黔中地区3种主要树种对土壤重金属的富集特征
2022-09-12姜霞丁访军刘延惠陈志萍
姜霞，丁访军，刘延惠，陈志萍
(贵州省林业科学研究院， 贵州 贵阳 550005)
重金属是指比重>4.5 g/cm3的金属，重金属大多数是过渡元素，导致土壤污染的重金属主要为对生物有害的、毒性显著的元素，主要有镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等；和一些有一定毒性的元素，如铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)等[1]。随着我国城市化快速发展，人类生活、交通、工业等所产生的污染物直接进入土壤，这些污染物破坏土壤结构，使城市土壤性质发生变化[2]。在城市环境中，大量的重金属元素通过生活污水排放、交通尾气、工矿业废渣、废弃物堆放等途径被带入土壤中，造成这些元素在土壤中的积累，并通过水体、食物链或大气，威胁人体健康[3]。重金属污染的植物修复技术被认为是能起到美化环境的作用、不破坏土壤结构、不造成地下水的二次污染、有发展前途的修复措施[4-5]。
城市森林土壤能储藏城市环境中的重金属元素，影响土壤环境质量，影响人体健康[6]。城市森林承载着改善城市生态环境，为城市居民提供良好的工作、生活和居住条件[7]。土壤重金属的植物修复措施是通过植物固定、提取、挥发等将土壤中的重金属吸收、转移或降解利用，再将植物回收处理，达到治理与修复[1]。目前，在树木对土壤重金属修复能力方面的研究较多，洋槐是Zn的超富集植物[8]，红皮云杉对土壤中Cr、Pb富集能力较强[9]，国槐和侧柏对Cr、Pb 富集能力也较强[10]，缺苞箭竹具有更大的Cu、Cr 富集潜力[11]，马桑可作为修复Pb污染的先行植物[12]，这些研究表明，树木具有较好对土壤重金属的修复能力，具有应用价值。本研究以自然状态下的城市森林主要造林树种马尾松、杉木、香樟为研究对象，测定Cu、Mn、Ni、Zn、Cr在树木不同部位中的分布、富集、转运特征，旨在从长期城市森林主要造林树种中寻找、挖掘可能具有重金属污染修复潜力的树种，并为森林城市建设提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于贵州省云关山国有林场内，地理坐标为106°43′E、26°38′N，海拔1105.1～1197.1 m，属云贵高原山原地貌，气候类型为中亚热带湿润季风。年均气温15.2 ℃，1月平均气温6.3 ℃、7月平均气温27.7 ℃，极端最低气温-7.3 ℃、极端最高气温37.5 ℃，年均降雨量1198.9 mm，平均相对湿度77%，无霜期278 d。
1.2 材料
以3种贵阳市城市森林主要造林树种香樟(Cinnamomumcamphora(L.) Presl.)、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)为研究对象，分析其叶片、枝、杆和根对土壤重金属的修复能力。
1.3 样品采集和处理
植物样品：2018年6月采集植物叶片，每个树种选取3棵生长良好的样树，在其东、西、南、北4个方向均匀采集植物叶，同步采集样树枝、根系，用生长锥采集样树的杆，并记录其胸径、树高及冠幅(基本情况见表1)，将叶、枝、杆、根样品封存于塑料自封袋中带到实验室，用去离子水清洗、晾干，在105 ℃下杀青后，65 ℃烘干至恒量，粉碎，过100目筛。
土壤样品：同步采集样树根系附近0～20 cm土壤，剔除石子、动物残体等异物后，自然条件下风干，磨碎，过100目筛。
表1 3种造林树种基本情况
1.4 测定方法
土壤样品：采用 HNO3-HF微波消解法[13](仪器为MWD-600微波消解仪、电感耦合等离子发射光谱仪Optima 8000ICP-OES) 测定土壤中重金属Cu、Mn、Ni、Zn、Cr 质量分数。
植物样品：采用HNO3-H2O2消煮ICP-OES法[13](仪器为MWD-600微波消解仪、电感耦合等离子发射光谱仪Optima 8000ICP-OES)，测定叶、根、枝、杆中重金属Cu、Mn、Ni、Zn、Cr质量分数。
1.4.1 富集系数
富集系数(BCF)公式为：
BCF=Ci/Si
(1)
Ci为地上部第i个植物样品(枝+杆+叶+根)的重金属含量；Si为对应土壤样品重金属含量。
1.4.2转移系数
重金属转移系数(BTF)公式为：
BTF=C地上部/C地下部
(2)
C地上部为植物地上部位(叶、枝、杆)的重金属元素浓度(mg·kg-1)，C地下部为植物地下部位(根)的重金属元素浓度(mg·kg-1)。
1.4.3 单因子指数法
单因子指数法指土壤单项污染物的实测值与评价标准之比，比值用以表示土壤中该污染物的污染程度。
式中：Pi为土壤中第i种重金属污染的环境质量指数；Ci为土壤中第i种重金属的实测浓度；Si为土壤中第i种重金属评价标准的临界值(采用贵州省土壤环境背景值作为参比值[14])。Pi值越大表示污染越严重，Pi≤1表示未污染，1
1.5 数据处理
采用EXCEL2017软件进行数据整理和作图，采用SPSS18.0统计分析软件进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 3种树种土壤重金属污染状况分析
由表2可知，香樟、杉木、马尾松土壤Cu达到了轻度污染状态；3种树种中香樟土壤中Mn达到轻度污染状态，杉木、马尾松土壤未受污染；3种树种土壤Ni受到轻度污染状态，Zn未受污染；3种树种中香樟土壤中Cr达到轻度污染状态，杉木、马尾松土壤未受污染。
表2 不同树种土壤重金属的污染程度
2.2 3种树种不同部位重金属含量
对马尾松、杉木、香樟体内Mn、Zn、Cr 、Cu、Ni的含量进行测定，由表3可以看出，3种树种体内5种重金属质量分数明显存在Mn>Zn>Cr >Cu>Ni。同种重金属含量在不同的植物体内各不相同，Cu总量(枝+杆+叶+根)表现为杉木>香樟>马尾松；Mn总量表现为杉木>马尾松>香樟；Ni总量表现为香樟>杉木>马尾松；Zn总量表现为香樟>马尾松>杉木；Cr总量表现为杉木>香樟>马尾松。
同种植物不同部位(枝、杆、叶、根)的重金属含量也不相同，由表3结果可知，马尾松、杉木、香樟体内根部Cr、Cu含量高于地上部分，叶中Mn含量高于其他部位；杉木杆中Ni的含量最高，马尾松叶Ni的含量最高，香樟体内Ni以根含量最高；杉木的叶、枝中Zn的含量较高，马尾松和香樟体内Zn以根含量最高。
2.3 3种树种对重金属富集能力的差异分析
马尾松、杉木、香樟对Mn、Zn、Cr 、Cu、Ni的富集能力见表4。马尾松、杉木、香樟对Cu的富集系数较低，都小于0.1；对Mn的富集系数表现为马尾松(0.91)>杉木(0.74)>香樟(0.24)，马尾松对Mn的富集系数较高，接近1；对Ni的富集系数都较低，在0.1左右；对Zn的富集系数表现为香樟(2.03)>马尾松(1.52)>杉木(0.52)，香樟和马尾松对Zn的富集系数均超过1；对Cr的富集系数较低，在0.1左右。3种树种对不同重金属元素的富集能力平均表现为：Zn(1.36)>Mn(0.63)>Cr(0.12)>Ni(0.10)>Cu(0.06)。
表3 3种树种各部位重金属质量分数
表4 3种树种对重金属的富集系数(BCF)和转移系数(BTF)
2.4 3种树种对重金属的转移特征
3种树种对重金属Cu、Mn、Ni、Zn、Cr的转移系数见表4，香樟对Cu、Mn、Ni、Cr的转移系数超过1，分别为1.50、8.20、2.07、1.33；杉木对Cu、Mn、Ni、Zn的转移系数超过1，分别为1.48、10.65、2.67、2.82；马尾松对Cu、Mn、Ni、Zn的转移系数超过1，分别为3.41、3.50、9.92、1.72。3种树种对不同重金属元素的转移能力平均表现为：Mn(7.45)>Ni(4.89)>Cu(1.86)>Zn(1.57)>Cr(0.88)。
3 结论与讨论
本研究中马尾松、杉木、香樟3个城市森林主要树种体内5种重金属质量分数明显存在Mn>Zn>Cr >Cu>Ni，不同部位(枝、杆、叶、根)的重金属含量也不相同，3个树种对Zn、Mn、Cr、Ni、Cu等5种重金属表现出较强的富集能力，3种树种对5种重金属的平均富集能力表现为Zn(1.36)>Mn(0.63)> Cr(0.12)>Ni(0.10)>Cu(0.06)，对Zn的平均富集系数最高，为1.36，其中，香樟和马尾松对Zn的富集系数分别为2.03和1.52。唐敏[15]、李庚飞[8]等的研究也表明，多数木本植物对Zn的富集能力都要高于Mn、Cr、Ni等重金属的富集能力，这可能是与Zn是植物生长所必须元素有关，在植物体内更易富集。Mn是合金材料和建筑材料的特征元素，叶片中的Mn会受到由路面磨损、建筑材料风化、路边裸土等产生的扬尘的影响[16]。本研究中，杉木和马尾松叶中Mn的含量明显高于土壤及其他器官，都是土壤中的1.98倍，香樟叶中Mn的含量明显高于地上其他器官。这可能是由于叶中一部分Mn来自土壤，另一部分来自大气中的灰尘，这与车继鲁等[13]研究的香樟叶片中Mn的含量大于其他部位的观点一致。
富集系数是衡量植物从土壤中吸收并贮藏重金属的能力，转移系数是衡量植物将重金属从根部转移到地上部的能力，有学者认为富集系数>1和转移系数>1是重金属超富集植物应具备的基本条件[17]。富集系数>1时，表明植物对该重金属有富集能力，并且系数越大表明植物对该金属元素的吸收能力越强；转移系数>1时，可确定植物体对该物质有富集能力，并且系数越大表明植物对该金属元素的吸收能力越强[18]。本研究中杉木对Mn的转移系数为>1，富集系数为0.74，是Mn的富集植物；马尾松对Zn的转移系数>1，富集系数为1.52，对Mn的转移系数>1，富集系数为0.91，是Zn、Mn的富集植物。因此，杉木对重金属Mn的修复具有重要意义，马尾松对重金属Zn、Mn的修复具有重要意义，可作为修复治理城市森林土壤重金属污染的备选树种之一。
