姜霞，丁訪軍，劉延惠，陳志萍

(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院， 貴州 貴陽(yáng) 550005)

重金屬是指比重>4.5 g/cm3的金屬，重金屬大多數(shù)是過(guò)渡元素，導(dǎo)致土壤污染的重金屬主要為對(duì)生物有害的、毒性顯著的元素，主要有鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鉻(Cr)和類金屬砷(As)等；和一些有一定毒性的元素，如銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)等[1]。隨著我國(guó)城市化快速發(fā)展，人類生活、交通、工業(yè)等所產(chǎn)生的污染物直接進(jìn)入土壤，這些污染物破壞土壤結(jié)構(gòu)，使城市土壤性質(zhì)發(fā)生變化[2]。在城市環(huán)境中，大量的重金屬元素通過(guò)生活污水排放、交通尾氣、工礦業(yè)廢渣、廢棄物堆放等途徑被帶入土壤中，造成這些元素在土壤中的積累，并通過(guò)水體、食物鏈或大氣，威脅人體健康[3]。重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是能起到美化環(huán)境的作用、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、不造成地下水的二次污染、有發(fā)展前途的修復(fù)措施[4-5]。

城市森林土壤能儲(chǔ)藏城市環(huán)境中的重金屬元素，影響土壤環(huán)境質(zhì)量，影響人體健康[6]。城市森林承載著改善城市生態(tài)環(huán)境，為城市居民提供良好的工作、生活和居住條件[7]。土壤重金屬的植物修復(fù)措施是通過(guò)植物固定、提取、揮發(fā)等將土壤中的重金屬吸收、轉(zhuǎn)移或降解利用，再將植物回收處理，達(dá)到治理與修復(fù)[1]。目前，在樹(shù)木對(duì)土壤重金屬修復(fù)能力方面的研究較多，洋槐是Zn的超富集植物[8]，紅皮云杉對(duì)土壤中Cr、Pb富集能力較強(qiáng)[9]，國(guó)槐和側(cè)柏對(duì)Cr、Pb 富集能力也較強(qiáng)[10]，缺苞箭竹具有更大的Cu、Cr 富集潛力[11]，馬?？勺鳛樾迯?fù)Pb污染的先行植物[12]，這些研究表明，樹(shù)木具有較好對(duì)土壤重金屬的修復(fù)能力，具有應(yīng)用價(jià)值。本研究以自然狀態(tài)下的城市森林主要造林樹(shù)種馬尾松、杉木、香樟為研究對(duì)象，測(cè)定Cu、Mn、Ni、Zn、Cr在樹(shù)木不同部位中的分布、富集、轉(zhuǎn)運(yùn)特征，旨在從長(zhǎng)期城市森林主要造林樹(shù)種中尋找、挖掘可能具有重金屬污染修復(fù)潛力的樹(shù)種，并為森林城市建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省云關(guān)山國(guó)有林場(chǎng)內(nèi)，地理坐標(biāo)為106°43′E、26°38′N，海拔1105.1～1197.1 m，屬云貴高原山原地貌，氣候類型為中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)。年均氣溫15.2 ℃，1月平均氣溫6.3 ℃、7月平均氣溫27.7 ℃，極端最低氣溫-7.3 ℃、極端最高氣溫37.5 ℃，年均降雨量1198.9 mm，平均相對(duì)濕度77%，無(wú)霜期278 d。

1.2 材料

以3種貴陽(yáng)市城市森林主要造林樹(shù)種香樟(Cinnamomumcamphora(L.) Presl.)、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)、馬尾松(PinusmassonianaLamb.)為研究對(duì)象，分析其葉片、枝、桿和根對(duì)土壤重金屬的修復(fù)能力。

1.3 樣品采集和處理

植物樣品：2018年6月采集植物葉片，每個(gè)樹(shù)種選取3棵生長(zhǎng)良好的樣樹(shù)，在其東、西、南、北4個(gè)方向均勻采集植物葉，同步采集樣樹(shù)枝、根系，用生長(zhǎng)錐采集樣樹(shù)的桿，并記錄其胸徑、樹(shù)高及冠幅(基本情況見(jiàn)表1)，將葉、枝、桿、根樣品封存于塑料自封袋中帶到實(shí)驗(yàn)室，用去離子水清洗、晾干，在105 ℃下殺青后，65 ℃烘干至恒量，粉碎，過(guò)100目篩。

土壤樣品：同步采集樣樹(shù)根系附近0～20 cm土壤，剔除石子、動(dòng)物殘?bào)w等異物后，自然條件下風(fēng)干，磨碎，過(guò)100目篩。

表1 3種造林樹(shù)種基本情況

1.4 測(cè)定方法

土壤樣品：采用 HNO3-HF微波消解法[13](儀器為MWD-600微波消解儀、電感耦合等離子發(fā)射光譜儀Optima 8000ICP-OES) 測(cè)定土壤中重金屬Cu、Mn、Ni、Zn、Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

植物樣品：采用HNO3-H2O2消煮ICP-OES法[13](儀器為MWD-600微波消解儀、電感耦合等離子發(fā)射光譜儀Optima 8000ICP-OES)，測(cè)定葉、根、枝、桿中重金屬Cu、Mn、Ni、Zn、Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4.1 富集系數(shù)

富集系數(shù)(BCF)公式為：

BCF=Ci/Si

(1)

Ci為地上部第i個(gè)植物樣品(枝+桿+葉+根)的重金屬含量；Si為對(duì)應(yīng)土壤樣品重金屬含量。

1.4.2轉(zhuǎn)移系數(shù)

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)(BTF)公式為：

BTF=C地上部/C地下部

(2)

C地上部為植物地上部位(葉、枝、桿)的重金屬元素濃度(mg·kg-1)，C地下部為植物地下部位(根)的重金屬元素濃度(mg·kg-1)。

1.4.3 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法指土壤單項(xiàng)污染物的實(shí)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之比，比值用以表示土壤中該污染物的污染程度。

式中：Pi為土壤中第i種重金屬污染的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為土壤中第i種重金屬的實(shí)測(cè)濃度；Si為土壤中第i種重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的臨界值(采用貴州省土壤環(huán)境背景值作為參比值[14])。Pi值越大表示污染越嚴(yán)重，Pi≤1表示未污染，13表示重污染。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種樹(shù)種土壤重金屬污染狀況分析

由表2可知，香樟、杉木、馬尾松土壤Cu達(dá)到了輕度污染狀態(tài)；3種樹(shù)種中香樟土壤中Mn達(dá)到輕度污染狀態(tài)，杉木、馬尾松土壤未受污染；3種樹(shù)種土壤Ni受到輕度污染狀態(tài)，Zn未受污染；3種樹(shù)種中香樟土壤中Cr達(dá)到輕度污染狀態(tài)，杉木、馬尾松土壤未受污染。

表2 不同樹(shù)種土壤重金屬的污染程度

2.2 3種樹(shù)種不同部位重金屬含量

對(duì)馬尾松、杉木、香樟體內(nèi)Mn、Zn、Cr 、Cu、Ni的含量進(jìn)行測(cè)定，由表3可以看出，3種樹(shù)種體內(nèi)5種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯存在Mn>Zn>Cr >Cu>Ni。同種重金屬含量在不同的植物體內(nèi)各不相同，Cu總量(枝+桿+葉+根)表現(xiàn)為杉木>香樟>馬尾松；Mn總量表現(xiàn)為杉木>馬尾松>香樟；Ni總量表現(xiàn)為香樟>杉木>馬尾松；Zn總量表現(xiàn)為香樟>馬尾松>杉木；Cr總量表現(xiàn)為杉木>香樟>馬尾松。

同種植物不同部位(枝、桿、葉、根)的重金屬含量也不相同，由表3結(jié)果可知，馬尾松、杉木、香樟體內(nèi)根部Cr、Cu含量高于地上部分，葉中Mn含量高于其他部位；杉木桿中Ni的含量最高，馬尾松葉Ni的含量最高，香樟體內(nèi)Ni以根含量最高；杉木的葉、枝中Zn的含量較高，馬尾松和香樟體內(nèi)Zn以根含量最高。

2.3 3種樹(shù)種對(duì)重金屬富集能力的差異分析

馬尾松、杉木、香樟對(duì)Mn、Zn、Cr 、Cu、Ni的富集能力見(jiàn)表4。馬尾松、杉木、香樟對(duì)Cu的富集系數(shù)較低，都小于0.1；對(duì)Mn的富集系數(shù)表現(xiàn)為馬尾松(0.91)>杉木(0.74)>香樟(0.24)，馬尾松對(duì)Mn的富集系數(shù)較高，接近1；對(duì)Ni的富集系數(shù)都較低，在0.1左右；對(duì)Zn的富集系數(shù)表現(xiàn)為香樟(2.03)>馬尾松(1.52)>杉木(0.52)，香樟和馬尾松對(duì)Zn的富集系數(shù)均超過(guò)1；對(duì)Cr的富集系數(shù)較低，在0.1左右。3種樹(shù)種對(duì)不同重金屬元素的富集能力平均表現(xiàn)為：Zn(1.36)>Mn(0.63)>Cr(0.12)>Ni(0.10)>Cu(0.06)。

表3 3種樹(shù)種各部位重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表4 3種樹(shù)種對(duì)重金屬的富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(BTF)

2.4 3種樹(shù)種對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移特征

3種樹(shù)種對(duì)重金屬Cu、Mn、Ni、Zn、Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)見(jiàn)表4，香樟對(duì)Cu、Mn、Ni、Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)超過(guò)1，分別為1.50、8.20、2.07、1.33；杉木對(duì)Cu、Mn、Ni、Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)超過(guò)1，分別為1.48、10.65、2.67、2.82；馬尾松對(duì)Cu、Mn、Ni、Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)超過(guò)1，分別為3.41、3.50、9.92、1.72。3種樹(shù)種對(duì)不同重金屬元素的轉(zhuǎn)移能力平均表現(xiàn)為：Mn(7.45)>Ni(4.89)>Cu(1.86)>Zn(1.57)>Cr(0.88)。

3 結(jié)論與討論

本研究中馬尾松、杉木、香樟3個(gè)城市森林主要樹(shù)種體內(nèi)5種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯存在Mn>Zn>Cr >Cu>Ni，不同部位(枝、桿、葉、根)的重金屬含量也不相同，3個(gè)樹(shù)種對(duì)Zn、Mn、Cr、Ni、Cu等5種重金屬表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集能力，3種樹(shù)種對(duì)5種重金屬的平均富集能力表現(xiàn)為Zn(1.36)>Mn(0.63)> Cr(0.12)>Ni(0.10)>Cu(0.06)，對(duì)Zn的平均富集系數(shù)最高，為1.36，其中，香樟和馬尾松對(duì)Zn的富集系數(shù)分別為2.03和1.52。唐敏[15]、李庚飛[8]等的研究也表明，多數(shù)木本植物對(duì)Zn的富集能力都要高于Mn、Cr、Ni等重金屬的富集能力，這可能是與Zn是植物生長(zhǎng)所必須元素有關(guān)，在植物體內(nèi)更易富集。Mn是合金材料和建筑材料的特征元素，葉片中的Mn會(huì)受到由路面磨損、建筑材料風(fēng)化、路邊裸土等產(chǎn)生的揚(yáng)塵的影響[16]。本研究中，杉木和馬尾松葉中Mn的含量明顯高于土壤及其他器官，都是土壤中的1.98倍，香樟葉中Mn的含量明顯高于地上其他器官。這可能是由于葉中一部分Mn來(lái)自土壤，另一部分來(lái)自大氣中的灰塵，這與車?yán)^魯?shù)萚13]研究的香樟葉片中Mn的含量大于其他部位的觀點(diǎn)一致。

富集系數(shù)是衡量植物從土壤中吸收并貯藏重金屬的能力，轉(zhuǎn)移系數(shù)是衡量植物將重金屬?gòu)母哭D(zhuǎn)移到地上部的能力，有學(xué)者認(rèn)為富集系數(shù)>1和轉(zhuǎn)移系數(shù)>1是重金屬超富集植物應(yīng)具備的基本條件[17]。富集系數(shù)>1時(shí)，表明植物對(duì)該重金屬有富集能力，并且系數(shù)越大表明植物對(duì)該金屬元素的吸收能力越強(qiáng)；轉(zhuǎn)移系數(shù)>1時(shí)，可確定植物體對(duì)該物質(zhì)有富集能力，并且系數(shù)越大表明植物對(duì)該金屬元素的吸收能力越強(qiáng)[18]。本研究中杉木對(duì)Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)為>1，富集系數(shù)為0.74，是Mn的富集植物；馬尾松對(duì)Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)>1，富集系數(shù)為1.52，對(duì)Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)>1，富集系數(shù)為0.91，是Zn、Mn的富集植物。因此，杉木對(duì)重金屬M(fèi)n的修復(fù)具有重要意義，馬尾松對(duì)重金屬Zn、Mn的修復(fù)具有重要意義，可作為修復(fù)治理城市森林土壤重金屬污染的備選樹(shù)種之一。