常見綠化樹種對重金屬的富集效應評價

彭小東，阿麗亞·拜都熱拉，劉 麗，玉米提·哈力克，胡夢玲，孫桂麗

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

0 引 言

【研究意義】隨著社會經濟的高速發展和高強度的人類活動，工業化和城市化帶來的重金屬污染問題日益引起關注，重金屬對環境質量、人體健康、動植物的生存條件及城市生態的可持續發展構成嚴重威脅和挑戰。城市綠化樹種能有效且經濟地實現對重金屬富集、吸收、轉化和降解作用，并穩固在樹木體內，防止重金屬造成再次污染。通過量化各常見綠化樹種對重金屬的富集轉運能力，篩選出富集效能較強的常見綠化樹種，為烏魯木齊市城市綠地的有效利用以及城市生態環境保護和治理提供理論依據。【前人研究進展】城市化在發展的過程中，會伴隨著各種類型的污染物排放，這些污染物通過直接或間接途徑進入城市土壤中，最終在一定程度上引起城市土壤的污染[1]。由于城市的交通設施逐漸完善，車流量的增加，同時也使得路側土壤的重金屬含量增加，并造成一定的污染[2]。城市道路綠化帶對是城市路域具有美化的作用，以及改善路側生態環境的作用[3]，道路綠化帶對土壤重金屬污染也具有一定的防護作用[4]。不同類型的綠化樹種對土壤重金屬的富集能力有所不同，對城市道路的綠化效果也是有所不同的[5,6]。因此，城市綠化帶建設的前期，應合理選擇植物的配置，在兼顧美觀的同時，優先選擇對土壤重金屬污染防護效果較好的綠化植物[7]。在城市污染的防護方面，目前主要寄托于木本植物，具有超累積性的綠化樹種為首選的綠化材料，綠化植物對土壤重金屬耐受累積效應也備受關注[8]。近年來，城市土壤重金屬污染的治理，主要是利用綠化植物對重金屬富集吸收，綠化植物在城市污染治理方面也成為熱點。石曉妮等[9]研究表明，南方地區對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，阿衣古麗等[10]研究了烏魯木齊市主要綠化樹種重金屬累積能力比較，唐敏等[11]對北京37種園林植物對4種重金屬的富集力。相對于西北地區而言，南方及沿海城市相關研究較為豐富。【本研究切入點】近年來，在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，而目前，西北干旱區城市綠化樹種地上、地下部分重金屬含量及所在地土壤中重金屬含量特征等相關領域的研究尚為欠缺。【擬解決的關鍵問題】研究以烏魯木齊市京新快速路側為對象，對快速路旁綠化樹種根際土壤及不同器官的Cu、Pb、Ni和Zn 4種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；探明出交通路域各樹種對重金屬的綜合累積能力。

1 材料與方法

1.1 材 料

烏魯木齊市位于準噶爾盆地南緣(E86.626～88.973，N42.759～44.133)。快速路研究區位于烏魯木齊市南郊河灘快速公路旁(43.774N，87.591E)。研究區屬于溫帶大陸性干旱氣候，春秋兩季較短、冬夏較長，晝夜溫差大；平均氣溫約為25.7℃，年降雨量120～180 mm，年蒸發量2 000～3 000 mm，降水量遠遠小于蒸發量。研究區的土壤為沙粒土，沙粒量平均為428.4 g/kg；pH平均為8.03，為堿性土壤。采樣時周圍的溫度為24.2℃，濕度為27RH,風向為東北風，雙向平均車流量為56輛/min。

確定白榆(Ulmuspumila)、白蠟(FraxinuschinensisRoxb)、圓冠榆(Ulmusdensa)、樟子松(Pinussylvestrisvar.)與紅皮云杉(PiceakoraiensisNakai)5個樹種。研究于2019年6月，在烏魯木齊京新高速公路旁設置3個采樣點，每個采樣點選取5×3棵樹，共計45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1個樣品，在樹冠垂直投影2/3處4個方向采集樹根與根際土壤(0～20 cm)，并混勻作為1個樣品。表1

1.2 方 法

1.2.1 樣品處理

植物樣品處理：采集的植物樣品用蒸餾水沖洗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，110℃殺青，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 HNO3，置于通風櫥中過夜預消解，消煮1 h后冷卻30 min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，待測。土壤樣品處理：自然風干并除去土壤中的其他異物，磨碎過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，加入5 mL HNO3，2 mL HCIO4，放入消煮爐中加熱3 h左右。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(ICP-OES)測定植物與根際土壤樣品重金屬(Cu、Ni、Pb、Zn)的含量。

1.2.2 研究區污染綜合評價

內梅羅綜合污染指數評價[18]：其計算公式為：

Pi=Ci/Si.

式中Pi為i因子的單項污染指數，Ci為i因子的實測濃度值，Si為i因子的評價標準值。Piave為指數平均值；Pimax單項污染物的最大污染指數；P綜為采樣點的綜合污染指數。以新疆環境背景值為參照，具體各元素環境背景值為Cu：26.7、Ni：25.2、Pb：19.4、Zn：68.8[19]。污染等級劃分：P綜≤0.7為清潔；0.7

1.2.3 植物重金屬富集轉運系數計算

(1)富集系數(Bioconcentration Factor, BCF)[20]，其計算公式為:

BCF=Ci/Si.

(1)

式(1)中：BCF為富集系數；Ci為地上部第i個植物樣品的重金屬元素含量；Si為對應土壤樣品重金屬元素含量。

(2)轉運系數(Biological transfer factor)[21]，其計算公式為：

BTF=Cabove/Cunder.

(2)

式(2)中，Cabove為植物地上部位重金屬元素的濃度(mg/kg)，Cunder為植物地下部位(根)相應重金屬元素濃度(mg/kg)。

1.2.4 各樹種對重金屬富集能力的綜合評價

采用隸屬函數法對其進行綜合評價[22]，其計算公式為：

X(μ) =(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(3)

(3)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。

1.3 數據處理

采用Excel 2010以及SPSS19.0統計軟件對試驗數據進行處理，數據表示均為平均值加減標準誤差。

2 結果與分析

2.1 研究區不同樹種根際土壤重金屬含量分析及污染評價

研究表明，變異系數都在30%以下，快速路區各根際土壤中重金屬含量變化較小，重金屬污染存在較小空間變異性。根際土壤中Cu、Ni、Pb和Zn含量均值分別為40.27、48.03、29.24和120.77 mg/kg。與新疆土壤重金屬環境背景值比較，各樹種根際土壤重金屬含量均高于背景值，土壤中Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量是環境背景值1.51、1.91、1.53和1.76倍。綜合評價指數為1.81，在區間1.0

表2 不同樹種根際土壤重金屬含量Table 2 Contents of heavy metals in rhizosphere soil of different tree species (mg/kg)

2.2 研究區常見綠化樹種體內重金屬含量

研究表明，樹種地下部分重金屬含量高于地上部分。樹種地上部分Cu、Ni、Pb和Zn含量變化范圍分別為15.69～23.99、22.97～25.32、21.61～39.23和27.45～38.50 mg/kg。地下部分Cu、Ni、Pb和Zn含量變化范圍分別為28.35～42.01、24.71～32.56、15.35～35.16和33.14～63.17 mg/kg。其中樹種地上部分Pb和Zn含量變化范圍較大，地下部分Cu和Zn含量變化范圍較大。白蠟地上部分Cu與地下部分Cu、Zn的含量最高，分別為23.99與42.01、63.17 mg/kg。紅皮云杉地上部分與地下部分Ni含量最高，分別為25.32與32.56 mg/kg。圓冠榆地上部分Pb的含量最高為39.23，白榆地下部分Pb含量最高為5.16；樟子松地上部分Zn的含量最高為38.50 mg/kg。表3

表3 樹種不同部位重金屬含量Table 3 Contents of heavy metals in different parts of tree species (mg/kg)

2.3 研究區綠化樹種對根際土壤重金屬的富集效應

研究表明，地上部分：圓冠榆對Cu、Pb的富集系數最大分別為0.62、1.51；紅皮云杉對Ni、Zn的富集系數最大分別為0.60、0.34。地下部分：白蠟對Cu、Zn的富集系數最大分別為0.99、0.53；紅皮云杉對Ni的富集系數最大為0.77；圓冠榆對Pb的富集系數最大為1.20。地上部分圓冠榆、紅皮云杉對Pb的富集系數大于1；地下部分樟子松、圓冠榆對Pb的富集系數大于1。樹種對Cu的富集系數為：白蠟>紅皮云杉>圓冠榆>樟子松>白榆；對Ni的富集系數為：紅皮云杉>白榆>樟子松>白蠟>圓冠榆；對Pb的富集系數為：圓冠榆>樟子松>白蠟>紅皮云杉>白榆；對Zn的富集系數為：白蠟>樟子松>紅皮云杉>圓冠榆>白榆。表4，圖1

2.4 研究區綠化樹種對根際土壤重金屬的綜合轉運能力評價

研究表明，白蠟、圓冠榆和紅皮云杉對Pb的轉運系數均大于1，其值分別為1.09、1.26與1.41；白榆對Zn的轉運系數大于1，其值為1.14；則說明地上部分重金屬含量高于地下部分重金屬含量。其他樹種對重金屬Cu、Ni、Pb與Zn的轉運系數均小于1，這可能與植物生理特性以及土壤中重金屬含量有關。5種植物對4種重金屬的BTF整體表現為Pb>Ni>Zn>Cu。表5

用隸屬函數法對研究區綠化樹種Cu、Ni、Pb與Zn的轉運能力進行綜合評價。各樹種對重金屬Cu、Ni、Pb與Zn的綜合轉運能力為：圓冠榆>白榆>紅皮云杉>樟子松>白蠟。表6

表4 樹種各部位對根際土壤重金屬的富集效應Table 4 Enrichment effects of different parts of tree species on heavy metals in rhizosphere soil

圖1 不同樹種對重金屬平均富集系數比較Fig. 1 Comparison of average enrichment coefficients of heavy metals by different tree species

表5 樹種對重金屬的轉運能力Table 5 Transport capacity of tree species to heavy metals

表6 轉運系數隸屬度Table 6 Analysis of membership degree of transfer coefficient

2.5 研究區土壤—樹種重金屬含量相關性

研究表明，白榆、樟子松體內重金屬Cu、Pb與土壤重金屬Cu、Pb、Zn含量呈顯著正相關(P<0.01)；白蠟體內重金屬Cu、Zn與土壤重金屬Cu、Pb、Zn含量呈顯著正相關(P<0.05)；圓冠榆體內重金屬Pb 、Zn與土壤重金屬Cu、Pb、Zn含量呈顯著正相關(P<0.05)；紅皮云杉體內重金屬Cu、Ni與土壤中重金屬Zn的含量呈顯著正相關(P<0.05)，紅皮云杉體內重金屬Zn與土壤中重金屬Cu、Pb的含量呈顯著正相關(P<0.05)。植物體與土壤中相同重金屬有顯著的相關性；植物體內與土壤中重金屬Cu、Pb、Zn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。表7

表7 樹種體內重金屬含量與土壤重金屬含量Pearson相關性Table 7 Pearson correlation analysis of heavy metal content in tree species and soil

3 討 論

富集系數是用來衡量植物對土壤中重金屬元素累積能力，富集系數越大，則植物對該重金屬的遷移能力越強[23]。轉運系數是衡量植物對重金屬的轉運能力，即植物地上部與地下部重金屬含量的比值[24]。分析各重金屬之間的相關性，可以進一步了解各重金屬之間相互關系及轉移規律[25]。高速路域土壤重金屬污染有相關研究[26]。相關研究表明，高速公路在營運過程中，車輛零部件的老化、磨損掉漆、尾氣排放、輪胎摩擦、機油泄漏等是導致高速路域重金屬污染的主要原因[4,9,27]。SUN CY等[28]研究表明，Zn和Pb為高速路域主要重金屬污染元素；甄宏[29]研究表明，路邊土壤重金屬Zn污染物主要來源于機動車輪胎的磨損。土壤中重金屬Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量均高出了當地環境背景值。阿迪萊等[30]研究表明，土壤中Cu、Pb的平均值分別為新疆土壤背景值的1.50、1.24倍，與研究結果類似。對研究區采用內梅羅綜合污染指數評價，綜合評價指數為1.81，在區間1.0

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[34]，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[35]。研究通過對快速路側不同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，同種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[36]。樹種地下部分重金屬含量高于地上部分。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[37]。通過富集轉運系數計算的，圓冠榆和紅皮云杉對Pb的富集轉運系數均大于1，則該樹種對于重金屬Pb具有超積累性質[38]。樹種對重金屬富集能力不同的根本性原因在于樹種的差異，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[39]。也會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。

樹種對重金屬的富集吸收特性，樹種的種類起到決定性因素，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]。研究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Cu、Pb、Zn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[25]研究表明，高速路旁土壤中Pb、Cr、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關系，與研究一致。樹種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之間有促進作用。探明各重金屬種類之間的相關性，還需相同領域學者進行大量的試驗研究，為重金屬污染提供更好的治理措施。樹種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Cu、Pb、Zn含量具有較強的同源性，土壤重金屬濃度在一定范圍內，對樹種體內相應重金屬含量有促進作用。

4 結 論

4.1根際土壤中Cu、Ni、Pb和Zn含量均值分別為40.27、48.03、29.24和120.77 mg/kg，分別是新疆土壤重金屬環境背景值1.51、1.91、1.53和1.76倍。對研究區采用內梅羅綜合污染指數評價，污染區為輕度污染。

4.2樹種地下部分重金屬含量高于地上部分。樹種對Cu的富集系數為：白蠟>紅皮云杉>圓冠榆>樟子松>白榆；對Ni的富集系數為：紅皮云杉>白榆>樟子松>白蠟>圓冠榆；對Pb的富集系數為：圓冠榆>樟子松>白蠟>紅皮云杉>白榆；對Zn的富集系數為：白蠟>樟子松>紅皮云杉>圓冠榆>白榆。

4.3冠榆、紅皮云杉對Pb的富集系數與轉運系數均大于1，冠榆、紅皮云杉對重金屬Pb具有超富集效應。5種植物對4種重金屬的BTF整體表現為Pb>Ni>Zn>Cu。用隸屬函數法對研究區綠化樹種Cu、Ni、Pb與Zn的轉運能力進行綜合評價，各樹種對重金屬Cu、Ni、Pb與Zn的綜合轉運能力為：圓冠榆>白榆>紅皮云杉>樟子松>白蠟。