国哥廷根大学Polle 博士比较了两种品系杨树对重金属Cd 的耐受性，研究结果表明Cd 在两种品系杨树的根部和树干富集最多[9]。国内学者张东为等研究不同浓度Cd（5～150 mg·kg-1）对5 种杨树品系生长的影响[10]；何家利等研究了6 种杨树品系对Cd 的耐受性，发现Cd 会使其中4 个品系的光合作用下降，但Cd 在杨树地上部分含量可达到超固着水平[11]。

综上可以看出，尽管国内外对杨树重金属富集木木材开展了一些研究，但主要集中在土壤重金属对不同杨树生长性状的影响以及树木根、茎、叶等不同部位吸收效果测定上，而对从正常木和应拉木的比较角度去研究重金属Cd 对杨树树干解剖特征的影响还还鲜见报道。

本试验以人工林 69 杨(Populus deltoidscv.I-69/55)为研究对象，在相同环境和立地条件下，先在春季通过营养盆培育杨树苗木，然后施加0、5、20、50 和100 mg·kg-1的重金属Cd，再在生长旺盛时期人工控制树干使其倾斜45°，测定分析不同Cd浓度对直立生长和倾斜生长这两种生长方式下微纤丝角、结晶度、纤维长度、导管长度以及双壁厚等解剖特征的影响程度，以期揭示重金属Cd 在进入不同倾斜角度的杨树体内后对杨树材性的影响，为杨树木材材质改良和高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试土壤 试验土壤采用安徽农业大学农萃园内表层土并拌入适量的营养土，其中自然土壤与营养土壤的比例为1:1（自然土壤与营养土壤各占10.5 kg），混合均匀后装入花盆中。测得土壤的理化性质中有机质、全氮、有效磷、速效钾和有效硫分别为73.104 g·kg-1、1.822 g·kg-1、133.8 mg·kg-1、346 mg·kg-1和80.89 mg·kg-1，微量元素中Cd、Zn 和Cu分别为0.144 7、22.68 和37.43 mg·kg-1。

1.1.2 培育苗木及处理 试验采用69 杨(Populus deltoidsBartr. cv. 'Lux' (I-69/55))扦插苗。2018 年3月，从安徽农业大学农萃园中的一棵生长状态良好的69 杨树上剪下一些15 cm 左右的插穗备用。经一个月培养后，选取长势均一约20 cm 高的扦插苗30棵。将30 棵扦插苗栽植在安徽农业大学农萃园阳光大棚的营养盆中。花盆直径33 cm，高38 cm，每盆装土21.0 kg。在7 月份通过对其中的15 棵杨树苗人工授力使其与垂直方向倾斜45°，为了避免外界对苗木生长的干扰，每根苗木用竹竿固定并用塑料扎带捆扎住树干和竹竿，如图1 所示。同时配置4种不同浓度的Cd(NO3)2溶液(5、 20、50 和100 mg·kg-1)对其土壤进行表面喷洒，记为C1、C2、C3和C4。并设置未进行重金属处理的苗木作为对照组，记为C0。同一种浓度Cd 处理的杨树苗栽植3棵作为重复试验。为了使杨树生长在环境相同的生长条件下，定期定量给杨树苗浇水和施肥。8 月初至11月底对直立和倾斜的杨树每月测量1次生长量（树高和地径），共4 次，如表1 和表2 所示。

图1 杨树两种培育方式Figure 1 Poplars in two plantations

表1 不同Cd 处理浓度下直立生长与人工倾斜杨树的树高Table 1 Tree height of upright and inclined poplars at different treatments of Cd application cm

表2 不同Cd 处理浓度下直立生长与人工倾斜杨树的地径Table 2 Basal diameter of upright and inclined poplars at different treatments of Cd application cm

1.1.3 化学试剂 试验用Cd(NO3)2为天津市光复精细化工研究所生产的Cd(NO3)2· 4H2O，分子量为308.47。

1.2 方法

1.2.1 试样的选取 12 月初砍伐取样，树干按其高度分为顶部、中部和基部3 个部分，另外倾斜生长下的树干以髓心为分界点，倾斜树干上部为应拉区，倾斜树干下部为对应区。

1.2.2 纤维长度和导管长度的测量方法 将杨树的树干的每部分用美工刀片修剪至火柴杆大小的木条，放入试管中，用冰醋酸—双氧水（V:V=1:1）离析液离析，然后水洗3 次，观测时先混合均匀，然后取适量样品置于载玻片上，在投影显微镜上放大倍数为100 倍的条件下测定纤维长度和导管长度。纤维长度和导管长度随机测定30 根，最后取得平均值。

1.2.3 双壁厚的测量方法 将制作的永久切片放在显微镜下拍照，拷贝出图片在Image J 软件中测量细胞的腔径和直径，计算得到双壁厚。双壁厚=细胞直径 - 细胞腔径。每组测量30 个数据，求得平均值。

1.2.4 微纤丝角的测量方法 采用XRD（X 射线衍射仪）测量微纤丝角，将杨树树干去除树皮后，倾斜生长树干沿髓心劈开，上部为应拉区，下部为对应区，然后用切片机直接操作最终得到30 mm×10 mm×1mm 表面光滑的长方形薄片为标准试样。在X射线衍射仪的旋转靶台上安装好样品。

测试条件：36 kV，20 mA，波长为1.540 56 的Cu 靶X 射线衍射发生装置。2θ 角度为22.2°，试样从90°到270°，共旋转180°，扫描速度16°·min-1。采用0.6T 法来测定微纤丝角[12]。

1.2.5 结晶度的测量方法 采用XRD（X 射线衍射仪）测量结晶度，将杨树树干以及直立生长和倾斜生长下的顶部，中部，基部试样分别磨成粉末。将其平铺在X 射线衍射仪的测试板的凹槽里。

测试条件：36 kV，20 mA，波长为1.540 56 的Cu 靶X 射线衍射发生装置。扫描范围2θ= 5° ～ 50°，扫描速度为2°·min-1。衍射强度在2θ= 22°（002 面）是极大值，设其积分强度为Iu；在2θ= 18°附近出现波谷，设其积分强度为Ia，则得到结晶度计算公式为Cr=(Iu-Ia)/Iu×100%[13]。

1.3 数据处理

采用Origin 软件作图，采用SPSS 及Excel 软件对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同Cd 浓度处理下直立和倾斜杨树的纤维长度和导管长度变化规律

2.1.1 纤维长度 表3 为不同Cd 浓度处理下杨树直立生长和倾斜生长下的纤维长度。由表3 中的数据可知，在直立生长中，随着土壤中重金属Cd 浓度的升高，各浓度下的纤维长度均小于C0，但减少量并不与土壤中Cd 的浓度呈正比；在倾斜生长中，对应区的纤维长度变化与直立生长下的保持一致，均为C0浓度下的纤维长度最高。但在应拉区中则不同，在应拉区中，随着土壤中Cd 浓度的升高，纤维长度先减小后增大。且在C1 浓度下达到最小。另外，通过LSD 分析，应拉区组内各处理浓度的纤维长度之间无显著性差异。说明在倾斜生长下的应拉区中，重金属Cd 浓度的高低对纤维长度影响不大。而对应区中则与此不同，说明对应区对Cd 浓度的吸收能力较应拉区强。

表3 不同Cd 浓度处理下杨树直立生长和倾斜生长下的纤维长度Table 3 Fiber length of upright and inclined poplars at different treatments of Cd application μm

图2 为不同Cd 浓度处理下杨树直立生长和倾斜生长下纵向分布上的纤维长度变化情况，从图中可以看出，随着土壤中重金属Cd 含量的增加，直立生长和倾斜生长下的纤维长度在纵向分布上总是呈现基部＞中部＞顶部的趋势。即同一处理下的纤维长度随着树干高度的增加而减小。

图2 不同Cd 浓度处理下直立生长和倾斜生长杨树在纵向上的纤维长度Figure 2 Fiber length on longitudinal distribution of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd

对处理浓度、倾斜角度下纤维长度和导管长度的双因素方差进行分析，结果（表4）显示，单因素显著性分析中，处理浓度对纤维长度的影响达到了显著水平。处理浓度和倾斜角度的共同作用下，也达到显著水平。

表4 处理浓度和倾斜角度下纤维长度、导管长度的双因素方差分析结果（P 值）Table 4 Double factors variance analysis results (P value) of fiber length and vessel length at different treatments of Cd application and titl angles

2.1.2 导管长度 表5 为不同Cd 浓度处理下杨树直立生长和倾斜生长下的导管长度。由表5 可知，在直立生长中，随着土壤中Cd 浓度的升高，杨树的导管长度先是保持稳定，当Cd 的浓度达到C3和C4时，导管长度大于C0。这一结果表明，当土壤中的Cd 浓度达到一定浓度时，会使直立生长下的导管长度增加。在倾斜生长的应拉区中，随着土壤中的Cd 浓度的升高，应拉区的导管长度也逐渐增大，并且在C3浓度下达到最大，当浓度升高到C4时，导管长度减少。在倾斜生长的对应区中，随着土壤中Cd 浓度的升高，对应区的导管长度呈现先减小再增大的趋势，并且在C1浓度下最小，C4浓度下最大。

表5 不同Cd 浓度处理下直立生长和倾斜生长杨树的导管长度Table 5 Vessel length of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd μm

图3 为不同Cd 浓度处理下杨树直立生长和倾斜生长下纵向分布上的导管长度变化情况。从图3中可以看出，随着土壤中重金属Cd 含量的增加，倾斜生长下的导管长度在纵向分布上呈现基部＞中部＞顶部的趋势。而在直立生长中，三者之间的大小关系只在C0浓度下表现为基部＞中部＞顶部，但随着Cd 浓度的升高，三者之间的关系没有明显的规律。

图3 不同Cd 浓度处理下直立生长和倾斜生长杨树在纵向上的导管长度Figure 3 Vessel length on longitudinal distribution of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd

由表4 可知，单因素中，倾斜角度对导管长度的影响达到显著水平。表明杨树导管的形态会随着倾斜生长而发生改变，从而影响重金属Cd 在导管内的累积和迁移。这与前期研究得出的倾斜树干吸收重金属镉含量比直立树干多的结果相一致[14]。

2.2 不同Cd 浓度处理下直立和倾斜杨树双壁厚的变化规律变化规律

不同Cd 浓度处理下杨树直立生长和倾斜生长下的双壁厚如表6 所示。由表6 可知，直立生长下的双壁厚随着土壤中Cd 浓度的升高先减小再增大，并且在C1浓度下达到最小。这一结果表明，高浓度下细胞壁加厚。倾斜生长下，随着土壤中Cd 浓度的升高，双壁厚小于对照组C0。表明在直立和倾斜生长的条件下，重金属Cd 的施加对双壁厚作用正好相反。随着土壤中Cd 浓度的升高，直立生长和倾斜生长下纵向分布上的双壁厚呈波动变化的趋势，但直立生长下波动趋势要比倾斜生长下范围大（图4）。这一结果表明，重金属Cd 对直立生长的双壁厚的影响要强于倾斜生长。

表6 不同Cd 浓度处理下直立生长和倾斜生长杨树的双壁厚Table 6 Double wall thickness of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd μm

图4 不同Cd 浓度处理下直立生长和倾斜生长杨树在纵向上的双壁厚Figure 4 Double wall thickness on longitudinal distribution of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd

由表7 中可知，在单因素方面，只有处理浓度对双壁厚的厚度影响达到显著水平，在两个因素的相互作用下，处理浓度和倾斜角度共同作用下达到了显著水平。

表7 处理浓度和倾斜角度下双壁厚多因素方差分析结果（P 值）Table 7 Multivariate factors variance analysis results (P value)of double wall thickness at different treatments of Cd application and titl angles

2.3 不同Cd 浓度处理下直立和倾斜杨树的微纤丝角变化规律

表8 为不同Cd 浓度处理下杨树直立生长和倾斜生长下的微纤丝角。从表8 中可以看出，随着土壤中Cd浓度的增大，直立生长下的微纤丝角逐渐减小，并且在C3浓度下减到最小，然后当Cd 浓度为C4时，又增大为最大。而在倾斜生长下则呈现出不同的趋势，在应拉区的微纤丝角中， C1、C2浓度下的微纤丝角小于C0，C3、C4浓度下的微纤丝角则大于C0。而在对应区中，在所有受Cd 胁迫土壤下的微纤丝角均大于C0。这一结果表明，重金属Cd 的施加浓度会对直立生长以及倾斜生长下的微纤丝角产成不同的影响。产生这一现象的原因可能与直立生长和倾斜生长下的杨树在内部结构上的不同以及二者所吸收的重金属Cd 的含量不同而导致的。

另外，从表8 中还可以看出，在应拉区的微纤丝角上，除C3浓度下倾斜生长下的微纤丝角大于直立生长，其余浓度下均为直立生长下的微纤丝角大于倾斜生长。在对应区中，在C4浓度下，直立生长下的微纤丝角小于倾斜生长，这一结果与C0浓度下的结果一致，而其余浓度下（C1、C2和C3）则与此相反，均为直立生长下的微纤丝角大于倾斜生长。

表8 不同Cd 浓度处理下直立生长和倾斜生长杨树的微纤丝角Table 8 Microfibril angle of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd (°)

此外，在杨树倾斜生长下，随着土壤中的Cd浓度的升高，应拉区的微纤丝角总是小于对应区。这一结果与刘亚梅等人研究的结果一致，其主要原因是由于应拉区中含有大量的胶质层，而胶质层S2层微纤丝几乎与纵向平行，导致应拉区微纤丝角比对应区要小[7]。

表9 为处理浓度和不同区域微纤丝角、结晶度的双因素方差分析结果。由表9 可知，处理浓度和倾斜角度以及两个因素的共同作用下对微纤丝角的影响均未达到显著水平。

表9 处理浓度和倾斜角度下微纤丝角、结晶度的双因素方差分析结果（P 值）Table 9 Double factors variance analysis results (P value) of microfibril angle and crystallinity treated with different concentrations of Cd

2.4 不同Cd 浓度处理下直立和倾斜杨树的结晶度变化规律

表10 为不同Cd 浓度处理下杨树直立生长和倾斜生长下的结晶度。从表10 中可以看出，随着土壤中Cd 浓度的升高，直立生长下的结晶度总是小于C0，而在倾斜生长下应拉区中则呈现出相反的趋势，在应拉区的结晶度中，随着土壤中Cd 浓度的升高，受Cd 胁迫下各浓度的结晶度总是大于C0。而在对应区中，除在C1浓度下对应区的结晶度大于C0外，其余浓度下均小于C0。这一结果表明，当树干吸收土壤中的重金属Cd 后，会影响纤维素构成的结晶区在纤维素整体中的占比。

另外，从表10 还可以看出，在应拉区的结晶度上，只有C0与C4浓度下倾斜生长下的结晶度大于直立生长，其余浓度下均为直立生长下的结晶度大于倾斜生长。在对应区中，除C1浓度下，直立生长下的结晶度小于倾斜生长，而其余浓度下（C1、C2和C3）则与此相反，均为直立生长下的微纤丝角大于倾斜生长。

表10 不同Cd 浓度处理下直立生长和倾斜生长杨树的结晶度Table 10 Crystallinity of upright and inclined popars treated with different concentrations of Cd %

此外，在杨树倾斜生长下，随着土壤中的Cd浓度的升高，应拉区的结晶度总是大于对应区。这一结果与朱玉慧等人研究的结果一致[15]。其主要原因是由于应拉区中含有大量的胶质木纤维，其中胶质层微纤丝倾角基本与树轴方向平行，同时，木质素和半纤维素等不定型高聚物含量减少，使得纤维素结晶度增加[16]。

图5 不同Cd 浓度处理下直立生长和倾斜生长杨树在纵向上的结晶度Figure 5 Crystallinity on longitudinal distribution of upright and inclined poplars treated with different concentrations of Cd

3 结论

当杨树受土壤中的重金属Cd 胁迫后，不同的解剖特征影响不同。其中纤维长度和细胞双壁厚与土壤中Cd 的处理浓度具有显著性差异，而导管长度、微纤丝角、结晶度等差异不显著。表明纤维和细胞壁层的厚度对重金属Cd 的响应更显著。

不同倾斜角度对同一Cd 处理浓度下的解剖特征表现不同，其中倾斜角度对导管长度的影响具有显著性差异。表明杨树导管的形态会随着倾斜生长而发生改变，从而影响到重金属Cd 在导管内的累积和迁移。