許浩 于江珊

摘 要：為了篩選出對(duì)重金屬綜合吸收能力較強(qiáng)的綠化樹種，以銀川市常見的17種綠化樹種為研究對(duì)象，測定葉片及土壤的鎘 （Cd）、銅 （Cu）、鋅 （Zn）、鉻 （Cr）、錳 （Mn）、鎳 （Ni）、砷 （As） 和鉛 （Pb） 8個(gè)重金屬含量，確定了不同樹種葉片的富集系數(shù)及潛在污染消減指數(shù)。結(jié)果表明：1） 17種綠化樹種葉片間的8個(gè)重金屬含量存在顯著差異。垂柳（Salix babylonica）葉片的As和Ni含量、榆葉梅（Prunus triloba）葉片的Cr含量、白蠟（Fraxinus chinensis）葉片的Cu含量、連翹（Forsythia suspensa葉片的Mn含量、杏（Prunus armeniaca）葉片的Pb含量、河北楊（Populus × hopeiensis）葉片的Zn和Cd含量顯著高于其他植物。2）絕大多數(shù)樹種葉片對(duì)8個(gè)重金屬的富集系數(shù)（BCF）遠(yuǎn)低于富集植物的標(biāo)準(zhǔn)值（BCF=1.0）。3）依據(jù)富集系數(shù)與綜合潛在污染消減指數(shù)篩選的樹種不同，這與Cd的高毒性有關(guān)。新疆楊（Populus albavar. pyramidalis）葉片的綜合潛在污染消減指數(shù)最高，對(duì)土壤重金屬的吸收積累能力最強(qiáng)。不同樹種對(duì)重金屬的吸收積累能力存在差異，新疆楊葉片對(duì)重金屬的吸收積累能力最強(qiáng)，最適宜作為該區(qū)域土壤重金屬污染修復(fù)的樹種。

關(guān)鍵詞：銀川市；綠化植物；葉片重金屬；潛在吸收積累能力；篩選

Study on the absorption and accumulation capacity of heavy metals by main green tree species in Yinchuan City.

Xu Hao^{1，2，3}， Yu Jiangshan^{1，2，3}

（1. Institute of Forestry and Grassland Ecology， Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Yinchuan，Ningxia 750002；2. Ningxia Key Laboratory of Desertification Control and Soil and Water Conservation， Yinchuan，Ningxia；3. Research Center for Ecological Restoration and Multi-Functional Forestry of Ningxia）

In order to screen out the plants with strong comprehensive absorption capacities of heavy metals and provide a theoretical basis for improving the health environment of Yinchuan city. In this study， 17 common green tree species in Yinchuan City were studied. As the research object， the heavy metal contents of cadmium （Cd）， copper （Cu）， zinc （Zn）， chromium （Cr）， manganese （Mn）， nickel （Ni）， arsenic （As）， and lead （Pb） in leaves and soil were determined， and the enrichment coefficient and potential pollution reduction index of different tree species were determined. The results showed as follows： 1） There were significant differences in the contents of eight heavy metals in the leaves of 17 green tree species. The contents of As and Ni in Salix babylonica L. leaves， Cr content in Prunus triloba Lindl leaves， Cu content in Fraxinus chinensis Roxb leaves， Mn content in Forsythiasuspensa leaves， the Pb content in Prunus armeniaca L. leaves， and the Zn and Cd contents in Populus × hopeiensis Hu & Chow leaves were significantly higher than those in other plants. 2） The enrichment coefficient （BCF） of eight heavy metals in the leaves of most tree species is much lower than the standard value of enrichment plants （BCF=1.0）. 3） The species selected according to the enrichment coefficient and comprehensive potential pollution abatement index are different. Populus alba var. pyramidalis Bunge blade has the highest comprehensive potential pollution reduction index and the strongest absorption of soil heavy metal accumulation. The above results showed that there were differences in the ability of heavy metal absorption and accumulation among different tree species， and the Populus alba var. pyramidalis Bunge leaf had the strongest ability of heavy metal absorption and accumulation and was the most suitable tree for soil heavy metal pollution remediation in this region.

Keywords：Yinchuan City， green plants， heavy metals in soil， heavy metals in leaves， potential absorption and accumulation capacity， screening

城市土壤重金屬污染受到工業(yè)化、城市化和地質(zhì)背景的高度影響^[1]。顯然，重金屬具有高毒性、持久性、不可生物降解性和生物積累進(jìn)入食物鏈的能力^[2]，重金屬造成的污染已成為當(dāng)今研究的新課題^[3-4]。世界各地的城市土壤中都存在較高含量的重金屬^[5]，這對(duì)城市健康有著嚴(yán)重威脅。

土壤和植物通過調(diào)節(jié)水、養(yǎng)分、熱量和揮發(fā)性排放物的流動(dòng)，在城市環(huán)境中實(shí)現(xiàn)重要的社會(huì)生態(tài)目的^[6]。在土壤重金屬嚴(yán)重污染背景下，如何利于植物進(jìn)行修復(fù)土壤重金屬污染已經(jīng)開展了大量的研究工作并取得了很大的進(jìn)展。何孟軻等^[7]對(duì)有色金屬企業(yè)周邊農(nóng)田重金屬富集植物進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)17種農(nóng)作物對(duì)重金屬的富集能力和去除率差異較大；殷永超等^[8]將龍葵作為修復(fù)植物進(jìn)行了2年的野外模擬Cd污染實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)龍葵可產(chǎn)生較大的生物量從而使土壤表層Cd的減少率為16.8%。姜昱聰?shù)?sup>[9]在礦山重金屬污染篩選草本植物時(shí)，發(fā)現(xiàn)印度芥菜和龍葵對(duì)多種重金屬的富集系數(shù)均大于1.0，可作為優(yōu)勢植物用于污染土壤修復(fù)。研究通過隸屬函數(shù)法對(duì)公路綠化樹種的富集能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，指出北美海棠的富集能力最強(qiáng)^[10]。但已有的研究只考慮到植物修復(fù)土壤中單一重金屬元素的能力，或者將植物修復(fù)土壤中不同重金屬的能力進(jìn)行簡單的算術(shù)平均進(jìn)而篩選出對(duì)土壤重金屬修復(fù)綜合能力較強(qiáng)的植物^[11]。研究指出，植物對(duì)重金屬的吸收具有選擇性和明顯的地理分布特征^[12]，這在很大程度上限制了植物修復(fù)效果?？紤]到每個(gè)重金屬元素其毒性強(qiáng)度和生物對(duì)重金屬的敏感程度不同^[12]，因此必須結(jié)合重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)以探索植物對(duì)重金屬的綜合積累能力。目前，Hakanson^[12]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法可以綜合評(píng)估土壤各污染物潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和危害程度^[13]，如固原市原州區(qū)土壤8種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為輕微風(fēng)險(xiǎn)^[14]。寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬?zèng)]有較高等級(jí)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)^[15]。但是目前為止，很少有研究從生態(tài)毒性角度對(duì)葉片的重金屬綜合吸收能力進(jìn)行評(píng)估。因此，在重金屬污染背景下研究植物葉片重金屬含量及綜合消減指數(shù)，對(duì)進(jìn)一步篩選城市綠化植物有重要意義。

銀川市不同功能區(qū)土壤重金屬含量與1990年的寧夏土壤元素背景值比較存在不同程度的超標(biāo)^[16]。然而有關(guān)銀川市常見綠化樹種對(duì)土壤重金屬吸收積累能力的研究還未見報(bào)道。因此本實(shí)驗(yàn)選擇銀川市17種常見的綠化樹種為研究對(duì)象，對(duì)葉片的消減指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，篩選出對(duì)土壤重金屬Cd、Cu、Zn、Cr、Mn、Ni、As和Pb 綜合積累能力較強(qiáng)的樹種，主要回答以下科學(xué)問題：（1）不同樹種葉片的8種重金屬含量有何差異；（2） 葉片重金屬含量是否受植物生長型的影響；（3） 對(duì)土壤8種重金屬富集系數(shù)較高的植物，其綜合消減指數(shù)是否較高。

1 ??研究區(qū)概況

研究地位于寧夏回族自治區(qū)銀川市 （105°49′～106°53′E，37°29′～38°53′N）。該地區(qū)氣候?qū)儆谥袦貛Ц珊祬^(qū)大陸性氣候，四季分明。年均氣溫8.5℃，年降水量180 mm，無霜期150-170d。西高東低，海拔1010-1150m （平均值為1080m）。土壤類型為灌淤土和灰鈣土 ^[17]。 截至2023年，銀川市森林覆蓋率為14.13%，低于我國森林覆蓋率24.12%，是我國生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)之一。

本研究將目標(biāo)綠化樹種確定為栽培時(shí)間較長的鄉(xiāng)土樹種，其中喬木10種，分別為臭椿、國槐、刺槐、河北楊、新疆楊、垂柳、梓樹、白杜、白蠟和杏。小喬木 （灌木）7種，分別為紅瑞木、紫丁香、紫葉李、榆葉梅、紫葉小檗、連翹和忍冬。

2研究方法

2.1樣品采集及測定

樣品采集于2020年7月進(jìn)行。根據(jù)每木檢尺的結(jié)果，隨機(jī)選擇6株生長成熟、長勢良好的標(biāo)準(zhǔn)樣木。從植物上層4個(gè)方向選取長勢良好、沒有病蟲害的葉片，并把不同方位的葉片樣品均勻混合，獲取葉片的混合樣品（總共102個(gè)葉片樣品）。將所有葉片樣品置于冷藏箱（0—8°C）帶回實(shí)驗(yàn)室，65℃烘干至恒重后取出。用球磨儀 （AM151）將烘干的樣品進(jìn)行研磨，過2 mm篩。使用金屬螺旋鉆（100 cm³）從0-20厘米深度分別鉆取6個(gè)土芯 （17種植物總共分布在3個(gè)樣點(diǎn)，總共18個(gè)土壤樣品）。土壤樣品置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，研磨并過2 mm篩。

處理好的土壤樣品先進(jìn)行微波消解，先稱取約0.10 g樣品放入100 mL聚四氟乙烯消解罐中，加入5mL硝酸，1ml氫氟酸，1mL H₂O₂，輕輕搖勻，放入微波消解儀 （Milestone ETHOS UP）消解時(shí)間1小時(shí)；取出消解罐放入趕酸儀 （VB24 UP）中，在通風(fēng)櫥中趕酸2小時(shí)。趕酸冷卻后的樣品轉(zhuǎn)移至50mL容量瓶中，用超純水沖洗消解罐3次，沖洗溶液合并注入50 mL容量瓶中，然后定容至刻度待測。

采用ICP-OES （Agilent 5110） 測定重金屬元素As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Mn和 Zn 的含量。測定前先根據(jù)試液中待測元素的粗估元素濃度范圍，導(dǎo)入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，測定標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的譜線強(qiáng)度，以待測元素濃度為橫坐標(biāo)，譜線強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，工作曲線相關(guān)系數(shù)不小于0.999。每一批樣品檢測的同時(shí)做空白及加標(biāo)回收，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2分析方法

不同樹種葉片重金屬含量數(shù)值由算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示。使用單因素方差分析（one-way ANOVA）對(duì)不同樹種葉片的重金屬含量進(jìn)行多重檢驗(yàn)，分析不同樹種葉片間的差異。使用Tukey-Kramer HSD對(duì)不同生活型植物葉片的重金屬含量進(jìn)行差異檢驗(yàn) （P< 0.05）。以上統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 23.0軟件進(jìn)行，作圖在 Origin 2018軟件進(jìn)行。

2.2.1富集系數(shù)? 富集系數(shù)可以反映植物對(duì)土壤重金屬的吸收累積能力，富集系數(shù)較大，說明植物對(duì)該元素的吸收較好^[11]。計(jì)算公式如下：

2.2.2消減指數(shù)法? Hakanson^[12]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法可以對(duì)土壤單個(gè)和各污染物的綜合效應(yīng)及污染水平進(jìn)行綜合評(píng)估，定量評(píng)估潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和危害程度^[13]。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上從生態(tài)毒性角度進(jìn)行葉片對(duì)重金屬的吸收能力評(píng)估。計(jì)算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1主要綠化樹種葉片重金屬元素含量特征

銀川市17種樹種葉片重金屬含量如表2所示。不同樹種葉片中As、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和Cd含量范圍分別是0.37～2.88 mg?kg^-1、18.22～54.88 mg?kg^-1、2.57～21.77 mg?kg^-1、34.87～129.92 mg?kg^-1、1.26～8.99mg?kg^-1、10.91～253.05 mg?kg^-1、0.68～7.02 mg?kg^-1和0.09～0.73 mg?kg^-1。垂柳葉片As含量為2.88 mg?kg^-1，顯著高于其他樹種，其次是刺槐>紅瑞木>河北楊>臭椿>杏=紫葉李，As含量均超過1.5 mg?kg^-1。榆葉梅葉片Cr含量超過50 mg?kg^-1，顯著高于其他樹種。白蠟葉片Cu含量為21.77 mg?kg^-1，其他樹種葉片Cu含量均未超過10mg?kg^-1。連翹、榆葉梅和垂柳葉片Mn含量均超過100 mg?kg^-1。葉片Pb含量最高的樹種是杏，其次是連翹，均高于5mg?kg^-1。臭椿葉片Ni含量，河北楊葉片Zn和Cd含量均顯著高于其他樹種 （P<0.05）。

不同生活型植物葉片重金屬含量如圖1所示。喬木葉片Cu、 Zn和 Cd含量均顯著高于小喬木 （灌木），而Cr含量顯著低于小喬木（灌木）（P<0.05）。

3.2主要綠化樹種葉片對(duì)重金屬元素的吸收積累能力

不同樹種葉片的重金屬富集系數(shù)如表3所示。17種植物對(duì)As的富集系數(shù)為0.04～3.77， 僅紅瑞木的富集系數(shù)大于1.0。對(duì)Cr、Mn和Ni的富集系數(shù)僅有榆葉梅大于1.0。河北楊、新疆楊和垂柳葉片對(duì)Zn的富集系數(shù)大于1.0，分別為4.54、3.90和1.88。不同樹種葉片對(duì)Cd的富集系數(shù)為0.09～1.96，僅有新疆楊、梓樹、河北楊和榆葉梅4種植物的葉片富集系數(shù)大于1，分別為1.96、1.40、1.34和1.09。17種植物葉片對(duì)Cu和Pb的富集系數(shù)均小于1.0。

3.3主要綠化樹種葉片對(duì)重金屬元素的綜合積累能力及篩選

僅憑葉片單項(xiàng)重金屬污染消減指數(shù)難以真實(shí)反應(yīng)植物的綜合積累水平，因此進(jìn)一步計(jì)算各樹種對(duì)8種重金屬元素的綜合積累指數(shù)RI，結(jié)果如表4。新疆楊（69.37）＞紅瑞木（62.48）＞河北楊（51.74）＞榆葉梅（50.89）＞梓樹（49.19）＞白杜（23.35）＞杏（23.11）＞白蠟（22.78）＞垂柳（21.34）＞連翹（18.89）＞忍冬（17.45）＞紫丁香（16.45）＞紫葉小檗（15.42）＞國槐（14.79）＞紫葉李（11.33）＞臭椿（8.63）＞刺槐（7.88）。這表明新疆楊葉片對(duì)8種重金屬元素的綜合吸收能力最強(qiáng)，刺槐葉片和臭椿葉片的綜合吸收能力最弱。喬木葉片重金屬污染消減綜合指數(shù)高于小喬木 （灌木）。

4結(jié)論與討論

本研究以銀川市常見的17種綠化樹種為研究對(duì)象，分析了不同樹種間葉片的As、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和Cd的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同綠化樹種葉片重金屬含量具有很大差異。垂柳葉片的As和Ni含量、榆葉梅葉片的Cr含量、白蠟葉片的Cu含量、連翹葉片的Mn含量、杏葉片的Pb含量、河北楊葉片的Zn和Cd含量顯著高于其他樹種。有研究認(rèn)為，植物體內(nèi)的重金屬含量大小與植物特性有關(guān)^[18]。程佳雪^[19]發(fā)現(xiàn)北京園林綠地40種樹種的不同重金屬含量差異顯著。

對(duì)于植物而言，部分重金屬元素是植物正常生長發(fā)育所必需的元素，但即使是Cu和Zn這樣的必需元素，濃度過高也會(huì)產(chǎn)生毒性^[20]。雖然大多數(shù)植物無法在重金屬含量較高的土壤存活，但是一些植物卻能夠忍耐如此高含量的重金屬，這些植物被稱作為富集植物^[21]。研究人員正在用這些植物修復(fù)被重金屬污染的土壤。Baker和 Brooks^[22]對(duì)超富集植物判定標(biāo)準(zhǔn)為，Cd含量達(dá)到100 mg·kg^-1，Cu、Ni和Pb 含量達(dá)到1000 mg·kg^-1，Mn和Zn 含量達(dá)到10000 mg·kg^-1。我們的研究中，17種綠化樹種葉片重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述標(biāo)準(zhǔn)含量，說明這些植物并不能被稱作為超富集植物。這與一些研究結(jié)果相一致，即木本植物的重金屬吸收能力較弱^[23-24]。同時(shí)，已發(fā)現(xiàn)的超富集植物多為草本，例如，蜈蚣草可以從土壤中富集As的含量高達(dá)22630 mg·kg^-1，遠(yuǎn)高于土壤中的As濃度^[5]。這可能跟木本植物受土壤重金屬濃度影響較小的有關(guān)。首先，木本植物壽命和木質(zhì)化程度較高。其次，木本植物的內(nèi)部穩(wěn)定性較高 （即植物在不同環(huán)境條件下維持其內(nèi)部養(yǎng)分濃度的能力）^[25]。因此修復(fù)重金屬污染常用草本植物^{[8， 26]}。但是，木本植物一般不進(jìn)入食物鏈，可以持續(xù)對(duì)重金屬土壤進(jìn)行修復(fù)^[27]，在重金屬重度污染土壤修復(fù)中具有較大潛力^[28]。

富集系數(shù)常用來分析土壤-植物系統(tǒng)中重金屬的積累水平^[18]。本研究紅瑞木葉片（BCF_As=3.77），榆葉梅葉片（BCF_Cr=1.08，BCF_Mn=1.08， BCF_Ni =1.33，BCF_Cd =1.09），河北楊葉片（BCF_Zn=4.54， BCF _Cd=1.34），新疆楊葉片（BCF_Zn=3.90，BCF_Cd =1.96），垂柳葉片（BCF_Zn =1.88），梓樹葉片（BCF_Cd =1.40）的富集系數(shù)大于1.0。而南京市常見的11種綠化樹種葉片對(duì)礦區(qū)土壤Cd和Zn的富集系數(shù)均小于0.2^[18]，更小于本研究樹種葉片的富集系數(shù)。這可能是因?yàn)楦患禂?shù)隨空間地理變化呈現(xiàn)較大差異^[29]，因此根據(jù)所在地區(qū)的植物葉片富集系數(shù)判斷對(duì)土壤重金屬的吸收能力是篩選所在地區(qū)植物的重要依據(jù)。將17種樹種葉片對(duì)8種重金屬元素的富集系數(shù)算術(shù)平均后，發(fā)現(xiàn)富集系數(shù)均小于1.0。這與前面所述一致，木本植物對(duì)土壤重金屬修復(fù)能力較弱。對(duì)8種重金屬的平均富集系數(shù)位列前三的分別為：新疆楊=河北楊>紅瑞木，表明這三個(gè)樹種對(duì)土壤8種重金屬吸收較強(qiáng)。

雖然一些植物對(duì)某種或某些重金屬具有積累作用，如在蘭州市交通干道，槐樹是Pb和Ni、紫葉李是Pb和Ni、月季是Mn和Zn、冬青衛(wèi)矛是Mn、Zn和Ni污染環(huán)境中的理想綠化植物^[30]。納塔櫟對(duì)亞熱帶地區(qū)鉛鋅礦區(qū)Cd、Pb、Zn、As復(fù)合污染土壤的積累能力較強(qiáng)^[28]。但土壤重金屬污染往往是多種重金屬復(fù)合污染^[31]，有些植物葉片吸收重金屬元素如Mn雖然含量很高，但毒性較弱。而Cd含量雖低，但毒性較強(qiáng)^[12]。因此，理想的修復(fù)土壤重金屬污染的植物應(yīng)具有吸收積累土壤多種重金屬，且對(duì)毒性強(qiáng)的重金屬吸收強(qiáng)的特點(diǎn)。葉片潛在污染消減指數(shù)是綜合了土壤重金屬含量、葉片重金屬含量和重金屬毒性三個(gè)要素的評(píng)價(jià)方法，其在重金屬吸收能力評(píng)價(jià)中有很強(qiáng)的實(shí)用性。綜合污染消減指數(shù)RI位列前三的分別為：新疆楊>紅瑞木>河北楊。新疆楊葉片對(duì)Cd的指數(shù)很高，表明葉片對(duì)Cd的吸收能力很大。由于Cd的毒性系數(shù)很高，在潛在污染消減指數(shù)估算值其所占權(quán)重也很高。同時(shí)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)主要來自于Cd元素，綜合污染消減指數(shù)RI受Cd影響大，因此新疆楊的綜合污染消減指數(shù)最高。本研究中，17個(gè)樹種的綜合污染消減指數(shù)與富集系數(shù)的排序不同，因此在土壤污染修復(fù)中與Cd相關(guān)的修復(fù)植物要優(yōu)先考慮。

新疆楊其高大挺拔的身姿，優(yōu)美的葉形經(jīng)常在園林綠化中應(yīng)用。同時(shí)，作為高生物量的速生木本植物，其根系較深，能吸收更深層土壤中的重金屬離子。因此，在銀川城市綠化樹種選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮新疆楊。

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