紅皮云杉不同器官對重金屬元素Pb、Cd和Cr的累積特征

劉 麗，阿麗亞·拜都熱拉，張純曦，胡夢玲

(新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】重金屬污染問題對環境質量、食品安全、及社會經濟可持續發展構成嚴重威脅和挑戰[1-2]。自20世紀50年代開始，有發生在日本的重金屬Cd污染，以及近幾年發生在我國湖南安化的Cd污染、河南商丘的Cd和As污染[3]。對重金屬進行深入研究，具有重要的理論和實踐意義。【前人研究進展】綠化樹種能有效且經濟的實現重金屬的修復，其綠化覆蓋面積大、綠化空間輻射占有量大，對重金屬有一定的富集、吸收、轉化和降解作用，有效吸收重金屬，并穩固在樹木體內，防止重金屬造成再次污染[4-5]。綠化樹木是城市區域的主要植物類型，在重金屬防治方面發揮著重要作用，不僅能通過各器官吸附空氣中的重金屬，還能通過植物根系根吸收土壤中的重金屬，從而對土壤和大氣中的重金屬污染起到凈化作用[6]。綠化樹木是城市區域的主要植物類型，其辨識度高、生命周期長，在重金屬元素監測方面發揮著重要作用，同時樹木各器官可以吸收、吸附空氣中的重金屬元素，具有凈化作用[7]。【本研究切入點】目前有關城市綠化樹種重金屬元素富集特征的研究大部分集中在闊葉樹種，而關于專門針對針葉樹種的研究還比較少。研究紅皮云杉不同器官對重金屬元素Pb、Cd和Cr的累積特征。【擬解決的關鍵問題】研究紅皮云杉對重金屬元素Cr、Pb和Cd的吸收能力，測定快速路旁(污染點)和學校(對照點)紅皮云杉樹葉、樹枝、樹皮和樹根的Cr、Pb、Cd含量，分析紅皮云杉各器官中Cr、Pb和Cd的累積量、污染指數以及它們的分布比例，研究紅皮云杉各器官對重金屬元素Cr、Pb和Cd的吸收和累積規律，為研究紅皮云杉對重金屬元素的累積機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

在烏魯木齊分別選擇快速路旁(污染點)和學校(對照點)作為樣點，烏魯木齊衛星地圖來源于百度地圖。污染點為郊區京新高速公路旁(47.734N，87.591E)，對照點為新疆農業大學(43.813N，87.566E),該點位于校內，車輛稀少、綠化率高，附近無大氣污染源，空氣相對清潔。研究區屬于溫帶大陸性干旱氣候，春秋兩季較短、冬夏兩季較長，晝夜溫差變化大。氣溫1、2月最低，極端最低溫為-30℃，平均氣溫為3～4℃，7、8月最高，極端最高溫為36.8℃，平均氣溫約為25.7℃。年降雨量120～180 mm,雨季集中在6～8月，年蒸發量2 000～3 000 mm，降水量遠遠小于蒸發量。采樣時周圍的溫度14.2℃，濕度27RH,風向為東北風，雙向車流量為50輛/min。圖1

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

研究于2019年4月，在烏魯木齊京新高速公路旁和新疆農業大學設置采樣點。在距離高速路10 m(采樣點1)、15 m(采樣點2)和20 m(采樣點3)處設置3個采樣點，每個采樣點選取3棵樹，共計9棵樹，用皮尺和超聲波測高器分別測量3個采樣點紅皮云衫的胸徑和樹高。在采樣點選擇長勢較為一致的紅皮云衫，分別在1.5 m處靠近快速路一側和背對快速路一側2個方向采集紅皮云衫樹葉和樹枝，在1.5 m處東、西、南、北4個方向采集紅皮云衫樹皮，并混勻作為一個樣品，在樹冠垂直投影2/3處4個方向采集紅皮云杉樹根，采取植物根部時注意不損傷根毛部位，盡可能保持根系完整，并混勻作為一個樣品，同時在各個采樣點紅皮云衫根系周圍采集土壤(0～20 cm)樣品,分別裝入自封袋并做好標記。用相同的方法在農大學校進行采樣。表1，表2

圖1 采樣點示意Fig.1 The sketch map of sample point

表1 紅皮云杉生長情況Table 1 The growth situation of Picea koraiensis in different distances

表2 不同采樣點土壤重金屬元素含量Table 2 Heavy metal element concentration in different sample points

1.2.2 樣品測試1.2.2.1 植物樣品處理

將所采集的植物樣品先用自來水沖洗3次，再用超純水沖洗3次，放通風處自然晾干后放入恒溫箱，烘干后粉碎，并過100目篩。稱取0.15 g樣品置于酸煮洗凈的消煮管中，加入5 mL HN03,置于通風櫥中過夜預消解，放入消解爐中進行消煮，消煮1 h后冷卻0.5 h加入3 mL HCIO4繼續消煮3 h。消煮結束后，待樣品冷卻至常溫，將樣品在消煮管中定容至50 mL并轉移到酸煮洗凈的PET塑料瓶中。通過電感耦合等離子體發射光譜儀測定重金屬元素濃度。

1.2.2.2 土壤樣品處理

去除土壤中的異物后，自然風干，磨碎并過100目篩。稱取土壤樣品0.1 g置于酸煮洗凈的消煮管中，用水潤濕后加入5 mL HCl，放入消解爐中加熱，當蒸發至2～3 mL時，取下稍冷，然后加入5 mL HN03，2 mL HCIO4，放入消煮爐中加熱3 h。消煮結束后，待樣品冷卻至常溫，將樣品在消煮管中定容至50 mL并轉移到酸煮洗凈的PET塑料瓶中。通過電感耦合等離子體發射光譜儀測定重金屬元素濃度。

1.2.3 累積量和污染指數計算

累積量及污染指數計算公式參照王愛霞等[8]的研究成果。

1.2.3.1 累計量

CN=PC-CK.

(1)

式中，CN為累積量；PC為污染點某器官中某元素的含量；CK為對照點該器官同元素的含量

1.2.3.2 污染指數：

(2)

式中，PI為污染指數，CN為某器官中某元素的累積量,CK為對照點該器官同元素的含量

1.3 數據處理

運用Excel 2013進行數據處理，運用SPSS19.0對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同采樣點紅皮云杉各器官重金屬含量比較

研究表明，重金屬含量在紅皮云杉中因器官、元素種類不同而存在差異，各元素含量大小順序為Cr>Pb>Cd，總體上各器官中樹皮重金屬含量較高，樹葉和樹根次之，樹枝中則普遍較低，其中Pb和Cr在樹皮中含量較高，Cd在樹根中含量較高。

不同采樣點紅皮云杉相同器官對同一元素的吸收存在差異，各器官重金屬含量在不同采樣點間差異顯著(P<0.05)；Pb在各器官中含量因采樣點不同存在顯著差異(P<0.05)，其中污染點面對快速路和背對快速路樹葉Pb含量分別是對照點相應器官的5、11.17倍；Cd在各器官中含量因采樣點不同存在顯著差異(P<0.05)，其中污染點面對快速路和背對快速路樹枝Cd含量分別是對照點相應器官的38.64、23.08倍; Cr在各器官中含量因采樣點不同存在顯著差異(P<0.05)，其中污染點面對快速路和背對快速路樹葉Cr含量分別是對照點相應器官的45.56、158.98倍。重金屬含量在各采樣點紅皮云杉中大小順序為：污染點>對照點。表3

表3 污染點和對照點紅皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr含量比較Table 3 Comparing of Pb, Cd and Cr contents in different organs of Picea koraiensis at pollution point and control point

2.2 污染點紅皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr的累積量及其分布比例的比較

研究表明，污染點紅皮云杉同一器官Pb、Cd和Cr的積累量存在較大差異，樹枝和樹根各重金屬元素累積量較小，樹葉和樹皮各重金屬元素累積量較大;各重金屬元素累積量為Cr>Pb>Cd。樹葉中各重金屬元素累計量為Cr>Pb>Cd；樹枝中各重金屬元素累計量為Cd>Cr>Pb；樹皮中各重金屬元素累計量為Pb>Cr>Cd；樹根中各重金屬元素累計量為Pb>Cd>Cr。

同一重金屬元素在紅皮云杉各器官中的積累量也存在差異。Pb累積量在不同器官中的排序為：樹皮>樹葉(背對快速路)>樹葉(面對快速路)>樹枝(面對快速路)>樹枝(背對快速路)>樹根；Cd累積量在不同器官中的排序為：樹枝(面對快速路)>樹枝(背對快速路)>樹根>樹皮>樹葉(背對快速路)>樹葉(面對快速路)；Cr累積量在不同器官中的排序為：樹葉(面對快速路)>樹葉(背對快速路)>樹皮>樹枝(背對快速路)>樹枝(面對快速路)>樹根。總體上看，污染點紅皮云杉各器官重金屬元素的累計量因重金屬元素的不同而有所差異，Pb元素在樹皮中累積量最高，Cd元素在樹枝(面對快速路)中累積量最高，Cr元素在樹葉(面對快速路)中累積量最高。

Pb、Cd和Cr的累積量分別在樹皮、樹枝(面對快速路)和樹葉(面對快速路)中的分布比例最高。Pb累積量在樹皮中的分布比例是最小值的8.7倍，Cd累積量在樹枝(面對快速路)中的分布比例是最小值的33倍，Cr累積量在樹葉(面對快速路)中的分布比例是最小值的62.1倍，這3個器官各重金屬元素積累量的分布比例均明顯高于其它器官，且這3個器官重金屬元素的分布比例差異較小。表4

2.3 污染點紅皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr的污染指數及其分布比例的比較

研究表明，污染點紅皮云杉同一器官中各元素的污染指數差異很大。樹葉和樹枝各重金屬元素污染指數較大，樹皮和樹根各重金屬元素污染指數較小；各重金屬元素污染指數為Cr>Cd>Pb。樹葉(面對快速路和背對快速路)各重金屬元素的污染指數為Cr>Pb>Cd;樹枝(面對快速路和背對快速路)各重金屬元素的污染指數為Cd>Cr>Pb；樹皮和樹根各重金屬元素的污染指數為Pb>Cd>Cr。總體上，污染點紅皮云杉大多數器官Cr污染指數較高。

同一重金屬元素在紅皮云杉不同器官中的污染指數差異較大。Pb和Cr污染指數在樹葉(背對快速路)中最高，為10.17%和57%，Cd污染指數在樹枝(面對快速路)中最高，為37.64%。Pb污染指數在樹枝(背對快速路)中最小，為0.42%；Cd和Cr污染指數在樹根中最小，為0.28%和0.11%。

污染點紅皮云杉樹葉(背對快速路)中Pb和Cr污染指數分布比例最高，樹枝(面對快速路)中Cd污染指數分布比例最高，分別為最小值的24.5、136和504.36倍。表5

表4 污染點紅皮云杉各器官中Pb、Cd、和Cr的累積量及其分布比例Table 4 Accumulation of Pb, Cd, and Cr in various organs of the Picea koraiensis and its distribution ratio at pollution point

表5 污染點紅皮云杉各器官中Pb、Cd和Cr的污染指數及其分布比例Table 5 Pollution index and distribution proportion of Pb, Cd and Cr in various organs of Picea koraiensis in pollution point

3 討 論

研究結果表明，快速路旁紅皮云杉各器官的Pb、Cd和Cr含量均顯著高于相對清潔區，這與生長在污染區域的植物對空氣中的重金屬污染物具有吸收和吸附能力有關[9]。紅皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr的含量也存在較大差異，這與各重金屬元素在植物體內的轉運機制及其離子性質等因素的差異有關[10]。

根據污染點紅皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr的累積量和污染指數及這2個指標在各器官中的分布比例可以看出，紅皮云杉不同器官對這3種重金屬元素均有一定的吸滯能力。總體上看，污染點紅皮云杉各器官重金屬元素的累計量因重金屬元素的不同存在差異，重金屬元素的累積量及其分布比例，Pb元素在樹皮中最高，Cd元素在樹枝(面對快速路)中最高，Cr元素在樹葉(面對快速路)中最高，各重金屬元素在紅皮云杉中具有明顯的器官分布特征，紅皮云杉樹皮、樹枝和樹葉具有較強的累積重金屬能力。這一結果與王愛霞等[8]對二球懸鈴木的研究結果一致。

城市綠化樹種的葉片是優良的大氣粉塵累積器，樹葉中重金屬元素來源于兩個方面，一方面來自對大氣中重金屬顆粒物的吸收，一方面來自根系蒸騰拉力作用下水分礦質營養的輸送[11-12]。研究結果表明，作為烏魯木齊市的主要道路綠化樹種，紅皮云杉葉片具有較強的累積重金屬的能力。趙云閣等[13]研究得出葉片對大氣重金屬污染物具有很強的吸收能力，曾鵬和車繼魯等[14-15]的研究結果顯示樹葉對重金屬的吸收能力高于樹根及其它器官，和研究結果一致。

目前樹枝對重金屬富集能力的研究比較少，僅有的研究表明樹枝對重金屬元素具有一定的累計作用。Mark A.S[16]提出樹枝吸收重金屬能力的大小受根部吸收的影響。研究結果表明，樹枝具有較高的累積作用。

樹皮吸收的重金屬元素主要來源于樹根和大氣污染物，樹皮具有監測和指示空氣污染的特性[7]。Odukoy等[17]的研究結果表明，樹皮內的金屬元素含量與空氣中的金屬元素含量呈顯著正相關，但與土壤中的金屬元素含量卻無顯著相關性。因此，一些學者建議并使用樹皮作為城市大氣重金屬污染的生物監測器[18-19]。研究結果表明樹皮對Pb和Cr的累積量最高，與Sevik Hakan、唐麗清和蔣高明[20-22]等的研究結論一致。樹皮對Pb的累計能力高于樹根，這與王愛霞等[8]的研究結論一致，分析認為樹皮中的Pb重金屬元素有可能來自對大氣中重金屬顆粒物的吸附，同時掃描電鏡結果表明，紅皮云杉樹皮表面由排列規則的凹槽組成，有利于吸滯空氣中重金屬元素。另外，由于老樹皮常年與污染空氣接觸，可連續累積污染空氣中的重金屬元素，因此其吸滯重金屬元素的時間明顯大于其他器官。圖2

樹根是吸收養分的主要器官，在吸收養分的同時也吸收土壤中的重金屬元素。研究中，除Cd外，樹根中的重金屬元素含量均低于其它器官。趙慧等[1]研究得出樹根中的重金屬含量一般比其它器官高，這與研究結果不一致。

紅皮云杉各器官對重金屬元素Pb、Cd和Cr都具有一定的累積作用。

圖2 樹皮掃描電鏡Fig. 2 Bark scanning electron micrograph

4 結 論

4.1 紅皮云杉不同器官對重金屬元素Pb、Cd和Cr的累積存在差異，其中各器官對Cr元素的累積作用最明顯，這是紅皮云杉對各種金屬元素選擇性吸收的結果。

4.2 紅皮云杉各器官中重金屬含量在樹皮中重金屬含量較高，樹葉和樹根次之，樹枝中則普遍較低；污染點各器官對重金屬元素的累積量為樹皮和樹葉較大，樹枝和樹根較小；污染點重金屬元素在各器官中的污染指數表現為樹葉和樹枝較大，樹皮和樹根較小。

4.3 污染點和對照點中各重金屬元素在紅皮云杉中含量和累積量大小趨勢為Cr>Pb>Cd；污染點中各重金屬元素的污染指數大小趨勢為Cr>Cd>Pb；紅皮云杉中各重金屬含量表現為污染點明顯高于對照點。