不同園林綠化植物對(duì)土壤重金屬的吸收富集研究

楊亞琴

摘要： 以貴州凱里市道路園林綠化植物為試材，分析其對(duì)Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb 等6 種重金屬元素的吸收富集特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）不同園林植物土壤6種重金屬的平均含量由高到低的順序?yàn)閆n>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，土壤重金屬含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本。（2）不同園林植物相同器官同種重金屬的含量不盡一致，相同器官重金屬含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本；相同器官重金屬的平均含量基本表現(xiàn)為Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd；同種植物重金屬含量在不同器官基本表現(xiàn)為葉>莖>根。（3）3種類(lèi)型園林植物各器官對(duì)6種重金屬元素的富集能力存在一定的差異，由大到小依次基本表現(xiàn)出葉>莖>根，相同器官中重金屬含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本，局部有所波動(dòng)。（4）草本植物對(duì)6種重金屬的轉(zhuǎn)移能力最大，其次是灌木和喬木；同種植物對(duì)不同重金屬的轉(zhuǎn)移能力具有較大差異，其中3種園林植物對(duì)Cd、Ni和Pb的吸收能力高于Zn、Mn和Cu；草本植物對(duì)Cd、Pb、Mn和Cu的吸收能力高于灌木和喬木。（5）相關(guān)性分析表明，土壤重金屬Cu、Ni、Cd、Pb元素的來(lái)源可能相同，3種類(lèi)型園林植物體內(nèi)的重金屬含量主要依賴(lài)于土壤重金屬含量，同時(shí)對(duì)于土壤重金屬的吸收也保持一定的獨(dú)立性。

關(guān)鍵詞： 園林植物；土壤重金屬；吸收；富集

中圖分類(lèi)號(hào)： X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0364-05

土壤是人類(lèi)賴(lài)以生存的重要自然資源，隨著城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，土壤重金屬污染給人類(lèi)帶來(lái)了生存危機(jī)，通過(guò)食物鏈危及人類(lèi)的生命和健康，也對(duì)城市本身的生存與發(fā)展提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-3]。園林綠化植物是城市-自然-景觀復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的一部分，在減少陽(yáng)光輻射、凈化空氣、重金屬修復(fù)、改善城市生態(tài)環(huán)境等方面有著重要的作用[4-6]。通過(guò)種植園林植物逐步吸收土壤中的重金屬元素，進(jìn)而修復(fù)污染土壤的方法——植物修復(fù)技術(shù)，已成為人們研究的熱點(diǎn)[1-3，7-8]。研究城市園林綠化植物對(duì)重金屬的修復(fù)是促進(jìn)城市綠化高效發(fā)展的有效途徑之一，將其作為特色經(jīng)濟(jì)植物用于土壤重金屬修復(fù)具有重要的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)意義[5-7]。不同植物因其本身的生物學(xué)特性的差異，其修復(fù)能力也有較大的差異，選擇適合城市發(fā)展的綠化樹(shù)種，是城市綠地設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是改善城市環(huán)境質(zhì)量的重要保障[5-6，8]。近年來(lái)，重金屬超富集植物的篩選倍受?chē)?guó)內(nèi)外科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，有關(guān)園林植物對(duì)土壤重金屬元素吸收富集特征的研究在不斷涌現(xiàn)[9-11]。筆者以貴州凱里市區(qū)主要綠化植物為研究對(duì)象，對(duì)城市道路中3種類(lèi)型園林植物體內(nèi)不同器官和土壤重金屬進(jìn)行研究比較，為不同植物在園林景觀功能性配置方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期為重金屬污染土壤修復(fù)提供更多的植物種類(lèi)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州凱里市地處云貴高原向中部丘陵過(guò)渡地帶，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷署，氣候溫暖濕潤(rùn)，西北部、西南部和東南部較高，中部和東北部較低，最高處海拔 1 447 m，最低處海拔529 m，年平均氣溫15 ℃，最高氣溫 37 ℃，最低氣溫-7 ℃，年降水量1 240.4 mm，年均日照 1 289 h，無(wú)霜期282 d，四季分明，濕度較大，又屬高原山區(qū)，地勢(shì)差異懸殊，為多種植物生長(zhǎng)提供了豐富多彩的環(huán)境條件。植物種類(lèi)繁多，可開(kāi)發(fā)利用的園林觀賞植物資源豐富，園林觀賞植物約有56科113屬312余種（含變種、變型和亞種），基本形成了形式多樣、物種豐富、布局合理，與自然環(huán)境協(xié)調(diào)一致的園林綠化格局。主要包括：?jiǎn)棠绢?lèi)（黃枝油杉、青巖油杉、翠柏、光葉木蘭、樂(lè)東擬單性木蘭、香樟、光葉木蘭、川含笑、樂(lè)東擬單性木蘭等）、灌木類(lèi)（豆科、葡萄科、薔薇科、茜草科等）、草本類(lèi)（鐵線(xiàn)蕨科、鳳尾蕨科、胡椒科、馬兜玲科、蕁麻科等）。

1.2 采樣方法

2014年8月中旬，根據(jù)凱里市城區(qū)道路園林綠化植物的分布及種類(lèi)，分別在凱里市區(qū)不同街道采集喬木（香樟和桂花）、灌木（女貞和黃楊）、草本（麥冬和蔥蘭）3種類(lèi)型植物，采集和挖取整株植物（喬木挖取部分根，枝剪部分莖和葉片，灌木和草本挖取整個(gè)植株帶回實(shí)驗(yàn)室），在挖取植株的同時(shí)四分法采集3種植物根系周?chē)耐寥溃?～20 cm），土壤經(jīng)自然風(fēng)干，去除石塊、植物殘?bào)w等殘雜物，研磨后過(guò)60目篩后備用。葉片分別從東、西、南、北均勻收集大量成熟葉片，將葉片小心封存于錐形瓶?jī)?nèi)，蒸餾水洗凈整個(gè)植株（分為根、莖和葉），晾干，在105 ℃條件下殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，烘干樣品粉碎過(guò)40目篩。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.2 植物及土壤樣品重金屬的測(cè)定 稱(chēng)取粉碎后的植物或者土壤樣品0.2 g，放入聚四氟乙烯消解罐中，潤(rùn)濕后加入混合酸（HNO3和HClO4體積比為5 ∶ 1）6 mL，新儀MDS6型微波消解儀消解，消解后的樣品經(jīng)加熱趕酸后蒸餾水定容，采用等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）測(cè)定Zn、Mn、Pb、Cu、Ni、Cd含量[9-11]。

植物各器官重金屬含量富集系數(shù)=各器官重金屬含量/土壤重金屬含量[12-13]

轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上（莖和葉的平均值）重金屬含量/地下（根）重金屬含量[12-13]

1.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)分析：Excel 2007數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，SPSS 18.0方差分析，LSD多重比較（P<0.05和P<0.01），單因素方差比較不同植物重金屬含量的差異顯著性（One-way ANOVA），Pearson分析土壤與植物重金屬含量的相關(guān)性（P<0.05和P<0.01），Origin 7.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類(lèi)型園林植物土壤重金屬含量

不同園林植物土壤6種重金屬的平均含量由高到低的順序?yàn)閆n>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，草本平均含量分別為 78.23、54.23、187.54、35.78、4.37、78.54 mg/kg ，灌木平均含量分別為81.96、58.74、205.37、46.58、6.89、92.37 mg/kg ，喬木平均含量分別為105.32、64.98、214.78、48.92、9.12、105.11 mg/kg （表1）。不同園林植物土壤重金屬含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本，其中土壤Zn、Cd、Pb含量在不同園林植物之間差異均顯著；土壤Ni含量在灌木和喬木之間差異不顯著，二者顯著高于草本；土壤Mn、Cu含量在草本和灌木之間差異不顯著，顯著低于喬木。與草本相比較，灌木和喬木Mn含量分別高出4.77%、 34.63%，Cu含量分別高出 8.32%、19.82%，Zn含量分別高出9.51%、14.52%，Ni含量分別高出30.18%、36.72%，Cd含量分別高出57.67%、108.70%，Pb含量分別高出17.61%、33.83%。結(jié)果表明，不同園林植物各種重金屬含量變異程度不一致，其中Cd的變異程度較大，而Zn的變異程度較小。

2.2 不同類(lèi)型園林植物不同器官重金屬含量

不同園林植物同一器官中同一種重金屬的含量不盡一致（表1），同一器官中重金屬含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本，局部有所波動(dòng)；不同園林植物在相同器官重金屬的平均含量由高到低的順序?yàn)閆n>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd；即使是同一種植物，同一種重金屬在不同器官中的含量也不盡相同，同種植物重金屬含量在不同器官基本表現(xiàn)為葉>莖>根；草本植物Mn含量的變化范圍在98.87～135.42 mg/kg 之間，灌木Mn含量的變化范圍在75.23～91.27 mg/kg 之間，喬木Mn含量的變化范圍在109.74～121.54 mg/kg 之間；草本植物Cu含量的變化范圍在79.58～91.37 mg/kg 之間，灌木Cu含量的變化范圍在61.78～71.25 mg/kg 之間，喬木Cu含量的變化范圍在59.12～76.19 mg/kg 之間；草本植物Zn含量的變化范圍在259.87～293.15 mg/kg 之間，灌木Zn含量的變化范圍在256.87～283.13 mg/kg 之間，喬木Zn含量的變化范圍在263.41～283.91 mg/kg 之間；草本植物Ni含量的變化范圍在21.36～36.18 mg/kg 之間，灌木Ni含量的變化范圍在26.79～49.53 mg/kg 之間，喬木Ni含量的變化范圍在 39.54～50.13 mg/kg 之間；草本植物Cd含量的變化范圍在1.23～3.98 mg/kg 之間，灌木Cd含量的變化范圍在1.98～5.25 mg/kg 之間，喬木Cd含量的變化范圍在2.85～6.17 mg/kg 之間；草本植物Cd含量的變化范圍在1.23～3.98 mg/kg 之間，灌木Cd含量的變化范圍在1.98～5.25 mg/kg 之間，喬木Cd含量的變化范圍在2.85～6.17 mg/kg 之間；草本植物Pb含量的變化范圍在33.45～59.41 mg/kg 之間，灌木Pb含量的變化范圍在38.52～51.54 mg/kg 之間，喬木Pb含量的變化范圍在49.52～54.13 mg/kg 之間；其中不同植株體內(nèi)平均Zn含量差異不顯著；不同植株體內(nèi)平均Ni、Cd、Pb含量差異均顯著，草本和灌木植株體內(nèi)Mn含量差異不顯著，但顯著高于喬木；草本植株體內(nèi)Cu含量顯著高于灌木和喬木。

2.3 不同類(lèi)型園林植物重金屬的富集系數(shù)

富集系數(shù)是衡量超富集植物的2個(gè)重要特征，不同植物種類(lèi)以及同一植物的不同器官對(duì)重金屬的吸收富集作用明顯不同，更能夠反映植物對(duì)重金屬的富集和吸收能力[9-11，14]。 3種類(lèi)型園林植物各器官對(duì)6種重金屬元素的平均富集能力分別為1.10、0.89、0.89，草本植物對(duì)6種重金屬的吸收富集顯著高于灌木和喬木，灌木和喬木對(duì)6種重金屬的吸收富集系數(shù)相等，并且差異不顯著；且3種園林植物均表現(xiàn)出對(duì)Zn含量的富集能力最強(qiáng)，平均富集系數(shù)分別為1.45、1.32、1.27，對(duì)Cd和Pb的富集能力最小，Cd的富集系數(shù)分別為0.67、0.54、0.47，Pb的富集系數(shù)分別為0.62、0.48、0.51。草本對(duì)6種重金屬的富集能力從高到低次序?yàn)镃u>Mn=Zn>Ni>Cd>Pb，灌木為Zn>Cu>Mn>Ni>Cd>Pb，喬木為Zn>Mn>Cu>Ni>Pb>Cd；3種類(lèi)型園林植物對(duì)6種重金屬元素富集能力基本表現(xiàn)為草本>灌木>喬木；草本植物對(duì)Mn、Zn、Pb含量的富集系數(shù)均顯著高于灌木和喬木，灌木和喬木對(duì)Mn、Zn、Pb含量的富集系數(shù)差異不顯著；草本、灌木和喬木對(duì)Cu和Cd的富集系數(shù)差異均顯著。3種植物各器官對(duì)6種重金屬元素的富集能力存在著一定的差異，由大到小依次基本表現(xiàn)出葉>莖>根（表2）。

2.4 不同類(lèi)型園林植物重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)

轉(zhuǎn)移系數(shù)是植物地上部分元素的含量與地下部分同種元素含量的比值，用來(lái)評(píng)價(jià)植物將重金屬?gòu)牡叵孪虻厣系倪\(yùn)輸和富集能力。轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，則重金屬?gòu)母迪虻厣掀鞴俎D(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)[9-11，14]。本研究采用植物葉和莖平均元素含量與植物根系中元素含量的比值作為該元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)。考查不同類(lèi)型園林植物各器官對(duì)6種重金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)，草本植物對(duì)6種重金屬的轉(zhuǎn)移能力最大，其次是灌木，最后是喬木（圖2）。同種植物對(duì)不同重金屬的轉(zhuǎn)移能力存在較大差異，草本植物對(duì)6種金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，其中對(duì)Cd的轉(zhuǎn)移能力最高，達(dá)到3.07，其次為Pb（1.67）和Ni（1.49），而對(duì)Zn的轉(zhuǎn)移能力最低（1.05）；灌木對(duì)6種金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)也均大于1，對(duì)6種重金屬的吸收能力依次表現(xiàn)為Cd>Ni>Pb>Mn>Zn>Cu；喬木對(duì)6種重金屬的吸收能力依次表現(xiàn)為Cd>Ni>Pb>Zn>Mn>Cu。 3種不同類(lèi)型園林植物對(duì)Cd、Ni和Pb的吸收能力高于Zn、Mn和Cu；草本植物對(duì)Cd、Pb、Mn和Cu的吸收能力高于灌木和喬木；草本、灌木和喬木對(duì)Zn的吸收能力差異不顯著；3種植物對(duì)Ni的吸收能力依次表現(xiàn)為灌木>草本>喬木，并且3種植物之間差異均顯著。

2.5 土壤重金屬含量的相關(guān)性分析

土壤重金屬的相關(guān)性可以推測(cè)土壤重金屬的來(lái)源是否相同，如果重金屬含量有顯著的相關(guān)性，說(shuō)明其同源的可能性較大，否則來(lái)源不止一個(gè)[9-11，14]。相關(guān)性分析結(jié)果表明：Mn與Cd呈顯著正相關(guān)，Cu與Ni和Cd呈極顯著正相關(guān)，Zn與Ni和Cd呈極顯著正相關(guān)，Cd與Pb呈顯著正相關(guān)（表3）。以上結(jié)果表明，Cu、Ni、Cd、Pb元素的來(lái)源可能相同。

2.6 不同器官與土壤重金屬含量的相關(guān)性分析

對(duì)不同類(lèi)型園林植物各器官中重金屬的含量與土壤重金屬含量相關(guān)性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，草本植物根Cu、Zn和Ni與土壤中Cu、Zn和Ni呈極顯著正相關(guān)；草本植物莖Cu、Zn和Ni與土壤中Cu、Zn和Ni呈極顯著正相關(guān)；灌木根Cu、Zn和Ni與土壤中Cu、Zn和Ni呈極顯著正相關(guān)；灌木莖Cu和Ni與土壤中Cu和Ni呈極顯著正相關(guān)；喬木根Cu和Zn與土壤中Cu和Zn呈極顯著正相關(guān)；喬木莖Cu、Zn、Ni和Pb與土壤中Cu、Zn、Ni和Pb呈極顯著正相關(guān)（表4）。以上結(jié)果表明，3種植物體內(nèi)的重金屬含量主要依賴(lài)于土壤重金屬含量，同時(shí)對(duì)于土壤重金屬的吸收也保持一定的獨(dú)立性。

3 討論

有關(guān)重金屬植物修復(fù)的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了大量的進(jìn)展[9-11]。本試驗(yàn)對(duì)不同園林植物對(duì)土壤重金屬的修復(fù)效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量（GB 15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較（表5），除Mn外，土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均沒(méi)有超標(biāo)，但Cd含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的10.32倍，與貴州省土壤重金屬背景值比較，除Mn外，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb分別超過(guò)貴州省土壤背景值的1.20、1.43、0.38、77.95、2.40倍；除Mn外，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量分別超過(guò)中國(guó)土壤重金屬平均值的1.62、1.73、0.63、69.03、2.54倍。比較結(jié)果表明，貴州省存在較為嚴(yán)重的重金屬污染，其中以Cd的污染最為嚴(yán)重。這種現(xiàn)象主要是由城市園林植物土壤受人類(lèi)活動(dòng)影響程度不同或是栽培園林植物過(guò)程中土壤來(lái)源不同所造成的，也可能是由環(huán)境的污染所導(dǎo)致的[15-16]。

從本研究結(jié)果來(lái)看，不同類(lèi)型園林植物在相同器官重金屬的平均含量由高到低的順序基本為Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，同一器官中重金屬含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本，局部有所波動(dòng)；同種植物重金屬含量在不同器官基本表現(xiàn)為葉>莖>根；3種植物各器官對(duì)6種重金屬元素的富集能力存在著一定的差異，由大到小依次基本表現(xiàn)出葉>莖>根，并且3種類(lèi)型園林植物對(duì)6種重金屬的吸收富集規(guī)律不盡相同，同一器官中重金屬含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本，局部有所波動(dòng)。說(shuō)明了不同植物即使是同一種植物對(duì)不同元素吸收遷移、累積不一樣，不同器官對(duì)不同重金屬元素吸收、富集和吸收特性也不同；一方面反映植物本身的特性，另一方面也反映重金屬對(duì)植物的影響及其在植物體內(nèi)的遷移能力[15-16]。相關(guān)性分析表明，土壤重金屬Cu、Ni、Cd、Pb元素的來(lái)源可能相同，而3種類(lèi)型園林植物根和葉Cu、Zn、Ni與土壤Cu、Zn、Ni呈極顯著正相關(guān)，而其他元素與土壤則并不相關(guān)，表明3種類(lèi)型園林植物體內(nèi)的重金屬含量主要依賴(lài)于土壤重金屬含量，同時(shí)對(duì)于土壤重金屬的吸收也保持一定的獨(dú)立性。

3種類(lèi)型園林植物對(duì)Zn的富集系數(shù)最大，但對(duì)Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)并不是最大，表明了3種類(lèi)型園林植物對(duì)Zn元素同時(shí)具有超富集植物的2個(gè)基本特征，同時(shí)也說(shuō)明3種類(lèi)型園林植物對(duì)土壤Cd污染比較敏感，即植物能將重金屬Zn大量的富集在地下部，表現(xiàn)出一定的富集重金屬的能力；3種類(lèi)型園林植物對(duì)Cd富集系數(shù)較小，對(duì)Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)最大。可見(jiàn)，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)有一定的區(qū)別，分別表征植物的富集能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，與植物的生理生化和遺傳變異關(guān)系密切[9-11，15-16]。Stalt認(rèn)為地上部分重金屬含量大于根部（轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1）的植物對(duì)重金屬超富集植物的篩選可能更有意義[17]。因此，對(duì)于園林植物，轉(zhuǎn)移系數(shù)越大說(shuō)明其對(duì)土壤重金屬的修復(fù)效應(yīng)越大。本研究發(fā)現(xiàn)，草本和灌木對(duì)6種重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，對(duì)于植物修復(fù)來(lái)說(shuō)非常有利，是良好的土壤修復(fù)效應(yīng)的園林綠化植物，并且對(duì)Cd的吸收能力最強(qiáng)（3種類(lèi)型園林植物Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大）；而喬木對(duì)Mn和Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，并且小于草本和灌木。因此，從土壤重金屬修復(fù)意義來(lái)看，園林草本植物更具有土壤修復(fù)意義。綜合結(jié)果表明，草本植物對(duì)土壤重金屬的吸收能力均較強(qiáng)，具備超富集植物的潛能，植物葉片的貢獻(xiàn)相對(duì)較大。不同園林植物均具有修復(fù)重金屬污染土壤的潛力，今后應(yīng)再進(jìn)一步對(duì)它們所存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

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