红皮云杉不同器官对重金属元素Pb、Cd和Cr的累积特征

刘 丽，阿丽亚·拜都热拉，张纯曦，胡梦玲

(新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】重金属污染问题对环境质量、食品安全、及社会经济可持续发展构成严重威胁和挑战[1-2]。自20世纪50年代开始，有发生在日本的重金属Cd污染，以及近几年发生在我国湖南安化的Cd污染、河南商丘的Cd和As污染[3]。对重金属进行深入研究，具有重要的理论和实践意义。【前人研究进展】绿化树种能有效且经济的实现重金属的修复，其绿化覆盖面积大、绿化空间辐射占有量大，对重金属有一定的富集、吸收、转化和降解作用，有效吸收重金属，并稳固在树木体内，防止重金属造成再次污染[4-5]。绿化树木是城市区域的主要植物类型，在重金属防治方面发挥着重要作用，不仅能通过各器官吸附空气中的重金属，还能通过植物根系根吸收土壤中的重金属，从而对土壤和大气中的重金属污染起到净化作用[6]。绿化树木是城市区域的主要植物类型，其辨识度高、生命周期长，在重金属元素监测方面发挥着重要作用，同时树木各器官可以吸收、吸附空气中的重金属元素，具有净化作用[7]。【本研究切入点】目前有关城市绿化树种重金属元素富集特征的研究大部分集中在阔叶树种，而关于专门针对针叶树种的研究还比较少。研究红皮云杉不同器官对重金属元素Pb、Cd和Cr的累积特征。【拟解决的关键问题】研究红皮云杉对重金属元素Cr、Pb和Cd的吸收能力，测定快速路旁(污染点)和学校(对照点)红皮云杉树叶、树枝、树皮和树根的Cr、Pb、Cd含量，分析红皮云杉各器官中Cr、Pb和Cd的累积量、污染指数以及它们的分布比例，研究红皮云杉各器官对重金属元素Cr、Pb和Cd的吸收和累积规律，为研究红皮云杉对重金属元素的累积机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

在乌鲁木齐分别选择快速路旁(污染点)和学校(对照点)作为样点，乌鲁木齐卫星地图来源于百度地图。污染点为郊区京新高速公路旁(47.734N，87.591E)，对照点为新疆农业大学(43.813N，87.566E),该点位于校内，车辆稀少、绿化率高，附近无大气污染源，空气相对清洁。研究区属于温带大陆性干旱气候，春秋两季较短、冬夏两季较长，昼夜温差变化大。气温1、2月最低，极端最低温为-30℃，平均气温为3～4℃，7、8月最高，极端最高温为36.8℃，平均气温约为25.7℃。年降雨量120～180 mm,雨季集中在6～8月，年蒸发量2 000～3 000 mm，降水量远远小于蒸发量。采样时周围的温度14.2℃，湿度27RH,风向为东北风，双向车流量为50辆/min。图1

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

研究于2019年4月，在乌鲁木齐京新高速公路旁和新疆农业大学设置采样点。在距离高速路10 m(采样点1)、15 m(采样点2)和20 m(采样点3)处设置3个采样点，每个采样点选取3棵树，共计9棵树，用皮尺和超声波测高器分别测量3个采样点红皮云衫的胸径和树高。在采样点选择长势较为一致的红皮云衫，分别在1.5 m处靠近快速路一侧和背对快速路一侧2个方向采集红皮云衫树叶和树枝，在1.5 m处东、西、南、北4个方向采集红皮云衫树皮，并混匀作为一个样品，在树冠垂直投影2/3处4个方向采集红皮云杉树根，采取植物根部时注意不损伤根毛部位，尽可能保持根系完整，并混匀作为一个样品，同时在各个采样点红皮云衫根系周围采集土壤(0～20 cm)样品,分别装入自封袋并做好标记。用相同的方法在农大学校进行采样。表1，表2

图1 采样点示意Fig.1 The sketch map of sample point

表1 红皮云杉生长情况Table 1 The growth situation of Picea koraiensis in different distances

表2 不同采样点土壤重金属元素含量Table 2 Heavy metal element concentration in different sample points

1.2.2 样品测试1.2.2.1 植物样品处理

将所采集的植物样品先用自来水冲洗3次，再用超纯水冲洗3次，放通风处自然晾干后放入恒温箱，烘干后粉碎，并过100目筛。称取0.15 g样品置于酸煮洗净的消煮管中，加入5 mL HN03,置于通风橱中过夜预消解，放入消解炉中进行消煮，消煮1 h后冷却0.5 h加入3 mL HCIO4继续消煮3 h。消煮结束后，待样品冷却至常温，将样品在消煮管中定容至50 mL并转移到酸煮洗净的PET塑料瓶中。通过电感耦合等离子体发射光谱仪测定重金属元素浓度。

1.2.2.2 土壤样品处理

去除土壤中的异物后，自然风干，磨碎并过100目筛。称取土壤样品0.1 g置于酸煮洗净的消煮管中，用水润湿后加入5 mL HCl，放入消解炉中加热，当蒸发至2～3 mL时，取下稍冷，然后加入5 mL HN03，2 mL HCIO4，放入消煮炉中加热3 h。消煮结束后，待样品冷却至常温，将样品在消煮管中定容至50 mL并转移到酸煮洗净的PET塑料瓶中。通过电感耦合等离子体发射光谱仪测定重金属元素浓度。

1.2.3 累积量和污染指数计算

累积量及污染指数计算公式参照王爱霞等[8]的研究成果。

1.2.3.1 累计量

CN=PC-CK.

(1)

式中，CN为累积量；PC为污染点某器官中某元素的含量；CK为对照点该器官同元素的含量

1.2.3.2 污染指数：

(2)

式中，PI为污染指数，CN为某器官中某元素的累积量,CK为对照点该器官同元素的含量

1.3 数据处理

运用Excel 2013进行数据处理，运用SPSS19.0对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同采样点红皮云杉各器官重金属含量比较

研究表明，重金属含量在红皮云杉中因器官、元素种类不同而存在差异，各元素含量大小顺序为Cr>Pb>Cd，总体上各器官中树皮重金属含量较高，树叶和树根次之，树枝中则普遍较低，其中Pb和Cr在树皮中含量较高，Cd在树根中含量较高。

不同采样点红皮云杉相同器官对同一元素的吸收存在差异，各器官重金属含量在不同采样点间差异显著(P<0.05)；Pb在各器官中含量因采样点不同存在显著差异(P<0.05)，其中污染点面对快速路和背对快速路树叶Pb含量分别是对照点相应器官的5、11.17倍；Cd在各器官中含量因采样点不同存在显著差异(P<0.05)，其中污染点面对快速路和背对快速路树枝Cd含量分别是对照点相应器官的38.64、23.08倍; Cr在各器官中含量因采样点不同存在显著差异(P<0.05)，其中污染点面对快速路和背对快速路树叶Cr含量分别是对照点相应器官的45.56、158.98倍。重金属含量在各采样点红皮云杉中大小顺序为：污染点>对照点。表3

表3 污染点和对照点红皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr含量比较Table 3 Comparing of Pb, Cd and Cr contents in different organs of Picea koraiensis at pollution point and control point

2.2 污染点红皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr的累积量及其分布比例的比较

研究表明，污染点红皮云杉同一器官Pb、Cd和Cr的积累量存在较大差异，树枝和树根各重金属元素累积量较小，树叶和树皮各重金属元素累积量较大;各重金属元素累积量为Cr>Pb>Cd。树叶中各重金属元素累计量为Cr>Pb>Cd；树枝中各重金属元素累计量为Cd>Cr>Pb；树皮中各重金属元素累计量为Pb>Cr>Cd；树根中各重金属元素累计量为Pb>Cd>Cr。

同一重金属元素在红皮云杉各器官中的积累量也存在差异。Pb累积量在不同器官中的排序为：树皮>树叶(背对快速路)>树叶(面对快速路)>树枝(面对快速路)>树枝(背对快速路)>树根；Cd累积量在不同器官中的排序为：树枝(面对快速路)>树枝(背对快速路)>树根>树皮>树叶(背对快速路)>树叶(面对快速路)；Cr累积量在不同器官中的排序为：树叶(面对快速路)>树叶(背对快速路)>树皮>树枝(背对快速路)>树枝(面对快速路)>树根。总体上看，污染点红皮云杉各器官重金属元素的累计量因重金属元素的不同而有所差异，Pb元素在树皮中累积量最高，Cd元素在树枝(面对快速路)中累积量最高，Cr元素在树叶(面对快速路)中累积量最高。

Pb、Cd和Cr的累积量分别在树皮、树枝(面对快速路)和树叶(面对快速路)中的分布比例最高。Pb累积量在树皮中的分布比例是最小值的8.7倍，Cd累积量在树枝(面对快速路)中的分布比例是最小值的33倍，Cr累积量在树叶(面对快速路)中的分布比例是最小值的62.1倍，这3个器官各重金属元素积累量的分布比例均明显高于其它器官，且这3个器官重金属元素的分布比例差异较小。表4

2.3 污染点红皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr的污染指数及其分布比例的比较

研究表明，污染点红皮云杉同一器官中各元素的污染指数差异很大。树叶和树枝各重金属元素污染指数较大，树皮和树根各重金属元素污染指数较小；各重金属元素污染指数为Cr>Cd>Pb。树叶(面对快速路和背对快速路)各重金属元素的污染指数为Cr>Pb>Cd;树枝(面对快速路和背对快速路)各重金属元素的污染指数为Cd>Cr>Pb；树皮和树根各重金属元素的污染指数为Pb>Cd>Cr。总体上，污染点红皮云杉大多数器官Cr污染指数较高。

同一重金属元素在红皮云杉不同器官中的污染指数差异较大。Pb和Cr污染指数在树叶(背对快速路)中最高，为10.17%和57%，Cd污染指数在树枝(面对快速路)中最高，为37.64%。Pb污染指数在树枝(背对快速路)中最小，为0.42%；Cd和Cr污染指数在树根中最小，为0.28%和0.11%。

污染点红皮云杉树叶(背对快速路)中Pb和Cr污染指数分布比例最高，树枝(面对快速路)中Cd污染指数分布比例最高，分别为最小值的24.5、136和504.36倍。表5

表4 污染点红皮云杉各器官中Pb、Cd、和Cr的累积量及其分布比例Table 4 Accumulation of Pb, Cd, and Cr in various organs of the Picea koraiensis and its distribution ratio at pollution point

表5 污染点红皮云杉各器官中Pb、Cd和Cr的污染指数及其分布比例Table 5 Pollution index and distribution proportion of Pb, Cd and Cr in various organs of Picea koraiensis in pollution point

3 讨 论

研究结果表明，快速路旁红皮云杉各器官的Pb、Cd和Cr含量均显著高于相对清洁区，这与生长在污染区域的植物对空气中的重金属污染物具有吸收和吸附能力有关[9]。红皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr的含量也存在较大差异，这与各重金属元素在植物体内的转运机制及其离子性质等因素的差异有关[10]。

根据污染点红皮云杉不同器官中Pb、Cd和Cr的累积量和污染指数及这2个指标在各器官中的分布比例可以看出，红皮云杉不同器官对这3种重金属元素均有一定的吸滞能力。总体上看，污染点红皮云杉各器官重金属元素的累计量因重金属元素的不同存在差异，重金属元素的累积量及其分布比例，Pb元素在树皮中最高，Cd元素在树枝(面对快速路)中最高，Cr元素在树叶(面对快速路)中最高，各重金属元素在红皮云杉中具有明显的器官分布特征，红皮云杉树皮、树枝和树叶具有较强的累积重金属能力。这一结果与王爱霞等[8]对二球悬铃木的研究结果一致。

城市绿化树种的叶片是优良的大气粉尘累积器，树叶中重金属元素来源于两个方面，一方面来自对大气中重金属颗粒物的吸收，一方面来自根系蒸腾拉力作用下水分矿质营养的输送[11-12]。研究结果表明，作为乌鲁木齐市的主要道路绿化树种，红皮云杉叶片具有较强的累积重金属的能力。赵云阁等[13]研究得出叶片对大气重金属污染物具有很强的吸收能力，曾鹏和车继鲁等[14-15]的研究结果显示树叶对重金属的吸收能力高于树根及其它器官，和研究结果一致。

目前树枝对重金属富集能力的研究比较少，仅有的研究表明树枝对重金属元素具有一定的累计作用。Mark A.S[16]提出树枝吸收重金属能力的大小受根部吸收的影响。研究结果表明，树枝具有较高的累积作用。

树皮吸收的重金属元素主要来源于树根和大气污染物，树皮具有监测和指示空气污染的特性[7]。Odukoy等[17]的研究结果表明，树皮内的金属元素含量与空气中的金属元素含量呈显著正相关，但与土壤中的金属元素含量却无显著相关性。因此，一些学者建议并使用树皮作为城市大气重金属污染的生物监测器[18-19]。研究结果表明树皮对Pb和Cr的累积量最高，与Sevik Hakan、唐丽清和蒋高明[20-22]等的研究结论一致。树皮对Pb的累计能力高于树根，这与王爱霞等[8]的研究结论一致，分析认为树皮中的Pb重金属元素有可能来自对大气中重金属颗粒物的吸附，同时扫描电镜结果表明，红皮云杉树皮表面由排列规则的凹槽组成，有利于吸滞空气中重金属元素。另外，由于老树皮常年与污染空气接触，可连续累积污染空气中的重金属元素，因此其吸滞重金属元素的时间明显大于其他器官。图2

树根是吸收养分的主要器官，在吸收养分的同时也吸收土壤中的重金属元素。研究中，除Cd外，树根中的重金属元素含量均低于其它器官。赵慧等[1]研究得出树根中的重金属含量一般比其它器官高，这与研究结果不一致。

红皮云杉各器官对重金属元素Pb、Cd和Cr都具有一定的累积作用。

图2 树皮扫描电镜Fig. 2 Bark scanning electron micrograph

4 结 论

4.1 红皮云杉不同器官对重金属元素Pb、Cd和Cr的累积存在差异，其中各器官对Cr元素的累积作用最明显，这是红皮云杉对各种金属元素选择性吸收的结果。

4.2 红皮云杉各器官中重金属含量在树皮中重金属含量较高，树叶和树根次之，树枝中则普遍较低；污染点各器官对重金属元素的累积量为树皮和树叶较大，树枝和树根较小；污染点重金属元素在各器官中的污染指数表现为树叶和树枝较大，树皮和树根较小。

4.3 污染点和对照点中各重金属元素在红皮云杉中含量和累积量大小趋势为Cr>Pb>Cd；污染点中各重金属元素的污染指数大小趋势为Cr>Cd>Pb；红皮云杉中各重金属含量表现为污染点明显高于对照点。