董中凱，阿麗亞·拜都熱拉，宋敏，蔡凱旭，楊公新，孫桂麗

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

隨著國家對西部的大力扶持，新疆東部典型干旱城市吐魯番市相繼引進一系列國內(nèi)著名的能源化工企業(yè)以促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，從而提高人民的生活水平。自2006年以來，諸如中泰化學(xué)、圣雄能源、金風(fēng)科技、天雨煤化等一系列以煤電煤化、新能源裝備制造新型建材行業(yè)為主導(dǎo)的能源化工企業(yè)先后落戶于新疆吐魯番市托克遜縣。據(jù)環(huán)境保護部與國土資源部于2014年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》結(jié)果顯示，全國Cd、As、Cu、Hg等元素污染嚴重。在區(qū)域經(jīng)濟得到飛速發(fā)展的同時，工業(yè)化和城市化帶來的重金屬不斷進入土壤-植物系統(tǒng)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、人體健康及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展受到嚴重威脅。

在工業(yè)化集約發(fā)展的城郊，人為各項生產(chǎn)活動中諸如“三廢”的排放，易致使重金屬元素在區(qū)域土壤中累積，從而對區(qū)域環(huán)境造成重金屬復(fù)合污染，對城郊居民健康安全構(gòu)成一定的威脅。然而，在土壤重金屬污染治理中，目前主要基于植物修復(fù)。有學(xué)者提出應(yīng)用污染區(qū)生長良好的本土先鋒植物對土壤重金屬污染地進行修復(fù)，適生植物在區(qū)域特殊的生境下，已形成良好的適應(yīng)機制，同時避免了引種帶來的生態(tài)入侵的可能性。研究發(fā)現(xiàn)，即使在工業(yè)園區(qū)等重金屬污染較為嚴重的生境下，也有部分植物能夠存活并生長良好[1]。如Yoon等對某工業(yè)園區(qū)的17種本土植物研究發(fā)現(xiàn)，本土植物對Cu、Zn、Pb均具有一定的修復(fù)潛力[2]；Malik等對巴基斯坦一工業(yè)區(qū)周邊16種優(yōu)勢植物研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)植物可作為區(qū)域重金屬污染的候選植物[3]；Sun等發(fā)現(xiàn)工業(yè)區(qū)周邊的植物對As、Cu、Pb等元素具備一定耐受與累積能力[4]；桑樹(Morusalba)具有優(yōu)良的抗旱、生長快、耐剪伐、耐貧瘠、對土壤適應(yīng)性強且根系發(fā)達等優(yōu)點，在新疆干旱地區(qū)被廣泛應(yīng)用于城市綠化建設(shè)中，在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、改善及保護中發(fā)揮著極其重要的作用。

鑒于此，為明確城郊工業(yè)區(qū)周邊適生樹種桑樹對土壤重金屬污染修復(fù)潛力，本研究選取城郊周邊桑樹為研究對象，采集其土壤、植物樣品，測定樣品中Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr等9種重金屬的含量，量化桑樹不同部位對重金屬的富集轉(zhuǎn)運能力，進而探究桑樹對土壤重金屬復(fù)合污染修復(fù)潛力及在重金屬污染預(yù)防治理過程中應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吐魯番市托克遜縣城郊(88°38′43.1″ E，42°46′49″ N)，東與吐魯番市為鄰，南與巴州尉犁縣相接，北與烏魯木齊毗鄰，地理位置優(yōu)越，其工業(yè)園區(qū)在典型的西北干旱區(qū)具有一定的代表性。屬于暖溫帶干旱荒漠氣候，年均氣溫13.8 ℃，極端最高氣溫為48 ℃，年均降水7 mm，是中國降水最少的縣城。土壤質(zhì)地為荒漠風(fēng)沙土。因氣候、植被等因子制約，區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，在工業(yè)集約化發(fā)展的城郊易受到重金屬污染。

1.2 樣品采集及測定

通過前期試驗樣地調(diào)研，沿九龍路方向由北至南，分別在九龍路北段、中段、南段進行樣品采集，同時選擇林帶比較集中的區(qū)域。在九龍路沿線均勻布設(shè)14個樣點，采集桑樹根際土壤、植物樣品。為確保樣品代表性，每樣點重復(fù)采樣3次。

土壤樣品的采集與處理：使用土鉆采集植物根系0～30 cm表層土壤，以四分法取土樣后裝入自封袋中并進行標號。在實驗室剔除樣品異物，置于自然條件下風(fēng)干、磨碎、過100目篩，置于自封袋待測。

土壤樣品測定：采用HF-HClO4法進行消解[5]。使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測定土壤樣品中重金屬Cd、Hg、Pb、Zn、Mn、Ni、As、Cu、Cr的含量。

植物樣品的采集：在每個樣點選取3株無病蟲害、長勢相近的植物，并記錄胸徑、冠幅、株高等生長信息?；谥参锬举|(zhì)部較其樹葉、樹皮富集更穩(wěn)定特點[6]，因此，本研究桑樹地上部以樹干、1～2年生枝條代表。分別在冠幅上、中、下三層沿東、西、南、北四個方向用高枝剪采集植物1～2年生枝條；在樹干東、西、南、北方向以生長錐鉆取樹芯，深度超過髓心以采集樹干樣品；在冠幅投影的2/3處用根鉆沿四個方向采集樹根樣品，將其混合為一個樣品。

植物樣品處理：用純凈水清洗附著于樣品中的雜質(zhì)，再以超純水反復(fù)清洗，吸水紙吸干樣品表面水分后置于恒溫烘箱中105 ℃下殺青，65 ℃烘干至恒質(zhì)量，高速萬能粉碎機粉碎，過100目篩，置于自封袋中待測。

植物樣品測定：采用HNO3-HCO4消解，4∶1的比例[5]。通過ICP測定植物樣品中各重金屬含量。

1.3 研究區(qū)污染評價

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[7，8]計算公式為：

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為i因子的單項污染指數(shù)；Ci為i因子的實測濃度值(mgkg-1)；Si為i因子的評價標準(mgkg-1)，評價標準參考《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準》(GB15618-2018)[9],由于缺少Mn的標準值，采用新疆土壤環(huán)境背景值代替[10]。Piave為指數(shù)平均值；Pimax為單項污染物的最大污染指數(shù)；PN為采樣點的綜合污染指數(shù)。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標準如表1所示。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價分級標準

1.4 植物重金屬富集系數(shù)計算

富集系數(shù)[11]公式為:

(3)

式中：BCF為富集系數(shù)；Ci為植物地上、地下部重金屬元素的含量(mgkg-1)；Cs為植物根際土壤重金屬元素含量(mgkg-1)。

轉(zhuǎn)運系數(shù)[12]，其計算公式為：

(4)

式中：Cabove為植物地上部位重金屬含量實測值(mgkg-1)；Cunder為植物地下部位重金屬元素含量實測值(mgkg-1)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本研究采用Excel2010、SPSS20.0對試驗數(shù)據(jù)進行制表及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬元素描述性統(tǒng)計

城郊工業(yè)區(qū)土壤重金屬含量如表2所示。土壤中Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr平均含量均低于土壤污染風(fēng)險篩選值。其中工業(yè)區(qū)中9種元素分別是對照區(qū)土壤的0.77、1.23、1.11、1.39、2.66、1.38、1.26、1.12、1.29倍，表明在特殊地質(zhì)背景以及人類生產(chǎn)活動共同影響下，區(qū)域土壤產(chǎn)生了不同程度重金屬累積現(xiàn)象。然而除Mn、Ni、Pb低于新疆土壤環(huán)境背景值外，Zn、Cd、Hg、As、Cu、Cr均高于背景值。單因子污染結(jié)果表明，土壤中Mn、Ni、Pb污染指數(shù)均小于1，表明這3種重金屬元素處于清潔狀態(tài)；Zn、Cd、As、Cr污染指數(shù)分別為1.17、1.50、1.47、1.12，均介于1～2之間，表明區(qū)域土壤中Zn、Cd、As、Cu、Cr處于輕度污染水平；Hg元素污染指數(shù)為3.60，大于3，表明該元素處于重度污染水平。內(nèi)梅羅綜合污染結(jié)果表明，區(qū)域土壤重金屬元素整體處于中度污染水平。變異系數(shù)可以很好地反映數(shù)據(jù)波動程度，反映土壤中重金屬元素含量受外界干擾程度強弱。9種元素均屬于中等變異(10%

表2 研究區(qū)土壤重金屬描述性統(tǒng)計結(jié)果 (mg·kg-1)

2.2 土壤重金屬來源解析

從表3土壤重金屬Pearson相關(guān)分析可以看出，Cd-Mn、Pb-Hg元素間在0.05級別顯著相關(guān)；Hg-Mn、Pb-Ni、Hg-Cr、As-Mn、Hg-Cd、As-Cd、Cr-Mn、As-Cr、Hg-As、Cr-Cd均在0.01級別呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系，表明土壤重金屬來源具有較高相似性。然而僅從重金屬元素間的相關(guān)性不足以解釋其來源，須結(jié)合多元統(tǒng)計分析方法判定。

表3 研究區(qū)土壤重金屬元素含量相關(guān)性分析

降維處理可以對元素間相關(guān)性進行更好的解釋。通過對數(shù)據(jù)進行主成分分析檢驗，結(jié)果如表4。KMO檢驗值為0.629，且Bartlett球形檢驗值小于0.05，說明適宜對數(shù)據(jù)進行主成分分析。經(jīng)過最大方差旋轉(zhuǎn)后，獲得3個特征值大于1的主成分因子，即主成分因子1(4.864)、主成分因子2(1.675)、主成分因子3(1.182)，其中3種主成分因子累積方差貢獻率達85.79%，表明可以反映9中重金屬總體污染情況。

表4 研究區(qū)土壤重金屬元素含量主成分分析

土壤重金屬受人為生產(chǎn)活動、成土母質(zhì)因素雙重影響，通過主成分分析可以初步識別重金屬污染來源。從表4、表5可以看出：主成分因子1方差貢獻率為47.561%，Cd、Hg、As、Mn、Cr元素載荷較高，分別為0.926、0.928、0.966、0.76和0.958，主要反映該因子污染來源信息；主成分因子2的方差貢獻率為23.611%，Pb、Ni載荷量最高，分別為0.92、0.96，因此認為Pb、Ni的污染信息可以良好地被其反映；主成分因子3方差貢獻率為14.620%，Cu元素載荷顯著高于其他元素，載荷量為0.882，可以較好反映Cu來源信息。

表5 研究區(qū)土壤重金屬原始和旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

研究區(qū)Cd、Hg、As較強的空間異質(zhì)性可能與區(qū)域煤電煤化、新能源裝備制造新型建材行業(yè)為主導(dǎo)的能源化工企業(yè)的生產(chǎn)活動有關(guān)。Cd、Hg、As較強的空間異質(zhì)性，表明主要受人為源因素影響；Mn、Ni、Zn、Pb、Cu、Cr元素呈中等變異性，可能受人為因素以及自然成土母質(zhì)雙重影響。As被認為是燃煤的標識性元素，主要來源于冶金工業(yè)[13]，同時燃煤、金屬冶煉使As、Cd顯著富集[14]；Cr、Mn元素主要來源于燃煤以及冶金[15]；Hg是燃煤電廠最為典型的排放元素[16]，另電石法PVC的生產(chǎn)工藝中汞觸媒是Hg污染的主要來源。在工業(yè)化集約發(fā)展的城郊，一系列的工業(yè)活動會不同程度排放Mn、Cr、Hg、Cd、As等重金屬元素,故認為主成分因子1與燃煤以及冶金等活動密切相關(guān)。土壤中Pb、Ni均值含量低于新疆土壤環(huán)境背景值，且兩者變異數(shù)較低，表明Pb、Ni可能主要為自然源；巖石風(fēng)化、自然土壤是影響Mn、Ni元素來源的主要因素[17]；研究區(qū)周邊有大面積裸露戈壁以及未鋪裝的土路，在車輛行駛以及劇烈風(fēng)蝕作用下，機動車零部件磨損以及成土母質(zhì)因素為Pb、Ni主要污染源。因此，認為主成分因子2可能受交通污染以及成土母質(zhì)雙重影響。研究表明，在家養(yǎng)禽畜飼料中常含有Zn、Cu添加劑[18]，而禽畜對其利用率低下，排泄物中含有大量Zn、Cu[19]。土壤中Zn、Cu含量的累積可能與城郊路緣農(nóng)田有機肥的長期使用有關(guān)；且交通因素對其也有一定貢獻。因此，將因子3歸為交通源及以有機肥施用的農(nóng)業(yè)源。

2.3 桑樹不同部位重金屬含量分析

由表6可知，各植物地上、地下部Mn、Zn、Cu、Ni含量較大，或因Mn、Zn、Cu、Ni是植物生長的必需微量元素，是植物體內(nèi)某些酶的重要組成成分，植物主動吸收所致[20，21]；而Cd、Hg、Pb、As為植物生理非必需元素，生物富集能力較弱，植物少量富集就足以產(chǎn)生毒性效應(yīng)，因而導(dǎo)致植物對不同元素累積量存在不同差異。各植物對Cr的累積效果也較為明顯，除了是植物必須因素外，Cr元素在自然界中多以三價或六價離子形式存在，易與Pb元素形成沉淀，減弱Pb元素對植物體毒害作用有關(guān)[22]。植物根部對Ni、Pb、As、Cu富集吸收高于地上部，表明植物從土壤中吸收重金屬并穩(wěn)定于根部，避免對植物地上部分的毒害作用的適應(yīng)機制所致[23]。Cu、Pb地下部累積量大于地上部，地上部Zn元素顯著大于地下部，究其原因，可能是Cu、Pb沉積性強，易累積于根部；而Zn遷移性強，易運輸至地上部所致[24]。植物地上部Hg元素含量大于地上部，或因研究區(qū)域生產(chǎn)活動中汞觸媒的使用，導(dǎo)致大氣中Hg元素的釋放，通過大氣沉降被植物地上部吸收所致。研究發(fā)現(xiàn)，植物在環(huán)境中的這種適應(yīng)機制說明，可以平衡植物對重金屬元素的富集轉(zhuǎn)運機制[25]。

表6 桑樹不同部位重金屬元素含量

2.4 桑樹中重金屬元素相關(guān)性研究

為表征植物中9種不同重金屬元素中的某一化合物或多種化合物的富集吸收、轉(zhuǎn)運特征或重金屬來源的信息，對9種植物中重金屬元素進行相關(guān)性分析。

桑樹的相關(guān)系數(shù)如表7所示：Pb-Ni元素呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.540；Hg-Mn、Mn-As、Cd-Cr、Hg-As均在0.01級別呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.787、0.719、0.886、0.945。

表7 桑樹重金屬元素相關(guān)性分析

為了對研究區(qū)內(nèi)各適生植物中重金屬元素間相關(guān)性更好的解釋，需要進行降維處理，通過對各植物中重金屬進行KMO檢驗和Bartlett’s球度檢驗,得到KMO檢驗值為0.513，Bartlett球型檢驗值小于0.05，表明適宜主成分分析。

表8 桑樹重金屬元素含量主成分分析

將桑樹中的重金屬經(jīng)最大方差旋轉(zhuǎn)后共取得4個特征值大于1的主成分因子，即主成分因子1(3.314)、主成分因子2(2.174)、主成分因子3(1.291)，主成分因子4(1.135)，其中4種主成分因子累積方差貢獻率達87.93%，所提取的4個因子可大致反應(yīng)植物重金屬的總體信息。其中PC1中As、Hg、Mn具有較高載荷，該因子主要反映桑樹對As、Hg、Mn元素富集轉(zhuǎn)運特征的相似性；PC2中Cd、Cr具較高正載荷，主要反映Cd、Cr的富集轉(zhuǎn)運的相似特征；PC3的Pb、Ni載荷較高，因此認為這2種元素可以較好反映該植物對其富集轉(zhuǎn)運的相似性；PC4中Zn、Cu元素載荷較高，主要反映桑樹富集轉(zhuǎn)運Cd、Cr元素特征的相似性。

2.5 桑樹對重金屬修復(fù)潛力分析

富集系數(shù)是衡量植物修復(fù)土壤重金屬元素的一個重要指標，當富集系數(shù)大于1時，表明該植物具備良好的富集潛力。另有研究認為，木本植物生物量遠大于草本植物，木本植物富集系數(shù)大于0.4則可認定為對土壤重金屬污染具有較強的富集能力；富集系數(shù)0.1～0.4則可認定為具備一定富集能力；富集系數(shù)小于0.1的木本植物則為富集能力低的植物[26]。富集系數(shù)以及轉(zhuǎn)運系數(shù)可衡量植物對重金屬修復(fù)潛力強弱，富集、轉(zhuǎn)運系數(shù)越大，表明植物對重金屬修復(fù)潛力越強，反之則越弱。

由表9可知，桑樹地上部對Cd、Pb、Cr元素富集系數(shù)均不大于0.1，桑樹地上部表現(xiàn)出對該元素的低富集能力；地上部對Mn、As、Cu元素富集系數(shù)均為0.1～0.4，表明桑樹地上部對Mn、As、Cu具備一定的富集能力；桑樹地上部對Zn、Hg富集系數(shù)分別為0.44、0.52，表明桑樹對其良好的富集能力；桑樹地上部對Ni元素富集系數(shù)為1.37，表現(xiàn)出良好的富集能力。桑樹地下部對Cd元素的富集系數(shù)為0.04，表現(xiàn)出桑樹地下部的低富集能力；地下部對Mn、Zn、Pb、As、Cr元素富集系數(shù)為0.1～0.4，表明桑樹地下部對其具備一定的富集能力；地下部對Hg、Cu元素富集系數(shù)分別為0.40、0.44，地下部表現(xiàn)出對Hg、Cu具備較強的富集能力；對Ni元素富集系數(shù)為2.37，表明桑樹地下部對Ni具備良好的富集能力。桑樹對Zn、Cd、Hg轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，表現(xiàn)出桑樹對Zn、Cd、Hg良好的轉(zhuǎn)運能力。

表10 桑樹對重金屬富集轉(zhuǎn)運系數(shù)

為將桑樹對9種重金屬元素的綜合富集能力進行分級評價，以SPSS26.0軟件將9種重金屬元素的綜合富集系數(shù)進行分級，以類間距5作為分界聚類距離，輸出譜系圖如圖1所示。桑樹對9種重金屬元素綜合富集能力共劃分為2個等級：Ⅰ級元素為Ni；Ⅱ級元素為Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr。綜合分析認為，桑樹對Ni元素綜合富集能力相比于其他元素較強。

圖1 桑樹對9種重金屬元素綜合富集能力分級評價

為將桑樹對9種重金屬元素的轉(zhuǎn)運能力進行分級評價，以SPSS26.0軟件將9種重金屬元素的轉(zhuǎn)運能力進行分級，以類間距5作為分界聚類距離，輸出譜系圖如圖2所示。桑樹對9種重金屬元素轉(zhuǎn)運能力共劃分為3個等級：Ⅰ級元素為Cd；Ⅱ級元素為Hg、Zn；Ⅲ級元素為Mn、Ni、Pb、As、Cu、Cr。綜合分析認為，桑樹對Zn、Cd、Hg轉(zhuǎn)運能力相比于其他元素較強。

圖2 桑樹對9種重金屬元素轉(zhuǎn)運能力分級評價

為將桑樹對9種重金屬元素的修復(fù)潛力進行分級評價，以SPSS26.0軟件將9種重金屬元素的修復(fù)潛力進行分級，以類間距5作為分界聚類距離，輸出譜系圖如圖3所示。桑樹對9種重金屬元素修復(fù)潛力共劃分為3個等級：Ⅰ級元素為Ni；Ⅱ級元素為Hg、Zn、Cd；Ⅲ級元素為Mn、Pb、As、Cu、Cr。綜合分析認為，桑樹對Ni、Zn、Cd、Hg具有較強的修復(fù)潛力。

圖3 桑樹對9種重金屬元素修復(fù)潛力分級評價

3 結(jié)論

3.1 單因子污染結(jié)果表明：城郊工業(yè)區(qū)土壤中Mn、Ni、Pb元素處于清潔狀態(tài)；Zn、Cd、As、Cr處于輕度污染水平；Hg元素處于重度污染水平。內(nèi)梅羅綜合污染結(jié)果表明，區(qū)域土壤重金屬元素整體處于中度污染水平。主成分分析結(jié)果顯示，Mn、Cr、As、Hg、Cd污染可能不同程度受燃煤、金屬冶煉等因素影響；Pb、Ni可能來源于交通源；Cu可能來源于交通源及以有機肥施用的農(nóng)業(yè)源。

3.2 經(jīng)主成分分析，桑樹對As-Hg-Mn，Pb-Ni，Cd-Cr，Zn-Cu元素富集轉(zhuǎn)運特征具有較高的相似性且來源可能相同。

3.3 桑樹對重金屬富集能力整體表現(xiàn)為地上部大于地下部，地上部較強的富集能力可能與土壤、大氣以及植物自身吸收特性有關(guān)。綜合分析認為，桑樹對Ni元素綜合富集能力相比于其他元素較強；對Zn、Cd、Hg具有較強的轉(zhuǎn)運能力；對Ni、Zn、Cd、Hg具有較強的修復(fù)潛力，其中對Ni元素的修復(fù)潛力最強。桑樹在區(qū)域重金屬污染修復(fù)治理中發(fā)揮著重要生態(tài)價值。