常见绿化树种对重金属的富集效应评价

彭小东，阿丽亚·拜都热拉，刘 丽，玉米提·哈力克，胡梦玲，孙桂丽

(1.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】随着社会经济的高速发展和高强度的人类活动，工业化和城市化带来的重金属污染问题日益引起关注，重金属对环境质量、人体健康、动植物的生存条件及城市生态的可持续发展构成严重威胁和挑战。城市绿化树种能有效且经济地实现对重金属富集、吸收、转化和降解作用，并稳固在树木体内，防止重金属造成再次污染。通过量化各常见绿化树种对重金属的富集转运能力，筛选出富集效能较强的常见绿化树种，为乌鲁木齐市城市绿地的有效利用以及城市生态环境保护和治理提供理论依据。【前人研究进展】城市化在发展的过程中，会伴随着各种类型的污染物排放，这些污染物通过直接或间接途径进入城市土壤中，最终在一定程度上引起城市土壤的污染[1]。由于城市的交通设施逐渐完善，车流量的增加，同时也使得路侧土壤的重金属含量增加，并造成一定的污染[2]。城市道路绿化带对是城市路域具有美化的作用，以及改善路侧生态环境的作用[3]，道路绿化带对土壤重金属污染也具有一定的防护作用[4]。不同类型的绿化树种对土壤重金属的富集能力有所不同，对城市道路的绿化效果也是有所不同的[5,6]。因此，城市绿化带建设的前期，应合理选择植物的配置，在兼顾美观的同时，优先选择对土壤重金属污染防护效果较好的绿化植物[7]。在城市污染的防护方面，目前主要寄托于木本植物，具有超累积性的绿化树种为首选的绿化材料，绿化植物对土壤重金属耐受累积效应也备受关注[8]。近年来，城市土壤重金属污染的治理，主要是利用绿化植物对重金属富集吸收，绿化植物在城市污染治理方面也成为热点。石晓妮等[9]研究表明，南方地区对绿化树种的重金属积累特征及等级分类进行了较为详细的研究，并初步筛选出一批富集转运能力较强的绿化树种，阿衣古丽等[10]研究了乌鲁木齐市主要绿化树种重金属累积能力比较，唐敏等[11]对北京37种园林植物对4种重金属的富集力。相对于西北地区而言，南方及沿海城市相关研究较为丰富。【本研究切入点】近年来，在城市重金属污染治理方面利用绿化树种对重金属吸收、富集规律的研究也成为热点，而目前，西北干旱区城市绿化树种地上、地下部分重金属含量及所在地土壤中重金属含量特征等相关领域的研究尚为欠缺。【拟解决的关键问题】研究以乌鲁木齐市京新快速路侧为对象，对快速路旁绿化树种根际土壤及不同器官的Cu、Pb、Ni和Zn 4种重金属含量进行测定分析，量化绿化树种对土壤重金属富集转运能力；探明出交通路域各树种对重金属的综合累积能力。

1 材料与方法

1.1 材 料

乌鲁木齐市位于准噶尔盆地南缘(E86.626～88.973，N42.759～44.133)。快速路研究区位于乌鲁木齐市南郊河滩快速公路旁(43.774N，87.591E)。研究区属于温带大陆性干旱气候，春秋两季较短、冬夏较长，昼夜温差大；平均气温约为25.7℃，年降雨量120～180 mm，年蒸发量2 000～3 000 mm，降水量远远小于蒸发量。研究区的土壤为沙粒土，沙粒量平均为428.4 g/kg；pH平均为8.03，为碱性土壤。采样时周围的温度为24.2℃，湿度为27RH,风向为东北风，双向平均车流量为56辆/min。

确定白榆(Ulmuspumila)、白蜡(FraxinuschinensisRoxb)、圆冠榆(Ulmusdensa)、樟子松(Pinussylvestrisvar.)与红皮云杉(PiceakoraiensisNakai)5个树种。研究于2019年6月，在乌鲁木齐京新高速公路旁设置3个采样点，每个采样点选取5×3棵树，共计45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绿化树种，分别在树种的各个方向(东西南北)采集树叶、树枝和树皮，并分别对应混匀作为1个样品，在树冠垂直投影2/3处4个方向采集树根与根际土壤(0～20 cm)，并混匀作为1个样品。表1

1.2 方 法

1.2.1 样品处理

植物样品处理：采集的植物样品用蒸馏水冲洗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，110℃杀青，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 HNO3，置于通风橱中过夜预消解，消煮1 h后冷却30 min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，待测。土壤样品处理：自然风干并除去土壤中的其他异物，磨碎过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，加入5 mL HNO3，2 mL HCIO4，放入消煮炉中加热3 h左右。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(ICP-OES)测定植物与根际土壤样品重金属(Cu、Ni、Pb、Zn)的含量。

1.2.2 研究区污染综合评价

内梅罗综合污染指数评价[18]：其计算公式为：

Pi=Ci/Si.

式中Pi为i因子的单项污染指数，Ci为i因子的实测浓度值，Si为i因子的评价标准值。Piave为指数平均值；Pimax单项污染物的最大污染指数；P综为采样点的综合污染指数。以新疆环境背景值为参照，具体各元素环境背景值为Cu：26.7、Ni：25.2、Pb：19.4、Zn：68.8[19]。污染等级划分：P综≤0.7为清洁；0.7

1.2.3 植物重金属富集转运系数计算

(1)富集系数(Bioconcentration Factor, BCF)[20]，其计算公式为:

BCF=Ci/Si.

(1)

式(1)中：BCF为富集系数；Ci为地上部第i个植物样品的重金属元素含量；Si为对应土壤样品重金属元素含量。

(2)转运系数(Biological transfer factor)[21]，其计算公式为：

BTF=Cabove/Cunder.

(2)

式(2)中，Cabove为植物地上部位重金属元素的浓度(mg/kg)，Cunder为植物地下部位(根)相应重金属元素浓度(mg/kg)。

1.2.4 各树种对重金属富集能力的综合评价

采用隶属函数法对其进行综合评价[22]，其计算公式为：

X(μ) =(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(3)

(3)式中，X为某一指标的测定值；Xmax为某一指标的测定值中最大值；Xmin为某一指标的测定值中最小值，而后求取隶属函数值的平均值。

1.3 数据处理

采用Excel 2010以及SPSS19.0统计软件对试验数据进行处理，数据表示均为平均值加减标准误差。

2 结果与分析

2.1 研究区不同树种根际土壤重金属含量分析及污染评价

研究表明，变异系数都在30%以下，快速路区各根际土壤中重金属含量变化较小，重金属污染存在较小空间变异性。根际土壤中Cu、Ni、Pb和Zn含量均值分别为40.27、48.03、29.24和120.77 mg/kg。与新疆土壤重金属环境背景值比较，各树种根际土壤重金属含量均高于背景值，土壤中Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量是环境背景值1.51、1.91、1.53和1.76倍。综合评价指数为1.81，在区间1.0

表2 不同树种根际土壤重金属含量Table 2 Contents of heavy metals in rhizosphere soil of different tree species (mg/kg)

2.2 研究区常见绿化树种体内重金属含量

研究表明，树种地下部分重金属含量高于地上部分。树种地上部分Cu、Ni、Pb和Zn含量变化范围分别为15.69～23.99、22.97～25.32、21.61～39.23和27.45～38.50 mg/kg。地下部分Cu、Ni、Pb和Zn含量变化范围分别为28.35～42.01、24.71～32.56、15.35～35.16和33.14～63.17 mg/kg。其中树种地上部分Pb和Zn含量变化范围较大，地下部分Cu和Zn含量变化范围较大。白蜡地上部分Cu与地下部分Cu、Zn的含量最高，分别为23.99与42.01、63.17 mg/kg。红皮云杉地上部分与地下部分Ni含量最高，分别为25.32与32.56 mg/kg。圆冠榆地上部分Pb的含量最高为39.23，白榆地下部分Pb含量最高为5.16；樟子松地上部分Zn的含量最高为38.50 mg/kg。表3

表3 树种不同部位重金属含量Table 3 Contents of heavy metals in different parts of tree species (mg/kg)

2.3 研究区绿化树种对根际土壤重金属的富集效应

研究表明，地上部分：圆冠榆对Cu、Pb的富集系数最大分别为0.62、1.51；红皮云杉对Ni、Zn的富集系数最大分别为0.60、0.34。地下部分：白蜡对Cu、Zn的富集系数最大分别为0.99、0.53；红皮云杉对Ni的富集系数最大为0.77；圆冠榆对Pb的富集系数最大为1.20。地上部分圆冠榆、红皮云杉对Pb的富集系数大于1；地下部分樟子松、圆冠榆对Pb的富集系数大于1。树种对Cu的富集系数为：白蜡>红皮云杉>圆冠榆>樟子松>白榆；对Ni的富集系数为：红皮云杉>白榆>樟子松>白蜡>圆冠榆；对Pb的富集系数为：圆冠榆>樟子松>白蜡>红皮云杉>白榆；对Zn的富集系数为：白蜡>樟子松>红皮云杉>圆冠榆>白榆。表4，图1

2.4 研究区绿化树种对根际土壤重金属的综合转运能力评价

研究表明，白蜡、圆冠榆和红皮云杉对Pb的转运系数均大于1，其值分别为1.09、1.26与1.41；白榆对Zn的转运系数大于1，其值为1.14；则说明地上部分重金属含量高于地下部分重金属含量。其他树种对重金属Cu、Ni、Pb与Zn的转运系数均小于1，这可能与植物生理特性以及土壤中重金属含量有关。5种植物对4种重金属的BTF整体表现为Pb>Ni>Zn>Cu。表5

用隶属函数法对研究区绿化树种Cu、Ni、Pb与Zn的转运能力进行综合评价。各树种对重金属Cu、Ni、Pb与Zn的综合转运能力为：圆冠榆>白榆>红皮云杉>樟子松>白蜡。表6

表4 树种各部位对根际土壤重金属的富集效应Table 4 Enrichment effects of different parts of tree species on heavy metals in rhizosphere soil

图1 不同树种对重金属平均富集系数比较Fig. 1 Comparison of average enrichment coefficients of heavy metals by different tree species

表5 树种对重金属的转运能力Table 5 Transport capacity of tree species to heavy metals

表6 转运系数隶属度Table 6 Analysis of membership degree of transfer coefficient

2.5 研究区土壤—树种重金属含量相关性

研究表明，白榆、樟子松体内重金属Cu、Pb与土壤重金属Cu、Pb、Zn含量呈显著正相关(P<0.01)；白蜡体内重金属Cu、Zn与土壤重金属Cu、Pb、Zn含量呈显著正相关(P<0.05)；圆冠榆体内重金属Pb 、Zn与土壤重金属Cu、Pb、Zn含量呈显著正相关(P<0.05)；红皮云杉体内重金属Cu、Ni与土壤中重金属Zn的含量呈显著正相关(P<0.05)，红皮云杉体内重金属Zn与土壤中重金属Cu、Pb的含量呈显著正相关(P<0.05)。植物体与土壤中相同重金属有显著的相关性；植物体内与土壤中重金属Cu、Pb、Zn含量具有较强的同源性，土壤重金属浓度在一定范围内，对植物体内相应重金属含量有促进作用。表7

表7 树种体内重金属含量与土壤重金属含量Pearson相关性Table 7 Pearson correlation analysis of heavy metal content in tree species and soil

3 讨 论

富集系数是用来衡量植物对土壤中重金属元素累积能力，富集系数越大，则植物对该重金属的迁移能力越强[23]。转运系数是衡量植物对重金属的转运能力，即植物地上部与地下部重金属含量的比值[24]。分析各重金属之间的相关性，可以进一步了解各重金属之间相互关系及转移规律[25]。高速路域土壤重金属污染有相关研究[26]。相关研究表明，高速公路在营运过程中，车辆零部件的老化、磨损掉漆、尾气排放、轮胎摩擦、机油泄漏等是导致高速路域重金属污染的主要原因[4,9,27]。SUN CY等[28]研究表明，Zn和Pb为高速路域主要重金属污染元素；甄宏[29]研究表明，路边土壤重金属Zn污染物主要来源于机动车轮胎的磨损。土壤中重金属Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量均高出了当地环境背景值。阿迪莱等[30]研究表明，土壤中Cu、Pb的平均值分别为新疆土壤背景值的1.50、1.24倍，与研究结果类似。对研究区采用内梅罗综合污染指数评价，综合评价指数为1.81，在区间1.0

绿化树种是交通路域的主要植物类型，有生命周期长、绿化环境的特点[34]，在重金属防治方面发挥着重要作用，既能通过地上部分吸附空气中的重金属，又能通过地下部分(植物根系)吸收土壤中的重金属，从而对重金属污染区域起到净化作用[35]。研究通过对快速路侧不同绿化树种重金属含量的测定结果表明，不同树种体内重金属含量有所不同；相同环境下，同种树种对不同重金属的富集效应不同。这可能与树种生理生化和遗传特性有着密切的关系[36]。树种地下部分重金属含量高于地上部分。同一种植物不同部位对金属元素吸收、迁移、累积的能力不同, 不同器官对不同重金属元素吸收、富集、吸收的特性也不同[37]。通过富集转运系数计算的，圆冠榆和红皮云杉对Pb的富集转运系数均大于1，则该树种对于重金属Pb具有超积累性质[38]。树种对重金属富集能力不同的根本性原因在于树种的差异，其次根际土壤中重金属浓度也对根系重金属的富集吸收有很大影响[39]。也会因重金属元素种类及形态的不同，树种对重金属吸收能力也会存在差异。

树种对重金属的富集吸收特性，树种的种类起到决定性因素，同时树种体内的重金属含量与环境中的重金属含量呈显著的正相关[25]。研究通过相关性分析表明，树种体内与土壤中相同重金属有显著的相关性；树种体内与土壤中重金属Cu、Pb、Zn含量具有较强的同源性，土壤重金属浓度在一定范围内，对植物体内相应重金属含量有促进作用。王慧等[25]研究表明，高速路旁土壤中Pb、Cr、Cu与Zn这4种重金属元素之间有良好的同源关系, 土壤Cu、Zn与植物中同种元素含量呈正相关关系，与研究一致。树种体内重金属含量与土壤重金属有较强的同源性，同一化学性质的重金属之间有促进作用。探明各重金属种类之间的相关性，还需相同领域学者进行大量的试验研究，为重金属污染提供更好的治理措施。树种与土壤中相同重金属有显著的相关性；树种体内与土壤中重金属Cu、Pb、Zn含量具有较强的同源性，土壤重金属浓度在一定范围内，对树种体内相应重金属含量有促进作用。

4 结 论

4.1根际土壤中Cu、Ni、Pb和Zn含量均值分别为40.27、48.03、29.24和120.77 mg/kg，分别是新疆土壤重金属环境背景值1.51、1.91、1.53和1.76倍。对研究区采用内梅罗综合污染指数评价，污染区为轻度污染。

4.2树种地下部分重金属含量高于地上部分。树种对Cu的富集系数为：白蜡>红皮云杉>圆冠榆>樟子松>白榆；对Ni的富集系数为：红皮云杉>白榆>樟子松>白蜡>圆冠榆；对Pb的富集系数为：圆冠榆>樟子松>白蜡>红皮云杉>白榆；对Zn的富集系数为：白蜡>樟子松>红皮云杉>圆冠榆>白榆。

4.3冠榆、红皮云杉对Pb的富集系数与转运系数均大于1，冠榆、红皮云杉对重金属Pb具有超富集效应。5种植物对4种重金属的BTF整体表现为Pb>Ni>Zn>Cu。用隶属函数法对研究区绿化树种Cu、Ni、Pb与Zn的转运能力进行综合评价，各树种对重金属Cu、Ni、Pb与Zn的综合转运能力为：圆冠榆>白榆>红皮云杉>樟子松>白蜡。