唐麗清, 邱尓發(fā), 韓玉麗, 王榮芬

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 國(guó)家林業(yè)局城市森林研究中心, 國(guó)家林業(yè)局森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

不同徑級(jí)國(guó)槐行道樹重金屬富集效能比較

唐麗清, 邱尓發(fā)*, 韓玉麗, 王榮芬

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 國(guó)家林業(yè)局城市森林研究中心, 國(guó)家林業(yè)局森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

采用ICP-OES測(cè)定北京市臺(tái)基廠大街行道樹國(guó)槐各器官中7種重金屬(Cd、Cr、Ni、Cu、Mn、Pb、Zn)含量，比較不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集效能。結(jié)果表明：國(guó)槐中重金屬含量因胸徑級(jí)、器官、元素種類不同而存在差異。各徑級(jí)國(guó)槐重金屬含量大小總體趨勢(shì)為Zn>Mn>Cu>Pb>Cr>Ni>Cd，各器官中樹皮和根對(duì)重金屬的吸收能力最強(qiáng)，其次是葉和枝，樹干對(duì)重金屬的吸收能力最弱。不同徑級(jí)國(guó)槐對(duì)重金屬的富集能力存在差異，表現(xiàn)為小徑級(jí)>中徑級(jí)>大徑級(jí)。國(guó)槐各器官中重金屬積累量大小順序?yàn)楦?干>枝>葉，重金屬積累量隨著胸徑級(jí)擴(kuò)大和生物量的增加而增加。綜合比較不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬年均積累量、單位面積富集量和單位空間富集量，小徑級(jí)(20≤DBH<30 cm)國(guó)槐富集效能最高。

徑級(jí); 國(guó)槐; 重金屬; 屬行道樹; 富集效能

隨著城市化進(jìn)程加快，城市生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)荷日益加重，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。其中由機(jī)動(dòng)車尾氣排放、工業(yè)“三廢”、人類生產(chǎn)活動(dòng)等原因造成的重金屬污染已成為當(dāng)前社會(huì)不容忽視的環(huán)境問(wèn)題[1- 2]。城市樹木憑借巨大生物量、發(fā)達(dá)的根系吸收和富集土壤重金屬，有效實(shí)現(xiàn)土壤重金屬修復(fù)[3- 5]。在空間資源緊張、人口密集的城市中，綠化植物作為重金屬污染的“天然凈化器”，受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，但受地域差異國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注內(nèi)容略有不同。由于樹葉和樹皮中重金屬含量與大氣中相應(yīng)元素含量有較高相關(guān)性，國(guó)外許多專家學(xué)者致力于鄉(xiāng)土樹木的樹葉、樹皮等對(duì)大氣重金屬物污染的指示研究，比如七葉樹和椴樹樹葉可很好地指示南斯拉夫首都大氣重金屬污染狀況[6]；根據(jù)錦繡杜鵑葉片與道路土壤重金屬相關(guān)性研究以及同位素跟蹤分析道路重金屬污染主要來(lái)源[7]；相關(guān)研究認(rèn)為闊葉樹和針葉樹的樹皮指示效果也良好，尤其粗糙樹皮對(duì)重金屬富集能力高于光滑樹皮，Tayel等利用柏樹樹皮監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)約旦安曼城市大氣重金屬污染[8]；Ali等[9]認(rèn)為樹木細(xì)枝對(duì)空氣重金屬污染也有很好指示作用。在空間資源相對(duì)緊張的城市，狹隘的道路綠化空間，通過(guò)立體綠化方式，選擇一些抗污吸污強(qiáng)的綠化植物，有助于提高對(duì)道路重金屬污染物的吸收和凈化作用，美國(guó)Speak等[10]通過(guò)街道附近屋頂綠化植物對(duì)顆粒物凈化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)部分屋頂綠化植物對(duì)大氣重金屬污染有較強(qiáng)滯留和吸收能力。而目前國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從不同樹種對(duì)重金屬吸收的差異性比較、公路防護(hù)林對(duì)重金屬吸收和積累特征、林帶對(duì)重金屬污染的屏障作用以及樹齡對(duì)喬木重金屬吸收的影響等多方面展開調(diào)查研究，一般認(rèn)為楊柳科樹木重金屬富集吸收的能力相對(duì)較強(qiáng)，速生樹種生物量大、生長(zhǎng)快對(duì)重金屬富集能力高于慢生樹種，如楊樹、火炬松分別高于同齡級(jí)的落葉松、杉木；針葉樹鱗形葉片表層有較厚的蠟質(zhì)和松脂分泌物對(duì)大氣重金屬的吸附能力高于闊葉樹種；毛白楊和楓香對(duì)重金屬富集能力隨著年齡增加而逐漸降低[11- 21]。但目前研究中還未涉及不同胸徑大小的樹木重金屬富集差異性比較，對(duì)樹木各器官重金屬富集作用的研究?jī)H局限于重金屬含量的比較，而對(duì)單株樹木及各器官重金屬積累量的討論甚少。國(guó)槐是北京市道路綠化的高頻樹種，因此本文選取北京市臺(tái)基廠大街行道樹國(guó)槐為研究對(duì)象，研究其不同徑級(jí)、不同器官對(duì)重金屬的富集作用，并結(jié)合土地和空間資源有效利用的角度，探討不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集效能，為今后城市行道樹經(jīng)營(yíng)管理及樹種選擇提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與研究方法

1.1 樣地概況

試驗(yàn)樣地位于北京市東城區(qū)臺(tái)基廠大街(39°56′N，116°20′E)，毗鄰天安門廣場(chǎng)，北起東長(zhǎng)安街，南至前門東大街。道路長(zhǎng)600 m，寬10 m，兩側(cè)以國(guó)槐作為行道樹，樹木平均胸徑32.93 cm，平均樹高12.8 m，株距3 m。臺(tái)基廠大街表層土壤重金屬含量，見表1。

表1 臺(tái)基廠大街土壤重金屬元素含量

1.2 樣品采集及處理

按胸徑大小，將國(guó)槐分成3個(gè)徑級(jí)：小徑級(jí)(20≤DBH<30 cm)，中徑級(jí)(30≤DBH<40 cm)，大徑級(jí)(40≤DBH<50 cm)。根據(jù)每木調(diào)查結(jié)果，每徑級(jí)各選取與該徑級(jí)平均胸徑、樹高相近的樣木3—5株，各徑級(jí)國(guó)槐樣木生長(zhǎng)情況如表2所示。于2013年8月中旬對(duì)臺(tái)基廠大街兩側(cè)國(guó)槐和路旁土壤進(jìn)行樣品采集。(1)植物樣品：分不同方向采集樣木根系、枝、葉、干、皮，樹皮采自胸徑部位，樹干用生長(zhǎng)錐在胸徑部位采集；(2)土壤：采用混合取樣法，用土鉆采集樣木根系周圍表層土壤，每株樣木下采集2個(gè)土樣，一共收集18個(gè)土樣，于室內(nèi)將土壤樣品均勻混合，四分法取1 kg作為該條道路的混合土樣，自然風(fēng)干后過(guò)100目篩，裝袋保存。植物樣品則用去離子水清洗，用吸水紙吸干表面水分后放入恒溫烘箱中105℃殺青，80℃烘干至恒重，用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎好放入紙袋干燥保存。

1.3 重金屬元素測(cè)定方法

稱取樣品0.5 g(精確至0.0001)，植物樣品消煮采用濃HNO3-HCLO4(4∶1)消解法[22]；土壤樣品消煮采用HF-HCLO4(1∶1)消解法[22]。使用ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定重金屬Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn含量。

表2 不同徑級(jí)國(guó)槐標(biāo)準(zhǔn)木生長(zhǎng)情況

1.4 植物重金屬富集系數(shù)計(jì)算

重金屬富集系數(shù)大小反映了植物對(duì)土壤中某一元素富集和吸收能力的強(qiáng)弱[23]:

富集系數(shù)=植物各器官重金屬元素含量/土壤重金屬元素含量

1.5 植物各器官重金屬積累量估算方法

植物通過(guò)各器官長(zhǎng)期吸收而累積在體內(nèi)的重金屬量即植物各器官重金屬元素積累量。各器官中某一元素積累量可根據(jù)各器官生物量與其對(duì)應(yīng)吸收的該種重金屬元素含量乘積估算，所有器官重金屬元素積累量總和為單株重金屬積累量[24]。

通過(guò)伐倒木分層計(jì)算各器官干重求取單株喬木生物量是一種比較精確的生物量估算方法，但在城市園林中這種做法不切實(shí)際，而且園林上也沒(méi)有適用于國(guó)槐的生物量估算方程，根據(jù)前人研究，計(jì)算樹木生物量時(shí)對(duì)于無(wú)相關(guān)生物量方程可參考同屬或同科的其他樹木的生物量模型進(jìn)行估算[25]，本研究中國(guó)槐的生物量估算參考畢君等人刺槐單株生物量動(dòng)態(tài)研究，由于尚未找到合適國(guó)槐樹皮的生物量估算模型，因此并未對(duì)樹皮重金屬積累量進(jìn)行估算[26]。其回歸方程如下：

lnW干=-2.895531+0.86764ln(D2H)R=0.989

lnW枝=-3.71916+0.79079ln(D2H)R=0.932

lnW葉=-2.90872+0.45739ln(D2H)R=0.795

lnW根=-2.16746+0.63276ln(D2H)R=0.956

1.6 單株綠化覆蓋面積及綠化空間輻射占有量估算方法

(1)綠化覆蓋面積

單株喬木綠化覆蓋面積即樹冠投影面積(不計(jì)樹冠重疊部分)，國(guó)槐樹冠在地面的投影近似橢圓，其樹冠投影面積公式為：

S=πab

式中,S為樹冠投影面積(m2)；a，b為分別為樹冠南北和東西長(zhǎng)的一半(m)。

(2)綠化空間輻射占有量(ROGS)

綠化空間輻射占有量(ROGS)即樹木正常生長(zhǎng)的生存空間及發(fā)揮多種生態(tài)功能的空間范圍，其計(jì)算方法參考郄光發(fā)等人的研究[27]，計(jì)算公式如下：

V=πR2H

式中，V為單株綠化空間輻射占有量(m3)；R為樹冠半徑(m)；H為樹高(m)。

根據(jù)單株綠化覆蓋面積、綠化空間輻射占有量和單株重金屬積累量推算單位面積、單位空間重金屬富集量，更好反映樹木在有限生存土地和空間里各器官對(duì)重金屬的吸收和富集。

1.7 數(shù)據(jù)處理

用Excel2007和SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬含量比較

重金屬含量在國(guó)槐中因器官、元素種類不同而存在差異(表3)，各元素含量大小順序?yàn)閆n>Mn>Cu>Pb>Cr>Ni>Cd，總體上各器官中樹皮和樹根中重金屬含量較高，葉和枝次之，樹干中則普遍較低，其中Cd、Cr、Ni和Pb 4種非必須營(yíng)養(yǎng)元素在樹皮中含量較高，而Zn、Mn、Cu 3種營(yíng)養(yǎng)元素在樹根中含量較高。

不同徑級(jí)國(guó)槐相同器官對(duì)同一元素的吸收存在差異(表3)，除樹皮、樹根外，其余器官中Cd含量在不同徑級(jí)間差異不顯著(P>0.05)；Cr、Zn、Mn在各器官中含量因徑級(jí)不同存在極顯著差異(P<0.01)，其中小徑級(jí)樹枝中Cr含量、樹皮中Mn含量分別是中徑級(jí)相應(yīng)器官3.01、1.45倍，大徑級(jí)樹干中Zn含量是小徑級(jí)相應(yīng)器官4倍；Cu、Pb、Ni在部分器官中含量也因徑級(jí)不同存在極顯著差異(P<0.01)，尤其是樹皮器官，Cu在小徑級(jí)中含量比中徑級(jí)多了2.18倍，中徑級(jí)Pb含量則是大徑級(jí)3.86倍，樹枝中小徑級(jí)Ni含量是中徑級(jí)2.22倍；樹干中Pb含量和樹根中Ni含量在各徑級(jí)差異不顯著(P>0.05)?？傮w上，重金屬含量在各徑級(jí)國(guó)槐中大小順序?yàn)椋褐袕郊?jí)>小徑級(jí)>大徑級(jí)，尤其是中徑級(jí)國(guó)槐樹根對(duì)Mn、Zn，樹皮對(duì)Cr、Pb，樹葉對(duì)Zn的吸收都高于其他徑級(jí)相應(yīng)器官。

表3 不同徑級(jí)國(guó)槐各器官重金屬元素含量

2.2 不同徑級(jí)國(guó)槐對(duì)重金屬的富集能力比較

各徑級(jí)國(guó)槐對(duì)7種重金屬元素的富集系數(shù)計(jì)算結(jié)果(表4)表明不同器官對(duì)不同重金屬元素的富集能力存在差異，選擇性吸收明顯，總體上富集能力依次為樹皮>樹根>樹葉>樹枝>樹干。各器官對(duì)重金屬的富集系數(shù)分布范圍為：樹枝0.015—0.194，對(duì)Ni的吸收能力最強(qiáng)，而對(duì)Cu的吸收較弱(大徑級(jí)國(guó)槐除外)；樹葉0.023—0.195，對(duì)Mn的吸收能力最強(qiáng)，而對(duì)Cu的吸收能力最弱；樹干0.007—0.085，對(duì)Cd的吸收最強(qiáng)，對(duì)Mn較弱(小徑級(jí)除外)；樹根0.070—0.617，對(duì)Cu的吸收強(qiáng)，對(duì)Pb的吸收弱(中徑級(jí)除外)；樹皮0.112—1.010，樹皮對(duì)Pb的吸收能力較高，尤其是中徑級(jí)國(guó)槐樹皮對(duì)Pb的富集系數(shù)大于1，表現(xiàn)出高富集的特征。有研究表明樹皮是營(yíng)養(yǎng)元素吸收和轉(zhuǎn)化比較活躍的器官，在參與養(yǎng)分循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)代謝過(guò)程中起著重要的作用[28- 29]，此外，大氣沉降的重金屬顆粒物能直接吸附在樹皮表面，通過(guò)皮層吸收和運(yùn)輸進(jìn)入樹體內(nèi)[30]，因此樹皮對(duì)重金屬有較高的吸收和富集作用，很多研究也得到了類似結(jié)果[31- 32]。但由于樹皮結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理化性質(zhì)特殊，對(duì)重金屬吸收機(jī)制的研究還不是很完善，因此樹皮吸收重金屬來(lái)源以及中徑級(jí)國(guó)槐樹皮對(duì)Pb的高富集特征是否還受大氣沉降影響還有待深入研究[30]。

表4 不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集系數(shù)比較

不同徑級(jí)國(guó)槐對(duì)不同重金屬元素表現(xiàn)出不同的富集能力(表4)，小徑級(jí)國(guó)槐中表現(xiàn)為Cd>Cu>Ni>Pb>Mn>Cr>Zn；中徑級(jí)：Pb>Cd>Mn>Cr>Cu>Ni>Zn；大徑級(jí)：Cu>Mn>Cr>Cd>Ni>Pb>Zn；這與各重金屬元素在國(guó)槐中含量大小順序(Zn>Mn>Cu>Cr>Pb>Ni>Cd)差異很大，該結(jié)果反映出國(guó)槐對(duì)Zn的高吸收低富集，對(duì)Cd低吸收但富集能力較強(qiáng)的特征，間接說(shuō)明國(guó)槐對(duì)重金屬元素的富集能力并不同體內(nèi)相應(yīng)元素的含量值呈正比，可能受到自身吸收特性和外界環(huán)境等多方面因素影響。隨著胸徑不斷擴(kuò)大，國(guó)槐對(duì)Cr、Mn、Pb、Zn的富集能力先增強(qiáng)后減弱，對(duì)Cd的富集能力逐漸減弱，而對(duì)Cu、Ni的富集能力隨胸徑擴(kuò)大先減弱后增強(qiáng)。從重金屬富集系數(shù)均值來(lái)看，各徑級(jí)國(guó)槐對(duì)重金屬的富集能力大小為小徑級(jí)(0.168)>中徑級(jí)(0.162)>大徑級(jí)(0.122)，總體上隨著胸徑不斷擴(kuò)大，國(guó)槐對(duì)重金屬的富集能力呈下降趨勢(shì)。

2.3 不同徑級(jí)國(guó)槐各器官重金屬元素積累量估算

各徑級(jí)國(guó)槐單株重金屬積累量為22777.65—47263.70 mg/株(表5)，隨著胸徑級(jí)擴(kuò)大而增加。由于未找到適合國(guó)槐樹皮的生物量方程，因此本文中并未對(duì)樹皮重金屬積累量進(jìn)行估算。從不同重金屬元素積累量來(lái)看，單株國(guó)槐中Zn、Mn、Cu積累量最高，Cr、Ni、Pb其次，Cd最低。

為了說(shuō)明重金屬在單株國(guó)槐各器官中分配情況以及與生物量的關(guān)系，根據(jù)表5數(shù)據(jù)作出相應(yīng)圖1。圖1顯示國(guó)槐各器官中重金屬積累量與相應(yīng)器官生物量不成正比，樹根生物量?jī)H占總生物量13.13%—16.46%，但其重金屬積累量最大，占60.93%—79.43%；樹干生物量最大，占總生物67.27%—71.63%，但重金屬積累量卻不到單株國(guó)槐總積累量1/3；樹冠枝葉生物量為14.42%—16.27%，其重金屬積累量卻低于15%。

隨著胸徑級(jí)擴(kuò)大，國(guó)槐的生物量也相應(yīng)增加，尤其是樹干生物量占總生物量的比重逐漸增大，而其余器官呈減小趨勢(shì)，因此相應(yīng)器官中的重金屬積累量也隨之發(fā)生增大或減小的變化，其中大徑級(jí)國(guó)槐樹干重金屬積累量(12958.77 mg)占總積累量百分比(27.42%)幾乎比小徑級(jí)國(guó)槐(2205.66 mg，9.68%)增長(zhǎng)了兩倍，而樹根同比卻減少了18.5%。各徑級(jí)國(guó)槐單株重金屬積累量隨著胸徑級(jí)擴(kuò)大不呈線性增加(類似拋物線狀)，其中中徑級(jí)國(guó)槐重金屬積累量同小徑級(jí)國(guó)槐相比增加了92.99%，而大徑級(jí)同比中徑級(jí)僅增加7.52%，研究表明樹木生物量隨著樹齡增大呈拋物線增長(zhǎng)[33]，因而單株國(guó)槐重金屬總積累量的增長(zhǎng)隨著胸徑擴(kuò)大可能受生物量增長(zhǎng)率大小影響。

表5 不同徑級(jí)國(guó)槐單株各器官生物量及重金屬積累量

2.4 不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集效能比較

根據(jù)單株國(guó)槐重金屬積累量和樹齡估算各徑級(jí)國(guó)槐重金屬年均積累量，比較不同徑級(jí)國(guó)槐對(duì)重金屬的年均累積能力，從土地和空間資源有效利用角度出發(fā)，比較不同徑級(jí)國(guó)槐在單位綠化面積和單位空間里對(duì)重金屬的富集量，根據(jù)這3個(gè)指標(biāo)的估算結(jié)果，采樣隸屬函數(shù)法[34]對(duì)不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集效能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

重金屬年積累量、單位面積富集量、單位空間富集量因胸徑級(jí)、重金屬種類不同而差異明顯(表6)?？傮w上各元素年積累量和富集量大小趨勢(shì)為Zn>Mn>Cu>Cr>Ni>Pb>Cd，同各重金屬在單株國(guó)槐中積累量大小順序相同。從年均積累量看，中徑級(jí)>小徑級(jí)>大徑級(jí)，而且中徑級(jí)國(guó)槐年均重金屬積累量是大徑級(jí)國(guó)槐的1.54倍；從單位面積和單位空間富集量看，小徑級(jí)>大徑級(jí)>中徑級(jí)，但大徑級(jí)與中徑級(jí)的國(guó)槐之間差異不大。根據(jù)隸屬函數(shù)法計(jì)算，結(jié)果表明不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集效能大小依次為：小徑級(jí)>中徑級(jí)>大徑級(jí)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)國(guó)槐對(duì)重金屬元素的吸收因胸徑級(jí)、器官、重金屬種類不同而存在差異，這是國(guó)槐對(duì)各重金屬元素選擇性吸收的結(jié)果。

圖1 不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬積累量分配規(guī)律Fig.1 Distribution of biomass and heavy metal current capacity of Sophora japonica L. trees in different diameter class

表6 不同徑級(jí)國(guó)槐單株重金屬富集效能比較

(2)國(guó)槐各器官中重金屬含量在樹皮、樹根中較高，樹葉和樹枝次之，樹干中最低；各器官對(duì)重金屬富集能力強(qiáng)弱依次為樹皮>樹根>樹葉>樹枝>樹干。

(3)各重金屬元素在國(guó)槐中含量大小總體趨勢(shì)為Zn>Mn>Cu>Pb>Cr>Ni>Cd，而富集能力卻與之差異較大，其中小徑級(jí)國(guó)槐：Cd>Cu>Ni>Pb>Mn>Cr>Zn；中徑級(jí)：Pb>Cd>Mn>Cr>Cu>Ni>Zn；大徑級(jí)：Cu>Mn>Cr>Cd>Ni>Pb>Zn；該結(jié)果反映出7種元素的富集吸收中，國(guó)槐對(duì)Zn高吸收低富集，而對(duì)Cd低吸收但富集較高的特征。各徑級(jí)國(guó)槐對(duì)重金屬富集能力為小徑級(jí)>中徑級(jí)>大徑級(jí)。

(4)單株國(guó)槐各器官重金屬積累量大小為樹根>樹干>樹枝>樹葉，隨著徑級(jí)擴(kuò)大，單株國(guó)槐重金屬積累量因生物量增加而逐漸增加。

(5)從重金屬年積累量、單位綠化面積和單位空間重金屬富集量3個(gè)方面對(duì)不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合比較結(jié)果表明：小徑級(jí)>中徑級(jí)>大徑級(jí)。

3.2 討論

3.2.1 植物各器官對(duì)重金屬的吸收

植物吸收重金屬的途徑主要有兩個(gè)：一是通過(guò)根系吸收土壤中重金屬，輸送到地上部分各器官，二是通過(guò)地上枝、葉、皮部分接觸、吸附、吸收大氣中重金屬顆粒物。

(1)樹皮 前人在綠化樹木重金屬吸收及分布的研究中對(duì)樹皮重金屬吸收方面的討論甚少。樹皮長(zhǎng)期暴露在空氣中，其吸收的重金屬主要來(lái)源于根系輸送以及與外界環(huán)境中重金屬顆粒物接觸、附著吸收[30]，本次研究結(jié)果表明樹皮對(duì)重金屬富集能力最強(qiáng)，尤其對(duì)Cr、Ni和Pb 3種有害重金屬的吸收均高于其他器官，蔣高明等人[32]在對(duì)木本植物不同器官吸收污染物研究中也得到了類似結(jié)論。樹皮對(duì)重金屬元素的吸收能力高于樹根，間接表明通過(guò)根系輸送重金屬并不是樹皮吸收重金屬的唯一途徑，更多可能來(lái)自對(duì)大氣沉降的重金屬顆粒物的吸附。有研究表明樹皮對(duì)污水中的重金屬具有良好的凈化作用，尤其是闊葉樹樹皮能有效去除Cu、Pb和Zn。樹皮對(duì)重金屬的積累受樹皮本身的理化性質(zhì)、環(huán)境中污染物含量、降水等影響，因此樹皮對(duì)重金屬污染物凈化作用應(yīng)得到重視，其積累機(jī)制有待深入研究[30]。

(2)樹根 植物根系是養(yǎng)分吸收的主要器官，根系吸收土壤中水分及各種礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的同時(shí)附帶吸收土壤中有害重金屬元素，因此根系中重金屬含量一般較其他器官高[33]，這在很多研究結(jié)果中都得到了證實(shí)[13- 14]。Zn、Mn、Cu是植物生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)植物生理生長(zhǎng)及代謝活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用，而Cd、Cr、Ni、Pb是非必需營(yíng)養(yǎng)元素，雖然低含量對(duì)植物代謝有一定促進(jìn)作用，但在植物體內(nèi)富集過(guò)量會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)造成毒害，本次研究表明樹根中Zn、Mn、Cu 3種元素含量均高于其他器官，而對(duì)Cd、Cr、Ni、Pb的吸收低于樹皮，說(shuō)明國(guó)槐樹根對(duì)不同重金屬元素存在選擇性吸收，能很好地避免有害重金屬過(guò)量累積。

(3)樹葉 樹葉中重金屬一部分來(lái)自根系蒸騰拉力作用下水分礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的輸送，一部分來(lái)自對(duì)大氣顆粒物的吸收[14]，本次研究結(jié)果顯示各徑級(jí)國(guó)槐樹葉對(duì)重金屬元素的吸收普遍低于樹根(除了大徑級(jí)國(guó)槐樹葉對(duì)Cr、Pb的吸收)，而且小、中、大各徑級(jí)國(guó)槐樹葉中重金屬含量均值分別僅是樹根中的24.7%、31.6%、54.8%，可見樹葉對(duì)各重金屬元素的轉(zhuǎn)運(yùn)能力比較弱，國(guó)槐通過(guò)根系吸收的土壤重金屬主要滯留在根部[35]。一些研究認(rèn)為植物葉片中的重金屬主要來(lái)自對(duì)空氣污染物的吸收附著，黃會(huì)一等人試驗(yàn)研究也證實(shí)木本植物葉片對(duì)大氣重金屬污染物有很強(qiáng)吸收能力[36]，部分研究認(rèn)為植物葉片中累積的重金屬與其生長(zhǎng)土壤中重金屬含量無(wú)相關(guān)性，而與大氣中重金屬含量成正比[37- 38]，因此樹葉中累積吸收的重金屬來(lái)源還有待進(jìn)一步研究分析；徐學(xué)華等人[20]對(duì)河道公路毛白楊重金屬分布研究以及方晰等[24]人對(duì)樟樹重金屬積累量空間分布研究結(jié)果均表明樹葉對(duì)重金屬的吸收能力高于樹根及其他器官，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果不同，說(shuō)明樹木對(duì)重金屬的吸收可能存在種間差異[39]，但受測(cè)定方法、區(qū)域環(huán)境、元素種類不同等影響，研究結(jié)果也可能存在一定差異。

(4)樹干 雖然樹干中重金屬含量比較低，對(duì)各元素吸收弱于其他器官，但憑借其巨大的生物量，仍是累積重金屬的主要“庫(kù)”。植物體內(nèi)不同器官間重金屬積累量的差異主要是因不同組分間生物量以及各組分重金屬含量的差異所致[40]。樹木生物量隨著樹木生長(zhǎng)而逐漸增加，而且樹干生物量在樹木總生物量中的比例會(huì)隨著林齡的增加逐年增大[33,41]，因此隨著胸徑級(jí)擴(kuò)大，國(guó)槐樹干中重金屬積累量也會(huì)逐漸增大，重金屬污染物通過(guò)樹干富集作用得到長(zhǎng)期穩(wěn)固，能有效避免重金屬重新回歸到環(huán)境中再次造成污染[24]。

(5)樹枝 目前對(duì)樹枝重金屬富集作用單方面的研究不多，但現(xiàn)有研究表明樹枝也具有一定重金屬累積能力，樹枝表面皮層多孔，能吸滯和累積空氣中重金屬顆粒物，累積在表皮層的重金屬顆?？赏ㄟ^(guò)表皮進(jìn)入皮層，而且隨著枝條年齡增加具有累積效應(yīng)，尤其是懸鈴木樹枝表皮多皮孔，且表皮蠟質(zhì)覆有毛絨，對(duì)空氣重金屬的吸附能力更強(qiáng)，其一年生的枝條可作為很好的空氣污染監(jiān)測(cè)材料。蔣高明分析承德木本植物不同部位的重金屬含量，結(jié)果顯示當(dāng)年生枝條重金屬含量高于葉片，而樹枝吸收能力大小可能還受根部吸收的影響[30,42-43]。

3.2.2 植物吸收重金屬可能存在的影響因素

植物對(duì)重金屬的吸收不僅受自身遺傳基因調(diào)控，同時(shí)還與生理代謝活動(dòng)、細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)以及外界區(qū)域環(huán)境中重金屬存在形式等諸多方面因素影響[44-45]。

(1)植物生理活動(dòng)可能對(duì)重金屬吸收造成一定影響。植物在蒸騰作用下通過(guò)根系向地上運(yùn)輸水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)也攜帶部分重金屬，本次研究中大徑級(jí)國(guó)槐生長(zhǎng)已近成熟，而小、中徑級(jí)國(guó)槐仍處于生長(zhǎng)階段，對(duì)養(yǎng)分和水分的需求更大，因此蒸騰作用更強(qiáng)，在蒸騰拉力作用下間接帶動(dòng)對(duì)重金屬的吸收[14,46]。此外，大樹體內(nèi)大量積累重金屬等有毒物質(zhì)，對(duì)各項(xiàng)生理代謝的正常發(fā)揮可能造成一定的影響，從而對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及有害金屬元素的吸收和運(yùn)輸造成阻礙[47]，這可能是導(dǎo)致大徑級(jí)國(guó)槐對(duì)重金屬富集能力下降的原因之一，但具體影響因素還有待進(jìn)一步詳細(xì)研究。

(2)土壤中重金屬可能影響了國(guó)槐對(duì)各重金屬元素的選擇吸收。臺(tái)基廠大街土壤重金屬除Mn外，其余6種重金屬含量均超出了北京市土壤背景值，其中Cd、Cu、Zn最為顯著，分別是北京市土壤背景值[48]相應(yīng)元素17、15.61、13.55倍，采用單因子評(píng)價(jià)法與內(nèi)梅羅綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)該條道路土壤重金屬污染[49]：?jiǎn)雾?xiàng)污染指數(shù)大小順序?yàn)镃d(10.2)>Zn(8.66)>Cu(8.34)>Pb(1.55)>Cr(0.75)>Ni(0.70)>Mn(0.65)，內(nèi)梅羅污染指數(shù)(PN)為8.04(PN>3)，可見臺(tái)基廠大街路旁土壤已受到嚴(yán)重重金屬污染，尤其是Cd、Cu、Zn污染嚴(yán)重。土壤重金屬含量大小順序?yàn)閆n>Mn>Cu>Cr>Pb>Ni>Cd(表1)，與行道樹國(guó)槐中重金屬含量大小排序相似。有研究表明植物對(duì)重金屬的吸收與環(huán)境中重金屬含量呈正相關(guān)[38,50]，本次研究中的國(guó)槐對(duì)重金屬的吸收可能受土壤中重金屬含量影響。此外，智穎飆等人研究發(fā)現(xiàn)土壤重金屬中有效態(tài)含量與植物對(duì)其吸收和利用有很大關(guān)系，有效態(tài)所占比越大越利于重金屬的吸收富集，土壤理化性質(zhì)(PH值、離子強(qiáng)度、有機(jī)質(zhì)含量等)也會(huì)影響國(guó)槐對(duì)重金屬的吸收[44]。

(3)不同樹種以及不同區(qū)域環(huán)境下植物富集吸收重金屬的能力略有差異。雖然該研究中國(guó)槐部分器官對(duì)一些重金屬元素的富集作用較高(樹皮、樹根)，但各徑級(jí)國(guó)槐對(duì)重金屬元素的平均富集系數(shù)在0.121—0.168之間，屬于中度吸收范圍(0.11)，與徐學(xué)華等人[20]研究的河道公路上的毛白楊(平均富集系數(shù)為0.104)相比，該道路上國(guó)槐對(duì)重金屬的富集吸收能力更強(qiáng)，但低于部分礦區(qū)植被或公路沿線的綠化喬木[14-15,52- 53]。除受種間差異影響外，植物體內(nèi)重金屬含量通常與環(huán)境中重金屬污染程度相關(guān)。礦區(qū)重金屬污染程度一般高于公路高于道路及其他功能區(qū)，此外交通帶來(lái)汽車尾氣、車胎磨損等也會(huì)加重環(huán)境中重金屬污染，尤其車流量大的道路重金屬污染更為嚴(yán)重[54]，因此植物對(duì)重金屬富集吸收受諸多因素影響，關(guān)于這方面問(wèn)題研究在今后仍有待深入。

3.2.3 不同徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集效能評(píng)價(jià)

在土地利用以及空間資源緊張的城市環(huán)境中，對(duì)所選擇的綠化樹木限制因素太多，如樹種選擇、樹木大小、植株高度等，小徑級(jí)國(guó)槐對(duì)土地和空間的利用率高，而且其重金屬富集能力強(qiáng)，因而從綜合利用角度出發(fā)小徑級(jí)國(guó)槐重金屬富集效能高于中、大徑級(jí)。大徑級(jí)國(guó)槐體內(nèi)已大量累積重金屬，體內(nèi)過(guò)高的重金屬含量對(duì)正常生理活動(dòng)可能造成一定負(fù)面影響，對(duì)外界污染環(huán)境的抵抗能力差，對(duì)空間資源和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)激烈，加之綠地空間有限，大樹截枝、截干等措施頻繁，與潛在空間綠化占有量相比，現(xiàn)有的綠化空間就縮小很多。在惡劣的生長(zhǎng)環(huán)境中大徑級(jí)國(guó)槐更容易出現(xiàn)病害現(xiàn)象，個(gè)體健康水平會(huì)低于小、中徑級(jí)國(guó)槐。因而，今后針對(duì)重金屬污染嚴(yán)重區(qū)進(jìn)行綠化時(shí)可選擇生長(zhǎng)旺盛的小、中徑級(jí)樹木，對(duì)于土地和空間資源利用要求高的地方，可選擇小徑級(jí)樹木，對(duì)于生長(zhǎng)不良、出現(xiàn)病害嚴(yán)重的大徑級(jí)的樹木，無(wú)論從富集重金屬能力還是交通環(huán)境的安全角度，可考慮適當(dāng)進(jìn)行更新。

由于城市樹木生長(zhǎng)與林分中存在差異，加之刺槐和國(guó)槐僅同科不同種，因而本文采用刺槐林分中單株刺槐生物量估算不同徑級(jí)國(guó)槐單株重金屬積累量與實(shí)際值可能存在些差異，但至少能反映出不同徑級(jí)國(guó)槐單株重金屬積累量在樹木生長(zhǎng)過(guò)程中隨著胸徑級(jí)擴(kuò)大各器官中重金屬分布以及重金屬總量增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。在今后研究工作中，可開展城市樹木生物量的調(diào)查研究，從而更好服務(wù)于城市綠化樹木及城市森林的生態(tài)功能評(píng)價(jià)及生態(tài)效益精確估算。

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Variation of heavy metal enrichment efficiency in roadside trees ofSophorajaponicaL. with different diameters at breast height

TANG Liqing, QIU Erfa*, HAN Yuli, WANG Rongfen

ResearchInstituteofForestryoftheChineseAcademyofForestry,UrbanForestResearchCenteroftheStateForestryAdministration,KeyLaboratoryofForestSilvicultureoftheStateForestryAdministration,Beijing100091,China

The concentration of heavy metals (Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn) in roadside tree ofSophorajaponicaL. and their organs along Taijichang Street was measured by using the Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES) to compare the heavy metal enrichment capacity between different diameter classes. The results showed that the concentration of heavy metals in different diameter classes ofSophorajaponicaL., the concentration of the same element in different organs, and the concentration of different elements in the same organ were all different. In general, heavy metal concentration inSophorajaponicaL. followed the order of Zn > Mn > Cu > Pb > Cr > Ni > Cd. The heavy metal absorption capacity in all organs followed the order of bark > root > leaf > branch > stem. Meanwhile, the study showed that the enrichment capacity ofSophorajaponicaL. in diameter at breast height (DBH) of small size was stronger than those of medium and large size. Heavy metal accumulation in different organs followed the order of root > trunk > branch > leaf, which also increased inSophorajaponicaL. with the increase of DBH and biomass. By comparing the accumulation per year, the bioenrichment unit area as well as the bioenrichment unit space of heavy metals with medium and large DBH,SophorajaponicaL. of smaller DBH (DBH less than 30 cm or more than 20 cm) had higher enrichment efficiency.

diameter class;SophorajaponicaL.; heavy metal; roadside tree; enrichment efficiency

國(guó)家“十二五”(2011BAD38B03)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目

2014- 03- 30;

日期:2014- 10- 08

10.5846/stxb201403300592

*通訊作者Corresponding author.E-mail: efqiu@163.com

唐麗清, 邱尓發(fā), 韓玉麗, 王榮芬.不同徑級(jí)國(guó)槐行道樹重金屬富集效能比較.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(16):5353- 5363.

Tang L Q, Qiu E F, Han Y L, Wang R F.Variation of heavy metal enrichment efficiency in roadside trees ofSophorajaponicaL. with different diameters at breast height.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5353- 5363.