美合日阿依·希爾亞孜旦, 玉米提·哈力克, 阿不都艾尼·阿不里
阿克蘇市綠地土壤重金屬污染及植物富集特征
美合日阿依·希爾亞孜旦1,3, 玉米提·哈力克1,2,*, 阿不都艾尼·阿不里1,2
1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 2. 新疆維吾爾自治區(qū)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046 3. 和田師范專科學(xué)校,新疆,和田 848000
植物對(duì)重金屬污染具有一定的吸滯能力, 利用園林植物減緩和治理城市重金屬污染具有重要意義。采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和富集系數(shù)法, 評(píng)價(jià)阿克蘇市不同功能區(qū)綠地土壤重金屬污染程度, 分析常見綠化樹種葉片的重金屬富集效應(yīng)和空間分異特征。結(jié)果表明: 阿克蘇市綠地土壤4種重金屬(Zn、Cu、Pb、Cr)污染程度不同, 其中Cu、Pb污染最為嚴(yán)重, 達(dá)到了重度污染。阿克蘇市不同綠地功能區(qū)土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(Nemerow integrated pollution index)P由高到低的順序?yàn)楣I(yè)區(qū)綠地>(P=3.68)交通道路綠地(P=3.47)>居住區(qū)綠地(P=3.34)>公園綠地(P=2.93)>城郊綠地(P=2.16); 阿克蘇市區(qū)主要綠化樹種間, 新疆楊、法國(guó)梧桐對(duì)Zn、Cu、Pb、Cr的富集系數(shù)較大, 可作為阿克蘇市區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)的重點(diǎn)選用樹種; 大葉白蠟、圓冠榆、垂柳對(duì)Zn、Cu、Pb、Cr的富集系數(shù)次之, 可作為備選樹種。
阿克蘇市; 重金屬; 植物葉片; 富集能力
園林綠化植物是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,具備富集吸收一定濃度范圍內(nèi)的大氣污染物及土壤中重金屬的能力[1-3]。許多學(xué)者對(duì)生長(zhǎng)于不同污染區(qū)的園林植物對(duì)重金屬的吸滯能力展開了調(diào)查研究,如盧德亮等[4]研究哈爾濱市不同綠地功能區(qū)土壤重金屬污染狀況和重金屬在旱柳等7種植物體內(nèi)富集特征,發(fā)現(xiàn)小葉楊對(duì)Zn、Cu、Cd等3種重金屬富集系數(shù)較大,可把小葉楊作為哈爾濱市區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)的重點(diǎn)選用樹種。李彩霞等[5]分析了長(zhǎng)沙市交通干道綠化帶土壤和15種主要喬木的重金屬含量,發(fā)現(xiàn)樟樹、苦楝、法國(guó)梧桐對(duì)Zn、Cu、Pb、Cd有較強(qiáng)的富集能力。楊陽等[6]對(duì)灃河沿岸土壤和優(yōu)勢(shì)植物重金屬富集特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),馬齒莧、艾蒿、蘆葦3種植物重金屬的富集能力均較強(qiáng),對(duì)污染的生境有適應(yīng)能力,故可作為該地區(qū)耐重金屬植物。因此,在城市綠化過程中篩選優(yōu)勢(shì)樹種對(duì)于緩解重金屬污染及土壤修復(fù)具有重要意義。
關(guān)于干旱區(qū)綠洲城市阿克蘇市城市環(huán)境污染已有不少的報(bào)道,研究?jī)?nèi)容大多集中在綠化樹種的滯塵能力[7-8]、綠地土壤重金屬含量特征及污染評(píng)價(jià)[9]等領(lǐng)域,而對(duì)于當(dāng)?shù)鼐G化樹種調(diào)查研究較少,尤其對(duì)城市不同功能區(qū)土壤環(huán)境內(nèi)重金屬耐性和富集型植物的研究鮮有報(bào)道。為篩選出適應(yīng)當(dāng)?shù)匚廴经h(huán)境的重金屬耐性和富集植物,本研究在阿克蘇市綠地不同重金屬污染類型和強(qiáng)度下選取常見的 5種林木葉片,綜合評(píng)價(jià)土壤重金屬污染現(xiàn)狀及不同植物對(duì)重金屬的富集能力,初步篩選出對(duì)重金屬污染土壤有較高耐性的植物,以期為不同立地環(huán)境樹種的選擇和重金屬污染土壤修復(fù)治理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。
阿克蘇市地處新疆南部塔克拉瑪干沙漠北緣(39°31′—42°41′N, 78°02′—84°05′E), 平均海拔1114.8 m, 為典型的暖溫帶大陸性氣候, 年均氣溫11 ℃, 年平均日照時(shí)數(shù)為2867 h, 年均降水量65.3 mm(主要集中在5-9月)[10]。阿克蘇市植被類型主要以暖溫帶落葉闊葉林為主, 常見樹種有垂柳()、葡萄()、新疆楊()、桑樹()、圓冠榆()、法國(guó)梧桐()、大葉白蠟()、香梨()、櫻桃李()、沙棗()[11]。
結(jié)合阿克蘇市主要污染源情況, 在市內(nèi)和郊區(qū)選了5個(gè)樣地, 分別為道路交通綠地(西大街)、工業(yè)區(qū)綠地(西工業(yè)園)、居住區(qū)綠地(電視臺(tái)家屬院)、公園綠地(刀郎公園)、城郊綠地(柯柯牙城郊防護(hù)林)。并在每個(gè)樣地內(nèi)選擇樹齡、樹高以及胸徑大致相同的5種常見綠化樹種, 分別為大葉白蠟、新疆楊、圓冠榆、垂柳、法國(guó)梧桐(表1)。在樹干外圍上、中、下及東西南北四個(gè)方向均勻采摘葉片, 分別在每個(gè)樣區(qū)同種樹種至少選取3株重復(fù)采樣。將葉片小心置于聚乙烯塑料袋中, 貼好標(biāo)簽。在所采集的樣樹根系周圍采用土壤鉆采集0—20 cm的表層土壤樣品(約1 kg), 裝入塑料袋并充分混合, 當(dāng)日編號(hào)與植物樣品一并帶回實(shí)驗(yàn)室處理。
植物樣品分別用自來水充分沖洗, 再用去離子水沖洗, 在75 ℃下于烘箱中烘至恒量, 用FZ102微型植物試樣粉碎機(jī)粉粹并過100目尼龍篩, 放入封口袋備用。土壤樣品自然風(fēng)干, 除去土樣中的石子和動(dòng)植物殘?bào)w等異物, 用木棒研壓, 過2.5 mm尼龍篩, 混勻。用瑪瑙研缽將通過2.5mm尼龍篩的土樣研磨至全部通過100目尼龍篩, 放入封口袋備用。植物樣品用HNO3-HClO4消化, 土壤樣品用HF-HClO4-HNO3消化。植物樣品和土壤樣品采用高壓密閉微波進(jìn)行消解。Pb、Cu、Zn、Cr含量的測(cè)定采用TAS-990型原子分光光度計(jì)法, 使用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品信息中心, GBW07426)[12]作表樣, 所有樣品重復(fù)測(cè)定3次。

表1 樹種的基本情況
土壤重金屬污染評(píng)價(jià)采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。植物重金屬富集能力則采用生物富集系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。運(yùn)用Excel 2010軟件整理測(cè)試數(shù)據(jù)并制圖, 利用SPSS19.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析及單因素方差分析。
1.5.1 土壤污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法: 試驗(yàn)選用新疆土壤元素背景值[13]作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2), 對(duì)比說明阿克蘇市綠地土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。評(píng)價(jià)方法采用單因子污染評(píng)價(jià)和綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)[14]
1) 單因子指數(shù)法: 以土壤單項(xiàng)污染物的實(shí)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比, 用以表示土壤中該污染物的污染程度。其計(jì)算公式:
P=C/ S
式中:P為第個(gè)采樣點(diǎn)污染物的污染指數(shù);C為第個(gè)采樣點(diǎn)污染物的實(shí)測(cè)值; Si為污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
單因子污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):P單項(xiàng)污染指數(shù)<1清潔, 1<P<2, 輕度污染, 2<P<3, 中度污染,P>3, 重度污染。
2) 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法(綜合指數(shù)法): 可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平, 也突出了污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害, 其計(jì)算公式為:

式中:為第個(gè)采樣點(diǎn)的質(zhì)量綜合指數(shù);P為第個(gè)采樣點(diǎn)污染物所有單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值;P為第個(gè)采樣點(diǎn)污染物所有單項(xiàng)污染指數(shù)中的平均值。
綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn): P<0.7清潔, 0.7< P<1尚清潔, 1<P<2輕污染, 2< P<3, 中度污染,P>3, 重度污染。
1.5.2 植物富集能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
富集系數(shù): 富集系數(shù)是評(píng)價(jià)喬木體內(nèi)對(duì)土壤中重金屬的富集能力的指標(biāo)之一[14]。其公式為:
=C/S
式中:C為地上部第個(gè)植物樣品的重金屬含量;S為對(duì)應(yīng)土壤樣品重金屬含量。
由表2可知, 研究區(qū)土壤重金屬中Zn的含量最高(80.33—156.39 mg·kg-1), Cr的最低(44.87—12.49 mg·kg-1), 且低于研究區(qū)土壤背景值, Cu、Pb、Zn的含量均高于研究區(qū)土壤背景值。各采樣點(diǎn)土壤重金屬含量空間變化幅度較大。其中, 交通道路綠地的Zn、Pb含量最高, 分別是背景值的2.60、4.87倍; 工業(yè)區(qū)綠地的Cu含量最高, 是背景值的5.19倍; 居住區(qū)綠地的Cr含量最高, 是背景值的1.10倍。對(duì)不同功能區(qū)重金屬元素的含量進(jìn)行方差分析, 結(jié)果表明Zn、Cu、Pb、Cr在不同功能區(qū)的分布差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05); 對(duì)不同功能區(qū)的重金屬元素兩兩之間進(jìn)行多重分析, 結(jié)果表明交通道路綠地Zn、Pb含量高于其他4個(gè)功能區(qū), Cr含量高于城郊綠地和工業(yè)區(qū)綠地, 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(<0.05); 居住區(qū)綠地的Cr含量高于其他四個(gè)功能區(qū), 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(<0.05); 工業(yè)區(qū)綠地Cu含量高于其他4個(gè)功能區(qū); 阿克蘇市Zn、Cu、Pb等重金屬元素在交通道路綠地、工業(yè)區(qū)綠地、居住區(qū)綠地具有較高的累積量, 城郊綠地、公園綠地除Cr以外, 其他重金屬元素含量相對(duì)較低。上述結(jié)果表明, 人為活動(dòng)頻繁的交通道路綠地、工業(yè)區(qū)綠地和居住區(qū)綠地重金屬污染最為嚴(yán)重, 而交通量較少且綠地覆蓋面積大的城郊綠地重金屬污染較低。

表2 不同采樣點(diǎn)土壤重金屬含量水平
注: 表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差, 數(shù)據(jù)后的小寫字母表示顯著水平為0.05, 表示同一列數(shù)據(jù)的差異性, 若字母相同表示兩者差異不顯著, 反之差異顯著
2.2.1 單因子污染評(píng)價(jià)
根據(jù)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)方法, 結(jié)合采樣點(diǎn)土壤重金屬元素測(cè)定值和新疆土壤背景值, 計(jì)算各采樣區(qū)單項(xiàng)污染指數(shù)。由表3可知, 各采樣區(qū)土壤Pb、Cu、Zn元素P大于1, Cr元素P小于1, 表明5個(gè)功能區(qū)均受到了Pb、Cu、Zn不同程度的污染, 未受到Cr元素污染。各功能區(qū)單因子污染水平分別表現(xiàn)為: 城郊綠地Pb>Cu>Zn>Cr; 交通道路綠地Pb>Cu>Zn>Cr; 工業(yè)區(qū)綠地Cu>Pb>Zn>Cr; 居住區(qū)綠地Cu>Pb>Zn>Cr; 公園綠地Pb>Cu>Zn>Cr, 其中工業(yè)區(qū)綠地污染程度最嚴(yán)重的為Cu,P達(dá)到了5.19, 另外Pb、Zn的P也大于2, 表明其污染等級(jí)也比較嚴(yán)重; 交通道路綠地P以Pb為最高, 污染指數(shù)達(dá)到4.87, Zn、Cu污染也較重; 公園綠地Pb和Cu污染最重,P分別為4.09和3.36; 居住區(qū)綠地Cu和Pb污染比較嚴(yán)重,P分別達(dá)到4.63和4.50; 城郊綠地土壤除了Zn輕微污染、未受Cr污染外, Pb、Cu含量污染指數(shù)分別為3.04和2.36。單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果說明, 阿克蘇市土壤重金屬總體上呈現(xiàn)為富集現(xiàn)象, Pb和Cu污染最重。Pb和Cu來源可能與生活垃圾和前些年機(jī)動(dòng)車大量使用含防抗劑四乙基鉛的燃料有關(guān)[15-16]。
2.2.2 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)
由圖1可見, 土壤重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(P)均大于1, 參照土壤重金屬污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 研究區(qū)土壤重金屬污染水平為中度污染到重度污染。各功能區(qū)綜合污染指數(shù)依次為工業(yè)區(qū)綠地>交通道路綠地>居住區(qū)綠地>公園綠地>城郊綠地其中, 工業(yè)區(qū)綠地綜合污染指數(shù)最大, 達(dá)到3.68,這可能是因?yàn)榘⒖颂K市是典型的燃煤型城市, 煤化工企業(yè)主要分布在該區(qū), 向環(huán)境釋放了大量含鉛、鋅、銅的廢棄物, 使得該區(qū)重金屬含量過高, 表明工業(yè)化程度與城市土壤中重金屬的含量密切相關(guān)[17]。交通道路綠地綜合污染指數(shù)次之, 達(dá)到3.34, 機(jī)動(dòng)車尾氣的排放、輪胎橡膠磨損產(chǎn)生的大量重金屬造成其污染。居民生活廢棄物不斷排放到環(huán)境中, 重金屬在土壤中累積的時(shí)間較長(zhǎng), 導(dǎo)致居住區(qū)綠地綜合污染指數(shù)較高。而城郊綠地、公園綠地作為人工改造的綠地, 可能經(jīng)過多次客土回填, 重金屬含量較低。但公園綠地和城郊綠地綜合污染指數(shù)分別達(dá)到2.93和2.16, 已達(dá)到中等污染水平, 這可能是因?yàn)榘⒖颂K市各功能區(qū)分布比較混雜, 并且區(qū)域面積相對(duì)較小, 交錯(cuò)的各功能區(qū)之間污染物相互擴(kuò)散也會(huì)對(duì)土壤中重金屬含量提升帶來影響。
表2 阿克蘇市不同功能區(qū)土壤重金屬元素的單向污染指數(shù)

Table 3 Contamination index of single item of soil heavy metals of different functional regions in Aksu
2.2.3 土壤重金屬含量相關(guān)分析
為了解重金屬元素之間的相關(guān)性, 在以上分析的基礎(chǔ)上, 對(duì)調(diào)查的全部土壤樣品重金屬元素之間進(jìn)行相關(guān)分析。從表4可以看出, 4種重金屬含量呈正相關(guān)關(guān)系, 而且都達(dá)到了顯著或極顯著水平。除Cr與Zn呈顯著正相關(guān)外, 其他所有元素間均呈極顯著正相關(guān), 說明研究區(qū)土壤重金屬具有很大的同源性。除工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、居民生活區(qū)釋放的污染物外, 沙塵暴引起的粉塵也是重要的因素[18-19]。

圖1 不同功能區(qū)綜合指數(shù)值
Figure 1 comprehensive index of different functional regions
表3 土壤重金屬含量相關(guān)分析

Table 4 correlation analysis of soil heavy metals in Aksu
注: *<0.05; **<0.01。
2.3.1 植物重金屬富集系數(shù)
不同植物由于生物學(xué)特性的不一致, 其吸收重金屬的生理生化機(jī)制不同, 從而對(duì)所吸收重金屬的累積量也不盡相同[20-21], 可通過富集系數(shù)來評(píng)價(jià)不同樹種間重金屬富集能力。如表5所示, 不同樹種葉片重金屬的富集系數(shù)明顯不同。在城郊綠地、交通道路綠地、居住綠地新疆楊對(duì)Cu、Cr富集能力最強(qiáng), 法國(guó)梧桐對(duì)Zn、Pb具有較好的富集能力。在工業(yè)區(qū)綠地新疆楊對(duì)Cr富集能力最強(qiáng); 法國(guó)梧桐對(duì)Zn、Pb具有較好的富集能力; 大葉白蠟對(duì)Cu富集能力最強(qiáng)。在公園綠地新疆楊、圓冠榆、垂柳、法國(guó)梧桐分別對(duì)Cr、Zn、Cu、Pb具有富集能力。上述結(jié)果表明, 同種植物在不同采樣區(qū)的富集系數(shù)不同, 其原因可能與該區(qū)域土壤中重金屬的含量相關(guān)。雖然城郊綠地、公園綠地土壤Cr含量低于研究區(qū)土壤背景值, 但各樹種葉片仍表現(xiàn)出對(duì)Cr較強(qiáng)的富集能力, 表明林木在清潔土壤或城市環(huán)境中已表現(xiàn)出對(duì)大氣或土壤重金屬的凈化吸收作用。因此, 在城市道路和周邊地區(qū)的栽植綠化樹種對(duì)重金屬具有富集能力的喬木樹種不但可以綠化環(huán)境, 而且對(duì)預(yù)防和治理土壤重金屬污染有重要意義。
表4 各研究區(qū)域不同樹種葉片中重金屬富集系數(shù)

Table 5 Concentration factors of different tree species
2.3.2 不同污染條件下不同樹種綜合富集能力分析 對(duì)不同污染條件下同一樹種重金屬綜合富集系數(shù)進(jìn)行分析, 有利于了解各樹種對(duì)在不同污染環(huán)境下的適應(yīng)能力[22-23], 對(duì)在不同污染條件下選用不同樹種, 提高植物的成活率和修復(fù)重金屬污染效率具有指導(dǎo)意義[24-25]。由圖2可知, 在重度土壤污染下,各樹種對(duì)重金屬的綜合富集能力依次為: 法國(guó)梧桐、新疆楊、大葉白蠟、垂柳、圓冠榆; 在中度污染下, 各樹種對(duì)重金屬的綜合富集能力依次為為新疆楊、法國(guó)梧桐、圓冠榆、垂柳、大葉白蠟。結(jié)果表明, 葉片對(duì)重金屬的綜合富集能力隨土壤重金屬綜合污染指數(shù)的升高而減弱。法國(guó)梧桐與新疆楊反而在重度污染下綜合富集能力強(qiáng)是因?yàn)樯锪看笄夷托藜? 每年枝葉修剪都可從污染環(huán)境中帶走大量的重金屬元素, 屬于對(duì)重金屬污染的耐性很強(qiáng), 可作為重金屬污染修復(fù)的優(yōu)選樹種。

圖2 不同樹種綜合富集系數(shù)
Figure 2 Comprehensive concentration factors of different tree species
1) 阿克蘇市綠地土壤中Pb、Cu、Zn的平均含量超出新疆土壤背景值, 重金屬在各功能區(qū)綠地土壤中表現(xiàn)出不同的累積程度。Pb、Cu、Zn在交通道路綠地、工業(yè)區(qū)綠地、居住區(qū)綠地具有較高的累積, 而Cr在城郊綠地、公園綠地具有較高的累積。說明城市化進(jìn)程已造成了阿克蘇市土壤中重金屬元素的富集, 對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)造成了危害。
2) 土壤重金屬相關(guān)分析表明: 4種重金屬元素之間均呈現(xiàn)顯著差異, 說明其來源途徑相似, 土壤污染存在復(fù)合污染特性。因此, 應(yīng)考慮綜合防治與治理。
3) 各樹種對(duì)重金屬的綜合富集能力依次為法國(guó)梧桐、新疆楊、圓冠榆、垂柳、大葉白蠟。阿克蘇市各功能區(qū)重金屬污染程度屬于中到重度污染。綜合富集能力強(qiáng)、生物量大, 且耐修剪的法國(guó)梧桐可被優(yōu)選為理想的綠化樹種。
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Characteristics of heavy metals soil pollution and plant accumulationin urban green space of Aksu
MIHRAY Xiryazdan1,3, üMüT Halik1,2,*,Abduani abuli1,2
1. College of Resources and Environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China 2. Xinjiang Key Laboratory of Oasis Ecology of Ministry of Education, Urumqi 830046, China 3. Hetian Normal School, Hetian, Xinjiang, 848000, China
Plants have certain ability to absorb heavy metal pollutants, so it’s practical to use plants to mitigate and control heavy metal pollution. Common greening trees from different functional areas of Aksu city were selected by using single factor pollution index, Nemerow integrated index and enrichment factor; spatial differentiation characteristics of heavy metal pollution and accumulative effect of tree leaves were analyzed. The results showed that the four heavy metals (Zn, Cu, Pb, Cr) contaminated the green spaces of Aksu city to the different degrees. Cu and Pb pollution was the most serious and reached to severe pollution level. The heavy metals pollution in the green spaces from different functional areas was in the order of industrial area (P=3.68)>road traffic area (P=3.47)>residential area (P=3.34> park area (P=2.93)>suburban area (P=2.16). Among selected greening trees,andhad the highest accumulative effect for the four heavy metals and could be the prior consideration for the heavy metal pollution repairing in Aksu city. The other tree species, such as,,had relatively higher accumulative effect and thus could be selected as alternative ones for restore the contaminated environment.
Aksu city; heavy metal; plant leaves; accumulative effect
10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.005
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-8873(2019)06-030-07
2018-10-15;
2019-07-06
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31770750, 31270742)
美合日阿依·希爾亞孜旦(1993—), 女, 碩士研究生, 從事植物生態(tài)學(xué)研究, E-mail: mihray0917@163.com
玉米提·哈力克, 男, 博士, 教授, 從事城市生態(tài)規(guī)劃與管理研究, E-mail: halik@xju.edu.cn
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