張純曦,占玉芳,苗銀,何靖,張婉婷,阿麗亞·拜都熱拉

綠洲城市道路綠化樹種對土壤重金屬富集轉(zhuǎn)運特征及應(yīng)用潛力

張純曦1,占玉芳1,苗銀1,何靖1,張婉婷1,阿麗亞·拜都熱拉2

1. 張掖市林業(yè)科學(xué)研究院, 甘肅 張掖 734000 2. 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

為篩選適合張掖市城市交通道路土壤重金屬污染修復(fù)的綠化樹種，在金張掖大道兩側(cè)采集6種主要綠化樹種的樹根、樹皮和根際土壤樣品，采用電感耦合等離子體法（ICP）和原子熒光法（AFS）測定了Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg元素含量，通過計算富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)評價不同綠化樹種對土壤重金屬的富集和轉(zhuǎn)運能力。結(jié)果表明：6種綠化樹種不同器官重金屬含量存在差異，白蠟樹根中多種重金屬元素含量最高，青海云杉樹皮中多種重金屬元素含量最高；青海云杉對Cd和Zn、白蠟對Cu的富集能力最強；丁香對Cr和Zn、連翹對Cd和Hg、青海云杉對Pb和As、白蠟對Cu、樟子松對Ni的轉(zhuǎn)移能力最強。隸屬函數(shù)計算結(jié)果指出，6種綠化樹種對復(fù)合重金屬污染的轉(zhuǎn)運能力大小依次為青海云杉＞樟子松＞連翹＞丁香＞白蠟=白榆。綜上所述，青海云杉作為張掖市交通道路土壤重金屬污染修復(fù)綠化樹種應(yīng)用潛力巨大，但在日常生產(chǎn)應(yīng)用中，要根據(jù)土壤重金屬污染的類型選擇相應(yīng)的綠化樹種進行栽植，以達到最佳修復(fù)效果。

城市綠化; 土壤重金屬; 樹木生態(tài)

大氣沉降載帶的重金屬污染物是土壤重金屬污染的重要途徑[1]，其粒徑多在10μm以上，主要來自于工業(yè)生產(chǎn)、城市交通、燃煤等人類活動排放的粉塵[2-4]，這些粉塵排放物攜帶SO2、NOx類污染物化學(xué)成分[5]，沉降到地面后，對土壤、植物、水體等造成持久性危害[6-9]，同時在食物鏈的富集和傳遞作用下可能會對動植物、人體健康構(gòu)成威脅[10,11]。植物修復(fù)土壤重金屬污染是指利用綠色植物在生長過程中，通過光合作用、吸收作用等方式，來遷移、容納或轉(zhuǎn)化污染物使其對土壤環(huán)境無害。在眾多的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)被認為是最具潛力的修復(fù)技術(shù)之一，因其具有廉價高效、操作簡單、安全科學(xué)、環(huán)境友好等特點[12-14]。植物對重金屬的累積、轉(zhuǎn)運能力在植物各器官中存在差異性，表現(xiàn)為葉＞皮＞根，其植株主要通過提高高抗氧化酶活性緩解重金屬脅迫[15,16]。木本植物較之于草本植物其生物量高，綠化覆蓋面積及綠化空間輻射占有量大，其巨大的根、莖、葉可以同時作用于環(huán)境，對重金屬污染物的吸附效果顯著[17]。研究表明干旱半干旱綠洲城市中對復(fù)合型重金屬污染潛在修復(fù)價值相對較高的綠化樹種有紅皮云杉、復(fù)葉槭、圓冠榆、樟子松、火炬樹等，而大葉白蠟、新疆楊、榆葉梅、垂柳對土壤重金屬的富集轉(zhuǎn)運能力相對較弱[18]。同時園林綠化植物對重金屬的吸滯能力也在多城市環(huán)境中表現(xiàn)出差異，如女貞、廣玉蘭葉片吸滯重金屬在南方城市大于北方城市，懸鈴木葉片吸滯重金屬量在北方城市大于南方城市[19]。綜上所述，不同種類的植物對重金屬污染土壤有著不同的耐受性，其對污染物的吸收能力也存在較大差異，因此，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)該結(jié)合土壤的重金屬污染物種類以及植物對重金屬的吸附類別差異，選擇較為合適的植物種類和配置進行栽植，已達到最佳修復(fù)效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河西走廊城市張掖市（97°20′～102°12′E，37°28′～39°57′N），屬溫帶干旱半干旱氣候，年平均氣溫4.1～8.3 ℃，年平均降水量112.3～354.0mm，年平均蒸發(fā)量1 672.1～2 358.4 mm，干旱少雨，蒸發(fā)量明顯大于降水量。研究區(qū)土壤為沙礫土，pH值為7.98。根據(jù)前期對張掖市交通流量和城市主要綠化樹種的調(diào)查，采樣區(qū)布設(shè)在交通流量較大的金張掖大道北側(cè)綠化林帶內(nèi)。選擇無病蟲害、長勢優(yōu)良的6種常見綠化樹種（種類和生長狀況見表1）于2022年5月10日對綠化樹種的根際土壤、樹根、樹皮進行采樣，采樣時大氣溫度為14～22 ℃，濕度為25～30 RH，風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)向為南風(fēng)。雙向車流量為58輛/min。

表 1 采樣樹種及生長狀況

1.2 采樣方法

1.2.1 植物樣品采集植物樣品的采集主要包括對6種綠化樹種樹根和樹皮的采集。在金張掖大道西側(cè)綠化林帶內(nèi)，每個綠化樹種選擇3棵樹齡、胸徑、樹高大致相同的綠化樹種，用樹皮鏟在其胸徑位置（距離地面1.3 m處）采集樹皮，3棵樹種采集的樹皮分別作為3個樣品，共18個樹皮樣品。并在樹冠垂直投影三分之二處采集樹根樣品，共18個植物根部樣品。將采集好的植物樣品小心置于聚乙烯密封袋中，貼好標簽，當日帶回實驗室。

1.2.2 土壤樣品采集利用取土鉆在采集綠化樹種根部樣品的同時，采集根部四周表層（0～30 cm）土壤樣品3～4個，每個不少于0.5 kg，混合均勻作為一個平均樣品，再反復(fù)使用四分法縮減，至最后的土壤樣品量不少于1 kg，置于聚乙烯密封袋中，貼好標簽，共18個根際土壤樣品，當日與植物樣品一起帶回實驗室。

1.3 樣品測試

1.3.1 植物樣品測試將帶回實驗室的植物樣品用去離子水清洗黏附在植物表面的泥土和其他雜質(zhì)，循環(huán)3次，晾干，在105 ℃下殺青45 min，70 ℃烘干72 h至恒重，粉碎，均勻混合后用精密天平稱取2.000 g樣品，加酸50 mL震蕩1 h，過濾、離心（13 000 r/min），取上清液1 mL稀釋10倍，再過0.45 μm濾膜進行分析。樣品中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni元素測定利用電感耦合等離子體法（ICP），As和Hg元素利用原子熒光法（AFS）進行測定。

1.3.2 土壤樣品測試將帶回實驗室的土壤樣品放置在牛皮紙上自然風(fēng)干、碾碎，去除其中的碎石、植物殘體等雜物，過200目尼龍篩后，稱取1.000 g，置于聚四氟乙烯干鍋中，加入7 mL的HF、7 mL的HClO4溶液，消煮到快干時，取下干堝待冷卻后，再加入7 mL的HF溶液，繼續(xù)消煮到快干后，取下干堝冷卻后，在加入20 mL的蒸餾水，再次加熱近干。冷卻后，加入5 mL的3% HNO3溶液，加熱溶解，溶液澄清后，定容至50 mL的容量瓶中，并過濾至10 mL的塑料管進行分析。樣品中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni元素測定利用電感耦合等離子體法（ICP），As和Hg元素利用原子熒光法（AFS）進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

富集系數(shù)(Bioconcen tration Factor，）是衡量植物吸收和轉(zhuǎn)運重金屬能力的指標之一，其計算公式為[20]：=C/S(1)

式中：為富集系數(shù)，值越大，表示植物對重金屬的富集能力越強；C表示植物樣品中的重金屬含量（mg/kg）；S表示土壤樣品中的重金屬含量（mg/kg）。

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（Biological transfer facter，)：體現(xiàn)植物從根部向地上部運輸重金屬的能力。

（地上部/根）×100%(2)

越大，說明植物由根部向地上部運輸重金屬元素的能力越強。

采用隸屬函數(shù)法對其進行綜合評價。計算公式為：(μ) =（min）/（max-min） (3)

式中：為某一指標的測定值；max為某一指標的測定值中最大值；min為某一指標的測定值中最小值，而后求取隸屬函數(shù)值的平均值。

實驗數(shù)據(jù)借助于SPSS27.0進行單因素方差分析（One-Way ANOVA），采用最小顯著性差異法（LSD）進行多重比較，圖形借助于Excel進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠化樹種不同器官中重金屬含量差異

2.1.1 樹根中重金屬元素含量差異采用單因素方差分析方法，研究青海云杉、樟子松、白蠟、白榆、丁香、連翹樹根中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg共8項重金屬元素含量的差異性，如表2所示。6種綠化樹種根樣本Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg重金屬含量均呈現(xiàn)出顯著差異（<0.05），具體分析可知，Cr含量為白蠟＞丁香=青海云杉，連翹最低；Cd含量為樟子松=丁香=青海云杉，連翹最低；Pb含量為白蠟＞連翹，樟子松最低；Cu含量白蠟＞丁香，樟子松最低；Zn含量為青海云杉＞丁香，樟子松最低；Ni含量為白蠟＞丁香，樟子松最低；As元素為白蠟＞白榆，連翹最低；Hg元素為青海云杉=白榆＞白蠟=連翹，丁香最低。按照樹根重金屬含量大小且最大含量重金屬元素數(shù)量，綠化樹種排序依次為白蠟＞丁香＞青海云杉＞白榆＞樟子松＞連翹。

2.1.2 樹皮中重金屬元素含量差異采用單因素方差分析方法，研究6種綠化樹種樹皮中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、 Ni、As、Hg共8項重金屬元素的差異性，如表3所示。6種綠化樹種皮樣本Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg重金屬含量均呈現(xiàn)出顯著差異（<0.05），樹皮樣本中Cr含量青海云杉＞連翹，丁香最低；Cd元素各樹種皮中含量差異性不顯著；Pb含量青海云杉＞連翹，白榆最低；Cu含量白蠟＞連翹，樟子松最低；Zn含量青海云杉＞丁香，白榆最低；Ni含量青海云杉＞丁香，白榆最低；As含量青海云杉＞連翹，白蠟最低；Hg含量白榆＞青海云杉，樟子松=丁香=連翹含量最低。按照樹皮重金屬含量大小且最大含量重金屬元素數(shù)量，綠化樹種排序依次為青海云杉＞連翹＞丁香＞白榆＞樟子松＞白榆。

表 2 不同綠化樹種樹根重金屬含量差異

注：平均值±標準差（=3）;大寫字母ABCDEF表示同一綠化樹種不同重金屬元素含量差異性顯著（<0.05）；小寫字母abcdef表示同一重金屬元素不同綠化樹種含量差異性顯著顯著（<0.05）。

Note: mean ± standard deviation (=3); The capital letters ABCDEF indicate that the content of different heavy metal elements in the same greening tree species is significantly different (<0.05); The lowercase letter abcdef indicates that the content of the same heavy metal element is significantly different among different greening tree species (<0.05).

表3 不同綠化樹種皮中重金屬含量差異

Table 3 Difference of heavy metal content in seed bark of different greening trees

注：平均值±標準差（=3）;大寫字母ABCDEF表示同一綠化樹種不同重金屬元素含量差異性顯著（<0.05）；小寫字母abcdef表示同一重金屬元素不同綠化樹種含量差異性顯著顯著（<0.05）。

Note: mean ± standard deviation (=3); The capital letters ABCDEF indicate that the content of different heavy metal elements in the same greening tree species is significantly different (<0.05); The lowercase letter abcdef indicates that the content of the same heavy metal element is significantly different among different greening tree species (<0.05).

2.2 綠化樹種不同器官對土壤重金屬的富集能力和轉(zhuǎn)運特征

2.2.1 綠化樹種不同器官對土壤重金屬的富集能力對青海云杉、樟子松、白蠟、白榆、丁香、連翹6種綠化樹種根際土壤、根、皮中Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg元素含量分別求均值，計算其根、葉對根際土壤重金屬的富集能力（BCF），如表4所示。青海云杉樹根對Cd的富集系數(shù)為1.23，白蠟根部對Cu的富集系數(shù)為1.01，青海云杉樹皮對Zn的富集系數(shù)為1.02，白蠟樹皮對Cu的富集系數(shù)為2.44，富集系數(shù)大于1，其余4種綠化樹種樹根和樹皮對重金屬的富集系數(shù)均小于1。

表 4 綠化樹種樹根對土壤重金屬的富集能力

2.2.2 綠化樹種對土壤重金屬的轉(zhuǎn)運特征計算6種綠化樹種樹皮的重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）（圖1）。

圖 1 綠化樹種對土壤重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)

對Cr元素轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的綠化樹種依次是丁香＞青海云杉＞樟子松＞白榆＞100%；對Cd元素轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的綠化樹種依次是連翹＞丁香＞100%；對Pb轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的是綠化樹種依次是青海云杉＞樟子松＞100%；對Cu轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的綠化樹種依次是白蠟＞樟子松＞青海云杉＞連翹＞白榆＞丁香＞100%；對Zn轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的綠化樹種依次為丁香＞樟子松＞白蠟＞連翹＞青海云杉＞100%；對Ni轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的綠化樹種依次為樟子松＞青海云杉＞丁香＞白榆＞白蠟＞100%；對As轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的綠化樹種依次為青海云杉＞丁香＞連翹＞樟子松＞白榆＞100%；對Hg轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的綠化樹種依次為連翹＞白榆＞青海云杉＞白蠟＞100%，表明這些綠化樹種容易將重金屬元素從樹根轉(zhuǎn)移到地上的樹皮。綜上所述，丁香對Cr、Zn元素的轉(zhuǎn)移能力最強，連翹對Cd、Hg的轉(zhuǎn)移能力最強，青海云杉對Pb、As的轉(zhuǎn)移能力最強，白蠟對Cu的轉(zhuǎn)移能力最強，樟子松對Ni的轉(zhuǎn)移能力最強。

2.3 綠化樹種對土壤重金屬的轉(zhuǎn)運能力評價

采用隸屬函數(shù)法對6種綠化樹種轉(zhuǎn)運Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg能力進行綜合評價，如表5。6種綠化樹行對Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg能力由大到小的排序為青海云杉、樟子松、連翹、丁香、白蠟與白榆。

表5 綠化樹種對土壤重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)隸屬函數(shù)值

Table 5 Membership function values of heavy metal transport coefficients of green tree species to soil

3 討論

本研究通過計算綠化樹種對根際土壤重金屬Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Hg元素的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)、隸屬函數(shù)來篩選該區(qū)域抗土壤重金屬污染的綠化樹種。從重金屬元素種類上來看，6種綠化樹種中青海云杉、樟子松、白榆、丁香、連翹5種類型樹根和樹皮中Zn含量均最高，其次是Cr、Zu、Pb。這主要是因為Zn元素作為植物體內(nèi)酶的組分和金屬活化劑對植物中碳水化合物的代謝及生長素合成有重要作用，是植物生長發(fā)育必需的微量元素，因此在植物體內(nèi)含量最高，這與葛坤等人的研究結(jié)論相同[21]，同時采樣地點位于張掖市金張掖大道兩側(cè)交通道路綠地，受交通運輸排放影響。已有研究結(jié)果表明，交通工具尾氣排放、輪胎摩擦、燃油泄漏等是造成市區(qū)土壤Pb污染的主要原因[22]，其中柴油尾氣是道路交通重金屬的主要來源，占總排放量的62%～93%[23]，除此之外還有一定量的Cr、Cu、Zn等污染[24]。這些攜帶重金屬污染物的道路細小顆粒污染物隨著風(fēng)和車輛運動而懸浮在大氣中，因降水、重力等因素重新沉降在路邊土壤中，被道路綠化植被截留[25]，通過植物的蒸騰拉力、水分、營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)運等生理作用，將重金屬富集儲存在體內(nèi)[26]，或通過落葉等方式，將重金屬元素轉(zhuǎn)運至植物體外。從綠化樹種對重金屬的富集能力來看，白蠟樹根和樹皮對Cu元素的富集能力最強，青海云杉樹根對Cd、樹皮對Zn的富集能力最強，這與李彩霞[27]對長沙市綠化植物富集能力研究所得“喬木對Cu的生物富集普遍較低”的結(jié)論相反，可能是因為本研究和李彩霞等研究采集的植物樣本器官不一致，李彩霞等研究采集的是植物的樹根和樹葉部分，本研究采集的是植物的樹皮和樹根部分，加之本研究位于河西走廊綠洲城市，李彩霞等人研究位于長沙市，由于地理位置以及城市發(fā)展水平，人口密度等的差異，導(dǎo)致研究結(jié)論存在差異，已有研究結(jié)果表明，園林綠化植物對重金屬的吸滯能力在多城市環(huán)境中表現(xiàn)出差異[19]。從綠化樹種對重金屬的轉(zhuǎn)運能力來看，6種綠化樹種對重金屬的轉(zhuǎn)運能力在元素種類間存在差異性，這與彭小東等人對烏魯木齊河灘快速路域綠化樹種重金屬累積效應(yīng)研究所得結(jié)論相同[18,28]。青海云杉作為常綠針葉喬木樹種，雖生物量較小，但由于其樹皮粗糙，樹皮表面微結(jié)構(gòu)排列著規(guī)則的凹槽，故而在除樹根轉(zhuǎn)運至樹皮的重金屬外，還對大氣降塵中載帶的重金屬具有很強的捕獲和滯留作用，因此相比較于其它5種綠化樹種，青海云杉樹皮中重金屬元素的含量較高，這與劉麗等[29]對烏魯木齊河灘快速路林帶紅皮云杉不同器官累計重金屬元素特征所得結(jié)論一致。從綜合評價的結(jié)果上來看，青海云杉是修復(fù)綠洲城市張掖市城市交通道路土壤重金屬污染最具潛力的綠化樹種。

綜上，本研究通過分析河西走廊綠洲城市張掖市城市道路綠化樹種對土壤重金屬的富集、轉(zhuǎn)運特征，初步探討了研究區(qū)域綠化樹種積累轉(zhuǎn)能力，并對其轉(zhuǎn)運能力進行了評價，研究結(jié)論可為張掖市城市交通道路綠化林帶樹種的篩選提供依據(jù)。同時，本研究也存在一定的局限性，本文研究綠化樹種重金屬富集能力時采集的樣品為植物的樹根、樹皮以及根際土壤，因河西走廊地區(qū)氣候轉(zhuǎn)暖較遲，植物物候發(fā)育較遲，采樣時植物葉片不是最佳采樣時間，因此研究中缺少了植物葉片數(shù)據(jù)，有待下一步進行補充。研究中未展開綠化樹種重金屬含量與區(qū)域污染物來源分析，加之張掖市未開展土壤重金屬污染背景值調(diào)查，因此今后的研究中應(yīng)綜合考慮土壤重金屬含量本底值，以便更科學(xué)的解析園林綠化植物對土壤重金屬污染修復(fù)治理的意義。

4 結(jié)論

（1）綠化樹種不同器官重金屬含量存在差異性。白蠟樹根復(fù)合重金屬含量高，青海云杉樹皮復(fù)合重金屬含量最高；

（2）青海云杉對Cd、Cu的富集能力最強，白蠟對Cu的富集能力最強，青海云杉用來修復(fù)Cd、Cu污染的土壤潛力較高，白蠟用來修復(fù)Cd、Cu污染的土壤潛力較高；

（3）丁香對Cr、Zn、連翹對Cd、Hg、青海云杉對Pb、As、白蠟對Cu，樟子松對Ni的轉(zhuǎn)移能力最強，容易將相應(yīng)的重金屬元素從根部轉(zhuǎn)運到地上部分；

（4）6種綠化樹行對復(fù)合污染重金屬的轉(zhuǎn)運能力大小依次為青海云杉＞樟子松＞連翹＞丁香＞白蠟=白榆。

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Accumulation and Transport Characteristics of Soil Heavy Metals by Green Tree Species on Oasis Urban Road and Their Application Potential

ZHANG Chun-xi1, ZHAN Yu-fang1, MIAO Yin1, HEJing1, ZHANGWan-ting1, Aliya·BIDUZELA2

1.,734000,2.,830052,

In order to select greening tree species suitable for the remediation of heavy metal pollution in the traffic road soil of Zhangye City. The roots, bark and rhizosphere soil samples of six main greening trees were collected on both sides of Jinzhangye Avenue, and the contents of Cr, Cd, Pb, Cu, Zn, Ni, As and Hg were determined by inductively coupled plasma (ICP) and atomic fluorescence spectrometry (AFS), The enrichment and transport capacity of different greening tree species to soil heavy metals were evaluated by calculating enrichment coefficient and transport coefficient. The results showed that the contents of heavy metals in different organs of six greening trees were different. The contents of many heavy metals in the roots ofwere the highest, and those in the bark ofwere the highest.has the strongest ability to enrich Cd and Zn, andhas the strongest ability to enrich Cu.to transfer Cr and Zn,to Cd and Hg,to Pb and As,to Cu andto Ni has the strongest ability. The calculation results of the membership function indicate that the transport capacity of the six greening trees to the compound heavy metal pollution is>>>>=To sum up,has great potential as a green tree species for heavy metal pollution remediation of traffic road soil in Zhangye City. However, in daily production and application, appropriate green tree species should be selected and planted according to the type of heavy metal pollution in soil to achieve the best remediation effect.

Urban landscaping; soil heavy metals; trees ecology

S718.45

A

1000-2324(2023)02-0246-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.013

2022-12-14

2023-01-20

甘肅省青年科技基金計劃:河西走廊地區(qū)抗土壤重金屬污染綠化樹種篩選(21JR7RG882)

張純曦(1995-),女,碩士研究生,助理工程師,專業(yè)方向為林業(yè)生態(tài)工程與管理. E-mail:zcx@c4dlx.com