礦區(qū)道路兩側(cè)雪嶺云杉葉片重金屬富集效應(yīng)

孫雪嬌, 常順利,*, 張毓?jié)? 宋成程, 韓燕梁, 蘆建江, 李 翔

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046 2 新疆林科院森林生態(tài)研究所, 烏魯木齊 830063

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展,廢棄物的排放導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞,其中重金屬污染尤其值得重視[1]。重金屬會(huì)通過大氣、水體、土壤等途徑擴(kuò)散[2- 4],在環(huán)境中具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆轉(zhuǎn)性[5],其存在以及遷移、富集過程會(huì)對(duì)人類和動(dòng)植物的生理活動(dòng)乃至健康產(chǎn)生較大影響[6]。

礦產(chǎn)開采是重金屬污染的主要來源之一[7],開采和冶煉過程使得地底深處的礦物暴露于地表,導(dǎo)致重金屬元素的釋放通量增加[8],對(duì)環(huán)境造成了極強(qiáng)生態(tài)危害[9- 11]?，F(xiàn)有研究多集中于礦區(qū)重金屬污染評(píng)價(jià)和生態(tài)修復(fù),而忽視了礦產(chǎn)品運(yùn)輸過程中帶來的重金屬污染[9,12-13],一部分研究也證實(shí)交通會(huì)導(dǎo)致道路兩側(cè)土壤和大氣中的重金屬含量增加[1,14]。因此研究礦產(chǎn)品運(yùn)輸過程中對(duì)環(huán)境所帶來的重金屬污染至關(guān)重要。

重金屬污染會(huì)對(duì)種子萌發(fā)、樹木生長(zhǎng)、生理生化指標(biāo)產(chǎn)生影響[15-16],而由于植物本身的差異及重金屬元素毒性效應(yīng)的不同,使得各類植物對(duì)重金屬污染的適應(yīng)過程和機(jī)理極為復(fù)雜,如油茶(Camelliaoleifera)、楊樹(Pterocaryastenoptera)等因?qū)χ亟饘倬哂谐瑥?qiáng)的富集能力而對(duì)環(huán)境起到修復(fù)作用[17-18],但是重金屬脅迫會(huì)對(duì)草地早熟禾(Poapratensis)、黑麥草(Loliumperenne)等植被的種子萌發(fā)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)及各種生理過程產(chǎn)生負(fù)面影響[19]。天山山脈的森林主要以雪嶺云杉純林為主,灌木稀少,草本層茂盛[20],對(duì)于維持天山北麓的生態(tài)系統(tǒng)功能有極其重要的作用。艾維爾溝主要盛產(chǎn)焦煤,在采礦及運(yùn)輸過程產(chǎn)生的粉塵和尾氣中含有大量的重金屬(如銅、鋅、鉻、鎘、鉛等)[21-22],會(huì)擴(kuò)散到環(huán)境中從而被雪嶺云杉植株吸收并富集在組織器官內(nèi)。葉片作為光合產(chǎn)物的同化器官,在植物的生活史中至關(guān)重要[14]。而有關(guān)雪嶺云杉葉片對(duì)重金屬的吸收富集效應(yīng)以及艾維爾溝礦區(qū)的重金屬污染情況還未見報(bào)道。

基于以上,本文通過采集艾維爾溝礦區(qū)道路兩側(cè)的雪嶺云杉葉片和土壤樣品,測(cè)試并分析重金屬的含量變化特征,旨在探討：(1)礦區(qū)道路兩側(cè)雪嶺云杉葉片和土壤的重金屬累積情況并進(jìn)行污染評(píng)價(jià);(2)雪嶺云杉葉片對(duì)重金屬的吸收富集效應(yīng);(3)道路兩側(cè)雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬元素的空間分異規(guī)律。以期為天山雪嶺云杉森林的健康維護(hù)和山區(qū)采礦活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展提供相應(yīng)的決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾維爾溝位于天山北坡的中山地帶(44°11′—44°39′N, 82°15′—82°57′E),東西走向,全長(zhǎng)約70 km、平均寬500 m。屬溫帶大陸性氣候,四季、晝夜溫差變化較大,氣溫1、2月份最低,極端最低溫為-30.2 ℃,7、8月份最高,極端最高溫為30.5 ℃,年均氣溫約為2—3 ℃,≥10 ℃積溫為1170.5 ℃。年降水量120—180 mm,雨季集中在6—8月,年蒸發(fā)量2000—3000 mm,降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量,冬季降雪量不大,溝內(nèi)積雪甚少。研究區(qū)主要以雪嶺云杉純林為主,林緣、林窗及林下的灌木主要有栒子(Cotoneastermelanocarpus)、小檗(Berberisheteropoda)、薔薇(Rosaspinosissima)、繡線菊(Spiraeahypericifolia)、方枝柏(Juniperuspseudosabina) 和忍冬(Lonicerahispida)等, 林下草本植物主要有老鸛草(Geraniumrotundifolium)、羽衣草(Alchemillatianschanica)和羊角芹(Aegopodiumpodagraria)等。林下土壤為山地灰褐色森林土[16],土壤有機(jī)質(zhì)含量為189.3 g/kg[23],含水量為30%—35%[20]。

艾維爾溝上游主要是牧區(qū),中下游為礦區(qū),是典型的自然牧區(qū)與工業(yè)區(qū)的交錯(cuò)地帶。在艾維爾溝下游礦區(qū)進(jìn)行采礦活動(dòng)的主要是新疆焦煤集團(tuán)公司,煤礦生活區(qū)居民有1萬多人,礦區(qū)周邊還有石灰石加工廠近20家。進(jìn)出艾維爾溝的主干道只有一條,道路沿山溝依山而筑,雪嶺云杉森林分布于道路兩側(cè)。由于頻繁的采礦和運(yùn)輸活動(dòng)導(dǎo)致艾維爾溝污染嚴(yán)重,大量云杉葉片發(fā)黃甚至枯死,云杉群落的生長(zhǎng)發(fā)育受到嚴(yán)重的負(fù)面影響。

1.2 野外調(diào)查與采樣

本研究于2014年7月,在艾維爾溝道路的兩側(cè)垂直于道路方向布設(shè)3條樣帶,在每條樣帶距離道路0、50、100、200、300 m和500 m處各設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)(圖1),以胸徑尺和樹高儀分別測(cè)量距采樣點(diǎn)范圍50m內(nèi)的死樹胸徑和樹高(由于雪嶺云杉分布于道路兩側(cè)50 m以外,因此于50—500 m的采樣點(diǎn)處采集雪嶺云杉葉片樣品),在各采樣點(diǎn)選擇長(zhǎng)勢(shì)較為一致的雪嶺云杉3株,分別在樹冠層4—6 m高度的東、西、南、北4個(gè)方向采集雪嶺云杉葉片,并混勻作為一個(gè)樣品,同時(shí)在各個(gè)采樣點(diǎn)采集表層(0—10 cm)土樣;用上述方法在板房溝林場(chǎng)分別采集雪嶺云杉葉片和土壤樣品各3個(gè),作為背景值。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 The map of sampling points

1.3 樣品測(cè)試分析

艾維爾溝主要盛產(chǎn)焦煤,根據(jù)白向飛等的研究,焦煤中Cu、Pb、As、Cd、Cr等重金屬含量較高[21],同時(shí)交通會(huì)導(dǎo)致道路兩側(cè)土壤和植物中Pb、Cd、Zn、Cr的累積[14,22],因此本文將Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As作為研究對(duì)象。

將葉片樣品清洗并烘干至恒重后粉碎,將土壤樣品風(fēng)干、研磨、過0.149 mm篩,按表1的標(biāo)準(zhǔn)及方法進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

富集系數(shù)是評(píng)價(jià)植物對(duì)重金屬富集能力的指標(biāo)之一,富集系數(shù)越大,植物對(duì)該種重金屬的富集能力越強(qiáng)[25],其計(jì)算公式為：

(1)

式中,BCF為富集系數(shù),Ci為采樣點(diǎn)植物葉片中該重金屬的實(shí)測(cè)值,Si為采樣點(diǎn)土壤中該重金屬的實(shí)測(cè)值。

表1 雪嶺云杉葉片和土壤重金屬測(cè)定方法及參照標(biāo)準(zhǔn)

污染指數(shù)的計(jì)算公式如下[26]：

(2)

(3)

式中,Pi為單項(xiàng)污染指數(shù),Bi為該重金屬元素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),本文采用背景區(qū)(板房溝林場(chǎng)天山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的所在地)的雪嶺云杉葉片和土壤重金屬含量的實(shí)測(cè)值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。P綜為綜合污染指數(shù),當(dāng)P綜≤0.7表示清潔,0.73.0表示重度污染。

本文通過Excel 2013計(jì)算雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬含量的基本統(tǒng)計(jì)參數(shù),其中變異系數(shù)(CV)為標(biāo)準(zhǔn)差和平均數(shù)的比值,當(dāng)CV<0.1時(shí),屬輕度變異,當(dāng)0.11時(shí),屬?gòu)?qiáng)度變異;利用SPSS 17.0中方差分析(one-way ANOVA)和多重比較(LSD)方法,分析距污染源不同距離的雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬含量的差異,并采用Origin 9.0進(jìn)行繪圖;應(yīng)用非線性回歸法,對(duì)重金屬含量與距離進(jìn)行擬合,通過判定系數(shù)(R2)、標(biāo)準(zhǔn)誤差(SEE)的大小及回歸檢驗(yàn)顯著水平來選取最優(yōu)回歸模型;通過Canoco 4.5軟件中去趨勢(shì)分析(DCA)的結(jié)果選擇冗余分析(RDA)探討雪嶺云杉葉片中重金屬含量、死樹特征與土壤中重金屬含量的關(guān)系。

2 結(jié)果分析

2.1 雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬含量及污染評(píng)價(jià)

2.1.1 土壤中重金屬含量及污染評(píng)價(jià)

土壤中重金屬含量基本特征如表2所示,其中Zn含量最高,處于82.21—149.55 μg/g之間,平均值為128.04 μg/g,超過國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)限制值。其次是Cr、As和Cu,平均值分別為47.13、42.61 μg/g和43.17 μg/g,且Cu超過了國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)限制值,As比國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的三級(jí)限制值大41%,土壤中Pb含量較小,最大為23.12 μg/g,最小僅為12.01 μg/g。土壤中的Cu變異系數(shù)為0.096,變異程度較小,其余4種重金屬變異系數(shù)處于0.11—0.25之間,為中度變異。

以板房溝林場(chǎng)背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),土壤Pb和As的單項(xiàng)污染指數(shù)較大,分別為2.21和2.97,均屬中度污染,其次是土壤Cu,污染指數(shù)為1.72,表明研究區(qū)受到土壤Cu的輕度污染。土壤Cr和Zn污染指數(shù)較小,分別為背景區(qū)的67%和62%,但是背景區(qū)土壤Zn含量高達(dá)204.85 μg/g,已超過國(guó)家土壤質(zhì)量一級(jí)限制值(100 μg/g),但未超過二級(jí)限制值。研究區(qū)綜合土壤污染指數(shù)為1.69,達(dá)到輕度污染。

表2 土壤中重金屬含量的基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)/(μg/g)

2.1.2 雪嶺云杉葉片中重金屬含量及其污染評(píng)價(jià)

葉片中重金屬含量基本特征如表3所示,其中Pb和Zn的含量較高,平均值分別為86.28 μg/g和31.31 μg/g。其次是Cr,平均含量為11.24 μg/g,僅為背景值的17%。Cu、As和Cd含量較小,其含量分別處于0—3、0.11—0.4 μg/g和0.5—2.77 μg/g之間。雪嶺云杉葉片的6種重金屬中,Cu屬重度變異,其余均屬中度變異。

6種重金屬的污染指數(shù)中,As最大,均值為3.65,屬重度污染;其次是Pb,均值為2.57,屬中度污染;Cd和Zn的污染指數(shù)較小,分別為1.21和1.63,皆屬輕度污染。Cr的污染指數(shù)最小,均值為0.17,表現(xiàn)出無污染。由于葉片Cu含量的背景值為0,而研究區(qū)葉片Cu含量實(shí)測(cè)為0.6 μg/g,表明已受到一定程度的Cu污染。綜合污染指數(shù)為2.05,說明采礦活動(dòng)對(duì)該地區(qū)雪嶺云杉造成了中度的重金屬污染。

表3 雪嶺云杉葉片中重金屬含量和死樹胸徑、樹高的基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.2 雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬的空間分布特征及其富集效應(yīng)

2.2.1 雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬的空間分布特征

雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬含量隨距離的變化規(guī)律如圖2和表4所示：在50—500 m范圍內(nèi),葉片中Zn含量隨距離無顯著變化(P>0.05),但總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。Pb與距離滿足y=-0.05x+97.898的負(fù)線性分布,整體呈逐漸減小的趨勢(shì)。Cu和As與距離符合二次分布,先增大至100 m達(dá)到極大值后顯著下降(P<0.05)。Cr隨距離反比例減小,并除50 m顯著大于其他距離外(P<0.05),其余距離間無顯著差異(P>0.05)。

距道路0—500 m范圍內(nèi),隨著距離增大,土壤中Pb和Cu含量無顯著(P>0.05)變化。Cr、Zn與距離符合三次分布,先隨距離顯著增大(P<0.05),隨后緩慢下降,在500 m時(shí)又有所回升。而As隨距離滿足y=3.903×10-7x3+0.042x+44.414模型,先上升后顯著下降(P<0.05)。

圖2 雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬含量(μg/g)隨距離的變化Fig.2 Along with the change of distance the content of heavy metals in the P. schrenkiana leaves and soil 其中土壤Cd含量低于檢出限,圖中小寫字母a、b、c表示雪嶺云杉葉片中和土壤中各重金屬含量的差異性,字母相同表示差異不顯著,字母不同表示P<0. 05水平的顯著差異

重金屬Heavy metal回歸模型Regression modelR2SEEFP雪嶺云杉葉片Pby=-0.05x+97.8980.29613.375.4750.036P. schrenkiana leavesCuy =1.349×10-5x2-0.009x+1.6360.4680.4645.2820.023Cry =1076.49x-1+2.510.8583.08778.357<0.001Zny =9.395×10-7x3+0.083x+31.120.2696.6291.3480.309Asy =1.76×10-8x3-1.33×10-5x2+0.002x+0.190.5660.25516.9540.001Cdy =1.67×10-7x3+0.029x+0.1970.4070.5052.5150.112土壤Soil Pby =-0.006x+17.0850.1362.6832.5190.132Cuy =-1.149×10-6x20.008x+48.8150.124.5131.0260.318Cry =2.021×10-6x3-0.002x2+0.41x+22.4720.933.19261.667<0.001Zny =3.138×10-6x3-0.003x2+0.595x+102.770.60911.387.2680.004Asy =3.903×10-7x3+0.042x+44.4140.5593.4515.9260.008

2.2.2 雪嶺云杉葉片對(duì)重金屬的富集效應(yīng)

圖3 雪嶺云杉葉片對(duì)各重金屬元素的富集系數(shù) Fig.3 The enrichment coefficient of heavy metal in P. schrenkiana leaves

雪嶺云杉葉片對(duì)土壤重金屬的富集系數(shù)如圖3所示,葉片對(duì)土壤重金屬富集能力不同,富集系數(shù)大小順序?yàn)镻b>Cr>Zn>Cu>As。其中葉片對(duì)Pb的富集系數(shù)顯著高于其余重金屬(P<0.05),均值為5.79,表明葉片對(duì)Pb有很強(qiáng)的富集能力,并表現(xiàn)出低背景高富集。而雪嶺云杉葉片對(duì)Cu、As、Cr、Zn的富集系數(shù)較小,平均值均小于1,尤其是As,僅為0.0052。

2.3 雪嶺云杉葉片重金屬含量和死樹生理特征(胸徑、樹高)與土壤重金屬的相關(guān)性

以冗余分析(RDA)方法分別探討葉片和死樹生理特征與土壤中重金屬含量之間的關(guān)系(圖4)。其中,土壤中重金屬對(duì)葉片的影響結(jié)果表現(xiàn)為,4個(gè)排序軸對(duì)葉片重金屬的累積解釋量達(dá)71.6%,可解釋99.8%的葉片-土壤重金屬之間的相關(guān)性。RDA排序的第一、二軸的特征值分別為0.478和0.128,解釋了葉片中重金屬含量變化的60.6%。RDA二維排序圖如4a所示,土壤As和Cu與第一軸有較強(qiáng)的相關(guān)性,并與葉片中的Zn、Cu、Cr呈正相關(guān)關(guān)系。第二軸是土壤Pb、Cr、Zn的變化軸,隨著土壤中Pb、Cr、Zn含量的增加,葉片中Cd和Pb含量逐漸增大。土壤As對(duì)葉片中重金屬含量變化的累積貢獻(xiàn)最大,達(dá)到極顯著水平(P<0.01,表5)。

土壤中重金屬對(duì)死樹生理的影響結(jié)果表現(xiàn)為,前2個(gè)排序軸對(duì)雪嶺云杉死樹特征的累積解釋量達(dá)79.1%,可解釋100%的死樹-土壤重金屬之間的相關(guān)性。RDA二維排序圖如4b所示,第一軸特征值為0.698,表征土壤Cu的變化,隨其含量增加,死樹的胸徑和樹高逐漸增大。第二軸特征值為0.093,與土壤中重金屬含量關(guān)系較弱。土壤Pb和As與死樹的胸徑具有正相關(guān)性,而土壤Cr和Zn與死樹的胸徑和樹高均呈負(fù)相關(guān)。土壤Cu對(duì)雪嶺云杉死樹生理特征的貢獻(xiàn)最大,達(dá)到極顯著水平(P<0.01,表5)。

圖4 雪嶺云杉葉片、雪嶺云杉死樹生理特征與土壤重金屬的RDA分析二維排序圖Fig.4 Two dimensional RDA ordination diagram of heavy metals in the P. schrenkiana leaves and The characteristic of dead P. schrenkiana with soilS：土壤重金屬,heavy metal of soil;P：雪嶺云杉葉片重金屬,heavy metal of P. schrenkiana;DBH：死樹胸徑,the diameter at breast height of dead P. schrenkiana,H：死樹樹高,the height of dead P. schrenkiana;箭頭及排序軸之間的夾角表示雪嶺云杉葉片/死樹生理特征與環(huán)境因子及排序軸之間相關(guān)性的正負(fù),小于90°為正相關(guān),等于90°,無相關(guān)性,大于90°為負(fù)相關(guān);各箭頭線段在排序軸和另一箭頭線段及其延長(zhǎng)線上的投影表示二者之間相關(guān)性的大小,投影越大,相關(guān)性越強(qiáng)

重金屬Heavy metal雪嶺云杉葉片重金屬-土壤重金屬P. schrenkiana leaves heavy metal-soil heavy metal死樹-土壤重金屬The characteristic of dead P. schrenkiana tree-soil heavy metal貢獻(xiàn)率Contribution rate/%FP貢獻(xiàn)率Contribution rate/%FPPb19.42.1620.1948.30.8150.372Cu5.80.550.67836.35.1290.042Cr141.4680.2522.80.2570.73Zn7.20.6950.5748.90.8820.42As45.97.6220.0023.40.320.69

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 艾維爾溝礦區(qū)雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬含量及環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

采礦活動(dòng)會(huì)向環(huán)境中釋放大量重金屬[15],同時(shí)車輛汽油的不完全燃燒、液壓系統(tǒng)的油料泄露、輪胎及金屬部件的摩擦等也會(huì)導(dǎo)致道路兩側(cè)環(huán)境重金屬含量的增加[14]。較背景區(qū)而言,艾維爾溝礦區(qū)雪嶺云杉葉片和土壤中As、Pb含量均較高,達(dá)中度污染水平以上,一般認(rèn)為,道路兩側(cè)環(huán)境Pb含量的累積來自汽車尾氣排放[22],而As含量主要來自礦區(qū)道路灰塵[27],過量的Pb和As會(huì)危害植物根系,影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和水分運(yùn)輸過程,直接抑制植物生長(zhǎng)甚至引發(fā)死亡[28]。

研究區(qū)道路兩側(cè)雪嶺云杉葉片為中度污染,土壤為輕度污染,葉片的污染程度較土壤更高,這是因?yàn)榈V產(chǎn)開采及運(yùn)輸所帶來的重金屬一部分會(huì)隨顆粒物沉降于周圍植物和土壤上,隨水養(yǎng)的吸收和向上傳導(dǎo)富集在植物葉片中,而另一部分以氣溶膠的狀態(tài)懸浮于空氣中直接被植物葉片吸收[29]。因此,雪嶺云杉葉片的重金屬污染指數(shù)更能表征艾維爾溝礦區(qū)重金屬污染狀況。

3.1.2 雪嶺云杉葉片對(duì)重金屬的富集效應(yīng)

植物葉片對(duì)重金屬的吸收富集主要取決于自身遺傳基因的調(diào)控,細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)等,這也是造成研究植物對(duì)重金屬污染的適應(yīng)過程和機(jī)理困難的主要因素[29]。

除上述之外,不同樹種以及不同區(qū)域環(huán)境下,植物吸收富集重金屬的能力也會(huì)略有差異。本研究中雪嶺云杉葉片除對(duì)Pb的富集系數(shù)達(dá)5.79外,其余均處于0.005—0.26間,與陳靜文等在西安道路兩側(cè)的云杉相比,雪嶺云杉葉片對(duì)重金屬的富集能力更強(qiáng)[30],但遠(yuǎn)低于部分礦區(qū)喬木和道路綠化物種[17,31],一方面是由于天山山脈降雨稀少而蒸發(fā)強(qiáng)烈,強(qiáng)的蒸騰拉力帶動(dòng)了重金屬的吸收,并且植物中重金屬的含量通常與環(huán)境中重金屬污染程度有關(guān),而礦區(qū)重金屬污染程度較高速公路更為嚴(yán)重;另一方面,種間差異對(duì)植物富集重金屬影響很大,不同物種對(duì)抗重金屬脅迫對(duì)策不同,主要分為排斥和蓄積[32],可見雪嶺云杉葉片對(duì)Pb的耐性較強(qiáng),對(duì)Pb采取富集對(duì)策,而對(duì)其余重金屬采取少吸收的逃避對(duì)策。

土壤的理化性質(zhì)、重金屬的種類濃度和形態(tài)結(jié)構(gòu)等也會(huì)影響植物對(duì)重金屬的吸收[33],而植物中和土壤中重金屬的交互作用同樣會(huì)影響植物對(duì)重金屬的富集[34]。RDA二維排序圖顯示,土壤Pb、Cu、Zn與雪嶺云杉葉片中Pb、Cd之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,而土壤Cr、As與雪嶺云杉葉片中Cr、Cu、Zn呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,表明雪嶺云杉葉片對(duì)重金屬的吸收具有復(fù)合作用。具體雪嶺云杉葉片中重金屬的影響因素還有待進(jìn)一步分析。

3.1.3 雪嶺云杉葉片和土壤中重金屬的空間分布特征

重金屬的擴(kuò)散會(huì)受所吸附顆粒物的大小、風(fēng)速、風(fēng)向等因素影響。葉片和土壤中Pb含量隨距離均表現(xiàn)為負(fù)線性遞減。與李效文等研究相同,在道路污染源兩側(cè),隨著距離增加,擴(kuò)散的重金屬會(huì)有逐漸減小的趨勢(shì)[14],但由于存在于空氣中的氣溶膠顆粒粒徑更小,同時(shí)擴(kuò)散范圍也會(huì)更大,因此導(dǎo)致雪嶺云杉葉片中Pb含量速率下降遠(yuǎn)大于土壤。

與高丹等的研究結(jié)果類似,道路兩側(cè)土壤和植物中的As和Cu,隨風(fēng)擴(kuò)散一定距離后才與土壤和植物接觸,因此隨距離均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)[35-36]。同時(shí)由于艾維爾溝道路兩側(cè)周圍山體坡度較大,導(dǎo)致了土壤中Cr、Zn含量隨距離逐漸增加。道路兩側(cè)雪嶺云杉葉片中Cr、Zn的分布趨勢(shì)與土壤又有所不同,圖4顯示土壤與葉片中的Cr、Zn僅有較弱的相關(guān)關(guān)系,并且研究區(qū)雪嶺云杉葉片中Zn和Cr的污染指數(shù)分別是土壤的2.62倍和25%,因此根據(jù)莊樹宏等的研究[29,37],推斷雪嶺云杉葉片中Zn和Cr主要來源于葉片氣孔對(duì)空氣中氣溶膠顆粒物的吸收。

3.1.4 重金屬污染對(duì)雪嶺云杉生長(zhǎng)發(fā)育的影響

土壤中Cu和As分別超過國(guó)家一級(jí)和三級(jí)限制值,這導(dǎo)致了雪嶺云杉葉片中重金屬的累積,而Cu和As在植物體內(nèi)富集過量會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成影響[28,38],因此土壤Cu和As的含量與死樹的生理特征正相關(guān)。同時(shí)研究區(qū)死樹平均胸徑為24.15 cm,平均樹高為11.69 m,而雪嶺云杉死亡個(gè)體通常為徑級(jí)較小的樹木[39],這表明環(huán)境中的重金屬已對(duì)雪嶺云杉的生存生長(zhǎng)造成負(fù)面影響。因此為維護(hù)雪嶺云杉森林的健康建議相關(guān)部門采?。?1)加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)運(yùn)輸車輛的監(jiān)管;(2)及時(shí)對(duì)路面灑水或進(jìn)行硬化處理;(3)推廣先進(jìn)的開采技術(shù)等措施。

3.2 結(jié)論

(1)在艾維爾溝礦區(qū)道路兩側(cè),土壤受到輕度的重金屬污染,環(huán)境中的重金屬已對(duì)雪嶺云杉生長(zhǎng)造成負(fù)面影響并使葉片受到中度重金屬污染。

(2)天山山脈獨(dú)特的氣候條件、環(huán)境中重金屬含量、雪嶺云杉的生理特性及重金屬間的復(fù)合作用等導(dǎo)致雪嶺云杉葉片對(duì)土壤Pb的富集系數(shù)達(dá)5.97,而對(duì)其余重金屬富集系數(shù)均小于1。

(3)雪嶺云杉葉片和土壤中的重金屬含量在道路兩側(cè)垂直距離上的分布差異較大,土壤和雪嶺云杉葉片中Pb含量隨距離表現(xiàn)為負(fù)線性遞減,土壤中Cr、Zn逐漸升高,雪嶺云杉葉片中Cr逐漸降低,Zn變化不大,土壤和雪嶺云杉葉片中As和Cu均表現(xiàn)為先升高后降低。

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