湿地池杉不同营养器官富集重金属特征

骆子璇, 胡海波, 贾西川, 陈建宇

(南京林业大学南方现代林业协同创新中心/江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏 南京 210037)

湿地在调节气候、净化污染、调蓄洪水、涵养水源和维持生态系统平衡等方面发挥着重要作用.近年来，随着社会经济的急速发展和城市化进程的加快，频繁的人类活动给湿地造成了一定程度的重金属污染问题，这引起了大量学者的广泛关注[1-4].有研究表明，湿地植物可通过其特有的生长特性，采取提取、稳定、挥发和根系过滤等一系列方式修复湿地的重金属污染[5].Deng et al[6]和Aliya et al[7]研究表明，湿地造林树种绿化覆盖面积大，对重金属有富集、吸收和转化作用[6-7].

池杉(Taxodiumascendens)是南京江北地区几片典型湿地内的优势树种，可以抵抗深淹胁迫[8-9]，能够被用于湿地绿化和景观营造，同时对底泥重金属污染具有一定的修复、净化效果[10].目前，有关湿地植物修复重金属污染的研究主要集中在湿地草本植物和阔叶树种方面.例如：蒋伟等[11]研究表明，美人蕉(Cannaindica)、风车草(Cyperusalternifolius)、香蒲(Typhaorientalis)3种湿地植物对铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、铬(Cr)的富集能力和转移能力均较高；刘晖等[12]研究表明，广玉兰(Magnoliagrandiflora)各营养器官对重金属的富集能力表现为树干>树枝>树叶.但是，关于湿地木本植物对重金属富集、转移作用的研究较少[13-14].本研究以南京江北地区5片典型湿地池杉林为研究对象，测定底泥的Cu、Zn、Pb、Cr含量并分析池杉各营养器官对各重金属元素的富集、转移特征，以了解这些湿地池杉林的土壤性状以及池杉对土壤环境的净化、修复功能，为湿地池杉林生态系统的管理提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取南京市江北地区典型的5片湿地池杉林进行取样，这些池杉林都位于滁河流域沿线.滁河位于江淮之间，属于长江下游左岸一级支流，经南京江北地区流入长江，该流域是重要的农业产地，周边村庄较多，具有一定程度的农业面源污染.滁河湾池杉林位于滁河流域下游的南京市六合新城滁河滨水区生态廊道内，鸟类、鱼类、两栖类和植物等生物种类丰富；池杉湖池杉林位于滁河流域中游的南京市六合区程桥街道的国家湿地公园内，为华东最大的池杉林，素有“百鸟天堂”的美誉；大泉湖池杉林和止马岭池杉林位于滁河流域源头的南京市六合区竹镇街道，该地的池杉主干挺直，形状优美.各取样地概况见表1.

表1 取样地概况Table 1 General information of the study area

1.2 样品采集与处理

于2020年5月分别在5片池杉林中设置采样点.每个采样点选取6棵长势一致的池杉，在每棵树的东、西、南、北4个方向，分别采集树枝、树皮、树叶和树根.每类样品分别混匀并取混合样，同时在池杉样株周围采集底泥(0～20 cm)样品，装入自封袋，贴好标签，带回实验室处理.

1.3 指标测定与计算方法

植物样品(树枝、树皮、树叶和树根)和底泥样品中的重金属均采用三酸(HNO3-H2SO4-HClO4)消化法消化、定容、保存，用火焰原子吸收光谱法测定Cu、Pb、Zn、Cr含量[15].

根据池杉树根、树皮、树枝和树叶中重金属含量，计算生物富集系数(bio-concentration factor,FBC)[19]和生物转移系数(translocation factor,FT)[20].FBC=植物各部分中某重金属元素含量/底泥中该重金属元素含量；FT为植物地上部分某重金属元素含量与该植物根部该重金属元素含量的比值[21].

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019对数据进行初步统计，采用SPSS 23.0软件进行方差分析，采用Origin 2019软件作图.

2 结果与分析

2.1 底泥中重金属含量与潜在生态风险评价

池杉林底泥中重金属含量见表2.经单因素方差分析，各取样地底泥中重金属含量不同，且存在显著差异(P<0.05).Cu含量表现为止马岭池杉林最高(87.70 mg·kg-1)、大泉湖池杉林最低(23.39 mg·kg-1)；Zn含量表现为池杉湖池杉林2最高(120.32 mg·kg-1)、大泉湖池杉林最低(50.27 mg·kg-1)；各取样地底泥中Pb含量均较低；Cr含量表现为止马岭池杉林最高(159.76 mg·kg-1)、滁河湾池杉林最低(50.80 mg·kg-1).

表2 池杉林底泥中重金属含量1)Table 2 Contents of heavy metals in the sediments of T.ascendens forests mg·kg-1

5片湿地池杉林底泥中重金属含量大体表现为Zn>Cr>Cu>Pb，且具有显著差异(P<0.05).其中：止马岭池杉林、池杉湖池杉林1、池杉湖池杉林2底泥中的Cu、Zn、Cr含量均超过南京地区背景值；而对于Pb含量，仅池杉湖池杉林2的值略超过地区背景值.

表3 底泥中重金属的潜在生态危害系数Table 3 Potential ecological hazard coefficients of heavy metals

2.2 池杉各营养器官中的重金属含量

池杉不同营养器官中的重金属含量存在一定差异，且不同取样地之间也具有一定差异.从图1可以看出，池杉同一器官中的Cu、Zn、Pb、Cr含量同样存在较大差异，各营养器官基本表现为Zn含量最高、Pb含量最低.

滁河湾池杉林树根中4种重金属元素含量大小排序为Zn(64.08 mg·kg-1)>Cu(36.78 mg·kg-1)>Cr(21.61 mg·kg-1)>Pb(5.18 mg·kg-1)；树皮和树枝表现为Zn含量显著大于Cu含量(P<0.05)，Cr含量显著大于Pb含量(P<0.05)，Cu与Cr含量差异不显著(P>0.05)；树叶则表现为Zn含量显著大于Cu、Cr、Pb含量(P<0.05)，而Cu、Cr、Pb含量差异不显著(P>0.05).

A～E分别表示滁河湾池杉林、池杉湖池杉林1、池杉湖池杉林2、大泉湖池杉林、止马岭池杉林.不同大写字母表示同一器官不同元素间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同一元素不同器官间差异显著(P<0.05).图1 池杉不同营养器官中的重金属含量Fig.1 Contents of heavy metals in different vegetative organs of T.ascendens forests

池杉湖池杉林1树根和树枝一致表现为Zn含量显著大于Cu含量(P<0.05)，Cr含量显著大于Pb含量(P<0.05)，Cu与Cr含量差异不显著(P>0.05)；树皮表现为Zn含量显著大于Cr、Cu、Pb含量(P<0.05)，且Cu与Pb含量差异不显著(P>0.05)；树叶表现为Zn含量显著大于Cu、Cr、Pb含量(P<0.05)，且Cu、Cr、Pb含量差异不显著(P>0.05).

池杉湖池杉林2、大泉湖池杉林及止马岭池杉林3片取样地池杉各营养器官中4种重金属元素含量特征大致相同，基本表现为Zn含量最高，Cu与Cr含量无明显差异，Pb含量最低.

从单种重金属元素来看，Zn在池杉各营养器官中的平均含量最高.滁河湾池杉林不同营养器官中Zn含量差异不显著(P>0.05)；而池杉湖池杉林1树枝中的Zn含量显著大于树叶(P<0.05)，树根和树皮中的Zn含量居中；池杉湖池杉林2、大泉湖池杉林及止马岭池杉林的Zn含量均表现为树枝最高，树皮和树叶较低.滁河湾池杉林、池杉湖池杉林1和池杉湖池杉林2的Cu含量一致表现为树根显著大于树皮(P<0.05)，树枝显著大于树叶(P<0.05)；而止马岭池杉林树根中的Cu含量显著大于树皮、树枝、树叶(P<0.05).滁河湾池杉林、池杉湖池杉林1、池杉湖池杉林2和大泉湖池杉林的Pb含量一致表现为树皮最高，树根较少；而止马岭池杉林树枝中的Pb含量最高，树叶最低.5片池杉林的Cr含量一致表现为树根、树皮、树枝显著大于树叶(P<0.05).

总体而言，池杉各营养器官中重金属含量表现为Zn>Cr>Cu>Pb、树枝>树根>树皮>树叶；Zn在树枝中含量最高，Cr在树根、树皮、树枝中的含量无明显差异；Cu在树根中的含量最高；Pb在树皮中的含量最高.

2.3 池杉各营养器官对重金属的富集系数和转移系数

由表4可知，池杉不同营养器官对各重金属元素的富集、转移能力存在明显差异，FBC为0.07～1.76，FT为0.27～2.48.

池杉树根对Cu的富集能力最强，FBC均值为0.63，显著大于树叶对Cu的FBC(0.20)(P<0.05).

表4 池杉各营养器官对重金属的生物富集系数(FBC)和生物转移系数(FT)1)Table 4 Bio-concentration factor and translocation factor of heavy metals in different vegetative organs of T.ascendens forests

池杉对Zn的富集能力则表现为树枝最强，FBC均值为0.99，树根、树皮、树叶对Zn的FBC均值分别为0.75、0.66、0.61.

池杉各营养器官对Pb、Cr的富集能力较对Cu、Zn弱，树皮对Pb的FBC均值(0.62)显著大于树根(0.35)、树枝(0.40)及树叶(0.39)(P<0.05).池杉树根、树皮、树枝对Cr的FBC无显著差异(P>0.05)，均值分别为0.30、0.31、0.34，显著大于树叶对Cr的FBC均值(0.10)(P<0.05).

树根对4种重金属元素的FBC合计为2.03，树皮为1.99，树枝为2.19，树叶为1.30，综合富集能力表现为树枝>树根>树皮>树叶.

池杉对Cu的转移能力表现为树枝(0.71)>树皮(0.62)>树叶(0.33)，对Zn的转移能力表现为树枝(1.32)>树皮(0.85)>树叶(0.84)，对Pb的转移能力表现为树皮(1.90)>树叶(1.24)>树枝(1.20)，对Cr的转移能力表现为树枝(1.15)>树皮(1.07)>树叶(0.35).

综上所述，池杉对Cu、Zn、Pb、Cr均有较好的富集作用，其中对Zn的富集能力最强.池杉的树皮、树枝、树根中重金属含量较高，树叶中则普遍较低；池杉对Cu、Zn、Pb、Cr的综合FBC分别为0.42、0.75、0.44、0.26，表现为Zn>Pb>Cu>Cr；各营养器官对4种重金属元素总的富集能力表现为树枝>树根>树皮>树叶；池杉树皮、树枝、树叶对根部4种重金属元素的FT均值分别为1.11、1.10、0.69，表现为树皮>树枝>树叶.

3 讨论

有研究表明，植物从土壤中吸收重金属元素的总量与底泥中重金属元素含量具有显著的相关性[23].本研究结果也表明，5片湿地池杉林底泥和各营养器官中的重金属含量均表现为Zn>Cr>Cu>Pb.该结果与其他类似研究得出的Pb比Cr、Cu含量高[24-25]的结论不一致，这可能是由于不同研究区中重金属元素成分和含量不同.在5片池杉林中，池杉湖池杉林2底泥中的Pb含量略超过地区背景值，部分池杉林的Cu、Zn、Cr含量超过地区背景值.这说明这5片湿地池杉林生态系统存在一定的重金属污染.有研究表明，畜禽粪便和农药会造成重金属Cu、Zn和Cr的积累[26-27]；Post et al[28]研究表明，鸟粪中含有较多的Cu、Zn元素，且饲料的投用及农药、化肥的不合理使用等均可能会引起重金属污染.因此，推测湿地池杉林污染可能与周边农药、化肥的施用以及鸟类活动有关[29].

池杉对底泥中的重金属有一定富集、转移能力，且不同营养器官富集和转移的重金属的量不同.有研究表明，树根中重金属含量一般比其他器官高[30]；刘丽等[31]研究发现，红皮云杉(Piceakoraiensis)中重金属的富集量表现为Cr>Pb>Cd，且各营养器官的富集能力排序为树根>树枝>树叶>树皮.但是，本研究中仅Cu在树根中的富集量比在其他3种器官中高，Zn、Cr、Pb在树根中的富集量均较低.由此推测池杉树根对不同重金属元素的富集具有选择性.也有研究表明，树叶对重金属的吸收能力高于其他器官[32]；童方平等[33]研究发现，轻度污染矿区的女贞(Ligustrumlucidum)对Zn、Pb 的富集能力排序为树叶>树枝>树根.而本研究结果显示，树皮和树枝中的重金属含量基本高于树叶中的重金属含量，可能由于池杉为针叶树种，树叶转移根部重金属的能力较弱，同时，5片池杉林均有鸟类栖息，鸟粪的残存可能增加了树皮和树枝的重金属含量.

有研究表明，湿地树种对重金属污染能起到较好的修复作用：一方面通过树根吸收沉积物及土壤中的重金属；另一方面通过树皮、树枝、树叶吸附空气中的重金属[34].刘云鹏等[35]研究表明，太湖7个造林树种对重金属的综合吸滞能力排序为杞柳(Salixintegra)>池杉>垂柳(S.babylonica)>落羽杉(Taxodiumdistichum)>湿地松(Pinuselliottii)>水杨梅(Adinarubella)>杨树(Populus)，说明池杉具有较强的重金属吸附能力，对重金属污染能起到较好的修复作用.

4 结论

5片湿地池杉林底泥和各营养器官中的重金属元素含量大体表现为Zn>Cr>Cu>Pb，均属于轻微生态危害；而5片池杉林对各重金属元素的综合富集能力排序为Zn>Pb>Cu>Cr.

各营养器官对4种重金属元素的综合富集能力排序为树枝>树根>树皮>树叶.池杉树皮、树枝、树叶对根部4种重金属元素的转移能力排序为树皮>树枝>树叶.池杉可作为湿地土壤重金属污染修复的优良树种，但其净化能力有限，仍须控制外源污染.