云南地区不同园林植物对土壤重金属的吸收富集特征

樊佳奇　牛来春　庞磊

摘要：以云南省昆明市道路园林绿化植物（紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷）为试材，采用等离子体原子发射光谱法（ICP-AES），分析5种园林绿化植物对6种重金属元素（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb）的吸收富集特征。结果表明：不同园林植物土壤重金属平均含量大小依次为Zn>Mn>Pb> Cu>Ni>Cd，不同园林植物土壤重金属含量基本表现为 石楠> 枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波动。昆明市土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均没有超标，但Cd含量是国家土壤环境质量二级标准的6.0～15.5倍。不同园林植物相同器官中重金属含量基本表现为石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波动，重金属平均含量基本表现为Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，重金属含量在各器官基本表现为叶>茎>根。不同园林植物对重金属的富集能力基本表现为Cu=Mn=Zn>Ni>Pb>Cd，各器官对重金属元素的富集能力基本表现为叶>茎>根；不同园林植物对Cu、Mn、Zn的平均富集系数均大于1，对Ni的平均富集系数接近于1，对Pb、Cd的平均富集系数均小于1；不同园林植物对重金属的转移能力依次表现为Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。相关性分析表明，不同园林植物体内重金属含量主要依赖于土壤重金属含量。紫薇、石榴、石楠对重金属的吸收和富集作用强于其他园林植物。

关键词：园林植物；土壤重金属；吸收；富集

中图分类号： X53 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0467-05

重金属元素是一类难降解、污染严重、具有累积性的元素，通过生物链的富集作用危及人类健康，对生态系统构成了潜在威胁，也对城市本身的生存与发展提出严峻挑战[1-3]。园林植物是城市-景观复合生态系统的重要组成部分，对大气中的粉尘、颗粒物有过滤、阻挡、吸附的作用，在净化空气、修复重金属、调节气候、改善城市生态环境等方面起着“除污吐新”的作用，通过种植园林植物修复重金属污染土壤已成为近年来的研究热点[4-5]。为建立良性的城市生态系统，迫切需要认识园林植物与生态环境之间的关系，尤其是园林植物在土壤重金属修复方面的作用[4-5]。园林植物因其自身的生存环境和生长规律，对重金属的富集及修复能力差异较大，城市绿地建设必须遵循植物本身的生长规律[6-7]。因此，选择适合城市建设的园林绿化树种是城市绿地设计的基础及改善城市环境质量的重要保障。近年来，有关园林植物对重金属元素吸收富集特征的研究较多，关注的焦点也主要集中在对城市生态系统园林植物区系和种类划分等方面，忽视了园林植物在城市建设过程中的重要作用。云南省昆明市是我国通往东南亚及南亚次大陆的重要交通枢纽，享有“春城”“花城”的美誉[8-9]。本研究对昆明市园林植物现状进行摸底调查，最后在昆明市主要街道选取紫薇（Lagerstroemia indica）、石榴（Punica granatum）、石楠（Photinia serrulata）、海棠（Chaenomeles speciosa）、枇杷（Eriobotrya japonica）等5种主要园林植物，采用等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）分析这5种主要的园林植物对Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb等6种重金属元素的吸收富集特征，并且对植物体内不同器官及土壤中重金属含量进行比较，旨在为不同园林植物在城市景观配置、重金属污染防治、选择合适城建植物等方面提供更多的物种资源。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

昆明市（102°10′～102°40′E，24°23′～26°22′N）地处滇中高原的东北部，面积约2.16万km2，属亚热带高原山地季风气候，植物资源丰富，日照时间长，紫外线强度较高，相对湿度为74%，年平均气温14.5 ℃，年极端最高温度为30.4 ℃，最低温度为-7.8 ℃，无霜期240 d，年平均降水量1 030 mm，中心海拔约1 800 m，大部分地区海拔为1 500～2 800 m。市区土壤类型复杂多样，多由石灰岩玄、页岩、武岩等成土母岩发育而成，主要包括棕壤、红壤、石灰岩土、水稻土、黄棕壤、沼泽土等，多呈弱酸性，红壤为基带土壤，在城市建设过程中，大量的煤渣和灰烬混杂在土壤中，导致市区土壤肥力较低。作为中国生物资源和植物区系最丰富的省份，云南省拥有占全国50%以上的植物种类，近几年，昆明市城市绿地覆盖率从1985年的12.23%上升至2012年的43.6%。笔者实地考察发现，昆明市道路园林绿化植物中基调树种包括香樟（Cinnamomum camphora）、紫薇、石榴、天竺桂（Cinnamomum pedunculatum）、银杏（Ginkgo biloba）、悬铃木（Platanus acerifolia）、荷花玉兰（Magnolia grandiflora）、三角枫（Acer buergerianum）、黄连木（Pistacia chinensis）、滇青冈（Cyclobalanopsis glaucoides）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、桂花（Osmanthus fragrans）、山茶（Camellia japonica）、海棠、枇杷、红叶檵木（Redrlowered loropetalum）、小叶女贞（Ligustrum quihoui）、南天竹（Nandina domestica）、八角金盘（Fatsia japonica）、杜鹃（Rhododendron）、石楠等。

1.2 采样方法

根据昆明市城区道路园林绿化植物的分布及种类，2013—2015年7月中旬分别在昆明市区3条主要街道采集紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷等园林植物（作为3次重复，统计见表1，统计数据时间为2015年），每条街道分别选取5株紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷作为研究对象，2013年7月中旬第1次取样时做标记以便长期观测，分别从每个植株的东、西、南、北方向均匀收集叶片，枝剪剪取上、中、下部分茎（去皮，尽量不要干扰植物），将剪取的茎、叶封存于锥形瓶内，蒸馏水洗净，晾干，105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，粉碎过40目筛保存备用。同时挖取不同园林植物的部分根系（够测量即可），带回实验室，采用四分法采集不同园林植物根系周围的土壤（0～20 cm），土壤经自然风干，去除石块、植物残体等残杂物，研磨后过60目筛后备用。

1.3 测定指标

称取粉碎后的植物或者自然晾干的土壤样品0.2 g，放入聚四氟乙烯消解罐中，加入混合酸HClO4-HNO3-HF（HNO3和HClO4体积比为5 ∶ 1）后采用新仪MDS6型微波消解仪消解，消解后的样品经加热赶酸后蒸馏水定容，采用等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定植物或者土壤样品中Zn、Mn、Pb、Cu、Ni、Cd含量。

植物各器官重金属含量富集系数=各器官重金属含量/土壤重金属含量[10-11]；

（1）

转移系数=植物地上（茎和叶的平均值）重金属含量/地下（根）重金属含量[10-11]。

（2）

1.4 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行数据统计和方差分析，进行LSD多重比较，Pearson分析土壤与植物重金属含量的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同园林植物土壤重金属含量

由图1可知，不同园林植物土壤重金属平均含量由高到低依次为Zn>Mn>Pb> Cu>Ni>Cd，土壤Mn含量变化范围为81.7～95.6 mg/kg，平均含量为88.3 mg/kg；土壤Cu含量的变化范围为53.7～69.5 mg/kg，平均含量为 61.5 mg/kg；土壤Zn含量的变化范围为187.2～203.5 mg/kg，平均含量为195.7 mg/kg；土壤Ni含量的变化范围为35.4～48.6 mg/kg，平均含量为40.9 mg/kg；土壤Cd含量的变化范围为3.6～9.3 mg/kg，平均含量为6.9 mg/kg；土壤Pb含量的变化范围为76.3～85.6 mg/kg，平均含量为81.6 mg/kg。不同园林植物土壤重金属含量基本表现为 石楠> 枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波动，其中土壤Pb含量在不同园林植物之间多差异不显著（P>0.05）。不同园林植物各重金属含量变异程度不一致，其中Cd含量变异程度较大，Zn含量变异程度较小。

与 GB 15618—1995《土壤环境质量标准》二级标准比较，除Mn外，土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均没有超标，但Cd含量是国家土壤环境质量二级标准的6.0～15.5倍；除Mn外，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量分别是中国土壤重金属平均值的2.38～3.08、2.61～2.74、1.18～1.81、37.11～95.88、2.93～3.29倍，综合比较可知，云南省存在较为严重的重金属污染，其中以Cd污染最为严重。造成这种现象的原因主要是城市园林植物土壤受人类活动影响程度不同或是园林植物栽培过程中土壤来源不同，也可能由环境和大气污染所致（表2）。

2.2 不同园林植物不同器官重金属含量

由表3可知，不同园林植物相同器官中重金属含量差异较大，不同园林植物各器官重金属含量变化趋势相一致，基本表现为石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波动。不同园林植物重金属平均含量基本表现为Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd；即使是相同种植物，相同重金属在不同器官中的含量也不尽相同，同种植物重金属含量在各器官基本表现为 叶> 茎>根，并且叶和茎中含量远高于根，表现出明显的富集作用。不同园林植物中Mn含量平均值变化范围在109.5～129.0 mg/kg之间，Cu含量平均值变化范围在76.4～91.3 mg/kg 之间，Zn含量平均值变化范围在263.7～278.1 mg/kg 之间，Ni含量平均值变化范围在29.8～45.7 mg/kg 之间，Cd含量平均值变化范围在3.1～4.7 mg/kg 之间，Pb含量平均值变化范围在40.6～57.0 mg/kg 之间。其中紫薇和海棠植株体内平均Mn含量差异不显著（P>0.05），二者显著低于其他园林植物（P<0.05）；石楠植株体内平均Mn、Cu、Zn、Ni、Pb含量均显著高于其他园林植物（P0.05）；紫薇植株体内Cu、Zn平均含量显著低于其他园林植物（P0.05）；紫薇和海棠植株体内Cd含量差异不显著（P>0.05），显著低于其他园林植物（P0.05）。

2.3 不同园林植物重金属的富集系数

富集系数是衡量超富集植物的重要特征，园林植物不同器官对重金属的吸收富集作用明显不同，富集系数能反映植物对重金属的富集和吸收能力[10-11]。结合不同园林植物不同器官重金属含量和土壤重金属含量，可计算出各器官对重金属元素的富集系数及转移系数（表4、表5），不同园林植物对重金属的吸收富集规律不尽相同。不同园林植物对Mn的平均富集系数变化范围在1.3～1.4之间，Cu的平均富集系数变化范围在1.3～1.4之间，Zn的平均富集系数变化范围在1.3～1.4之间，Ni的平均富集系数变化范围在0.9～1.0之间，Cd的平均富集系数变化范围在0.5～0.9之间，Pb的平均富集系数变化范围在0.5～0.7之间。不同园林植物对Cu、Mn、Zn、Ni、Pb的平均富集系数差异均不显著。石榴、石楠、枇杷对Cd的平均富集系数差异不显著（PNi>Pb>Cd，局部有所波动；不同园林植物各器官对重金属元素的富集能力存在着一定的差异，基本表现为叶>茎>根；不同园林植物对Cu、Mn、Zn的平均富集系数接近一致，并且均大于1，对Ni的平均富集系数接近于1，对Pb、Cd的平均富集系数均小于1。

2.4 不同园林植物重金属的转移系数

转移系数是植物地上部分元素的含量与地下部分同种元素含量的比值，常被用来评价植物将重金属从地下向地上的运输和富集能力[10-11]。转移系数越大，表明重金属从根系向地上器官转运能力越强。本研究采用植物叶和茎元素平均含量与植物根系中元素含量的比值作为该元素的转移系数[10-11]。由表5可知，不同园林植物对Mn的转移系数变化范围在1.06～1.12之间，Cu的转移系数变化范围在1.05～1.13之间，Zn的转移系数变化范围在1.04～1.05之间，Ni的转移系数变化范围在1.16～1.41之间，Cd的转移系数变化范围在1.13～1.66之间，Pb的转移系数变化范围在1.14～1.37 之间。石榴、紫薇对Mn的转移能力较高，石楠和海棠对Cu的转移能力较高，6种园林植物对Zn的转移能力基本一致，紫薇、石榴对Ni的转移能力较高，紫薇对Cd的转移能力较高，石榴对Pb的转移能力较高。综合比较而言，石榴和紫薇对重金属的转移能力较高。不同园林植物对重金属的转移能力依次表现为Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。

2.5 不同器官与土壤重金属含量相关性分析

对不同园林植物各器官中重金属的含量与土壤重金属含量相关性进行分析。由表6可知，紫薇根中Mn、Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量与土壤中Mn、Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量呈极显著正相关（P<0.01）；茎中Cu、Zn、Cd含量与土壤中Cu、Zn、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01）；叶中Mn、Cu、Cd含量与土壤中Mn、Cu、Cd含量呈显著正相关（P<0.05）。石榴根中Cu、Zn、Cd含量与土壤中Cu、Zn、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01），Mn、Ni、Pb含量与土壤中Mn、Ni、Pb含量呈显著正相关（P<0.05）；茎中Cu、Zn、Ni、Cd含量与土壤中Cu、Zn、Ni、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01）；叶中Cd含量与土壤中Cd含量呈极显著正相关（P<0.01），Cu、Zn含量与土壤中Cu、Zn含量呈显著正相关（P<0.05）。石楠根中Cu、Zn、Cd、Pb与土壤中Cu、Zn、Cd、Pb含量呈极显著正相关（P<0.01），Ni含量与土壤中Ni含量显著正相关（P<0.05）；茎中Cu、Zn、Cd、Pb含量与土壤中Cu、Zn、Cd、Pb含量呈极显著正相关（P<0.01）；叶中Cu、Zn、Cd含量与土壤中Cu、Zn、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01）。海棠根中Cu、Cd含量与土壤中Cu、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01），Mn、Zn、Ni含量与土壤中Mn、Zn、Ni含量呈显著正相关（P<0.05）；茎中Zn、Cd含量与土壤中Zn、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01），Pb含量与土壤中Pb含量呈显著正相关（P<0.05）；叶中Cu、Cd含量与土壤中Cu、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01）。枇杷根中Mn、Cu、Cd含量与土壤中Mn、Cu、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01），Zn、Pb含量与土壤中Zn、Pb含量呈显著正相关（P<0.05）；茎中Cu、Zn、Cd含量与土壤中Cu、Zn、Cd含量呈极显著正相关（P<0.01）。

3 结论与讨论

云南省昆明市土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均没有超标，但Cd含量是国家土壤环境质量二级标准的6.0～15.5倍；除Mn外，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量分别高出中国土壤重金属平均值，存在较为严重的重金属污染，其中以Cd的污染最为严重。造成这种现象的主要原因是城市园林植物土壤受人类活动影响程度不同或园林植物栽培过程中土壤来源不同，也可能由环境和大气污染所导致。

不同园林植物对Mn、Cu、Zn的富集系数最大，但对Mn、Cu、Zn的转移系数并不是最大，表明不同园林植物对Mn、Cu、Zn元素同时具有超富集植物的2个基本特征，不同园林植物对土壤Mn、Cu、Zn污染比较敏感，植物能将重金属Mn、Cu、Zn大量富集在地下部，表现出一定的富集重金属能力；不同园林植物对Ni、Cd、Pb富集系数较小，但对Ni、Cd、Pb转移系数最大。可见，富集系数和转移系数有一定区别，分别表征植物的富集能力和转运能力，与植物的生理生化和遗传变异关系密切[6-7]。有研究认为，地上部分重金属含量大于根部（转移系数大于1）的植物对于重金属超富集植物的筛选可能更有意义[10-11]。对于园林植物，转移系数越大，说明其对土壤重金属的修复效应越大，本研究中，不同园林植物对重金属的转移系数均大于1，对于植物修复来说非常有利，是良好的园林绿化植物，对Ni、Cd、Pb的吸收能力较强。综合分析可知，紫薇、石榴对土壤重金属的吸收能力均较强，具备超富集植物的潜能，植物叶片的贡献相对较大，不同园林植物均具有修复重金属污染土壤的潜力，今后应再进一步对它们所存在的环境风险进行评估。

不同园林植物对不同重金属元素吸收、迁移、累积能力不一样，植物不同器官对不同重金属元素吸收、富集特性也不同。研究不同园林植物对重金属元素吸收、富集特性，一方面反映植物本身特性，另一方面也反映重金属对植物的影响及其在植物体内的迁移能力[4-5]。紫薇、石榴、石楠不同器官中重金属含量与土壤重金属含量的相关系数基本高于其他园林植物，表明不同园林植物体内重金属含量主要依赖于土壤重金属含量，紫薇、石榴、石楠对重金属的吸收和富集作用高于其他园林植物。不同园林植物土壤重金属平均含量大小依次表现为Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，不同园林植物土壤重金属含量基本表现为石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波动。不同园林植物中各种重金属含量变异程度不一致，Cd的变异程度较大，Zn的变异程度较小。

不同园林植物对重金属的富集能力基本表现为Cu=Mn=Zn>Ni>Pb>Cd，植物各器官对重金属元素的富集能力基本表现为叶>茎>根；不同园林植物对Cu、Mn、Zn的平均富集系数接近一致，并且均大于1，对Ni的平均富集系数接近于1，对Pb、Cd的平均富集系数均小于1。石榴、紫薇对重金属的转移能力较高；不同园林植物对重金属的转移能力依次表现为Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。紫薇、石榴、石楠不同器官中重金属含量与土壤重金属含量的相关系数基本高于其他园林植物，表明不同园林植物体内的重金属含量主要依赖于土壤重金属含量。综合比较而言，紫薇、石榴、石楠对重金属的吸收和富集作用高于其他园林植物。

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