基于叶经济谱理论的行道树与土壤重金属关系的评价方法

陈秋婧，皇甫舒妤，钟淇琳，李弘毅，张 兴*

（1. 苏州园科生态建设集团有限公司，苏州 215110；2. 苏州科技大学，苏州 215129）

0 引言

随着社会经济高速发展，城市化为人类带来巨大经济效益的同时，也伴随着许多生态问题。作为城市生态系统的重要一环，承担众多生态功能的城市道路土壤也遭受了不同程度的破坏与污染[1]。密集工业生产与人类经济活动产生的重金属通过自然沉降、地表径流、颗粒扬尘等多种方式进入到道路土壤中并不断沉积赋存，最终超出土壤环境承载力和自净能力，引起城市道路土壤环境重金属污染[2]。

作为城市构建的肌理，道路系统在城市发展中起着重要的作用。相较于自然土壤，道路土壤受到人类活动影响更为剧烈，所面临的土壤重金属污染情况也更严重。土壤重金属污染具备隐蔽性、累积性、滞后性和不可逆性等特点[3]，不仅对城市生态系统造成破坏，也对居民的生命健康产生威胁。行道树是城市生态系统最重要的初级生产者之一，重金属污染赋存积累在土壤中的同时，也对生长于土壤中的行道树产生了不同程度的影响。

植物生长过程中受到周围环境影响，会呈现出不同的环境适应对策[4]。在对环境长期适应后，植物形成能够表征自身资源利用能力的结构特征，即植物功能性状（Plant functional traits）[5]。叶片层面作为植物与外界间进行物质交换的主要场所，其功能性状与植物的正常生长发育有着紧密联系[6]，更能够体现植物为减轻环境所施加的不利影响以形成的最佳适应策略[7]。相关学者围绕叶功能性状展开了广泛的研究，其中在环境梯度下叶功能性状的分布规律，已成为研究领域内关注的焦点。

本文将城市植物配置与植物叶经济谱理论研究相结合，强调从生态适应性出发进行植物的配置与规划，有利于资源的合理配置，对城市环境下行道树规划有着良好的现实意义，也能够为日后相关实践提供理论依据。

1 研究区概况与数据采集

1.1 研究区概况

为使所选研究区域土壤重金属污染情况具有对比性，本研究在泰兴市范围内根据土地利用方式、工业布局、交通流量和人类活动等因素进行功能区划分，将泰兴市划分为工业区、商业区、教育区、居住区和风景区5个类型，各类型选取1 条道路进行取样调查（表1）。

表1 研究道路具体情况

1.2 供试材料选取

为选取合适的材料研究道路行道树对不同土壤重金属污染环境的适应能力与响应机制，根据道路行道树种植频率、配置方式、生长状况、地域性以及与环境响应的变化程度进行综合考虑，最终选取泰兴市道路绿带中具有代表性与典型性的10 种行道树树种（表2）。

表2 10 种道路园林绿化树种具体情况

1.3 土壤样品处理与测定

土壤样品重金属指标选取了城市道路土壤污染中最普遍的五类重金属元素：Cu、Cd、Cr、Pb、Zn。将采集的土样去除杂质后依次过20 目和100 目尼龙网格筛，处理好的土壤样品按四分法取得所需样品量并放入自然干燥器中备用。土壤样品的消解采用微波消解法。消解完成后取出消解管放入恒温消解炉，加入1 ml 高氯酸以促进完全消解。待冷却后将消化管中剩余溶液定容至50 ml 容量瓶中，振荡溶解后用滤纸过滤至50 ml 容量管中。重金属元素Zn、Cu 含量使用火焰原子吸收分光光度计（iCE 3500）测定，重金属Pb、Cr、Cd 含量使用石墨原子吸收分光光度计（iCE 3500）测定。

1.4 植物样品处理与测定

对植物样品进行处理后分别测定叶面积（LA）、比叶面积（SLA）、叶干物质含量（LDMC）、叶碳含量（Cmass）、叶氮含量（Nmass）、叶片碳氮比、光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、叶绿素值（CHL）等相关叶性状指标。使用万分之一天平称取叶饱和鲜重。使用叶面积扫描仪（MICROTEK ScanMakeri 800 plus）测量叶面积（LA,mm2）。将叶片放入70℃烘箱内烘干24 h后取出，称取叶干质量。于晴朗天气在室外使用LI-6400 光合仪进行光合参数活体测定，测定叶片单位面积净光合速率（Pn,mmol·CO2·g-1·s-1）、蒸腾速率（Tr,gm-2·h-1） 与气孔导度（Gs,mmol·m-2·s-1）。叶绿素值（CHL,SPAD）使用手持叶绿素仪测定。使用研磨机将烘干的叶片研磨至粉末状，在十万分之一天平上称取约2 mg 样品于锡囊包样，使用EURO EA3000 元素分析仪测定叶碳与叶氮含量。叶干物质含量（LDMC）为叶干质量与叶饱和鲜重之比，比叶面积（SLA）为叶面积与叶干质量之比，单位质量叶碳含量（Cmass）为叶碳含量与样品重量之比，单位质量叶氮含量（Cmass）为叶氮含量与样品重量之比，叶片碳氮比（C:N ratio）为单位质量叶氮含量与单位质量叶碳含量之比。

1.5 土壤重金属污染评价方法

1.5.1 单因子指数法

以土壤中单个重金属含量与该元素限值的比值评价土壤重金属污染状况，能够反映土壤中单一重金属元素富集的情况与污染等级（表3）[8]。公式为：

表3 单因子污染指数评价标准

式中，Pi为重金属i污染指数；Ci为i的实测值；C0为i的评价标准（采用江苏省土壤元素背景值作为参考标准）。

1.5.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法能够综合考虑多种污染物的联合污染情况，科学地反映区域的总体环境质量状况。计算公式为：

P综为内梅罗综合污染指数；P¯i为单因子指数平均值；max(Pi)为单因子指数最大值。P综≤1.0 时，污染等级为安全；1.0＜P综≤2.0 时，轻度污染；2.0＜P综≤3.0时，中度污染；P综＞3.0 为重度污染。Pi、P综值越大，污染越严重，见表4。

表4 内梅罗综合污染指数评价标准

1.6 数据分析

采用单因子指数法对土壤样品中单个重金属元素污染程度进行评价，使用内梅罗综合指数法进行研究区域土壤重金属污染情况的综合评价；应用Pearson相关分析、多变量方差分析和LSD 法对植物叶片功能性状进行差异性分析，采用主成分分析提取叶性状环境响应的主要指标，隶属函数法评价植物对土壤重金属污染环境的适应能力。

2 结果与分析

2.1 植物叶经济谱分析

对泰兴市10 种行道树的叶经济谱分析表明，叶经济谱性状在种间与种内均存在变异情况，种间水平的变异强于种内水平，除Cmass和C:N 外，其余叶经济谱性状指标在物种间均存在极显著差异（P＜0.01），不同遗传背景所导致的性状变异占据主导地位。环境因子的过滤作用使得生长于同一区域尺度下的植物叶经济谱性状产生趋同效应，而同种植物在不同环境梯度下则表现出叶经济谱性状的分异，导致植物在叶经济谱中的位置随环境变化而产生差异。

在轻度土壤重金属污染环境中，迎春、红叶石楠、金边黄杨和红花檵木靠近“快速投资- 收益”一端；香樟、桂花、银杏、鸡爪槭、南天竹和锦绣杜鹃位于“缓慢投资- 收益”一侧；在中度污染环境中，迎春、红叶石楠、金边黄杨、红花檵木和锦绣杜鹃位于“快速投资-收益”型物种一端；香樟、银杏、桂花、鸡爪槭、南天竹位于“缓慢投资- 收益”型物种一端；而在重度污染环境中，桂花、香樟、红叶石楠、南天竹和金边黄杨位于“快速投资- 收益”型物种一端；银杏、迎春、红花檵木、鸡爪槭和锦绣杜鹃位于较为保守的“缓慢投资- 收益”一侧，见图1。

图1 轻度、中度、重度三种污染环境下植物叶经济谱分布热图

2.2 叶经济谱性状对不同重金属污染环境的响应

泰兴市5 条位于不同功能区的城市道路土壤重金属污染程度排序为工业区（道路D）＞商业区（道路E）＞居住区（道路A）＞教育区（道路B）＞风景区（道路C），综合污染指数值如表5。

表5 不同功能区综合污染指数值

根据方差分析可知，除Gs、LA、LDMC 外，其他叶经济谱性状指标在不同重金属污染环境下均存在极显著差异（P＜0.01），说明环境因子的变化驱使植物通过叶经济谱性状的变化以维持自身的正常生长。不同植物物种之间通过叶经济谱性状变化以适应土壤重金属污染环境的具体策略存在较明显的差异（图2），但整体来看，土壤重金属环境的胁迫使得植物叶光合性状指标降低，植物多倾向于通过减少SLA，增加LDMC 的方式增强叶片的抗逆性以适应不良环境，叶片层面上碳、氮元素的投入也更多用于构建保卫结构，增强叶片韧性。

图2 叶经济谱性状间关系在不同土壤重金属污染环境下的变化

2.3 植物对不同重金属污染环境的适应性

根据对植物叶经济谱性状的主成分分析结果，提取出8 个对植物重金属环境适应性具有较高解释度的性状指标，分别为Pn、C:N、Nmass、LDMC、SLA、CHL、Tr和Cmass。结合模糊隶属函数，可构建土壤重金属污染环境适应性植物遴选体系，对不同重金属污染环境下各植物物种的环境适应性进行综合评价。各功能区道路植物中对土壤重金属污染环境的适应能力排序如表6所示，鸡爪槭和金边黄杨在不同程度重金属污染环境下均有着较好的适应能力，而香樟和迎春在不同环境污染梯度的适应性存在较大差异。

表6 各功能区道路植物中对土壤重金属污染环境的适应能力排序

3 讨论与结论

3.1 叶性状表现

通过相关性分析可知，研究植物的叶片形态结构性状、叶片光合生理性状和叶片化学计量性状之间普遍存在显著相关关系，全球尺度下的宏观叶经济谱规律在本研究中也有所体现。通过植物叶经济谱性状组合在不同重金属污染环境下的分析可以得出，植物叶经济谱性状间的协同变化关系受重金属污染环境梯度的影响不大或不受影响，但由于重金属对植物存在“低促高抑”现象，当土壤中重金属污染物的浓度过高时，也会出现叶经济谱性状间关系的脱钩。在实际应用中可以根据叶经济谱性状间关联的稳定性与规律性，通过易观测的性状对一些无法实时测定的关键性状进行推测，以预测其协同进化趋势，但也要注意其土壤重金属污染浓度是否超过阈值。

3.2 植物景观评价与改善

本研究运用模糊隶属函数对不同园林植物的耐性与适应能力进行评价，从而构建植物遴选体系，丰富了植物配置的品种选择手段。然而植物对重金属污染环境的耐性是一个复杂的综合问题，在指标的选取上需综合考虑系统性、科学性、全面性、实用性、可行性、动态性以及敏感性等各方面因素，分析植物的叶片结构性状、叶片化学性状以及叶片生理性状等各类与环境变化密切相关的叶经济谱性状。

以植物叶经济谱性状对道路土壤重金属污染的响应机制为基础，遵循城市道路行道树配置原则，行道树的配置方面可围绕以下三个方面展开：（1）行道树植物群落配置应充分考虑种间与种内性状变异，在园林美学基础上着重生态适应性；（2）行道树叶经济谱的权衡策略应成为行道树植物群落配置的重要理论依据，综合搭配不同类型叶经济谱植物，保证景观的可持续发展；（3）考虑不同道路土壤重金属污染程度，从植物叶经济谱角度出发，适地适树，将使用功能与生态功能有机结合，打造新型的城市道路植物景观。