随着人类社会的不断进步和工业化进程的加快，环境污染成了当前日益突出的重要生态问题之一，土壤重金属污染已成为人们广为关注的环境问题(郭平等，2007)。对重金属污染的研究一直是生态学和环境生物学研究的热点之一，在重金属对生物的形态、生理生化效应及植物对重金属污染的抗性机制等方面已有不少研究(万永吉等，2008; 李庆亭等，2008; 孔祥瑞等，2007; 周守标等，2007)，但这些研究主要集中于农作物和草本植物(田如男等，2004)，草本植物对重金属吸收具有选择性，限制了植物修复效果。和草本植物相比，木本植物具有生物量大、根系发达的特点, 具有较强的吸收能力，所以木本植物修复土壤重金属的应用越来越广泛(Pulford et al., 2003)，尤其在道路两侧。目前，国内外有关道路两侧土壤中重金属分布方面的研究己有报道(Much，1992; Volker，2002)。同时国内外也开展了一些有关道路两侧土壤植物系统重金属污染的研究(殷云龙等，2005; 朱建军等，2006)，而以同一树种不同年龄绿化植物为研究对象进行抗重金属胁迫能力的研究未见报道。在城市生态系统中，植物对整个城市生态环境的改善起着不可估量的作用。研究城市环境中绿化植物对污染胁迫的反应、不同植物对污染的耐受性及在污染环境中生长的安全性，已成为城市绿化、美化和生态环境修复中亟待研究的课题。当前，利用树木修复土壤重金属污染的研究集中在杨柳科(Salicaceae)植物的盆栽试验和水培试验上，而对自然生长于污染土壤上的树木的研究较少，并且缺少野外试验数据的支持(刘维涛等，2008)。

毛白杨(Populus tomentosa)作为北方城市的主要乡土绿化树种，广泛用于行道树和护岸护堤，但是这些地方的树木容易遭受铅和镉等重金属的污染。本研究以3，10，20和30年生的毛白杨为研究对象，在城市河道公路两岸土壤受重金属严重污染的情况下，研究不同年龄毛白杨抗氧化酶活性、细胞膜透性及叶绿素含量等生理生态响应，同时以河北农业大学校园标本园3，10，20和30年生的毛白杨为对照，评定污染区不同年龄毛白杨抗重金属胁迫的能力，为河道和公路两岸树种的选择和改良提供基础数据和理论依据。

1 研究区概况

研究区位于保定市区(113°40′—116°20′E，38°10′—38°40′N)。平均海拔18.5 m。气候温和，四季分明，属于暖温带半湿润季风区域，年平均气温12.2 ℃; 年日照2 563 h; 年无霜期210天; 年平均降水量570 mm; 土质为粘土，地带性植被为暖温带落叶阔叶林(李国栋等，2007)。研究区公路两侧是工业区，生产过程中产生大量的废水、废气和废渣，部分直接排放到公路旁边的河道，加之公路车流量大，污染严重。

2 研究方法 2.1 样品采集与处理

2008年8月在保定市西郊车流量较大的污染严重的防洪河道公路两侧(污染区)和河北农业大学标本园(对照区, 位于校园西南区，东边为科研楼，南边为居民区、西边为农田、北边为学生操场)，选择健康、无病虫害的毛白杨。在对照区和污染区分别选择3株3，10，20和30年生的毛白杨样株。分别在每个样株的不同方向采集叶、枝、树干及地下细根，每个样株各采集15个叶、枝、树干和地下细根样品。在每个样树的根际采集0~20 cm表层土壤样品5个(每15个土壤样点土样混合为1个土壤样品)。土壤样品自然风干，过100目筛，用HN0₃-HF-HCLO₄消解，测定Pb，Cd，Cu，Zn，Cr和Ni含量, 土壤重金属含量均采用原子吸收分光光度计测定(赵卓亚等，2009)。

2.2 土壤生态危害指标的测定

根据目前评价土壤污染的综合方法，本研究选用内梅罗污染指数法来计算综合污染指数，评价土壤污染程度(谢建治等，2002)，计算公式为

式中:P为土壤综合污染指数，P_i为某污染物的污染指数，且P_i=C_i/S_i，C_i为某污染物的实测值，S_i为某污染物的评价标准，S_i=x+2s; x为该地区土壤重金属背景值，s为背景值的标准误差值，为土壤中各污染物的指数平均值; max(P_i)为土壤中单项污染物的最大污染指数。当P＜1时为未污染; 当1≤P＜2时为轻污染; 当2≤P＜3时为中度污染; 当P＞3时为重度污染。

2.3 生理生化指标的测定

叶绿素总含量(叶绿素a和b)的测定:采用沈伟其(1988)的方法。SOD活性、POD活性、CAT活性和细胞膜透性采用李合生等(2004)的方法，其中细胞膜透性以相对电导率表示细胞膜透性大小。化感作用效应敏感指数AI采用Williamson等(1988)的方法计算: AI=1-C/T (T≥C); AI=T/C -1，(T＜C), C为对照值, T为处理值。当AI＞0时, 表示促进作用，当AI＜0时，表示抑制作用。AI绝对值的大小代表化感(自毒)作用强度。

2.4 综合评定

综合评定采用隶属函数值法(李彦慧等，2008; 陈德明等，2002)，对各项测定指标用模糊数学隶属公式进行定量转换，分别用模糊数学隶属度公式求出不同年龄毛白杨各指标的具体函数值，U(X_i)=(X_y-X_jmin)/(X_jmax-X_jmin), (计算隶属函数值的平均值)。如果某一指标与抗性为负相关，用反隶属函数计算其隶属函数值，即U(X_i)=1-(X_y-X_jmin)/(X_jmax-X_jmin), 。式中: X_y为第i个年龄第j个测定指标; U(X_i)∈[0, 1], Δ为同一年龄毛白杨各项指标测定的综合评定结果; n为测定的指标总数; X_jmax和X_jmin分别为不同年龄树种第j项指标的最大值和最小值。

3 结果与分析 3.1 河道公路旁侧土壤重金属含量与土壤元素背景值比较

河道公路旁侧土壤重金属含量与土壤元素背景值见表 1(魏复盛，1990; 谢建治等，2002)。除了Ni之外，污染区毛白杨根际土壤重金属Pb，Cd，Cu，Zn和Cr含量均高于中国土壤元素背景值和河北省土壤元素背景值，分别是河北省土壤元素背景值的2.11，120.21，3.33，3.12和1.11倍。污染区土壤根际重金属Pb，Cd，Cu和Zn含量分别是保定市土壤元素背景值的1.46，16.50，3.48和2.85倍。其中Cd是国家土壤环境质量标准规定(GB15618-95) 3级标准的(1 mg·kg^-1)的11.3倍，3级标准主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿区附近的农田土壤。通过计算内梅罗污染指数，河道土壤生态危害指标P值为7.398，大于3，表明河道公路两侧土壤已经受到了重度污染，河道成为重度污染区。而对照区土壤生态危害指标P值为0.877，小于1，标本园土壤没有受到污染。

3.2 重金属胁迫对SOD活性的影响

不同年龄毛白杨SOD活性大小见图 1。随着年龄增加，对照区各器官SOD活性呈现先增加后降低再增加的趋势。整体上来看，污染区毛白杨的SOD活性呈现降低的趋势。从图 1中可以看出，污染区3年生SOD活性大于对照，叶、枝、树干和根部分别是对照的1.29，1.34，1.05和1.17倍。污染区10，20和30年生毛白杨SOD活性小于对照区。从毛白杨的不同器官来看，不同年龄毛白杨叶和根部的SOD酶活性变化比较明显，差异显著(P＜0.05)，其他器官变化不显著。

污染区毛白杨SOD活性的化感效应结果见图 2。从图 2可以看出，3年生的毛白杨表现为促进效应，其中叶与枝的促进效应高于根和树干。10年生和30年生的表现为抑制作用，并且抑制作用表现为30年生＞20年生，其中叶的抑制效应高于枝、树干和根。20年生的毛白杨叶和枝表现为抑制作用，树干和根为促进效应。

3.3 重金属胁迫对POD活性的影响

不同年龄毛白杨POD活性大小见图 3。整体来看，随着年龄的增加，对照区毛白杨POD活性呈现先增加后降低的趋势，污染区也呈现出先增加后降低的趋势。对于3年生的毛白杨来说，与对照区相比较，毛白杨树干的POD活性差异不显著，其他各器官POD活性差异显著。10，20和30年生的毛白杨其POD活性均小于对照区。

污染区毛白杨POD活性的化感效应结果见图 4。从图 4可以看出，除了3和20年生的枝外，均表现为抑制效应。并且整体表现为根和叶的抑制作用大于树干和枝，表明叶和根部在重金属的胁迫下，酶活性变化剧烈。

3.4 重金属胁迫对CAT活性的影响

不同年龄毛白杨CAT活性大小见图 5。整体来看，随着年龄增加，对照区毛白杨CAT活性叶表现出先增加后降低再增加的趋势，而枝、树干和根CAT活性呈现先降低后增加的趋势。污染区不同年龄的毛白杨CAT活性表现出不一致的变化趋势。3年生的污染区毛白杨CAT活性低于对照区，分别是对照的0.68，0.47，0.69和0.15倍，差异显著(P＜0.05)。但是10，20和30年生的毛白杨CAT活性表现为根部小于对照区，但其他器官无明显变化规律。

污染区毛白杨CAT活性的化感效应结果见图 6。从图 6中可以看出，3年生的毛白杨各器官均表现为抑制作用，并且根部的抑制作用大于其他器官。10，20和30年生的根部均表现为抑制作用，并且10年生的抑制作用最大，但树干表现为促进作用。除了20年生叶部有促进作用外，其他各年龄毛白杨叶部均表现为抑制作用。

3.5 重金属胁迫对细胞膜透性的影响

不同年龄阶段毛白杨叶片的细胞膜透性见图 7。从图 7中可以看出，对照区毛白杨的电导率随着年龄的增加呈现增加的趋势。与对照相比，污染区的毛白杨随着年龄的增加，细胞膜透性变化不明显，但是均大于对照，分别是对照的2.26，1.38，1.29和1.17倍，并且均存在显著差异(P＜0.05)。

污染区毛白杨叶片细胞膜透性的化感效应见图 8。从图 8可以看出，不同年龄毛白杨相对电导率的化感效应表现为抑制效应，随着年龄的增加化感效应减弱。3年生毛白杨的抑制作用最大，表明受的伤害最大，分别是10，20和30年生的2.06，2.52和3.87倍。

3.6 重金属胁迫对叶片叶绿素含量的影响

从图 9可以看出，随着年龄增加，对照区与污染区毛白杨叶绿素含量均呈现先增加后降低的趋势。受胁迫的10年生毛白杨叶绿素含量最高，而30年生叶绿素含量最低。除了3年生叶绿素含量高于对照，差异不显著(P＞0.05)，其他均小于对照，分别是对照的0.93，0.66和0.67倍，差异显著(P＜0.05)。

污染区毛白杨叶片叶绿素含量的化感效应见图 10。3年生毛白杨叶片叶绿素的化感效应表现为促进作用，其他年龄则表现为抑制作用，10年生的抑制作用最小。

3.7 抗重金属能力综合评定

植物受到逆境时其生理变化是错综复杂的，并受到多种因素的影响，孤立地用一个指标评价植物抗污染能力很难反映植物的抗性本质。因此，为综合评价污染区不同年龄毛白杨抗重金属能力的大小，采用隶属函数值法，也就是用模糊数学隶属度公式对各项指标测定值进行定量转换，具体计算方法是，对污染区毛白杨SOD活性、POD活性、CAT活性和叶绿素含量采用隶属函数。用污染区每一年龄毛白杨各项指标隶属度的平均值(即综合评定值)作为这个年龄毛白杨抗性能力综合评判的标准。

由表 2可以看出，污染区各年龄的毛白杨抗重金属能力表现为3年生＞10年生＞20年生＞30年生。将各指标隶属度值与综合评定值做相关性分析，结果表明，POD活性隶属度值与评定结果相关性极显著(P＜0.01)。SOD活性、CAT活性和叶绿素含量隶属度值与综合评定值相关性显著(P＜0.05)。而相对电导率隶属度值与综合评定值相关性不显著。

4 结论与讨论

正常条件下，植物活性氧的形成和清除之间保持一种动态平衡，在遭受胁迫时，平衡被打破，活性氧积累。相应的植物体内也有一套复杂的活性氧清除系统，其中SOD、POD和CAT是植物体内酶防御系统的3种重要保护酶，他们协同起来可以保护植物细胞免受活性氧的损伤(韩刚等，2008)。本研究表明:污染区毛白杨SOD活性随着毛白杨年龄的增加，表现为降低的趋势。POD活性随着毛白杨年龄的增加，表现为先增加后降低的趋势。污染区不同年龄的毛白杨CAT活性表现出不一致的变化趋势。与对照相比，污染区毛白杨随着年龄的增加，叶绿素含量先增加后降低，但低于对照。众所周知，叶绿素是光合作用的主要色素，叶绿素的破坏与降解会直接导致光合作用效率的降低，使植物得不到足够养分，从而生长缓慢，甚至停止生长(刘登义等，2002)。在重金属胁迫下，对于SOD活性、POD活性、CAT活性和叶绿素含量的变化情况，以不同的树木为试验材料，研究者有不一致的结论(吴月燕等，2009;杨卫东等，2009; 李永杰等，2009)。由于树木本身的差异以及重金属元素毒性的差异，使得树木对重金属污染的适应过程和机理的研究极为复杂，很多机理和规律尚未发现或不甚明确(唐凌凌等，2009)，且有关不同年龄相同树木抗重金属能力的研究未见报道，因此对不同年龄同一树种抗重金属能力的研究具有重要意义。

污染区毛白杨SOD活性、POD活性、CAT活性和叶绿素含量指标隶属度值与综合评定结果呈现显著或极显著相关性，表明这4项指标是评定毛白杨对重金属胁迫响应的重要指标。膜脂过氧化是细胞中产生的自由基诱导膜脂不饱和脂肪酸过氧化造成的，导致细胞膜受损伤，使细胞膜透性增大，细胞膜透性越大，说明细胞膜受到的伤害越大(彭建云等，2007)。随着年龄增加，污染区毛白杨相对电导率均大于对照区，说明污染区细胞膜均受到一定的伤害。同时污染区毛白杨的相对电导率与综合评定结果相关性不显著。

本研究应用化感指数分析污染区毛白杨的抗性大小。化感指数为正值表明重金属通过刺激体内少量活性氧的积累而激发了细胞自身的防御系统，从而起到保护作用，化感指数值越高，保护作用越强; 化感指数为负值表明重金属胁迫致使植物体内活性氧大量积累，超出了细胞自身的防御能力，表现为毒害作用，化感指数越低，说明毒害作用越大(龚双姣等，2007)。根据化感指数值的大小可以看出，污染区不同年龄毛白杨各器官SOD活性、POD活性、CAT活性、叶绿素含量和相对电导率指标的化感指数大小的变化趋势不一致，说明需要将化感指数指标和SOD活性、POD活性、CAT活性、叶绿素含量以及相对电导率指标结合起来进行植物抗性评价。综上所述，各年龄的毛白杨抗重金属能力表现为3年生＞10年生＞20年生＞30年生，表明较大年龄的毛白杨抗重金属的能力有下降的趋势。

目前关于树木抗重金属能力的研究很多，但大多集中在草本植物和部分树木幼苗的研究(庞欣等，2001; 谢传俊等，2008; 万雪琴等，2008)，今后应加强城市绿化树种以及同一树种不同年龄时期抗重金属能力的研究，为选择抗重金属能力强的城市绿化树种提供依据。