紅皮云杉不同器官對土壤重金屬的富集特征

劉 麗，阿麗亞·拜都熱拉，張純曦，胡夢玲

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人類活動(dòng)強(qiáng)度的提高，工業(yè)化和城市化帶來的重金屬污染問題引起廣泛關(guān)注。重金屬對環(huán)境質(zhì)量、食品安全、人體健康及社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]。20世紀(jì)50年代發(fā)生在日本的重金屬Cd污染，以及近年來發(fā)生在中國湖南安化的Cd污染、河南商丘的Cd和As污染，均使當(dāng)?shù)氐幕及┞蚀蠓仙齕3]。綠化樹種能有效且經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)重金屬污染土地的修復(fù)，其綠化覆蓋面積大、綠化空間輻射占有量大，對重金屬有一定的富集、吸收、轉(zhuǎn)化和降解作用，并穩(wěn)固在樹木體內(nèi)，防止重金屬造成再次污染[4-5]。

綠化樹木是城市區(qū)域的主要植物類型，其辨識度高、生命周期長，在重金屬元素監(jiān)測和防治方面發(fā)揮著重要作用。其不僅能通過各器官吸附空氣中的重金屬，還能通過植物根系吸收土壤中的重金屬，從而對土壤和大氣中的重金屬污染起到凈化作用[6-7]。因此，綠化樹木對重金屬元素的富集特征值得深入研究。目前，有關(guān)城市綠化樹種重金屬元素富集特征的研究大部分集中在闊葉樹種上，而對針葉樹種的研究還比較少。

紅皮云杉(PiceakoraiensisNakai)是松科云杉屬常綠喬木，作為一種常綠樹種，其對土壤中重金屬污染物的積累能力值得探討。為了明確紅皮云杉對土壤中重金屬元素的吸收能力和吸收機(jī)制，本文對清潔區(qū)和污染區(qū)紅皮云杉樹葉、樹枝、樹皮、樹根和根際土壤中的Cr、Pb、Cd這3種重金屬元素含量進(jìn)行測定，分析了紅皮云杉各器官吸收重金屬的情況及其聯(lián)系，以探究紅皮云杉不同器官對土壤中重金屬元素的吸收和累積規(guī)律，為進(jìn)一步研究紅皮云杉對土壤中重金屬元素的累積機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

在烏魯木齊市分別選擇1個(gè)污染區(qū)和1個(gè)清潔區(qū)作為研究區(qū)，研究區(qū)示意圖見圖1。污染區(qū)位于

圖1 研究區(qū)示意圖

郊區(qū)烈士陵園京新高速公路旁(47.734°N,87.591°E)。清潔區(qū)位于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)(43.813°N，87.566°E)，附近無大氣污染源，空氣、土壤相對清潔。兩區(qū)的植物配置方式均為喬木(紅皮云杉)和草本。研究區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候，春秋兩季較短、冬夏兩季較長。氣溫1—2月份最低，7—8月份最高。年降雨量120～180 mm，雨季集中在6—8月份，年蒸發(fā)量2 000～3 000 mm，年降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于年蒸發(fā)量。

1.2 野外調(diào)查與采樣

2019年3月，在烏魯木齊市郊區(qū)烈士陵園京新高速公路旁設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)選取3棵樹，共計(jì)9棵樹，用皮尺和超聲波測高器分別測量3個(gè)采樣點(diǎn)紅皮云杉的胸徑和樹高，在采樣點(diǎn)選擇長勢較為一致的紅皮云杉進(jìn)行采樣。不同污染等級土壤重金屬元素含量見表1，不同污染等級紅皮云杉生長情況見表2。分別在枝干1.5 m處西(面對道路)、北(背對道路)2個(gè)方向采集紅皮云杉葉片和樹枝，并混勻作為一個(gè)樣品；在枝干1.5 m處4個(gè)方向采集紅皮云杉樹皮，并混勻作為一個(gè)樣品；在樹冠垂直投影2/3處4個(gè)方向采集紅皮云杉樹根，采取植物根部時(shí)注意不損傷根毛部位，盡可能保持根系完整，并混勻作為一個(gè)樣品。同時(shí)，在各個(gè)采樣點(diǎn)紅皮云杉根系周圍(0～20 cm)采集土壤樣品，混勻作為一個(gè)樣品。分別裝入自封袋并做好標(biāo)記。用相同的采樣方法在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行采樣。

表1 不同污染等級土壤重金屬元素含量 mg/kg

注：1表示清潔區(qū)，2表示污染區(qū)。同列不同字母表示同一重金屬元素不同污染等級之間達(dá)到顯著水平(P<0.05)，下同。

表2 不同污染等級紅皮云杉生長情況

注：1表示清潔區(qū)，2表示污染區(qū)。

1.3 樣品測試

植物樣品處理：將所采集的植物樣品先用自來水沖洗3次，再用超純水沖洗3次，于通風(fēng)處自然晾干后放入烘箱，110 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，粉碎并過100目篩。稱取0.15 g樣品置于酸煮洗凈的消煮管中，加入5 mL HNO3,置于通風(fēng)櫥中過夜預(yù)消解，放入消解爐中進(jìn)行消煮1 h后，冷卻0.5 h，加入3 mL HCIO4繼續(xù)消煮3 h。將消煮后的溶液定容至50 mL，并轉(zhuǎn)移到酸煮洗凈的塑料瓶中。通過石墨爐測定重金屬元素含量。

土壤樣品處理：去除土壤中的雜物，自然風(fēng)干并磨碎，過100目篩。稱取土壤樣品0.1 g置于酸煮洗凈的消煮管中，用水潤濕后加入5 mL HCL，放入消解爐中加熱，當(dāng)蒸發(fā)至2～3 mL時(shí)，取下稍冷，然后加入5 mL HNO3和2 mL HCIO4，放入消煮爐中加熱3 h左右。將消煮后的溶液定容至50 mL并轉(zhuǎn)移到酸煮洗凈的塑料瓶中。通過石墨爐測定重金屬元素含量。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

1.4.1 植物重金屬富集系數(shù)計(jì)算

富集系數(shù)的計(jì)算參照文獻(xiàn)[8]的方法，公式為:

F=BO/SO，

(1)

其中：F為富集系數(shù)；BO為植物樣品的重金屬元素含量,mg/kg；SO為土壤樣品的重金屬元素含量,mg/kg。

1.4.2 紅皮云杉各部位重金屬積累量估算方法

植物重金屬積累量的計(jì)算參照文獻(xiàn)[9]的方法，公式為：

BIO=BI×B，

(2)

其中：BIO為重金屬元素積累量，mg；BI為生物量,kg；B為重金屬元素含量,mg/kg。

參考文獻(xiàn)[10]的生物量方程來測算生物量，回歸方程如下：

W(樹葉)=1.152 0 (D2H)0.272 3，r2=0.921 6；

(3)

W(樹枝)=2.064 4 (D2H)0.272 1，r2=0.912 2；

(4)

W(樹皮)=0.003 445(D2H)0.934 3，r2=0.908 2；

(5)

W(根系)=0.197 58 (D2H)0.665 8，r2=0.948 5，

(6)

其中：W為各器官的生物量,kg；D為胸徑,cm；H為樹高,m；r2為方程的擬合系數(shù)。

1.4.3 單位綠化覆蓋面積估算

紅皮云杉單位綠化覆蓋面積的計(jì)算參考文獻(xiàn)[11]，公式為:

S=πmn，

(7)

其中：S為單位綠化覆蓋面積，m2；m和n分別為樹冠東西和南北長的1/2，m。

1.4.4 綠化空間輻射占有量

綠化空間輻射占有量的計(jì)算參考文獻(xiàn)[12]，公式為:

V=πR2H，

(8)

其中：V為單株綠化空間輻射占有量，m3;R為樹冠半徑，m;H為樹高，m。

1.5 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素和Duncan法進(jìn)行方差分析。采用Microsoft Excel 2010軟件作圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同土壤重金屬污染等級下紅皮云杉各器官重金屬元素含量

紅皮云杉重金屬元素含量因污染程度、重金屬元素種類和植物器官的不同而存在差異，不同土壤重金屬污染等級下紅皮云杉各器官重金屬元素含量見表3。由表3可知：在污染等級1中，除Cr外，各器官重金屬含量大小順序?yàn)闃淦?樹枝>樹根>樹葉，在污染等級2中，除Cd外，各器官重金屬含量大小順序?yàn)闃淦?樹根>樹枝>樹葉。 Cr、Pb和Cd在樹皮中含量最高，Cd在紅皮云杉各器官中的含量普遍較低。不同污染等級下紅皮云杉相同器官對同一元素的吸收存在顯著差異，污染等級2中樹葉、樹枝、樹皮和樹根中的Cr含量是污染等級1中相應(yīng)器官的3.41倍、1.15倍、1.26倍和1.18倍；污染等級2中樹葉、樹枝、樹皮和樹根中的Pb含量是污染等級1中相應(yīng)器官的13.22倍、1.15倍、2.10倍和1.58倍；污染等級2中樹葉、樹枝、樹皮和樹根中的Cd含量是污染等級1中相應(yīng)器官的2.20倍、1.65倍、1.75倍和1.66倍?？傮w上，重金屬含量在各污染等級紅皮云杉中大小順序?yàn)槲廴镜燃?>污染等級1。

表3 不同土壤重金屬污染等級下紅皮云杉各器官重金屬元素含量 mg/kg

注：同列不同字母表示同一污染等級相同重金屬元素不同器官之間差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同土壤重金屬污染等級下紅皮云杉各器官重金屬元素富集能力

紅皮云杉各器官中Pb、Cd和Cr的富集系數(shù)見表4。由表4可知：在污染等級1和污染等級2中，各器官對Cd的富集能力為樹皮>樹枝>樹根>樹葉，對Cr的富集能力為樹皮>樹根>樹枝>樹葉；在污染等級1中，各器官對Pb的富集能力為樹皮>樹枝>樹根>樹葉，在污染等級2中，各器官對Pb的富集能力為樹皮>樹根>樹枝>樹葉，除污染等級1中樹枝和樹皮以及污染等級2中樹皮外,各重金屬元素的富集能力為Cd>Cr>Pb。對不同器官在同種重金屬元素的富集能力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),樹皮對Pb、Cd和Cr的富集能力均高于樹葉、樹枝和樹根，體現(xiàn)了樹皮對重金屬元素的高富集特征，樹皮作為植物體積累重金屬的主要器官，表面由排列規(guī)則的凹槽組成，樹皮表面粗糙，因此其吸滯重金屬元素能力明顯大于其他器官[13]。樹皮對Pb、Cd和Cr的富集能力顯著高于樹葉、樹枝和樹根，可能與樹皮表面的凹槽及與污染空氣長時(shí)間接觸有關(guān)。在對Cd的富集能力中，樹枝對Cd的富集能力僅次于樹皮，對其進(jìn)行分析，樹枝附近大氣中Cd含量較高[14]。不同污染等級下，紅皮云杉對Pb的富集能力不一致，主要是由于污染等級2的植物處于快速路旁，汽車尾氣導(dǎo)致快速路旁土壤Pb含量高，從而樹根對Pb的富集能力要高于樹枝。樹葉對Pb、Cd和Cr的富集能力普遍較低，主要是由于紅皮云杉葉子為針形葉。除樹枝對Pb元素的富集能力外，污染等級2中各器官重金屬富集效能總體上高于污染等級1，表明污染指數(shù)越高，紅皮云杉對重金屬元素的富集效能越高。說明紅皮云杉適合種植在污染較嚴(yán)重的區(qū)域，如工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)等區(qū)域。

表4 紅皮云杉各器官重金屬元素富集系數(shù)

2.3 單株紅皮云杉重金屬元素富集效能

單株重紅皮云杉重金屬元素的富集效能見表5。單株紅皮云杉的重金屬元素積累量為590.81 mg。不同重金屬元素單株紅皮云杉積累量大小順序?yàn)椋篊r最大、Pb次之、Cd最低；各器官總重金屬積累量大小順序?yàn)椋簶涓畲?、樹枝和樹葉其次、樹皮積累量最低。樹葉、樹枝、樹皮和樹根分別占紅皮云杉生物量的11%、22%、10%和26%[15]，而各器官重金屬元素積累量分別占重金屬元素積累量的22%、26%、14%和38%。各器官生物量與重金屬元素積累量呈正比，生物量最大的樹根對重金屬元素的富集效能高于樹葉、樹皮和樹枝。從各器官對不同重金屬元素的積累量來看,樹根對Pb、Cd和Cr的積累量分別占紅皮云杉各器官重金屬元素積累總量的38.42%、21.47%和40.00%,樹根對各重金屬元素的積累量高于其他器官。根據(jù)紅皮云杉的冠幅、樹高估算其單位面積和單位空間對重金屬富集效能，單株紅皮云杉對重金屬元素的富集效能為Cr>Pb>Cd,與重金屬元素在單株紅皮云杉中積累量大小的順序一致。

表5 單株紅皮云杉重金屬元素富集效能

3 討論

3.1 土壤中重金屬元素含量對植物吸收重金屬的影響

植物從土壤中吸收重金屬元素的總量與土壤中重金屬元素含量具有很大的相關(guān)性[16]。土壤中重金屬元素含量和紅皮云杉中重金屬元素含量由大到小依次為Cr>Pb>Cd，紅皮云杉對Cr、Pb和Cd的吸收差異不明顯，紅皮云杉體內(nèi)各重金屬元素含量與土壤中各重金屬元素含量保持著高度的相關(guān)性。由于研究區(qū)存在較嚴(yán)重的Cr污染，植物在單一元素污染情況下，在重金屬元素含量達(dá)到一定水平時(shí)會產(chǎn)生累積作用[2]，導(dǎo)致土壤和植物體內(nèi)Cr都較高。

3.2 植物各器官對重金屬元素的積累與吸收

植物一部分是通過根系吸收土壤中的重金屬元素，然后經(jīng)由樹干傳輸?shù)礁髌鞴伲涣硪徊糠质峭ㄟ^樹枝、樹葉、樹皮接觸，吸收大氣中重金屬顆粒物。

3.2.1 樹葉

紅皮云杉樹葉對重金屬元素的吸收普遍低于其他器官，樹葉對重金屬元素的轉(zhuǎn)運(yùn)能力比較弱。文獻(xiàn)[17]研究得出葉片對大氣重金屬污染物具有很強(qiáng)的吸收能力；文獻(xiàn)[18-19]的研究結(jié)果顯示樹葉對重金屬的吸收能力高于樹根及其他器官，和本研究結(jié)果不一致，可能原因是紅皮云杉樹葉為針形葉，吸收重金屬元素的能力比較弱。

3.2.2 樹枝

到目前為止，樹枝對重金屬元素富集能力的研究比較少，僅有的研究表明樹枝對重金屬元素具有一定的積累作用。文獻(xiàn)[20]提出樹枝吸收重金屬能力的大小受根部吸收的影響。本研究結(jié)果表明：樹枝對重金屬元素的富集能力僅次于樹皮，具有較高的積累作用。

3.2.3 樹皮

樹皮吸收的重金屬主要來源于樹根和大氣污染物[13]。本研究結(jié)果表明：樹皮對重金屬元素的富集能力最強(qiáng)，尤其是對Pb和Cr兩種重金屬元素的吸收，與文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)論一致。樹皮對重金屬元素的吸收能力高于樹根，表明樹皮中的重金屬元素有可能來自對大氣中重金屬顆粒物的吸附。

3.2.4 樹根

樹根是吸收養(yǎng)分的主要器官，在吸收養(yǎng)分的同時(shí)也吸收土壤中的重金屬元素。本研究結(jié)果表明：樹根對重金屬的富積作用低于樹皮和樹枝，高于樹葉。文獻(xiàn)[1]研究得出樹根中的重金屬元素含量一般比其他器官高，這與本研究結(jié)果不一致。這可能與Pb、Cd和Cr均為非必需元素有關(guān)，紅皮云杉樹根對其進(jìn)行選擇性吸收，導(dǎo)致樹根中Pb、Cd和Cr含量較低。

3.3 紅皮云杉對重金屬污染的凈化作用

綠化植物可以去除土壤中的重金屬元素[22-23]。紅皮云杉作為常綠喬木，相比于其他落葉樹種，在重金屬污染治理方面具有可開發(fā)的價(jià)值。樹皮在紅皮云杉中生物量最小，但富集能力最強(qiáng)，對城市大氣及土壤重金屬污染具有緩沖作用[24]。在烏魯木齊綠化樹種中，單株紅皮云杉樹根內(nèi)可積累重金屬元素含量順序?yàn)镃r>Pb>Cd，樹根對Pb和Cr的積累量明顯高于樹葉、樹枝和樹皮，分別占重金屬元素積累總量的38.42%和40.00%，文獻(xiàn)[25]研究得出二球懸鈴木樹根對Pb和Cd的積累量分別占重金屬元素積累量的10.1%和12%。因而，紅皮云杉可以作為Cr、Pb污染場地進(jìn)行修復(fù)、治理的備選樹種。單株紅皮云杉對重金屬元素富集能力的大小順序?yàn)镃r>Pb>Cd,與各重金屬元素在單株紅皮云杉中積累量的大小順序一致。

4 結(jié)論

(1)紅皮云杉重金屬元素含量因污染程度、重金屬元素種類和植物器官的不同而存在差異，這是紅皮云杉對各重金屬元素選擇性吸收的結(jié)果。

(2)紅皮云杉各器官中樹皮重金屬含量最高?？傮w上，在污染等級1中，各器官重金屬含量大小順序?yàn)闃淦?樹枝>樹根>樹葉，在污染等級2中，各器官重金屬含量大小順序?yàn)闃淦?樹根>樹枝>樹葉。總體上，各器官對Cd、Cr和Pb的富集能力為樹皮>樹枝>樹根>樹葉。

(3)各重金屬元素在紅皮云杉中含量大小總趨勢為Cr>Pb>Cd，而富集能力大小總趨勢為Cd>Cr>Pb，與之差異較大，該結(jié)果反映出3種重金屬元素的富集吸收中，紅皮云杉對Cd的低吸收高富集。

(4)紅皮云杉對Cd和Cr的富集能力隨著污染等級的增加而增加。

(5)單株紅皮云杉各器官對重金屬元素富集效能的大小順序?yàn)闃涓?樹枝>樹葉>樹皮，樹根對Pb、Cd和Cr的積累量分別占紅皮云杉各器官重金屬元素積累總量的38.42%、21.47%和40.00%,樹根對各重金屬元素積累量明顯高于其他器官。單株紅皮云杉不同重金屬元素積累量大小順序?yàn)镃r>Pb>Cd，與紅皮云杉不同重金屬元素含量總體趨勢一致。