雷公山自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢植物葉片重金屬元素含量

龍大海，羅緒強(qiáng)*，張桂玲，阮英慧，李 儀，馬其義，馮 靜

(1. 貴州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，貴州 貴陽 550018； 2. 貴陽學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

雷公山自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢植物葉片重金屬元素含量

龍大海1，羅緒強(qiáng)1*，張桂玲2，阮英慧1，李 儀1，馬其義1，馮 靜1

(1. 貴州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，貴州 貴陽 550018； 2. 貴陽學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

為探討自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢植物重金屬含量狀況，以雷公山自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢植物刺葉冬青(IlexbioritsensisHayata)等為研究對象，對其葉片重金屬元素Fe、Mn、Zn、Ni、Cd、Pb進(jìn)行了測定分析。結(jié)果表明：含量>100 mg·kg-1的元素有Fe、Mn和Zn，10～50 mg·kg-1的元素有 Pb，<10 mg·kg-1的元素有Cd和Ni。Mn、Zn、Cd、Ni含量變異程度較大，F(xiàn)e、Pb相對穩(wěn)定，有害元素Cd、Pb含量均以粗榧(Caphalotaxussinensis(Rehderet EH. Wilson)H.L.Li)最高。Fe與Mn和Mn與Cd的來源相似且在植物吸收中具有一定的協(xié)同效應(yīng)。Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni含量均高于正常植物有毒濃度界限值的上限，Ni、Pb含量甚至超出了世界陸生維管植物對應(yīng)元素含量范圍的最大值。該地區(qū)植物存在著受重金屬Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni毒害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

自然保護(hù)區(qū)；雷公山；亞高山灌叢；植物葉片；重金屬

植物葉片由于具備較大的葉表面積以及表面蠟層，是空氣中重金屬極好的接收體和收集器[1]。吸附在葉片表面的重金屬元素可以通過氣孔或受損傷的部位進(jìn)入葉片內(nèi)部被植物吸收[2]。相關(guān)研究表明，植物葉片中的重金屬元素主要從大氣中吸收，重金屬在植物葉片中的含量與大氣粉塵中重金屬污染程度呈正比[3]，植物葉片重金屬含量一定程度上反映了大氣重金屬污染的程度[4，5]。

近年來，隨著世界范圍的城市化進(jìn)程加快、工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，人為排放到大氣中的有毒有害物質(zhì)日趨增加，大氣中含大量重金屬顆粒物的干、濕沉降已成為森林生態(tài)系統(tǒng)重金屬污染的主要來源之一[6，7]。森林生態(tài)系統(tǒng)植物葉片重金屬元素含量，可診斷環(huán)境污染對森林健康的影響[8，9]，也可用來評價(jià)森林遭受大氣污染的脅迫程度[10]，指示城市環(huán)境污染水平等[11]。本研究以雷公山自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢7種常見植物為研究對象，對其葉片F(xiàn)e、Mn、Zn、Ni、Cd、Pb等 6 種重金屬元素進(jìn)行了測定分析，以期為該自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢植物重金屬污染防治和資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

雷公山國家級自然保護(hù)區(qū)位于貴州省東南部黔東南州境內(nèi)，地理坐標(biāo)108°5′～108°24′E、26°15′～26°32′N，是長江水系與珠江水系的分水嶺、清水江和都柳江主要支流的發(fā)源地。保護(hù)區(qū)北起臺江縣的南刀寨，南至雷山縣的開屯、高岳山，西抵雷山烏堯、烏東、貓鼻嶺一線，東達(dá)臺江縣烏迷寨、劍河縣大坪山、榕江縣小丹江一線，南北長約30 km、東西寬約15 km，總面積47 300 hm2，是一個(gè)典型的山地環(huán)境，區(qū)內(nèi)山勢高聳，垂直差異明顯，最高峰雷公山海拔2 178.8 m；最低處小丹江谷地海拔 650 m。該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)山地濕潤氣候區(qū)，具有冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑、雨量充沛等氣候特點(diǎn)。年平均氣溫為14.3℃，7月份平均氣溫23.5℃，1月份平均氣溫3.6℃，≥10℃積溫4 110℃，≥10℃天數(shù)約197 d，凝凍日約20 d；年降雨量1 300～1 600 mm，主要集中在4～9 月，約占全年降雨總量的80%。

保護(hù)區(qū)大地構(gòu)造位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺的二級構(gòu)造單元“江南臺隆”的“雪峰迭臺拱”劍河-從江穹褶皺帶。主要基底構(gòu)造層形成于雪峰期，巖性主要為灰色板巖、粉砂質(zhì)板巖、夾變余砂巖和變余凝灰?guī)r。下部有千枚狀鈣質(zhì)板巖和團(tuán)塊狀大理巖，中上部有大量復(fù)理石韻律發(fā)育良好的凝灰?guī)r，出露巖層為板溪群淺變質(zhì)絹云母板巖及變質(zhì)砂巖類，是典型的非喀斯特地區(qū)[12]。土壤母質(zhì)主要由粉沙質(zhì)板巖風(fēng)化而成，山地土壤垂直帶明顯，自山麓至山頂分布有黃壤、黃棕壤和灌叢草甸土。土壤呈酸性，土層深厚、土質(zhì)疏松、質(zhì)地良好，土體濕潤，土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)5%以上[13]。

由于其獨(dú)特的地理位置、氣候條件、土壤以及地質(zhì)因素，保護(hù)區(qū)森林資源豐富，共有高等植物2 582種[14]。植被屬地帶性植被，垂直分帶明顯，在海拔1 350 m以下為常綠闊葉林帶，以栲屬(Castanopsis)、石礫(Lithocarpusglaber)、木蓮(Manglietiafordiana)和木荷(Schimasuperba)為優(yōu)勢；在海拔1 350～2 100 m為山地常綠與落葉闊葉混交林，主要樹種有水青岡(Faguslongipetiolata)、亮葉水青岡(Faguslucida)和多脈青岡(Cyclobalanopsismultinervis)等；在海拔2 100 m以上是亞高山灌叢，以杜鵑花屬(Rhododendron)和箭竹(Fargesia)為主。森林覆蓋率85%以上，較好地保存了中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的原始面貌[13，15，16]。

1.2樣品采集

在自然保護(hù)區(qū)雷公山頂部(海拔 2 140～2 178 m)亞高山灌叢中選取頻繁出現(xiàn)的刺葉冬青(IlexbioritsensisHayata)、粗榧(Cephalotaxussinensis(Rehder et E. H. Wilson) H. L. Li)、鮮黃小檗(BerberisdiaphanaMaxin.)、十大功勞(Mahoniafortunei(Lindl.) Fedde)、小葉女貞(LigustrumquihouiCarr.)、箭竹(FargesiaspathaceaFranch.)、紅果樹(StranvaesiadavidianaDcne.)等 7 種植物為研究對象。采集樣品時(shí)，每種植物選擇 3 株成熟、健康、長勢(株高、莖粗、葉子的大小與疏密程度等)基本一致的植株，采集中上層?xùn)|、南、西、北四個(gè)方向的成熟葉片(不包括葉柄)，同種植物不同方位葉片混合成一個(gè)樣裝入干凈透氣信封。葉片帶回實(shí)驗(yàn)室后，用自來水充分沖洗以去除粘附的泥土和污物，再用去離子水沖洗干凈，放入烘箱中 105℃ 殺青，再于 70℃ 左右烘干至恒重，烘干后的樣品用不銹鋼植物粉碎機(jī)粉碎，過篩(篩孔直徑 0.149 mm)，樣品封存于密封袋內(nèi)干燥保存，備用。

1.3測定方法

待測樣品經(jīng)混合酸(HNO3-HF)消解后，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Vista MPX 2000，Varian Inc. Palo Alto，State of California，USA)測定Fe、Mn、Zn、Ni含量，用原子吸收分光光譜儀(PE-5100-PC AAS，Perkin Elmer Inc. Waltham，Massachusetts，USA)測定 Cd、Pb 含量。以植物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GBW07604(GSV-3)楊樹葉作質(zhì)量控制，標(biāo)樣元素含量測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。各項(xiàng)測定值均為植物干物質(zhì)的元素總量。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2010、IBM SPSS Statistics 19 軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1植物葉片重金屬含量水平

從表1可以看出，雷公山亞高山灌叢植物葉片重金屬元素Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni 中，平均值在100 mg·kg-1以上的元素有 Fe、Mn和Zn，在10～50 mg·kg-1間的元素有Pb，在 10 mg·kg-1以下的元素有Cd和Ni；各元素平均含量從高到低的順序依次為Mn>Fe>Zn>Pb>Ni>Cd。Pb、Ni含量均超出了世界陸生維管植物對應(yīng)元素含量范圍(Fe：2～700 mg·kg-1，Mn：0.3～1 000 mg·kg-1，Zn：1～400 mg·kg-1，Cd：0.02～2.4 mg·kg-1，Pb：0.9～20 mg·kg-1，Ni：0.02～5 mg·kg-1)的最大值[17]。

研究區(qū)植物葉片中的Fe、Mn、Zn、Ni含量均高于已報(bào)道的陸生高等植物所需元素的合適組織濃度平均值(Fe：100 mg·kg-1，Mn：50 mg·kg-1，Zn：20 mg·kg-1，Ni：0.1 mg·kg-1)[18]，其中，Ni高出已報(bào)道值83.2倍，Mn高出7.4倍，Zn高出6.4倍，F(xiàn)e高出2.7倍。Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni含量均高于正常植物有毒濃度界限值(Fe：10～200 mg·kg-1，Mn：1～100 mg·kg-1，Zn：10～50 mg·kg-1，Cd：0.1～0.5 mg·kg-1，Ni：1～5 mg·kg-1，Pb：1～15 mg·kg-1)的上限[17，19]。受大氣污染加劇和酸性土壤背景的綜合影響，根據(jù)植物體內(nèi)元素含量與中毒效應(yīng)之間的關(guān)系[18-20]，該地區(qū)植物存在著受重金屬Cd、Pb、Fe、Mn、Zn、Ni毒害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.2植物葉片重金屬含量分布及變異特征

從表1中各元素的偏度和峰度值可以看出，研究區(qū)植物葉片F(xiàn)e、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni含量均為正偏態(tài)分布。從變異系數(shù)來看，從大到小的順序依次為Cd>Mn>Zn>Ni>Fe>Pb，其中，僅Fe和Pb的變異系數(shù)小于50%。從元素含量的最大值與最小值之比來看，表現(xiàn)為Mn>Cd>Ni>Zn>Pb>Fe，僅Pb、Fe最大值與最小值之比小于5倍?？梢?，研究區(qū)植物葉片Mn、Zn、Cd、Ni四種元素含量的變異程度相對較大，這與不同物種對這些元素的選擇吸收能力差異較大有關(guān)，有的物種富集這些元素，而有的物種排斥這些元素；Fe、Pb最大值與最小值之比以及變異系數(shù)都是相對較小的，說明其含量相對穩(wěn)定。

表1 雷公山亞高山灌叢植物葉片重金屬元素含量(mg·kg-1，n=7)Tab.1 The heavy metal contents in leaves of subalpine shrub plants in Leigong Mountain (mg·kg-1， n=7)

表2 雷公山亞高山灌叢7種植物葉片重金屬元素含量(mg·kg-1，干重)Tab.2 Concentrations of heavy metalof 7 plant species leaves in subalpine shrubof Leigong Mountain (mg·kg-1， DW)

表3 雷公山亞高山灌叢植物葉片重金屬元素間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Tab.3 Pearson correlation coefficientsof heavy metals in leaves of 7 subalpineshrub plants in Leigong mountain

注：*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.3不同種植物的重金屬含量特征

由于不同種類的植物對重金屬的吸收與抗性不同，加之植物葉片的結(jié)構(gòu)及葉細(xì)胞生理生化特性的差異，使不同種類植物葉片的重金屬元素含量有著很大的差別[3，21]。從表2可以看出，研究區(qū)植物葉片重金屬含量除小葉女貞和紅果樹均表現(xiàn)出 Fe>Zn>Mn>Pb>Ni>Cd的分配模式外，其余各植物重金屬分配模式均不相同。有害元素Cd、Pb均以粗榧含量最高，必需元素中的Fe、Mn也以粗榧含量最高，而Zn、Ni最高含量則在刺葉冬青和箭竹中體現(xiàn)。

2.4植物各重金屬元素的相關(guān)性

從表3可以看出，F(xiàn)e與Mn之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，Mn與Cd之間具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。這一方面說明研究區(qū)Fe與Mn和Mn與Cd的來源相似，另一方面說明刺葉冬青、粗榧、鮮黃小檗、紅果樹等7種植物對此兩組元素的吸收具有一定的協(xié)同效應(yīng)[22，23]。

3 結(jié) 論

雷公山亞高山灌叢植物葉片中的Fe、Mn、Zn、Ni 含量均高于已報(bào)道的陸生高等植物所需元素的合適組織濃度平均值，Ni、Pb含量甚至超出了世界陸生維管植物對應(yīng)元素含量范圍的最大值。該地區(qū)植物存在著受重金屬Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni毒害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

研究區(qū)植物葉片F(xiàn)e、Mn、Zn、Cd、Pb、Ni 含量均為正偏態(tài)分布，Mn、Zn、Cd、Ni變異程度較大，F(xiàn)e、Pb相對穩(wěn)定。小葉女貞和紅果樹葉片重金屬含量均表現(xiàn)出 Fe>Zn>Mn>Pb>Ni>Cd的分配模式，有害元素Cd、Pb均以粗榧含量最高。Fe與Mn和Mn與Cd的來源相似且在刺葉冬青等7種植物吸收中具有一定的協(xié)同效應(yīng)。

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HeavyMetalContentsinLeavesofSubalpineShrubPlantsinLeigongMountain

LONGDa-hai1，LUOXu-qiang1*，ZHANGGui-ling2，RUANYing-hui1，LIYi1，MAQi-yi1，F(xiàn)ENGJing1

(1.SchoolofGeographyandTourism，GuizhouEducationUniversity，Guiyang，Guizhou550018，China； 2.CollegeofChemistryandMaterialsEngineering，GuiyangUniversity，Guiyang，Guizhou550005，China)

To investigate the characteristics of heavy metal contents of subalpine shrub plant in nature reserve， six kinds of elements ( Fe、Mn、Zn、Ni、Cd、Pb ) in the leaves of subalpine shrub plants in Leigong Mountain were measured respectively. The results showed that the contents of Fe， Mn and Zn are greater than 100 mg·kg-1， the contents of Pb vary between 10 and 50 mg·kg-1， and those of Cd and Ni are lower than 10 mg·kg-1. The contents of elements in leaves of subalpine shrub plants， including Mn， Zn， Cd and Ni had more variation than Fe and Pb. The contents of harmful elements Cd and Pb in theCephalotaxussinensis(Rehder et E. H. Wilson) H. L. Li were higher than in others plants. Fe-Mn and Mn-Cd had similar source and performed synergy effects when absorbed by plant in this research area. The contents of Fe， Mn， Zn， Cd， Pb and Ni were more than the poisoning level of plants， Ni and Pb contents even more than the scope of the average level of land vascular plants in the world. Plants in Leigong Mountain have the potential risk of Fe， Mn， Zn， Cd， Pb and Ni poisoning.

Nature reserve； Leigong Mountain； subalpine shrub； plant leaves； heavy metal

2017-06-06；

2017-09-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41563007)；貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)對象專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(黔科合人字[2015]21號)；貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長資金資助項(xiàng)目(黔省專合字[2012]80號)；貴州省高層次創(chuàng)新型人才資金資助項(xiàng)目(黔人領(lǐng)發(fā)[2015]3號)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字[2014]2138號)；貴州省高層次人才科研條件特助經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(TZJF2010年065號)。

*

羅緒強(qiáng)(1976-)，男，博士，教授，主要研究方向：生態(tài)環(huán)境地球化學(xué)；E-mail： xuqiangluo@163.com。

Q945.14；Q948.11

A

1008-0457(2017)05-0053-05國際DOI編碼10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.05.009