烏魯木齊河灘快速路綠化樹種不同器官重金屬含量的比較

卡得力亞·加帕爾，玉米提·哈力克*，史 磊，丁全斌，美合日阿依·希爾亞孜旦,3

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆維吾爾自治區(qū)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；2.烏魯木齊市林業(yè)和草原局(市園林管理局) 燕爾窩風(fēng)景區(qū)管理處，新疆 烏魯木齊 830049；3.和田師范專科學(xué)校，新疆 和田 848000)

重金屬是城市生態(tài)系統(tǒng)中常見的污染物之一，由于難分解、易累積，對動植物和人類健康造成影響[1]。隨著烏魯木齊市機動車擁有量的急速增長，交通尾氣和降塵中的重金屬污染引起了廣泛的重視[2]。城市交通排放的重金屬顆粒會沉積在路邊的綠化帶土壤中，由綠化植物吸收而逐步富集[3]。已有研究表明[4-6]，草本、地衣植物重金屬富集能力較強，但在烏魯木齊等干旱區(qū)綠洲城市，由于灌溉用水的限制，草本和地衣植物量少，主要依靠喬灌木綠化植物來降低大氣和土壤中的重金屬含量。眾多研究表明[7-12]，綠化植物的配置結(jié)構(gòu)、年齡、物候以及樹木種類、株高、胸徑、樹冠、葉片密度等差異會影響植物對重金屬的富集能力。此外，同一樹種不同器官的重金屬富集能力也有顯著差異[13]。

然而，針對干旱區(qū)綠化植物葉片、樹枝、樹皮等不同器官對重金屬的吸收能力的研究相對較少。此外，城市綠地維護工作中定期對路邊喬灌木葉片、樹枝進行修剪，而正是樹木不同器官對周圍環(huán)境中的重金屬具有一定的吸收和富集作用。因此，探索干旱區(qū)城市綠化樹種不同器官重金屬富集能力，對合理配置城市綠化樹種以及促進城市生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)具有重要意義。

本研究以烏魯木齊市河灘快速路綠化帶5種常見行道樹為樣本，分別測定其葉片、枝條、樹皮中Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Mn等6種重金屬元素的含量(文中提到的含量均為質(zhì)量分數(shù))，并通過隸屬函數(shù)法對5種綠化樹木葉片、樹枝和樹皮等不同器官的重金屬富集特征進行對比分析，旨在對烏魯木齊市城市綠化樹種的篩選與合理管理提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市地處亞歐大陸腹地(42°45′-45°20′N，86°37′-88°58′E)，行政區(qū)域面積為1.2×104km2，2019年底常駐人口為355.2×104[14]。地處中溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫6.6 ℃，年均降水量270 mm，年均風(fēng)速2.5 m·s-1。烏魯木齊河灘快速路是貫通城市南北區(qū)的主干道，全長28 km，現(xiàn)有道路綠地面積262 hm2。該路段綠化樹種相對豐富，且涵蓋了烏魯木齊城市街道綠化中的主要樹種。常見的樹種有白榆(Ulmuspumila)、云杉(Piceaasperata)、大葉白蠟(Fraxinusrhynchophylla)、山楂(Crataeguspinnatifida)、丁香(Syringaoblata)、新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)、圓冠榆(Ulmusdensa)、垂柳(Salixbabylonica)、復(fù)葉槭(Acernegundo)、榆葉梅(Prunustriloba)、夏橡(Quercusrobur)、海棠(Malusspectabilis)等[6,15]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

選取烏魯木齊河灘快速路廣匯橋至珠江橋段為研究區(qū)，該路段是烏魯木齊市城南主要進城入口及道路交匯點，車流量較大，周圍沒有明顯工業(yè)污染源，汽車尾氣排放嚴重。野外樣品采集工作在2018年5-6月進行，在該路段兩側(cè)綠化帶離快速路10～20 m距離，植物生長茂密處設(shè)定3個取樣點，根據(jù)林帶配置結(jié)構(gòu)和園林植物種類、多度、頻度，篩選了海棠、山楂、丁香、白榆、大葉白蠟等5種常見喬木。各樣點內(nèi)每種樹選取3棵胸徑基本一致的健康樹木，分別用高枝剪和樹皮刮刀對其葉片、枝條和樹皮進行采集。為減少誤差，從樹冠的東、南、西、北4個方向，在整個冠層內(nèi)均勻采樣，裝入密封袋，帶回實驗室測定分析。采集葉片時，選擇長勢良好的葉片，數(shù)量為15～20片；采集樹枝時，為減少給樹木帶來的損失，以樹梢前端幼嫩枝條為主，取4～5枝；采集的樹皮樣品大小為4～5 cm2，取5～6個。

2.2 樣品預(yù)處理與測定方法

樣品帶回實驗室后，用自來水清洗1次，超純水清洗3次，在105 ℃烘干箱殺青30 min，相繼60 ℃烘干至恒重；隨后將已烘干的植物樣品粉碎(FZ570型粉碎機)，過100目篩后保存至自封袋。

準確稱取0.2 g已粉碎好的樣本于消解管中，加入8 mL混合酸HClO4-HNO3-H2SO4(6∶1∶1)，振蕩均勻，用帶孔管塞塞嚴，靜置過夜。然后在馬弗爐上80 ℃消解3～4 h至溶液變綠，140 ℃加熱30 min，然后置于180 ℃繼續(xù)消解1 h。取出消化管，冷卻至室溫，每管加入1 mL濃硝酸，180 ℃加熱1～2 h，至溶液透明澄清，產(chǎn)生白煙，反應(yīng)達到終點。經(jīng)過冷卻，過濾，定容到10 mL。

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)進行Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Mn的含量測定，每種植物測定3個樣品，重復(fù)3次，取均值。在測試過程中，使用國家標準物質(zhì)樣品信息中心[GBW 10052(GSB-30)]作標樣進一步驗證測試的精度和穩(wěn)定性。

2.3 植物重金屬富集能力評價

隸屬函數(shù)評估法是通過模糊數(shù)學(xué)原理，利用函數(shù)法進行綜合評估。采用隸屬函數(shù)法來對植物的富集能力進行評價[13,16]。計算5種植物的隸屬函數(shù)值，最后根據(jù)平均值綜合評價植物對Cu、Pb、Zn、Ni、Mn和 Cr的綜合富集能力。計算公式為：

X(μ)=[X-Xmin]/[Xmax-Xmin]

(1)

式中：X為鑒定樣品某一指標的測定值；Xmax、Xmin為測定值中的最大和最小值。

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，SPSS 17.0進行方差分析、相關(guān)性分析；圖表可視化通過Origin 2019和Excel 2010來完成的。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植物富集的重金屬含量

5種植物葉片、樹枝和樹皮中重金屬總含量平均值見表1。不同植物器官對重金屬元素富集能力具有明顯差異。Cu元素在5種植物體內(nèi)的平均含量幅度為48.87～81.63 mg·kg-1；其中，大葉白蠟的Cu含量最高，為81.63 mg·kg-1，海棠的最低，為48.87 mg·kg-1；對于Pb元素，除了富集含量最高的海棠(41.05 mg·kg-1)之外，其他植物的富集量較均勻。5種綠化樹種對Cr和Ni的富集特征具有一定的相似性，其中山楂的富集含量最高，分別為42.74 mg·kg-1和34.22 mg·kg-1。5種樹木對Zn元素的富集能力較均勻；其中，較突出的為山楂，333.52 mg·kg-1。對Mn元素各植物的富集含量相差較大，其中山楂的富集含量高達293.27 mg·kg-1，而海棠樹的相對較低至94.98 mg·kg-1。

表1 5種綠化樹木體內(nèi)重金屬平均含量

將某一種植物單一元素的富集含量除以該元素5種植物總富集量得到不同植物的富集比(圖1)。結(jié)果顯示，大葉白蠟和山楂對Cu元素富集能力最強，各占5種樹木總Cu含量的16.16%和15.50%；海棠對Pb元素的富集比最高，可達14.01%，其他植物對Pb的富集比差異較??；山楂對Cr、Ni、Zn、Mn元素的累積含量較高，所占百分比分別為25.18%、20.96%、24.02%、31.97%。

聚類分析熱圖將5種園林植物聚為3類(圖2)。山楂為第1類，重金屬總含量累積為820.016 mg·kg-1，富集的Zn和Mn元素含量相對很高；白榆、大葉白蠟和丁香為第2類，重金屬總含量356.337～461.402 mg·kg-1，對Cu、Pb、Zn、Mn元素富集能力相對較強。第3類為海棠，其富集的重金屬總含量為267.618 mg·kg-1。

3.2 不同器官積累的重金屬含量特征

不同植物葉片、樹枝及樹皮的重金屬富集含量有所差異(圖3)。葉片、樹枝和樹皮的Cu含量見圖3-Cu。樹皮中，大葉白蠟和白榆的Cu含量高于其樹葉和樹枝。大葉白蠟樹皮的Cu含量高達41.24 mg·kg-1，與Cu含量最低的海棠相比高出2.5倍。葉片中，山楂的含量最高，達42.41 mg·kg-1；海棠樹依然最低，17.65 mg·kg-1。樹枝中所有樹種平均Cu含量較低，為14.05～23.87 mg·kg-1。

從各器官的Pb含量來看(圖3)，海棠、白榆、山楂葉片的Pb含量均高于枝條和樹皮。海棠葉片中Pb含量最高，為20.73 mg·kg-1。對比之下，大葉白蠟的累積含量最低，為11.14 mg·kg-1。5種植物的樹枝富集含量相對較接近，為10.37～11.38 mg·kg-1。所有樹種枝條與樹皮間的Pb含量差值較小。海棠的葉片與枝條、樹皮間含量差值比較大。

不同器官的Cr含量(圖3)山楂和白榆葉片的含量較高，其中山楂高達23.49 mg·kg-1。樹皮中山楂含量較高(11.91 mg·kg-1)；相比之下，樹枝富集含量較低。不同器官Ni含量5種樹木樹枝富集Ni的能力相差不大，而山楂的葉片對其呈現(xiàn)較強的富集效應(yīng)；相對而言，其他樹種葉片富集能力較弱。樹皮中大葉白蠟的含量最高，為8.84 mg·kg-1；海棠最低，為2.34 mg·kg-1。

從圖3可見，葉片尺度上，5種樹木對Zn的累積含量相差較大，其中，山楂為218.97 mg·kg-1，其余4種樹木Zn含量為21.00～61.84 mg·kg-1。樹皮尺度上，除最低的海棠樹(15.51 mg·kg-1)，其余較均勻(42.93～69.12 mg·kg-1)；樹枝中各樹種Zn含量相差并不大，最高為山楂(61.20 mg·kg-1)，最低為海棠(21.87 mg·kg-1)。葉片中山楂的Mn含量高達262.44 mg·kg-1，與其樹枝、樹皮含量差異顯著；樹皮中丁香的Mn累積含量最高(109.97 mg·kg-1)。

分析葉片、樹枝、樹皮中重金屬含量相關(guān)性(表2)。葉片中Cu與Cr、Ni、Zn和Mn呈極顯著相關(guān)，與Pb呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.101。樹枝中Cu與Mn呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.891；Ni與Cu、Pb和Mn呈負相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.586、-0.294和-0.387。樹皮中Cu與Cr呈負相關(guān)，負相關(guān)系數(shù)為-0.406,其他元素未呈現(xiàn)相關(guān)性。

表2 葉片、樹枝、樹皮中不同重金屬的相關(guān)性

通過不同器官相關(guān)性分析可知，葉片的重金屬含量與樹枝的重金屬含量呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.444；葉片與樹皮之間未呈現(xiàn)相關(guān)性，而樹枝與樹皮之間呈極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.572(表3)。

表3 不同器官中重金屬含量相關(guān)性

3.3 5種綠化樹種重金屬富集能力排序

通過隸屬函數(shù)值的對比來判斷5種植物的重金屬富集能力，其中 Δ 值越大表示植物富集能力越強(表4)。根據(jù)Δ 值可看出，山楂的重金屬富集能力最強。烏魯木齊市河灘快速路綠化帶5種樹木中對6種重金屬綜合富集效果較強的為山楂和丁香，而海棠的富集能力相對較弱。

表4 不同樹種對6種重金屬富集能力的隸屬函數(shù)值

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

不同器官(樹葉、樹枝及樹皮)中重金屬富集含量差異因重金屬種類不同而異。3種器官而言，葉片與樹枝具有極顯著相關(guān)性，與樹皮無相關(guān)；樹皮與樹枝呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性。

6種重金屬在各器官的相關(guān)性有所不同。葉片中，除Cu與Cr呈負相關(guān)，其他均呈極顯著正相關(guān)；樹皮中6種元素未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性；樹枝中Cu與Mn具有顯著相關(guān)性。

山楂和丁香對6種重金屬元素的綜合富集能力較強，可作為烏魯木齊市城市環(huán)境綠化中優(yōu)先選擇的綠化物種。

4.2 討論

烏魯木齊市河灘快速路綠化帶5種綠化樹種對不同重金屬的富集含量各不相同。每種植物對Mn、Zn、Cu的累積能力普遍較強，這可能與城市交通區(qū)域大氣中重金屬顆粒物濃度偏高有關(guān)[17]。此外，李彩霞等[18]對長沙市綠化帶內(nèi)喬木枝葉重金屬富集能力研究而提出的“喬木對Cu的富集能力普遍較低”的結(jié)論與本研究相反，原因可能由于本研究主要在干旱區(qū)多風(fēng)沙地區(qū)進行，樣本采集涉及植物多種器官(枝、葉、皮)，多器官研究對植物重金屬富集能力提供更充分的依據(jù)。

植物葉片吸收的重金屬來自大氣污染沉降和根系提供的營養(yǎng)礦物質(zhì)元素。本研究結(jié)果顯示，葉片和樹皮對重金屬元素的富集貢獻較大。特別是葉片對Mn、Zn的富集效能明顯于其他器官。整體而言，葉片的重金屬富集能力較強于樹枝和樹皮，這可能是因為葉片在光合作用中吸收體外氣體，也可能積蓄重金屬元素而敦促物質(zhì)代謝，這與東部沿海城市的研究結(jié)果基本一致[9]。根據(jù)本研究結(jié)果可知，城市園林植物的樹皮可以積累大氣和土壤中的重金屬，但葉片仍是對重金屬富集方面起主導(dǎo)作用。

本研究結(jié)果顯示，樹葉中的部分重金屬之間具有一定的顯著相關(guān)性，而在樹皮中卻呈現(xiàn)微弱相關(guān)性。這可能由于植物不同器官的富集重金屬途徑不同而造成的；樹皮更傾向于從根系土壤中吸收重金屬元素，而葉片更善于從大氣中吸收重金屬[19-20]。此外，相比于其他城市，烏魯木齊市近幾年機動車流量劇增，道路交通密度、排染重金屬含量也隨之增加，促進了其累積到綠化帶土壤中和園林植物體內(nèi)[3,21-22]。

研究得出，烏魯木齊市河灘快速路綠化帶同一種植物的樹葉、樹枝及樹皮中重金屬含量有所差異，表明植物不同器官的重金屬富集能力具有顯著差異性，這與大多數(shù)研究結(jié)論一致[13,16]。植物不同器官富集重金屬能力可能受到植物體內(nèi)復(fù)雜的生理機制等內(nèi)在因素，并大氣、土壤等外界環(huán)境因素以及交通工具等污染源的綜合影響[23-24]。本研究中未展開所選植物生理機制和區(qū)域污染物來源分析，今后的研究中應(yīng)綜合考慮植物根系與其他器官的相關(guān)研究，以及大氣和土壤的重金屬本底值為參考依據(jù)，力求解析園林植物各器官內(nèi)積累的重金屬元素的來源。