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光合作用在绿叶中进行，也可在非同化器官叶柄，绿花，花萼，绿色水果，球果，茎组织，甚至根中发生[1-4]。非同化器官光合作用，无论表现为净光合作用还是内部二氧化碳(CO2)再固定，都是增加碳获取的重要方式[5]。蔡锡安等[6]研究发现植物茎秆组织能同化树干向生境排放的60%~90%CO2。LIU等[7]研究发现茎光合作用能够促进旱柳Salix matsudana扦插幼苗的器官发育。在干旱林地或沙漠中发现一些常见木本植物依赖绿茎作为碳同化器官[8]。ÁVILA-LOVERA等[9]发现霍金斯树Cercidium praecox在雨季主要由叶片进行光合作用，在旱季叶片完全脱落，主要由绿茎发生光合作用。植物碳同化方式多种多样，花环结构与3种不同细胞类型被认为是C4光合碳同化途径关键特征[10]。HIBBERD等[11]发现在典型C3植物烟草Nicotiana tabacum和芹菜Apium graveolens中，木质部和韧皮部周围的茎和叶柄细胞表现出NADP-苹果酸酶(NADP-ME)型细胞类型特征，这些细胞需要的碳来自于呼吸作用。SHEN等[12]发现水稻Oryza sativa叶片中脉具有C4光合特性。王莹等[13]发现木本植物丁香Syringa meyeri，银白杨Populus alba，落叶松Larix gmelinii绿色茎秆组织中均表现出典型C4光合生化特征。毛竹Phyllostachys edulis属禾本科Gramineae亚热带竹种，自然分布于中国南方省份，具有生长快，产量高，固碳能力强等特点。目前，关于毛竹光合作用前人已做了一些工作，温星等[14]发现毛竹幼叶叶绿素质量分数和净光合速率随其生长发育不断增加，从幼叶生长至第15天完全展叶，叶片就具备正常的光合生理功能。陈登举等[15]发现毛竹茎秆中光合色素含量较高，叶绿体发育完整，其类囊体垛叠程度高于叶片并含有淀粉粒。同时，毛竹在糖代谢[16]、激素调节[17]、非生物胁迫[18]、基因组鉴定与表达分析[19−20]等方面研究取得了较好的进展，但毛竹笋快速生长期茎秆光合碳同化分子特征的研究鲜有报道。本研究以快速生长阶段毛竹笋竹为研究对象，测定毛竹茎秆不同节间C3光合碳同化途径关键酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)、C4光合碳同化关键酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)、NADP-ME、NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-MDH)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEP-CK)活性及各个关键酶基因相对表达量，探讨毛竹快速生长期笋竹茎秆光合碳同化规律，以期为进一步揭示毛竹茎秆快速生长机制提供参考。
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供试毛竹来自浙江省杭州市临安区青山湖街道毛竹高效示范园。2018年4月中旬至5月下旬，选取生长状况良好，生境相同，株高6.0±0.2 m，基径约15 cm的当年自然生毛竹笋竹，在10:00−12:00从茎秆基部将其伐倒，由基部至顶部方向第1节间起顺序编号，依次取编号为7、10、13、16、19节间，切取各节间1/3处下部的绿色外层组织，取样厚度2~3 mm。成熟叶片样品采自成竹冠层，在同一生境和采样时间段选取生长状况良好的自然生成竹，取其冠层无斑点、无病害、延展性良好、大小均一的深绿色成熟叶片，去叶脉。节间组织和叶片样品均液氮冷冻，−80 ℃冰箱保存备用。取5株毛竹笋竹，5次重复，每株为1个独立实验。
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酶液提取参照BERVEILLER等的方法[20]，稍有改动。取待测毛竹笋竹绿色茎秆和叶片各0.5 g分置于研磨机中，加入5 mL预冷的提取液，研磨至匀浆。12 000 r·min−1离心30 min，取上清液即为粗酶液。Rubisco酶活性的测定参照姜振升等[21]的方法。PEPC和NADP-ME活性测定参照BERVEILLER等的方法[20]。NADP-MDH活性测定参照JOHNSON等的方法[22]。 PEPCK活性测定参照BURNELL的方法[23]。 PPDK活性测定参照HATCH等的方法[24]。
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毛竹笋竹茎秆和叶片总RNA的提取使用宝生物工程(大连)有限公司(TaKaRa) RNAiso Plus (Code No.9109)*试剂盒，按其说明书的方法提取。使用Nano-100微量分光光度计检测RNA浓度与质量，用琼脂糖(添加量为12 g·L−1)凝胶电泳筛选可用RNA。反转录使用宝生物工程(大连)有限公司(TaKaRa)PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser (Perfect Real Time)试剂盒，按其说明书的方法合成cDNA，反转录后的cDNA放于−20 ℃保存。
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通过美国国家生物信息中心(NCBI, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)和PLAZ 4.0 Monocots(https://bioinformatics. psb.ugent.be/plaza/versions/plaza_v4_monocots/)搜索毛竹光合关键酶基因CDS序列，所有用于目的基因表达的定量引物序列(表1)均利用NCBI引物设计工具Primer-BLAST设计，同源比对后由浙江有康生物科技有限公司合成。各个基因表达分析使用宝生物工程(大连)有限公司(TaKaRa)TB Green™ Premix Ex Taq ™ Ⅱ (Tli RNaseH Plus)试剂盒进行实时荧光定量聚合酶链式反应(qPCR)。反应体系20 μL，采用两步法PCR扩增标准程序在Bio-Rad CFX manager 3.1 PCR仪上扩增。定量结果采用2－ΔΔCt的方法计算[25]，选用毛竹PeNTB作为内参基因，每个样品3次重复。
表 1 引物序列
Table 1. Primers used in this study
基因名 5′→3′ 3′→5′ PeNTB TCTTGTTTGACACCGAAGAGGAG AATAGCTGTCCCTGGAGGAGTT Percbl ATCGTGCTCGCGGTATCTTT ATTTCGGTCAGAGCTGGCAT PePEPC TCGAGGGTTCGGACTGTTTGG GAGTTGGCTGAGTTCTTCGGA PeNADP-MDH CTGGATTTGGCCTTGGTGTTG TGTGCGCGGATATTTTTCTG PeNADP-ME TTTAGTGCAGAAGATCGTGGGG ATGCCAATACCTTGCACTCCC PePEP-CK CAGTACCACCACCACTACACCAC CTGGACGTGATGAACGAACCC PePPDK GAAACGTACGGGCAAAAGTG GCTCTACCATCTTGATCGCTG -
所有数据均为5次重复的平均值±标准差。利用Origin 9.0软件(OriginLab公司, 美国)进行统计分析和作图。采用one-way ANOVA进行Tukey多重比较(P＜0.01)。
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由图1可知：毛竹叶片Rubisco初始活性最高，极显著高于茎秆快速生长节间(P＜0.01)，分别是第7、10、13、16、19节间的1.69、2.45、2.95、3.87、13.40倍；随着节间的升高，Rubisco初始活性呈下降趋势，第7节间Rubisco初始活性高于其他节间。第19节间Rubisco活性最低，极显著低于叶片和第7节间(P＜0.01)，分别下降了92.5%和87.4%。
图 1 毛竹茎秆不同节间Rubisco初始活性变化
Figure 1. Changes of initial activity of Rubisco in different internodes of the Ph. edulis stems
由图2可知：茎秆第7节间PEPC活性最高，极显著高于茎秆其他节间及叶片(P＜0.01)，分别是第10、13、16、19节间和叶片的1.70、2.19、3.01、5.70和3.01倍；随着节间的升高，PEPC活性呈下降趋势，第19节间PEPC活性最低，与第7节间相比下降了82.5%(P＜0.01)。毛竹茎秆第7~19节间PEPC活性整体呈先极显著下降(P＜0.01)而后在低水平趋于平稳的趋势。
图 2 毛竹茎秆不同节间PEPC活性变化
Figure 2. Changes of activity of PEPC in different internodes of the Ph. edulis stems
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由图3可知：茎秆第7节间NADP-MDH酶活性最高，极显著高于13~19节间及叶片(P＜0.01)，分别是第10、13、16、19节间和叶片的1.45、1.87、2.14、4.50和4.46倍；随着节间的升高，NADP-MDH活性呈下降趋势，第19节间NADP-MDH活性最低，与第7节间相比下降了77.8%(P＜0.01)。毛竹茎秆第7~19节间NADP-MDH酶活性整体呈先下降而后在低水平趋于平稳的变化规律。
图 3 毛竹不同部位NADP-MDH活性变化
Figure 3. Changes of activity of NADP-MDH in different internodes of the Ph. edulis stems
由图4可知：茎秆第7节间NADP-ME酶活性最高，极显著高于13~19节间及叶片(P＜0.01)，分别是第10、13、16、19节间和叶片的1.55、2.86、3.73、4.27和5.69倍；随着节间的升高，NADP-ME活性呈下降趋势，第19节间NADP-ME活性最低，与第7节间相比下降了76.6%(P＜0.01)。毛竹茎秆第7~19节间NADP-ME酶活性整体呈下降，而后趋于平稳的变化规律。
图 4 毛竹不同部位NADP-ME活性变化
Figure 4. Changes of activity of NADP-ME in different internodes of the Ph. edulis stems
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由图5可知：茎秆各节间与毛竹叶片PEP-CK活性无显著性差异。由图6可知：毛竹茎秆第7节间PPDK酶活性最高，极显著高于其他节间及叶片(P＜0.01)，分别是第10、13、16、19节间和叶片的1.69、2.15、2.38、2.69和4.05倍；随着节间的升高，PPDK活性呈下降趋势，第19节间PPDK活性最低，与第7节间相比下降了62.9%(P＜0.01)。毛竹茎秆第7~19节间PPDK活性整体呈极显著下降(P＜0.01)，而后趋于平稳的变化规律。
图 5 毛竹不同部位PEP-CK活性变化
Figure 5. Changes of activity of PEP-CK in different internodes of the Ph. edulis stems
图 6 毛竹不同部位PPDK活性变化
Figure 6. Changes of activity of PPDK in different internodes of the Ph. edulis stems
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由图7可知：提取毛竹茎秆总RNA的琼脂糖凝胶电泳条带清晰、明亮，分离明显，28 S和18 S处的条带亮度是5 S处条带亮度的2倍，可见样品总RNA完整，未降解。
图 7 毛竹茎秆总RNA琼脂糖凝胶电泳图
Figure 7. Total RNA agarose gel electrophoresis of bamboo stalks
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由图8可知：茎秆7~19节间和叶片Percbl基因表达丰度不同，毛竹叶片Percbl基因相对表达丰度最高，极显著高于茎秆快速生长节间(P＜0.01)，分别是第7、10、13、16、19节间的1.30、2.13、5.41、12.94、18.51倍。随着节间的升高，Percbl基因相对表达量极显著降低(P＜0.01)，第19节间Percbl基因相对表达量最低，极显著低于叶片和第7节间(P＜0.01)，相比分别下降了94.6%和93.0%。
图 8 不同部位毛竹笋竹Percbl基因相对表达量
Figure 8. Relative expression ration of Percbl gene in different parts of the Ph. edulis stems
由图9可知：茎秆7~19节间和毛竹叶片PePEPC基因相对表达量不同，茎秆第7节间PePEPC基因相对表达量最高，极显著高于叶片及各个节间(P＜0.01)，分别是叶片、第10、13、16、19节间的2.43、1.82、2.50、2.95、3.48倍。随着节间的升高，PePEPC基因相对表达量极显著降低(P＜0.01)，第19节间PePEPC基因相对表达量最小，极显著低于叶片和第7节间(P＜0.01)，分别下降了30.1%和71.3%。
图 9 不同部位毛竹笋竹PePEPC基因相对表达量
Figure 9. Relative expression ration of PePEPC gene in different parts of the Ph. edulis stems
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由图10可知：茎秆7~19节间和毛竹叶片PeNADP-MDH基因相对表达量不同，第7节间PeNADP-MDH基因相对表达量最高，极显著高于叶片及各个节间(P＜0.01)，分别是叶片、10、16、19、22节间的3.43、1.82、2.73、4.73、6.48倍。随着节间的升高，PeNADP-MDH基因相对表达量极显著降低(P＜0.01)，第19节间PeNADP-MDH基因相对表达量最低，极显著低于叶片和第7节间(P＜0.01)，相比分别降低了47.0%和84.6%。
图 10 不同部位毛竹笋竹PeNADP-MDH基因相对表达量
Figure 10. Relative expression ration of PeNADP-MDH gene in different parts of the Ph. edulis stems
由图11可知：茎秆7~19节间和毛竹叶片PeNADP-ME基因相对表达量不同，第7节间PeNADP-ME基因相对表达量最高，极显著高于叶片及各个节间(P＜0.01)，分别是叶片、10、13、16、19节间的3.27、2.25、3.41、3.99、7.89倍。随着节间的升高，PeNADP-ME基因相对表达量极显著降低(P＜0.01)，第19节间PeNADP-ME基因相对表达量最低，极显著低于叶片和第7节间(P＜0.01)，分别降低了58.5%和87.3%。
图 11 不同部位毛竹笋竹PeNADP-ME基因相对表达量
Figure 11. Relative expression ration of PeNADP-ME gene in different parts of the Ph. edulis stems
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由图12可知：茎秆7~19节间和毛竹叶片PePEP-CK基因相对表达量不同，各个节间PePEP-CK基因相对表达量极显著低于叶片(P＜0.01)，第7~19节间PePEP-CK基因相对表达量无显著性差异。
图 12 不同部位毛竹笋竹PePEP-CK基因相对表达量
Figure 12. Relative expression ration of PePEP-CK gene in different parts of the Ph. edulis stems
由图13可知：茎秆7~19节间和毛竹叶片PePPDK基因相对表达量不同，第7节间PePPDK基因相对表达量最高，极显著高于叶片及各个节间(P＜0.01)，分别是叶片、10、13、16、19节间的5.57、1.39、1.80、2.70、3.46倍。随着节间的升高，PePPDK基因相对表达量逐渐降低，第19节间PePPDK基因相对表达量最低，与第7节相比降低了71.1%(P＜0.01)。
图 13 不同部位毛竹笋竹PePPDK基因相对表达量
Figure 13. Relative expression ration of PePPDK gene in different parts of the Ph. edulis stems
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植物光合碳固定主要通过C3途径进行，也可由C4途径进行[26-27]。IVANOV等[28]研究发现欧洲赤松Pinus sylvestris树皮和针叶NAD-ME、NADP-ME和PEPC活性较低，认为茎秆光合碳固定主要是C3途径；BERVEILLER等[29]研究发现成年欧洲山毛榉Fagus sylvatica树干和叶片Rubisco及PEPC动力学和免疫学特征与C3植物一致。HIBBERD等[11]研究发现烟草茎和叶柄周围细胞存在类似C4植物的花环束鞘结构，这些细胞NADP-ME、NADP-MDH和PEP-CK活性较高，认为此部位主要以C4途径固定无机碳。本研究中，毛竹茎秆快速生长节间PEPC、NADP-ME、NADP-MDH、PPDK活性均极显著高于叶片，茎秆Rubisco活性均极显著低于叶片，这与王莹等[13]对不同木本植物枝条中C4酶活性普遍高于叶片的研究结果相一致。结合毛竹茎秆存在与C4植物相类似的花环结构[30]，推断毛竹茎秆快速生长阶段茎秆主要通过C4途径固定CO2。除此之外，本研究发现茎秆节位越高C4途径关键酶活性和基因表达越低。这是因为茎秆下部节间已发育成熟竹箨脱落，节间裸露于有光环境中，光合作用活跃；上部节间竹箨未脱落，光不能被茎秆接收，光合作用无法进行，这与王珂杨等[31]对毛竹茎秆中下部节间PSⅡ反应中心活性强，光能转换效率高，上部节间光合功能弱生长缓慢的研究结果相对应。
非同化器官光合固碳方式可能与相关光合酶基因选择性表达密切相关。黑杨Populus nigra中存在与玉米高同源性的PEPC基因，其茎组织有明显高水平选择性表达，对其碳代谢有潜在积极作用[32]。烟草茎和叶柄光合细胞通过优先、特异性地表达高活性NADP-ME、NADP-MDH和PEP-CK固定无机碳[11]。本研究中，毛竹茎秆快速生长节间PeNADP-ME基因和PeNADP-MDH基因相对表达量均极显著高于叶片，茎秆PePEPC基因和PePPDK基因相对表达量均极显著高于叶片，茎秆快速生长节间Rubisco基因Perbcl相对表达量极显著低于叶片，与其酶活性水平具有一致性，这与LI等[32]对杂种黑杨Populus simonii × P. nigra茎组织PsnPEPC2基因高水平表达的研究结果类似。表明毛竹茎秆由C4途径固定无机碳可能受基因水平的调控，茎秆内PEPC催化无机碳羧化形成草酰乙酸，之后主要通过NADP-ME型和NAD-ME型通路由NADP-ME和NADP-MDH进行转化，这与烟草叶柄和芹菜中C4同化途径类似[11]。毛竹茎秆速生时期以C4途径固定无机碳可能是其能进行高效生长的重要原因之一。
植物组织用于光合作用的CO2主要来源于大气，一些木本植物茎秆、树干组织气孔较少，外皮层组织间排列紧密，气体通透性差，大气CO2难以扩散进茎秆皮层绿色组织[6]。木本植物树枝和茎秆光合作用普遍被认为利用内部代谢及呼吸产生的CO2[5]。根系吸收的无机碳盐和自身组织呼吸作用释放的CO2会被装载到木质部液流供茎秆光合细胞重新固定利用[11]。本研究中，毛竹茎秆表皮不具气孔，大气CO2不能由气孔扩散进皮层组织[30]，茎秆内部测得高浓度CO2(数据未显示)，这与ZACHARIAH等[33]对竹腔中空部具高浓度CO2和气体正压的研究结果相一致。表明茎秆处于高CO2低氧气(O2)环境，这与C4植物维管束细胞所处环境类似[6,34]，PEPC在高CO2环境下往往活性更强[35]，茎秆内部组织呼吸作用所产生的CO2被其羧化吸收重新固定。一方面避免了呼吸碳外排损耗，碳利用更加节约成本[5,34,36]；另一方面，其二次积累产生的糖类支持茎秆进行快速生长，释放的O2在一定程度上缓解了茎秆组织内部缺氧状态和潜在酸化威胁[37]，毛竹茎秆这种特殊固碳机制可能是其能进行快速生长的重要原因之一。
综上所述，毛竹快速生长期茎秆主要以C4途径固定CO2，NADP-ME和NAD-ME型是茎秆进行C4途径的主要通路；茎秆C4途径主要用于竹腔内部高浓度CO2再固定，形成的碳水化合物被茎秆快速生长再利用，这在一定程度上减少了自身碳损耗，为进一步解析毛竹茎秆快速生长机制提供理论依据。
Activities of key enzymes involved in photosynthesis and expression patterns of corresponding genes during rapid growth of Phyllostachys edulis
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摘要:
目的 揭示毛竹Phyllostachys edulis快速生长期茎秆光合碳同化规律。 方法 以毛竹笋竹为试材，采用分光光度法测定了毛竹茎秆和成熟叶片核酮糖-1,5-二磷酸氧合酶(Rubisco)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、NADP-苹果酸酶(NADP-ME)、NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-MDH)、PEP羧激酶(PEP-CK)、磷酸烯醇式丙酮酸双激酶(PPDK)活性，运用实时荧光定量聚合链式反应(qPCR)对相应部位光合关键酶基因相对表达量进行分析。 结果 茎秆7~19节间Rubisco活性均极显著低于叶片(P＜0.01)，随着节间的升高，Rubisco活性逐渐降低；茎秆中PEPC、NADP-ME、NADP-MDH、PPDK活性在第7节间最高，分别是叶片的3.01倍、5.69倍、4.46倍、4.05倍(P＜0.01)，随着节间的升高，酶活性均极显著降低(P＜0.01)。茎秆中PePEPC、PeNADP-ME、PeNADP-MDH、PePPDK基因表达量在第7节间最高，分别是叶片的3.48、7.89、6.48、3.46倍(P＜0.01)，随着节间的升高，这些基因表达量均极显著降低(P＜0.01)。 结论 毛竹快速生长期茎秆主要以NADP-ME和NAD-ME途径对竹腔内部高浓度二氧化碳(CO2)再固定，减少自身碳损耗，形成的碳水化合物被茎秆快速生长再利用。图13表1参37 Abstract:Objective The aim is to reveal the law of photosynthetic carbon assimilation of Phyllostachys edulis stem during rapid growth period. Method The activities of ribulose-1,5-diphosphate oxidase (Rubisco), phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), NADP-malate (NADP-ME), NADP-malate dehydrogenase (NADP-MDH), PEP carboxykinase (PEP-CK) and phosphoene alcohol pyruvate double kinase (PPDK) in the stems of different internodes of Ph. edulis shoots and mature leaves were determined by spectrophotometry, the relative expression of photosynthetic key enzyme genes in the corresponding parts was analyzed by real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction (qPCR). Result The Rubisco activity of the 7−19 internodes of the stems was significantly lower than that of the leaves (P＜0.01). With the increase of the internodes, the Rubisco activity gradually decreased first. The activities of PEPC, NADP-ME, NADP-MDH and PPDK in the stems were the highest among the 7th internodes, which were 3.01 times, 5.69 times, 4.46 times and 4.05 times of the leaves (P＜0.01), with the increase of internodes, the activity of PEPC, PPDK, NADP-ME and NADP-MDH first significantly reduced (P＜0.01). The gene expression levels of PePEPC, PeNADP-ME, PeNADP-MDH and PePPDK in the stems were the highest among the 7th nodes, which were 3.48 times, 7.89 times, 6.48 times and 3.46 times of the leaves (P＜0.01). Increased, PePEPC, PeNADP-ME, PeNADP-MDH, PePPDK gene expression was significantly reduced (P＜0.01). Conclusion The fast growing stems of Ph. edulis mainly fix the high concentration of CO2 in the bamboo cavity through the NADP-ME and NAD-ME pathways to reduce their own carbon loss, and the carbohydrates formed are rapidly grown and reused by the stalks. [Ch, 13 fig. 1 tab. 37 ref.] -
Key words:
- Phyllostachys edulis /
- stem /
- photosynthetic enzyme /
- gene expression /
- C4 pathway
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近年来，人类对土地和矿物资源的过度开发利用以及对农药和化肥的不合理使用，破坏了原生态土壤[1-2]，引起了土壤质量严重下降，甚至导致了土壤污染，其中重金属是土壤污染的主要来源之一[3]。农田中土壤重金属具有潜伏性强、难去除、毒害性高等特点，不仅可以通过积累影响土壤和农产品质量，阻碍植物生长，还可以通过食物链被人体吸收，威胁人体健康[1, 4]。果园土壤作为生产果品的载体，其中有毒有害重金属不仅会对树体生长和果实产量产生影响，而且会影响果品质量安全并带来生态风险。
麦尔哈巴·图尔贡等[5]研究发现：镉是吐鲁番盆地葡萄Vitis vinifera种植园土壤中污染水平及生态风险级别最高的重金属，而且受不合理施肥影响最大。王敏等[6]研究认为：早期铜矿开采以及长期过度施肥，特别是磷肥和有机肥的过度施用是香榧Torreya grandis‘Merrillii’多种重金属超标的重要原因。潜在生态风险评价表明：浙江省会稽山脉附近的香榧集中种植区土壤整体处于轻度危害状态，其中以镉的潜在风险最大[6]。ZINICOVSCAIA等[7]研究摩尔多瓦苹果Malus pumila种植园土壤中37种元素的富集情况，并通过计算富集因子、污染因子、地累积指数和污染负荷指数等评价重金属元素对土壤污染的生态风险，发现矿区土壤中的砷等处于严重超标状态，而且具有较高的潜在生态风险等级。DONG等[8]对白水县苹果种植园土壤中8种重金属元素进行测定，并采用单因素污染指数、内梅罗综合指数和潜在生态风险指数等方法评价土壤重金属存在的潜在风险，发现随着经营年限的增加，苹果园土壤中镍、铜、砷和汞的含量逐渐升高，表明人工干预促进了土壤重金属的积累，存在严重的生态风险性。YAN等[9]以重庆市黔江地区5个猕猴桃Actinidia chinensis品种为研究对象，测定了土壤和果实中8中重金属元素的含量，结果发现：猕猴桃种植园重金属从岩石向土壤，从土壤向果实迁移显著，其中锌和铬是果实中超标较严重的元素，存在中等潜在生态风险。由此可知：果园土壤重金属污染来源多样，危害极大，不仅是人类目前面临的重要环境问题之一，而且对食品安全具有极大威胁[10]。
柿Diospyros kaki适应性强，分布范围广，为中国重要的传统木本粮食树种，也是国家目前重点支持的特色经济林树种之一[11]。河南省柿栽培历史悠久，是中国柿主产区之一，柿产量长期位居中国前3位。位于太行山区的济源市、安阳市和三门峡市是河南省柿的主产区，占据该省总产量的72.0%，已成为当地农村经济发展和农民增收的支柱之一。但果农在生产中，为了追求产量，过度使用化肥和农药，引起土壤质量明显退化。另外，济源市、安阳市和三门峡市均为重要的矿产区，农业生产和矿产开采提高了土壤重金属污染风险，对柿产品带来潜在安全隐患和生态安全风险[12]。为探讨河南省柿主产区土壤重金属污染情况及生态风险，本研究调查了河南省柿主产区代表性果园土壤样品，测定其中砷、镉、铬、铜、铅和汞等6种重金属元素的质量分数；采用污染负荷指数、潜在生态风险指数和生态风险预警指数法，对柿园土壤重金属来源及潜在生态风险进行评估，以期为河南省柿主产区土壤环境安全评价和重金属污染防治提供科学依据，为其他柿产区土壤重金属研究提供参考。
1. 材料和方法
1.1 研究区域概况
研究区域属于豫西北的太行低山丘陵地区(33°31′~36°21′N，110°21′~114°59′E)，平均海拔为705.0 m。该区气候属暖温带季风性大陆气候，光热资源较丰富，年平均气温为14.1 ℃，年平均日照时数为2 370.0 h，年平均降水量为600 mm，年平均蒸发量为1700 mm，无霜期为200 d，年辐射总量为518 kJ·cm−2。山体以沉积岩为主，土壤以褐土为主，pH 7.0~8.5。
1.2 样品采集与检测
2020年11月柿果采收后，在济源、安阳和三门峡等3个河南省柿主产区，选取正常经营、果树病虫害较轻、果品质量上乘的果园90个(每个产区30个)。在每个果园中间位置设置1个25 m×25 m的样地，并在样地内按照“对角线五点采样法”采集200 g土样，采样深度为0~20 cm。将采集的样品装入清洁自封袋，记录采样点的立地条件、土壤情况、农户施药和施肥管理情况等[13]。
土样在室内常温下风干，拣出杂物，磨碎并充分混合，过100目尼龙筛后用于检测土壤样品中的砷、汞、镉、铬、铜与铅的质量分数及土壤pH[14]。测试过程中加入国家标准土壤参比物质(GSS-12)进行质量控制，各重金属的回收率均在国家标准参比物质的允许范围内[1]。各个参数以每个果园5个点的平均值代表该果园的表征值。
1.3 土壤重金属污染及生态风险评价方法
以河南省太行山果树种植园土壤重金属的背景值(重金属砷、汞、铅、镉、铬、铜的背景值分别为7.79、0.049、19.60、0.374、63.80、19.70 mg·kg−1，以下简称“背景值”)为评价依据[15]，采用单因子污染指数(contamination factor，CF)和污染负荷指数(pollution load index，IPL)对柿园土壤重金属进行污染评价[16]。以GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的国家农用地土壤污染风险筛选值[重金属砷、汞、铅、镉、铬、铜污染风险筛选值(pH＞7.5)分别为25.00、3.400、170.00、0.600、250.00、100.00 mg·kg−1，简称“筛选值”]为评价依据[14]，采用综合潜在生态风险指数(potential ecological risk index，IR)评价土壤重金属污染的潜在生态风险，并采用生态风险预警指数(ecological risk warning index，IER)对土壤生态风险进行预警评估[1, 3, 13]，其中砷、汞、铅、镉、铬、铜的毒性系数分别为10.0、40.0、5.0、30.0、2.0和5.0，潜在生态风险指数分级标准[17]见表1。
表 1 土壤重金属污染评价指标及其分级标准Table 1 Evaluation indexes and grading standards of soil heavy metal pollutionCF IPL 污染等级 E IR 风险等级 IER 预警等级 (0, 1] (0, 1] 无 (0, 40] (0, 150] 轻微 (−∞, 0] 无需 (1, 2] (1, 2] 轻度 (40, 80] (150, 300] 中等 (0, 1] 预警 (2, 3] (2, 3] 中度 (80, 160] (300, 600] 较强 (1, 3] 轻度 (3, +∞) (3, +∞) 重度 (160, 320] (600, 1200] 很强 (3, 5] 中度 (320, +∞) (1200, +∞) 极强 (5, +∞) 重度 说明：CF为单因子污染指数；IPL为污染负荷指数；E为各重金属单项潜在生态风险指数；IR综合潜在生态风险指数；IER为生态风险 预警指数 1.4 数据处理
采用Excel 2019对数据进行初步整理和计算，采用SPSS 20.0进行数据统计分析和K-S正态分布检验，属于正态分布的数据用Pearson相关性分析，非正态分布的用Spearman进行相关性分析。
2. 结果与分析
2.1 河南省柿主产区土壤重金属质量分数特征
由表2可知：砷和汞质量分数在安阳产区土壤中最高，分别为13.84和0.105 mg·kg−1，三门峡产区土壤中砷质量分数仅为2.34 mg·kg−1；铅和镉质量分数在济源产区土壤中最高，分别为54.80和0.492 mg·kg−1；铬和铜质量分数在三门峡产区土壤中最高，分别为53.10和38.01 mg·kg−1，分别是济源产区的1.36和1.30倍。这说明6种重金属在河南省3个柿主产区土壤中的积累特征不同。与背景值相比，砷仅在三门峡产区低于背景值，汞在3个主产区均高于背景值，且汞在整个主产区高达背景值的2.00倍；铅在三门峡和济源产区是背景值的2.00~3.00倍；镉仅在济源产区超过背景值，而铜在3个主产区均高于背景值，其中在三门峡产区最高，为背景值的2.00倍。6种重金属质量分数平均值在3个主产区均低于筛选值，但砷在安阳产区，铅和镉在济源和三门峡产区以及铬和铜在安阳和三门峡产区均存在某些柿园大于筛选值，处于污染状态，其中镉在济源产区甚至高达筛选值的3.07倍。这说明不同重金属在3个产区的积累程度不同。方差分析表明：砷、铅、镉和铬在3个主产区的F值分别为59.70、6.60、8.50、5.85，说明它们的积累程度均达极显著差异(P＜0.01)。
表 2 河南柿主产区土壤重金属质量分数统计Table 2 Statistics of the heavy metals in soils from the main D. kaki producing area in Henan Province产区 参数 质量分数/(mg·kg−1) 产区 参数 质量分数/(mg·kg−1) 砷 汞 铅 镉 铬 铜 砷 汞 铅 镉 铬 铜 安阳产区 均值 13.84 0.105 16.87 0.167 46.34 29.79 济源产区 均值 13.33 0.092 54.80 0.492 39.15 29.24 标准差 6.70 0.072 5.57 0.076 24.33 19.70 标准差 3.67 0.087 55.75 0.516 8.25 10.64 极小值 1.55 0.020 5.34 0.000 17.09 2.56 极小值 2.97 0.015 7.04 0.048 14.82 6.10 极大值 25.12 0.373 25.45 0.335 93.87 111.04 极大值 21.36 0.399 276.45 1.839 51.07 53.14 三门峡产区 均值 2.34 0.099 37.74 0.277 53.10 38.01 整个主产区 均值 9.84 0.099 36.47 0.312 46.20 32.35 标准差 2.30 0.097 42.18 0.131 9.38 19.72 标准差 7.01 0.085 42.97 0.336 16.63 17.50 极小值 1.22 0.032 9.64 0.081 35.29 18.71 极小值 1.22 0.015 5.34 0.000 14.82 2.56 极大值 14.12 0.543 204.00 0.847 87.12 128.90 极大值 25.12 0.543 276.45 1.839 93.87 128.90 2.2 河南省柿主产区土壤重金属质量分数的变异系数及频率分布
土壤重金属质量分数变异分为小(0~0.15)、中(0.16~0.35)和高(＞0.36)等3类[18-19]。由表3可知：6种重金属在河南省杮主产区的变异均达到高度等级，仅砷在济源、铅在安阳、铬在济源和三门峡产区为中等变异。这说明6种重金属元素在河南省柿主产区的空间变异程度较高，分布存在一定的随机性。依据Grubbs准则剔除90个果园土壤重金属数据异常值[3]，然后绘制河南省柿主产区土壤6种重金属质量分数的频次分布图(图1)。砷和铬的偏度和峰度均在[−1, 1]附近，且中位数都较接近均值(表3)，铬总体符合的近正态分布，砷存在一定的偏正态分布。汞、铅、镉和铜的中位值都小于均值，且偏度分别为2.72、3.32、2.60和2.95，说明样本的铅、镉质量分数左偏，为右尾分布，表明多数柿园土壤的铅、镉质量分数较低，也印证了河南省柿主产区重金属空间分布变异较大的特征。
图 1 河南省柿主产区土壤重金属质量分数分布频次Figure 1 Frequency distribution of the heavy metals in soils from the main producing area of D. kaki of Henan Province表 3 河南省柿主产区土壤重金属变异系数和分布频次Table 3 Coefficients of variation and frequency distribution of the heavy metals in soils from the main producing area of D. kaki of Henan Province参数 产区 砷 汞 铅 镉 铬 铜 变异系数 安阳产区 0.48 0.69 0.33 0.45 0.53 0.66 济源产区 0.28 0.94 1.02 1.05 0.21 0.36 三门峡产区 0.98 0.98 1.12 0.47 0.18 0.52 整个主产区 0.71 0.86 1.18 1.08 0.36 0.54 中位数 整个主产区 11.41 0.08 22.42 0.21 44.72 29.47 偏度 整个主产区 0.25 2.72 3.32 2.60 0.77 2.95 峰度 整个主产区 −0.98 9.79 12.94 6.74 1.23 13.60 2.3 河南省柿主产区土壤重金属来源分析
相关性分析法可以用来解析土壤中重金属来源[3]。对河南省柿主产区土壤重金属质量分数的Pearson相关分析(表4)表明：铅与汞、镉、铜，以及汞与镉表现为极显著相关(P＜0.01)。铜与砷、镉、铬，以及砷与铬达显著相关(P＜0.05)。推断铅和汞、镉、铜可能来自相同的途径，铜与砷、镉、铬的来源也有很大的相似性。整体而言，铅和铜可能是这6种重金属积累的主导元素，或是诱导其他元素在土壤中积累的主要元素，而6种元素间也呈现出相互伴随的复杂积累效应。
表 4 河南省柿主产区土壤重金属之间相关系数矩阵Table 4 Correlations matrix of the heavy metals in soils from the main producing area of D. kaki of Henan Province重金属 pH 砷 汞 铅 镉 铬 铜 pH 1.000 砷 0.177 1.000 汞 −0.119 0.105 1.000 铅 −0.116 0.123 0.410** 1.000 镉 −0.184 0.170 0.397** 0.784** 1.000 铬 −0.191 −0.237* 0.176 0.006 −0.042 1.000 铜 −0.085 −0.209* 0.085 0.299** 0.218* 0.264* 1.000 说明：* 表示显著相关(P＜0.05)，** 表示极显著相关(P＜0.05) 土壤重金属质量分数数据经KMO和巴特力(Bartlett)检验及因子分析和主成分分析表明：第1主成分可解释总方差的37.1%，主要包括铅、镉和汞，其中铅的载荷更是高达0.900；第2主成分可解释34.4%的总方差，其中铬和铜是主要变量，两者载荷分别为0.730和0.608 (表5)。主成分散点图表明(图2)：汞、铅和镉以及铬和铜分别具有高度相似的同源性。这与相关性分析的结果一致。
表 5 河南省柿主产区土壤重金属主成分分析Table 5 Principal component analysis of the heavy metals in soils from the main producing area of D. kaki of Henan Province项目 因子 砷 汞 铅 镉 铬 铜 方差贡献率/% 累计贡献率/% 因子载荷 第1主成分 0.173 0.648 0.900 0.880 0.124 0.418 37.1 37.1 第2主成分 −0.726 0.006 −0.078 −0.173 0.730 0.608 34.4 71.5 
图 2 河南省柿主产区土壤重金属主成分分析散点图Figure 2 Spatial scatter plot of principal component analysis for the heavy metals in soils from the main producing area of D. kaki of Henan Province2.4 河南省柿主产区土壤重金属污染分析
根据分级标准对河南省柿主产区土壤重金属进行污染评价。结果(表6)可知：3个产区土壤单因子污染指数(CF)最大的重金属分别为：安阳汞(2.13)、济源铅(2.80)和三门峡汞(2.02)。另外，安阳产区所有柿园均处于无镉污染状态，76.67%的柿园也处于无铬污染状态，而砷和汞的污染比例均高达83.33%，其中重度污染的比例达到13.33%。济源产区柿园砷、铅和汞的污染比例较高，其中铅的重度污染比例高达30%。三门峡产区大部分柿园表现为无污染或仅轻度污染，但也分别有16.67%、13.33%和6.67%的柿园处在汞、铅和铜的重度污染状态。从整个主产区来看，汞和铜是最主要的重金属污染元素，镉和铬最低。
表 6 不同区域单因子污染指数值及污染等级样点百分比Table 6 Percentages of sites at different pollution levels in the total sample sites各重金属污染指数 安阳产区 济源产区 平均值 标准差 无/% 轻度/% 中度/% 重度/% 平均值 标准差 无/% 轻度/% 中度/% 重度/% CF,砷 1.78 0.86 16.67 50.00 20.00 13.33 1.71 0.47 6.67 63.33 30.00 0 CF,汞 2.13 1.46 16.67 36.67 33.33 13.33 1.87 1.76 43.33 26.67 13.33 16.67 CF,铅 0.86 0.28 63.33 36.67 0 0 2.80 2.84 10.00 53.33 6.67 30.00 CF,镉 0.45 0.20 100 0 0 0 1.32 1.38 66.67 3.33 13.33 16.67 CF,铬 0.73 0.38 76.67 23.33 0 0 0.61 0.13 100 0 0 0 CF,铜 1.51 1.00 30.00 53.33 10.00 6.67 1.48 0.54 20.00 63.33 16.67 0 IPL 0.95 0.34 76.67 20.00 3.33 0 1.32 0.70 50.00 36.67 10.00 3.33 各重金属污染指数 三门峡产区 整个主产区 平均值 标准差 无/% 轻度/% 中度/% 重度/% 平均值 标准差 无/% 轻度/% 中度/% 重度/% CF,砷 0.30 0.29 96.67 3.33 0 0 1.26 0.90 40.00 38.89 16.67 4.44 CF,汞 2.02 1.97 26.67 46.67 10.00 16.67 2.01 1.73 28.88 36.67 18.89 15.56 CF,铅 1.93 2.15 30.00 53.33 3.33 13.33 1.86 2.19 34.45 47.78 3.33 14.44 CF,镉 0.74 0.35 96.67 3.33 0 0 0.83 0.90 87.78 2.22 4.44 5.56 CF,铬 0.83 0.15 96.67 3.33 0 0 0.72 0.26 91.11 8.89 0 0 CF,铜 1.93 1.00 3.33 73.33 16.67 6.67 1.64 0.89 17.78 63.34 14.44 4.44 IPL 0.96 0.35 50.00 50.00 0 0 1.08 0.52 58.89 35.56 4.44 1.11 土壤重金属污染负荷指数(IPL)表明(表6)：河南省柿主产区IPL为1.08，说明河南省柿主产区土壤整体处于重金属轻度污染状态，其中济源产区IPL值最大(1.32)，安阳和三门峡表现为无污染。从污染等级的比例来看，安阳产区无污染柿园最多，达到76.67%，济源产区土壤重金属污染程度最高。
2.5 河南省柿主产区土壤重金属污染的生态风险分析
以筛选值作参比标准，计算河南省柿主产区各柿园土壤重金属潜在生态风险指数(E)及综合潜在生态风险指数(IR) [3]。结果发现：在3个产区，汞的生态风险指数最高，达80.31，铬最低(仅1.45)，说明汞处于较强风险的等级。3个产区的IR最大值为济源产区的581.24，最小值为三门峡产区126.99。这说明：3个产区均为轻微生态风险等级，其中济源产区风险最高，三门峡产区最低，但各产区均出现了处于中等及较强生态风险等级的柿园(表7)。
表 7 不同区域潜在生态风险指数及污染等级样点百分比Table 7 Percentages of sites at different risk levels in the total sample sites各重金属
风险指数安阳产区 济源产区 平均值 标准差 轻微/% 中等/% 较强/% 很强/% 极强/% 平均值 标准差 轻微/% 中等/% 较强/% 很强/% 极强/% E砷 17.76 8.60 100 0 0 0 0 17.11 4.71 100 0 0 0 0 E汞 85.25 58.44 20.00 33.33 36.67 10.00 0 74.86 70.39 43.33 26.67 23.33 3.33 3.33 E铅 4.30 1.42 100 0 0 0 0 13.98 14.22 96.67 3.33 0 0 0 E镉 13.44 6.07 100 0 0 0 0 39.50 41.40 66.67 10 23.33 0 0 E铬 1.45 0.76 100 0 0 0 0 1.23 0.26 100 0 0 0 0 E铜 7.56 5.00 100 0 0 0 0 7.42 2.70 100 0 0 0 0 IR 129.77 63.51 73.33 23.33 3.33 0 0 154.10 121.43 66.67 23.33 10 0 0 各重金属
风险指数三门峡产区 整个主产区 平均值 标准差 轻微/% 中等/% 较强/% 很强/% 极强/% 平均值 标准差 轻微/% 中等/% 较强/% 很强/% 极强/% E砷 3.00 2.95 100 0 0 0 0 12.63 9.00 100 0 0 0 0 E汞 80.83 78.84 26.67 46.67 16.67 6.67 3.33 80.31 69.07 30.00 35.56 25.56 6.67 2.22 E铅 9.63 10.76 96.67 3.33 0 0 0 9.30 10.96 97.78 2.22 0 0 0 E镉 22.22 10.48 96.67 3.33 0 0 0 25.05 26.92 87.78 4.44 7.78 0 0 E铬 1.66 0.29 100 0 0 0 0 1.45 0.52 100 0 0 0 0 E铜 9.65 5.00 100 0 0 0 0 8.21 4.44 100 0 0 0 0 IR 126.99 85.31 76.67 20.00 3.33 0 0 136.95 92.95 72.22 22.22 5.56 0 0 2.6 河南省柿主产区土壤重金属生态风险预警分析
土壤生态风险预警分析是基于环境生态风险评估中而发展来的，它更侧重于对土壤系统、农林植物及其产品可能存在的生态风险研究，具有精准、定量和定性评价的优点[3]。以筛选值作参比标准，计算河南省柿主产区土壤重金属污染生态风险预警等级(IER)，结果如表8。整个主产区IER平均值为2.33，为轻度预警，其中济源产区IER最大(3.79)，为中度预警，三门峡和安阳产区均为轻度预警等级。6种重金属中，仅汞在安阳和三门峡产区以及铅在济源产区表现为轻度预警等级，且这2种重金属均存在处于重度预警的柿园，其中济源产区处于汞和铅重度预警的柿园高达20%。这也与各元素在整个主产区的CF、IPL、E以及IR等的格局基本一致。
表 8 不同区域生态风险预警指数及预警级别样点百分比Table 8 Percentages of sites at different warning levels in the total sample sites各重金属
预警指数安阳产区 济源产区 平均值 标准差 无需/% 预警/% 轻度/% 中度/% 重度/% 平均值 标准差 无需/% 预警/% 轻度/% 中度/% 重度/% IER,砷 0.78 0.86 16.67 50.00 33.33 0 0 0.71 0.47 6.67 63.33 30.00 0 0 IER,汞 1.13 1.46 16.67 36.67 36.67 6.67 3.33 0.87 1.76 43.33 26.67 23.33 0 6.67 IER,铅 −0.14 0.28 63.33 36.67 0 0 0 1.80 2.84 10.00 53.33 16.67 6.67 13.33 IER,镉 −0.55 0.20 100 0 0 0 0 0.32 1.38 66.67 3.33 26.67 3.33 0 IER,铬 −0.27 0.38 76.67 23.33 0 0 0 −0.39 0.13 100 0 0 0 0 IER,铜 0.51 1.00 30.00 53.33 13.33 3.33 0 0.48 0.54 20.00 63.33 16.67 0 0 IER 1.45 2.36 33.33 13.33 33.33 10.00 10.00 3.79 6.14 33.33 23.33 6.67 10.00 26.67 各重金属
预警指数三门峡产区 整个主产区 平均值 标准差 无需/% 预警/% 轻度/% 中度/% 重度/% 平均值 标准差 无需/% 预警/% 轻度/% 中度/% 重度/% IER,砷 −0.70 0.29 96.67 3.33 0 0 0 0.26 0.90 40.00 38.89 21.11 0 0 IER,汞 1.02 1.97 26.67 46.67 16.67 6.67 3.33 1.01 1.73 28.89 36.67 25.56 4.44 4.44 IER,铅 0.93 2.15 30.00 53.33 6.67 0 10 0.86 2.19 34.44 47.78 7.78 2.22 7.78 IER,镉 −0.26 0.35 96.67 0 3.33 0 0 −0.17 0.90 87.78 1.11 10.00 1.11 0 IER,铬 −0.17 0.15 96.67 3.33 0 0 0 −0.28 0.26 91.11 8.89 0 0 0 IER,铜 0.93 1.00 3.33 73.33 20.00 3.33 0 0.64 0.89 17.78 63.33 16.67 2.22 0 IER 1.75 3.98 43.33 23.33 13.33 6.67 13.33 2.33 4.51 36.67 20.00 17.78 8.89 16.67 3. 讨论
3.1 河南省柿主产区土壤重金属来源
土壤重金属来源主要有成土母质和人类活动[20]，其中人类活动引起的土壤污染主要包括工业废弃物、肥料和农药以及采用重金属超标的水灌溉农田等[21-22]。河南省柿整个主产区土壤中铅、铜、汞和砷质量分数约为背景值的1.26~2.01倍，铬和镉均低于背景值，说明铅、铜、汞和砷受人为因素影响更大，也有可能是土壤本身理化性质不同[20]。在一定区域内，相关性强的重金属可能具有相同来源途径[23-25]。从相关分析与主成分分析结果来看，铅、镉和汞之间分别呈现为极显著性相关，铬和铜呈现为显著性相关，说明铅、镉、汞三者以及铜与铬两者可能具有相同的来源，这与河南省典型工业区周边农田[13]、新疆地区辣椒Capsicum annuum种植基地[3]以及吉林省果树基地[21]等研究结果一致。
汞和铅是燃煤排放的标志物，空气中的汞和铅以大气沉降的方式进入土壤[13]。铅和铜是农药、化肥以及农家有机肥等的标志性元素之一[2]，也是电池等工业生产的废气原料[13]。河南省3个柿主产区土壤6种重金属质量分数及其主要特征差异较大，这说明各产区重金属来源存在较大差异，这种差异可能是人类活动的差异引起的[25]。砷受人类活动，特别是农药和水肥影响较大[7, 26]。安阳是河南省重工业基地之一，冶金建材、煤炭化工以及化肥农药生产等是安阳市的主产业，也是导致安阳产区土壤重金属砷和汞质量分数较高的主要原因。济源市有铅都之称，铅和铜分别是济源和三门峡的支柱产业，导致了济源产区土壤铅等重金属质量分数升高，而铅、锌、砷和镉等也是近10 a来国内金属冶炼引起的土壤污染的高浓度重金属[27]。安阳和济源农药和农家肥的施用量约为三门峡的1.8倍，灌溉水中砷和汞含量严重超标，当地政府把治理水中重金属砷作为重中之重的民生项目。安阳是全国重要的化肥生产基地，域内有多个国家重点化肥、化工生产企业，安阳产区的果园施肥以复合肥为主。济源产区的果园在生产中施用了较多的腐熟不彻底的牲畜粪便等农家肥，而且使用了含有较多无机砷的杀菌剂和除草剂。以上这些人类活动都对土壤中砷和铜等重金属的富集具有重要的促进作用[7, 25-26]，也与3个产区土壤重金属含量特征相一致。
3.2 河南省柿主产区土壤重金属污染及风险特征
虽然60%的柿园土壤处于铜、汞、铅和砷污染状态，但从土壤重金属污染负荷指数来看，河南省柿主产区目前处于轻度污染(1.0＜IPL＜2.0)状态，其中济源产区污染较为严重，砷是该产区重金属污染贡献最大的元素之一。这与砷是河南省典型工业城市土壤重金属污染最重要的元素的结论一致[13]。总体来看，6种重金属在各个产区的污染程度不同，但汞是安阳和三门峡产区重金属污染最主要的来源，铅是济源产区污染最严重的重金属元素。不同重金属元素在吐鲁番盆地葡萄园土壤[5]以及新疆焉耆盆地辣椒地土壤[3]的污染特征也不同，这可能是各产区土壤背景值及人类活动特征不同有关[6]。
汞是6种重金属中生态风险等级最高的元素，表现为较强的风险等级(E＞80)，70%的柿园处于汞污染的中等风险及以上等级，镉次之。但济源产区23.33%的柿园均处于镉较强污染风险等级之上，在3个主产区中最高。各元素对IR和IER的贡献率与各元素的污染程度并不完全一致，如镉污染程度相对较低，但济源产区重金属污染风险等级最高，这不仅与不同产区的人为干扰活动存在差异相关[28]，还可能与不同重金属元素毒性系数相差较大有关。一般来说，元素毒性系数越高，其潜在生态风险指数越大[17]；各元素的背景值及国家标准值也是重要影响因素[29]。另外，有些重金属虽然在土壤中的污染程度较高，但其容易伴随其他颗粒物迁移进入土壤中矿化埋藏[30]，使其对生物的毒性降低，从而降低了潜在生态风险[5, 28]。
4. 结论
河南省柿主产区土壤砷主要受农业生产活动的影响，汞、铅和铜则受工业活动影响较大。河南省整个柿主产区土壤重金属污染为轻微风险等级，生态风险预警属于轻度预警等级，但济源产区土壤重金属污染水平、潜在生态风险程度与生态风险预警等级均达到中等水平。汞是河南省柿主产区土壤污染程度最严重的重金属，也是生态风险等级和预警级别最高的重金属元素。
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图 1 毛竹茎秆不同节间Rubisco初始活性变化
Figure 1 Changes of initial activity of Rubisco in different internodes of the Ph. edulis stems
图 2 毛竹茎秆不同节间PEPC活性变化
Figure 2 Changes of activity of PEPC in different internodes of the Ph. edulis stems
图 3 毛竹不同部位NADP-MDH活性变化
Figure 3 Changes of activity of NADP-MDH in different internodes of the Ph. edulis stems
图 4 毛竹不同部位NADP-ME活性变化
Figure 4 Changes of activity of NADP-ME in different internodes of the Ph. edulis stems
图 5 毛竹不同部位PEP-CK活性变化
Figure 5 Changes of activity of PEP-CK in different internodes of the Ph. edulis stems
图 6 毛竹不同部位PPDK活性变化
Figure 6 Changes of activity of PPDK in different internodes of the Ph. edulis stems
图 8 不同部位毛竹笋竹Percbl基因相对表达量
Figure 8 Relative expression ration of Percbl gene in different parts of the Ph. edulis stems
图 9 不同部位毛竹笋竹PePEPC基因相对表达量
Figure 9 Relative expression ration of PePEPC gene in different parts of the Ph. edulis stems
图 10 不同部位毛竹笋竹PeNADP-MDH基因相对表达量
Figure 10 Relative expression ration of PeNADP-MDH gene in different parts of the Ph. edulis stems
图 11 不同部位毛竹笋竹PeNADP-ME基因相对表达量
Figure 11 Relative expression ration of PeNADP-ME gene in different parts of the Ph. edulis stems
图 12 不同部位毛竹笋竹PePEP-CK基因相对表达量
Figure 12 Relative expression ration of PePEP-CK gene in different parts of the Ph. edulis stems
图 13 不同部位毛竹笋竹PePPDK基因相对表达量
Figure 13 Relative expression ration of PePPDK gene in different parts of the Ph. edulis stems
表 1 引物序列
Table 1. Primers used in this study
基因名 5′→3′ 3′→5′ PeNTB TCTTGTTTGACACCGAAGAGGAG AATAGCTGTCCCTGGAGGAGTT Percbl ATCGTGCTCGCGGTATCTTT ATTTCGGTCAGAGCTGGCAT PePEPC TCGAGGGTTCGGACTGTTTGG GAGTTGGCTGAGTTCTTCGGA PeNADP-MDH CTGGATTTGGCCTTGGTGTTG TGTGCGCGGATATTTTTCTG PeNADP-ME TTTAGTGCAGAAGATCGTGGGG ATGCCAATACCTTGCACTCCC PePEP-CK CAGTACCACCACCACTACACCAC CTGGACGTGATGAACGAACCC PePPDK GAAACGTACGGGCAAAAGTG GCTCTACCATCTTGATCGCTG 
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[1] WEISS D, SCHÖNFELD M, HALEVY A H. Photosynthetic activities in the Petunia corolla [J]. Plant Physiol, 1988, 87(3): 666 − 670. [2] XU Huilian, GAUTHIER L, DESJARDINS Y, et al. Photosynthesis in leaves, fruits, stem and petioles of greenhouse-grown tomato plants [J]. Photosynthetica, 1997, 33(1): 113 − 123. [3] CHOMICKI G, BIDEL L P R, MING Feng, et al. The velamen protects photosynthetic orchid roots against UV-B damage, and a large dated phylogeny implies multiple gains and losses of this function during the Cenozoic [J]. New Phytol, 2015, 205(3): 1330 − 1341. [4] SUI Xiaolei, SHAN Nan, HU Liping, et al. The complex character of photosynthesis in cucumber fruit [J]. J Exp Bot, 2017, 68(7): 1625 − 1637. [5] ASCHAN G, PFANZ H. Non-foliar photosynthesis: a strategy of additional carbon acquisition [J]. Flora-Morphol Distrib Funct Ecol Plants, 2003, 198(2): 81 − 97. [6] 蔡锡安, 曾小平, 陈远其. 树干皮层光合作用: 生理生态功能和测定方法[J]. 生态学报, 2015, 35(21): 6909 − 6922. CAI Xi’an, ZENG Xiaoping, CHEN Yuanqi. Stem corticular photosynthesis: ecophysiological functions and their measurement [J]. Acta Ecol Sin, 2015, 35(21): 6909 − 6922. [7] LIU Junxiang, GU Lin, YU Yongchang, et al. Stem photosynthesis of twin and its contribution to new organ development in cutting seedlings of Salix matsudana Koidz [J]. Forests, 2018, 9(4): 207 − 218. [8] ÁVILA-LOVERA E, HARO R, EZCURRA E, et al. Costs and benefits of photosynthetic stems in desert species from southern California [J]. Funct Plant Biol, 2019, 46(2): 175 − 186. [9] ÁVILA-LOVERA E, TEZARA W. Water-use efficiency is higher in green stems than in leaves of a tropical tree species [J]. Trees, 2018, 32(6): 1547 − 1558. [10] BROWN W V. Variations in anatomy, associations, and origins of Kranz tissue [J]. Am J Bot, 1975, 62(4): 395 − 402. [11] HIBBERD J M, QUICK W P. Characteristics of C4 photosynthesis in stems and petioles of C3 flowering plants [J]. Nature, 2002, 415(6870): 451 − 454. [12] SHEN Weijun, YE Luhuan, MA Jing, et al. The existence of C4-bundle-sheath-like photosynthesis in the mid-vein of C3 rice [J]. Rice, 2016, 9(1): 1 − 14. [13] 王莹, 王文杰, 许慧男, 等. 3种C3木本植物绿色组织C4酶活性, 色素含量及叶绿素荧光参数的比较[J]. 植物研究, 2011, 31(4): 461 − 466. WANG Ying, WANG Wenjie, XU Huinan, et al. Comparison of 5 species C4 enzymes activities, pigments contents and chlorophyll fluorescence parameters in leaf and branch chlorenchyma of 3 species C3 woody plants [J]. Bull Bot Res, 2011, 31(4): 461 − 466. [14] 温星, 程路芸, 李丹丹, 等. 毛竹叶片发育过程中光合生理特性的变化特征[J]. 浙江农林大学学报, 2017, 34(3): 437 − 442. WEN Xing, CHENG Luyun, LI Dandan, et al. Photosynthetic characteristics in the development process of Phyllostachys edulis [J]. J Zhejiang A&F Univ, 2017, 34(3): 437 − 442. [15] 陈登举, 高培军, 吴兴波, 等. 毛竹茎秆叶绿体超微结构及其发射荧光光谱特征[J]. 植物学报, 2013, 48(6): 635 − 642. CHEN Dengju, GAO Peijun, WU Xingbo, et al. Chloroplast ultrastructure and emission fluorescence spectrum characteristics for stems of Phyllostachys pubescens [J]. Chin Bull Bot, 2013, 48(6): 635 − 642. [16] 翟建云, 孙建飞, 马元丹, 等. 毛竹快速生长期茎秆不同节间碳水化合物代谢的变化[J]. 竹子学报, 2018, 37(1): 42 − 48. ZHAI Jianyun, SUN Jianfei, MA Yuandan, et al. Changes of carbohydrates metabolism in different internodes of Phyllostachys edulis during rapid growth period [J]. J Bamboo Res, 2018, 37(1): 42 − 48. [17] 方楷, 杨光耀, 杨清培, 等. 毛竹成竹过程中内源激素动态变化[J]. 江西农业大学学报, 2011, 33(6): 1107 − 1111. FANG Kai, YANG Guangyao, YANG Qingpei, et al. Dynamic changes of endogenesis hormone in bamboo formation course (Phyllostachys edulis) [J]. Acta Agric Univ Jiangxi, 2011, 33(6): 1107 − 1111. [18] LIU Jun, CHENG Zhanchao, XIE Lihua, et al. Multifaceted role of PheDof12-1 in the regulation of flowering time and abiotic stress responses in moso bamboo (Phyllostachys edulis) [J]. Int J Mol Sci, 2019, 20(2): 424 − 436. [19] PENG Zhenhua, LU Ying, LI Lubin, et al. The draft genome of the fast-growing non-timber forest species moso bamboo (Phyllostachys heterocycla) [J]. Nat Genet, 2013, 45(4): 456 − 461. [20] BERVEILLER D, DAMESIN C. Carbon assimilation by tree stems: potential involvement of phosphoenolpyruvate carboxylase [J]. Trees, 2008, 22(2): 149 − 157. [21] 姜振升, 孙晓琦, 艾希珍, 等. 低温弱光对黄瓜幼苗Rubisco与Rubisco活化酶的影响[J]. 应用生态学报, 2010, 21(8): 2045 − 2050. JIANG Zhensheng, SUN Xiaoqi, AI Xizhen, et al. Responses of Rubisco and Rubisco activase in cucumber seedlings to low temperature and weak light [J]. J Appl Ecol, 2010, 21(8): 2045 − 2050. [22] JOHNSON H S, HATCH M D. Properties and regulation of leaf NADP-malate dehydrogenase and ‘malic’ enzyme in plants with the C4 dicarboxylic acid pathway of photosynthesis [J]. Biochem J, 1970, 119(2): 273 − 280. [23] BURNELL J N. Purification and properties of phosphoenolpyruvate carboxykinase from C4 plants [J]. Funct Plant Biol, 1986, 13(5): 577 − 587. [24] HATCH M D, SLACK C R. Pyruvate, Pi dikinase from leaves [J]. Methods Enzymol, 1975, 42: 212 − 219. [25] LIVAK K J, SCHMITTGEN T D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2− ΔΔCt method [J]. Methods, 2001, 25(4): 402 − 408. [26] HATCH M D. C4 photosynthesis: a unique elend of modified biochemistry, anatomy and ultrastructure [J]. Biochim Biophys Acta (BBA)-Rev Bioenerg, 1987, 895(2): 81 − 106. [27] CACEFO V, RIBAS A F, ZILLIANI R R, et al. Decarboxylation mechanisms of C4 photosynthesis in Saccharum spp. : increased PEPCK activity under water-limiting conditions [J]. BMC Plant Biol, 2019, 19(1): 144 − 157. [28] IVANOV A G, KROL M, SVESHNIKOV D, et al. Characterization of the photosynthetic apparatus in cortical bark chlorenchyma of Scots pine [J]. Planta, 2006, 223(6): 1165 − 1177. [29] BERVEILLER D, VIDAL J, DEGROUARD J, et al. Tree stem phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC): lack of biochemical and localization evidence for a C4‐like photosynthesis system [J]. New Phytol, 2007, 176(4): 775 − 781. [30] 王星星, 刘琳, 张洁, 等. 毛竹出笋后快速生长期内茎秆中光合色素和光合酶活性的变化[J]. 植物生态学报, 2012, 36(5): 456 − 462. WANG Xingxing, LIU Lin, ZHANG Jie, et al. Changes of photosynthetic pigment and photosynthetic enzyme activity in stems of Phyllostachys pubescens during rapid growth stage after shooting [J]. J Plant Ecol, 2012, 36(5): 456 − 462. [31] 王柯杨, 卜柯丽, 马元丹, 等. 毛竹茎秆发育过程中不同节间叶绿素荧光的变化[J]. 浙江农林大学学报, 2019, 36(4): 697 − 703. WANG Keyang, BU Keli, MA Yuandan, et al. Changes of chlorophyll fluorescence in different internodes during Phyllostachys edulis stem development [J]. J Zhejiang A&F Univ, 2019, 36(4): 697 − 703. [32] LI Yuan, DONG Xiumei, JIN Feng, et al. Histone acetylation modifications affect tissue-dependent expression of poplar homologs of C4 photosynthetic enzyme genes [J]. Front Plant Sci, 2017, 8: 950. [33] ZACHARIAH E J, SABULAL B, NAIR D N K, et al. Carbon dioxide emission from bamboo culms [J]. Plant Biol, 2016, 18(3): 400 − 405. [34] 王文杰, 祖元刚, 王慧梅. 林木非同化器官树枝(干)光合功能研究进展[J]. 生态学报, 2007, 27(4): 1583 − 1595. WANG Wenjie, ZU Yuangang, WANG Huimei. Review on the photosynthetic function of non-photosynthetic woody organs of stem and branches [J]. Acta Ecol Sin, 2007, 27(4): 1583 − 1595. [35] VUORINEN A H, KAISER W M. Dark CO2 fixation by roots of willow and barley in media with a high level of inorganic carbon [J]. J Plant Physiol, 1997, 151(4): 405 − 408. [36] BLOEMEN J, MCGUIRE M A, AUBREY D P, et al. Transport of root-respired CO2 via the transpiration stream affects aboveground carbon assimilation and CO2 efflux in trees [J]. New Phytol, 2013, 197(2): 555 − 565. [37] PFANZ H, ASCHAN G, LANGENFELD-HEYSER R, et al. Ecology and ecophysiology of tree stems: corticular and wood photosynthesis [J]. Die Naturwissenschaften, 2002, 89(4): 147 − 162. 期刊类型引用(5)
1. 李巧云，赵航航，杨婵，李鹏飞，齐文博，宋凤敏. 汉江上游农田土壤微塑料与重金属污染特征及生态风险评价. 环境科学. 2025(01): 419-429 . 
百度学术2. 张妍，赵新雷，冯雪珍，郭亚娇. 河南荥阳市耕地土壤重金属分布特征及来源解析. 岩矿测试. 2024(02): 330-343 . 百度学术3. 孙经宇，孙向阳，李素艳，王晨晨，岳宗伟. 北京市通州区绿地土壤重金属源解析及风险评价. 浙江农林大学学报. 2024(03): 517-525 . 本站查看4. 张明，王磊，潘国林. 安徽砀山梨园土壤重金属分布特征及污染评价. 信阳农林学院学报. 2024(03): 92-97 . 百度学术5. 张亚男，张中瑞，魏丹，朱航勇，张耕，余斐，丁晓纲. 河源市紫金县森林土壤重金属分布特征及污染评价. 林业与环境科学. 2022(04): 70-74 . 百度学术其他类型引用(0)
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