云南地區(qū)不同園林植物對土壤重金屬的吸收富集特征

樊佳奇　牛來春　龐磊

摘要：以云南省昆明市道路園林綠化植物（紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷）為試材，采用等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES），分析5種園林綠化植物對6種重金屬元素（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb）的吸收富集特征。結(jié)果表明：不同園林植物土壤重金屬平均含量大小依次為Zn>Mn>Pb> Cu>Ni>Cd，不同園林植物土壤重金屬含量基本表現(xiàn)為 石楠> 枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動(dòng)。昆明市土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均沒有超標(biāo)，但Cd含量是國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的6.0～15.5倍。不同園林植物相同器官中重金屬含量基本表現(xiàn)為石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動(dòng)，重金屬平均含量基本表現(xiàn)為Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，重金屬含量在各器官基本表現(xiàn)為葉>莖>根。不同園林植物對重金屬的富集能力基本表現(xiàn)為Cu=Mn=Zn>Ni>Pb>Cd，各器官對重金屬元素的富集能力基本表現(xiàn)為葉>莖>根；不同園林植物對Cu、Mn、Zn的平均富集系數(shù)均大于1，對Ni的平均富集系數(shù)接近于1，對Pb、Cd的平均富集系數(shù)均小于1；不同園林植物對重金屬的轉(zhuǎn)移能力依次表現(xiàn)為Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。相關(guān)性分析表明，不同園林植物體內(nèi)重金屬含量主要依賴于土壤重金屬含量。紫薇、石榴、石楠對重金屬的吸收和富集作用強(qiáng)于其他園林植物。

關(guān)鍵詞：園林植物；土壤重金屬；吸收；富集

中圖分類號(hào)： X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0467-05

重金屬元素是一類難降解、污染嚴(yán)重、具有累積性的元素，通過生物鏈的富集作用危及人類健康，對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了潛在威脅，也對城市本身的生存與發(fā)展提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-3]。園林植物是城市-景觀復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對大氣中的粉塵、顆粒物有過濾、阻擋、吸附的作用，在凈化空氣、修復(fù)重金屬、調(diào)節(jié)氣候、改善城市生態(tài)環(huán)境等方面起著“除污吐新”的作用，通過種植園林植物修復(fù)重金屬污染土壤已成為近年來的研究熱點(diǎn)[4-5]。為建立良性的城市生態(tài)系統(tǒng)，迫切需要認(rèn)識(shí)園林植物與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，尤其是園林植物在土壤重金屬修復(fù)方面的作用[4-5]。園林植物因其自身的生存環(huán)境和生長規(guī)律，對重金屬的富集及修復(fù)能力差異較大，城市綠地建設(shè)必須遵循植物本身的生長規(guī)律[6-7]。因此，選擇適合城市建設(shè)的園林綠化樹種是城市綠地設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)及改善城市環(huán)境質(zhì)量的重要保障。近年來，有關(guān)園林植物對重金屬元素吸收富集特征的研究較多，關(guān)注的焦點(diǎn)也主要集中在對城市生態(tài)系統(tǒng)園林植物區(qū)系和種類劃分等方面，忽視了園林植物在城市建設(shè)過程中的重要作用。云南省昆明市是我國通往東南亞及南亞次大陸的重要交通樞紐，享有“春城”“花城”的美譽(yù)[8-9]。本研究對昆明市園林植物現(xiàn)狀進(jìn)行摸底調(diào)查，最后在昆明市主要街道選取紫薇（Lagerstroemia indica）、石榴（Punica granatum）、石楠（Photinia serrulata）、海棠（Chaenomeles speciosa）、枇杷（Eriobotrya japonica）等5種主要園林植物，采用等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）分析這5種主要的園林植物對Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb等6種重金屬元素的吸收富集特征，并且對植物體內(nèi)不同器官及土壤中重金屬含量進(jìn)行比較，旨在為不同園林植物在城市景觀配置、重金屬污染防治、選擇合適城建植物等方面提供更多的物種資源。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昆明市（102°10′～102°40′E，24°23′～26°22′N）地處滇中高原的東北部，面積約2.16萬km2，屬亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候，植物資源豐富，日照時(shí)間長，紫外線強(qiáng)度較高，相對濕度為74%，年平均氣溫14.5 ℃，年極端最高溫度為30.4 ℃，最低溫度為-7.8 ℃，無霜期240 d，年平均降水量1 030 mm，中心海拔約1 800 m，大部分地區(qū)海拔為1 500～2 800 m。市區(qū)土壤類型復(fù)雜多樣，多由石灰?guī)r玄、頁巖、武巖等成土母巖發(fā)育而成，主要包括棕壤、紅壤、石灰?guī)r土、水稻土、黃棕壤、沼澤土等，多呈弱酸性，紅壤為基帶土壤，在城市建設(shè)過程中，大量的煤渣和灰燼混雜在土壤中，導(dǎo)致市區(qū)土壤肥力較低。作為中國生物資源和植物區(qū)系最豐富的省份，云南省擁有占全國50%以上的植物種類，近幾年，昆明市城市綠地覆蓋率從1985年的12.23%上升至2012年的43.6%。筆者實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，昆明市道路園林綠化植物中基調(diào)樹種包括香樟（Cinnamomum camphora）、紫薇、石榴、天竺桂（Cinnamomum pedunculatum）、銀杏（Ginkgo biloba）、懸鈴木（Platanus acerifolia）、荷花玉蘭（Magnolia grandiflora）、三角楓（Acer buergerianum）、黃連木（Pistacia chinensis）、滇青岡（Cyclobalanopsis glaucoides）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、桂花（Osmanthus fragrans）、山茶（Camellia japonica）、海棠、枇杷、紅葉檵木（Redrlowered loropetalum）、小葉女貞（Ligustrum quihoui）、南天竹（Nandina domestica）、八角金盤（Fatsia japonica）、杜鵑（Rhododendron）、石楠等。

1.2 采樣方法

根據(jù)昆明市城區(qū)道路園林綠化植物的分布及種類，2013—2015年7月中旬分別在昆明市區(qū)3條主要街道采集紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷等園林植物（作為3次重復(fù)，統(tǒng)計(jì)見表1，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)間為2015年），每條街道分別選取5株紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷作為研究對象，2013年7月中旬第1次取樣時(shí)做標(biāo)記以便長期觀測，分別從每個(gè)植株的東、西、南、北方向均勻收集葉片，枝剪剪取上、中、下部分莖（去皮，盡量不要干擾植物），將剪取的莖、葉封存于錐形瓶內(nèi)，蒸餾水洗凈，晾干，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，粉碎過40目篩保存?zhèn)溆?。同時(shí)挖取不同園林植物的部分根系（夠測量即可），帶回實(shí)驗(yàn)室，采用四分法采集不同園林植物根系周圍的土壤（0～20 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60目篩后備用。

1.3 測定指標(biāo)

稱取粉碎后的植物或者自然晾干的土壤樣品0.2 g，放入聚四氟乙烯消解罐中，加入混合酸HClO4-HNO3-HF（HNO3和HClO4體積比為5 ∶ 1）后采用新儀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）測定植物或者土壤樣品中Zn、Mn、Pb、Cu、Ni、Cd含量。

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[10-11]；

（1）

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[10-11]。

（2）

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析，進(jìn)行LSD多重比較，Pearson分析土壤與植物重金屬含量的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同園林植物土壤重金屬含量

由圖1可知，不同園林植物土壤重金屬平均含量由高到低依次為Zn>Mn>Pb> Cu>Ni>Cd，土壤Mn含量變化范圍為81.7～95.6 mg/kg，平均含量為88.3 mg/kg；土壤Cu含量的變化范圍為53.7～69.5 mg/kg，平均含量為 61.5 mg/kg；土壤Zn含量的變化范圍為187.2～203.5 mg/kg，平均含量為195.7 mg/kg；土壤Ni含量的變化范圍為35.4～48.6 mg/kg，平均含量為40.9 mg/kg；土壤Cd含量的變化范圍為3.6～9.3 mg/kg，平均含量為6.9 mg/kg；土壤Pb含量的變化范圍為76.3～85.6 mg/kg，平均含量為81.6 mg/kg。不同園林植物土壤重金屬含量基本表現(xiàn)為 石楠> 枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動(dòng)，其中土壤Pb含量在不同園林植物之間多差異不顯著（P>0.05）。不同園林植物各重金屬含量變異程度不一致，其中Cd含量變異程度較大，Zn含量變異程度較小。

與 GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較，除Mn外，土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均沒有超標(biāo)，但Cd含量是國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的6.0～15.5倍；除Mn外，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量分別是中國土壤重金屬平均值的2.38～3.08、2.61～2.74、1.18～1.81、37.11～95.88、2.93～3.29倍，綜合比較可知，云南省存在較為嚴(yán)重的重金屬污染，其中以Cd污染最為嚴(yán)重。造成這種現(xiàn)象的原因主要是城市園林植物土壤受人類活動(dòng)影響程度不同或是園林植物栽培過程中土壤來源不同，也可能由環(huán)境和大氣污染所致（表2）。

2.2 不同園林植物不同器官重金屬含量

由表3可知，不同園林植物相同器官中重金屬含量差異較大，不同園林植物各器官重金屬含量變化趨勢相一致，基本表現(xiàn)為石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動(dòng)。不同園林植物重金屬平均含量基本表現(xiàn)為Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd；即使是相同種植物，相同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各器官基本表現(xiàn)為 葉> 莖>根，并且葉和莖中含量遠(yuǎn)高于根，表現(xiàn)出明顯的富集作用。不同園林植物中Mn含量平均值變化范圍在109.5～129.0 mg/kg之間，Cu含量平均值變化范圍在76.4～91.3 mg/kg 之間，Zn含量平均值變化范圍在263.7～278.1 mg/kg 之間，Ni含量平均值變化范圍在29.8～45.7 mg/kg 之間，Cd含量平均值變化范圍在3.1～4.7 mg/kg 之間，Pb含量平均值變化范圍在40.6～57.0 mg/kg 之間。其中紫薇和海棠植株體內(nèi)平均Mn含量差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于其他園林植物（P<0.05）；石楠植株體內(nèi)平均Mn、Cu、Zn、Ni、Pb含量均顯著高于其他園林植物（P0.05）；紫薇植株體內(nèi)Cu、Zn平均含量顯著低于其他園林植物（P0.05）；紫薇和海棠植株體內(nèi)Cd含量差異不顯著（P>0.05），顯著低于其他園林植物（P0.05）。

2.3 不同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重要特征，園林植物不同器官對重金屬的吸收富集作用明顯不同，富集系數(shù)能反映植物對重金屬的富集和吸收能力[10-11]。結(jié)合不同園林植物不同器官重金屬含量和土壤重金屬含量，可計(jì)算出各器官對重金屬元素的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)（表4、表5），不同園林植物對重金屬的吸收富集規(guī)律不盡相同。不同園林植物對Mn的平均富集系數(shù)變化范圍在1.3～1.4之間，Cu的平均富集系數(shù)變化范圍在1.3～1.4之間，Zn的平均富集系數(shù)變化范圍在1.3～1.4之間，Ni的平均富集系數(shù)變化范圍在0.9～1.0之間，Cd的平均富集系數(shù)變化范圍在0.5～0.9之間，Pb的平均富集系數(shù)變化范圍在0.5～0.7之間。不同園林植物對Cu、Mn、Zn、Ni、Pb的平均富集系數(shù)差異均不顯著。石榴、石楠、枇杷對Cd的平均富集系數(shù)差異不顯著（PNi>Pb>Cd，局部有所波動(dòng)；不同園林植物各器官對重金屬元素的富集能力存在著一定的差異，基本表現(xiàn)為葉>莖>根；不同園林植物對Cu、Mn、Zn的平均富集系數(shù)接近一致，并且均大于1，對Ni的平均富集系數(shù)接近于1，對Pb、Cd的平均富集系數(shù)均小于1。

2.4 不同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，常被用來評(píng)價(jià)植物將重金屬從地下向地上的運(yùn)輸和富集能力[10-11]。轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，表明重金屬從根系向地上器官轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)。本研究采用植物葉和莖元素平均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)[10-11]。由表5可知，不同園林植物對Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)變化范圍在1.06～1.12之間，Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)變化范圍在1.05～1.13之間，Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)變化范圍在1.04～1.05之間，Ni的轉(zhuǎn)移系數(shù)變化范圍在1.16～1.41之間，Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)變化范圍在1.13～1.66之間，Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)變化范圍在1.14～1.37 之間。石榴、紫薇對Mn的轉(zhuǎn)移能力較高，石楠和海棠對Cu的轉(zhuǎn)移能力較高，6種園林植物對Zn的轉(zhuǎn)移能力基本一致，紫薇、石榴對Ni的轉(zhuǎn)移能力較高，紫薇對Cd的轉(zhuǎn)移能力較高，石榴對Pb的轉(zhuǎn)移能力較高。綜合比較而言，石榴和紫薇對重金屬的轉(zhuǎn)移能力較高。不同園林植物對重金屬的轉(zhuǎn)移能力依次表現(xiàn)為Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。

2.5 不同器官與土壤重金屬含量相關(guān)性分析

對不同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。由表6可知，紫薇根中Mn、Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量與土壤中Mn、Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；莖中Cu、Zn、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；葉中Mn、Cu、Cd含量與土壤中Mn、Cu、Cd含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。石榴根中Cu、Zn、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），Mn、Ni、Pb含量與土壤中Mn、Ni、Pb含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；莖中Cu、Zn、Ni、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Ni、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；葉中Cd含量與土壤中Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），Cu、Zn含量與土壤中Cu、Zn含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。石楠根中Cu、Zn、Cd、Pb與土壤中Cu、Zn、Cd、Pb含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），Ni含量與土壤中Ni含量顯著正相關(guān)（P<0.05）；莖中Cu、Zn、Cd、Pb含量與土壤中Cu、Zn、Cd、Pb含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；葉中Cu、Zn、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。海棠根中Cu、Cd含量與土壤中Cu、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），Mn、Zn、Ni含量與土壤中Mn、Zn、Ni含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；莖中Zn、Cd含量與土壤中Zn、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），Pb含量與土壤中Pb含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；葉中Cu、Cd含量與土壤中Cu、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。枇杷根中Mn、Cu、Cd含量與土壤中Mn、Cu、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），Zn、Pb含量與土壤中Zn、Pb含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；莖中Cu、Zn、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Cd含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。

3 結(jié)論與討論

云南省昆明市土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均沒有超標(biāo)，但Cd含量是國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的6.0～15.5倍；除Mn外，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量分別高出中國土壤重金屬平均值，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。造成這種現(xiàn)象的主要原因是城市園林植物土壤受人類活動(dòng)影響程度不同或園林植物栽培過程中土壤來源不同，也可能由環(huán)境和大氣污染所導(dǎo)致。

不同園林植物對Mn、Cu、Zn的富集系數(shù)最大，但對Mn、Cu、Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)并不是最大，表明不同園林植物對Mn、Cu、Zn元素同時(shí)具有超富集植物的2個(gè)基本特征，不同園林植物對土壤Mn、Cu、Zn污染比較敏感，植物能將重金屬M(fèi)n、Cu、Zn大量富集在地下部，表現(xiàn)出一定的富集重金屬能力；不同園林植物對Ni、Cd、Pb富集系數(shù)較小，但對Ni、Cd、Pb轉(zhuǎn)移系數(shù)最大?？梢?，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)有一定區(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[6-7]。有研究認(rèn)為，地上部分重金屬含量大于根部（轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1）的植物對于重金屬超富集植物的篩選可能更有意義[10-11]。對于園林植物，轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，說明其對土壤重金屬的修復(fù)效應(yīng)越大，本研究中，不同園林植物對重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，對于植物修復(fù)來說非常有利，是良好的園林綠化植物，對Ni、Cd、Pb的吸收能力較強(qiáng)。綜合分析可知，紫薇、石榴對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)一步對它們所存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

不同園林植物對不同重金屬元素吸收、遷移、累積能力不一樣，植物不同器官對不同重金屬元素吸收、富集特性也不同。研究不同園林植物對重金屬元素吸收、富集特性，一方面反映植物本身特性，另一方面也反映重金屬對植物的影響及其在植物體內(nèi)的遷移能力[4-5]。紫薇、石榴、石楠不同器官中重金屬含量與土壤重金屬含量的相關(guān)系數(shù)基本高于其他園林植物，表明不同園林植物體內(nèi)重金屬含量主要依賴于土壤重金屬含量，紫薇、石榴、石楠對重金屬的吸收和富集作用高于其他園林植物。不同園林植物土壤重金屬平均含量大小依次表現(xiàn)為Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，不同園林植物土壤重金屬含量基本表現(xiàn)為石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動(dòng)。不同園林植物中各種重金屬含量變異程度不一致，Cd的變異程度較大，Zn的變異程度較小。

不同園林植物對重金屬的富集能力基本表現(xiàn)為Cu=Mn=Zn>Ni>Pb>Cd，植物各器官對重金屬元素的富集能力基本表現(xiàn)為葉>莖>根；不同園林植物對Cu、Mn、Zn的平均富集系數(shù)接近一致，并且均大于1，對Ni的平均富集系數(shù)接近于1，對Pb、Cd的平均富集系數(shù)均小于1。石榴、紫薇對重金屬的轉(zhuǎn)移能力較高；不同園林植物對重金屬的轉(zhuǎn)移能力依次表現(xiàn)為Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。紫薇、石榴、石楠不同器官中重金屬含量與土壤重金屬含量的相關(guān)系數(shù)基本高于其他園林植物，表明不同園林植物體內(nèi)的重金屬含量主要依賴于土壤重金屬含量。綜合比較而言，紫薇、石榴、石楠對重金屬的吸收和富集作用高于其他園林植物。

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