云南地區不同園林植物對土壤重金屬的吸收富集特征

樊佳奇　牛來春　龐磊

摘要：以云南省昆明市道路園林綠化植物（紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷）為試材，采用等離子體原子發射光譜法（ICP-AES），分析5種園林綠化植物對6種重金屬元素（Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb）的吸收富集特征。結果表明：不同園林植物土壤重金屬平均含量大小依次為Zn>Mn>Pb> Cu>Ni>Cd，不同園林植物土壤重金屬含量基本表現為 石楠> 枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動。昆明市土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均沒有超標，但Cd含量是國家土壤環境質量二級標準的6.0～15.5倍。不同園林植物相同器官中重金屬含量基本表現為石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動，重金屬平均含量基本表現為Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，重金屬含量在各器官基本表現為葉>莖>根。不同園林植物對重金屬的富集能力基本表現為Cu=Mn=Zn>Ni>Pb>Cd，各器官對重金屬元素的富集能力基本表現為葉>莖>根；不同園林植物對Cu、Mn、Zn的平均富集系數均大于1，對Ni的平均富集系數接近于1，對Pb、Cd的平均富集系數均小于1；不同園林植物對重金屬的轉移能力依次表現為Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。相關性分析表明，不同園林植物體內重金屬含量主要依賴于土壤重金屬含量。紫薇、石榴、石楠對重金屬的吸收和富集作用強于其他園林植物。

關鍵詞：園林植物；土壤重金屬；吸收；富集

中圖分類號： X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0467-05

重金屬元素是一類難降解、污染嚴重、具有累積性的元素，通過生物鏈的富集作用危及人類健康，對生態系統構成了潛在威脅，也對城市本身的生存與發展提出嚴峻挑戰[1-3]。園林植物是城市-景觀復合生態系統的重要組成部分，對大氣中的粉塵、顆粒物有過濾、阻擋、吸附的作用，在凈化空氣、修復重金屬、調節氣候、改善城市生態環境等方面起著“除污吐新”的作用，通過種植園林植物修復重金屬污染土壤已成為近年來的研究熱點[4-5]。為建立良性的城市生態系統，迫切需要認識園林植物與生態環境之間的關系，尤其是園林植物在土壤重金屬修復方面的作用[4-5]。園林植物因其自身的生存環境和生長規律，對重金屬的富集及修復能力差異較大，城市綠地建設必須遵循植物本身的生長規律[6-7]。因此，選擇適合城市建設的園林綠化樹種是城市綠地設計的基礎及改善城市環境質量的重要保障。近年來，有關園林植物對重金屬元素吸收富集特征的研究較多，關注的焦點也主要集中在對城市生態系統園林植物區系和種類劃分等方面，忽視了園林植物在城市建設過程中的重要作用。云南省昆明市是我國通往東南亞及南亞次大陸的重要交通樞紐，享有“春城”“花城”的美譽[8-9]。本研究對昆明市園林植物現狀進行摸底調查，最后在昆明市主要街道選取紫薇（Lagerstroemia indica）、石榴（Punica granatum）、石楠（Photinia serrulata）、海棠（Chaenomeles speciosa）、枇杷（Eriobotrya japonica）等5種主要園林植物，采用等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）分析這5種主要的園林植物對Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb等6種重金屬元素的吸收富集特征，并且對植物體內不同器官及土壤中重金屬含量進行比較，旨在為不同園林植物在城市景觀配置、重金屬污染防治、選擇合適城建植物等方面提供更多的物種資源。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

昆明市（102°10′～102°40′E，24°23′～26°22′N）地處滇中高原的東北部，面積約2.16萬km2，屬亞熱帶高原山地季風氣候，植物資源豐富，日照時間長，紫外線強度較高，相對濕度為74%，年平均氣溫14.5 ℃，年極端最高溫度為30.4 ℃，最低溫度為-7.8 ℃，無霜期240 d，年平均降水量1 030 mm，中心海拔約1 800 m，大部分地區海拔為1 500～2 800 m。市區土壤類型復雜多樣，多由石灰巖玄、頁巖、武巖等成土母巖發育而成，主要包括棕壤、紅壤、石灰巖土、水稻土、黃棕壤、沼澤土等，多呈弱酸性，紅壤為基帶土壤，在城市建設過程中，大量的煤渣和灰燼混雜在土壤中，導致市區土壤肥力較低。作為中國生物資源和植物區系最豐富的省份，云南省擁有占全國50%以上的植物種類，近幾年，昆明市城市綠地覆蓋率從1985年的12.23%上升至2012年的43.6%。筆者實地考察發現，昆明市道路園林綠化植物中基調樹種包括香樟（Cinnamomum camphora）、紫薇、石榴、天竺桂（Cinnamomum pedunculatum）、銀杏（Ginkgo biloba）、懸鈴木（Platanus acerifolia）、荷花玉蘭（Magnolia grandiflora）、三角楓（Acer buergerianum）、黃連木（Pistacia chinensis）、滇青岡（Cyclobalanopsis glaucoides）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、桂花（Osmanthus fragrans）、山茶（Camellia japonica）、海棠、枇杷、紅葉檵木（Redrlowered loropetalum）、小葉女貞（Ligustrum quihoui）、南天竹（Nandina domestica）、八角金盤（Fatsia japonica）、杜鵑（Rhododendron）、石楠等。

1.2 采樣方法

根據昆明市城區道路園林綠化植物的分布及種類，2013—2015年7月中旬分別在昆明市區3條主要街道采集紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷等園林植物（作為3次重復，統計見表1，統計數據時間為2015年），每條街道分別選取5株紫薇、石榴、石楠、海棠、枇杷作為研究對象，2013年7月中旬第1次取樣時做標記以便長期觀測，分別從每個植株的東、西、南、北方向均勻收集葉片，枝剪剪取上、中、下部分莖（去皮，盡量不要干擾植物），將剪取的莖、葉封存于錐形瓶內，蒸餾水洗凈，晾干，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質量，粉碎過40目篩保存備用。同時挖取不同園林植物的部分根系（夠測量即可），帶回實驗室，采用四分法采集不同園林植物根系周圍的土壤（0～20 cm），土壤經自然風干，去除石塊、植物殘體等殘雜物，研磨后過60目篩后備用。

1.3 測定指標

稱取粉碎后的植物或者自然晾干的土壤樣品0.2 g，放入聚四氟乙烯消解罐中，加入混合酸HClO4-HNO3-HF（HNO3和HClO4體積比為5 ∶ 1）后采用新儀MDS6型微波消解儀消解，消解后的樣品經加熱趕酸后蒸餾水定容，采用等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）測定植物或者土壤樣品中Zn、Mn、Pb、Cu、Ni、Cd含量。

植物各器官重金屬含量富集系數=各器官重金屬含量/土壤重金屬含量[10-11]；

（1）

轉移系數=植物地上（莖和葉的平均值）重金屬含量/地下（根）重金屬含量[10-11]。

（2）

1.4 數據處理

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進行數據統計和方差分析，進行LSD多重比較，Pearson分析土壤與植物重金屬含量的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同園林植物土壤重金屬含量

由圖1可知，不同園林植物土壤重金屬平均含量由高到低依次為Zn>Mn>Pb> Cu>Ni>Cd，土壤Mn含量變化范圍為81.7～95.6 mg/kg，平均含量為88.3 mg/kg；土壤Cu含量的變化范圍為53.7～69.5 mg/kg，平均含量為 61.5 mg/kg；土壤Zn含量的變化范圍為187.2～203.5 mg/kg，平均含量為195.7 mg/kg；土壤Ni含量的變化范圍為35.4～48.6 mg/kg，平均含量為40.9 mg/kg；土壤Cd含量的變化范圍為3.6～9.3 mg/kg，平均含量為6.9 mg/kg；土壤Pb含量的變化范圍為76.3～85.6 mg/kg，平均含量為81.6 mg/kg。不同園林植物土壤重金屬含量基本表現為 石楠> 枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動，其中土壤Pb含量在不同園林植物之間多差異不顯著（P>0.05）。不同園林植物各重金屬含量變異程度不一致，其中Cd含量變異程度較大，Zn含量變異程度較小。

與 GB 15618—1995《土壤環境質量標準》二級標準比較，除Mn外，土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均沒有超標，但Cd含量是國家土壤環境質量二級標準的6.0～15.5倍；除Mn外，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量分別是中國土壤重金屬平均值的2.38～3.08、2.61～2.74、1.18～1.81、37.11～95.88、2.93～3.29倍，綜合比較可知，云南省存在較為嚴重的重金屬污染，其中以Cd污染最為嚴重。造成這種現象的原因主要是城市園林植物土壤受人類活動影響程度不同或是園林植物栽培過程中土壤來源不同，也可能由環境和大氣污染所致（表2）。

2.2 不同園林植物不同器官重金屬含量

由表3可知，不同園林植物相同器官中重金屬含量差異較大，不同園林植物各器官重金屬含量變化趨勢相一致，基本表現為石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動。不同園林植物重金屬平均含量基本表現為Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd；即使是相同種植物，相同重金屬在不同器官中的含量也不盡相同，同種植物重金屬含量在各器官基本表現為 葉> 莖>根，并且葉和莖中含量遠高于根，表現出明顯的富集作用。不同園林植物中Mn含量平均值變化范圍在109.5～129.0 mg/kg之間，Cu含量平均值變化范圍在76.4～91.3 mg/kg 之間，Zn含量平均值變化范圍在263.7～278.1 mg/kg 之間，Ni含量平均值變化范圍在29.8～45.7 mg/kg 之間，Cd含量平均值變化范圍在3.1～4.7 mg/kg 之間，Pb含量平均值變化范圍在40.6～57.0 mg/kg 之間。其中紫薇和海棠植株體內平均Mn含量差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于其他園林植物（P<0.05）；石楠植株體內平均Mn、Cu、Zn、Ni、Pb含量均顯著高于其他園林植物（P0.05）；紫薇植株體內Cu、Zn平均含量顯著低于其他園林植物（P0.05）；紫薇和海棠植株體內Cd含量差異不顯著（P>0.05），顯著低于其他園林植物（P0.05）。

2.3 不同園林植物重金屬的富集系數

富集系數是衡量超富集植物的重要特征，園林植物不同器官對重金屬的吸收富集作用明顯不同，富集系數能反映植物對重金屬的富集和吸收能力[10-11]。結合不同園林植物不同器官重金屬含量和土壤重金屬含量，可計算出各器官對重金屬元素的富集系數及轉移系數（表4、表5），不同園林植物對重金屬的吸收富集規律不盡相同。不同園林植物對Mn的平均富集系數變化范圍在1.3～1.4之間，Cu的平均富集系數變化范圍在1.3～1.4之間，Zn的平均富集系數變化范圍在1.3～1.4之間，Ni的平均富集系數變化范圍在0.9～1.0之間，Cd的平均富集系數變化范圍在0.5～0.9之間，Pb的平均富集系數變化范圍在0.5～0.7之間。不同園林植物對Cu、Mn、Zn、Ni、Pb的平均富集系數差異均不顯著。石榴、石楠、枇杷對Cd的平均富集系數差異不顯著（PNi>Pb>Cd，局部有所波動；不同園林植物各器官對重金屬元素的富集能力存在著一定的差異，基本表現為葉>莖>根；不同園林植物對Cu、Mn、Zn的平均富集系數接近一致，并且均大于1，對Ni的平均富集系數接近于1，對Pb、Cd的平均富集系數均小于1。

2.4 不同園林植物重金屬的轉移系數

轉移系數是植物地上部分元素的含量與地下部分同種元素含量的比值，常被用來評價植物將重金屬從地下向地上的運輸和富集能力[10-11]。轉移系數越大，表明重金屬從根系向地上器官轉運能力越強。本研究采用植物葉和莖元素平均含量與植物根系中元素含量的比值作為該元素的轉移系數[10-11]。由表5可知，不同園林植物對Mn的轉移系數變化范圍在1.06～1.12之間，Cu的轉移系數變化范圍在1.05～1.13之間，Zn的轉移系數變化范圍在1.04～1.05之間，Ni的轉移系數變化范圍在1.16～1.41之間，Cd的轉移系數變化范圍在1.13～1.66之間，Pb的轉移系數變化范圍在1.14～1.37 之間。石榴、紫薇對Mn的轉移能力較高，石楠和海棠對Cu的轉移能力較高，6種園林植物對Zn的轉移能力基本一致，紫薇、石榴對Ni的轉移能力較高，紫薇對Cd的轉移能力較高，石榴對Pb的轉移能力較高。綜合比較而言，石榴和紫薇對重金屬的轉移能力較高。不同園林植物對重金屬的轉移能力依次表現為Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。

2.5 不同器官與土壤重金屬含量相關性分析

對不同園林植物各器官中重金屬的含量與土壤重金屬含量相關性進行分析。由表6可知，紫薇根中Mn、Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量與土壤中Mn、Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量呈極顯著正相關（P<0.01）；莖中Cu、Zn、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01）；葉中Mn、Cu、Cd含量與土壤中Mn、Cu、Cd含量呈顯著正相關（P<0.05）。石榴根中Cu、Zn、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01），Mn、Ni、Pb含量與土壤中Mn、Ni、Pb含量呈顯著正相關（P<0.05）；莖中Cu、Zn、Ni、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Ni、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01）；葉中Cd含量與土壤中Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01），Cu、Zn含量與土壤中Cu、Zn含量呈顯著正相關（P<0.05）。石楠根中Cu、Zn、Cd、Pb與土壤中Cu、Zn、Cd、Pb含量呈極顯著正相關（P<0.01），Ni含量與土壤中Ni含量顯著正相關（P<0.05）；莖中Cu、Zn、Cd、Pb含量與土壤中Cu、Zn、Cd、Pb含量呈極顯著正相關（P<0.01）；葉中Cu、Zn、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01）。海棠根中Cu、Cd含量與土壤中Cu、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01），Mn、Zn、Ni含量與土壤中Mn、Zn、Ni含量呈顯著正相關（P<0.05）；莖中Zn、Cd含量與土壤中Zn、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01），Pb含量與土壤中Pb含量呈顯著正相關（P<0.05）；葉中Cu、Cd含量與土壤中Cu、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01）。枇杷根中Mn、Cu、Cd含量與土壤中Mn、Cu、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01），Zn、Pb含量與土壤中Zn、Pb含量呈顯著正相關（P<0.05）；莖中Cu、Zn、Cd含量與土壤中Cu、Zn、Cd含量呈極顯著正相關（P<0.01）。

3 結論與討論

云南省昆明市土壤中Zn、Pb、Cu、Ni平均含量均沒有超標，但Cd含量是國家土壤環境質量二級標準的6.0～15.5倍；除Mn外，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb含量分別高出中國土壤重金屬平均值，存在較為嚴重的重金屬污染，其中以Cd的污染最為嚴重。造成這種現象的主要原因是城市園林植物土壤受人類活動影響程度不同或園林植物栽培過程中土壤來源不同，也可能由環境和大氣污染所導致。

不同園林植物對Mn、Cu、Zn的富集系數最大，但對Mn、Cu、Zn的轉移系數并不是最大，表明不同園林植物對Mn、Cu、Zn元素同時具有超富集植物的2個基本特征，不同園林植物對土壤Mn、Cu、Zn污染比較敏感，植物能將重金屬Mn、Cu、Zn大量富集在地下部，表現出一定的富集重金屬能力；不同園林植物對Ni、Cd、Pb富集系數較小，但對Ni、Cd、Pb轉移系數最大?？梢?，富集系數和轉移系數有一定區別，分別表征植物的富集能力和轉運能力，與植物的生理生化和遺傳變異關系密切[6-7]。有研究認為，地上部分重金屬含量大于根部（轉移系數大于1）的植物對于重金屬超富集植物的篩選可能更有意義[10-11]。對于園林植物，轉移系數越大，說明其對土壤重金屬的修復效應越大，本研究中，不同園林植物對重金屬的轉移系數均大于1，對于植物修復來說非常有利，是良好的園林綠化植物，對Ni、Cd、Pb的吸收能力較強。綜合分析可知，紫薇、石榴對土壤重金屬的吸收能力均較強，具備超富集植物的潛能，植物葉片的貢獻相對較大，不同園林植物均具有修復重金屬污染土壤的潛力，今后應再進一步對它們所存在的環境風險進行評估。

不同園林植物對不同重金屬元素吸收、遷移、累積能力不一樣，植物不同器官對不同重金屬元素吸收、富集特性也不同。研究不同園林植物對重金屬元素吸收、富集特性，一方面反映植物本身特性，另一方面也反映重金屬對植物的影響及其在植物體內的遷移能力[4-5]。紫薇、石榴、石楠不同器官中重金屬含量與土壤重金屬含量的相關系數基本高于其他園林植物，表明不同園林植物體內重金屬含量主要依賴于土壤重金屬含量，紫薇、石榴、石楠對重金屬的吸收和富集作用高于其他園林植物。不同園林植物土壤重金屬平均含量大小依次表現為Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，不同園林植物土壤重金屬含量基本表現為石楠>枇杷>石榴>海棠>紫薇，局部有所波動。不同園林植物中各種重金屬含量變異程度不一致，Cd的變異程度較大，Zn的變異程度較小。

不同園林植物對重金屬的富集能力基本表現為Cu=Mn=Zn>Ni>Pb>Cd，植物各器官對重金屬元素的富集能力基本表現為葉>莖>根；不同園林植物對Cu、Mn、Zn的平均富集系數接近一致，并且均大于1，對Ni的平均富集系數接近于1，對Pb、Cd的平均富集系數均小于1。石榴、紫薇對重金屬的轉移能力較高；不同園林植物對重金屬的轉移能力依次表現為Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn。紫薇、石榴、石楠不同器官中重金屬含量與土壤重金屬含量的相關系數基本高于其他園林植物，表明不同園林植物體內的重金屬含量主要依賴于土壤重金屬含量。綜合比較而言，紫薇、石榴、石楠對重金屬的吸收和富集作用高于其他園林植物。

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