濕地池杉不同營養(yǎng)器官富集重金屬特征

駱子璇, 胡海波, 賈西川, 陳建宇

(南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，江蘇 南京 210037)

濕地在調(diào)節(jié)氣候、凈化污染、調(diào)蓄洪水、涵養(yǎng)水源和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面發(fā)揮著重要作用.近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的急速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，頻繁的人類活動給濕地造成了一定程度的重金屬污染問題，這引起了大量學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4].有研究表明，濕地植物可通過其特有的生長特性，采取提取、穩(wěn)定、揮發(fā)和根系過濾等一系列方式修復(fù)濕地的重金屬污染[5].Deng et al[6]和Aliya et al[7]研究表明，濕地造林樹種綠化覆蓋面積大，對重金屬有富集、吸收和轉(zhuǎn)化作用[6-7].

池杉(Taxodiumascendens)是南京江北地區(qū)幾片典型濕地內(nèi)的優(yōu)勢樹種，可以抵抗深淹脅迫[8-9]，能夠被用于濕地綠化和景觀營造，同時對底泥重金屬污染具有一定的修復(fù)、凈化效果[10].目前，有關(guān)濕地植物修復(fù)重金屬污染的研究主要集中在濕地草本植物和闊葉樹種方面.例如：蔣偉等[11]研究表明，美人蕉(Cannaindica)、風(fēng)車草(Cyperusalternifolius)、香蒲(Typhaorientalis)3種濕地植物對銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)的富集能力和轉(zhuǎn)移能力均較高；劉暉等[12]研究表明，廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)各營養(yǎng)器官對重金屬的富集能力表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹葉.但是，關(guān)于濕地木本植物對重金屬富集、轉(zhuǎn)移作用的研究較少[13-14].本研究以南京江北地區(qū)5片典型濕地池杉林為研究對象，測定底泥的Cu、Zn、Pb、Cr含量并分析池杉各營養(yǎng)器官對各重金屬元素的富集、轉(zhuǎn)移特征，以了解這些濕地池杉林的土壤性狀以及池杉對土壤環(huán)境的凈化、修復(fù)功能，為濕地池杉林生態(tài)系統(tǒng)的管理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取南京市江北地區(qū)典型的5片濕地池杉林進(jìn)行取樣，這些池杉林都位于滁河流域沿線.滁河位于江淮之間，屬于長江下游左岸一級支流，經(jīng)南京江北地區(qū)流入長江，該流域是重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)地，周邊村莊較多，具有一定程度的農(nóng)業(yè)面源污染.滁河灣池杉林位于滁河流域下游的南京市六合新城滁河濱水區(qū)生態(tài)廊道內(nèi)，鳥類、魚類、兩棲類和植物等生物種類豐富；池杉湖池杉林位于滁河流域中游的南京市六合區(qū)程橋街道的國家濕地公園內(nèi)，為華東最大的池杉林，素有“百鳥天堂”的美譽(yù)；大泉湖池杉林和止馬嶺池杉林位于滁河流域源頭的南京市六合區(qū)竹鎮(zhèn)街道，該地的池杉主干挺直，形狀優(yōu)美.各取樣地概況見表1.

表1 取樣地概況Table 1 General information of the study area

1.2 樣品采集與處理

于2020年5月分別在5片池杉林中設(shè)置采樣點.每個采樣點選取6棵長勢一致的池杉，在每棵樹的東、西、南、北4個方向，分別采集樹枝、樹皮、樹葉和樹根.每類樣品分別混勻并取混合樣，同時在池杉樣株周圍采集底泥(0～20 cm)樣品，裝入自封袋，貼好標(biāo)簽，帶回實驗室處理.

1.3 指標(biāo)測定與計算方法

植物樣品(樹枝、樹皮、樹葉和樹根)和底泥樣品中的重金屬均采用三酸(HNO3-H2SO4-HClO4)消化法消化、定容、保存，用火焰原子吸收光譜法測定Cu、Pb、Zn、Cr含量[15].

根據(jù)池杉樹根、樹皮、樹枝和樹葉中重金屬含量，計算生物富集系數(shù)(bio-concentration factor,FBC)[19]和生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor,FT)[20].FBC=植物各部分中某重金屬元素含量/底泥中該重金屬元素含量；FT為植物地上部分某重金屬元素含量與該植物根部該重金屬元素含量的比值[21].

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步統(tǒng)計，采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行方差分析，采用Origin 2019軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥中重金屬含量與潛在生態(tài)風(fēng)險評價

池杉林底泥中重金屬含量見表2.經(jīng)單因素方差分析，各取樣地底泥中重金屬含量不同，且存在顯著差異(P<0.05).Cu含量表現(xiàn)為止馬嶺池杉林最高(87.70 mg·kg-1)、大泉湖池杉林最低(23.39 mg·kg-1)；Zn含量表現(xiàn)為池杉湖池杉林2最高(120.32 mg·kg-1)、大泉湖池杉林最低(50.27 mg·kg-1)；各取樣地底泥中Pb含量均較低；Cr含量表現(xiàn)為止馬嶺池杉林最高(159.76 mg·kg-1)、滁河灣池杉林最低(50.80 mg·kg-1).

表2 池杉林底泥中重金屬含量1)Table 2 Contents of heavy metals in the sediments of T.ascendens forests mg·kg-1

5片濕地池杉林底泥中重金屬含量大體表現(xiàn)為Zn>Cr>Cu>Pb，且具有顯著差異(P<0.05).其中：止馬嶺池杉林、池杉湖池杉林1、池杉湖池杉林2底泥中的Cu、Zn、Cr含量均超過南京地區(qū)背景值；而對于Pb含量，僅池杉湖池杉林2的值略超過地區(qū)背景值.

表3 底泥中重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Table 3 Potential ecological hazard coefficients of heavy metals

2.2 池杉各營養(yǎng)器官中的重金屬含量

池杉不同營養(yǎng)器官中的重金屬含量存在一定差異，且不同取樣地之間也具有一定差異.從圖1可以看出，池杉同一器官中的Cu、Zn、Pb、Cr含量同樣存在較大差異，各營養(yǎng)器官基本表現(xiàn)為Zn含量最高、Pb含量最低.

滁河灣池杉林樹根中4種重金屬元素含量大小排序為Zn(64.08 mg·kg-1)>Cu(36.78 mg·kg-1)>Cr(21.61 mg·kg-1)>Pb(5.18 mg·kg-1)；樹皮和樹枝表現(xiàn)為Zn含量顯著大于Cu含量(P<0.05)，Cr含量顯著大于Pb含量(P<0.05)，Cu與Cr含量差異不顯著(P>0.05)；樹葉則表現(xiàn)為Zn含量顯著大于Cu、Cr、Pb含量(P<0.05)，而Cu、Cr、Pb含量差異不顯著(P>0.05).

A～E分別表示滁河灣池杉林、池杉湖池杉林1、池杉湖池杉林2、大泉湖池杉林、止馬嶺池杉林.不同大寫字母表示同一器官不同元素間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一元素不同器官間差異顯著(P<0.05).圖1 池杉不同營養(yǎng)器官中的重金屬含量Fig.1 Contents of heavy metals in different vegetative organs of T.ascendens forests

池杉湖池杉林1樹根和樹枝一致表現(xiàn)為Zn含量顯著大于Cu含量(P<0.05)，Cr含量顯著大于Pb含量(P<0.05)，Cu與Cr含量差異不顯著(P>0.05)；樹皮表現(xiàn)為Zn含量顯著大于Cr、Cu、Pb含量(P<0.05)，且Cu與Pb含量差異不顯著(P>0.05)；樹葉表現(xiàn)為Zn含量顯著大于Cu、Cr、Pb含量(P<0.05)，且Cu、Cr、Pb含量差異不顯著(P>0.05).

池杉湖池杉林2、大泉湖池杉林及止馬嶺池杉林3片取樣地池杉各營養(yǎng)器官中4種重金屬元素含量特征大致相同，基本表現(xiàn)為Zn含量最高，Cu與Cr含量無明顯差異，Pb含量最低.

從單種重金屬元素來看，Zn在池杉各營養(yǎng)器官中的平均含量最高.滁河灣池杉林不同營養(yǎng)器官中Zn含量差異不顯著(P>0.05)；而池杉湖池杉林1樹枝中的Zn含量顯著大于樹葉(P<0.05)，樹根和樹皮中的Zn含量居中；池杉湖池杉林2、大泉湖池杉林及止馬嶺池杉林的Zn含量均表現(xiàn)為樹枝最高，樹皮和樹葉較低.滁河灣池杉林、池杉湖池杉林1和池杉湖池杉林2的Cu含量一致表現(xiàn)為樹根顯著大于樹皮(P<0.05)，樹枝顯著大于樹葉(P<0.05)；而止馬嶺池杉林樹根中的Cu含量顯著大于樹皮、樹枝、樹葉(P<0.05).滁河灣池杉林、池杉湖池杉林1、池杉湖池杉林2和大泉湖池杉林的Pb含量一致表現(xiàn)為樹皮最高，樹根較少；而止馬嶺池杉林樹枝中的Pb含量最高，樹葉最低.5片池杉林的Cr含量一致表現(xiàn)為樹根、樹皮、樹枝顯著大于樹葉(P<0.05).

總體而言，池杉各營養(yǎng)器官中重金屬含量表現(xiàn)為Zn>Cr>Cu>Pb、樹枝>樹根>樹皮>樹葉；Zn在樹枝中含量最高，Cr在樹根、樹皮、樹枝中的含量無明顯差異；Cu在樹根中的含量最高；Pb在樹皮中的含量最高.

2.3 池杉各營養(yǎng)器官對重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

由表4可知，池杉不同營養(yǎng)器官對各重金屬元素的富集、轉(zhuǎn)移能力存在明顯差異，F(xiàn)BC為0.07～1.76，F(xiàn)T為0.27～2.48.

池杉樹根對Cu的富集能力最強(qiáng)，F(xiàn)BC均值為0.63，顯著大于樹葉對Cu的FBC(0.20)(P<0.05).

表4 池杉各營養(yǎng)器官對重金屬的生物富集系數(shù)(FBC)和生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(FT)1)Table 4 Bio-concentration factor and translocation factor of heavy metals in different vegetative organs of T.ascendens forests

池杉對Zn的富集能力則表現(xiàn)為樹枝最強(qiáng)，F(xiàn)BC均值為0.99，樹根、樹皮、樹葉對Zn的FBC均值分別為0.75、0.66、0.61.

池杉各營養(yǎng)器官對Pb、Cr的富集能力較對Cu、Zn弱，樹皮對Pb的FBC均值(0.62)顯著大于樹根(0.35)、樹枝(0.40)及樹葉(0.39)(P<0.05).池杉樹根、樹皮、樹枝對Cr的FBC無顯著差異(P>0.05)，均值分別為0.30、0.31、0.34，顯著大于樹葉對Cr的FBC均值(0.10)(P<0.05).

樹根對4種重金屬元素的FBC合計為2.03，樹皮為1.99，樹枝為2.19，樹葉為1.30，綜合富集能力表現(xiàn)為樹枝>樹根>樹皮>樹葉.

池杉對Cu的轉(zhuǎn)移能力表現(xiàn)為樹枝(0.71)>樹皮(0.62)>樹葉(0.33)，對Zn的轉(zhuǎn)移能力表現(xiàn)為樹枝(1.32)>樹皮(0.85)>樹葉(0.84)，對Pb的轉(zhuǎn)移能力表現(xiàn)為樹皮(1.90)>樹葉(1.24)>樹枝(1.20)，對Cr的轉(zhuǎn)移能力表現(xiàn)為樹枝(1.15)>樹皮(1.07)>樹葉(0.35).

綜上所述，池杉對Cu、Zn、Pb、Cr均有較好的富集作用，其中對Zn的富集能力最強(qiáng).池杉的樹皮、樹枝、樹根中重金屬含量較高，樹葉中則普遍較低；池杉對Cu、Zn、Pb、Cr的綜合FBC分別為0.42、0.75、0.44、0.26，表現(xiàn)為Zn>Pb>Cu>Cr；各營養(yǎng)器官對4種重金屬元素總的富集能力表現(xiàn)為樹枝>樹根>樹皮>樹葉；池杉樹皮、樹枝、樹葉對根部4種重金屬元素的FT均值分別為1.11、1.10、0.69，表現(xiàn)為樹皮>樹枝>樹葉.

3 討論

有研究表明，植物從土壤中吸收重金屬元素的總量與底泥中重金屬元素含量具有顯著的相關(guān)性[23].本研究結(jié)果也表明，5片濕地池杉林底泥和各營養(yǎng)器官中的重金屬含量均表現(xiàn)為Zn>Cr>Cu>Pb.該結(jié)果與其他類似研究得出的Pb比Cr、Cu含量高[24-25]的結(jié)論不一致，這可能是由于不同研究區(qū)中重金屬元素成分和含量不同.在5片池杉林中，池杉湖池杉林2底泥中的Pb含量略超過地區(qū)背景值，部分池杉林的Cu、Zn、Cr含量超過地區(qū)背景值.這說明這5片濕地池杉林生態(tài)系統(tǒng)存在一定的重金屬污染.有研究表明，畜禽糞便和農(nóng)藥會造成重金屬Cu、Zn和Cr的積累[26-27]；Post et al[28]研究表明，鳥糞中含有較多的Cu、Zn元素，且飼料的投用及農(nóng)藥、化肥的不合理使用等均可能會引起重金屬污染.因此，推測濕地池杉林污染可能與周邊農(nóng)藥、化肥的施用以及鳥類活動有關(guān)[29].

池杉對底泥中的重金屬有一定富集、轉(zhuǎn)移能力，且不同營養(yǎng)器官富集和轉(zhuǎn)移的重金屬的量不同.有研究表明，樹根中重金屬含量一般比其他器官高[30]；劉麗等[31]研究發(fā)現(xiàn)，紅皮云杉(Piceakoraiensis)中重金屬的富集量表現(xiàn)為Cr>Pb>Cd，且各營養(yǎng)器官的富集能力排序為樹根>樹枝>樹葉>樹皮.但是，本研究中僅Cu在樹根中的富集量比在其他3種器官中高，Zn、Cr、Pb在樹根中的富集量均較低.由此推測池杉樹根對不同重金屬元素的富集具有選擇性.也有研究表明，樹葉對重金屬的吸收能力高于其他器官[32]；童方平等[33]研究發(fā)現(xiàn)，輕度污染礦區(qū)的女貞(Ligustrumlucidum)對Zn、Pb 的富集能力排序為樹葉>樹枝>樹根.而本研究結(jié)果顯示，樹皮和樹枝中的重金屬含量基本高于樹葉中的重金屬含量，可能由于池杉為針葉樹種，樹葉轉(zhuǎn)移根部重金屬的能力較弱，同時，5片池杉林均有鳥類棲息，鳥糞的殘存可能增加了樹皮和樹枝的重金屬含量.

有研究表明，濕地樹種對重金屬污染能起到較好的修復(fù)作用：一方面通過樹根吸收沉積物及土壤中的重金屬；另一方面通過樹皮、樹枝、樹葉吸附空氣中的重金屬[34].劉云鵬等[35]研究表明，太湖7個造林樹種對重金屬的綜合吸滯能力排序為杞柳(Salixintegra)>池杉>垂柳(S.babylonica)>落羽杉(Taxodiumdistichum)>濕地松(Pinuselliottii)>水楊梅(Adinarubella)>楊樹(Populus)，說明池杉具有較強(qiáng)的重金屬吸附能力，對重金屬污染能起到較好的修復(fù)作用.

4 結(jié)論

5片濕地池杉林底泥和各營養(yǎng)器官中的重金屬元素含量大體表現(xiàn)為Zn>Cr>Cu>Pb，均屬于輕微生態(tài)危害；而5片池杉林對各重金屬元素的綜合富集能力排序為Zn>Pb>Cu>Cr.

各營養(yǎng)器官對4種重金屬元素的綜合富集能力排序為樹枝>樹根>樹皮>樹葉.池杉樹皮、樹枝、樹葉對根部4種重金屬元素的轉(zhuǎn)移能力排序為樹皮>樹枝>樹葉.池杉可作為濕地土壤重金屬污染修復(fù)的優(yōu)良樹種，但其凈化能力有限，仍須控制外源污染.