桑树对土壤重金属污染修复潜力研究

董中凯，阿丽亚·拜都热拉，宋敏，蔡凯旭，杨公新，孙桂丽

(新疆农业大学林学与风景园林学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

随着国家对西部的大力扶持，新疆东部典型干旱城市吐鲁番市相继引进一系列国内著名的能源化工企业以促进当地经济发展，从而提高人民的生活水平。自2006年以来，诸如中泰化学、圣雄能源、金风科技、天雨煤化等一系列以煤电煤化、新能源装备制造新型建材行业为主导的能源化工企业先后落户于新疆吐鲁番市托克逊县。据环境保护部与国土资源部于2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报》结果显示，全国Cd、As、Cu、Hg等元素污染严重。在区域经济得到飞速发展的同时，工业化和城市化带来的重金属不断进入土壤-植物系统，区域生态环境质量、人体健康及社会经济可持续发展受到严重威胁。

在工业化集约发展的城郊，人为各项生产活动中诸如“三废”的排放，易致使重金属元素在区域土壤中累积，从而对区域环境造成重金属复合污染，对城郊居民健康安全构成一定的威胁。然而，在土壤重金属污染治理中，目前主要基于植物修复。有学者提出应用污染区生长良好的本土先锋植物对土壤重金属污染地进行修复，适生植物在区域特殊的生境下，已形成良好的适应机制，同时避免了引种带来的生态入侵的可能性。研究发现，即使在工业园区等重金属污染较为严重的生境下，也有部分植物能够存活并生长良好[1]。如Yoon等对某工业园区的17种本土植物研究发现，本土植物对Cu、Zn、Pb均具有一定的修复潜力[2]；Malik等对巴基斯坦一工业区周边16种优势植物研究发现，大多数植物可作为区域重金属污染的候选植物[3]；Sun等发现工业区周边的植物对As、Cu、Pb等元素具备一定耐受与累积能力[4]；桑树(Morusalba)具有优良的抗旱、生长快、耐剪伐、耐贫瘠、对土壤适应性强且根系发达等优点，在新疆干旱地区被广泛应用于城市绿化建设中，在干旱区生态系统的恢复、改善及保护中发挥着极其重要的作用。

鉴于此，为明确城郊工业区周边适生树种桑树对土壤重金属污染修复潜力，本研究选取城郊周边桑树为研究对象，采集其土壤、植物样品，测定样品中Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr等9种重金属的含量，量化桑树不同部位对重金属的富集转运能力，进而探究桑树对土壤重金属复合污染修复潜力及在重金属污染预防治理过程中应用前景。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吐鲁番市托克逊县城郊(88°38′43.1″ E，42°46′49″ N)，东与吐鲁番市为邻，南与巴州尉犁县相接，北与乌鲁木齐毗邻，地理位置优越，其工业园区在典型的西北干旱区具有一定的代表性。属于暖温带干旱荒漠气候，年均气温13.8 ℃，极端最高气温为48 ℃，年均降水7 mm，是中国降水最少的县城。土壤质地为荒漠风沙土。因气候、植被等因子制约，区域生态环境脆弱，在工业集约化发展的城郊易受到重金属污染。

1.2 样品采集及测定

通过前期试验样地调研，沿九龙路方向由北至南，分别在九龙路北段、中段、南段进行样品采集，同时选择林带比较集中的区域。在九龙路沿线均匀布设14个样点，采集桑树根际土壤、植物样品。为确保样品代表性，每样点重复采样3次。

土壤样品的采集与处理：使用土钻采集植物根系0～30 cm表层土壤，以四分法取土样后装入自封袋中并进行标号。在实验室剔除样品异物，置于自然条件下风干、磨碎、过100目筛，置于自封袋待测。

土壤样品测定：采用HF-HClO4法进行消解[5]。使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测定土壤样品中重金属Cd、Hg、Pb、Zn、Mn、Ni、As、Cu、Cr的含量。

植物样品的采集：在每个样点选取3株无病虫害、长势相近的植物，并记录胸径、冠幅、株高等生长信息。基于植物木质部较其树叶、树皮富集更稳定特点[6]，因此，本研究桑树地上部以树干、1～2年生枝条代表。分别在冠幅上、中、下三层沿东、西、南、北四个方向用高枝剪采集植物1～2年生枝条；在树干东、西、南、北方向以生长锥钻取树芯，深度超过髓心以采集树干样品；在冠幅投影的2/3处用根钻沿四个方向采集树根样品，将其混合为一个样品。

植物样品处理：用纯净水清洗附着于样品中的杂质，再以超纯水反复清洗，吸水纸吸干样品表面水分后置于恒温烘箱中105 ℃下杀青，65 ℃烘干至恒质量，高速万能粉碎机粉碎，过100目筛，置于自封袋中待测。

植物样品测定：采用HNO3-HCO4消解，4∶1的比例[5]。通过ICP测定植物样品中各重金属含量。

1.3 研究区污染评价

内梅罗综合污染指数法[7，8]计算公式为：

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

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(mgkg-1)；Si为i因子的评价标准(mgkg-1)，评价标准参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)[9],由于缺少Mn的标准值，采用新疆土壤环境背景值代替[10]。Piave为指数平均值；Pimax为单项污染物的最大污染指数；PN为采样点的综合污染指数。

内梅罗综合污染指数分级标准如表1所示。

表1 内梅罗综合污染指数评价分级标准

1.4 植物重金属富集系数计算

富集系数[11]公式为:

(3)

式中：BCF为富集系数；Ci为植物地上、地下部重金属元素的含量(mgkg-1)；Cs为植物根际土壤重金属元素含量(mgkg-1)。

转运系数[12]，其计算公式为：

(4)

式中：Cabove为植物地上部位重金属含量实测值(mgkg-1)；Cunder为植物地下部位重金属元素含量实测值(mgkg-1)。

1.5 数据处理

本研究采用Excel2010、SPSS20.0对试验数据进行制表及统计分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属元素描述性统计

城郊工业区土壤重金属含量如表2所示。土壤中Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr平均含量均低于土壤污染风险筛选值。其中工业区中9种元素分别是对照区土壤的0.77、1.23、1.11、1.39、2.66、1.38、1.26、1.12、1.29倍，表明在特殊地质背景以及人类生产活动共同影响下，区域土壤产生了不同程度重金属累积现象。然而除Mn、Ni、Pb低于新疆土壤环境背景值外，Zn、Cd、Hg、As、Cu、Cr均高于背景值。单因子污染结果表明，土壤中Mn、Ni、Pb污染指数均小于1，表明这3种重金属元素处于清洁状态；Zn、Cd、As、Cr污染指数分别为1.17、1.50、1.47、1.12，均介于1～2之间，表明区域土壤中Zn、Cd、As、Cu、Cr处于轻度污染水平；Hg元素污染指数为3.60，大于3，表明该元素处于重度污染水平。内梅罗综合污染结果表明，区域土壤重金属元素整体处于中度污染水平。变异系数可以很好地反映数据波动程度，反映土壤中重金属元素含量受外界干扰程度强弱。9种元素均属于中等变异(10%

表2 研究区土壤重金属描述性统计结果 (mg·kg-1)

2.2 土壤重金属来源解析

从表3土壤重金属Pearson相关分析可以看出，Cd-Mn、Pb-Hg元素间在0.05级别显著相关；Hg-Mn、Pb-Ni、Hg-Cr、As-Mn、Hg-Cd、As-Cd、Cr-Mn、As-Cr、Hg-As、Cr-Cd均在0.01级别呈现极显著相关关系，表明土壤重金属来源具有较高相似性。然而仅从重金属元素间的相关性不足以解释其来源，须结合多元统计分析方法判定。

表3 研究区土壤重金属元素含量相关性分析

降维处理可以对元素间相关性进行更好的解释。通过对数据进行主成分分析检验，结果如表4。KMO检验值为0.629，且Bartlett球形检验值小于0.05，说明适宜对数据进行主成分分析。经过最大方差旋转后，获得3个特征值大于1的主成分因子，即主成分因子1(4.864)、主成分因子2(1.675)、主成分因子3(1.182)，其中3种主成分因子累积方差贡献率达85.79%，表明可以反映9中重金属总体污染情况。

表4 研究区土壤重金属元素含量主成分分析

土壤重金属受人为生产活动、成土母质因素双重影响，通过主成分分析可以初步识别重金属污染来源。从表4、表5可以看出：主成分因子1方差贡献率为47.561%，Cd、Hg、As、Mn、Cr元素载荷较高，分别为0.926、0.928、0.966、0.76和0.958，主要反映该因子污染来源信息；主成分因子2的方差贡献率为23.611%，Pb、Ni载荷量最高，分别为0.92、0.96，因此认为Pb、Ni的污染信息可以良好地被其反映；主成分因子3方差贡献率为14.620%，Cu元素载荷显著高于其他元素，载荷量为0.882，可以较好反映Cu来源信息。

表5 研究区土壤重金属原始和旋转后的成分矩阵

研究区Cd、Hg、As较强的空间异质性可能与区域煤电煤化、新能源装备制造新型建材行业为主导的能源化工企业的生产活动有关。Cd、Hg、As较强的空间异质性，表明主要受人为源因素影响；Mn、Ni、Zn、Pb、Cu、Cr元素呈中等变异性，可能受人为因素以及自然成土母质双重影响。As被认为是燃煤的标识性元素，主要来源于冶金工业[13]，同时燃煤、金属冶炼使As、Cd显著富集[14]；Cr、Mn元素主要来源于燃煤以及冶金[15]；Hg是燃煤电厂最为典型的排放元素[16]，另电石法PVC的生产工艺中汞触媒是Hg污染的主要来源。在工业化集约发展的城郊，一系列的工业活动会不同程度排放Mn、Cr、Hg、Cd、As等重金属元素,故认为主成分因子1与燃煤以及冶金等活动密切相关。土壤中Pb、Ni均值含量低于新疆土壤环境背景值，且两者变异数较低，表明Pb、Ni可能主要为自然源；岩石风化、自然土壤是影响Mn、Ni元素来源的主要因素[17]；研究区周边有大面积裸露戈壁以及未铺装的土路，在车辆行驶以及剧烈风蚀作用下，机动车零部件磨损以及成土母质因素为Pb、Ni主要污染源。因此，认为主成分因子2可能受交通污染以及成土母质双重影响。研究表明，在家养禽畜饲料中常含有Zn、Cu添加剂[18]，而禽畜对其利用率低下，排泄物中含有大量Zn、Cu[19]。土壤中Zn、Cu含量的累积可能与城郊路缘农田有机肥的长期使用有关；且交通因素对其也有一定贡献。因此，将因子3归为交通源及以有机肥施用的农业源。

2.3 桑树不同部位重金属含量分析

由表6可知，各植物地上、地下部Mn、Zn、Cu、Ni含量较大，或因Mn、Zn、Cu、Ni是植物生长的必需微量元素，是植物体内某些酶的重要组成成分，植物主动吸收所致[20，21]；而Cd、Hg、Pb、As为植物生理非必需元素，生物富集能力较弱，植物少量富集就足以产生毒性效应，因而导致植物对不同元素累积量存在不同差异。各植物对Cr的累积效果也较为明显，除了是植物必须因素外，Cr元素在自然界中多以三价或六价离子形式存在，易与Pb元素形成沉淀，减弱Pb元素对植物体毒害作用有关[22]。植物根部对Ni、Pb、As、Cu富集吸收高于地上部，表明植物从土壤中吸收重金属并稳定于根部，避免对植物地上部分的毒害作用的适应机制所致[23]。Cu、Pb地下部累积量大于地上部，地上部Zn元素显著大于地下部，究其原因，可能是Cu、Pb沉积性强，易累积于根部；而Zn迁移性强，易运输至地上部所致[24]。植物地上部Hg元素含量大于地上部，或因研究区域生产活动中汞触媒的使用，导致大气中Hg元素的释放，通过大气沉降被植物地上部吸收所致。研究发现，植物在环境中的这种适应机制说明，可以平衡植物对重金属元素的富集转运机制[25]。

表6 桑树不同部位重金属元素含量

2.4 桑树中重金属元素相关性研究

为表征植物中9种不同重金属元素中的某一化合物或多种化合物的富集吸收、转运特征或重金属来源的信息，对9种植物中重金属元素进行相关性分析。

桑树的相关系数如表7所示：Pb-Ni元素呈显著正相关(P<0.05)，相关系数为0.540；Hg-Mn、Mn-As、Cd-Cr、Hg-As均在0.01级别呈现极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.787、0.719、0.886、0.945。

表7 桑树重金属元素相关性分析

为了对研究区内各适生植物中重金属元素间相关性更好的解释，需要进行降维处理，通过对各植物中重金属进行KMO检验和Bartlett’s球度检验,得到KMO检验值为0.513，Bartlett球型检验值小于0.05，表明适宜主成分分析。

表8 桑树重金属元素含量主成分分析

将桑树中的重金属经最大方差旋转后共取得4个特征值大于1的主成分因子，即主成分因子1(3.314)、主成分因子2(2.174)、主成分因子3(1.291)，主成分因子4(1.135)，其中4种主成分因子累积方差贡献率达87.93%，所提取的4个因子可大致反应植物重金属的总体信息。其中PC1中As、Hg、Mn具有较高载荷，该因子主要反映桑树对As、Hg、Mn元素富集转运特征的相似性；PC2中Cd、Cr具较高正载荷，主要反映Cd、Cr的富集转运的相似特征；PC3的Pb、Ni载荷较高，因此认为这2种元素可以较好反映该植物对其富集转运的相似性；PC4中Zn、Cu元素载荷较高，主要反映桑树富集转运Cd、Cr元素特征的相似性。

2.5 桑树对重金属修复潜力分析

富集系数是衡量植物修复土壤重金属元素的一个重要指标，当富集系数大于1时，表明该植物具备良好的富集潜力。另有研究认为，木本植物生物量远大于草本植物，木本植物富集系数大于0.4则可认定为对土壤重金属污染具有较强的富集能力；富集系数0.1～0.4则可认定为具备一定富集能力；富集系数小于0.1的木本植物则为富集能力低的植物[26]。富集系数以及转运系数可衡量植物对重金属修复潜力强弱，富集、转运系数越大，表明植物对重金属修复潜力越强，反之则越弱。

由表9可知，桑树地上部对Cd、Pb、Cr元素富集系数均不大于0.1，桑树地上部表现出对该元素的低富集能力；地上部对Mn、As、Cu元素富集系数均为0.1～0.4，表明桑树地上部对Mn、As、Cu具备一定的富集能力；桑树地上部对Zn、Hg富集系数分别为0.44、0.52，表明桑树对其良好的富集能力；桑树地上部对Ni元素富集系数为1.37，表现出良好的富集能力。桑树地下部对Cd元素的富集系数为0.04，表现出桑树地下部的低富集能力；地下部对Mn、Zn、Pb、As、Cr元素富集系数为0.1～0.4，表明桑树地下部对其具备一定的富集能力；地下部对Hg、Cu元素富集系数分别为0.40、0.44，地下部表现出对Hg、Cu具备较强的富集能力；对Ni元素富集系数为2.37，表明桑树地下部对Ni具备良好的富集能力。桑树对Zn、Cd、Hg转运系数均大于1，表现出桑树对Zn、Cd、Hg良好的转运能力。

表10 桑树对重金属富集转运系数

为将桑树对9种重金属元素的综合富集能力进行分级评价，以SPSS26.0软件将9种重金属元素的综合富集系数进行分级，以类间距5作为分界聚类距离，输出谱系图如图1所示。桑树对9种重金属元素综合富集能力共划分为2个等级：Ⅰ级元素为Ni；Ⅱ级元素为Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr。综合分析认为，桑树对Ni元素综合富集能力相比于其他元素较强。

图1 桑树对9种重金属元素综合富集能力分级评价

为将桑树对9种重金属元素的转运能力进行分级评价，以SPSS26.0软件将9种重金属元素的转运能力进行分级，以类间距5作为分界聚类距离，输出谱系图如图2所示。桑树对9种重金属元素转运能力共划分为3个等级：Ⅰ级元素为Cd；Ⅱ级元素为Hg、Zn；Ⅲ级元素为Mn、Ni、Pb、As、Cu、Cr。综合分析认为，桑树对Zn、Cd、Hg转运能力相比于其他元素较强。

图2 桑树对9种重金属元素转运能力分级评价

为将桑树对9种重金属元素的修复潜力进行分级评价，以SPSS26.0软件将9种重金属元素的修复潜力进行分级，以类间距5作为分界聚类距离，输出谱系图如图3所示。桑树对9种重金属元素修复潜力共划分为3个等级：Ⅰ级元素为Ni；Ⅱ级元素为Hg、Zn、Cd；Ⅲ级元素为Mn、Pb、As、Cu、Cr。综合分析认为，桑树对Ni、Zn、Cd、Hg具有较强的修复潜力。

图3 桑树对9种重金属元素修复潜力分级评价

3 结论

3.1 单因子污染结果表明：城郊工业区土壤中Mn、Ni、Pb元素处于清洁状态；Zn、Cd、As、Cr处于轻度污染水平；Hg元素处于重度污染水平。内梅罗综合污染结果表明，区域土壤重金属元素整体处于中度污染水平。主成分分析结果显示，Mn、Cr、As、Hg、Cd污染可能不同程度受燃煤、金属冶炼等因素影响；Pb、Ni可能来源于交通源；Cu可能来源于交通源及以有机肥施用的农业源。

3.2 经主成分分析，桑树对As-Hg-Mn，Pb-Ni，Cd-Cr，Zn-Cu元素富集转运特征具有较高的相似性且来源可能相同。

3.3 桑树对重金属富集能力整体表现为地上部大于地下部，地上部较强的富集能力可能与土壤、大气以及植物自身吸收特性有关。综合分析认为，桑树对Ni元素综合富集能力相比于其他元素较强；对Zn、Cd、Hg具有较强的转运能力；对Ni、Zn、Cd、Hg具有较强的修复潜力，其中对Ni元素的修复潜力最强。桑树在区域重金属污染修复治理中发挥着重要生态价值。