基于葉經(jīng)濟(jì)譜理論的行道樹與土壤重金屬關(guān)系的評價方法

陳秋婧，皇甫舒妤，鐘淇琳，李弘毅，張 興*

（1. 蘇州園科生態(tài)建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘇州 215110；2. 蘇州科技大學(xué)，蘇州 215129）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化為人類帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時，也伴隨著許多生態(tài)問題。作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要一環(huán)，承擔(dān)眾多生態(tài)功能的城市道路土壤也遭受了不同程度的破壞與污染[1]。密集工業(yè)生產(chǎn)與人類經(jīng)濟(jì)活動產(chǎn)生的重金屬通過自然沉降、地表徑流、顆粒揚(yáng)塵等多種方式進(jìn)入到道路土壤中并不斷沉積賦存，最終超出土壤環(huán)境承載力和自凈能力，引起城市道路土壤環(huán)境重金屬污染[2]。

作為城市構(gòu)建的肌理，道路系統(tǒng)在城市發(fā)展中起著重要的作用。相較于自然土壤，道路土壤受到人類活動影響更為劇烈，所面臨的土壤重金屬污染情況也更嚴(yán)重。土壤重金屬污染具備隱蔽性、累積性、滯后性和不可逆性等特點(diǎn)[3]，不僅對城市生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，也對居民的生命健康產(chǎn)生威脅。行道樹是城市生態(tài)系統(tǒng)最重要的初級生產(chǎn)者之一，重金屬污染賦存積累在土壤中的同時，也對生長于土壤中的行道樹產(chǎn)生了不同程度的影響。

植物生長過程中受到周圍環(huán)境影響，會呈現(xiàn)出不同的環(huán)境適應(yīng)對策[4]。在對環(huán)境長期適應(yīng)后，植物形成能夠表征自身資源利用能力的結(jié)構(gòu)特征，即植物功能性狀（Plant functional traits）[5]。葉片層面作為植物與外界間進(jìn)行物質(zhì)交換的主要場所，其功能性狀與植物的正常生長發(fā)育有著緊密聯(lián)系[6]，更能夠體現(xiàn)植物為減輕環(huán)境所施加的不利影響以形成的最佳適應(yīng)策略[7]。相關(guān)學(xué)者圍繞葉功能性狀展開了廣泛的研究，其中在環(huán)境梯度下葉功能性狀的分布規(guī)律，已成為研究領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文將城市植物配置與植物葉經(jīng)濟(jì)譜理論研究相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)從生態(tài)適應(yīng)性出發(fā)進(jìn)行植物的配置與規(guī)劃，有利于資源的合理配置，對城市環(huán)境下行道樹規(guī)劃有著良好的現(xiàn)實(shí)意義，也能夠?yàn)槿蘸笙嚓P(guān)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)采集

1.1 研究區(qū)概況

為使所選研究區(qū)域土壤重金屬污染情況具有對比性，本研究在泰興市范圍內(nèi)根據(jù)土地利用方式、工業(yè)布局、交通流量和人類活動等因素進(jìn)行功能區(qū)劃分，將泰興市劃分為工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、教育區(qū)、居住區(qū)和風(fēng)景區(qū)5個類型，各類型選取1 條道路進(jìn)行取樣調(diào)查（表1）。

表1 研究道路具體情況

1.2 供試材料選取

為選取合適的材料研究道路行道樹對不同土壤重金屬污染環(huán)境的適應(yīng)能力與響應(yīng)機(jī)制，根據(jù)道路行道樹種植頻率、配置方式、生長狀況、地域性以及與環(huán)境響應(yīng)的變化程度進(jìn)行綜合考慮，最終選取泰興市道路綠帶中具有代表性與典型性的10 種行道樹樹種（表2）。

表2 10 種道路園林綠化樹種具體情況

1.3 土壤樣品處理與測定

土壤樣品重金屬指標(biāo)選取了城市道路土壤污染中最普遍的五類重金屬元素：Cu、Cd、Cr、Pb、Zn。將采集的土樣去除雜質(zhì)后依次過20 目和100 目尼龍網(wǎng)格篩，處理好的土壤樣品按四分法取得所需樣品量并放入自然干燥器中備用。土壤樣品的消解采用微波消解法。消解完成后取出消解管放入恒溫消解爐，加入1 ml 高氯酸以促進(jìn)完全消解。待冷卻后將消化管中剩余溶液定容至50 ml 容量瓶中，振蕩溶解后用濾紙過濾至50 ml 容量管中。重金屬元素Zn、Cu 含量使用火焰原子吸收分光光度計(jì)（iCE 3500）測定，重金屬Pb、Cr、Cd 含量使用石墨原子吸收分光光度計(jì)（iCE 3500）測定。

1.4 植物樣品處理與測定

對植物樣品進(jìn)行處理后分別測定葉面積（LA）、比葉面積（SLA）、葉干物質(zhì)含量（LDMC）、葉碳含量（Cmass）、葉氮含量（Nmass）、葉片碳氮比、光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、葉綠素值（CHL）等相關(guān)葉性狀指標(biāo)。使用萬分之一天平稱取葉飽和鮮重。使用葉面積掃描儀（MICROTEK ScanMakeri 800 plus）測量葉面積（LA,mm2）。將葉片放入70℃烘箱內(nèi)烘干24 h后取出，稱取葉干質(zhì)量。于晴朗天氣在室外使用LI-6400 光合儀進(jìn)行光合參數(shù)活體測定，測定葉片單位面積凈光合速率（Pn,mmol·CO2·g-1·s-1）、蒸騰速率（Tr,gm-2·h-1） 與氣孔導(dǎo)度（Gs,mmol·m-2·s-1）。葉綠素值（CHL,SPAD）使用手持葉綠素儀測定。使用研磨機(jī)將烘干的葉片研磨至粉末狀，在十萬分之一天平上稱取約2 mg 樣品于錫囊包樣，使用EURO EA3000 元素分析儀測定葉碳與葉氮含量。葉干物質(zhì)含量（LDMC）為葉干質(zhì)量與葉飽和鮮重之比，比葉面積（SLA）為葉面積與葉干質(zhì)量之比，單位質(zhì)量葉碳含量（Cmass）為葉碳含量與樣品重量之比，單位質(zhì)量葉氮含量（Cmass）為葉氮含量與樣品重量之比，葉片碳氮比（C:N ratio）為單位質(zhì)量葉氮含量與單位質(zhì)量葉碳含量之比。

1.5 土壤重金屬污染評價方法

1.5.1 單因子指數(shù)法

以土壤中單個重金屬含量與該元素限值的比值評價土壤重金屬污染狀況，能夠反映土壤中單一重金屬元素富集的情況與污染等級（表3）[8]。公式為：

表3 單因子污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

式中，Pi為重金屬i污染指數(shù)；Ci為i的實(shí)測值；C0為i的評價標(biāo)準(zhǔn)（采用江蘇省土壤元素背景值作為參考標(biāo)準(zhǔn)）。

1.5.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法能夠綜合考慮多種污染物的聯(lián)合污染情況，科學(xué)地反映區(qū)域的總體環(huán)境質(zhì)量狀況。計(jì)算公式為：

P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pˉi為單因子指數(shù)平均值；max(Pi)為單因子指數(shù)最大值。P綜≤1.0 時，污染等級為安全；1.0＜P綜≤2.0 時，輕度污染；2.0＜P綜≤3.0時，中度污染；P綜＞3.0 為重度污染。Pi、P綜值越大，污染越嚴(yán)重，見表4。

表4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用單因子指數(shù)法對土壤樣品中單個重金屬元素污染程度進(jìn)行評價，使用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)域土壤重金屬污染情況的綜合評價；應(yīng)用Pearson相關(guān)分析、多變量方差分析和LSD 法對植物葉片功能性狀進(jìn)行差異性分析，采用主成分分析提取葉性狀環(huán)境響應(yīng)的主要指標(biāo)，隸屬函數(shù)法評價植物對土壤重金屬污染環(huán)境的適應(yīng)能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物葉經(jīng)濟(jì)譜分析

對泰興市10 種行道樹的葉經(jīng)濟(jì)譜分析表明，葉經(jīng)濟(jì)譜性狀在種間與種內(nèi)均存在變異情況，種間水平的變異強(qiáng)于種內(nèi)水平，除Cmass和C:N 外，其余葉經(jīng)濟(jì)譜性狀指標(biāo)在物種間均存在極顯著差異（P＜0.01），不同遺傳背景所導(dǎo)致的性狀變異占據(jù)主導(dǎo)地位。環(huán)境因子的過濾作用使得生長于同一區(qū)域尺度下的植物葉經(jīng)濟(jì)譜性狀產(chǎn)生趨同效應(yīng)，而同種植物在不同環(huán)境梯度下則表現(xiàn)出葉經(jīng)濟(jì)譜性狀的分異，導(dǎo)致植物在葉經(jīng)濟(jì)譜中的位置隨環(huán)境變化而產(chǎn)生差異。

在輕度土壤重金屬污染環(huán)境中，迎春、紅葉石楠、金邊黃楊和紅花檵木靠近“快速投資- 收益”一端；香樟、桂花、銀杏、雞爪槭、南天竹和錦繡杜鵑位于“緩慢投資- 收益”一側(cè)；在中度污染環(huán)境中，迎春、紅葉石楠、金邊黃楊、紅花檵木和錦繡杜鵑位于“快速投資-收益”型物種一端；香樟、銀杏、桂花、雞爪槭、南天竹位于“緩慢投資- 收益”型物種一端；而在重度污染環(huán)境中，桂花、香樟、紅葉石楠、南天竹和金邊黃楊位于“快速投資- 收益”型物種一端；銀杏、迎春、紅花檵木、雞爪槭和錦繡杜鵑位于較為保守的“緩慢投資- 收益”一側(cè)，見圖1。

圖1 輕度、中度、重度三種污染環(huán)境下植物葉經(jīng)濟(jì)譜分布熱圖

2.2 葉經(jīng)濟(jì)譜性狀對不同重金屬污染環(huán)境的響應(yīng)

泰興市5 條位于不同功能區(qū)的城市道路土壤重金屬污染程度排序?yàn)楣I(yè)區(qū)（道路D）＞商業(yè)區(qū)（道路E）＞居住區(qū)（道路A）＞教育區(qū)（道路B）＞風(fēng)景區(qū)（道路C），綜合污染指數(shù)值如表5。

表5 不同功能區(qū)綜合污染指數(shù)值

根據(jù)方差分析可知，除Gs、LA、LDMC 外，其他葉經(jīng)濟(jì)譜性狀指標(biāo)在不同重金屬污染環(huán)境下均存在極顯著差異（P＜0.01），說明環(huán)境因子的變化驅(qū)使植物通過葉經(jīng)濟(jì)譜性狀的變化以維持自身的正常生長。不同植物物種之間通過葉經(jīng)濟(jì)譜性狀變化以適應(yīng)土壤重金屬污染環(huán)境的具體策略存在較明顯的差異（圖2），但整體來看，土壤重金屬環(huán)境的脅迫使得植物葉光合性狀指標(biāo)降低，植物多傾向于通過減少SLA，增加LDMC 的方式增強(qiáng)葉片的抗逆性以適應(yīng)不良環(huán)境，葉片層面上碳、氮元素的投入也更多用于構(gòu)建保衛(wèi)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)葉片韌性。

圖2 葉經(jīng)濟(jì)譜性狀間關(guān)系在不同土壤重金屬污染環(huán)境下的變化

2.3 植物對不同重金屬污染環(huán)境的適應(yīng)性

根據(jù)對植物葉經(jīng)濟(jì)譜性狀的主成分分析結(jié)果，提取出8 個對植物重金屬環(huán)境適應(yīng)性具有較高解釋度的性狀指標(biāo)，分別為Pn、C:N、Nmass、LDMC、SLA、CHL、Tr和Cmass。結(jié)合模糊隸屬函數(shù)，可構(gòu)建土壤重金屬污染環(huán)境適應(yīng)性植物遴選體系，對不同重金屬污染環(huán)境下各植物物種的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行綜合評價。各功能區(qū)道路植物中對土壤重金屬污染環(huán)境的適應(yīng)能力排序如表6所示，雞爪槭和金邊黃楊在不同程度重金屬污染環(huán)境下均有著較好的適應(yīng)能力，而香樟和迎春在不同環(huán)境污染梯度的適應(yīng)性存在較大差異。

表6 各功能區(qū)道路植物中對土壤重金屬污染環(huán)境的適應(yīng)能力排序

3 討論與結(jié)論

3.1 葉性狀表現(xiàn)

通過相關(guān)性分析可知，研究植物的葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀、葉片光合生理性狀和葉片化學(xué)計(jì)量性狀之間普遍存在顯著相關(guān)關(guān)系，全球尺度下的宏觀葉經(jīng)濟(jì)譜規(guī)律在本研究中也有所體現(xiàn)。通過植物葉經(jīng)濟(jì)譜性狀組合在不同重金屬污染環(huán)境下的分析可以得出，植物葉經(jīng)濟(jì)譜性狀間的協(xié)同變化關(guān)系受重金屬污染環(huán)境梯度的影響不大或不受影響，但由于重金屬對植物存在“低促高抑”現(xiàn)象，當(dāng)土壤中重金屬污染物的濃度過高時，也會出現(xiàn)葉經(jīng)濟(jì)譜性狀間關(guān)系的脫鉤。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)葉經(jīng)濟(jì)譜性狀間關(guān)聯(lián)的穩(wěn)定性與規(guī)律性，通過易觀測的性狀對一些無法實(shí)時測定的關(guān)鍵性狀進(jìn)行推測，以預(yù)測其協(xié)同進(jìn)化趨勢，但也要注意其土壤重金屬污染濃度是否超過閾值。

3.2 植物景觀評價與改善

本研究運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)對不同園林植物的耐性與適應(yīng)能力進(jìn)行評價，從而構(gòu)建植物遴選體系，豐富了植物配置的品種選擇手段。然而植物對重金屬污染環(huán)境的耐性是一個復(fù)雜的綜合問題，在指標(biāo)的選取上需綜合考慮系統(tǒng)性、科學(xué)性、全面性、實(shí)用性、可行性、動態(tài)性以及敏感性等各方面因素，分析植物的葉片結(jié)構(gòu)性狀、葉片化學(xué)性狀以及葉片生理性狀等各類與環(huán)境變化密切相關(guān)的葉經(jīng)濟(jì)譜性狀。

以植物葉經(jīng)濟(jì)譜性狀對道路土壤重金屬污染的響應(yīng)機(jī)制為基礎(chǔ)，遵循城市道路行道樹配置原則，行道樹的配置方面可圍繞以下三個方面展開：（1）行道樹植物群落配置應(yīng)充分考慮種間與種內(nèi)性狀變異，在園林美學(xué)基礎(chǔ)上著重生態(tài)適應(yīng)性；（2）行道樹葉經(jīng)濟(jì)譜的權(quán)衡策略應(yīng)成為行道樹植物群落配置的重要理論依據(jù)，綜合搭配不同類型葉經(jīng)濟(jì)譜植物，保證景觀的可持續(xù)發(fā)展；（3）考慮不同道路土壤重金屬污染程度，從植物葉經(jīng)濟(jì)譜角度出發(fā)，適地適樹，將使用功能與生態(tài)功能有機(jī)結(jié)合，打造新型的城市道路植物景觀。