刺楸年轮中重金属含量动态变化及富集特性

刘政，许中秋，张鑫洁，赵子荀，冯凯，吴秀萍，张耀琴，许晓岗

南京林业大学，南方现代林业协同创新中心，生物与环境学院，亚热带森林生物多样性保护国家林业局重点实验室，南京 210037

0 前言

工业化和城市化的加速导致人们对矿产资源的需求陡增，在开采、运输、利用资源的过程中排放的各类污染物，造成了日渐严峻的土壤重金属污染问题[1]。土壤重金属污染具有隐蔽性、累积性和长期性等特点，对人们的生活形成很大的潜在威胁[2]。由此，有关重金属污染土壤修复的研究也已成为该领域的热点和难点，其中最广泛的是植物修复技术[3-4]。

在植物修复技术中，选择最多的材料是草本[5]，研究重点在于筛选对某类重金属富集能力强的植物。然而，已知大多数的超富集草本植物生物量小，根系浅，适生范围窄，且不同程度地存在着难以同时超量累积多种重金属元素等缺点；而且，大部分草本植物为一、二年生，秋冬季节凋落物仍回归土壤，无论对其收割后掩埋还是焚烧都会造成二次污染。也有学者认为可以选择具有经济利用价值的农作物，虽然也有农作物对部分重金属具超富集作用[6]，但是应避免那些食用部分富集重金属的农作物[7]；而生物量大的木本植物由于对重金属的相对稀释作用虽没有表现出超富集特征，但其生物量大[8]、根系发达、富集量高，修复规模仍然可观；此外，在修复材料富集重金属之后的处理也存在问题，草本收割后的回收处理技术有待深入研究[9]，以避免造成二次污染，而木本植物寿命长且相对人类工业发展时期具有足够的时间尺度，强壮的根系，可以充分接触深层土壤从而有着相对稳定的吸收空间。正是由于木本植物与草本植物生物学、生态学特性的不同，特别是两者在茎的生物量贮藏能力上存在巨大的差异，因而选择适合修复土壤重金属污染的高生物量的木本植物[10]显得更为迫切，这也是对现有超富集植物研究的重要补充。

在研究土壤重金属污染问题的诸多技术中，寻求能较为准确地反映污染历史变化的记录载体是关键。树木年轮可提供精确的气候变化信息[11]，具有定年准确、分辨率高、连续性好且时间跨度长、数据量化程度及可信度高等特点[12]，可以成为自然界环境变化信息的载体。南京栖霞山蕴藏丰富的矿藏资源(Pb、Zn、Ag等)，多年的采矿活动造成了土壤重金属污染，形成了严重的生态威胁，也给当地的旅游业带来压力。本研究以乡土树种刺楸及其根部土壤为研究对象，探索其对不同重金属元素的富集能力，对当地重金属污染进行针对性修复，也为同类地区的植被重建和生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验取样

1.1.1 采样点概况

采样点位于栖霞山纱帽峰(118°57′28″E，32°09′29″N)，地形为山地丘陵，坡度为 2.7 °，坡向西，海拔为(129.3±1) m，土壤类型为黄棕壤[13]。

1.1.2 试验材料

理想的年轮之间应该很少或没有径向迁移，元素应该是环境变化的敏感指标；由于不同地区植物木质部的季节性生长，不同树种重金属的迁移能力差异很大；但是许多阔叶树被选择用于亚热带地区的树木化学研究，如刺楸、白桦、香椿和胡杨等，因此在相应区域中选择合适的树种可能更为重要[14]。

以当地乡土树种刺楸(Kalopanax septemlobus)及其根际周边土壤为研究对象，截取根部年轮并采集根际周边土壤样本，采用树木年轮化学分析手段测定年轮和土壤样本中 7种重金属元素 Cu、Cd、Cr、Mn、Ni、Pb、Zn的含量，探索刺楸对重金属的吸收状况。

选择样地里仅有单一主干的刺楸样本树 2株，从近根部5 cm处依次截取5 cm厚的树干圆盘3片，样品重复数为3，样品总数为6，标记为Sample A、Sample B；本研究团队自2008—2016的连续9年在每年 1月份采集样地中的土壤样本，以样树为圆心，以其地径的8倍为半径的区域随机布样。每年在取样区域内设3个土壤采样点，根据刺楸根系的分布情况，分别在每个样点分别以10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm的深度土层取土样1000 g。分别根据对应的刺楸年轮标记土壤样本，依次为 A1—1、A1—2、A1—3、A2—1、A2—2、A2—3。

1.2 测试方法

年轮样本经WINDENDROTM2012a树木年轮分析仪进行交叉定年后，用 COFECHA程序检验交叉定年[14-16]的结果。确定具体年份后，用电钻在对应的年轮上取样[17]，将处理[18]后的样品进行湿法灰化(硝酸—高氯酸消煮法)[19]，用 ICP—AES法测定其中各重金属元素的浓度(含量)。

土样经风干后充分混合，经研磨后通过 100目(孔径0.149 mm)筛取100 g，待使用时取0.5 g作为待测样放于 10 mL离心管，再于烘箱中 65 ℃下烘干 24 h，取出离心管。采用盐酸—硝酸—氢氟酸—高氯酸全分解的方法[19]消解土壤样品以彻底破坏土壤的矿物晶格，使土壤样品中的待测元素全部进入溶液中。所有消解液、浸出液中重金属浓度采用原子吸收分光光度法测试。

1.3 数据处理

根据所得各重金属元素浓度，按照公式计算各元素含量:重金属元素含量(mg·kg-1)=ρV/M0，式中:ρ为测得待测液的浓度；V为消煮后溶液定容的体积；M0为样品的质量。

相关结果数据用EXCEL 2016进行处理分析并制图，刺楸年轮中 7种重金属元素之间的相关性使用SPSS 24.0软件进行分析。

树木对重金属富集能力通常以富集系数来考量，由公式D=T/W×100%求得，式中:D表示刺楸对各重金属元素的富集系数，T与W分别表示 2007—2015年中各重金属元素在刺楸年轮及样树根际土壤中的算术平均含量。

2 结果与分析

2.1 年轮交叉定年结果

年轮样本取自 2016年 1月，对 Sample A、Sample B分别进行打磨并交叉定年，每个年轮上面有两条定年的路径，以减少缺轮与伪轮造成的误差，具体结果见图1、图2。

Sample A:1974—2015，42 年；Sample B:1974—2015，42年；选取共同年龄段1974—2015年来研究刺楸对不同重金属的富集能力。

图1 Sample A建立的定年路径Figure 1 The established dating path of sample A

图2 Sample B建立的定年路径Figure 2 The established dating path of sample B

2.2 刺楸年轮中重金属元素含量变化分析

取2个刺楸年轮样本在同一年相同重金属元素含量的算术平均值，以减少误差，其结果见图3。从图 中可看出，各重金属元素在年轮中累积含量从大到小顺序为 Cu＞Zn＞Pb＞Mn＞Ni＞Cr＞Cd。由图3 可以看出，刺楸年轮中Cu的含量明显高于其他重金属元素，年份间也波动很大，其含量在 2.77—167.78 mg·kg-1之间波动，平均值为 25.68 mg·kg-1，刺楸对Cu的吸收是很明显的。其次，年轮中Pb含量在4.03—71.39 mg·kg-1之间波动，平均值为 12.59 mg·kg-1，波动较小，到2014 年增长最显著，含量达到71.39 mg·kg-1，约为最低含量的17.71倍。总体来说，Pb与其他元素的波动趋势基本一致；栖霞山中的 Pb—Zn—Ag矿床是长江下游地区最大的多金属矿床，而土壤中Pb的含量为6447.7 mg·kg-1，这远超出江苏省和南京市的背景值(22.3 mg·kg-1和 24.8 mg·kg-1)，因而可看出刺楸年轮中的Pb大部分来自土壤；植物中的Pb除来自于土壤，也可能与冶炼活动密切相关[20]。另外，刺楸年轮样品中Zn含量在6.32—33.25 mg·kg-1之间波动，均值为 17.61 mg·kg-1；Zn 矿通常和 Pb 矿伴生，在筛选吸收该金属的植物时，通常要兼顾植物对Pb、Zn两种重金属的耐受性[21]。

2.3 土壤重金属含量分析

将2016年所采土壤样品的重金属含量与省、市土壤背景值进行对比，结果如图4。其中，本研究土壤样品为各元素含量的算术平均值，南京市土壤背景值为南京地区土壤中元素背景值[22]、江苏省土壤背景值为土壤元素地球化学基准值[23]。

刺楸根际周围土壤观测的上述7种重金属含量差距偏大，含量在 1000 mg·kg-1以上的有 Mn、Pb 和Zn，含量在 100—1000 mg·kg-1之间的有 Cu，而含量在 100 mg·kg-1以下的有 Cd、Cr和 Ni，表明该区域土壤受Pb、Zn和Mn污染最为严重。各元素在土壤中累积含量从大到小顺序为:Pb＞Mn＞Zn＞Cu＞Ni＞Cd＞Cr。

图3 刺楸年轮中7种重金属含量变化Figure 3 The content variations of 7 heavy metal in tree rings of Kalopanax septemlobus

图4 样地土壤(2016)中重金属含量与背景值的比较(单位： mg·kg-1)Figure 4 Comparison on the content of heavy metal in soil(2016) with the background value(unit： mg·kg-1)

所采土壤样品中Cd、Cu、Mn、Pb、Zn含量远高于南京市及江苏省土壤的背景值，属于严重超标，存在Cd、Cu、Mn、Pb、Zn的严重污染，尤其是Cd和Pb的平均含量分别为南京市背景值的135.42和268.65倍，是江苏省背景值的 285.89和 289.13倍；Cu和 Zn的平均含量分别为南京市背景值的 12.93和29倍，是江苏省背景值的17.31和34.19倍，说明该地区的重金属污染均具有明显高度吸收的特征；而Cr和Ni含量均低于背景值，属于正常范围区间。以上结果表明，栖霞山研究样地内的土壤存在Cd、Cu、Mn、Pb、Zn元素的高度复合污染，这与栖霞山长期采矿相关。

2.4 年轮与土壤中不同重金属元素含量的相关性分析

年轮中重金属含量是否与当地采矿活动相关，这需要对年轮与土壤中重金属元素的相关性进行分析。鉴于已有连续 9年对土壤样本观测的数据，笔者对土壤及相应年份(2007—2015)年轮中的重金属含量变化进行相关性分析，结果如图5。

从图5中可以看出，在 2007—2015的9年中，Cd(r=0.881，p＜0.01)、Cr(r=0.897，p＜0.01)、Cu(r=0.794，p＜0.05)、Ni(r=0.735，p＜0.05)、Zn(r=0.985，p＜0.01)这5种重金属元素在土壤和年轮中存在相关性，而Mn和Pb则没有明显的相关性。

通过图3可以看出Cd、Cr和Ni含量较少，变动幅度较低，因此刺楸能否发挥作为自然信息记录载体的作用，需要对 Cu和 Zn的相关数据进一步分析。

2.5 刺楸年轮中7种不同重金属含量之间的相关性

为进一步探寻年轮样本内重金属含量之间的相关性，用Pearson相关分析法对各重金属含量分析处理，7种元素之间的相关性系数如表1。

分析结果表明刺楸年轮中的重金属元素存在交互作用，其交互作用存在一些差异。其中Cu含量与其他4种元素(除了Ni、Pb)含量均有相关性，Mn含量与其他 4种元素(Cd、Zn除外)含量也有相关性(r=0.376—0.764，p＜0.01)，Cd 含量与 Zn 含量高度相关(r=0.984，p＜0.01)。这些重金属含量之间存在密切相关，鉴于大多数重金属元素在土壤和植物之间都存在相对较高的相关性，可以推测这些重金属元素来自于同一污染源[24-25]。多种重金属的交互作用，会显著地影响植物对重金属元素的积累和转移力[26]，这种交互作用常表现出单个金属元素的存在能抑制某些特定金属元素吸收的拮抗作用或单个元素的存在能促进对特定金属元素吸收的协同作用。

图5 年轮与土壤中重金属元素含量的相关性(2007—2015)Figure 5 The heavy metal contents correlation between tree rings and soil(2007-2015)

表1 刺楸年轮中各重金属元素间的相关系数(r)Table 1 The correlation coefficients among the heavy metals in the tree rings of Kalopanax septemlobus(r)

2.6 刺楸对各重金属富集能力分析

刺楸对各重金属元素的富集能力如表2所示，刺楸对于这7种重金属元素的富集系数在0.11%—15.16%之间，刺楸对各重金属元素富集能力从大到小顺序为:Cr＞Ni＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn。其中刺楸对Cd、Mn、Pb和Zn这四种金属的吸收作用相对较弱，而对Cr、Cu和Ni的吸收作用较强，表明刺楸对重金属的吸收有选择性，植物的不同耐性机制使得它们对重金属的吸收存在了明显的差异。

此外，刺楸对各重金属元素的富集系数相比于栖霞山草本[27](地上部分富集系数:11.5%—216.8%)相对较低，而且草本中存在一些超富集植物[3]，不过目前超富集草本的回收处理还需借鉴于废弃物的方式[9]，仍需要特定的技术支持，才能避免二次污染；而寿命长、生物量大、处理方式多样的木本植物，仍具有重要的研究价值。

3 讨论与结论

Cd化学性质稳定而很难在土壤中降解，它在环境中的来源一部分是工业和农业活动排放的废水，废气和固体废物[28]；一部分是当地的天然矿山[29]。相对于其他元素，样地土壤中Cd的含量比较少，虽远超当地背景值，但在年轮中Cd的含量总体也是偏少的，因此表2中刺楸对Cd的吸收较为一般。

土壤样品中Cr和Ni两种元素含量均在正常背景值范围内，与Cd含量较为接近，但从表2中看出，刺楸对Cr和Ni的富集系数是超过Cu及其他4种元素，一方面可能是因为该地区的严重污染造成刺楸对其他几种重金属元素的吸收表现不是很明显，另一方面可能是刺楸对Cr和Ni具有很强的偏好性，刺楸可以考虑作为这两种重金属污染土壤的修复树种。

从图3中可以看出，刺楸年轮中Cu的含量相对其他的重金属元素变化较大，而 Mn的含量较低且变化平稳；图4中表明栖霞山也存在着较为严重的Cu、Mn污染，且土壤中Mn含量远在Cu之上；比较图3、图4和表2，可推测刺楸对Cu的吸收作用超过 Mn；土壤中 Cu的含量相对于其他元素较低，但刺楸年轮中Cu含量最多，甚至超过了Pb、Zn，表明刺楸对Cu的吸收具有明显的偏好。

从对7种元素监测的42年结果来看，Cu是波动最大的，而其他元素相对稳定，说明刺楸对Cu的吸收较大程度上受某一种外界条件的影响，造成吸收的波动性。对照历史降水量记录看来，Cu元素的变化可能与当地的降雨量[30]有关，植物吸收重金属的能力与土壤中重金属的形态密切相关，可能是酸雨促进了土壤中的重金属离子释放和迁移，从而促进了刺楸对Cu的吸收[21]。同时，从表1可以看出，Cu与大部分的重金属元素都有相关性，重金属元素之间的交互作用也可能是导致刺楸对Cu具有较高的富集能力原因之一。此外，栖霞山矿床开采已有 60多年的历史[15]，早期 1960—1970年时是露天开采，1971年后采矿区域转移到地下，随后80年代90年代均有采矿活动，以及考虑到植物响应环境的滞后效应，Cu元素的4个主要峰形区域(1975—1977、1985—1988、1994—1999、2013—2015)也可能是受到采矿及相关活动的影响；而Pb、Zn的波动幅度相对其他元素也较为明显，但与Cu相比较，也可以看出刺楸对Cu吸收的偏好。而且图5表明Cu在土壤和年轮中存在相关性，因此鉴于Cu含量变化，刺楸可以考虑作为反映当地污染历史的记录载体。

表2 刺楸年轮中重金属含量及其富集系数(mg·kg-1)Table 2 Contents of heavy metals in tree rings of Kalopanax septemlobus and bioconcentration factors(mg·kg-1)

从表2可看出样品年轮对Cu有较好的富集能力，结合表1，可以推测 Cu 与 Cd、Cr、Mn、Zn具有协同作用；同样，样品年轮对Mn的富集系数是最低的，而重金属之间相关系数表明，Mn与较多重金属元素都存在相关性，可见，在刺楸年轮吸收重金属过程中，Mn起到一定的拮抗作用。Mn是植物生长的必须元素，但是 Mn过量会对植物的生长产生抑制甚至毒害作用，尤其是会与Cd共存形成联合染毒[31-32]。

重金属在植物与在土壤中的含量通常存在正相关性[33]，Pb在栖霞山纱帽峰土壤中含量非常高，在年轮中的含量却相对较低，表明Pb在树轮中含量与在土壤中含量可能没有明显的相关性[34]，图5也说明了这一点。环境中Zn的主要污染源是Pb、Zn冶炼，以及Pb、Zn矿开采和镀Zn，从表2可以看出，刺楸年轮对于Zn的吸收也相对较低，这也可能与这两种重金属元素在土壤中的存在形式有关[35]。

综上所述，相对于Cd、Mn、Pb、Zn污染土壤，刺楸更适用于 Cr、Cu、Ni污染的土壤修复，鉴于Cu元素含量变化特征，刺楸也可以作为反映当地污染历史的记录载体；同时，基于木本与草本植物在生态系统中的生态位差异，必须在植物重金属富集能力强弱和生物量大小之间达到一种均衡[36]，才能使修复效果达到最佳。