彭小東，阿麗亞·拜都熱拉，劉 麗，玉米提·哈力克，胡夢玲，孫桂麗

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

0 引 言

【研究意義】隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和高強(qiáng)度的人類活動，工業(yè)化和城市化帶來的重金屬污染問題日益引起關(guān)注，重金屬對環(huán)境質(zhì)量、人體健康、動植物的生存條件及城市生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅和挑戰(zhàn)。城市綠化樹種能有效且經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)對重金屬富集、吸收、轉(zhuǎn)化和降解作用，并穩(wěn)固在樹木體內(nèi)，防止重金屬造成再次污染。通過量化各常見綠化樹種對重金屬的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力，篩選出富集效能較強(qiáng)的常見綠化樹種，為烏魯木齊市城市綠地的有效利用以及城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理提供理論依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】城市化在發(fā)展的過程中，會伴隨著各種類型的污染物排放，這些污染物通過直接或間接途徑進(jìn)入城市土壤中，最終在一定程度上引起城市土壤的污染[1]。由于城市的交通設(shè)施逐漸完善，車流量的增加，同時也使得路側(cè)土壤的重金屬含量增加，并造成一定的污染[2]。城市道路綠化帶對是城市路域具有美化的作用，以及改善路側(cè)生態(tài)環(huán)境的作用[3]，道路綠化帶對土壤重金屬污染也具有一定的防護(hù)作用[4]。不同類型的綠化樹種對土壤重金屬的富集能力有所不同，對城市道路的綠化效果也是有所不同的[5,6]。因此，城市綠化帶建設(shè)的前期，應(yīng)合理選擇植物的配置，在兼顧美觀的同時，優(yōu)先選擇對土壤重金屬污染防護(hù)效果較好的綠化植物[7]。在城市污染的防護(hù)方面，目前主要寄托于木本植物，具有超累積性的綠化樹種為首選的綠化材料，綠化植物對土壤重金屬耐受累積效應(yīng)也備受關(guān)注[8]。近年來，城市土壤重金屬污染的治理，主要是利用綠化植物對重金屬富集吸收，綠化植物在城市污染治理方面也成為熱點(diǎn)。石曉妮等[9]研究表明，南方地區(qū)對綠化樹種的重金屬積累特征及等級分類進(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，阿衣古麗等[10]研究了烏魯木齊市主要綠化樹種重金屬累積能力比較，唐敏等[11]對北京37種園林植物對4種重金屬的富集力。相對于西北地區(qū)而言，南方及沿海城市相關(guān)研究較為豐富?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來，在城市重金屬污染治理方面利用綠化樹種對重金屬吸收、富集規(guī)律的研究也成為熱點(diǎn)，而目前，西北干旱區(qū)城市綠化樹種地上、地下部分重金屬含量及所在地土壤中重金屬含量特征等相關(guān)領(lǐng)域的研究尚為欠缺。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究以烏魯木齊市京新快速路側(cè)為對象，對快速路旁綠化樹種根際土壤及不同器官的Cu、Pb、Ni和Zn 4種重金屬含量進(jìn)行測定分析，量化綠化樹種對土壤重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力；探明出交通路域各樹種對重金屬的綜合累積能力。

1 材料與方法

1.1 材 料

烏魯木齊市位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣(E86.626～88.973，N42.759～44.133)?？焖俾费芯繀^(qū)位于烏魯木齊市南郊河灘快速公路旁(43.774N，87.591E)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，春秋兩季較短、冬夏較長，晝夜溫差大；平均氣溫約為25.7℃，年降雨量120～180 mm，年蒸發(fā)量2 000～3 000 mm，降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量。研究區(qū)的土壤為沙粒土，沙粒量平均為428.4 g/kg；pH平均為8.03，為堿性土壤。采樣時周圍的溫度為24.2℃，濕度為27RH,風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，雙向平均車流量為56輛/min。

確定白榆(Ulmuspumila)、白蠟(FraxinuschinensisRoxb)、圓冠榆(Ulmusdensa)、樟子松(Pinussylvestrisvar.)與紅皮云杉(PiceakoraiensisNakai)5個樹種。研究于2019年6月，在烏魯木齊京新高速公路旁設(shè)置3個采樣點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)選取5×3棵樹，共計(jì)45棵樹。用皮尺和超聲波測高器分別測量3個采樣點(diǎn)紅皮云衫的胸徑和樹高。在采樣點(diǎn)選擇長勢較為一致的綠化樹種，分別在樹種的各個方向(東西南北)采集樹葉、樹枝和樹皮，并分別對應(yīng)混勻作為1個樣品，在樹冠垂直投影2/3處4個方向采集樹根與根際土壤(0～20 cm)，并混勻作為1個樣品。表1

1.2 方 法

1.2.1 樣品處理

植物樣品處理：采集的植物樣品用蒸餾水沖洗3次，再用超純水沖洗3次，放通風(fēng)處自然晾干后放入恒溫箱，110℃殺青，烘干后粉碎，并過100目篩。稱取0.15 g樣品置于酸煮洗凈的消煮管中，加入5 mL HNO3，置于通風(fēng)櫥中過夜預(yù)消解，消煮1 h后冷卻30 min加入3 mL HCIO4繼續(xù)消煮3 h。消煮結(jié)束后，待樣品冷卻至常溫，將樣品在消煮管中定容至50 mL并轉(zhuǎn)移到酸煮洗凈的PET塑料瓶中，待測。土壤樣品處理：自然風(fēng)干并除去土壤中的其他異物，磨碎過100目篩。稱取土壤樣品0.1 g置于酸煮洗凈的消煮管中，用水潤濕后加入5 mL HCL，放入消解爐中加熱，當(dāng)蒸發(fā)至2～3 mL時，取下稍冷，加入5 mL HNO3，2 mL HCIO4，放入消煮爐中加熱3 h左右。消煮結(jié)束后，待樣品冷卻至常溫，將樣品在消煮管中定容至50 mL并轉(zhuǎn)移到酸煮洗凈的PET塑料瓶中。通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定植物與根際土壤樣品重金屬(Cu、Ni、Pb、Zn)的含量。

1.2.2 研究區(qū)污染綜合評價

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價[18]：其計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Si.

式中Pi為i因子的單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci為i因子的實(shí)測濃度值，Si為i因子的評價標(biāo)準(zhǔn)值。Piave為指數(shù)平均值；Pimax單項(xiàng)污染物的最大污染指數(shù)；P綜為采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)。以新疆環(huán)境背景值為參照，具體各元素環(huán)境背景值為Cu：26.7、Ni：25.2、Pb：19.4、Zn：68.8[19]。污染等級劃分：P綜≤0.7為清潔；0.7

1.2.3 植物重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計(jì)算

(1)富集系數(shù)(Bioconcentration Factor, BCF)[20]，其計(jì)算公式為:

BCF=Ci/Si.

(1)

式(1)中：BCF為富集系數(shù)；Ci為地上部第i個植物樣品的重金屬元素含量；Si為對應(yīng)土壤樣品重金屬元素含量。

(2)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(Biological transfer factor)[21]，其計(jì)算公式為：

BTF=Cabove/Cunder.

(2)

式(2)中，Cabove為植物地上部位重金屬元素的濃度(mg/kg)，Cunder為植物地下部位(根)相應(yīng)重金屬元素濃度(mg/kg)。

1.2.4 各樹種對重金屬富集能力的綜合評價

采用隸屬函數(shù)法對其進(jìn)行綜合評價[22]，其計(jì)算公式為：

X(μ) =(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

(3)

(3)式中，X為某一指標(biāo)的測定值；Xmax為某一指標(biāo)的測定值中最大值；Xmin為某一指標(biāo)的測定值中最小值，而后求取隸屬函數(shù)值的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010以及SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)表示均為平均值加減標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)不同樹種根際土壤重金屬含量分析及污染評價

研究表明，變異系數(shù)都在30%以下，快速路區(qū)各根際土壤中重金屬含量變化較小，重金屬污染存在較小空間變異性。根際土壤中Cu、Ni、Pb和Zn含量均值分別為40.27、48.03、29.24和120.77 mg/kg。與新疆土壤重金屬環(huán)境背景值比較，各樹種根際土壤重金屬含量均高于背景值，土壤中Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量是環(huán)境背景值1.51、1.91、1.53和1.76倍。綜合評價指數(shù)為1.81，在區(qū)間1.0

表2 不同樹種根際土壤重金屬含量Table 2 Contents of heavy metals in rhizosphere soil of different tree species (mg/kg)

2.2 研究區(qū)常見綠化樹種體內(nèi)重金屬含量

研究表明，樹種地下部分重金屬含量高于地上部分。樹種地上部分Cu、Ni、Pb和Zn含量變化范圍分別為15.69～23.99、22.97～25.32、21.61～39.23和27.45～38.50 mg/kg。地下部分Cu、Ni、Pb和Zn含量變化范圍分別為28.35～42.01、24.71～32.56、15.35～35.16和33.14～63.17 mg/kg。其中樹種地上部分Pb和Zn含量變化范圍較大，地下部分Cu和Zn含量變化范圍較大。白蠟地上部分Cu與地下部分Cu、Zn的含量最高，分別為23.99與42.01、63.17 mg/kg。紅皮云杉地上部分與地下部分Ni含量最高，分別為25.32與32.56 mg/kg。圓冠榆地上部分Pb的含量最高為39.23，白榆地下部分Pb含量最高為5.16；樟子松地上部分Zn的含量最高為38.50 mg/kg。表3

表3 樹種不同部位重金屬含量Table 3 Contents of heavy metals in different parts of tree species (mg/kg)

2.3 研究區(qū)綠化樹種對根際土壤重金屬的富集效應(yīng)

研究表明，地上部分：圓冠榆對Cu、Pb的富集系數(shù)最大分別為0.62、1.51；紅皮云杉對Ni、Zn的富集系數(shù)最大分別為0.60、0.34。地下部分：白蠟對Cu、Zn的富集系數(shù)最大分別為0.99、0.53；紅皮云杉對Ni的富集系數(shù)最大為0.77；圓冠榆對Pb的富集系數(shù)最大為1.20。地上部分圓冠榆、紅皮云杉對Pb的富集系數(shù)大于1；地下部分樟子松、圓冠榆對Pb的富集系數(shù)大于1。樹種對Cu的富集系數(shù)為：白蠟>紅皮云杉>圓冠榆>樟子松>白榆；對Ni的富集系數(shù)為：紅皮云杉>白榆>樟子松>白蠟>圓冠榆；對Pb的富集系數(shù)為：圓冠榆>樟子松>白蠟>紅皮云杉>白榆；對Zn的富集系數(shù)為：白蠟>樟子松>紅皮云杉>圓冠榆>白榆。表4，圖1

2.4 研究區(qū)綠化樹種對根際土壤重金屬的綜合轉(zhuǎn)運(yùn)能力評價

研究表明，白蠟、圓冠榆和紅皮云杉對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，其值分別為1.09、1.26與1.41；白榆對Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，其值為1.14；則說明地上部分重金屬含量高于地下部分重金屬含量。其他樹種對重金屬Cu、Ni、Pb與Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，這可能與植物生理特性以及土壤中重金屬含量有關(guān)。5種植物對4種重金屬的BTF整體表現(xiàn)為Pb>Ni>Zn>Cu。表5

用隸屬函數(shù)法對研究區(qū)綠化樹種Cu、Ni、Pb與Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)能力進(jìn)行綜合評價。各樹種對重金屬Cu、Ni、Pb與Zn的綜合轉(zhuǎn)運(yùn)能力為：圓冠榆>白榆>紅皮云杉>樟子松>白蠟。表6

表4 樹種各部位對根際土壤重金屬的富集效應(yīng)Table 4 Enrichment effects of different parts of tree species on heavy metals in rhizosphere soil

圖1 不同樹種對重金屬平均富集系數(shù)比較Fig. 1 Comparison of average enrichment coefficients of heavy metals by different tree species

表5 樹種對重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力Table 5 Transport capacity of tree species to heavy metals

表6 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隸屬度Table 6 Analysis of membership degree of transfer coefficient

2.5 研究區(qū)土壤—樹種重金屬含量相關(guān)性

研究表明，白榆、樟子松體內(nèi)重金屬Cu、Pb與土壤重金屬Cu、Pb、Zn含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)；白蠟體內(nèi)重金屬Cu、Zn與土壤重金屬Cu、Pb、Zn含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；圓冠榆體內(nèi)重金屬Pb 、Zn與土壤重金屬Cu、Pb、Zn含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；紅皮云杉體內(nèi)重金屬Cu、Ni與土壤中重金屬Zn的含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，紅皮云杉體內(nèi)重金屬Zn與土壤中重金屬Cu、Pb的含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。植物體與土壤中相同重金屬有顯著的相關(guān)性；植物體內(nèi)與土壤中重金屬Cu、Pb、Zn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)，對植物體內(nèi)相應(yīng)重金屬含量有促進(jìn)作用。表7

表7 樹種體內(nèi)重金屬含量與土壤重金屬含量Pearson相關(guān)性Table 7 Pearson correlation analysis of heavy metal content in tree species and soil

3 討 論

富集系數(shù)是用來衡量植物對土壤中重金屬元素累積能力，富集系數(shù)越大，則植物對該重金屬的遷移能力越強(qiáng)[23]。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是衡量植物對重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，即植物地上部與地下部重金屬含量的比值[24]。分析各重金屬之間的相關(guān)性，可以進(jìn)一步了解各重金屬之間相互關(guān)系及轉(zhuǎn)移規(guī)律[25]。高速路域土壤重金屬污染有相關(guān)研究[26]。相關(guān)研究表明，高速公路在營運(yùn)過程中，車輛零部件的老化、磨損掉漆、尾氣排放、輪胎摩擦、機(jī)油泄漏等是導(dǎo)致高速路域重金屬污染的主要原因[4,9,27]。SUN CY等[28]研究表明，Zn和Pb為高速路域主要重金屬污染元素；甄宏[29]研究表明，路邊土壤重金屬Zn污染物主要來源于機(jī)動車輪胎的磨損。土壤中重金屬Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量均高出了當(dāng)?shù)丨h(huán)境背景值。阿迪萊等[30]研究表明，土壤中Cu、Pb的平均值分別為新疆土壤背景值的1.50、1.24倍，與研究結(jié)果類似。對研究區(qū)采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價，綜合評價指數(shù)為1.81，在區(qū)間1.0

綠化樹種是交通路域的主要植物類型，有生命周期長、綠化環(huán)境的特點(diǎn)[34]，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，從而對重金屬污染區(qū)域起到凈化作用[35]。研究通過對快速路側(cè)不同綠化樹種重金屬含量的測定結(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，同種樹種對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[36]。樹種地下部分重金屬含量高于地上部分。同一種植物不同部位對金屬元素吸收、遷移、累積的能力不同, 不同器官對不同重金屬元素吸收、富集、吸收的特性也不同[37]。通過富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計(jì)算的，圓冠榆和紅皮云杉對Pb的富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，則該樹種對于重金屬Pb具有超積累性質(zhì)[38]。樹種對重金屬富集能力不同的根本性原因在于樹種的差異，其次根際土壤中重金屬濃度也對根系重金屬的富集吸收有很大影響[39]。也會因重金屬元素種類及形態(tài)的不同，樹種對重金屬吸收能力也會存在差異。

樹種對重金屬的富集吸收特性，樹種的種類起到?jīng)Q定性因素，同時樹種體內(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]。研究通過相關(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Cu、Pb、Zn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)，對植物體內(nèi)相應(yīng)重金屬含量有促進(jìn)作用。王慧等[25]研究表明，高速路旁土壤中Pb、Cr、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)關(guān)系，與研究一致。樹種體內(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)的重金屬之間有促進(jìn)作用。探明各重金屬種類之間的相關(guān)性，還需相同領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，為重金屬污染提供更好的治理措施。樹種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Cu、Pb、Zn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)，對樹種體內(nèi)相應(yīng)重金屬含量有促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

4.1根際土壤中Cu、Ni、Pb和Zn含量均值分別為40.27、48.03、29.24和120.77 mg/kg，分別是新疆土壤重金屬環(huán)境背景值1.51、1.91、1.53和1.76倍。對研究區(qū)采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價，污染區(qū)為輕度污染。

4.2樹種地下部分重金屬含量高于地上部分。樹種對Cu的富集系數(shù)為：白蠟>紅皮云杉>圓冠榆>樟子松>白榆；對Ni的富集系數(shù)為：紅皮云杉>白榆>樟子松>白蠟>圓冠榆；對Pb的富集系數(shù)為：圓冠榆>樟子松>白蠟>紅皮云杉>白榆；對Zn的富集系數(shù)為：白蠟>樟子松>紅皮云杉>圓冠榆>白榆。

4.3冠榆、紅皮云杉對Pb的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，冠榆、紅皮云杉對重金屬Pb具有超富集效應(yīng)。5種植物對4種重金屬的BTF整體表現(xiàn)為Pb>Ni>Zn>Cu。用隸屬函數(shù)法對研究區(qū)綠化樹種Cu、Ni、Pb與Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)能力進(jìn)行綜合評價，各樹種對重金屬Cu、Ni、Pb與Zn的綜合轉(zhuǎn)運(yùn)能力為：圓冠榆>白榆>紅皮云杉>樟子松>白蠟。