劉政，許中秋，張?chǎng)螡?，趙子荀，馮凱，吳秀萍，張耀琴，許曉崗

南京林業(yè)大學(xué)，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，生物與環(huán)境學(xué)院，亞熱帶森林生物多樣性保護(hù)國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210037

0 前言

工業(yè)化和城市化的加速導(dǎo)致人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求陡增，在開采、運(yùn)輸、利用資源的過(guò)程中排放的各類污染物，造成了日漸嚴(yán)峻的土壤重金屬污染問(wèn)題[1]。土壤重金屬污染具有隱蔽性、累積性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，對(duì)人們的生活形成很大的潛在威脅[2]。由此，有關(guān)重金屬污染土壤修復(fù)的研究也已成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，其中最廣泛的是植物修復(fù)技術(shù)[3-4]。

在植物修復(fù)技術(shù)中，選擇最多的材料是草本[5]，研究重點(diǎn)在于篩選對(duì)某類重金屬富集能力強(qiáng)的植物。然而，已知大多數(shù)的超富集草本植物生物量小，根系淺，適生范圍窄，且不同程度地存在著難以同時(shí)超量累積多種重金屬元素等缺點(diǎn)；而且，大部分草本植物為一、二年生，秋冬季節(jié)凋落物仍回歸土壤，無(wú)論對(duì)其收割后掩埋還是焚燒都會(huì)造成二次污染。也有學(xué)者認(rèn)為可以選擇具有經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值的農(nóng)作物，雖然也有農(nóng)作物對(duì)部分重金屬具超富集作用[6]，但是應(yīng)避免那些食用部分富集重金屬的農(nóng)作物[7]；而生物量大的木本植物由于對(duì)重金屬的相對(duì)稀釋作用雖沒(méi)有表現(xiàn)出超富集特征，但其生物量大[8]、根系發(fā)達(dá)、富集量高，修復(fù)規(guī)模仍然可觀；此外，在修復(fù)材料富集重金屬之后的處理也存在問(wèn)題，草本收割后的回收處理技術(shù)有待深入研究[9]，以避免造成二次污染，而木本植物壽命長(zhǎng)且相對(duì)人類工業(yè)發(fā)展時(shí)期具有足夠的時(shí)間尺度，強(qiáng)壯的根系，可以充分接觸深層土壤從而有著相對(duì)穩(wěn)定的吸收空間。正是由于木本植物與草本植物生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性的不同，特別是兩者在莖的生物量貯藏能力上存在巨大的差異，因而選擇適合修復(fù)土壤重金屬污染的高生物量的木本植物[10]顯得更為迫切，這也是對(duì)現(xiàn)有超富集植物研究的重要補(bǔ)充。

在研究土壤重金屬污染問(wèn)題的諸多技術(shù)中，尋求能較為準(zhǔn)確地反映污染歷史變化的記錄載體是關(guān)鍵。樹木年輪可提供精確的氣候變化信息[11]，具有定年準(zhǔn)確、分辨率高、連續(xù)性好且時(shí)間跨度長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量化程度及可信度高等特點(diǎn)[12]，可以成為自然界環(huán)境變化信息的載體。南京棲霞山蘊(yùn)藏豐富的礦藏資源(Pb、Zn、Ag等)，多年的采礦活動(dòng)造成了土壤重金屬污染，形成了嚴(yán)重的生態(tài)威脅，也給當(dāng)?shù)氐穆糜螛I(yè)帶來(lái)壓力。本研究以鄉(xiāng)土樹種刺楸及其根部土壤為研究對(duì)象，探索其對(duì)不同重金屬元素的富集能力，對(duì)當(dāng)?shù)刂亟饘傥廴具M(jìn)行針對(duì)性修復(fù)，也為同類地區(qū)的植被重建和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)取樣

1.1.1 采樣點(diǎn)概況

采樣點(diǎn)位于棲霞山紗帽峰(118°57′28″E，32°09′29″N)，地形為山地丘陵，坡度為 2.7 °，坡向西，海拔為(129.3±1) m，土壤類型為黃棕壤[13]。

1.1.2 試驗(yàn)材料

理想的年輪之間應(yīng)該很少或沒(méi)有徑向遷移，元素應(yīng)該是環(huán)境變化的敏感指標(biāo)；由于不同地區(qū)植物木質(zhì)部的季節(jié)性生長(zhǎng)，不同樹種重金屬的遷移能力差異很大；但是許多闊葉樹被選擇用于亞熱帶地區(qū)的樹木化學(xué)研究，如刺楸、白樺、香椿和胡楊等，因此在相應(yīng)區(qū)域中選擇合適的樹種可能更為重要[14]。

以當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土樹種刺楸(Kalopanax septemlobus)及其根際周邊土壤為研究對(duì)象，截取根部年輪并采集根際周邊土壤樣本，采用樹木年輪化學(xué)分析手段測(cè)定年輪和土壤樣本中 7種重金屬元素 Cu、Cd、Cr、Mn、Ni、Pb、Zn的含量，探索刺楸對(duì)重金屬的吸收狀況。

選擇樣地里僅有單一主干的刺楸樣本樹 2株，從近根部5 cm處依次截取5 cm厚的樹干圓盤3片，樣品重復(fù)數(shù)為3，樣品總數(shù)為6，標(biāo)記為Sample A、Sample B；本研究團(tuán)隊(duì)自2008—2016的連續(xù)9年在每年 1月份采集樣地中的土壤樣本，以樣樹為圓心，以其地徑的8倍為半徑的區(qū)域隨機(jī)布樣。每年在取樣區(qū)域內(nèi)設(shè)3個(gè)土壤采樣點(diǎn)，根據(jù)刺楸根系的分布情況，分別在每個(gè)樣點(diǎn)分別以10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm的深度土層取土樣1000 g。分別根據(jù)對(duì)應(yīng)的刺楸年輪標(biāo)記土壤樣本，依次為 A1—1、A1—2、A1—3、A2—1、A2—2、A2—3。

1.2 測(cè)試方法

年輪樣本經(jīng)WINDENDROTM2012a樹木年輪分析儀進(jìn)行交叉定年后，用 COFECHA程序檢驗(yàn)交叉定年[14-16]的結(jié)果。確定具體年份后，用電鉆在對(duì)應(yīng)的年輪上取樣[17]，將處理[18]后的樣品進(jìn)行濕法灰化(硝酸—高氯酸消煮法)[19]，用 ICP—AES法測(cè)定其中各重金屬元素的濃度(含量)。

土樣經(jīng)風(fēng)干后充分混合，經(jīng)研磨后通過(guò) 100目(孔徑0.149 mm)篩取100 g，待使用時(shí)取0.5 g作為待測(cè)樣放于 10 mL離心管，再于烘箱中 65 ℃下烘干 24 h，取出離心管。采用鹽酸—硝酸—?dú)浞帷呗人崛纸獾姆椒╗19]消解土壤樣品以徹底破壞土壤的礦物晶格，使土壤樣品中的待測(cè)元素全部進(jìn)入溶液中。所有消解液、浸出液中重金屬濃度采用原子吸收分光光度法測(cè)試。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)所得各重金屬元素濃度，按照公式計(jì)算各元素含量:重金屬元素含量(mg·kg-1)=ρV/M0，式中:ρ為測(cè)得待測(cè)液的濃度；V為消煮后溶液定容的體積；M0為樣品的質(zhì)量。

相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)用EXCEL 2016進(jìn)行處理分析并制圖，刺楸年輪中 7種重金屬元素之間的相關(guān)性使用SPSS 24.0軟件進(jìn)行分析。

樹木對(duì)重金屬富集能力通常以富集系數(shù)來(lái)考量，由公式D=T/W×100%求得，式中:D表示刺楸對(duì)各重金屬元素的富集系數(shù)，T與W分別表示 2007—2015年中各重金屬元素在刺楸年輪及樣樹根際土壤中的算術(shù)平均含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 年輪交叉定年結(jié)果

年輪樣本取自 2016年 1月，對(duì) Sample A、Sample B分別進(jìn)行打磨并交叉定年，每個(gè)年輪上面有兩條定年的路徑，以減少缺輪與偽輪造成的誤差，具體結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

Sample A:1974—2015，42 年；Sample B:1974—2015，42年；選取共同年齡段1974—2015年來(lái)研究刺楸對(duì)不同重金屬的富集能力。

圖1 Sample A建立的定年路徑Figure 1 The established dating path of sample A

圖2 Sample B建立的定年路徑Figure 2 The established dating path of sample B

2.2 刺楸年輪中重金屬元素含量變化分析

取2個(gè)刺楸年輪樣本在同一年相同重金屬元素含量的算術(shù)平均值，以減少誤差，其結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖 中可看出，各重金屬元素在年輪中累積含量從大到小順序?yàn)?Cu＞Zn＞Pb＞Mn＞Ni＞Cr＞Cd。由圖3 可以看出，刺楸年輪中Cu的含量明顯高于其他重金屬元素，年份間也波動(dòng)很大，其含量在 2.77—167.78 mg·kg-1之間波動(dòng)，平均值為 25.68 mg·kg-1，刺楸對(duì)Cu的吸收是很明顯的。其次，年輪中Pb含量在4.03—71.39 mg·kg-1之間波動(dòng)，平均值為 12.59 mg·kg-1，波動(dòng)較小，到2014 年增長(zhǎng)最顯著，含量達(dá)到71.39 mg·kg-1，約為最低含量的17.71倍。總體來(lái)說(shuō)，Pb與其他元素的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致；棲霞山中的 Pb—Zn—Ag礦床是長(zhǎng)江下游地區(qū)最大的多金屬礦床，而土壤中Pb的含量為6447.7 mg·kg-1，這遠(yuǎn)超出江蘇省和南京市的背景值(22.3 mg·kg-1和 24.8 mg·kg-1)，因而可看出刺楸年輪中的Pb大部分來(lái)自土壤；植物中的Pb除來(lái)自于土壤，也可能與冶煉活動(dòng)密切相關(guān)[20]。另外，刺楸年輪樣品中Zn含量在6.32—33.25 mg·kg-1之間波動(dòng)，均值為 17.61 mg·kg-1；Zn 礦通常和 Pb 礦伴生，在篩選吸收該金屬的植物時(shí)，通常要兼顧植物對(duì)Pb、Zn兩種重金屬的耐受性[21]。

2.3 土壤重金屬含量分析

將2016年所采土壤樣品的重金屬含量與省、市土壤背景值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4。其中，本研究土壤樣品為各元素含量的算術(shù)平均值，南京市土壤背景值為南京地區(qū)土壤中元素背景值[22]、江蘇省土壤背景值為土壤元素地球化學(xué)基準(zhǔn)值[23]。

刺楸根際周圍土壤觀測(cè)的上述7種重金屬含量差距偏大，含量在 1000 mg·kg-1以上的有 Mn、Pb 和Zn，含量在 100—1000 mg·kg-1之間的有 Cu，而含量在 100 mg·kg-1以下的有 Cd、Cr和 Ni，表明該區(qū)域土壤受Pb、Zn和Mn污染最為嚴(yán)重。各元素在土壤中累積含量從大到小順序?yàn)?Pb＞Mn＞Zn＞Cu＞Ni＞Cd＞Cr。

圖3 刺楸年輪中7種重金屬含量變化Figure 3 The content variations of 7 heavy metal in tree rings of Kalopanax septemlobus

圖4 樣地土壤(2016)中重金屬含量與背景值的比較(單位： mg·kg-1)Figure 4 Comparison on the content of heavy metal in soil(2016) with the background value(unit： mg·kg-1)

所采土壤樣品中Cd、Cu、Mn、Pb、Zn含量遠(yuǎn)高于南京市及江蘇省土壤的背景值，屬于嚴(yán)重超標(biāo)，存在Cd、Cu、Mn、Pb、Zn的嚴(yán)重污染，尤其是Cd和Pb的平均含量分別為南京市背景值的135.42和268.65倍，是江蘇省背景值的 285.89和 289.13倍；Cu和 Zn的平均含量分別為南京市背景值的 12.93和29倍，是江蘇省背景值的17.31和34.19倍，說(shuō)明該地區(qū)的重金屬污染均具有明顯高度吸收的特征；而Cr和Ni含量均低于背景值，屬于正常范圍區(qū)間。以上結(jié)果表明，棲霞山研究樣地內(nèi)的土壤存在Cd、Cu、Mn、Pb、Zn元素的高度復(fù)合污染，這與棲霞山長(zhǎng)期采礦相關(guān)。

2.4 年輪與土壤中不同重金屬元素含量的相關(guān)性分析

年輪中重金屬含量是否與當(dāng)?shù)夭傻V活動(dòng)相關(guān)，這需要對(duì)年輪與土壤中重金屬元素的相關(guān)性進(jìn)行分析。鑒于已有連續(xù) 9年對(duì)土壤樣本觀測(cè)的數(shù)據(jù)，筆者對(duì)土壤及相應(yīng)年份(2007—2015)年輪中的重金屬含量變化進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5。

從圖5中可以看出，在 2007—2015的9年中，Cd(r=0.881，p＜0.01)、Cr(r=0.897，p＜0.01)、Cu(r=0.794，p＜0.05)、Ni(r=0.735，p＜0.05)、Zn(r=0.985，p＜0.01)這5種重金屬元素在土壤和年輪中存在相關(guān)性，而Mn和Pb則沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

通過(guò)圖3可以看出Cd、Cr和Ni含量較少，變動(dòng)幅度較低，因此刺楸能否發(fā)揮作為自然信息記錄載體的作用，需要對(duì) Cu和 Zn的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。

2.5 刺楸年輪中7種不同重金屬含量之間的相關(guān)性

為進(jìn)一步探尋年輪樣本內(nèi)重金屬含量之間的相關(guān)性，用Pearson相關(guān)分析法對(duì)各重金屬含量分析處理，7種元素之間的相關(guān)性系數(shù)如表1。

分析結(jié)果表明刺楸年輪中的重金屬元素存在交互作用，其交互作用存在一些差異。其中Cu含量與其他4種元素(除了Ni、Pb)含量均有相關(guān)性，Mn含量與其他 4種元素(Cd、Zn除外)含量也有相關(guān)性(r=0.376—0.764，p＜0.01)，Cd 含量與 Zn 含量高度相關(guān)(r=0.984，p＜0.01)。這些重金屬含量之間存在密切相關(guān)，鑒于大多數(shù)重金屬元素在土壤和植物之間都存在相對(duì)較高的相關(guān)性，可以推測(cè)這些重金屬元素來(lái)自于同一污染源[24-25]。多種重金屬的交互作用，會(huì)顯著地影響植物對(duì)重金屬元素的積累和轉(zhuǎn)移力[26]，這種交互作用常表現(xiàn)出單個(gè)金屬元素的存在能抑制某些特定金屬元素吸收的拮抗作用或單個(gè)元素的存在能促進(jìn)對(duì)特定金屬元素吸收的協(xié)同作用。

圖5 年輪與土壤中重金屬元素含量的相關(guān)性(2007—2015)Figure 5 The heavy metal contents correlation between tree rings and soil(2007-2015)

表1 刺楸年輪中各重金屬元素間的相關(guān)系數(shù)(r)Table 1 The correlation coefficients among the heavy metals in the tree rings of Kalopanax septemlobus(r)

2.6 刺楸對(duì)各重金屬富集能力分析

刺楸對(duì)各重金屬元素的富集能力如表2所示，刺楸對(duì)于這7種重金屬元素的富集系數(shù)在0.11%—15.16%之間，刺楸對(duì)各重金屬元素富集能力從大到小順序?yàn)?Cr＞Ni＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn。其中刺楸對(duì)Cd、Mn、Pb和Zn這四種金屬的吸收作用相對(duì)較弱，而對(duì)Cr、Cu和Ni的吸收作用較強(qiáng)，表明刺楸對(duì)重金屬的吸收有選擇性，植物的不同耐性機(jī)制使得它們對(duì)重金屬的吸收存在了明顯的差異。

此外，刺楸對(duì)各重金屬元素的富集系數(shù)相比于棲霞山草本[27](地上部分富集系數(shù):11.5%—216.8%)相對(duì)較低，而且草本中存在一些超富集植物[3]，不過(guò)目前超富集草本的回收處理還需借鑒于廢棄物的方式[9]，仍需要特定的技術(shù)支持，才能避免二次污染；而壽命長(zhǎng)、生物量大、處理方式多樣的木本植物，仍具有重要的研究?jī)r(jià)值。

3 討論與結(jié)論

Cd化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而很難在土壤中降解，它在環(huán)境中的來(lái)源一部分是工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)排放的廢水，廢氣和固體廢物[28]；一部分是當(dāng)?shù)氐奶烊坏V山[29]。相對(duì)于其他元素，樣地土壤中Cd的含量比較少，雖遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)乇尘爸担谀贻喼蠧d的含量總體也是偏少的，因此表2中刺楸對(duì)Cd的吸收較為一般。

土壤樣品中Cr和Ni兩種元素含量均在正常背景值范圍內(nèi)，與Cd含量較為接近，但從表2中看出，刺楸對(duì)Cr和Ni的富集系數(shù)是超過(guò)Cu及其他4種元素，一方面可能是因?yàn)樵摰貐^(qū)的嚴(yán)重污染造成刺楸對(duì)其他幾種重金屬元素的吸收表現(xiàn)不是很明顯，另一方面可能是刺楸對(duì)Cr和Ni具有很強(qiáng)的偏好性，刺楸可以考慮作為這兩種重金屬污染土壤的修復(fù)樹種。

從圖3中可以看出，刺楸年輪中Cu的含量相對(duì)其他的重金屬元素變化較大，而 Mn的含量較低且變化平穩(wěn)；圖4中表明棲霞山也存在著較為嚴(yán)重的Cu、Mn污染，且土壤中Mn含量遠(yuǎn)在Cu之上；比較圖3、圖4和表2，可推測(cè)刺楸對(duì)Cu的吸收作用超過(guò) Mn；土壤中 Cu的含量相對(duì)于其他元素較低，但刺楸年輪中Cu含量最多，甚至超過(guò)了Pb、Zn，表明刺楸對(duì)Cu的吸收具有明顯的偏好。

從對(duì)7種元素監(jiān)測(cè)的42年結(jié)果來(lái)看，Cu是波動(dòng)最大的，而其他元素相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明刺楸對(duì)Cu的吸收較大程度上受某一種外界條件的影響，造成吸收的波動(dòng)性。對(duì)照歷史降水量記錄看來(lái)，Cu元素的變化可能與當(dāng)?shù)氐慕涤炅縖30]有關(guān)，植物吸收重金屬的能力與土壤中重金屬的形態(tài)密切相關(guān)，可能是酸雨促進(jìn)了土壤中的重金屬離子釋放和遷移，從而促進(jìn)了刺楸對(duì)Cu的吸收[21]。同時(shí)，從表1可以看出，Cu與大部分的重金屬元素都有相關(guān)性，重金屬元素之間的交互作用也可能是導(dǎo)致刺楸對(duì)Cu具有較高的富集能力原因之一。此外，棲霞山礦床開采已有 60多年的歷史[15]，早期 1960—1970年時(shí)是露天開采，1971年后采礦區(qū)域轉(zhuǎn)移到地下，隨后80年代90年代均有采礦活動(dòng)，以及考慮到植物響應(yīng)環(huán)境的滯后效應(yīng)，Cu元素的4個(gè)主要峰形區(qū)域(1975—1977、1985—1988、1994—1999、2013—2015)也可能是受到采礦及相關(guān)活動(dòng)的影響；而Pb、Zn的波動(dòng)幅度相對(duì)其他元素也較為明顯，但與Cu相比較，也可以看出刺楸對(duì)Cu吸收的偏好。而且圖5表明Cu在土壤和年輪中存在相關(guān)性，因此鑒于Cu含量變化，刺楸可以考慮作為反映當(dāng)?shù)匚廴練v史的記錄載體。

表2 刺楸年輪中重金屬含量及其富集系數(shù)(mg·kg-1)Table 2 Contents of heavy metals in tree rings of Kalopanax septemlobus and bioconcentration factors(mg·kg-1)

從表2可看出樣品年輪對(duì)Cu有較好的富集能力，結(jié)合表1，可以推測(cè) Cu 與 Cd、Cr、Mn、Zn具有協(xié)同作用；同樣，樣品年輪對(duì)Mn的富集系數(shù)是最低的，而重金屬之間相關(guān)系數(shù)表明，Mn與較多重金屬元素都存在相關(guān)性，可見(jiàn)，在刺楸年輪吸收重金屬過(guò)程中，Mn起到一定的拮抗作用。Mn是植物生長(zhǎng)的必須元素，但是 Mn過(guò)量會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制甚至毒害作用，尤其是會(huì)與Cd共存形成聯(lián)合染毒[31-32]。

重金屬在植物與在土壤中的含量通常存在正相關(guān)性[33]，Pb在棲霞山紗帽峰土壤中含量非常高，在年輪中的含量卻相對(duì)較低，表明Pb在樹輪中含量與在土壤中含量可能沒(méi)有明顯的相關(guān)性[34]，圖5也說(shuō)明了這一點(diǎn)。環(huán)境中Zn的主要污染源是Pb、Zn冶煉，以及Pb、Zn礦開采和鍍Zn，從表2可以看出，刺楸年輪對(duì)于Zn的吸收也相對(duì)較低，這也可能與這兩種重金屬元素在土壤中的存在形式有關(guān)[35]。

綜上所述，相對(duì)于Cd、Mn、Pb、Zn污染土壤，刺楸更適用于 Cr、Cu、Ni污染的土壤修復(fù)，鑒于Cu元素含量變化特征，刺楸也可以作為反映當(dāng)?shù)匚廴練v史的記錄載體；同時(shí)，基于木本與草本植物在生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)位差異，必須在植物重金屬富集能力強(qiáng)弱和生物量大小之間達(dá)到一種均衡[36]，才能使修復(fù)效果達(dá)到最佳。