雷公山自然保护区亚高山灌丛植物叶片重金属元素含量

龙大海，罗绪强*，张桂玲，阮英慧，李 仪，马其义，冯 静

(1. 贵州师范学院 地理与旅游学院，贵州 贵阳 550018； 2. 贵阳学院 化学与材料科学学院，贵州 贵阳 550005)

雷公山自然保护区亚高山灌丛植物叶片重金属元素含量

龙大海1，罗绪强1*，张桂玲2，阮英慧1，李 仪1，马其义1，冯 静1

(1. 贵州师范学院 地理与旅游学院，贵州 贵阳 550018； 2. 贵阳学院 化学与材料科学学院，贵州 贵阳 550005)

为探讨自然保护区亚高山灌丛植物重金属含量状况，以雷公山自然保护区亚高山灌丛植物刺叶冬青(IlexbioritsensisHayata)等为研究对象，对其叶片重金属元素Fe、Mn、Zn、Ni、Cd、Pb进行了测定分析。结果表明：含量>100 mg·kg-1的元素有Fe、Mn和Zn，10～50 mg·kg-1的元素有 Pb，<10 mg·kg-1的元素有Cd和Ni。Mn、Zn、Cd、Ni含量变异程度较大，Fe、Pb相对稳定，有害元素Cd、Pb含量均以粗榧(Caphalotaxussinensis(Rehderet EH. Wilson)H.L.Li)最高。Fe与Mn和Mn与Cd的来源相似且在植物吸收中具有一定的协同效应。Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni含量均高于正常植物有毒浓度界限值的上限，Ni、Pb含量甚至超出了世界陆生维管植物对应元素含量范围的最大值。该地区植物存在着受重金属Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni毒害的潜在风险。

自然保护区；雷公山；亚高山灌丛；植物叶片；重金属

植物叶片由于具备较大的叶表面积以及表面蜡层，是空气中重金属极好的接收体和收集器[1]。吸附在叶片表面的重金属元素可以通过气孔或受损伤的部位进入叶片内部被植物吸收[2]。相关研究表明，植物叶片中的重金属元素主要从大气中吸收，重金属在植物叶片中的含量与大气粉尘中重金属污染程度呈正比[3]，植物叶片重金属含量一定程度上反映了大气重金属污染的程度[4，5]。

近年来，随着世界范围的城市化进程加快、工业生产和交通运输业的迅速发展，人为排放到大气中的有毒有害物质日趋增加，大气中含大量重金属颗粒物的干、湿沉降已成为森林生态系统重金属污染的主要来源之一[6，7]。森林生态系统植物叶片重金属元素含量，可诊断环境污染对森林健康的影响[8，9]，也可用来评价森林遭受大气污染的胁迫程度[10]，指示城市环境污染水平等[11]。本研究以雷公山自然保护区亚高山灌丛7种常见植物为研究对象，对其叶片Fe、Mn、Zn、Ni、Cd、Pb等 6 种重金属元素进行了测定分析，以期为该自然保护区亚高山灌丛植物重金属污染防治和资源保护提供科学依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1研究区概况

雷公山国家级自然保护区位于贵州省东南部黔东南州境内，地理坐标108°5′～108°24′E、26°15′～26°32′N，是长江水系与珠江水系的分水岭、清水江和都柳江主要支流的发源地。保护区北起台江县的南刀寨，南至雷山县的开屯、高岳山，西抵雷山乌尧、乌东、猫鼻岭一线，东达台江县乌迷寨、剑河县大坪山、榕江县小丹江一线，南北长约30 km、东西宽约15 km，总面积47 300 hm2，是一个典型的山地环境，区内山势高耸，垂直差异明显，最高峰雷公山海拔2 178.8 m；最低处小丹江谷地海拔 650 m。该区属中亚热带季风山地湿润气候区，具有冬无严寒、夏无酷暑、雨量充沛等气候特点。年平均气温为14.3℃，7月份平均气温23.5℃，1月份平均气温3.6℃，≥10℃积温4 110℃，≥10℃天数约197 d，凝冻日约20 d；年降雨量1 300～1 600 mm，主要集中在4～9 月，约占全年降雨总量的80%。

保护区大地构造位于扬子准地台的二级构造单元“江南台隆”的“雪峰迭台拱”剑河-从江穹褶皱带。主要基底构造层形成于雪峰期，岩性主要为灰色板岩、粉砂质板岩、夹变余砂岩和变余凝灰岩。下部有千枚状钙质板岩和团块状大理岩，中上部有大量复理石韵律发育良好的凝灰岩，出露岩层为板溪群浅变质绢云母板岩及变质砂岩类，是典型的非喀斯特地区[12]。土壤母质主要由粉沙质板岩风化而成，山地土壤垂直带明显，自山麓至山顶分布有黄壤、黄棕壤和灌丛草甸土。土壤呈酸性，土层深厚、土质疏松、质地良好，土体湿润，土壤有机质含量达5%以上[13]。

由于其独特的地理位置、气候条件、土壤以及地质因素，保护区森林资源丰富，共有高等植物2 582种[14]。植被属地带性植被，垂直分带明显，在海拔1 350 m以下为常绿阔叶林带，以栲属(Castanopsis)、石砾(Lithocarpusglaber)、木莲(Manglietiafordiana)和木荷(Schimasuperba)为优势；在海拔1 350～2 100 m为山地常绿与落叶阔叶混交林，主要树种有水青冈(Faguslongipetiolata)、亮叶水青冈(Faguslucida)和多脉青冈(Cyclobalanopsismultinervis)等；在海拔2 100 m以上是亚高山灌丛，以杜鹃花属(Rhododendron)和箭竹(Fargesia)为主。森林覆盖率85%以上，较好地保存了中亚热带森林生态系统的原始面貌[13，15，16]。

1.2样品采集

在自然保护区雷公山顶部(海拔 2 140～2 178 m)亚高山灌丛中选取频繁出现的刺叶冬青(IlexbioritsensisHayata)、粗榧(Cephalotaxussinensis(Rehder et E. H. Wilson) H. L. Li)、鲜黄小檗(BerberisdiaphanaMaxin.)、十大功劳(Mahoniafortunei(Lindl.) Fedde)、小叶女贞(LigustrumquihouiCarr.)、箭竹(FargesiaspathaceaFranch.)、红果树(StranvaesiadavidianaDcne.)等 7 种植物为研究对象。采集样品时，每种植物选择 3 株成熟、健康、长势(株高、茎粗、叶子的大小与疏密程度等)基本一致的植株，采集中上层东、南、西、北四个方向的成熟叶片(不包括叶柄)，同种植物不同方位叶片混合成一个样装入干净透气信封。叶片带回实验室后，用自来水充分冲洗以去除粘附的泥土和污物，再用去离子水冲洗干净，放入烘箱中 105℃ 杀青，再于 70℃ 左右烘干至恒重，烘干后的样品用不锈钢植物粉碎机粉碎，过筛(筛孔直径 0.149 mm)，样品封存于密封袋内干燥保存，备用。

1.3测定方法

待测样品经混合酸(HNO3-HF)消解后，用电感耦合等离子体发射光谱仪(Vista MPX 2000，Varian Inc. Palo Alto，State of California，USA)测定Fe、Mn、Zn、Ni含量，用原子吸收分光光谱仪(PE-5100-PC AAS，Perkin Elmer Inc. Waltham，Massachusetts，USA)测定 Cd、Pb 含量。以植物成分分析标准物质 GBW07604(GSV-3)杨树叶作质量控制，标样元素含量测定结果均在标准值范围内。各项测定值均为植物干物质的元素总量。

1.4数据处理

采用 Microsoft Excel 2010、IBM SPSS Statistics 19 软件对实验数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1植物叶片重金属含量水平

从表1可以看出，雷公山亚高山灌丛植物叶片重金属元素Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni 中，平均值在100 mg·kg-1以上的元素有 Fe、Mn和Zn，在10～50 mg·kg-1间的元素有Pb，在 10 mg·kg-1以下的元素有Cd和Ni；各元素平均含量从高到低的顺序依次为Mn>Fe>Zn>Pb>Ni>Cd。Pb、Ni含量均超出了世界陆生维管植物对应元素含量范围(Fe：2～700 mg·kg-1，Mn：0.3～1 000 mg·kg-1，Zn：1～400 mg·kg-1，Cd：0.02～2.4 mg·kg-1，Pb：0.9～20 mg·kg-1，Ni：0.02～5 mg·kg-1)的最大值[17]。

研究区植物叶片中的Fe、Mn、Zn、Ni含量均高于已报道的陆生高等植物所需元素的合适组织浓度平均值(Fe：100 mg·kg-1，Mn：50 mg·kg-1，Zn：20 mg·kg-1，Ni：0.1 mg·kg-1)[18]，其中，Ni高出已报道值83.2倍，Mn高出7.4倍，Zn高出6.4倍，Fe高出2.7倍。Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni含量均高于正常植物有毒浓度界限值(Fe：10～200 mg·kg-1，Mn：1～100 mg·kg-1，Zn：10～50 mg·kg-1，Cd：0.1～0.5 mg·kg-1，Ni：1～5 mg·kg-1，Pb：1～15 mg·kg-1)的上限[17，19]。受大气污染加剧和酸性土壤背景的综合影响，根据植物体内元素含量与中毒效应之间的关系[18-20]，该地区植物存在着受重金属Cd、Pb、Fe、Mn、Zn、Ni毒害的潜在风险。

2.2植物叶片重金属含量分布及变异特征

从表1中各元素的偏度和峰度值可以看出，研究区植物叶片Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni含量均为正偏态分布。从变异系数来看，从大到小的顺序依次为Cd>Mn>Zn>Ni>Fe>Pb，其中，仅Fe和Pb的变异系数小于50%。从元素含量的最大值与最小值之比来看，表现为Mn>Cd>Ni>Zn>Pb>Fe，仅Pb、Fe最大值与最小值之比小于5倍。可见，研究区植物叶片Mn、Zn、Cd、Ni四种元素含量的变异程度相对较大，这与不同物种对这些元素的选择吸收能力差异较大有关，有的物种富集这些元素，而有的物种排斥这些元素；Fe、Pb最大值与最小值之比以及变异系数都是相对较小的，说明其含量相对稳定。

表1 雷公山亚高山灌丛植物叶片重金属元素含量(mg·kg-1，n=7)Tab.1 The heavy metal contents in leaves of subalpine shrub plants in Leigong Mountain (mg·kg-1， n=7)

表2 雷公山亚高山灌丛7种植物叶片重金属元素含量(mg·kg-1，干重)Tab.2 Concentrations of heavy metalof 7 plant species leaves in subalpine shrubof Leigong Mountain (mg·kg-1， DW)

表3 雷公山亚高山灌丛植物叶片重金属元素间的皮尔逊相关系数Tab.3 Pearson correlation coefficientsof heavy metals in leaves of 7 subalpineshrub plants in Leigong mountain

注：*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关，**表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关。

2.3不同种植物的重金属含量特征

由于不同种类的植物对重金属的吸收与抗性不同，加之植物叶片的结构及叶细胞生理生化特性的差异，使不同种类植物叶片的重金属元素含量有着很大的差别[3，21]。从表2可以看出，研究区植物叶片重金属含量除小叶女贞和红果树均表现出 Fe>Zn>Mn>Pb>Ni>Cd的分配模式外，其余各植物重金属分配模式均不相同。有害元素Cd、Pb均以粗榧含量最高，必需元素中的Fe、Mn也以粗榧含量最高，而Zn、Ni最高含量则在刺叶冬青和箭竹中体现。

2.4植物各重金属元素的相关性

从表3可以看出，Fe与Mn之间具有显著正相关关系(P<0.05)，Mn与Cd之间具有极显著正相关关系(P<0.01)。这一方面说明研究区Fe与Mn和Mn与Cd的来源相似，另一方面说明刺叶冬青、粗榧、鲜黄小檗、红果树等7种植物对此两组元素的吸收具有一定的协同效应[22，23]。

3 结 论

雷公山亚高山灌丛植物叶片中的Fe、Mn、Zn、Ni 含量均高于已报道的陆生高等植物所需元素的合适组织浓度平均值，Ni、Pb含量甚至超出了世界陆生维管植物对应元素含量范围的最大值。该地区植物存在着受重金属Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni毒害的潜在风险。

研究区植物叶片Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni 含量均为正偏态分布，Mn、Zn、Cd、Ni变异程度较大，Fe、Pb相对稳定。小叶女贞和红果树叶片重金属含量均表现出 Fe>Zn>Mn>Pb>Ni>Cd的分配模式，有害元素Cd、Pb均以粗榧含量最高。Fe与Mn和Mn与Cd的来源相似且在刺叶冬青等7种植物吸收中具有一定的协同效应。

[1] 庄树宏，王克明.城市大气重金属(Pb、Cd、Cu、Zn)污染及其在植物中的富积[J].烟台大学学报，2001，13(1)：31-37.

[2] 王丹丹，孙 峰，周春玲，等.城市道路植物圆柏叶片重金属含量及其与滞尘的关系[J].生态环境学报，2012，21(5)：947-951.

[3] 任乃林，陈炜彬，黄俊生，等.用植物叶片重金属元素的含量指示大气环境污染的研究[J].广东微量元素科学，2004，11(10)：41-45.

[4] 马跃良，贾桂梅，王云鹏，等.广州市区植物叶片重金属元素含量及其大气污染评价[J].城市环境与城市生态，2001，14(6)：28-30.

[5] Aceto M，Abollino O，Cvonca R，etal.The use of mosses as environmental metal pollution indicators[J].Chemosphere，2003(50)：333-352.

[6] 曾 锋，张金池.重金属在森林生态系统中的迁移规律研究进展[J].世界林业研究，2001，14(2)：16-22.

[7] 游秀花，聂丽华，杨桂娣.森林生态系统植物重金属(Cu、Zn、Cd)污染研究进展[J].福建林业科技，2005，32(3)：154-159.

[8] Percy K E，Ferretti M.Air pollution and forest health：toward new monitoring concepts[J].EnvironmentalPollution，2004，130(1)：113-126.

[9] 旷远文，温达志，闫俊华，等.贵州普定喀斯特森林3种优势树种叶片元素含量特征[J].应用与环境生物学报，2010，16(2)：158-163.

[10] Yilmaz S，Zengin M.Monitoring environmental pollution in Erzurum by chemical analysis of Scots pine (PinussylvestrisL.) needles[J].EnvironmentInternational，2004，29(8)： 1041-1047.

[11] Alfani A，Baldantoni D，Maisto G，etal.Temporal and spatial variation in C， N， S and trace element contents in the leaves of Quercus ilex within the urban area of Naples[J].EnvironmentalPollution，2000，109(1)：119-129.

[12] 敖子强，瞿丽雅，林文杰，等.贵州鹿冲关和雷公山酸雨化学特征的对比研究[J].中国岩溶，2007，26(1)：61-66.

[13] 何建敏，王震洪.雷公山灌木林群落结构及其优势种种群特征关系研究[J].广东农业科学，2014，41(6)：178-182.

[14] 赵富伟，姚 瑶，唐秀俊，等.贵州雷公山地区苗族的酒曲植物[J].植物分类与资源学报，2014，36(2)：261-266.

[15] 陈志阳，杨 宁，姚先铭，等.贵州雷公山秃杉种群生活史特征与空间分布格局[J].生态学报，2012，32(7)：2158-2165.

[16] 王 英， 吴昌鞠， 潘成坤. 贵州雷公山自然保护区现状及可持续发展研究[J]. 凯里学院学报， 2016， 34(6)： 130-131.

[17] 鲍 恩.元素的环境化学[M].崔仙舟，王中柱译.北京：科学出版社，1986：71-207.

[18] 泰 兹.植物生理学[M].宋纯鹏，王学路译.北京：科学出版社(第4版)， 2009：60-75.

[19] 埃塞林顿.环境和植物生态学[M].曲仲湘，陈昌笃译.北京：科学出版社，1989：170-214， 276.

[20] Davies B E.Applied soil trace elements[M].Chichester：John Wiley & Sons，1980.

[21] 梁鸿霞，翟通德，陈中兰，等.南充市区绿化植物叶片重金属元素含量及其大气污染评价[J].西华师范大学学报(自然科学版)，2006，27(4)：435-438.

[22] 梁 鹏，杨永奎，何 磊，等.贡嘎山原始森林区苔藓植物重金属含量及其对汞的吸附特征[J].应用生态学报，2008，19(6)：1191-1196.

[23] 秦越华，强承魁，曹 丹，等.徐州市典型稻区土壤和稻米重金属含量及健康风险评价[J].生态环境学报，2016，25(9)：1546-1554.

HeavyMetalContentsinLeavesofSubalpineShrubPlantsinLeigongMountain

LONGDa-hai1，LUOXu-qiang1*，ZHANGGui-ling2，RUANYing-hui1，LIYi1，MAQi-yi1，FENGJing1

(1.SchoolofGeographyandTourism，GuizhouEducationUniversity，Guiyang，Guizhou550018，China； 2.CollegeofChemistryandMaterialsEngineering，GuiyangUniversity，Guiyang，Guizhou550005，China)

To investigate the characteristics of heavy metal contents of subalpine shrub plant in nature reserve， six kinds of elements ( Fe、Mn、Zn、Ni、Cd、Pb ) in the leaves of subalpine shrub plants in Leigong Mountain were measured respectively. The results showed that the contents of Fe， Mn and Zn are greater than 100 mg·kg-1， the contents of Pb vary between 10 and 50 mg·kg-1， and those of Cd and Ni are lower than 10 mg·kg-1. The contents of elements in leaves of subalpine shrub plants， including Mn， Zn， Cd and Ni had more variation than Fe and Pb. The contents of harmful elements Cd and Pb in theCephalotaxussinensis(Rehder et E. H. Wilson) H. L. Li were higher than in others plants. Fe-Mn and Mn-Cd had similar source and performed synergy effects when absorbed by plant in this research area. The contents of Fe， Mn， Zn， Cd， Pb and Ni were more than the poisoning level of plants， Ni and Pb contents even more than the scope of the average level of land vascular plants in the world. Plants in Leigong Mountain have the potential risk of Fe， Mn， Zn， Cd， Pb and Ni poisoning.

Nature reserve； Leigong Mountain； subalpine shrub； plant leaves； heavy metal

2017-06-06；

2017-09-18

国家自然科学基金资助项目(41563007)；贵州省优秀青年科技人才培养对象专项资金资助项目(黔科合人字[2015]21号)；贵州省优秀科技教育人才省长资金资助项目(黔省专合字[2012]80号)；贵州省高层次创新型人才资金资助项目(黔人领发[2015]3号)；贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2014]2138号)；贵州省高层次人才科研条件特助经费项目(TZJF2010年065号)。

*

罗绪强(1976-)，男，博士，教授，主要研究方向：生态环境地球化学；E-mail： xuqiangluo@163.com。

Q945.14；Q948.11

A

1008-0457(2017)05-0053-05国际DOI编码10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.05.009