阿克苏市绿地土壤重金属污染及植物富集特征

美合日阿依·希尔亚孜旦, 玉米提·哈力克, 阿不都艾尼·阿不里

阿克苏市绿地土壤重金属污染及植物富集特征

美合日阿依·希尔亚孜旦1,3, 玉米提·哈力克1,2,*, 阿不都艾尼·阿不里1,2

1. 新疆大学资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046 2. 新疆维吾尔自治区绿洲生态教育部重点实验室, 乌鲁木齐 830046 3. 和田师范专科学校，新疆，和田 848000

植物对重金属污染具有一定的吸滞能力, 利用园林植物减缓和治理城市重金属污染具有重要意义。采用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法和富集系数法, 评价阿克苏市不同功能区绿地土壤重金属污染程度, 分析常见绿化树种叶片的重金属富集效应和空间分异特征。结果表明: 阿克苏市绿地土壤4种重金属(Zn、Cu、Pb、Cr)污染程度不同, 其中Cu、Pb污染最为严重, 达到了重度污染。阿克苏市不同绿地功能区土壤内梅罗综合污染指数(Nemerow integrated pollution index)P由高到低的顺序为工业区绿地>(P=3.68)交通道路绿地(P=3.47)>居住区绿地(P=3.34)>公园绿地(P=2.93)>城郊绿地(P=2.16); 阿克苏市区主要绿化树种间, 新疆杨、法国梧桐对Zn、Cu、Pb、Cr的富集系数较大, 可作为阿克苏市区土壤重金属污染修复的重点选用树种; 大叶白蜡、圆冠榆、垂柳对Zn、Cu、Pb、Cr的富集系数次之, 可作为备选树种。

阿克苏市; 重金属; 植物叶片; 富集能力

0 前言

园林绿化植物是城市生态环境的重要组成部分，具备富集吸收一定浓度范围内的大气污染物及土壤中重金属的能力[1-3]。许多学者对生长于不同污染区的园林植物对重金属的吸滞能力展开了调查研究，如卢德亮等[4]研究哈尔滨市不同绿地功能区土壤重金属污染状况和重金属在旱柳等7种植物体内富集特征，发现小叶杨对Zn、Cu、Cd等3种重金属富集系数较大，可把小叶杨作为哈尔滨市区土壤重金属污染修复的重点选用树种。李彩霞等[5]分析了长沙市交通干道绿化带土壤和15种主要乔木的重金属含量，发现樟树、苦楝、法国梧桐对Zn、Cu、Pb、Cd有较强的富集能力。杨阳等[6]对沣河沿岸土壤和优势植物重金属富集特征进行研究发现，马齿苋、艾蒿、芦苇3种植物重金属的富集能力均较强，对污染的生境有适应能力，故可作为该地区耐重金属植物。因此，在城市绿化过程中筛选优势树种对于缓解重金属污染及土壤修复具有重要意义。

关于干旱区绿洲城市阿克苏市城市环境污染已有不少的报道，研究内容大多集中在绿化树种的滞尘能力[7-8]、绿地土壤重金属含量特征及污染评价[9]等领域，而对于当地绿化树种调查研究较少，尤其对城市不同功能区土壤环境内重金属耐性和富集型植物的研究鲜有报道。为筛选出适应当地污染环境的重金属耐性和富集植物，本研究在阿克苏市绿地不同重金属污染类型和强度下选取常见的 5种林木叶片，综合评价土壤重金属污染现状及不同植物对重金属的富集能力，初步筛选出对重金属污染土壤有较高耐性的植物，以期为不同立地环境树种的选择和重金属污染土壤修复治理提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿克苏市地处新疆南部塔克拉玛干沙漠北缘(39°31′—42°41′N, 78°02′—84°05′E), 平均海拔1114.8 m, 为典型的暖温带大陆性气候, 年均气温11 ℃, 年平均日照时数为2867 h, 年均降水量65.3 mm(主要集中在5-9月)[10]。阿克苏市植被类型主要以暖温带落叶阔叶林为主, 常见树种有垂柳()、葡萄()、新疆杨()、桑树()、圆冠榆()、法国梧桐()、大叶白蜡()、香梨()、樱桃李()、沙枣()[11]。

1.2 野外调查与采样

结合阿克苏市主要污染源情况, 在市内和郊区选了5个样地, 分别为道路交通绿地(西大街)、工业区绿地(西工业园)、居住区绿地(电视台家属院)、公园绿地(刀郎公园)、城郊绿地(柯柯牙城郊防护林)。并在每个样地内选择树龄、树高以及胸径大致相同的5种常见绿化树种, 分别为大叶白蜡、新疆杨、圆冠榆、垂柳、法国梧桐(表1)。在树干外围上、中、下及东西南北四个方向均匀采摘叶片, 分别在每个样区同种树种至少选取3株重复采样。将叶片小心置于聚乙烯塑料袋中, 贴好标签。在所采集的样树根系周围采用土壤钻采集0—20 cm的表层土壤样品(约1 kg), 装入塑料袋并充分混合, 当日编号与植物样品一并带回实验室处理。

1.3 样品测试与分析

植物样品分别用自来水充分冲洗, 再用去离子水冲洗, 在75 ℃下于烘箱中烘至恒量, 用FZ102微型植物试样粉碎机粉粹并过100目尼龙筛, 放入封口袋备用。土壤样品自然风干, 除去土样中的石子和动植物残体等异物, 用木棒研压, 过2.5 mm尼龙筛, 混匀。用玛瑙研钵将通过2.5mm尼龙筛的土样研磨至全部通过100目尼龙筛, 放入封口袋备用。植物样品用HNO3-HClO4消化, 土壤样品用HF-HClO4-HNO3消化。植物样品和土壤样品采用高压密闭微波进行消解。Pb、Cu、Zn、Cr含量的测定采用TAS-990型原子分光光度计法, 使用国家一级标准(国家标准物质样品信息中心, GBW07426)[12]作表样, 所有样品重复测定3次。

表1 树种的基本情况

1.4 数据处理

土壤重金属污染评价采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法。植物重金属富集能力则采用生物富集系数进行评价。运用Excel 2010软件整理测试数据并制图, 利用SPSS19.0软件进行相关性分析及单因素方差分析。

1.5 评价标准与方法

1.5.1 土壤污染评价标准和方法: 试验选用新疆土壤元素背景值[13]作为评价标准(表2), 对比说明阿克苏市绿地土壤重金属环境质量现状。评价方法采用单因子污染评价和综合污染指数法评价[14]

1) 单因子指数法: 以土壤单项污染物的实测值与评价标准相比, 用以表示土壤中该污染物的污染程度。其计算公式:

P=C/ S

式中:P为第个采样点污染物的污染指数;C为第个采样点污染物的实测值; Si为污染物的评价标准。

单因子污染指数分级标准:P单项污染指数<1清洁, 1<P<2, 轻度污染, 2<P<3, 中度污染,P>3, 重度污染。

2) 内梅罗综合污染指数法(综合指数法): 可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平, 也突出了污染最严重的污染物给环境造成的危害, 其计算公式为:

式中:为第个采样点的质量综合指数;P为第个采样点污染物所有单项污染指数中的最大值;P为第个采样点污染物所有单项污染指数中的平均值。

综合污染指数分级标准: P<0.7清洁, 0.7< P<1尚清洁, 1<P<2轻污染, 2< P<3, 中度污染,P>3, 重度污染。

1.5.2 植物富集能力评价标准

富集系数: 富集系数是评价乔木体内对土壤中重金属的富集能力的指标之一[14]。其公式为:

=C/S

式中:C为地上部第个植物样品的重金属含量;S为对应土壤样品重金属含量。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量变化

由表2可知, 研究区土壤重金属中Zn的含量最高(80.33—156.39 mg·kg-1), Cr的最低(44.87—12.49 mg·kg-1), 且低于研究区土壤背景值, Cu、Pb、Zn的含量均高于研究区土壤背景值。各采样点土壤重金属含量空间变化幅度较大。其中, 交通道路绿地的Zn、Pb含量最高, 分别是背景值的2.60、4.87倍; 工业区绿地的Cu含量最高, 是背景值的5.19倍; 居住区绿地的Cr含量最高, 是背景值的1.10倍。对不同功能区重金属元素的含量进行方差分析, 结果表明Zn、Cu、Pb、Cr在不同功能区的分布差异存在统计学意义(P<0.05); 对不同功能区的重金属元素两两之间进行多重分析, 结果表明交通道路绿地Zn、Pb含量高于其他4个功能区, Cr含量高于城郊绿地和工业区绿地, 差异具有统计学意义(<0.05); 居住区绿地的Cr含量高于其他四个功能区, 差异具有统计学意义(<0.05); 工业区绿地Cu含量高于其他4个功能区; 阿克苏市Zn、Cu、Pb等重金属元素在交通道路绿地、工业区绿地、居住区绿地具有较高的累积量, 城郊绿地、公园绿地除Cr以外, 其他重金属元素含量相对较低。上述结果表明, 人为活动频繁的交通道路绿地、工业区绿地和居住区绿地重金属污染最为严重, 而交通量较少且绿地覆盖面积大的城郊绿地重金属污染较低。

表2 不同采样点土壤重金属含量水平

注： 表中数据为平均数±标准差, 数据后的小写字母表示显著水平为0.05, 表示同一列数据的差异性, 若字母相同表示两者差异不显著, 反之差异显著

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染评价

根据单因子指数评价方法, 结合采样点土壤重金属元素测定值和新疆土壤背景值, 计算各采样区单项污染指数。由表3可知, 各采样区土壤Pb、Cu、Zn元素P大于1, Cr元素P小于1, 表明5个功能区均受到了Pb、Cu、Zn不同程度的污染, 未受到Cr元素污染。各功能区单因子污染水平分别表现为: 城郊绿地Pb>Cu>Zn>Cr; 交通道路绿地Pb>Cu>Zn>Cr; 工业区绿地Cu>Pb>Zn>Cr; 居住区绿地Cu>Pb>Zn>Cr; 公园绿地Pb>Cu>Zn>Cr, 其中工业区绿地污染程度最严重的为Cu,P达到了5.19, 另外Pb、Zn的P也大于2, 表明其污染等级也比较严重; 交通道路绿地P以Pb为最高, 污染指数达到4.87, Zn、Cu污染也较重; 公园绿地Pb和Cu污染最重,P分别为4.09和3.36; 居住区绿地Cu和Pb污染比较严重,P分别达到4.63和4.50; 城郊绿地土壤除了Zn轻微污染、未受Cr污染外, Pb、Cu含量污染指数分别为3.04和2.36。单因子指数评价结果说明, 阿克苏市土壤重金属总体上呈现为富集现象, Pb和Cu污染最重。Pb和Cu来源可能与生活垃圾和前些年机动车大量使用含防抗剂四乙基铅的燃料有关[15-16]。

2.2.2 综合污染指数评价

由图1可见, 土壤重金属的内梅罗综合污染指数(P)均大于1, 参照土壤重金属污染分级标准, 研究区土壤重金属污染水平为中度污染到重度污染。各功能区综合污染指数依次为工业区绿地>交通道路绿地>居住区绿地>公园绿地>城郊绿地其中, 工业区绿地综合污染指数最大, 达到3.68,这可能是因为阿克苏市是典型的燃煤型城市, 煤化工企业主要分布在该区, 向环境释放了大量含铅、锌、铜的废弃物, 使得该区重金属含量过高, 表明工业化程度与城市土壤中重金属的含量密切相关[17]。交通道路绿地综合污染指数次之, 达到3.34, 机动车尾气的排放、轮胎橡胶磨损产生的大量重金属造成其污染。居民生活废弃物不断排放到环境中, 重金属在土壤中累积的时间较长, 导致居住区绿地综合污染指数较高。而城郊绿地、公园绿地作为人工改造的绿地, 可能经过多次客土回填, 重金属含量较低。但公园绿地和城郊绿地综合污染指数分别达到2.93和2.16, 已达到中等污染水平, 这可能是因为阿克苏市各功能区分布比较混杂, 并且区域面积相对较小, 交错的各功能区之间污染物相互扩散也会对土壤中重金属含量提升带来影响。

表2 阿克苏市不同功能区土壤重金属元素的单向污染指数

Table 3 Contamination index of single item of soil heavy metals of different functional regions in Aksu

2.2.3 土壤重金属含量相关分析

为了解重金属元素之间的相关性, 在以上分析的基础上, 对调查的全部土壤样品重金属元素之间进行相关分析。从表4可以看出, 4种重金属含量呈正相关关系, 而且都达到了显著或极显著水平。除Cr与Zn呈显著正相关外, 其他所有元素间均呈极显著正相关, 说明研究区土壤重金属具有很大的同源性。除工业区、交通区、居民生活区释放的污染物外, 沙尘暴引起的粉尘也是重要的因素[18-19]。

图1 不同功能区综合指数值

Figure 1 comprehensive index of different functional regions

表3 土壤重金属含量相关分析

Table 4 correlation analysis of soil heavy metals in Aksu

注： *<0.05; **<0.01。

2.3 植物重金属污染评价

2.3.1 植物重金属富集系数

不同植物由于生物学特性的不一致, 其吸收重金属的生理生化机制不同, 从而对所吸收重金属的累积量也不尽相同[20-21], 可通过富集系数来评价不同树种间重金属富集能力。如表5所示, 不同树种叶片重金属的富集系数明显不同。在城郊绿地、交通道路绿地、居住绿地新疆杨对Cu、Cr富集能力最强, 法国梧桐对Zn、Pb具有较好的富集能力。在工业区绿地新疆杨对Cr富集能力最强; 法国梧桐对Zn、Pb具有较好的富集能力; 大叶白蜡对Cu富集能力最强。在公园绿地新疆杨、圆冠榆、垂柳、法国梧桐分别对Cr、Zn、Cu、Pb具有富集能力。上述结果表明, 同种植物在不同采样区的富集系数不同, 其原因可能与该区域土壤中重金属的含量相关。虽然城郊绿地、公园绿地土壤Cr含量低于研究区土壤背景值, 但各树种叶片仍表现出对Cr较强的富集能力, 表明林木在清洁土壤或城市环境中已表现出对大气或土壤重金属的净化吸收作用。因此, 在城市道路和周边地区的栽植绿化树种对重金属具有富集能力的乔木树种不但可以绿化环境, 而且对预防和治理土壤重金属污染有重要意义。

表4 各研究区域不同树种叶片中重金属富集系数

Table 5 Concentration factors of different tree species

2.3.2 不同污染条件下不同树种综合富集能力分析 对不同污染条件下同一树种重金属综合富集系数进行分析, 有利于了解各树种对在不同污染环境下的适应能力[22-23], 对在不同污染条件下选用不同树种, 提高植物的成活率和修复重金属污染效率具有指导意义[24-25]。由图2可知, 在重度土壤污染下,各树种对重金属的综合富集能力依次为: 法国梧桐、新疆杨、大叶白蜡、垂柳、圆冠榆; 在中度污染下, 各树种对重金属的综合富集能力依次为为新疆杨、法国梧桐、圆冠榆、垂柳、大叶白蜡。结果表明, 叶片对重金属的综合富集能力随土壤重金属综合污染指数的升高而减弱。法国梧桐与新疆杨反而在重度污染下综合富集能力强是因为生物量大且耐修剪, 每年枝叶修剪都可从污染环境中带走大量的重金属元素, 属于对重金属污染的耐性很强, 可作为重金属污染修复的优选树种。

图2 不同树种综合富集系数

Figure 2 Comprehensive concentration factors of different tree species

3 结论

1) 阿克苏市绿地土壤中Pb、Cu、Zn的平均含量超出新疆土壤背景值, 重金属在各功能区绿地土壤中表现出不同的累积程度。Pb、Cu、Zn在交通道路绿地、工业区绿地、居住区绿地具有较高的累积, 而Cr在城郊绿地、公园绿地具有较高的累积。说明城市化进程已造成了阿克苏市土壤中重金属元素的富集, 对城市生态系统造成了危害。

2) 土壤重金属相关分析表明: 4种重金属元素之间均呈现显著差异, 说明其来源途径相似, 土壤污染存在复合污染特性。因此, 应考虑综合防治与治理。

3) 各树种对重金属的综合富集能力依次为法国梧桐、新疆杨、圆冠榆、垂柳、大叶白蜡。阿克苏市各功能区重金属污染程度属于中到重度污染。综合富集能力强、生物量大, 且耐修剪的法国梧桐可被优选为理想的绿化树种。

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Characteristics of heavy metals soil pollution and plant accumulationin urban green space of Aksu

MIHRAY Xiryazdan1,3, ÜMÜT Halik1,2,*，Abduani abuli1,2

1. College of Resources and Environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China 2. Xinjiang Key Laboratory of Oasis Ecology of Ministry of Education, Urumqi 830046, China 3. Hetian Normal School, Hetian, Xinjiang, 848000, China

Plants have certain ability to absorb heavy metal pollutants, so it’s practical to use plants to mitigate and control heavy metal pollution. Common greening trees from different functional areas of Aksu city were selected by using single factor pollution index, Nemerow integrated index and enrichment factor; spatial differentiation characteristics of heavy metal pollution and accumulative effect of tree leaves were analyzed. The results showed that the four heavy metals (Zn, Cu, Pb, Cr) contaminated the green spaces of Aksu city to the different degrees. Cu and Pb pollution was the most serious and reached to severe pollution level. The heavy metals pollution in the green spaces from different functional areas was in the order of industrial area (P=3.68)>road traffic area (P=3.47)>residential area (P=3.34> park area (P=2.93)>suburban area (P=2.16). Among selected greening trees,andhad the highest accumulative effect for the four heavy metals and could be the prior consideration for the heavy metal pollution repairing in Aksu city. The other tree species, such as,,had relatively higher accumulative effect and thus could be selected as alternative ones for restore the contaminated environment.

Aksu city; heavy metal; plant leaves; accumulative effect

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.005

文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2019)06-030-07

2018-10-15;

2019-07-06

国家自然科学基金资助项目(31770750, 31270742)

美合日阿依·希尔亚孜旦(1993—), 女, 硕士研究生, 从事植物生态学研究, E-mail: mihray0917@163.com

玉米提·哈力克, 男, 博士, 教授, 从事城市生态规划与管理研究, E-mail: halik@xju.edu.cn

美合日阿依·希尔亚孜旦, 玉米提·哈力克.阿克苏市绿地土壤重金属污染及植物富集特征[J]. 生态科学, 2019, 38(6): 30-36.

MIHRAY Xiryazdan, ÜMÜT Halik. Characteristics of heavy metals soil pollution and plant accumulation in urban green space of Aksu[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 30-36.