城区交通干道绿化带土壤-植物系统汞、砷污染研究

2017-04-01 02:38郭娜董杰张菊鲁长娟邓焕广张梦月王爱静
生态环境学报 2017年1期
关键词:聊城市绿化带危害

郭娜,董杰,张菊,鲁长娟,邓焕广,张梦月,王爱静

聊城大学环境与规划学院,山东 聊城 252059

城区交通干道绿化带土壤-植物系统汞、砷污染研究

郭娜,董杰*,张菊,鲁长娟,邓焕广,张梦月,王爱静

聊城大学环境与规划学院,山东 聊城 252059

为了解城区交通干道土壤-植物系统中汞(Hg)和砷(As)的污染特征,以聊城市为例,在其城区主要交通干道旁绿化带内采集表层土壤样品并同步采集扁竹兰(Iris confusa)、侧柏(Platycladus orientalis)、冬青(Ilex chinensis)、马尼拉草(Zoysia matrella)和石楠(Photinia serrulata)等5种常见绿化植物测定Hg和As含量。采用单因子指数法、综合指数法和潜在生态危害指数法对土壤Hg和As的污染水平及其潜在生态危害进行了评价,并采用富集系数法分析了绿化带植物对土壤中Hg和As的富集能力。结果表明,聊城市绿化带土壤Hg和As质量分数分别在0.17~6.21 mg·kg-1和1.18~12.22 mg·kg-1之间,20%样品Hg含量超过《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)Ⅲ级标准。以山东省土壤背景值为评价标准,Hg表现为严重污染,其潜在生态危害很高,As表现为轻度污染和轻微的生态危害。绿化带植物中Hg和As质量分数分别在0.03~0.72 mg·kg-1和0.06~1.86 mg·kg-1之间,平均值分别为0.25 mg·kg-1和0.55 mg·kg-1;植物体内Hg的富集系数在0.01~2.82之间,平均值表现为:马尼拉草>石楠>扁竹兰>侧柏>冬青;植物体内As的富集系数在0.01~0.65之间,平均值表现为马尼拉草>侧柏>冬青>石楠>扁竹兰。绿化带植物对Hg污染具有一定的修复作用,对As污染不具有修复效果,不同植物中Hg和As的含量以及对Hg和As的生物富集系数均无显著性差异(P>0.05),这可能与植物本身的生理特性、种植时间及绿化带土壤环境条件有关,具体原因有待进一步探讨。

汞;砷;绿化带;污染评价;生物富集;土壤-植物系统

近年来,随着城市土壤污染的加重,城市交通干道绿化带逐渐成为研究的热点。公路绿化带不仅可以美化环境,还可以降低噪声、吸附灰尘、净化空气,因此在城市公路建设实践中,期望通过加强绿化带的阻滞和吸收等效应,限制污染物的扩散,缓解道路污染(王慧等,2010a;李萍等,2011;陈上杰等,2015)。王慧等(2010b)以山西省为例,对绿化带公路附近土壤按距离梯度采样,结果表明公路绿化带对土壤部分重金属污染具有显著防护效应,可将污染限制在50 m范围内;李彩霞等(2016)以长沙市为例,选取交通干道绿化带15种乔木作为研究对象,得出樟树对Cd的生物富集以及转移能力最高,可以作为绿化带优选树种;张磊等(2008)对比分析青岛市5种植物的树茎和树叶,得出树叶对Hg的吸收能力大于树茎;Sawidis et al.(2011)采集了欧洲3个城市中法桐Platanus orientalis和松树的树叶和树皮,测得树皮中重金属富集高于树叶。由此可见,公路绿化带对土壤中重金属污染主要表现在有效降低污染程度和显著缩小污染范围两个方面(Xu,2002)。但是,由于地域环境、道路类型、绿化带结构等因素具有差异性,公路绿化带对路旁土壤重金属污染的防护效应也会有很大差异(王慧等,2010a)。

Hg和As由于具有高毒性、难降解性和生物积累性而被公认为是两种典型的持久性有毒污染物(张菊等,2012;蹇丽等,2016)。其中,Hg污染主要来源于采矿、煤炭燃烧和医疗废弃物等,As污染主要来源于农药和木材防腐剂等(Sarwara et al.,2017),二者不仅是引起土壤污染的重要因素,而且严重威胁人类的身心健康。由于重金属很难被分解和降解,相较于物理、化学修复,越来越多的学者更倾向于植物修复的研究(Sarwara et al.,2017;Ugolini et al.,2013;Hu et al.,2014)。因此,本文以聊城市主要交通干道种植的5种常见植物以及相应表层土壤样品为研究对象,分别对植物及其对应绿化带土壤样品中Hg和As的含量进行测定和分析,并通过植物富集系数揭示公路绿化带中常见植物对土壤重金属污染的防护效应,以期为聊城市未来生态环境建设以及公路绿化带结构优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

于2016年3月在聊城市主要交通干道采集土壤样品及绿化带植物样品,采样点位如图1所示。利用塑料铲刮去土壤表层腐殖质和杂物后采掘约0~10 cm深度的土壤保存于自封袋内,每个采样点采集多个土壤样品,用“四分法”混合成1个土壤样品,总共41个土壤样品。所有植物样品均安排在3月中旬生长期采集,所采集的植物包括扁竹兰(Iris confusa)、侧柏(Platycladus orientalis)、冬青(Ilex chinensis)、马尼拉草(Zoysia matrella)和石楠(Photinia serrulata),每种植物分别在绿化带外侧、中部以及内侧各采集3株100 g左右的植被茎叶,保存于自封袋中,同时做好标记以便与土壤样品采样点位一致。由于每个点位植被分布状况不同,故所采集的植物样品数量有所差异,其中扁竹兰11个,侧柏22个,冬青20个,马尼拉草6个,石楠11个。每一采样点均用GPS定位,并记录周围环境信息。所采集的土壤样品自然风干后过100目筛后装入自封袋,置于背阴环境下保存;绿化植物样品用超纯水洗净风干后,用DFT-50手提式高速万能粉粹机将样品粉碎后保存于自封袋中,用于Hg和As的测定。

图1 采样点图Fig. 1 Distribution of sampling sites in the urban area of Liaocheng City, Shangdong Province

1.2 样品消解和测定

土壤pH值采用pH计法(水土比为5∶1)测定(中国林业科学研究所森林土壤研究室,1999a)。TOC采用重铬酸钾-外加热法测定(中国林业科学研究所森林土壤研究室,1999b)。土壤和植物样品经王水消解过夜后进行水浴加热,冷却后取上清液上机测Hg;取上清液加入抗坏血酸-硫脲还原后上机测定As(陈彦芳等,2014;朱溪桥等,2014);测定仪器均为AFS-933型原子荧光光谱仪(北京吉天公司)。

1.3 评价方法

以山东省土壤背景值(中国环境监测总站,1990)作为评价标准,分别采用单因子指数法、综合指数法和潜在生态危害指数法对聊城市绿化带土壤Hg和As的污染水平及其潜在生态危害进行评价。

单因子指数法的计算公式为:

其中,Ci表示重金属i的实测值,Si表示重金属i的标准值。Pi≤1表示未污染,1<Pi≤2表示轻污染,2<Pi≤3表示中污染,Pi>3表示重污染。

综合指数法即内梅罗指数法,计算公式为:

P≤1表示未污染,1<P≤2表示轻度污染,2<P≤3表示中度污染,P>3表示重度污染。

潜在生态危害指数法的计算公式为:

式中,Ti为单一重金属的毒性系数,汞与砷的毒性系数分别为40和10(徐争启等,2008)。其分级标准为:Ei≤40生态危害轻微;40<Ei≤80生态危害中等;80<Ei≤160生态危害较高;160<Ei≤320生态危害高;Ei>320生态危害很高。

1.4 数据处理

数据采用Office 2016进行整理,SPSS 18.0进行统计分析,ArcGIS 10.2和Origin 2015进行绘图。

2 结果与讨论

2.1 城区绿化带土壤重金属质量分数及评价

表1所示为山东省聊城市城区绿化带土壤重金属质量分数,与《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)Ⅲ级标准相比,绿化带土壤中Hg的超标率为20%,As均达标。pH在7.48~9.39之间,为偏碱性,其中2.5%的土壤样品呈现中性(6.5<pH<7.5),72.5%呈现弱碱性(7.5<pH<8.5),25%呈现强碱性(pH>8.5),这与聊城土壤成土母质有关(聊城地区土壤肥料工作站,1990)。Pearson相关分析结果表明,Hg、As与TOC、pH均无显著相关性(P>0.05),仅TOC与pH呈显著负相关关系(r=-0.395,P<0.05)。变异系数(CV,Coefficient of variation)反映变异的程度,根据Wilding(1985)对变异程度的分类,pH为小变异(CV<15%),As为中等变异(15%<CV<36%),TOC与Hg均为高度变异(CV>36%),可见绿化带土壤中TOC与Hg的含量差异性较大。与聊城市土壤重金属质量分数相比(表1),绿化带土壤中Hg的质量分数为聊城市土壤背景值的33.5倍,而As的质量分数小于聊城市土壤背景值。

表1 城区绿化带土壤重金属质量分数Table 1 Mass fraction of heavy metals in soil of urban green belt

聊城市土壤Hg和As的平均单因子指数范围分别为9.19~326.64和0.13~1.31,平均值分别为70.32和0.95,Hg表现为重度污染,As表现为未污染;综合指数值分别为230.97和0.93,Hg表现为严重污染,As表现为轻度污染;潜在生态危害指数分别为2812.64和9.46,Hg表现为较高污染生态危害,As表现为轻微生态危害。由以上分析可知,单因子指数、综合指数以及潜在生态危害指数具有较好一致性,聊城市绿化带土壤As污染较轻,而Hg污染严重。与部分城市表层土壤中Hg含量相比(表2),聊城城区绿化带表层土壤中Hg含量的平均值远大于其他城市,这可能与绿化带土壤受汽车交通尾气污染及城市垃圾的影响有关。

表2 聊城城区绿化带土壤与其他城市表层土壤Hg质量分数比较Table 2 Comparison of Hg mass fraction in the green belt soil in urban area of Liaocheng city and surface soil in other cities in China

2.2 绿化植物含量水平与富集能力

图2 绿化带植物体内Hg和As质量分数Fig. 2 Mass fraction of Hg and As in green belt plants

图2所示为聊城市绿化带5种常见植物中Hg和As的质量分数。由图可知,Hg在5种绿化植物中的质量分数表现为石楠(0.34 mg·kg-1)>马尼拉草、扁竹兰(0.31 mg·kg-1)>侧柏(0.21 mg·kg-1)>冬青(0.18 mg·kg-1);As表现为马尼拉草(0.75 mg·kg-1)>冬青(0.56 mg·kg-1)>侧柏(0.53 mg·kg-1)>石楠(0.51 mg·kg-1)>扁竹兰(0.46 mg·kg-1)。其中,Hg质量分数最大值(扁竹兰,0.72 mg·kg-1)与As质量分数最大值(侧柏,1.86 mg·kg-1)均出现在聊城主干道东昌路主干道上。各绿化植物体内Hg、As质量分数的空间变异较大(CV>36%),说明不同采样点绿化植物重金属含量的差异较大,这不仅与植物本身生理特性有关,也与植物种植时间长短与土壤重金属含量水平有关。然而,方差检验(ANOVA)结果表明,5种植物中Hg和As的质量分数均无显著性差异(P>0.05)。

生物富集系数(bioaccumulation factor,BCF)反映植物富集土壤重金属的能力,其计算公式为:

式中,Cp为植物地上部分重金属质量分数,Cs为土壤中重金属质量分数。富集系数越大,其富集能力越强(李彩霞等,2016)。聊城市5种绿化带植物对Hg和As的富集系数如图3所示。植物体内Hg的富集系数值在0.01~2.82之间,平均值表现为马尼拉草(0.85)>石楠(0.62)>扁竹兰(0.47)>侧柏(0.29)>冬青(0.28);As的BCF值在0.01~0.65之间,平均值表现为马尼拉草(0.15)>侧柏(0.09)>冬青(0.07)>石楠(0.06)>扁竹兰(0.05)。5种植物Hg的BCF均大于As,Hg和As的BCF平均值均小于1,但是5种植物对Hg的BCF均有大于1的情况出现,具体表现为石楠(18.2%)>马尼拉草(16.7%)>冬青(10%)>扁竹兰(9.1%)>侧柏(4.5%),其中,马尼拉草对Hg的BCF最大值达到2.82。有研究表明(高静湉等,2016),当植物对重金属的富集系数大于1时,表明该植物对重金属污染具有修复作用。相关分析表明,植物中Hg和As的含量与表层土壤中Hg和As的含量不存在显著相关性(P>0.05),不同植物的Hg和As的BCF亦不存在显著性差异(P>0.05),因此,本研究中5种绿化带植物对Hg污染具有一定的修复作用,但效果不明显;对As污染不具有修复效果。樊佳奇等(2016)指出,由于植物本身的特性,不同植物或同种植物不同器官对重金属的吸收与转移能力不尽相同;Sawidis et al.(2011)也指出,植物体对重金属元素的生物富集量主要取决于植物体根部吸收量、植物叶片和杆茎的积累量。因此,园林植物对重金属的吸收富集规律一般表现为乔木>灌木>草本,这也是研究者更多关注于乔木而对于本研究所涉及的这几类植物研究较少的原因。本研究仅对植物地上部分中Hg和As的含量进行了分析,未对植物根系的吸收作用进行研究,还需在今后的研究中对灌木以及草本植物的重金属富集作用作进一步探讨。

图3 绿化带植物对Hg和As的生物富集系数(BCF)Fig. 3 Bioaccumulation factor (BCF) of Hg and As of the green belt plants

3 结论

(1)聊城市绿化带土壤Hg和As质量质量分别在0.17~6.21 mg·kg-1和1.18~12.22 mg·kg-1之间,平均值分别为1.34 mg·kg-1和8.80 mg·kg-1;与土壤Ⅲ级标准(GB15618—1995)相比较,Hg有20%样品超标,As表现为全部达标;pH在7.48~9.39之间,表现为偏碱性。

(2)以山东省土壤背景值为评价标准,结果显示聊城市绿化带土壤As表现为未污染,具有轻度危害,土壤Hg全部表现为重度污染,生态危害很高,因此聊城市管理部门必须对绿化带内Hg污染加以重视。

(3)5种绿化带植物对Hg的生物富集系数(BCF)均大于As,不同植物对Hg和As的生物富集系数无显著性差异(P>0.05);绿化带植物对Hg污染具有一定的修复作用,但效果不明显,对As污染不具有修复效果,还需对绿化带草本和灌木植物对重金属的修复作用作进一步探讨。

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Study on Mercury and Arsenic Pollution of Soil-Plant System in Urban Main Road Green Belt

GUO Na, DONG Jie, ZHANG Ju, LU Changjuan, DENG Huanguang, ZHANG Mengyue, WANG Aijing

School of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China

In order to understand the mercury (Hg) and arsenic (As) pollution characteristics of soil-plant system in urban main traffic road, samples of surface soil and five common green plants including Iris confusa, Platycladus orientalis, Ilex chinensis, Zoysia matrella and Photinia serrulata were collected in the green belt of Liaocheng urban main roads to determine the concentrations of Hg and As. Using the soil background concentrations in Shandong Province as standards, single factor index, comprehensive index and potential ecological risk index methods were applied to assess the degree and risk of Hg and As contamination, and bioaccumulation factor (BCF) was calculated to analyze the enrichment capability of green belt plants for Hg and As in soil. The results showed that the Hg and As mass fraction in green belt soil were 0.17~6.21 mg·kg-1and 1.18~12.22 mg·kg-1respectively. Hg mass fraction in 20% of the sampling sites were higher than the class Ⅲ limit value of environmental quality standard for soils in China ( GB15618—1995) . Hg pollution in the green belt soil was very severe and posed very high potential ecological risk, while As pollution was slight and its ecological risk was low. The mass fraction of Hg in the green plants were 0.03~0.72 mg·kg-1with an average of 0.25 mg·kg-1, and 0.06~1.86 mg·kg-1with an average of 0.55 mg·kg-1for As. The mercury bioaccumulation factors of green plants were between 0.01 and 2.82, and the average values of green plants descended as follows: Zoysia matrella>Photinia serrulata>Iris confusa>Platycladus orientalis>Ilex chinensis. The arsenic bioaccumulation factors were between 0.01 and 0.65, and the average values were in the order of Zoysia matrella>Platycladus orientalis>Ilex chinensis>Photinia serrulata>Iris confusa. Green plants showed bioaccumulation of Hg from soil in some sampling sites but not for As. There were no significant differences (P>0.05) in the concentrations of Hg and As between different types of plants, and were neither in their bioaccumulation factors, which might be related to the plant physiological characteristics, planting time and the physicochemical properties of green belt soil. The effect of herb and shrub plants in green belt on remediation of heavy metals still needs to be further studied.

mercury; arsenic; green belt; pollution assessment; bioaccumulation; soil-plant system

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.025

X17

A

1674-5906(2017)01-0166-05

郭娜, 董杰, 张菊, 鲁长娟, 邓焕广, 张梦月, 王爱静. 2017. 城区交通干道绿化带土壤-植物系统汞、砷污染研究[J].生态环境学报, 26(1): 166-170.

GUO Na, DONG Jie, ZHANG Ju, LU Changjuan, DENG Huanguang, ZHANG Mengyue, WANG Aijing. 2017. Study on mercury and arsenic pollution of soil-plant system in urban main road green belt [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 166-170.

国家自然科学基金项目(41401563;31272383);山东省自然科学基金项目(ZR2014JL028;ZR2013DM012);聊城大学创业创新项目(CXCY2016070;CXCY2016066);聊城大学大学生科技文化创新基金项目(26312161005)

郭娜(1992年生),女,硕士研究生,研究方向为水环境与水资源。E-mail:860672793@qq.com *通信作者:董杰(1965年生),男,教授,博士,研究方向为自然资源和环境。E-mail: lcdongjie@sina.com

2016-11-16

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