彭小東，阿麗亞·拜都熱拉*，玉米提·哈力克，買爾旦·阿不都卡德，若山古麗·芒力克，胡夢(mèng)玲

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

隨著城市化進(jìn)程逐漸加快，交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，城市重金屬污染日益嚴(yán)重[1]。其中，交通污染源是城市土壤重金屬污染的主要來源[2]?；诖?，植物修復(fù)技術(shù)成為了土壤污染治理的研究焦點(diǎn)，利用具有較高的耐性和富集重金屬能力強(qiáng)的植物對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，已成為目前生態(tài)修復(fù)治理的主要措施[3-4]。相關(guān)研究表明，城市公路綠化帶對(duì)土壤中重金屬污染具有一定的防護(hù)效應(yīng),可在一定程度下顯著縮小污染范圍[5-6]。但由于道路類型、綠化帶結(jié)構(gòu)等差異，不同綠化帶對(duì)路旁土壤重金屬污染防護(hù)效應(yīng)有所差異[7-8]。綠化植物在土壤重金屬修復(fù)過程中起著重要的作用，研究城市園林綠化植物對(duì)重金屬的修復(fù)潛力具有重要的實(shí)用意義[9-10]。綠化樹種作為城市林帶的主體部分，憑借著其可觀的生物量、巨大的根系富集吸收以及轉(zhuǎn)運(yùn)能力，可一定程度上修復(fù)重金屬污染的土壤，同時(shí)還兼具傳統(tǒng)植物經(jīng)濟(jì)高效、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[11]。另外，通過合理樹種選擇，恰當(dāng)?shù)闹参锱渲?，可更加有效地?shí)現(xiàn)土壤重金屬修復(fù)，降低重金屬潛在威脅[12]。植物修復(fù)技術(shù)在土壤污染修復(fù)的過程中成為首選修復(fù)技術(shù)，受到諸多學(xué)者的關(guān)注。

近年來，城市重金屬污染治理方面利用綠化樹種對(duì)重金屬吸收、富集規(guī)律的研究也成為熱點(diǎn)[13]。石曉妮等[14]對(duì)南方地區(qū)綠化樹種的重金屬積累特征及等級(jí)分類進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，并初步篩選出一批富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)的綠化樹種。目前，西北干旱區(qū)域在此相關(guān)領(lǐng)域的研究尚為欠缺。本研究以烏魯木齊市河灘快速路域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)快速路旁綠化樹種根際土壤及不同器官的重金屬含量進(jìn)行測(cè)定分析，量化綠化樹種對(duì)土壤重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力，以期篩選出對(duì)重金屬綜合累積能力較強(qiáng)的樹種。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河灘快速路為烏魯木齊市主要的交通干道，其雙向平均車流量為140輛/min，路域土壤為沙粒土，總的沙粒量平均為428.4 g·kg-1；總的pH值平均為8.03，為堿性土壤。本研究于2020年6月，對(duì)烏魯木齊市河灘快速路域南段(87.580°E，43.704°N)、中段(87.603°E，43.795°N)、北段(87.596°E，43.857°N)的綠化樹種與對(duì)應(yīng)根際土壤進(jìn)行采樣。根據(jù)其頻度與多度，選擇待試樹種16種，各樹種具體生長(zhǎng)狀況如表1所示。

1.2 樣品采集與測(cè)定

2020年6月，在河灘快速路域距公路5～10 m處設(shè)置采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，路域選取供試16×3棵樹，共計(jì)48棵。植物樣品：在交通路域選擇長(zhǎng)勢(shì)較為一致的綠化樹種，分別在樹種的各個(gè)方向(東西南北)采集樹葉、樹枝和樹皮，并分別對(duì)應(yīng)混勻作為地上部分樣品。在樹冠垂直投影2/3處4個(gè)方向采集樹根，并混勻作為地下部分樣品，分別裝入自封袋，做好標(biāo)記，在105℃下殺青，65℃烘干至恒量，高速萬能粉碎機(jī)粉碎，過100目篩待用。土壤樣品：用土鉆在各個(gè)采樣點(diǎn)的樹種根系周圍采集土壤(0～30 cm)樣品，每顆樹下采集4個(gè)土樣，土樣均勻混合，采用四分法取約1 kg土樣裝入塑料自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除異物，自然風(fēng)干后，再研磨過100目篩。對(duì)待測(cè)樣品的重金屬檢測(cè)，植物樣品：稱取樣品0.5 g(精確到0.000 1)，消煮采用濃硝酸-高氯酸(4∶1)消解法；土壤樣品：采用氫氟酸-高氯酸(1∶1)消解法。二者均使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定重金屬Pb、Zn、Cd、Cr、Cu與Ni的含量。

1.3 植物重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及隸屬函數(shù)計(jì)算

生物富集系數(shù)(Bioconcen tration Factor,BCF)[15]，公式為:

BCF=C植物/S土壤

式中，BCF為富集系數(shù)；C植物為植物樣品地上部或地下部分的重金屬元素含量(mg·kg-1)；S土壤為對(duì)應(yīng)根際土壤重金屬元素含量(mg·kg-1)。

生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(Biological transfer factor)[16]，其計(jì)算公式為：

BTF=Cabove/Cunder

式中，Cabove為植物地上部位重金屬元素的含量(mg·kg-1)，Cunder為植物地下部位(根)相應(yīng)重金屬元素含量(mg·kg-1)。

采用隸屬函數(shù)法對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[17]。計(jì)算公式為：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，X為某一指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax為某一指標(biāo)的測(cè)定值中最大值；Xmin為某一指標(biāo)的測(cè)定值中最小值，而后求取隸屬函數(shù)值的平均值，對(duì)其各樹種綜合轉(zhuǎn)運(yùn)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 采樣地各綠化樹種的生長(zhǎng)狀況

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel2010以及SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 快速路域綠化樹種不同部位重金屬含量分析

對(duì)各綠化樹種不同部位重金屬Pb、Zn、Cd、Cr、Cu和Ni含量進(jìn)行測(cè)定分析，由表2可得，不同樹種對(duì)重金屬的累積特征存在一定的差異?？傮w來看，各樹種體內(nèi)重金屬Zn的含量較高，其次是Cu、Pb和Ni，各樹種體內(nèi)Cd的含量相對(duì)較低。樹種不同部位對(duì)重金屬的累積能力也有所差異，整體分析而言，地下部分重金屬含量高于地上部分。16種綠化植物地上部分各重金屬含量分別為4.75～13.90、23.64～59.44、0.029～0.112、4.01～16.52、7.98～36.43 mg·kg-1和6.80～12.82 mg·kg-1；地下部分各重金屬含量分別為7.35～15.35、20.57～62.54、0.039～0.261、8.97～21.36、9.28～34.55 mg·kg-1和9.35～17.61 mg·kg-1。與一般植物的正常重金屬含量比較[27]，各樹種重金屬含量均在正常范圍內(nèi)。說明各樹種能在污染環(huán)境下正常生長(zhǎng)，各樹種對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。與其他樹種相比，北美海棠地上部分Pb的含量較大；紅皮云杉地上部分對(duì)Zn、Ni的吸收較大；新疆楊地上部分對(duì)Cd的吸收較大；垂柳地上部分與地下部分對(duì)Cr的吸收較大；大葉白蠟地上部分與地下部分對(duì)Cu的吸收較大。

2.2 綠化樹種對(duì)根際土壤重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)特征

如表3中富集轉(zhuǎn)移系數(shù)綜合分析得，綠化植物對(duì)重金屬的BCF整體表現(xiàn)為Zn >Cu>Ni>Pb> Cd>Cr，平均BCF為地下部分大于地上部分。除了大葉白蠟對(duì)重金屬Cu的富集系數(shù)>1，其他樹種均<1。各綠化樹種對(duì)重金屬Pb、Cr的富集系數(shù)均<0.5；圓冠榆、垂柳、復(fù)葉槭與紅皮云杉地上部分對(duì)重金屬Zn的富集系數(shù)>0.5；圓冠榆地下部分對(duì)Zn、Cd的富集系數(shù)>0.5；北美海棠、圓冠榆金葉榆與榆葉梅地上部分對(duì)重金屬Cu的富集系數(shù)>0.5；北美海棠地下部分對(duì)重金屬Ni的富集系數(shù)>0.5。16種綠化植物對(duì)6種重金屬的BTF整體表現(xiàn)為Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd。北美海棠、白榆、黃金樹、榆葉梅與紅皮云杉對(duì)Pb有較強(qiáng)的遷移能力，其BTF接近1，分別為0.98、0.87、0.84、0.88與0.86；白榆、圓冠榆、樟子松、垂柳、火炬樹、紅皮云杉、榆葉梅、紫葉矮櫻、復(fù)葉槭與水蠟對(duì)Zn有很強(qiáng)的遷移能力，其BTF均>1；新疆楊對(duì)重金屬Cd的遷移能力較強(qiáng)；樟子松、火炬樹與黃金樹對(duì)重金屬Cr具有較強(qiáng)的遷移能力；圓冠榆、紅皮云杉、黃金樹、金葉榆、大葉白蠟、暴馬丁香與火炬樹對(duì)Cu有很強(qiáng)的遷移能力，其BTF均>1；紅皮云杉、火炬樹與金葉榆對(duì)重金屬Ni具有較強(qiáng)的遷移能力。

表2 樹種不同部位重金屬含量

2.3 綠化樹種對(duì)根際土壤重金屬的綜合轉(zhuǎn)運(yùn)能力評(píng)價(jià)

各樹種對(duì)重金屬的累積效應(yīng)，主要通過富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來衡量[12]。將樹種對(duì)重金屬Pb、Zn、Cd、Cr、Cu與Ni富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)作為參數(shù)，對(duì)各樹種進(jìn)行聚類分析，由圖1可知，各樹種分為5類：第1類為復(fù)葉槭、紅皮云杉、樟子松與火炬樹，結(jié)合表3分析，這類樹種對(duì)各重金屬的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相對(duì)較大，對(duì)各重金屬具有較強(qiáng)的累積效應(yīng)。第2類為金葉榆、大葉白蠟、圓冠榆與暴馬丁香，對(duì)各重金屬的富集系數(shù)較大，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)次之，相對(duì)而言，對(duì)重金屬Zn、Cd與Ni具有較強(qiáng)的富集能力。第3類為垂柳與榆葉梅，對(duì)各重金屬的富集系數(shù)相對(duì)較大，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相對(duì)較小，其中對(duì)重金屬Pb、Zn、Cd與具有較強(qiáng)的富集能力。第4類為北美海棠與黃金樹，對(duì)各重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)適中。第5類為水蠟、紫葉矮櫻、白榆與新疆楊，總體比較，這類樹種對(duì)各重金屬的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相對(duì)較低。用隸屬函數(shù)法對(duì)研究區(qū)綠化樹種Pb、Zn、Cd、Cr、Cu與Ni的轉(zhuǎn)運(yùn)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由表4可知，各樹種對(duì)重金屬Pb、Zn、Cd、Cr、Cu與Ni的綜合轉(zhuǎn)運(yùn)能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋杭t皮云杉、火炬樹、黃金樹、復(fù)葉槭、圓冠榆、北美海棠、金葉榆、樟子松、紫葉矮櫻、水蠟、白榆、暴馬丁香、大葉白蠟、新疆楊、榆葉梅、垂柳。通過聚類分析與隸屬函數(shù)對(duì)各樹種重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力綜合評(píng)價(jià)分析得出，紅皮云杉、復(fù)葉槭、圓冠榆、樟子松、火炬樹對(duì)各重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較強(qiáng)，北美海棠、金葉榆、紫葉矮櫻、水蠟、白榆、暴馬丁香對(duì)各類重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)適中，大葉白蠟、新疆楊、榆葉梅、垂柳對(duì)各類重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較弱。

表3 樹種對(duì)根際土壤重金屬的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.4 樹種各重金屬含量與根際土壤重金屬含量相關(guān)性分析

對(duì)樹種體內(nèi)重金屬含量與土壤重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析，可進(jìn)一步了解重金屬之間相互關(guān)系及轉(zhuǎn)移規(guī)律。由表5可知，植物體內(nèi)重金屬Pb的含量與土壤中重金屬Pb的含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與土壤中重金屬Zn的含量呈顯著負(fù)相關(guān)；植物體內(nèi)重金屬Zn的含量與Cd、Cu的含量呈顯著相關(guān)性(P<0.05)，進(jìn)一步說明植物體內(nèi)Zn、Cd與Cu具有較強(qiáng)的同源性；植物體內(nèi)重金屬Cd的含量與土壤中重金屬Cd的含量呈顯著的正相關(guān)性(P<0.05)；植物體內(nèi)重金屬Cr的含量與土壤中重金屬Cr、Cu的含量呈顯著的負(fù)相關(guān)性；植物體內(nèi)重金屬Cu的含量與土壤中重金屬Cu的含量呈顯著的負(fù)相關(guān)；土壤中重金屬Zn、Pb與Cr呈顯著相關(guān)性，與植物體內(nèi)相同。綜合分析得，植物體內(nèi)重金屬含量與土壤中重金屬有一定的相關(guān)性；植物體內(nèi)與土壤中重金屬Pb、Zn與Cd含量具有較強(qiáng)的同源性。

表4 樹種轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隸屬度分析

圖1 交通路域綠化樹種富集轉(zhuǎn)運(yùn)特性聚類分析

3 討論

城市交通路域土壤重金屬污染引起了社會(huì)高度的關(guān)注，已成為眾多學(xué)者的重點(diǎn)研究課題[18]。相關(guān)研究表明，城市路域重金屬污染主要來源于車輛零部件的老化、磨損掉漆、尾氣排放、輪胎摩擦與機(jī)油泄漏等相關(guān)因素[19]。對(duì)于交通路域土壤的污染，目前最好的防護(hù)措施仍是植物修復(fù)技術(shù)，其綠化樹種起著決定性的作用。綠化樹種是交通路域的主要植物類型，有生命周期長(zhǎng)、綠化環(huán)境的特點(diǎn)[20]，在重金屬防治方面發(fā)揮著重要作用，既能通過地上部分吸附空氣中的重金屬，又能通過地下部分(植物根系)吸收土壤中的重金屬，從而對(duì)重金屬污染區(qū)域起到凈化作用[21]。通過對(duì)烏魯木齊市河灘快速路側(cè)綠化樹種重金屬含量的測(cè)定結(jié)果表明，不同樹種體內(nèi)重金屬含量有所不同；相同環(huán)境下，同樹種對(duì)不同重金屬的富集效應(yīng)不同，這可能與樹種生理生化和遺傳特性有著密切的關(guān)系[22]?？傮w而言，樹種地下部分重金屬含量高于地上部分，說明同一種植物不同部位對(duì)金屬元素吸收、遷移、累積的能力不同，不同器官對(duì)不同重金屬元素吸收、富集、吸收的特性也不同[23]。通過對(duì)各樹種富集系數(shù)的分析，綠化植物對(duì)6種重金屬的BCF整體表現(xiàn)為Zn >Cu>Ni>Pb> Cd>Cr，平均BCF為地下部分大于地上部分。樹種對(duì)各重金屬富集能力不同，根本原因在于樹種自身生理特征的差異，其次根際土壤中重金屬濃度也對(duì)根系重金屬的富集吸收有很大影響[24]。因重金屬元素種類及形態(tài)的不同，樹種對(duì)重金屬吸收能力也會(huì)存在差異。綜合分析得，有的樹種對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<0.5，表明這些樹種能夠通過自身的排斥機(jī)制進(jìn)一步減少重金屬對(duì)自身的毒害作用；有的樹種對(duì)污染環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，其對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的遷移轉(zhuǎn)化能力。

表5 樹種各重金屬含量與根際土壤重金屬含量Pearson相關(guān)性分析

樹種對(duì)重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)特性因種類的不同而存在一定的差異，同時(shí)樹種體內(nèi)的重金屬含量與環(huán)境中的重金屬含量呈顯著的正相關(guān)[25]。通過相關(guān)性分析表明，樹種體內(nèi)與土壤中相同重金屬有顯著的相關(guān)性；樹種體內(nèi)與土壤中重金屬Pb、Zn與Cd含量具有較強(qiáng)的同源性，土壤重金屬濃度在一定范圍內(nèi)，對(duì)植物體內(nèi)相應(yīng)重金屬含量有促進(jìn)作用。王慧等[26]研究表明，高速路旁土壤中Pb、Cd、Cu與Zn這4種重金屬元素之間有良好的同源關(guān)系,土壤Cu、Zn與植物中同種元素含量呈正相關(guān)，黃順紅等[27]研究表明，Cd、Pb空間分布特征極為類似，具有較強(qiáng)的同源性，均與本研究一致。植物體內(nèi)重金屬含量與土壤重金屬有較強(qiáng)的同源性，同一化學(xué)性質(zhì)的重金屬對(duì)植物吸收重金屬可能有一定的影響。探明各重金屬種類之間的相關(guān)性，還需通過大量的試驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證；研究植物對(duì)土壤重金屬的累積效應(yīng)，還需探明植物對(duì)重金屬的耐受程度，可進(jìn)一步為土壤重金屬污染提供更好的治理措施。

4 結(jié)論

不同樹種對(duì)重金屬的累積特征存在一定的差異；總體來看，各樹種體內(nèi)重金屬Zn的含量較高，Cu、Pb和Ni次之，Cd的含量相對(duì)較低；樹種不同部位對(duì)重金屬的累積能力也有所差異，整體而言，地下部分的各重金屬含量高于地上部分；16種綠化植物對(duì)6種重金屬的BCF與BTF整體表現(xiàn)分別為Zn >Cu>Ni>Pb> Cd>Cr，Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd，平均BCF為地下部分大于地上部分。

通過對(duì)各樹種重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力的綜合評(píng)價(jià)得出，紅皮云杉、復(fù)葉槭、圓冠榆、樟子松、火炬樹對(duì)各重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較強(qiáng)，北美海棠、金葉榆、紫葉矮櫻、水蠟、白榆、暴馬丁香對(duì)各類重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)適中，大葉白蠟、新疆楊、榆葉梅、垂柳對(duì)各類重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較弱。