杨梅[Myrica rubra (Lour.) Sieb. et Zucc.]为杨梅科(Myricaceae)杨梅属(Myrica)的亚热带常绿乔木,其果实是中国特产水果之一。杨梅果实色泽鲜艳、汁液多,营养价值高,性平、无毒,甜酸适口,风味好,并且具有止咳生津、消食、止呕、利尿、治痢疾等功能。杨梅根系与放线菌共生,瘠薄山地能迅速生长,枝叶繁茂,树性强健,可起到保持水土、减少土壤冲刷的作用。

闽西矿山的开采和矿业发展为福建社会经济发展做出了巨大贡献,但同时也对矿区生态环境造成了严重的危害,因此,筛选适宜矿区栽培种植的植物,对矿区污染土壤的修复以及生态环境保护具有重要意义^{[1, 2, 3]}。植物种类在矿区或重金属污染土地的植被重建和植被修复中起着决定性作用^{[4, 5]}。杨梅不但是中国江南地区的特产水果,而且是矿区植被恢复和治理水土流失的先锋树种。但由于杨梅栽培粗放、病虫害防治及施肥管理不当、品种适栽性等因素,导致杨梅单产不高,品质不稳,栽培效益低。近年来,因福建省矿区杨梅枝梢病枯的普遍发生,杨梅产量与品质均受到一定影响,如福建长汀杨梅生产基地,杨梅产量连年减产。有学者认为枝梢病枯是因生理性病害引起的^{[6, 7]},本课题组调查了福建长汀杨梅枝梢枯萎、死亡成因,应用电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)分析技术,从杨梅树体矿质营养元素吸收或富集角度,对其叶片矿质元素作较全面的测定与评估,为筛选适宜矿区种植的杨梅品种提供一些参考依据。

2014年6月15日,在管理水平相同、生长一致的果园,选择'浮宫一号’、'东魁’、'洞口乌’、'丁岱梅’、'硬丝安海变’和'软丝安海变’6个品种8年生的杨梅树叶片作为供试材料,土壤样品均采自福建省长汀县杨梅基地。

土壤采样时,在杨梅基地果园按"S"型选取样树15株,在树冠滴水线下挖一个深40 cm的土壤剖面,在剖面上均匀采集深度0-25 cm、25-40 cm土层土壤各250 g,去除根系及砾石等杂物,均匀混合15个采样点土壤,四分法取1 000 g土壤带回实验室,及时风干、研磨、过筛后保存待测^[8]。

在采集土壤样品的15株杨梅植株树冠高度1.5-2.0 m处,随机选择外围枝叶的当年春梢营养枝顶部第3片叶,于东西南北4个方位上,各采2片叶,每株8片叶;各品种每5株作为1个处理,设3个重复,随机取样。将所有叶片样品装入有孔的干净塑料袋,留出透气孔,置于0 ℃保温箱中,24 h内带回实验室,洗净后,切取中部叶10.00 g,用真空冷冻干燥机冻干保存待测相关指标。

电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700X型,Agilent公司),微波消解系统(Mars 5,HY-20-164型,CEM公司),超纯水系统(Milli-Q型,Millipore公司),紫外可见分光光度计(TU-9101型,北京普析通用仪器有限责任公司)。B、Mn、Fe、Ni、Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As和Hg各元素标准溶液均来源于国家标准物质研究中心。硝酸(HNO₃,分析纯)购自德国CNW Technologies GmbH公司。

试验样品前处理参照祁芳斌等^[9]的方法,将样品用冷冻干燥机冻干,取干样0.500 g在设定的条件下(表1)进行微波消解。

将单标溶液配制成混合标准系列溶液,其中B、Mn、Fe、Ni、Cu、Cr、Zn、Pb、Cd和As的浓度分别配制为0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0和500.0 μg·L^-1;Hg的浓度配制为0、10.0、20.0、50.0和100.0 μg·L^-1。将混合标准系列溶液和样液进行ICP-MS测定,采用标准曲线法定量,加入混合内标校正基体干扰和仪器信号的漂移。P元素含量测定用LY/T 1270-1999^[10]的方法,硝酸—高氯酸消解,钼锑抗比色法在700 nm波长下测定。

富集系数(bioaccumulation coefficient,BC)＝植物体内某种重金属含量/土壤中重金属含量×100%,富集系数越大,对重金属元素富集能力越强^[11]。试验数据用SPSS 21.0软件统计分析。

同一果园不同品种杨梅叶片大量元素的质量分数存在明显差异,其中N、Ca和K是杨梅叶片中主要营养元素(表2),N含量最高,达19.300-28.800 g·kg^-1;其次为Ca和K,其含量均高于7.048 g·kg^-1;而P和Mg含量相对较低,Na含量最低。依据杨梅叶片Ca、K含量差异(≥10 g·kg^-1),可分为需Ca型、需K型和Ca、K兼需型3类。需Ca型杨梅品种有'洞口乌’、'丁岱梅’和'硬丝安海变’,其叶片大量元素含量为N＞Ca＞K＞Mg＞P＞Na,'洞口乌’叶片Ca含量显著高于'丁岱梅’和'硬丝安海变’(P＜0.01);需Ca型杨梅对K元素亦有较大需求,其叶片K含量均在7.5-8.5 g·kg^-1之间。需K型杨梅品种叶片大量元素含量为N＞K＞Ca＞Mg＞P＞Na,主要品种有'软丝安海变’和'东魁’;此类型杨梅叶片Ca含量较高,在7.0-8.5 g·kg^-1之间,品种间亦呈显著差异(P＜0.01)。无论需Ca型还是需K型杨梅,其Ca、K含量均较高,此类型品种需补充足量的Ca肥、K肥。'浮宫一号’属Ca、K兼需类型,并且该品种叶片Na含量最高。'东魁’杨梅的Mg、K含量相对较高,表明'东魁’杨梅对Mg肥、K肥需求量大。

杨梅叶片大量元素含量相关性复杂,P和K元素之间存在促进的正相关关系(R=0.97^**),而杨梅叶片Ca的吸收与K、P、Mg、Na之间存在相互抑制关系,此外K与Mg元素之间亦存在一定拮抗关系(表3)。

不同品种杨梅之间微量元素含量差异显著(表4)。Mn、Fe是杨梅叶片中含量最高的微量元素;其中'洞口乌’和'硬丝安海变’叶片中的Mn含量高于'浮宫一号’近5倍;Fe元素在'软丝安海变’中含量最高,近'洞口乌’的3倍。叶片中B、Zn亦有较高的含量,其中B达35.82 mg·kg^-1以上,且品种间没有显著差异。Cr和Cu含量普遍较低,为3.67-9.47 mg·kg^-1(除'软丝安海变’Cr含量高达23.11 mg·kg^-1)。杨梅叶片中Ni含量较低(0.90-5.45 mg·kg^-1)。杨梅叶片中亦含有一定量的Pb、Cd、Hg和As四种重金属(表4),其中Pb元素含量最大,如'软丝安海变’高达1.56 mg·kg^-1;其次是As,其含量达0.09 mg·kg^-1。在所选择的6个品种杨梅中,'软丝安海变’叶片Fe、B、Zn、Cr、Cu和Ni等6种微量元素含量均高于其他品种,表明'软丝安海变’对这些元素较易吸收。

由于杨梅常被选作矿区种植的先锋树种,且矿区环境中往往是多种污染物相互并存,因此,本课题组分析了杨梅叶片各微量元素之间的相关性(表5)。由表5可看出,杨梅叶片的重金属Hg对B、Fe、Cu等的吸收有一定抑制作用,对树体生长不利;B与Fe之间显著正相关表明杨梅树体中阴离子B与阳离子Fe的吸收具有相互促进作用,杨梅叶面喷施B肥有利于根系Fe离子的吸收;但因B与Pb存在协同关系(R=0.87^**),肥水管理中忌过量喷施B肥;此外,杨梅对土壤中Fe的需求亦可能促进树体对Cr和Ni的吸收,因此选择园地时尽量避免富含Pb、Cr、Ni、Cd及Mn的土壤。

由于闽西地区煤矿、锰矿及稀土等各种矿产丰富,且在这些矿产开发区,常选用栽种杨梅作为经济树种,因此有必要考察当地栽培杨梅的叶片对土壤重金属富集情况。

杨梅种植地土壤pH值5.3,测定对不同深度土层金属元素分布情况(表6),表层土(0-25 cm)微量元素含量均高于25-40 cm的土层含量,其中Ni、Cu、Cr、Pb、Cd和Hg等6种微量元素含量显著高于深土层含量,而Zn、As和Mn等3种元素并不因土层深浅而有差异。杨梅叶片B元素含量(35.82-54.50 mg·kg^-1)显著高于0-25 cm和25-40 cm土层B元素含量(15.7-18.4 mg·kg^-1),其原因存在2种可能,一是杨梅树体对B元素具有较强的富集作用,大量吸收土壤中的B,且富集于叶片,以供树体生长发育需求;二是生产栽培上为满足杨梅对B需求,而于叶面喷施大量B肥,导致叶片B含量高于土壤中的B含量。

杨梅叶片对重金属的富集有较大差异(表7)。从富集系数可以看出,杨梅叶片对Zn、Cr、Cu和Ni有一定富集效应;尤其对Zn具有较高的富集力,富集系数均在24.24%-44.25%之间,其中'软丝安海变’、'洞口乌’和'丁岱梅’富集系数显著大于'东魁’、'浮宫一号’和'硬丝安海变’。'软丝安海变’对Ni、Zn和Cr富集效应高,其富集系数分别达48.09%、44.25%和38.10%。因此,在富含Zn、Cr、Cu和Ni等重金属矿区,可选用杨梅作为土壤修复树种。

营养元素是影响果树的生长、发育、产量和品质的重要因素,有时甚至成为生产中的限制性因子^[12]。由于人们对杨梅传统的认识是杨梅树耐贫瘠、耐酸、易成活,也因此被作为各类新开发区域的先锋树种,正是这种传统的认识,导致杨梅栽培粗放,单产低,品质不高^[6]。通过对杨梅叶片营养元素及土壤微量元素测定分析,证明杨梅是需肥树种,长汀杨梅产区枝梢病枯通过科学施肥管理或许可得以矫正。从杨梅叶片N、Ca和K含量表明,杨梅树体对N、Ca、K和P等的实际需求量较高,因此,在瘠薄的土壤栽培杨梅,需加大土壤营养成分补充,尤其注意Ca、K、P和N肥的补充,才能满足杨梅生长需求,达到高产与优质的目的。

杨梅叶片中B含量均达35.82 mg·kg^-1以上,而土壤表层B元素含量仅为18.4 mg·kg^-1,表明杨梅叶片对B元素的富集能力强。这一结果验证了杨梅需B量大,是一种对B非常敏感的果树。杨梅树体一旦极度缺B,将发生严重梢枯病^{[7, 13]},因此栽培上通常需喷施含B叶面肥,以补充B需求。此外,Fe、Mn亦是杨梅叶片极为重要的微量元素。Mn参与叶绿素合成,缺Mn时叶片光合作用效率低下,叶脉间褪绿,变淡黄色^{[14, 15]}。Fe是叶绿素和细胞色素蛋白主要的组分之一。土壤中的Fe与土壤酸碱性有关,酸性土壤中Fe含量通常甚丰,少有缺素现象^[16]。但是杨梅叶片中的B与Fe元素呈显著正相关,Fe与Mn呈负相关,Zn与Cu、Pb显著正相关等复杂相关关系,说明杨梅叶片中微量元素间存在较强的互作。由于重金属元素之间的拮抗、协同、相加、致敏等互作效应,常常影响自然界生物的正常生长和繁殖^{[17, 18]}。在矿区栽种杨梅时,还需关注重金属Hg元素与其它有元素的拮抗作用,Cd与Fe、Mn的协同效应或相加作用,以及Fe与Mn之间拮抗效应。

由于杨梅根系能在瘠薄山地迅速生长,通常作为先锋树种而被广泛引种栽培,尤其在矿区,需要进行植被恢复,利用植物富集重金属的能力可进行土壤重金属污染治理^{[19, 20, 21]},富集系数越大,表明其富集能力越强,就越有利于植物对土壤重金属的修复^{[22, 23]}。杨梅叶片对重金属元素的富集系数表明,杨梅对Zn、Cr、Cu和Ni四种元素具有一定的富集能力;因此,在矿产开发区选用经济作物作先锋树种时,可考虑杨梅树种,尤其可优先选择'软丝安海变’等对矿质元素富集效应较强的品种,但其果实的食品安全问题尚需进一步检测与评估。