烏魯木齊市快速路域綠化樹種對重金屬的累積效應及應用潛力

彭小東，阿麗亞·拜都熱拉*，玉米提·哈力克，買爾旦·阿不都卡德，若山古麗·芒力克，胡夢玲

(1.新疆農業大學 林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆大學 資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046)

隨著城市化進程逐漸加快，交通運輸業的快速發展，城市重金屬污染日益嚴重[1]。其中，交通污染源是城市土壤重金屬污染的主要來源[2]。基于此，植物修復技術成為了土壤污染治理的研究焦點，利用具有較高的耐性和富集重金屬能力強的植物對污染區域進行修復，已成為目前生態修復治理的主要措施[3-4]。相關研究表明，城市公路綠化帶對土壤中重金屬污染具有一定的防護效應,可在一定程度下顯著縮小污染范圍[5-6]。但由于道路類型、綠化帶結構等差異，不同綠化帶對路旁土壤重金屬污染防護效應有所差異[7-8]。綠化植物在土壤重金屬修復過程中起著重要的作用，研究城市園林綠化植物對重金屬的修復潛力具有重要的實用意義[9-10]。綠化樹種作為城市林帶的主體部分，憑借著其可觀的生物量、巨大的根系富集吸收以及轉運能力，可一定程度上修復重金屬污染的土壤，同時還兼具傳統植物經濟高效、綠色環保等優點[11]。另外，通過合理樹種選擇，恰當的植物配置，可更加有效地實現土壤重金屬修復，降低重金屬潛在威脅[12]。植物修復技術在土壤污染修復的過程中成為首選修復技術，受到諸多學者的關注。

近年來，城市重金屬污染治理方面利用綠化樹種對重金屬吸收、富集規律的研究也成為熱點[13]。石曉妮等[14]對南方地區綠化樹種的重金屬積累特征及等級分類進行了較為詳細的研究，并初步篩選出一批富集轉運能力較強的綠化樹種。目前，西北干旱區域在此相關領域的研究尚為欠缺。本研究以烏魯木齊市河灘快速路域為研究對象，對快速路旁綠化樹種根際土壤及不同器官的重金屬含量進行測定分析，量化綠化樹種對土壤重金屬富集轉運能力，以期篩選出對重金屬綜合累積能力較強的樹種。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河灘快速路為烏魯木齊市主要的交通干道，其雙向平均車流量為140輛/min，路域土壤為沙粒土，總的沙粒量平均為428.4 g·kg-1；總的pH值平均為8.03，為堿性土壤。本研究于2020年6月，對烏魯木齊市河灘快速路域南段(87.580°E，43.704°N)、中段(87.603°E，43.795°N)、北段(87.596°E，43.857°N)的綠化樹種與對應根際土壤進行采樣。根據其頻度與多度，選擇待試樹種16種，各樹種具體生長狀況如表1所示。

1.2 樣品采集與測定

2020年6月，在河灘快速路域距公路5～10 m處設置采樣點進行采樣，路域選取供試16×3棵樹，共計48棵。植物樣品：在交通路域選擇長勢較為一致的綠化樹種，分別在樹種的各個方向(東西南北)采集樹葉、樹枝和樹皮，并分別對應混勻作為地上部分樣品。在樹冠垂直投影2/3處4個方向采集樹根，并混勻作為地下部分樣品，分別裝入自封袋，做好標記，在105℃下殺青，65℃烘干至恒量，高速萬能粉碎機粉碎，過100目篩待用。土壤樣品：用土鉆在各個采樣點的樹種根系周圍采集土壤(0～30 cm)樣品，每顆樹下采集4個土樣，土樣均勻混合，采用四分法取約1 kg土樣裝入塑料自封袋帶回實驗室，剔除異物，自然風干后，再研磨過100目篩。對待測樣品的重金屬檢測，植物樣品：稱取樣品0.5 g(精確到0.000 1)，消煮采用濃硝酸-高氯酸(4∶1)消解法；土壤樣品：采用氫氟酸-高氯酸(1∶1)消解法。二者均使用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定重金屬Pb、Zn、Cd、Cr、Cu與Ni的含量。

1.3 植物重金屬富集轉運系數及隸屬函數計算

生物富集系數(Bioconcen tration Factor,BCF)[15]，公式為:

BCF=C植物/S土壤

式中，BCF為富集系數；C植物為植物樣品地上部或地下部分的重金屬元素含量(mg·kg-1)；S土壤為對應根際土壤重金屬元素含量(mg·kg-1)。

生物轉運系數(Biological transfer factor)[16]，其計算公式為：

BTF=Cabove/Cunder

式中，Cabove為植物地上部位重金屬元素的含量(mg·kg-1)，Cunder為植物地下部位(根)相應重金屬元素含量(mg·kg-1)。

采用隸屬函數法對其進行綜合評價[17]。計算公式為：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，X為某一指標的測定值；Xmax為某一指標的測定值中最大值；Xmin為某一指標的測定值中最小值，而后求取隸屬函數值的平均值，對其各樹種綜合轉運能力進行評價。

表1 采樣地各綠化樹種的生長狀況

1.4 數據處理與分析

采用Excel2010以及SPSS19.0統計軟件對試驗數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 快速路域綠化樹種不同部位重金屬含量分析

對各綠化樹種不同部位重金屬Pb、Zn、Cd、Cr、Cu和Ni含量進行測定分析，由表2可得，不同樹種對重金屬的累積特征存在一定的差異。總體來看，各樹種體內重金屬Zn的含量較高，其次是Cu、Pb和Ni，各樹種體內Cd的含量相對較低。樹種不同部位對重金屬的累積能力也有所差異，整體分析而言，地下部分重金屬含量高于地上部分。16種綠化植物地上部分各重金屬含量分別為4.75～13.90、23.64～59.44、0.029～0.112、4.01～16.52、7.98～36.43 mg·kg-1和6.80～12.82 mg·kg-1；地下部分各重金屬含量分別為7.35～15.35、20.57～62.54、0.039～0.261、8.97～21.36、9.28～34.55 mg·kg-1和9.35～17.61 mg·kg-1。與一般植物的正常重金屬含量比較[27]，各樹種重金屬含量均在正常范圍內。說明各樹種能在污染環境下正常生長，各樹種對環境有較強的適應能力。與其他樹種相比，北美海棠地上部分Pb的含量較大；紅皮云杉地上部分對Zn、Ni的吸收較大；新疆楊地上部分對Cd的吸收較大；垂柳地上部分與地下部分對Cr的吸收較大；大葉白蠟地上部分與地下部分對Cu的吸收較大。

2.2 綠化樹種對根際土壤重金屬的富集轉運特征

如表3中富集轉移系數綜合分析得，綠化植物對重金屬的BCF整體表現為Zn >Cu>Ni>Pb> Cd>Cr，平均BCF為地下部分大于地上部分。除了大葉白蠟對重金屬Cu的富集系數>1，其他樹種均<1。各綠化樹種對重金屬Pb、Cr的富集系數均<0.5；圓冠榆、垂柳、復葉槭與紅皮云杉地上部分對重金屬Zn的富集系數>0.5；圓冠榆地下部分對Zn、Cd的富集系數>0.5；北美海棠、圓冠榆金葉榆與榆葉梅地上部分對重金屬Cu的富集系數>0.5；北美海棠地下部分對重金屬Ni的富集系數>0.5。16種綠化植物對6種重金屬的BTF整體表現為Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd。北美海棠、白榆、黃金樹、榆葉梅與紅皮云杉對Pb有較強的遷移能力，其BTF接近1，分別為0.98、0.87、0.84、0.88與0.86；白榆、圓冠榆、樟子松、垂柳、火炬樹、紅皮云杉、榆葉梅、紫葉矮櫻、復葉槭與水蠟對Zn有很強的遷移能力，其BTF均>1；新疆楊對重金屬Cd的遷移能力較強；樟子松、火炬樹與黃金樹對重金屬Cr具有較強的遷移能力；圓冠榆、紅皮云杉、黃金樹、金葉榆、大葉白蠟、暴馬丁香與火炬樹對Cu有很強的遷移能力，其BTF均>1；紅皮云杉、火炬樹與金葉榆對重金屬Ni具有較強的遷移能力。

表2 樹種不同部位重金屬含量

2.3 綠化樹種對根際土壤重金屬的綜合轉運能力評價

各樹種對重金屬的累積效應，主要通過富集轉運系數來衡量[12]。將樹種對重金屬Pb、Zn、Cd、Cr、Cu與Ni富集轉運系數作為參數，對各樹種進行聚類分析，由圖1可知，各樹種分為5類：第1類為復葉槭、紅皮云杉、樟子松與火炬樹，結合表3分析，這類樹種對各重金屬的富集系數與轉運系數相對較大，對各重金屬具有較強的累積效應。第2類為金葉榆、大葉白蠟、圓冠榆與暴馬丁香，對各重金屬的富集系數較大，轉運系數次之，相對而言，對重金屬Zn、Cd與Ni具有較強的富集能力。第3類為垂柳與榆葉梅，對各重金屬的富集系數相對較大，轉運系數相對較小，其中對重金屬Pb、Zn、Cd與具有較強的富集能力。第4類為北美海棠與黃金樹，對各重金屬的富集轉運系數適中。第5類為水蠟、紫葉矮櫻、白榆與新疆楊，總體比較，這類樹種對各重金屬的富集系數與轉運系數相對較低。用隸屬函數法對研究區綠化樹種Pb、Zn、Cd、Cr、Cu與Ni的轉運能力進行綜合評價。由表4可知，各樹種對重金屬Pb、Zn、Cd、Cr、Cu與Ni的綜合轉運能力由強到弱的順序為：紅皮云杉、火炬樹、黃金樹、復葉槭、圓冠榆、北美海棠、金葉榆、樟子松、紫葉矮櫻、水蠟、白榆、暴馬丁香、大葉白蠟、新疆楊、榆葉梅、垂柳。通過聚類分析與隸屬函數對各樹種重金屬富集轉運能力綜合評價分析得出，紅皮云杉、復葉槭、圓冠榆、樟子松、火炬樹對各重金屬的富集轉運能力相對較強，北美海棠、金葉榆、紫葉矮櫻、水蠟、白榆、暴馬丁香對各類重金屬的富集轉運能力相對適中，大葉白蠟、新疆楊、榆葉梅、垂柳對各類重金屬的富集轉運能力相對較弱。

表3 樹種對根際土壤重金屬的富集系數與轉運系數

2.4 樹種各重金屬含量與根際土壤重金屬含量相關性分析

對樹種體內重金屬含量與土壤重金屬含量進行相關性分析，可進一步了解重金屬之間相互關系及轉移規律。由表5可知，植物體內重金屬Pb的含量與土壤中重金屬Pb的含量呈顯著正相關(P<0.05)，與土壤中重金屬Zn的含量呈顯著負相關；植物體內重金屬Zn的含量與Cd、Cu的含量呈顯著相關性(P<0.05)，進一步說明植物體內Zn、Cd與Cu具有較強的同源性；植物體內重金屬Cd的含量與土壤中重金屬Cd的含量呈顯著的正相關性(P<0.05)；植物體內重金屬Cr的含量與土壤中重金屬Cr、Cu的含量呈顯著的負相關性；植物體內重金屬Cu的含量與土壤中重金屬Cu的含量呈顯著的負相關；土壤中重金屬Zn、Pb與Cr呈顯著相關性，與植物體內相同。綜合分析得，植物體內重金屬含量與土壤中重金屬有一定的相關性；植物體內與土壤中重金屬Pb、Zn與Cd含量具有較強的同源性。

表4 樹種轉運系數隸屬度分析

圖1 交通路域綠化樹種富集轉運特性聚類分析

3 討論

城市交通路域土壤重金屬污染引起了社會高度的關注，已成為眾多學者的重點研究課題[18]。相關研究表明，城市路域重金屬污染主要來源于車輛零部件的老化、磨損掉漆、尾氣排放、輪胎摩擦與機油泄漏等相關因素[19]。對于交通路域土壤的污染，目前最好的防護措施仍是植物修復技術，其綠化樹種起著決定性的作用。綠化樹種是交通路域的主要植物類型，有生命周期長、綠化環境的特點[20]，在重金屬防治方面發揮著重要作用，既能通過地上部分吸附空氣中的重金屬，又能通過地下部分(植物根系)吸收土壤中的重金屬，從而對重金屬污染區域起到凈化作用[21]。通過對烏魯木齊市河灘快速路側綠化樹種重金屬含量的測定結果表明，不同樹種體內重金屬含量有所不同；相同環境下，同樹種對不同重金屬的富集效應不同，這可能與樹種生理生化和遺傳特性有著密切的關系[22]。總體而言，樹種地下部分重金屬含量高于地上部分，說明同一種植物不同部位對金屬元素吸收、遷移、累積的能力不同，不同器官對不同重金屬元素吸收、富集、吸收的特性也不同[23]。通過對各樹種富集系數的分析，綠化植物對6種重金屬的BCF整體表現為Zn >Cu>Ni>Pb> Cd>Cr，平均BCF為地下部分大于地上部分。樹種對各重金屬富集能力不同，根本原因在于樹種自身生理特征的差異，其次根際土壤中重金屬濃度也對根系重金屬的富集吸收有很大影響[24]。因重金屬元素種類及形態的不同，樹種對重金屬吸收能力也會存在差異。綜合分析得，有的樹種對重金屬的轉運系數<0.5，表明這些樹種能夠通過自身的排斥機制進一步減少重金屬對自身的毒害作用；有的樹種對污染環境具有較強的適應能力，其對重金屬具有較強的遷移轉化能力。

表5 樹種各重金屬含量與根際土壤重金屬含量Pearson相關性分析

樹種對重金屬的富集轉運特性因種類的不同而存在一定的差異，同時樹種體內的重金屬含量與環境中的重金屬含量呈顯著的正相關[25]。通過相關性分析表明，樹種體內與土壤中相同重金屬有顯著的相關性；樹種體內與土壤中重金屬Pb、Zn與Cd含量具有較強的同源性，土壤重金屬濃度在一定范圍內，對植物體內相應重金屬含量有促進作用。王慧等[26]研究表明，高速路旁土壤中Pb、Cd、Cu與Zn這4種重金屬元素之間有良好的同源關系,土壤Cu、Zn與植物中同種元素含量呈正相關，黃順紅等[27]研究表明，Cd、Pb空間分布特征極為類似，具有較強的同源性，均與本研究一致。植物體內重金屬含量與土壤重金屬有較強的同源性，同一化學性質的重金屬對植物吸收重金屬可能有一定的影響。探明各重金屬種類之間的相關性，還需通過大量的試驗研究進行驗證；研究植物對土壤重金屬的累積效應，還需探明植物對重金屬的耐受程度，可進一步為土壤重金屬污染提供更好的治理措施。

4 結論

不同樹種對重金屬的累積特征存在一定的差異；總體來看，各樹種體內重金屬Zn的含量較高，Cu、Pb和Ni次之，Cd的含量相對較低；樹種不同部位對重金屬的累積能力也有所差異，整體而言，地下部分的各重金屬含量高于地上部分；16種綠化植物對6種重金屬的BCF與BTF整體表現分別為Zn >Cu>Ni>Pb> Cd>Cr，Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd，平均BCF為地下部分大于地上部分。

通過對各樹種重金屬富集轉運能力的綜合評價得出，紅皮云杉、復葉槭、圓冠榆、樟子松、火炬樹對各重金屬的富集轉運能力相對較強，北美海棠、金葉榆、紫葉矮櫻、水蠟、白榆、暴馬丁香對各類重金屬的富集轉運能力相對適中，大葉白蠟、新疆楊、榆葉梅、垂柳對各類重金屬的富集轉運能力相對較弱。