红皮云杉不同器官对土壤重金属的富集特征

刘 丽，阿丽亚·拜都热拉，张纯曦，胡梦玲

(新疆农业大学 林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

0 引言

随着社会经济的高速发展和人类活动强度的提高，工业化和城市化带来的重金属污染问题引起广泛关注。重金属对环境质量、食品安全、人体健康及社会经济可持续发展构成严重威胁[1-2]。20世纪50年代发生在日本的重金属Cd污染，以及近年来发生在中国湖南安化的Cd污染、河南商丘的Cd和As污染，均使当地的患癌率大幅上升[3]。绿化树种能有效且经济地实现重金属污染土地的修复，其绿化覆盖面积大、绿化空间辐射占有量大，对重金属有一定的富集、吸收、转化和降解作用，并稳固在树木体内，防止重金属造成再次污染[4-5]。

绿化树木是城市区域的主要植物类型，其辨识度高、生命周期长，在重金属元素监测和防治方面发挥着重要作用。其不仅能通过各器官吸附空气中的重金属，还能通过植物根系吸收土壤中的重金属，从而对土壤和大气中的重金属污染起到净化作用[6-7]。因此，绿化树木对重金属元素的富集特征值得深入研究。目前，有关城市绿化树种重金属元素富集特征的研究大部分集中在阔叶树种上，而对针叶树种的研究还比较少。

红皮云杉(PiceakoraiensisNakai)是松科云杉属常绿乔木，作为一种常绿树种，其对土壤中重金属污染物的积累能力值得探讨。为了明确红皮云杉对土壤中重金属元素的吸收能力和吸收机制，本文对清洁区和污染区红皮云杉树叶、树枝、树皮、树根和根际土壤中的Cr、Pb、Cd这3种重金属元素含量进行测定，分析了红皮云杉各器官吸收重金属的情况及其联系，以探究红皮云杉不同器官对土壤中重金属元素的吸收和累积规律，为进一步研究红皮云杉对土壤中重金属元素的累积机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

在乌鲁木齐市分别选择1个污染区和1个清洁区作为研究区，研究区示意图见图1。污染区位于

图1 研究区示意图

郊区烈士陵园京新高速公路旁(47.734°N,87.591°E)。清洁区位于新疆农业大学校园内(43.813°N，87.566°E)，附近无大气污染源，空气、土壤相对清洁。两区的植物配置方式均为乔木(红皮云杉)和草本。研究区属温带大陆性干旱气候，春秋两季较短、冬夏两季较长。气温1—2月份最低，7—8月份最高。年降雨量120～180 mm，雨季集中在6—8月份，年蒸发量2 000～3 000 mm，年降水量远远小于年蒸发量。

1.2 野外调查与采样

2019年3月，在乌鲁木齐市郊区烈士陵园京新高速公路旁设置3个采样点，每个采样点选取3棵树，共计9棵树，用皮尺和超声波测高器分别测量3个采样点红皮云杉的胸径和树高，在采样点选择长势较为一致的红皮云杉进行采样。不同污染等级土壤重金属元素含量见表1，不同污染等级红皮云杉生长情况见表2。分别在枝干1.5 m处西(面对道路)、北(背对道路)2个方向采集红皮云杉叶片和树枝，并混匀作为一个样品；在枝干1.5 m处4个方向采集红皮云杉树皮，并混匀作为一个样品；在树冠垂直投影2/3处4个方向采集红皮云杉树根，采取植物根部时注意不损伤根毛部位，尽可能保持根系完整，并混匀作为一个样品。同时，在各个采样点红皮云杉根系周围(0～20 cm)采集土壤样品，混匀作为一个样品。分别装入自封袋并做好标记。用相同的采样方法在新疆农业大学校园内进行采样。

表1 不同污染等级土壤重金属元素含量 mg/kg

注：1表示清洁区，2表示污染区。同列不同字母表示同一重金属元素不同污染等级之间达到显著水平(P<0.05)，下同。

表2 不同污染等级红皮云杉生长情况

注：1表示清洁区，2表示污染区。

1.3 样品测试

植物样品处理：将所采集的植物样品先用自来水冲洗3次，再用超纯水冲洗3次，于通风处自然晾干后放入烘箱，110 ℃下杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，粉碎并过100目筛。称取0.15 g样品置于酸煮洗净的消煮管中，加入5 mL HNO3,置于通风橱中过夜预消解，放入消解炉中进行消煮1 h后，冷却0.5 h，加入3 mL HCIO4继续消煮3 h。将消煮后的溶液定容至50 mL，并转移到酸煮洗净的塑料瓶中。通过石墨炉测定重金属元素含量。

土壤样品处理：去除土壤中的杂物，自然风干并磨碎，过100目筛。称取土壤样品0.1 g置于酸煮洗净的消煮管中，用水润湿后加入5 mL HCL，放入消解炉中加热，当蒸发至2～3 mL时，取下稍冷，然后加入5 mL HNO3和2 mL HCIO4，放入消煮炉中加热3 h左右。将消煮后的溶液定容至50 mL并转移到酸煮洗净的塑料瓶中。通过石墨炉测定重金属元素含量。

1.4 相关指标计算

1.4.1 植物重金属富集系数计算

富集系数的计算参照文献[8]的方法，公式为:

F=BO/SO，

(1)

其中：F为富集系数；BO为植物样品的重金属元素含量,mg/kg；SO为土壤样品的重金属元素含量,mg/kg。

1.4.2 红皮云杉各部位重金属积累量估算方法

植物重金属积累量的计算参照文献[9]的方法，公式为：

BIO=BI×B，

(2)

其中：BIO为重金属元素积累量，mg；BI为生物量,kg；B为重金属元素含量,mg/kg。

参考文献[10]的生物量方程来测算生物量，回归方程如下：

W(树叶)=1.152 0 (D2H)0.272 3，r2=0.921 6；

(3)

W(树枝)=2.064 4 (D2H)0.272 1，r2=0.912 2；

(4)

W(树皮)=0.003 445(D2H)0.934 3，r2=0.908 2；

(5)

W(根系)=0.197 58 (D2H)0.665 8，r2=0.948 5，

(6)

其中：W为各器官的生物量,kg；D为胸径,cm；H为树高,m；r2为方程的拟合系数。

1.4.3 单位绿化覆盖面积估算

红皮云杉单位绿化覆盖面积的计算参考文献[11]，公式为:

S=πmn，

(7)

其中：S为单位绿化覆盖面积，m2；m和n分别为树冠东西和南北长的1/2，m。

1.4.4 绿化空间辐射占有量

绿化空间辐射占有量的计算参考文献[12]，公式为:

V=πR2H，

(8)

其中：V为单株绿化空间辐射占有量，m3;R为树冠半径，m;H为树高，m。

1.5 统计与分析

采用Microsoft Excel 2010软件和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。采用单因素和Duncan法进行方差分析。采用Microsoft Excel 2010软件作图。

2 结果和分析

2.1 不同土壤重金属污染等级下红皮云杉各器官重金属元素含量

红皮云杉重金属元素含量因污染程度、重金属元素种类和植物器官的不同而存在差异，不同土壤重金属污染等级下红皮云杉各器官重金属元素含量见表3。由表3可知：在污染等级1中，除Cr外，各器官重金属含量大小顺序为树皮>树枝>树根>树叶，在污染等级2中，除Cd外，各器官重金属含量大小顺序为树皮>树根>树枝>树叶。 Cr、Pb和Cd在树皮中含量最高，Cd在红皮云杉各器官中的含量普遍较低。不同污染等级下红皮云杉相同器官对同一元素的吸收存在显著差异，污染等级2中树叶、树枝、树皮和树根中的Cr含量是污染等级1中相应器官的3.41倍、1.15倍、1.26倍和1.18倍；污染等级2中树叶、树枝、树皮和树根中的Pb含量是污染等级1中相应器官的13.22倍、1.15倍、2.10倍和1.58倍；污染等级2中树叶、树枝、树皮和树根中的Cd含量是污染等级1中相应器官的2.20倍、1.65倍、1.75倍和1.66倍。总体上，重金属含量在各污染等级红皮云杉中大小顺序为污染等级2>污染等级1。

表3 不同土壤重金属污染等级下红皮云杉各器官重金属元素含量 mg/kg

注：同列不同字母表示同一污染等级相同重金属元素不同器官之间差异显著(P<0.05)。

2.2 不同土壤重金属污染等级下红皮云杉各器官重金属元素富集能力

红皮云杉各器官中Pb、Cd和Cr的富集系数见表4。由表4可知：在污染等级1和污染等级2中，各器官对Cd的富集能力为树皮>树枝>树根>树叶，对Cr的富集能力为树皮>树根>树枝>树叶；在污染等级1中，各器官对Pb的富集能力为树皮>树枝>树根>树叶，在污染等级2中，各器官对Pb的富集能力为树皮>树根>树枝>树叶，除污染等级1中树枝和树皮以及污染等级2中树皮外,各重金属元素的富集能力为Cd>Cr>Pb。对不同器官在同种重金属元素的富集能力进行比较发现,树皮对Pb、Cd和Cr的富集能力均高于树叶、树枝和树根，体现了树皮对重金属元素的高富集特征，树皮作为植物体积累重金属的主要器官，表面由排列规则的凹槽组成，树皮表面粗糙，因此其吸滞重金属元素能力明显大于其他器官[13]。树皮对Pb、Cd和Cr的富集能力显著高于树叶、树枝和树根，可能与树皮表面的凹槽及与污染空气长时间接触有关。在对Cd的富集能力中，树枝对Cd的富集能力仅次于树皮，对其进行分析，树枝附近大气中Cd含量较高[14]。不同污染等级下，红皮云杉对Pb的富集能力不一致，主要是由于污染等级2的植物处于快速路旁，汽车尾气导致快速路旁土壤Pb含量高，从而树根对Pb的富集能力要高于树枝。树叶对Pb、Cd和Cr的富集能力普遍较低，主要是由于红皮云杉叶子为针形叶。除树枝对Pb元素的富集能力外，污染等级2中各器官重金属富集效能总体上高于污染等级1，表明污染指数越高，红皮云杉对重金属元素的富集效能越高。说明红皮云杉适合种植在污染较严重的区域，如工业区和商业区等区域。

表4 红皮云杉各器官重金属元素富集系数

2.3 单株红皮云杉重金属元素富集效能

单株重红皮云杉重金属元素的富集效能见表5。单株红皮云杉的重金属元素积累量为590.81 mg。不同重金属元素单株红皮云杉积累量大小顺序为：Cr最大、Pb次之、Cd最低；各器官总重金属积累量大小顺序为：树根最大、树枝和树叶其次、树皮积累量最低。树叶、树枝、树皮和树根分别占红皮云杉生物量的11%、22%、10%和26%[15]，而各器官重金属元素积累量分别占重金属元素积累量的22%、26%、14%和38%。各器官生物量与重金属元素积累量呈正比，生物量最大的树根对重金属元素的富集效能高于树叶、树皮和树枝。从各器官对不同重金属元素的积累量来看,树根对Pb、Cd和Cr的积累量分别占红皮云杉各器官重金属元素积累总量的38.42%、21.47%和40.00%,树根对各重金属元素的积累量高于其他器官。根据红皮云杉的冠幅、树高估算其单位面积和单位空间对重金属富集效能，单株红皮云杉对重金属元素的富集效能为Cr>Pb>Cd,与重金属元素在单株红皮云杉中积累量大小的顺序一致。

表5 单株红皮云杉重金属元素富集效能

3 讨论

3.1 土壤中重金属元素含量对植物吸收重金属的影响

植物从土壤中吸收重金属元素的总量与土壤中重金属元素含量具有很大的相关性[16]。土壤中重金属元素含量和红皮云杉中重金属元素含量由大到小依次为Cr>Pb>Cd，红皮云杉对Cr、Pb和Cd的吸收差异不明显，红皮云杉体内各重金属元素含量与土壤中各重金属元素含量保持着高度的相关性。由于研究区存在较严重的Cr污染，植物在单一元素污染情况下，在重金属元素含量达到一定水平时会产生累积作用[2]，导致土壤和植物体内Cr都较高。

3.2 植物各器官对重金属元素的积累与吸收

植物一部分是通过根系吸收土壤中的重金属元素，然后经由树干传输到各器官；另一部分是通过树枝、树叶、树皮接触，吸收大气中重金属颗粒物。

3.2.1 树叶

红皮云杉树叶对重金属元素的吸收普遍低于其他器官，树叶对重金属元素的转运能力比较弱。文献[17]研究得出叶片对大气重金属污染物具有很强的吸收能力；文献[18-19]的研究结果显示树叶对重金属的吸收能力高于树根及其他器官，和本研究结果不一致，可能原因是红皮云杉树叶为针形叶，吸收重金属元素的能力比较弱。

3.2.2 树枝

到目前为止，树枝对重金属元素富集能力的研究比较少，仅有的研究表明树枝对重金属元素具有一定的积累作用。文献[20]提出树枝吸收重金属能力的大小受根部吸收的影响。本研究结果表明：树枝对重金属元素的富集能力仅次于树皮，具有较高的积累作用。

3.2.3 树皮

树皮吸收的重金属主要来源于树根和大气污染物[13]。本研究结果表明：树皮对重金属元素的富集能力最强，尤其是对Pb和Cr两种重金属元素的吸收，与文献[21]的研究结论一致。树皮对重金属元素的吸收能力高于树根，表明树皮中的重金属元素有可能来自对大气中重金属颗粒物的吸附。

3.2.4 树根

树根是吸收养分的主要器官，在吸收养分的同时也吸收土壤中的重金属元素。本研究结果表明：树根对重金属的富积作用低于树皮和树枝，高于树叶。文献[1]研究得出树根中的重金属元素含量一般比其他器官高，这与本研究结果不一致。这可能与Pb、Cd和Cr均为非必需元素有关，红皮云杉树根对其进行选择性吸收，导致树根中Pb、Cd和Cr含量较低。

3.3 红皮云杉对重金属污染的净化作用

绿化植物可以去除土壤中的重金属元素[22-23]。红皮云杉作为常绿乔木，相比于其他落叶树种，在重金属污染治理方面具有可开发的价值。树皮在红皮云杉中生物量最小，但富集能力最强，对城市大气及土壤重金属污染具有缓冲作用[24]。在乌鲁木齐绿化树种中，单株红皮云杉树根内可积累重金属元素含量顺序为Cr>Pb>Cd，树根对Pb和Cr的积累量明显高于树叶、树枝和树皮，分别占重金属元素积累总量的38.42%和40.00%，文献[25]研究得出二球悬铃木树根对Pb和Cd的积累量分别占重金属元素积累量的10.1%和12%。因而，红皮云杉可以作为Cr、Pb污染场地进行修复、治理的备选树种。单株红皮云杉对重金属元素富集能力的大小顺序为Cr>Pb>Cd,与各重金属元素在单株红皮云杉中积累量的大小顺序一致。

4 结论

(1)红皮云杉重金属元素含量因污染程度、重金属元素种类和植物器官的不同而存在差异，这是红皮云杉对各重金属元素选择性吸收的结果。

(2)红皮云杉各器官中树皮重金属含量最高。总体上，在污染等级1中，各器官重金属含量大小顺序为树皮>树枝>树根>树叶，在污染等级2中，各器官重金属含量大小顺序为树皮>树根>树枝>树叶。总体上，各器官对Cd、Cr和Pb的富集能力为树皮>树枝>树根>树叶。

(3)各重金属元素在红皮云杉中含量大小总趋势为Cr>Pb>Cd，而富集能力大小总趋势为Cd>Cr>Pb，与之差异较大，该结果反映出3种重金属元素的富集吸收中，红皮云杉对Cd的低吸收高富集。

(4)红皮云杉对Cd和Cr的富集能力随着污染等级的增加而增加。

(5)单株红皮云杉各器官对重金属元素富集效能的大小顺序为树根>树枝>树叶>树皮，树根对Pb、Cd和Cr的积累量分别占红皮云杉各器官重金属元素积累总量的38.42%、21.47%和40.00%,树根对各重金属元素积累量明显高于其他器官。单株红皮云杉不同重金属元素积累量大小顺序为Cr>Pb>Cd，与红皮云杉不同重金属元素含量总体趋势一致。