快速路侧绿化树种重金属分布及修复潜力评价

2023-04-18蔡凯旭阿丽亚拜都热拉杨公新郭正宇阿布都库都斯艾尔肯马继龙

西南农业学报 2023年2期

蔡凯旭,阿丽亚·拜都热拉,杨公新,郭正宇,阿布都库都斯·艾尔肯,马继龙

(新疆农业大学林学与风景园林学院,乌鲁木齐 830052)

【研究意义】重金属被大量用于生产和生活当中,其引起的严重污染问题引发人们高度重视,重金属污染俨然成为制约城市发展的主要问题之一[1]。重金属会在人体内不断蓄积,当达到一定阈值后,就会打破人体原有平衡,使机体受到损伤[2-3]。在对其污染治理过程中,人们发现植物能够有效吸收重金属元素,被当作重金属污染治理的关注对象[4]。绿化植物美化城市的同时,还发挥着净化空气的功能。植物根系能够主动从土壤中吸收重金属元素,叶片能够吸附重金属微粒净化空气,重金属被植物从环境中吸收转移,从而缓解对环境造成的压力[5]。同时,绿化植物对重金属污染起到很好的指示作用[6-9]。【前人研究进展】研究表明,通过选择对重金属具有较强富集特征的树种进行种植,能够较好地抑制重金属的进一步污染[10]。即使在工业园区等重金属污染较严重的生境下,也有部分植物能够存活并生长良好[11]。如Yoon等[12]对某工业园区的17种本土植物研究发现,本土植物对Cu、Zn、Pb均具有一定的修复潜力。Malik等[13]对巴基斯坦一工业区周边16种优势植物研究发现,大多数植物可作为区域重金属污染的候选植物。王爱霞等[14]对南京市二球悬铃木不同器官的重金属进行研究发现,老树皮对重金属元素的富集能力明显高于枝条、树干。胡海辉等[15]对暴马丁香根系重金属富集能力的研究发现,小根和中根对Cu和Zn的富集能力大于大根,而大根对Pb的富集能力更强。宋芬芳等[16]对芜湖市城区干道植物各树种进行研究,提出红枫可作为一种防止重金属污染的理想树种。Suzuki等[17]研究认为,锦绣杜鹃对Pb、Zn和Cd有较高的累积效应,可优先作为道路绿化树种。车继鲁等[18]通过设置不同浓度梯度的土壤重金属对香樟树各部位的富集系数进行研究,发现树干对Cu、Zn、Pb、Cr、Ni 具有较强的富集作用,富集系数较其他部位明显较高。赵策等[19]通过重金属处于不同形态时的富集特征,对其富集效能进行研究,认为行道树国槐贮存重金属元素的部位主要是树皮、树干。【本研究切入点】乌鲁木齐市是国家高速公路网中的重要节点,近年来其快速路侧土壤及植物被重金属污染所困扰,污染来源不只限于道路车辆的废气排放,还与人们的生活、农业生产以及工厂运作产生的污染密切相关。乌鲁木齐市生态系统的平衡和稳定面临挑战,人类健康受到威胁,如何吸收、转化和降解重金属污染,改善人民赖以生存的生态环境已成为亟待解决的问题。【拟解决的关键问题】本研究以乌鲁木齐市河滩快速路为研究区,分别选择北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4种绿化树种作为研究对象,通过对树木各部位(枝、叶、皮、根)重金属含量进行分析,探究树木中重金属的分布及富集转运特征,以期为乌鲁木齐市快速路绿化树木生长健康管理及重金属防治提供参考,为城市绿化的合理建设及区域生态环境的改善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

试验样地位于乌鲁木齐市河滩快速路侧(43°46′ N,87°36′ E),经实地考察,河滩快速路侧土壤主要为沙粒土,含沙量为428.4 g/kg,属于碱性土壤(pH 8.03),平均车流量每分钟140辆左右(双向)。乌鲁木齐市土壤环境背景值如表1所示。

表1 乌鲁木齐市土壤环境背景值Table 1 Soil environmental background values in Urumqi city (mg/kg)

1.2 样品的采集与处理

本研究选择北美海棠(North American Begonia)、白榆(UlmuspumilaL.)、大叶白蜡(Fraxinusrhynchophylla)、新疆杨(Populusalbavar.pyramidalis)4种典型绿化树种作为研究对象,根据每木检尺的结果,以平均胸径、平均树高为参照,各个树种选择标准样木3株,采样地绿化树种的生长状况如表2所示。于2020年6月采集河滩快速路两侧绿化树木以及土壤样品。①植物样品采集:分不同方向(东西南北)分别对样木根系、叶、枝和皮进行采集,树根采自树冠垂直投影2/3处。②土壤样品采集:使用土钻工具对所选标准样木根系处的土壤(0～20 cm)进行采集,土壤样品为距离根系不同位置处的土壤混合样,四分法收集1 kg于自封袋,共计12个。将采集的土样自然晾干,挑拣出较大石块及其他异物,过100目筛。将植物样品首先用去离子水再冲刷一遍后,用吸水纸将表面水份吸干,于105 ℃下杀青后,用80 ℃恒温将其杀菌防霉至重量不再变化,最后用高速的万能粉碎机将植物试样打碎,装入事先准备好的纸袋中干燥保存。

表2 采样地4种绿化树种的生长状况Table 2 Growth condition of four green tree species in the sampling areas

1.3 重金属元素测定

植物样品以HNO3-HClO4(4∶1)消解法进行消解[20];土壤样品以HF-HClO4(1∶1)消解法进行消解[20]。通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定样品中重金属(Pb、Zn、Cd、Cr、Cu、Ni)含量。

1.4 植物重金属富集系数计算

植物对重金属的富集程度可以用富集系数表示,是指植物某一部位的重金属元素浓度与土壤中相应的重金属元素浓度之比。一般富集系数较大,说明植物对该元素的吸收较好,即富集程度较高。

富集系数=植物各部位重金属元素含量/(根际)土壤重金属元素含量

1.5 植物重金属转运系数计算

植物地上部分重金属的富集量可以用转运系数表示,是植物地上部中的重金属含量与地下部中的重金属的比值。当转运系数大于1时,表明该植物对重金属的富集主要在地上部分。转运系数越大,表明该植物用于土壤重金属污染的潜力越强。

转运系数=植物地上部中的重金属含量/地下部中的重金属含量

1.6 植物重金属富集能力评价

通过隶属函数法对植物的富集能力作出评估。分别计算北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4种绿化树种的隶属函数值并求其平均值,通过比较平均值对4种绿化树种的富集能力进行综合评价。

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中,X为所测样品某一指标的实测值,Xmax、Xmin分别为该指标的最大、最小测定值。

1.7 研究区污染综合评价

内梅罗综合指数法:污染评价时较为常用的方法。在单因子污染指数的基础上,结合其平均值、最大值,反映了污染影响较重的重金属所起的作用,公式如下:

Pi=Ci/Si

式中,Pi为重金属污染指数,Ci为重金属含量实测值,Si为i的评价标准值。Pimax为污染指数最大值;Piave为指数平均值;P为综合污染指数。本研究以乌鲁木齐市土壤环境背景值为参照。污染等级分为:若P≤0.7,属于清洁;若0.7

1.8 数据分析

利用Excel 2020整理数据。采用R(4.1.3版)软件作图。采用SPSS 25软件进行单因素方差分析(One way ANOVA)和LSD多重比较检验各处理间差异的显著性(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 4个绿化树种中重金属空间分布特点

从图1可知,Pb、Zn、Cd、Cr、Cu、Ni元素在北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4个绿化树种及其不同部位中分布均存在明显差异(图1)。Zn浓度在绿化树种中变化较大,Cd浓度在绿化树种中表现较为稳定,绿化树种中重金属浓度表现为CZn>CCu>CNi>CPb>CCr>CCd。在北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨树皮中的重金属浓度变化较大,叶片中表现较为稳定,各个绿化树种不同部位中重金属浓度表现为树皮>根系>树枝>叶片。说明,绿化树种中Zn为主要吸收元素,树皮为主要吸收部位。

不同小写字母表示重金属在0.05水平上显著差异,不同部位在0.05水平上显著差异。Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal elements at 0.05 level and different sites at 0.05 level.图1 不同重金属元素在绿化树种和不同部位中的浓度Fig.1 Concentration of different heavy metal elements in green tree species and different parts

从图2可知,北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4个绿化树种中重金属含量在各部位中的分布总体表现为大叶白蜡>新疆杨>白榆>北美海棠。Pb主要分布于绿化树种的根系和树皮中,北美海棠树皮中Pb浓度最大;新疆杨根系中Zn浓度最大,叶片中最小。除树皮外,其余部位Zn浓度依次为新疆杨>白榆>大叶白蜡>北美海棠。Cd主要分布于4个绿化树种的根系和树皮中,新疆杨树皮中Cd浓度最大。除叶片外,其余部位Cd浓度依次为新疆杨>白榆>大叶白蜡>北美海棠。Cr主要存在于绿化树种的根系中,白榆根系中Cr浓度最大,新疆杨叶片中最小;4个绿化树种树皮中Cu浓度均大于其余部位,大叶白蜡树皮中Cu浓度最大,除北美海棠外,其余部位Cu浓度依次为树皮>根系>树枝>叶片。Ni主要存在于绿化树种的根系和树皮中,Ni浓度在新疆杨树皮中最大。说明,在进行绿化树种的选择方面,应考虑不同树种之间的差异,从而选择合适的树种。

图2 重金属元素在4个绿化树种各部位中的分布Fig.2 Distribution of heavy metal elements in each part of the four green tree species

从图3可知,北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4个绿化树种根系和树皮中重金属含量较大,叶片和树枝中含量较小,说明重金属含量主要分布于根系和树皮。对不同部位相关性分析可知,4个绿化树种叶片的重金属含量与根系、树枝的重金属含量在0.05水平上显著相关,相关系数分别为0.990、0.968。4个绿化树种树枝的重金属含量与根系的重金属含量在0.01水平上显著相关,相关系数为0.993(图4)。综合6种重金属元素在4个绿化树种中的分布特点可以发现,4个绿化树种中Zn浓度最大,Cd浓度最小。4个绿化树种中重金属含量主要集中于树皮和根系,叶片中浓度较小,其中重金属元素Cu和Ni在树皮中含量最高,重金属元素Zn和Cd在叶片中含量最低。各重金属元素在4个绿化树种中的空间分布大多未显示出完整的一致性,不同重金属元素在4个绿化树种中集中分布的区域不同,且此差异也表现在不同的绿化树种间。说明,不同绿化树种对重金属元素的吸收能力不同,不同部位之间相互受到影响,并且具有选择性。

图3 4个绿化树种不同部位重金属的含量Fig.3 The content of heavy metals in different parts of the four green tree species

图4 4个绿化树种不同部位重金属含量的相关性Fig.4 Correlation of heavy metal content in different parts of the four green tree species

2.2 4个绿化树种中重金属的修复潜力评价

从表3可知,北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4个绿化树种富集重金属元素的能力不同,同一绿化树种不同部位富集重金属元素的能力也不同,这可能与植物选择性吸收有关。4个绿化树种的富集系数分别为北美海棠0.054～0.778,白榆0.037～0.623,大叶白蜡0.048～1.897,新疆杨0.028～0.548。从整体上来看,同一绿化树种重金属富集能力表现为树皮>根系>树枝>叶片。除新疆杨外,其余绿化树种树皮对重金属元素Cu的富集能力均最强,尤其是大叶白蜡树皮和根系对重金属元素Cu的富集能力,富集系数分别为1.897、1.068,表现出高富集的特点。说明,树皮较其他部位富集能力强,对重金属元素Cu的富集能力较强。

表3 4个绿化树种各部位重金属富集系数Table 3 Comparison of heavy metal enrichment coefficients in various parts of four green tree species

由图5可知,北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4个绿化树种对Pb、Zn、Cd、Cr、Cu、Ni元素的转运能力存在差异。除白榆对Cr元素的转运系数小于1外,其余均大于1,表明4个绿化树种地上部分对重金属的富集量均大于地下部分,可应用于土壤重金属的污染修复。其中,北美海棠对Cr、Cu、Pb的转运系数均大于其余树种,可作为土壤重金属污染修复的优选树种。白榆对Zn的转运能力最强,可用于Zn污染较严重地区的土壤修复。大叶白蜡对Cu、Zn的转运能力较强,可用于Cu、Zn污染较严重地区的土壤修复。新疆杨对Cd的转运能力最强,可用于Cd污染较严重地区的土壤修复。说明,绿化树种通过转运减轻重金属的污染,通过选择合适的树种从而达到更好的修复效果。

图5 4个绿化树种重金属转运系数比较Fig.5 Comparison of heavy metal transport coefficients in the four green tree species

植物通过转运和富集降低土壤中重金属含量,可被用于土壤修复。通过计算隶属函数值对4个绿化树种的富集能力进行综合评价,求出平均隶属值并对树种进行排序(表4)。4个绿化树种中北美海棠的综合富集能力最强,白榆次之,大叶白蜡相对较弱,因此,北美海棠可作为研究区土壤重金属污染修复的首选树种。

表4 4个绿化树种对重金属富集能力的隶属函数值Table 4 Membership function values for the enrichment ability of four green tree species for heavy metals

2.3 快速路侧土壤重金属污染评价

从表5可知,北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4个绿化树种的单因子污染指数Pi整体上处于1～2,属于轻污染。Pb、Cd、Cr在4个绿化树种根际土壤表现为中污染(2≤Pi<5),表明Pb、Cd、Cr对研究区土壤的污染较为突出。由综合污染指数可知,北美海棠根际土壤属于轻度污染,白榆和大叶白蜡根际土壤属于中度污染,新疆杨根际土壤属于重度污染。说明,北美海棠根际土壤的污染程度最小,表现出较强的土壤修复潜能。

表5 4个绿化树种根际土壤的污染指数Table 5 Pollution index of rhizosphere soil in four green tree species

研究区快速路侧土壤重金属均表现出不同程度的污染(图6)。Pb、Zn、Cd、Cr、Cu、Ni含量均高于背景值。由单因子污染指数可知,Zn、Cu和Ni为轻污染(1≤Pi<2),Cd、Pb和Cr为中污染(2≤Pi<5)。6种重金属的污染程度大小为:Cd(Pi=2.50)>Pb(Pi=2.24)>Cr(Pi=2.22)>Zn(Pi=1.59)>Cu(Pi=1.46)>Ni(Pi=1.20);由内梅罗综合污染指数可知,研究区快速路侧土壤重金属整体上呈中度污染(2≤Pi=2.20<3);Pb和Cd变异系数较大,分别为11.44%和12.50%,表明其含量在整个试验样地分布差异性较大,受人为干扰可能性较大。同时对快速路侧无植被区以及水磨沟区(清洁区)土壤进行测定,发现无植被区除Ni(Pi=1.27)为轻污染,其余元素均表现为中污染,绿化树种在一定程度上可减轻土壤污染。说明,水磨沟区除Cd(Pi=2.25)为中污染,其余元素均表现为轻污染,较快速路侧土壤污染程度小,重金属污染受快速路影响较大。

图6 土壤重金属单因子污染指数及变异系数Fig.6 Soil heavy metal single factor pollution index and coefficient of variation

3 讨论

3.1 植物对重金属富集能力的差异

不同植物对不同重金属元素的净化能力不同[21]。植物对重金属的吸收受自身基因调控,并且受植物自身的生长习性以及生活环境变化的影响[22-23]。Brooks[24]认为根系发达、生长迅速、植株壮硕等是富集植物理想的特征,呈群落形式存在,多分布于矿区或成矿作用带。朱雅兰[25]研究发现,十字花科的植物对重金属表现出超强富集能力,目前已知的有庭芥属、芸苔属和遏蓝菜属。杨晓龙等[26]对日本鳗草研究发现,处于不同生长期的日本鳗草对重金属的富集存在差异。本研究中所选择树种为乌鲁木齐市常见绿化树种,其生长环境受快速路的影响较大,且不同树种对重金属的富集能力存在差异。

植物不同部位因自身的功能和所处位置不同而表现出差异。叶片作为植物体主要的部位,能够有效地抑制重金属污染[27]。植物叶片通过蒸腾作用将矿质营养从根系运输到地上部分,同时叶片表面的气孔能够吸收大气中的重金属污染物[28]。植物通过根系吸收水肥维持自身正常生长的同时,重金属也被从土壤中附带吸收,从而根系中的重金属通常比其他部位的含量高[29]。这与本研究中树皮和树根部位的重金属含量均较高并不存在矛盾,树皮中重金属含量高于树根可能与快速路侧的生长环境有关。树皮具有降低水分损失、预防病虫害的功能,吸附在树皮表面的重金属也会被树皮部分吸收。El-Hasana等[30]研究发现,粗糙树皮对重金属的吸收能力强于光滑树皮。本研究分别对北美海棠、白榆、大叶白蜡、新疆杨4个绿化树种的枝、叶、皮、根4个部位进行重金属含量测定,发现不同部位中重金属元素浓度不同,这与植物的选择性吸收有关,4个绿化树种对重金属的富集能力总体上表现为树皮>根系>树枝>叶片。由于受研究区域、试验方法、元素种类等多方面的影响,也可能出现不完全相同的结果。

3.2 环境对植物吸收重金属的影响

不同生境对植物吸收重金属元素的影响很大,此差异使重金属的来源和比重存在差异,从而使植物对重金属元素的吸收受到影响。董艺博等[31]研究发现,罗甸县不同土地利用类型土壤中重金属含量不同。颜昌宙等[32]研究发现,改变氮肥的形态以及土壤条件能够明显影响植物对Cd的吸收。张邦裕等[33]研究发现,绿化树种在不同季节对重金属的累积特征存在差异。俞佳等[34]研究发现,重金属在底质中的形态占比和季节变化对生态区植物对重金属的吸收影响明显。刘辉[35]研究发现,鬼针草(BidensbipinnataL.)对低含量的重金属污染土壤中的Cd有较好的提取作用,但不适合用于重金属含量较高的污染土壤植物提取修复。以上学者分别对土壤在用地类型、管理方式、季节、污染程度上的不同进行了重金属的相关研究,发现环境的改变对植物吸收重金属影响很大。本研究选择快速路作为背景研究绿化树木的重金属污染特征,其主要污染来源于交通,其结果可能与他人研究存在差异。交通带来的重金属污染严重影响人们的生活质量,关于这方面问题的研究有待深入。