绿洲城市道路绿化树种对土壤重金属富集转运特征及应用潜力

张纯曦,占玉芳,苗银,何靖,张婉婷,阿丽亚·拜都热拉

绿洲城市道路绿化树种对土壤重金属富集转运特征及应用潜力

张纯曦1,占玉芳1,苗银1,何靖1,张婉婷1,阿丽亚·拜都热拉2

1. 张掖市林业科学研究院, 甘肃 张掖 734000 2. 新疆农业大学林学与风景园林学院, 新疆 乌鲁木齐 830052

为筛选适合张掖市城市交通道路土壤重金属污染修复的绿化树种，在金张掖大道两侧采集6种主要绿化树种的树根、树皮和根际土壤样品，采用电感耦合等离子体法（ICP）和原子荧光法（AFS）测定了Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg元素含量，通过计算富集系数、转运系数评价不同绿化树种对土壤重金属的富集和转运能力。结果表明：6种绿化树种不同器官重金属含量存在差异，白蜡树根中多种重金属元素含量最高，青海云杉树皮中多种重金属元素含量最高；青海云杉对Cd和Zn、白蜡对Cu的富集能力最强；丁香对Cr和Zn、连翘对Cd和Hg、青海云杉对Pb和As、白蜡对Cu、樟子松对Ni的转移能力最强。隶属函数计算结果指出，6种绿化树种对复合重金属污染的转运能力大小依次为青海云杉＞樟子松＞连翘＞丁香＞白蜡=白榆。综上所述，青海云杉作为张掖市交通道路土壤重金属污染修复绿化树种应用潜力巨大，但在日常生产应用中，要根据土壤重金属污染的类型选择相应的绿化树种进行栽植，以达到最佳修复效果。

城市绿化; 土壤重金属; 树木生态

大气沉降载带的重金属污染物是土壤重金属污染的重要途径[1]，其粒径多在10μm以上，主要来自于工业生产、城市交通、燃煤等人类活动排放的粉尘[2-4]，这些粉尘排放物携带SO2、NOx类污染物化学成分[5]，沉降到地面后，对土壤、植物、水体等造成持久性危害[6-9]，同时在食物链的富集和传递作用下可能会对动植物、人体健康构成威胁[10,11]。植物修复土壤重金属污染是指利用绿色植物在生长过程中，通过光合作用、吸收作用等方式，来迁移、容纳或转化污染物使其对土壤环境无害。在众多的重金属污染土壤修复技术中，植物修复技术被认为是最具潜力的修复技术之一，因其具有廉价高效、操作简单、安全科学、环境友好等特点[12-14]。植物对重金属的累积、转运能力在植物各器官中存在差异性，表现为叶＞皮＞根，其植株主要通过提高高抗氧化酶活性缓解重金属胁迫[15,16]。木本植物较之于草本植物其生物量高，绿化覆盖面积及绿化空间辐射占有量大，其巨大的根、茎、叶可以同时作用于环境，对重金属污染物的吸附效果显著[17]。研究表明干旱半干旱绿洲城市中对复合型重金属污染潜在修复价值相对较高的绿化树种有红皮云杉、复叶槭、圆冠榆、樟子松、火炬树等，而大叶白蜡、新疆杨、榆叶梅、垂柳对土壤重金属的富集转运能力相对较弱[18]。同时园林绿化植物对重金属的吸滞能力也在多城市环境中表现出差异，如女贞、广玉兰叶片吸滞重金属在南方城市大于北方城市，悬铃木叶片吸滞重金属量在北方城市大于南方城市[19]。综上所述，不同种类的植物对重金属污染土壤有着不同的耐受性，其对污染物的吸收能力也存在较大差异，因此，在实际生产应用中，应该结合土壤的重金属污染物种类以及植物对重金属的吸附类别差异，选择较为合适的植物种类和配置进行栽植，已达到最佳修复效果。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河西走廊城市张掖市（97°20′～102°12′E，37°28′～39°57′N），属温带干旱半干旱气候，年平均气温4.1～8.3 ℃，年平均降水量112.3～354.0mm，年平均蒸发量1 672.1～2 358.4 mm，干旱少雨，蒸发量明显大于降水量。研究区土壤为沙砾土，pH值为7.98。根据前期对张掖市交通流量和城市主要绿化树种的调查，采样区布设在交通流量较大的金张掖大道北侧绿化林带内。选择无病虫害、长势优良的6种常见绿化树种（种类和生长状况见表1）于2022年5月10日对绿化树种的根际土壤、树根、树皮进行采样，采样时大气温度为14～22 ℃，湿度为25～30 RH，风速为3 m/s，风向为南风。双向车流量为58辆/min。

表 1 采样树种及生长状况

1.2 采样方法

1.2.1 植物样品采集植物样品的采集主要包括对6种绿化树种树根和树皮的采集。在金张掖大道西侧绿化林带内，每个绿化树种选择3棵树龄、胸径、树高大致相同的绿化树种，用树皮铲在其胸径位置（距离地面1.3 m处）采集树皮，3棵树种采集的树皮分别作为3个样品，共18个树皮样品。并在树冠垂直投影三分之二处采集树根样品，共18个植物根部样品。将采集好的植物样品小心置于聚乙烯密封袋中，贴好标签，当日带回实验室。

1.2.2 土壤样品采集利用取土钻在采集绿化树种根部样品的同时，采集根部四周表层（0～30 cm）土壤样品3～4个，每个不少于0.5 kg，混合均匀作为一个平均样品，再反复使用四分法缩减，至最后的土壤样品量不少于1 kg，置于聚乙烯密封袋中，贴好标签，共18个根际土壤样品，当日与植物样品一起带回实验室。

1.3 样品测试

1.3.1 植物样品测试将带回实验室的植物样品用去离子水清洗黏附在植物表面的泥土和其他杂质，循环3次，晾干，在105 ℃下杀青45 min，70 ℃烘干72 h至恒重，粉碎，均匀混合后用精密天平称取2.000 g样品，加酸50 mL震荡1 h，过滤、离心（13 000 r/min），取上清液1 mL稀释10倍，再过0.45 μm滤膜进行分析。样品中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni元素测定利用电感耦合等离子体法（ICP），As和Hg元素利用原子荧光法（AFS）进行测定。

1.3.2 土壤样品测试将带回实验室的土壤样品放置在牛皮纸上自然风干、碾碎，去除其中的碎石、植物残体等杂物，过200目尼龙筛后，称取1.000 g，置于聚四氟乙烯干锅中，加入7 mL的HF、7 mL的HClO4溶液，消煮到快干时，取下干埚待冷却后，再加入7 mL的HF溶液，继续消煮到快干后，取下干埚冷却后，在加入20 mL的蒸馏水，再次加热近干。冷却后，加入5 mL的3% HNO3溶液，加热溶解，溶液澄清后，定容至50 mL的容量瓶中，并过滤至10 mL的塑料管进行分析。样品中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni元素测定利用电感耦合等离子体法（ICP），As和Hg元素利用原子荧光法（AFS）进行测定。

1.4 数据处理

富集系数(Bioconcen tration Factor，）是衡量植物吸收和转运重金属能力的指标之一，其计算公式为[20]：=C/S(1)

式中：为富集系数，值越大，表示植物对重金属的富集能力越强；C表示植物样品中的重金属含量（mg/kg）；S表示土壤样品中的重金属含量（mg/kg）。

重金属转移系数（Biological transfer facter，)：体现植物从根部向地上部运输重金属的能力。

（地上部/根）×100%(2)

越大，说明植物由根部向地上部运输重金属元素的能力越强。

采用隶属函数法对其进行综合评价。计算公式为：(μ) =（min）/（max-min） (3)

式中：为某一指标的测定值；max为某一指标的测定值中最大值；min为某一指标的测定值中最小值，而后求取隶属函数值的平均值。

实验数据借助于SPSS27.0进行单因素方差分析（One-Way ANOVA），采用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较，图形借助于Excel进行绘制。

2 结果与分析

2.1 绿化树种不同器官中重金属含量差异

2.1.1 树根中重金属元素含量差异采用单因素方差分析方法，研究青海云杉、樟子松、白蜡、白榆、丁香、连翘树根中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg共8项重金属元素含量的差异性，如表2所示。6种绿化树种根样本Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg重金属含量均呈现出显著差异（<0.05），具体分析可知，Cr含量为白蜡＞丁香=青海云杉，连翘最低；Cd含量为樟子松=丁香=青海云杉，连翘最低；Pb含量为白蜡＞连翘，樟子松最低；Cu含量白蜡＞丁香，樟子松最低；Zn含量为青海云杉＞丁香，樟子松最低；Ni含量为白蜡＞丁香，樟子松最低；As元素为白蜡＞白榆，连翘最低；Hg元素为青海云杉=白榆＞白蜡=连翘，丁香最低。按照树根重金属含量大小且最大含量重金属元素数量，绿化树种排序依次为白蜡＞丁香＞青海云杉＞白榆＞樟子松＞连翘。

2.1.2 树皮中重金属元素含量差异采用单因素方差分析方法，研究6种绿化树种树皮中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、 Ni、As、Hg共8项重金属元素的差异性，如表3所示。6种绿化树种皮样本Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg重金属含量均呈现出显著差异（<0.05），树皮样本中Cr含量青海云杉＞连翘，丁香最低；Cd元素各树种皮中含量差异性不显著；Pb含量青海云杉＞连翘，白榆最低；Cu含量白蜡＞连翘，樟子松最低；Zn含量青海云杉＞丁香，白榆最低；Ni含量青海云杉＞丁香，白榆最低；As含量青海云杉＞连翘，白蜡最低；Hg含量白榆＞青海云杉，樟子松=丁香=连翘含量最低。按照树皮重金属含量大小且最大含量重金属元素数量，绿化树种排序依次为青海云杉＞连翘＞丁香＞白榆＞樟子松＞白榆。

表 2 不同绿化树种树根重金属含量差异

注：平均值±标准差（=3）;大写字母ABCDEF表示同一绿化树种不同重金属元素含量差异性显著（<0.05）；小写字母abcdef表示同一重金属元素不同绿化树种含量差异性显著显著（<0.05）。

Note: mean ± standard deviation (=3); The capital letters ABCDEF indicate that the content of different heavy metal elements in the same greening tree species is significantly different (<0.05); The lowercase letter abcdef indicates that the content of the same heavy metal element is significantly different among different greening tree species (<0.05).

表3 不同绿化树种皮中重金属含量差异

Table 3 Difference of heavy metal content in seed bark of different greening trees

注：平均值±标准差（=3）;大写字母ABCDEF表示同一绿化树种不同重金属元素含量差异性显著（<0.05）；小写字母abcdef表示同一重金属元素不同绿化树种含量差异性显著显著（<0.05）。

Note: mean ± standard deviation (=3); The capital letters ABCDEF indicate that the content of different heavy metal elements in the same greening tree species is significantly different (<0.05); The lowercase letter abcdef indicates that the content of the same heavy metal element is significantly different among different greening tree species (<0.05).

2.2 绿化树种不同器官对土壤重金属的富集能力和转运特征

2.2.1 绿化树种不同器官对土壤重金属的富集能力对青海云杉、樟子松、白蜡、白榆、丁香、连翘6种绿化树种根际土壤、根、皮中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg元素含量分别求均值，计算其根、叶对根际土壤重金属的富集能力（BCF），如表4所示。青海云杉树根对Cd的富集系数为1.23，白蜡根部对Cu的富集系数为1.01，青海云杉树皮对Zn的富集系数为1.02，白蜡树皮对Cu的富集系数为2.44，富集系数大于1，其余4种绿化树种树根和树皮对重金属的富集系数均小于1。

表 4 绿化树种树根对土壤重金属的富集能力

2.2.2 绿化树种对土壤重金属的转运特征计算6种绿化树种树皮的重金属转移系数（TF）（图1）。

图 1 绿化树种对土壤重金属的转移系数

对Cr元素转移系数最大的绿化树种依次是丁香＞青海云杉＞樟子松＞白榆＞100%；对Cd元素转移系数最大的绿化树种依次是连翘＞丁香＞100%；对Pb转移系数最大的是绿化树种依次是青海云杉＞樟子松＞100%；对Cu转移系数最大的绿化树种依次是白蜡＞樟子松＞青海云杉＞连翘＞白榆＞丁香＞100%；对Zn转移系数最大的绿化树种依次为丁香＞樟子松＞白蜡＞连翘＞青海云杉＞100%；对Ni转移系数最大的绿化树种依次为樟子松＞青海云杉＞丁香＞白榆＞白蜡＞100%；对As转移系数最大的绿化树种依次为青海云杉＞丁香＞连翘＞樟子松＞白榆＞100%；对Hg转移系数最大的绿化树种依次为连翘＞白榆＞青海云杉＞白蜡＞100%，表明这些绿化树种容易将重金属元素从树根转移到地上的树皮。综上所述，丁香对Cr、Zn元素的转移能力最强，连翘对Cd、Hg的转移能力最强，青海云杉对Pb、As的转移能力最强，白蜡对Cu的转移能力最强，樟子松对Ni的转移能力最强。

2.3 绿化树种对土壤重金属的转运能力评价

采用隶属函数法对6种绿化树种转运Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg能力进行综合评价，如表5。6种绿化树行对Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg能力由大到小的排序为青海云杉、樟子松、连翘、丁香、白蜡与白榆。

表5 绿化树种对土壤重金属的转运系数隶属函数值

Table 5 Membership function values of heavy metal transport coefficients of green tree species to soil

3 讨论

本研究通过计算绿化树种对根际土壤重金属Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg元素的富集系数、转移系数、隶属函数来筛选该区域抗土壤重金属污染的绿化树种。从重金属元素种类上来看，6种绿化树种中青海云杉、樟子松、白榆、丁香、连翘5种类型树根和树皮中Zn含量均最高，其次是Cr、Zu、Pb。这主要是因为Zn元素作为植物体内酶的组分和金属活化剂对植物中碳水化合物的代谢及生长素合成有重要作用，是植物生长发育必需的微量元素，因此在植物体内含量最高，这与葛坤等人的研究结论相同[21]，同时采样地点位于张掖市金张掖大道两侧交通道路绿地，受交通运输排放影响。已有研究结果表明，交通工具尾气排放、轮胎摩擦、燃油泄漏等是造成市区土壤Pb污染的主要原因[22]，其中柴油尾气是道路交通重金属的主要来源，占总排放量的62%～93%[23]，除此之外还有一定量的Cr、Cu、Zn等污染[24]。这些携带重金属污染物的道路细小颗粒污染物随着风和车辆运动而悬浮在大气中，因降水、重力等因素重新沉降在路边土壤中，被道路绿化植被截留[25]，通过植物的蒸腾拉力、水分、营养盐转运等生理作用，将重金属富集储存在体内[26]，或通过落叶等方式，将重金属元素转运至植物体外。从绿化树种对重金属的富集能力来看，白蜡树根和树皮对Cu元素的富集能力最强，青海云杉树根对Cd、树皮对Zn的富集能力最强，这与李彩霞[27]对长沙市绿化植物富集能力研究所得“乔木对Cu的生物富集普遍较低”的结论相反，可能是因为本研究和李彩霞等研究采集的植物样本器官不一致，李彩霞等研究采集的是植物的树根和树叶部分，本研究采集的是植物的树皮和树根部分，加之本研究位于河西走廊绿洲城市，李彩霞等人研究位于长沙市，由于地理位置以及城市发展水平，人口密度等的差异，导致研究结论存在差异，已有研究结果表明，园林绿化植物对重金属的吸滞能力在多城市环境中表现出差异[19]。从绿化树种对重金属的转运能力来看，6种绿化树种对重金属的转运能力在元素种类间存在差异性，这与彭小东等人对乌鲁木齐河滩快速路域绿化树种重金属累积效应研究所得结论相同[18,28]。青海云杉作为常绿针叶乔木树种，虽生物量较小，但由于其树皮粗糙，树皮表面微结构排列着规则的凹槽，故而在除树根转运至树皮的重金属外，还对大气降尘中载带的重金属具有很强的捕获和滞留作用，因此相比较于其它5种绿化树种，青海云杉树皮中重金属元素的含量较高，这与刘丽等[29]对乌鲁木齐河滩快速路林带红皮云杉不同器官累计重金属元素特征所得结论一致。从综合评价的结果上来看，青海云杉是修复绿洲城市张掖市城市交通道路土壤重金属污染最具潜力的绿化树种。

综上，本研究通过分析河西走廊绿洲城市张掖市城市道路绿化树种对土壤重金属的富集、转运特征，初步探讨了研究区域绿化树种积累转能力，并对其转运能力进行了评价，研究结论可为张掖市城市交通道路绿化林带树种的筛选提供依据。同时，本研究也存在一定的局限性，本文研究绿化树种重金属富集能力时采集的样品为植物的树根、树皮以及根际土壤，因河西走廊地区气候转暖较迟，植物物候发育较迟，采样时植物叶片不是最佳采样时间，因此研究中缺少了植物叶片数据，有待下一步进行补充。研究中未展开绿化树种重金属含量与区域污染物来源分析，加之张掖市未开展土壤重金属污染背景值调查，因此今后的研究中应综合考虑土壤重金属含量本底值，以便更科学的解析园林绿化植物对土壤重金属污染修复治理的意义。

4 结论

（1）绿化树种不同器官重金属含量存在差异性。白蜡树根复合重金属含量高，青海云杉树皮复合重金属含量最高；

（2）青海云杉对Cd、Cu的富集能力最强，白蜡对Cu的富集能力最强，青海云杉用来修复Cd、Cu污染的土壤潜力较高，白蜡用来修复Cd、Cu污染的土壤潜力较高；

（3）丁香对Cr、Zn、连翘对Cd、Hg、青海云杉对Pb、As、白蜡对Cu，樟子松对Ni的转移能力最强，容易将相应的重金属元素从根部转运到地上部分；

（4）6种绿化树行对复合污染重金属的转运能力大小依次为青海云杉＞樟子松＞连翘＞丁香＞白蜡=白榆。

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Accumulation and Transport Characteristics of Soil Heavy Metals by Green Tree Species on Oasis Urban Road and Their Application Potential

ZHANG Chun-xi1, ZHAN Yu-fang1, MIAO Yin1, HEJing1, ZHANGWan-ting1, Aliya·BIDUZELA2

1.,734000,2.,830052,

In order to select greening tree species suitable for the remediation of heavy metal pollution in the traffic road soil of Zhangye City. The roots, bark and rhizosphere soil samples of six main greening trees were collected on both sides of Jinzhangye Avenue, and the contents of Cr, Cd, Pb, Cu, Zn, Ni, As and Hg were determined by inductively coupled plasma (ICP) and atomic fluorescence spectrometry (AFS), The enrichment and transport capacity of different greening tree species to soil heavy metals were evaluated by calculating enrichment coefficient and transport coefficient. The results showed that the contents of heavy metals in different organs of six greening trees were different. The contents of many heavy metals in the roots ofwere the highest, and those in the bark ofwere the highest.has the strongest ability to enrich Cd and Zn, andhas the strongest ability to enrich Cu.to transfer Cr and Zn,to Cd and Hg,to Pb and As,to Cu andto Ni has the strongest ability. The calculation results of the membership function indicate that the transport capacity of the six greening trees to the compound heavy metal pollution is>>>>=To sum up,has great potential as a green tree species for heavy metal pollution remediation of traffic road soil in Zhangye City. However, in daily production and application, appropriate green tree species should be selected and planted according to the type of heavy metal pollution in soil to achieve the best remediation effect.

Urban landscaping; soil heavy metals; trees ecology

S718.45

A

1000-2324(2023)02-0246-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.013

2022-12-14

2023-01-20

甘肃省青年科技基金计划:河西走廊地区抗土壤重金属污染绿化树种筛选(21JR7RG882)

张纯曦(1995-),女,硕士研究生,助理工程师,专业方向为林业生态工程与管理. E-mail:zcx@c4dlx.com