哈爾濱市7種人工林重金屬累積特征*

薛佳夢高　禾祝　寧孫慧珍**

（1.黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院，哈爾濱　150056；2.東北林業(yè)大學(xué)生態(tài)研究中心，黑龍江　哈爾濱　150040）

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哈爾濱市7種人工林重金屬累積特征*

薛佳夢1高禾2祝寧2孫慧珍2**

（1.黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院，哈爾濱150056；2.東北林業(yè)大學(xué)生態(tài)研究中心，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：以東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地的興安落葉松林、樟子松林、黑皮油松林、黃菠羅林、蒙古櫟林、水曲柳林和白樺林為研究對象，對樹干中Zn、Cu、Pb、Cd、Hg和As 6種重金屬累積量進(jìn)行測定的結(jié)果表明，不同人工林對重金屬的綜合累積能力存在差異，排序結(jié)果為：白樺林>興安落葉松林>水曲柳林>樟子松林>蒙古櫟林>黃菠羅林>黑皮油松林。

關(guān)鍵詞：城市森林；人工林；環(huán)境保護；重金屬；累積量

*國家“十一五”林業(yè)科技支撐計劃項目（2006BAD0306）和黑龍江省高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃項目（1154G50）資助

城市森林在凈化城市空氣、改善人居環(huán)境、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義。當(dāng)前，隨著城市規(guī)模的急劇擴大，污染源逐漸增多，城市環(huán)境不斷劣化，尤其是城市重金屬污染因其易富集、難治理、存留時間長的特點，引起了公眾的廣泛關(guān)注。森林不僅具有吸附污染物質(zhì)、改善周圍環(huán)境的生態(tài)學(xué)作用，而且對重金屬的消減作用十分顯著，因此，城市森林已成為消減城市重金屬污染的重要解決方案。本研究以位于哈爾濱市區(qū)核心地帶的城市森林——東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地為研究地區(qū)，以7種典型人工林為研究對象，分析不同人工林重金屬累積量特征，以期篩選出能夠減弱重金屬污染、修復(fù)城市生態(tài)環(huán)境的綠化樹種。

1　研究地區(qū)與研究方法

1.1研究地概況

東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地位于哈爾濱市中心城區(qū)，占地面積約44 hm2，地處松花江第3階地，屬溫帶季風(fēng)性氣候，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥。年均氣溫3.5℃，1月均溫- 19.2℃，7月均溫22.7℃，≥10℃年積溫2 757℃。年均降水量534 mm，降水集中在7～8月。年干燥度1.1，年均相對濕度67%。原生植被為溝谷草甸草原，土壤類型為黑土。20世紀(jì)50年代栽有興安落葉松、樟子松、黑皮油松、黃菠羅、蒙古櫟、水曲柳和白樺等人工純林，每個樣地面積70 m×70 m，造林方式為小面積純林塊狀混交。各人工林基本特征見表1，其中各樹種木材密度等數(shù)據(jù)引自《中國主要木材物理力學(xué)性質(zhì)》一書。

表1　不同類型人工林基本特征

1.2樣品采集

由于東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地嚴(yán)格限伐，項目組僅在興安落葉松、樟子松、黑皮油松、黃菠羅、蒙古櫟、水曲柳和白樺人工林樣地的中心位置各選擇健康標(biāo)準(zhǔn)木1株，將其伐倒后，截取根莖、胸徑、1/2樹高和3/4樹高圓盤，標(biāo)記圓盤帶回實驗室。圓盤經(jīng)風(fēng)干、打磨、拋光后，用Windendro年輪掃描系統(tǒng)定年。每個圓盤以髓心為中心，沿東西南北四個方向切下2 cm寬長條，利用不銹鋼解剖刀從形成層至髓心依次切取2000～2007年、1990～1999年、1978～1989年、1963～1977年、1959～1962年和1958年之前等多個生長年輪，經(jīng)過風(fēng)干、粉碎后混合，形成7件成分均一的實驗樣品，經(jīng)105℃烘干恒定質(zhì)量后放至干燥器中保存。

1.3樣品分析

分別選取7種人工林實驗樣品，每種稱取0.25 g后按以下步驟進(jìn)行試驗：（1）將樣品置于酸煮洗凈的聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL HNO3和1 mLH2O2；（2）虛掩罐蓋，置于通風(fēng)櫥中預(yù)消解1 h；（3）將消解罐旋緊，放入微波消解儀（MARS5，CEM，USA）消解；（4）樣品冷卻至常溫，將樣品轉(zhuǎn)移到PET塑料瓶中；（5）洗滌高壓消解罐內(nèi)罐及蓋子3～4次，洗液合并至PET瓶中，定容50 g混勻；（6）通過電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（Agilent 7 500 a，Agilent Technologies Co，USA）測定Zn、Cu、Pb、Cd、Hg和As含量。重復(fù)以上步驟，即可得到7種人工林樹種重金屬的平均含量。

1.4數(shù)據(jù)計算

數(shù)據(jù)計算分為三個步驟：（1）通過不同類型人工林蓄積量和木材密度之積，求得人工林木材總質(zhì)量；（2）通過樹干重金屬平均含量與木材總量之積，求得不同類型人工林重金屬累積量；（3）采用EXCEL2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。

2　結(jié)果與分析

根據(jù)不同樹種樹干重金屬平均含量（表2），經(jīng)過計算得到不同類型人工林重金屬累積量（表3），經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：

（1）從每種重金屬的總累積量角度分析，7種人工林對于Zn的累積量最高，達(dá)到3.475 kg/hm2；對于As的累積量最低，僅為0.062 kg/hm2，高低值相差50余倍，平均值為0.899 kg/hm2；7種人工林對于6種重金屬的總累積量排序為Zn>Cu>Pb> Cd>Hg>As。

（2）不同人工林對重金屬的綜合累積能力存在差異，其中，白樺林的綜合累積能力最強；黑皮油松林最弱，黃菠羅林與之相近。白樺林、興安落葉松林的綜合累積能力是樟子松林、蒙古櫟林的2倍，樟子松林、蒙古櫟林的綜合累積能力是黃菠羅林、黑皮油松的近2倍。7種人工林的綜合累積能力由強到弱排序為：白樺林>興安落葉松林>水曲柳林>樟子松林>蒙古櫟林>黃菠羅林>黑皮油松林。

表2　不同樹種樹干重金屬平均含量

表3　不同類型人工林重金屬累積量

（3）同一種人工林對6種重金屬累積量也存在差異。在興安落葉松林中，各重金屬累積量排序為：Zn>Cu>Pb>Hg>Cd>As；在樟子松林中，各重金屬累積量排序為：Zn>Pb>Cu>Cd>Hg>As；在黑皮油松林中，各重金屬累積量排序為：Zn>Pb>Cu>Cd> Hg=As；在黃菠羅林中，各重金屬累積量排序為：Zn>Cu>Pb>Hg>Cd>As；在蒙古櫟林中，各重金屬累積量排序為：Zn>Cu>Pb>Hg=As>Cd；在水曲柳林中，Cd和As未檢出，各重金屬累積量排序為：Zn>Cu>Pb> Hg>Cd=As；在白樺林中，各重金屬累積量排序為：Zn>Pb>Cu>Cd=As>Hg。經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)，7種人工林對于各種重金屬的累積量排序趨于一致，并且存在著Zn、Cu、Pb累積量較高，Hg、As、Cd累積量較低的共性特征。

（4）同一種重金屬在不同人工林中的累積量存在差異。Zn在白樺林中檢出最多（1.27 kg/hm2），其累積量在不同人工林間的排序為：白樺林>興安落葉松林>樟子松林>水曲柳林>蒙古櫟林>黑皮油松林>黃菠羅林。Cu在水曲柳林中檢出最多（0.249 kg/hm2），按累積量排序為：水曲柳林>興安落葉松林>蒙古櫟林>黃菠羅林>白樺林>樟子松林>黑皮油松林。Pb在水曲柳林中檢出最多（0.137 kg/hm2），按累積量排序為：水曲柳林>興安落葉松林>白樺林>蒙古櫟林>樟子松林>黃菠羅林>黑皮油松林。Cd在興安落葉松林中檢出最多（0.027 kg/hm2），按累積量排序為：興安落葉松林>樟子松林>白樺林>蒙古櫟林>黑皮油松林>黃菠羅林>水曲柳林。Hg在興安落葉松林中檢出最多（0.041 kg/hm2），按累積量排序為：興安落葉松林>黃菠羅林=蒙古櫟林=水曲柳林>樟子松林>白樺林>黑皮油松林。As在水曲柳林中未檢出，在蒙古櫟林中檢出最多（0.018 kg/hm2），按累積量排序為：蒙古櫟林>白樺林>興安落葉松林>樟子松林>黃菠羅林>黑皮油松林>水曲柳林。

3　討論

3.1森林可以對周圍環(huán)境中的重金屬進(jìn)行吸附、累積和轉(zhuǎn)移，但其累積能力因樹種、重金屬種類不同而存在差異。通過統(tǒng)計7種人工林對6種重金屬的累積水平，可以得到以下結(jié)論：（1）7種人工林重金屬累積量平均值為0.899 kg/hm2，不同林分的重金屬吸附能力存在差異，大致可分為3個量級。第一量級為白樺林和興安落葉林，均為1.0 kg/hm2以上水平；第二量級為水曲柳林、樟子松林和蒙古櫟林，分別為0.731 kg/hm2、0.643 kg/hm2和0.569 kg/hm2，均為0.5～1.0 kg/hm2水平；第三量級為黃菠羅和黑皮油松，分別為0.374 kg/hm2和0.346 kg/hm2，均為0.5 kg/hm2以下水平。（2）不同類型人工林具有不同的重金屬累積特征。白樺林對Zn的累積能力最強，興安落葉松林對Cd與Hg的累積能力最強，水曲柳林對Pb和Cu的累積能力最強，蒙古櫟林對As的累積能力最強。

3.2有研究表明，對不同地區(qū)人工林下0～30cm處土壤重金屬綜合污染程度進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤的重金屬綜合污染程度與人工林的重金屬累積量趨于一致。因此，若要充分發(fā)揮林木消減環(huán)境重金屬的作用，應(yīng)根據(jù)不同人工林對重金屬的吸納特性，篩選出適宜修復(fù)本區(qū)特定污染物的樹種，并與抗性強的樹種進(jìn)行合理搭配，進(jìn)而實現(xiàn)改善城市生態(tài)環(huán)境、緩解城市污染的目的。

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（責(zé)任編輯：王岳）

AccumulationCharacteristicsofHeavyMetalsforSevenPlantationsinHarbinCity

XUE Jiameng
（Heilongjiang Institue Enviromental Scicnces, Harbin 150056）

Abstract Taking Larix gmelinii, Pinus sylvestris, Pinus tabulaeformis var. mukdensis, Phellodendron amurense, Quercus mongolica, Fraxinus mandshurica, and Betula platyphylla of Northeast Forestry University's forestry station as the research object, determined the six heavy metals content of Zn, Cu, Pb, Cd, Hg, and As in the tree trunk.The results show that the comprehensive accumulation ability of heavy metals by different plantations is different, the ordering result as: Betula platyphylla>Larix gmelinii >Fraxinus mandshurica >Pinus sylvestris >Quercus mongolica >Phellodendron amurense >Pinus tabulaeformis var. mukdensis.

Key words Urban forestry；Plantations; Heavy metals; Accumulation quantity

收稿日期：2015 - 11 - 02

通訊作者：孫慧珍（1973-），女，副教授、博士，主要從事樹木水分生理及城市林業(yè)研究。

作者簡介：第1薛佳夢（1986-），女，碩士，主要從事生態(tài)遙感方向研究。

文章編號：1001 - 9499（2016）01 - 0021 - 03

中圖分類號：S718. 55+1. 2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A