兰州常见绿化树种叶片富集重金属能力研究

石晓妮 张建 张鸣 米璇 李万江

摘要：以兰州市城区常见绿化树种为研究对象，测定了叶片和对应土壤重金属Cr、Pb、Cu、Cd的含量，对其污染程度的相关性进行了分析，探究了植物叶片对土壤中重金属的富集能力。结果表明：同一树种叶片对不同重金属富集能力排序均为Cr>Pb>Cu>Cd;3个研究区域重金属污染程度为：Pb的污染最严重（C=11.88，C为污染系数），Cu的污染为中度（C=2. 49），Cd的污染为轻微（C=0.40），Cr的污染为轻微（C=0.40）;通过计算3种植物对重金属的综合富集系数，综合富集能力由大到小排序为冬青>柳树>松树。

关键词：重金属;植物叶片;植物修复;富集能力;污染程度

中图分类号：X173

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）2-0067-03

1 引言

随着工业化和城市化水平的不断提高，城市生态环境问题日益突出，其中土壤重金属污染问题尤为严重[1，2]，对人类健康造成了严重威胁，引起了人们的广泛关注。因为人类的各种活动引起城市表层土壤物理化学性状的改变，重金属污染使城市土壤的生态自我修复功能降低，而且更為严重的是土壤中的重金属元素通过植物迁移污染农产品、大气和水体环境，进而直接或间接地危害城市居民的身体健康，影响城市生态系统的健康发展[3]。

重金属进入土壤后性质稳定，长期存在，其污染具有隐蔽性和不可逆性，而植物对大气污染物和土壤重金属污染物具有一定程度的吸滞能力，因此利用植物治理大气和土壤中重金属污染问题具有重要意义[4]。植物对重金属的提取主要是通过其发达的根系吸收，通过体内迁移将重金属富集在根、叶、茎等可收割的部位[5]，也可以通过叶片的持留和去除过程，持留过程主要是截获或吸附大气中污染物，而去除过程主要包括吸收、转化以及同化过程[6]。植物修复是一种新兴技术，具有低成本、无二次污染、绿色环保的特点，并且引起次生环境问题的可能性小，具有潜在的社会、经济和生态效益，应用前景广阔。

近年来，国内外关于植物修复的研究比较多，最开始主要集中在藻类和草本植物富集，利用木本植物对重金属吸收、富集规律的研究也是研究的热点[7]。南方湿润地区已对城市绿化树种重金属积累特征及其等级分类有较为详细的研究，并初步筛选出一批耐受力强、较易富集污染物的城市绿化树种，而北方干旱区域相关研究较为欠缺[8]。本研究在此基础上，选取兰州市常见三种绿化树种作为研究对象，对植物叶片对土壤中重金属的富集能力进行了相关分析，以期为相关研究及城市环境污染防治治理提供一定的理论及数据依据。

2 实验方法

2.1 研究地点和研究对象

本研究地点选择在兰州市北滨河中路（七里河商业区）、西固公园（西固工业区）、兰州城市学院（安宁科教文化区）;选择兰州3种常见绿化树种松树（Pine tree）、柳树（Willow）和小叶冬青（Small llex）为研究对象。

2.2 研究方法

2.2.1 样品采集与处理

2016年10月采集植物叶片和相应土壤。每个树种选取3棵长势良好，树龄相近的样树，在4个方向的不同层次高度均匀采集100个左右叶片，封存于塑料袋中，编号带回实验室;去离子水清洗叶片，自然条件下晾干，然后105℃下杀青，65℃烘干至恒重，粉碎，过100目筛.

土壤样品采集与处理。同步采集可以代表树样附近的典型表层（0～20 cm）土壤样本3份，就地混合形成混合样，封存于塑料袋中并编号带回实验室，自然条件下风干，磨碎，过100目筛。

2.2.2 样品测定方法

COOLPEX灵动型微波化学反应仪消解土壤和叶片样品，消解完成后，用真空泵抽滤到50 mL比色管中，超纯水冲洗多次，定容，用51001CP- OES测定各个样品中铅（Pb）、铬（Cr）、镍（Ni）的吸光度，通过标准曲线，计算出其样品中的含量。

2.2.3 数据处理

Excel2003对数据进行基本处理并绘图。

2.2.4 土壤污染评价

运用Mielke等[9]提出的生态危害指数法（potentialecologicalrisk index）对兰州市表层土壤中重金属污染进行评价，其中单向污染系数计算公式为：

式中，C 为土壤表层重金属的实测浓度值;C 为兰州市土壤表层中重金属元素的背景值[10]。

2.2.5 植物富集能力评价

植物对重金属的富集量受植物本身特征、大气环境和土壤中重金属含量等多种因素的影响。富集系数（ bioconcentration factor，BCF）是评价植物富集重金属能力的指标之一，用C_Fi来表示，它是树种叶片重金属含量与土壤中相应的重金属含量的比值，用综合富集系数C_F=∑_niC_Fi来判断各树种叶片对重金属元素的富集能力，CF值越大表明树种对重金属富集能力越强[11]。

3 结果与分析

3.1 植物叶片中重金属的变化

3.1.1 植物叶片中Cd含量的变化

由图1可知，不同地区柳树和松树叶片中Cd含量差异显著，冬青叶片中Cd含量差异不显著;Cd含量最高的兰州城市学院中的柳树叶片（8.33 mg/kg），最低的是西固公园的松树叶片（0.63 mg/kg），松树叶片的Cd含量整体比柳树和冬青的低。

3.1.2 植物叶片中Cu含量的变化

由图2可知，不同地区3种植物叶片中Cu含量差异不显著。Cu含量最高的是西固公园中的松树叶片（56.42 mg/kg），最低的是兰州城市学院的松树叶片（35.03 mg/kg）。西固公园中植物叶片中的Cu含量相对比其它两个地方植物叶片中的高。

3.1.3 植物叶片中Pb含量的变化

由图3可知，不同地区3种植物叶片中Pb含量差异不显著，含量最高的北滨河路冬青叶片（419.68 mg/kg），最低的也是北滨河路松树叶片（328.71 mg/kg）。

3.1.4 植物叶片中Cr含量的变化

由图4可知，不同地区3种植物叶片中Cr含量差异较显著;Cr含量最高的是西固公园中的松树叶片（33. 92 mg/kg），最低的是兰州城市学院的松树叶片（8.79 mg/kg）。

3.2 不同地点土壤重金属含量

由表1可知，3个不同采样点重金属含量差异不显著，同一地点不同重金属含量差异显著。各研究区域中Cd含量最高的是兰州城市学院，Cu含量最高的是西固公园，Pb含量最高的是北滨河路，Cr含量最高的是兰州城市学院。3个区域土壤中的Cu、Pb、Cr这3种重金属元素含量均超过兰州市土壤重金属含量背景值，表明各研究区域均存在不同程度的Cu、Pb和Cr污染。

依据Meilke等提出的重金属污染评价指标将土壤中重金属潜在生态危害状况进行分级：污染系数Ci <1时，污染强度为轻微;1≤C_i<3时，污染强度为中度;3≤C_i<6時，污染强度为强;C_i≥6时，污染强度达到很强[9]。各研究区域土壤重金属污染程度见表2。

表2显示，3个研究区域Pb的污染最严重，达到了很强。Cu的污染为中度，Cd和Cr的污染轻微.

3.3 不同植物在不同地点富集重金属的能力

由表3可知，同一种植物对不同的重金属富集能力明显不同，松树对4种重金属的富集能力为Cr>Pb>Cu>Cd;柳树对4种重金属的富集能力为Cr> Pb>Cu>Cd;冬青对四种重金属的富集能力为Cr>Pb>Cu>Cd，3种树木对4种重金属的富集能力顺序一致。

3种植物重金属镉的富集系数由高到低依次为：柳树、松树、冬青;铜的富集系数依次为：松树、柳树、冬青;铅的富集系数依次为：冬青、柳树、松树;铬的富集系数依次为冬青、松树、柳树.通过计算3种植物对重金属的综合富集系数，综合富集能力由大到小排序为冬青>柳树>松树。

4 结论

本研究选取的研究区域均位于兰州市区，但其间隔距离相对较远，具有不同的城市分区功能，各研究区域在其它环境因素方面也存在一定的差异性，因此对3个不同区域植物叶片吸附重金属的变化分别进行了研究，综合分析兰州城区绿化树种对重金属富集能力的变化规律。

整体来看，西固公园中植物叶片中重金属元素（Cd、Cu、Pb、Cr）高于其它两个研究区域，由于西固公园位于兰州市西固区，西固区为重工业区，周边有大型化工厂，造成了土壤及大气中重金属含量升高。

通过对绿化树种植物叶片中重金属含量结果分析，植物叶片中Pb含量很高，明显高于其它3种重金属的含量。对比分析松树、柳树和冬青叶片中重金属含量，不同区域差异较显著。

从单项富集系数来看，不同树种对Cd的富集能力为：柳树>松树>冬青;对Cu的富集能力为：松树>柳树>冬青;对Pb的富集能力为：冬青>柳树>松树;对Cr的富集能力为：冬青>松树>柳树。综上所述，没有一种绿化树种对4种重金属均表现出最强的富集能力和积累量。因为植物体吸收和富集各种污染物量的多少是由植物本身特性、污染物性质以及各种环境因子综合作用的结果，对于同一环境条件下的同一种重金属污染物，由于其在大气、水体和土壤中的广泛分布，加之植物吸收的主要途径不同，所以很难有一种绿化树种能对多种重金属都表现出较强的富集能力。但通过计算各树种的综合富集系数，对3种重金属的富集能力大小为冬青>柳树>松树，在北方很多城市大面积选择冬青作为绿化树种，这和该研究结果是一致的。

鉴于以上结果，城市在选择绿化树种的时候应该多元化、多样化，这样才能更有效地发挥绿化树种净化空气富集、改善环境的作用。

参考文献：

[1]万欣，关庆伟，邱靖，等.3种垂直绿化植物叶片对Zn，Cu，Pb的富集能力[J].城市环境与城市生态，2010，23（2）：33～35.

[2]张甘霖，朱永官，傅伯杰，城市土壤质量演变及其生态环境效应[J].生态学报，2003，23（3）：539～546.

[3]孙向武，朱磊，王国峰，等，常见绿化树种对大气中二氧化硫的净化能力研究[J].湖北农业科学，2008，47（3）：293～295.

[4]武正华，张宇峰，王晓蓉，等，土壤重金属污染植物修复及基因技术的应用[J].农业环境保护，2002，21（1）：84～86.

[5]陶雪琴，卢桂宁，周康群，等，大气化学污染物的植物净化研究进展[J].生态环境，2007，16（5）：1546～1550.

[6]庞博，张银龙，王丹，城市不同功能区内叶面尘与地表灰尘的粒径和重金属特征[J].生态环境学报，2009，18（4）：1312—1317.

[7]阿衣古丽·艾力亚斯，玉米提·哈力克，塔依尔江·艾山，等，乌鲁木齐市主要绿化树种重金属累积能力比较[J].东北林业大学学报，2014，42（5）：18～21.

[8]Mielke H W， Gonzales C R，Smith M K， et al.The urban environment and children-s health： soils as an integrator of lead，zinc，and cadmium in New Orleans， Louisiana， USA[J]. Environmental Research，1999， 81（2）：117—129.

[9]李凌云，阎子健.兰州市西固区土壤重金属污染及空间分布特征[J].甘肃科技，2011，27（8）：62～65.

[10]李天杰.土壤环境学[M].北京：高等教育出版社，1996： 304～309.