鄭州市不同污染區主要綠化樹種對土壤重金屬的富集能力研究

夏冰+司志國

摘要：以鄭州市不同污染區綠化樹種（冬青、龍爪槐、香樟、桂花、大葉女貞、廣玉蘭）為試驗材料，采用等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）研究這些樹種對Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb等6種重金屬元素的吸收富集特征。結果發現：（1）不同綠化樹種土壤重金屬平均含量大小依次表現為Zn>Mn>Cu>Pb>Ni>Cd，不同綠化樹種土壤重金屬含量基本表現為龍爪槐和冬青較高，香樟和大葉女貞次之，桂花和廣玉蘭最低，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5.93～0.85倍。（2）冬青和龍爪槐的綜合污染指數（Pt值）最大，分別為203、2.14，達到了中度污染，其他植物Pt值均為1～2，為輕度污染，各綠化樹種土壤重金屬污染程度由大到小的排序為冬青>龍爪槐>香樟>桂花>大葉女貞>廣玉蘭。（3）不同綠化樹種葉片葉綠素a和b含量、可溶性蛋白和可溶性糖含量、葉片重金屬含量均以冬青和龍爪槐較高，香樟和大葉女貞次之，桂花和廣玉蘭相對較低。（4）不同綠化樹種對6種重金屬元素的富集能力及其轉移系數存在一定的差異，以冬青和龍爪槐較高，香樟和大葉女貞次之，桂花和廣玉蘭相對較低。其中對Mn、Cu、Zn的富集系數較大，并且均大于1，對重金屬的轉移能力依次表現為Cd>Pb>Ni>Cu> Mn>Zn。（5）鄭州市綠化樹種葉片生理特性（尤其是葉綠素和可溶性蛋白）與土壤重金屬含量之間具有一定的相關性，葉片重金屬含量與土壤重金屬含量呈極顯著正相關，說明不同綠化樹種體內的重金屬含量主要依賴于土壤重金屬含量。結果表明，冬青和龍爪槐對重金屬的吸收和富集作用高于其他綠化樹種。

關鍵詞：綠化樹種；污染區；土壤重金屬；富集能力

中圖分類號： S684.01 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0123-07

收稿日期：2016-04-28

基金項目：河南省科學技術廳軟科學研究（編號：162400410327）。

作者簡介：夏 冰（1984—），女，河南鄭州人，碩士，講師，主要研究方向為綠化樹種生態學。E-mail：xia_bing84@163.com。 綠化植物是城市、自然和景觀復合生態系統中具有重要自凈功能的組成部分，對大氣中的粉塵、顆粒物有過濾、阻擋和吸附的作用，在改善生態環境、減少陽光輻射、增大空氣濕度、凈化空氣、調節氣候等方面起著“除污吐新”的作用，被稱為城市粉塵過濾器[1-3]。重金屬元素是一類難降解、污染嚴重、累積性元素，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的威脅，也對城市本身的生存與發展提出嚴峻的挑戰[4-5]。通過種植綠化樹種修復污染土壤重金屬已成為近年來的熱點。為建立良性的城市生態系統，迫切需要認識綠化樹種與生態環境之間的關系，尤其是綠化樹種在土壤重金屬修復方面的作用[1-3]。綠化樹種因其自身的生存環境和生命規律，對重金屬的富集及修復能力差異較大，城市綠地的建設必須遵循植物本身的生長規律。因此，選擇適合城市發展的園林綠化樹種，是城市綠地設計的基礎和改善城市環境質量的重要保障。近年來，有關綠化樹種對重金屬元素吸收富集特征的研究不斷涌現，而人們關注的焦點也主要集中在對城市生態系統綠化樹種區系和種類劃分等方面的研究，忽視了綠化樹種在城市建設過程中發揮的重要作用[6-7]。

鄭州市是我國中心樞紐城市，近年來經濟發展迅猛，隨著工業、人口快速增長及農藥化肥大量施用，重金屬污染已成為城市污染的主要問題，嚴重威脅居民身體健康和城市生態環境，也對城市本身的生存與發展提出了嚴峻挑戰[8-9]。綠化植物在土壤重金屬修復過程中起著重要作用，通過種植綠化樹種逐步提取土壤中的重金屬元素，進而修復污染土壤的方法——植物修復技術，已成為人們研究的熱點，研究城市園林綠化植物對重金屬的修復是促進城市綠化高效發展的有效途徑之一，將其作為特色經濟植物用于土壤重金屬修復具有重要的實用和經濟意義[10-11]。當前重金屬超富集植物的篩選備受國內外廣泛關注，有關綠化樹種對土壤重金屬元素吸收富集特征的研究在不斷涌現[1-3，12]。為了使研究結果更加具有科學性和嚴謹性，筆者通過對鄭州市不同污染區綠化樹種進行長期監測，最后確定在不同污染區——中原區（西郊）、惠濟區（北郊）、金水區、二七區、回族區（市區）、航空港區、高新技術開發區選取主要的綠化樹種冬青、龍爪槐、香樟、桂花、大葉女貞、廣玉蘭，采用等離子體原子發射光譜法（ICP-AES），研究這些植物對Mn、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb等 6種重金屬元素的吸收富集特征，并且對其葉片和土壤重金屬進行比較，為不同綠化樹種在城市景觀配置、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和基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鄭州市地處河南省中部偏北，位于黃河中游的南岸（112°42′～114°14′E、34°16′～34°58′N），北臨黃河，西依嵩山，東南部依靠黃淮平原。屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，呈現春季溫暖少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷多風。年平均氣溫14.4 ℃，極端最高溫度42.3 ℃，極端最低溫度-17.9 ℃，7月份最熱，平均27.3 ℃，1月份最冷，平均 0.2 ℃。年降水量652.9 mm，多集中在夏季（6—8月），占全年降水量的52.3%。土壤類型較多，以褐土和潮土分布面積最大，分別占土壤面積的64.4%、30.17%，土壤濕度較大，地勢差異較為懸殊，為多種綠化樹種生長提供了有利的環境條件。鄭州市綠化樹種種類繁多，可開發利用的園林觀賞植物資源豐富，據不完全統計，種子植物共2 000多種，屬于150科800多屬，與全國植物科屬種數相比，科占35.2%，屬占16.4%，種占8.4%，足以說明鄭州市植物區系成分的豐富，綠化樹種約有42科106屬200余種（含變種、變型和亞種）。20世紀80年代中期，鄭州市綠化覆蓋面積居全國省會城市前列，為鄭州贏得了“綠城”的美譽。2000年鄭州市提出創建國家園林城市的目標，通過大規模的建造綠地工程，先后獲得“河南省園林城市”“全國園林綠化先進城市”的稱號，2006年正式成為“國家園林城市”[8-9]。endprint

1.2 試驗方法

2013—2015年連續3年的9月初，對鄭州市不同污染區中原區（西郊）、惠濟區（北郊）、金水區、二七區、回族區（市區）、航空港區、高新技術開發區采集不同綠化植物葉片和根系，根據景觀分類單元選取主要的綠化植物（冬青、龍爪槐、香樟、桂花、大葉女貞、廣玉蘭）進行標記以便于長期觀測，每10 d左右采集1次樣本，共采集3次，葉片分別從每個植株的東、西、南、北均勻收集，枝剪剪取上、中、下部分莖（去皮，盡量不要干擾植物），剪取完整的葉片封存于錐形瓶內，蒸餾水洗凈，晾干，在105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，粉碎過40目篩保存備用；同時挖取部分根系（夠測量即可），4分法采集不同綠化樹種根系周圍的土壤（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（表1、表2）。應用數字圖像處理技術測定葉面積（包括葉柄），比葉重（SLW）=單位面積葉干重/單位葉面積。

1.3 測定指標

1.3.1 葉片生理指標的測定 選取新鮮葉片樣品進行各項生理指標的測定，每項試驗重復測定3次。植物葉片洗凈，65 ℃ 烘箱烘干，粉碎后過1.5 mm篩，除去葉脈研磨混合，以80%丙酮溶液浸提，比色法測定葉綠素a、b含量；考馬斯亮藍-G250染色法測定可溶性蛋白[13]。

1.3.2 植物及土壤樣品重金屬的測定 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，加入混合酸后HClO4-HNO3-HF（HNO3和HClO4體積比為5 ∶ 1）后新儀MDS6型微波消解儀消解，消解后的樣品經加熱后蒸餾水定容，采用ICP-AES測定Zn、Mn、Pb、Cu、Ni和Cd含量，冷原子吸收微分測儀、為ICP配置氫化物發生器，確保所需儀器的靈敏度[14-15]。

植物葉片重金屬含量富集系數=葉片重金屬含量/土壤重金屬含量。

轉移系數=植物葉片重金屬含量/根重金屬含量。

1.3.3 土壤重金屬評價方法 評價方法：采用指數法對土壤重金屬污染程度進行評價，計算各因子的分指數和各類土壤重金屬污染綜合指數，根據分指數和綜合指數來分析各類土壤重金屬污染現狀。單因子指數法指土壤單項污染物的實測值與評價標準之比，比值用以表示土壤中該污染物的污染程度 [16]：

Pi=Ci/Si。

式中：Pi為污染指數；Ci為污染物實測值；Si為污染物評價標準；i代表某種污染物。

Pi為第i種污染物的污染分指數；Ci為實測質量分數；Si為其評價標準。一般Pi≤1為未污染，Pi>1為已污染，13為重度污染，Pi值越大土壤受到的污染越嚴重。

Nemerow綜合污染指數法[1-3]。

Pt={[（Ci/Si）max2+（Ci/Si）ave2]/2}1/2。

式中：Pt為綜合污染指數；（Ci/Si）max為土壤重金屬元素中污染指數最大值；（Ci/Si）ave為土壤各污染指數的平均值。用評價公式計算出污染指數，按照土壤環境質量分級標準進行評價（表3）。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據的統計和整理，采用SPSS 21.0進行方差分析和統計學檢驗，LSD多重比較，單因素方差分析（One-way ANOVA）比較其差異顯著性，Pearson分析各指標的相關性（P<0.05、P<0.01）。

2 結果與分析

2.1 不同綠化樹種土壤重金屬含量

不同綠化樹種土壤重金屬平均含量大小依次表現為：Zn>Mn>Cu>Pb>Ni>Cd，土壤Mn含量的變化范圍為 80.5～92.6 mg/kg，平均含量為85.9 mg/kg；土壤Cu含量的變化范圍為63.5～75.1 mg/kg，平均含量為69.3 mg/kg；土壤Zn含量的變化范圍為195.4～235.6 mg/kg，平均含量為 219.3 mg/kg；土壤Ni含量的變化范圍為34.2～48.9 mg/kg，平均含量為41.2 mg/kg；土壤Cd含量的變化范圍為3.56～6.51 mg/kg，平均含量為5.20 mg/kg；土壤Pb含量的變化范圍為56.2～76.5 mg/kg，平均含量為66.6 mg/kg（表4）。不同綠化樹種土壤重金屬含量基本表現為龍爪槐、冬青較高，香樟、大葉女貞次之，桂花、廣玉蘭最低。由表4還可知，與國家土壤環境質量（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5.93～10.85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2.81～3.08、2.63～3.18、1.27～1.82、36.70～6711、2.16～2.94倍，綜合比較可知，鄭州市存在較為嚴重的重金屬污染，其中以Cd的污染最為嚴重。

2.2 不同綠化樹種土壤重金屬污染程度

根據單因子和多因子指數評價方法，結合采樣點土壤重金屬元素測定值和土壤背景值，計算各研究區單項污染指數及綜合污染指數值。由單因子指數評價法可知，對于Mn而言，不同綠化樹種均表現為未污染；對于Cu而言，大葉女貞、桂花和廣玉蘭表現為輕度污染，香樟、冬青和龍爪槐表現為中度污染；對于Zn而言，桂花表現為未污染，其余表現為輕度污染；對于Ni而言，香樟、桂花和廣玉蘭表現為輕度污染，大葉女貞、冬青和龍爪槐表現為中度污染；對于Cd而言，大葉女貞表現為中度污染，其他植物均表現為重度污染；對于Pb而言，廣玉蘭和冬青表現為重度污染，其他植物表現為輕度污染。由多因子評價法可知，冬青和龍爪槐Pt值最大，分別為2.03、2.14，達到了中度污染，其他植物Pt值均為1～2，為輕度污染，各綠化樹種土壤重金屬污染程度由大到小的排序為冬青>龍爪槐>香樟>桂花>大葉女貞>廣玉蘭（表5）。

2.3 不同綠化樹種葉片生理特性

綠化樹種葉片葉綠素a和b含量、可溶性蛋白和可溶性糖含量均以冬青和龍爪槐較高，香樟和大葉女貞次之，桂花和廣玉蘭相對較低；鄭州市綠化樹種葉片葉綠素a含量變化范圍在2.13～3.65 mg/g之間，冬青和龍爪槐葉片葉綠素a含量差異不顯著，香樟和大葉女貞葉片葉綠素a含量差異不顯著，顯著高于桂花和廣玉蘭；鄭州市綠化樹種葉片葉綠素b含量范圍在1.61～2.36 mg/g之間，其中冬青和龍爪槐葉片葉綠素b含量差異不顯著，大葉女貞和廣玉蘭葉片葉綠素b含量差異不顯著，顯著高于桂花；鄭州市綠化樹種葉片可溶性蛋白含量變化范圍在85.3～123.5 μg/g之間，其中桂花和廣玉蘭葉片可溶性蛋白含量差異不顯著，其他4種植物葉片可溶性蛋白含量差異均顯著，并且顯著高于桂花和廣玉蘭；鄭州市綠化樹種葉片可溶性糖含量變化范圍在0.13%～0.38%之間，冬青和龍爪槐葉片可溶性糖含量差異不顯著，香樟和大葉女貞葉片可溶性糖含量差異不顯著，桂花和廣玉蘭葉片可溶性糖含量差異不顯著（圖1）。

2.4 不同綠化樹種葉片重金屬含量

不同綠化樹種葉片重金屬含量差異較大，基本表現為冬青和龍爪槐較高，香樟和大葉女貞次之，桂花和廣玉蘭相對較低，局部有所波動；不同綠化樹種重金屬平均含量基本表現為：Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd。不同綠化樹種Mn含量變化范圍在98.7～125.3 mg/kg之間，其中冬青和龍爪槐葉片Mn含量差異不顯著，香樟和大葉女貞葉片Mn含量差異不顯著，桂花和廣玉蘭葉片Mn含量差異不顯著；Cu含量變化范圍在61.4～86.3 mg/kg之間，其中冬青和龍爪槐葉片Cu含量差異不顯著，香樟和大葉女貞葉片Cu含量差異不顯著，桂花和廣玉蘭葉片Cu含量差異不顯著；Zn含量變化范圍在226.9～265.3 mg/kg之間，其中冬青、龍爪槐和香樟葉片Zn含量差異不顯著，顯著高于其他3種植物；Ni含量變化范圍在 29.8～38.5 mg/kg之間，其中冬青和龍爪槐葉片Ni含量差異不顯著，香樟和廣玉蘭葉片Ni含量差異不顯著，桂花葉片Ni含量最低；Cd含量變化范圍在3.12～4.45 mg/kg之間，其中冬青、龍爪槐和大葉女貞葉片Cd含量差異不顯著，桂花和廣玉蘭葉片Cd含量差異不顯著；Pb含量變化范圍在44.3～56.3 mg/kg 之間，其中冬青和龍爪槐葉片Pb含量差異不顯著，冬青和香樟葉片Pb含量差異不顯著，桂花和廣玉蘭葉片Pb含量差異不顯著（圖2）。

2.5 不同綠化樹種重金屬的富集系數和轉移系數

富集系數是衡量超富集植物的重要特征，綠化樹種不同器官對重金屬的吸收富集作用明顯不同，更能夠反映植物對重金屬的富集和吸收能力。結合不同綠化樹種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。由圖3可知，不同綠化樹種重金屬富集系數差異較大，基本表現為冬青和龍爪槐較高，香樟和大葉女貞次之，桂花和廣玉蘭相對較低，局部有所波動，不同綠化樹種對Mn的平均富集系數變化范圍在1.28～1.43之間，Cu的平均富集系數變化范圍在1.26～1.42之間，Zn的平均富集系數變化范圍在1.23～1.52之間，Ni的平均富集系數變化范圍在1.15～1.36之間，Cd的平均富集系數變化范圍在116～1.48之間，Pb的平均富集系數變化范圍在1.09～142之間。由圖3還可知，不同綠化樹種對重金屬的平均富集系數接近一致，并且均大于1。

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，用來評價植物將重金屬從地下向地上的運輸和富集能力。轉移系數越大，則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平均元素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。不同綠化樹種重金屬轉移系數差異較大，基本表現為冬青和龍爪槐較高，香樟和大葉女貞次之，桂花和廣玉蘭相對較低，局部有所波動；不同綠化樹種對Mn的轉移系數變化范圍在1.06～1.13之間，Cu的轉移系數變化范圍在1.03～1.15之間，Zn的轉移系數變化范圍在1.06～1.18之間，Ni的轉移系數變化范圍在1.16～1.78之間，Cd的轉移系數變化范圍在1.26～1.62之間，Pb的轉移系數變化范圍在1.15～1.41之間。綜合比較來看，冬青和龍爪槐對重金屬的轉移能力較高；不同綠化樹種對重金屬的轉移能力依次表現為Cd>Pb>Ni>Cu>Mn>Zn（圖4）。

2.6 不同綠化樹種葉片屬性與土壤重金屬含量的相關性分析

對不同綠化樹種葉片屬性與土壤重金屬含量相關性進行分析，土壤Mn含量與葉片Mn、Zn、Cd含量呈極顯著的相關性，與葉片Ni含量、葉綠素a和b、可溶性蛋白呈顯著的相關性；土壤Cu含量與葉片Cu含量呈極顯著的相關性，與葉片Zn、Cd、Pb含量、葉綠素a和b、可溶性蛋白呈顯著的相關性；土壤Zn含量與葉片Zn含量、葉綠素a和b、可溶性蛋白呈極顯著的相關性，與葉片Cd含量呈顯著的相關性；土壤Ni含量與葉片Mn、Ni含量、可溶性蛋白呈極顯著的相關性，與葉片Cd含量、葉綠素a和b、可溶性糖呈顯著的相關性；土壤Cd含量與葉片Cd含量、葉綠素a和b呈極顯著的相關性，與葉片Cu和Ni含量、可溶性蛋白呈顯著的相關性；土壤Pd含量與葉片Ni和Pd含量、可溶性蛋白呈極顯著的相關性，與葉片Zn含量、葉綠素a和可溶性糖含量呈顯著的相關性（表6）。

3 討論與結論

本研究中河南省鄭州市不同污染區土壤中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5.93～10.85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。造成這種現象主要是由于城市綠化樹種土壤受人類活動影響程度不同或是栽培綠化樹種過程中土壤來源不同，也可能是由于環境和大氣污染所導致的[17-18]。從本研究結果來看，不同綠化樹種葉片重金屬的平均含量由高到低的順序基本為：Zn>Mn>Pb>Cu>Ni>Cd，對6種重金屬元素的富集能力存在一定差異。說明即使是同一種植物對不同元素吸收遷移、累積也不一樣，一方面反映植物本身的特性，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[19]。不同綠化樹種對Mn、Cu、Zn的富集系數較大，但對Mn、Cu、Zn的轉移系數并不是最大，表明了不同綠化樹種對Mn、Cu、Zn元素同時具有超富集植物的2個基本特征，同時也表明了不同綠化樹種對土壤Cd污染比較敏感，也即植物能將重金屬大量富集在地下部，表現出一定的富集重金屬的能力；相反，不同綠化樹種對Cd富集系數較小，但對Cd轉移系數最大。由此可見，富集系數和轉移系數是有一定區別的，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[20]。有研究[21-22]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。因此，對于綠化樹種，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，冬青和龍爪槐對6種重金屬的轉移系數均大于1，對于植物修復來說非常有利，是良好的具有土壤修復效應的園林綠化植物。綜合分析可知，冬青和龍爪槐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，不同綠化樹種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。endprint

植物在逆境下遭受傷害，往往發生膜脂過氧化作用，丙二醛是膜脂過氧化作用的主要產物之一，其含量高低和質膜透性的大小都是膜脂過氧化強弱和質膜破壞程度的重要指標[23]。在正常生長條件下，植物體內活性氧的產生和清除處于平衡中，當處于各種逆境脅迫時，植物體內活性氧產生和清除的平衡受到破壞，從而有利于體內活性氧的產生，所積累的活性氧引發了膜脂過氧化，植物所處環境越惡劣受到的污染也就越嚴重[24-27]。本研究中不同綠化樹種葉片生理特性與土壤重金屬含量基本保持一致的變化趨勢，相關性分析結果表明，鄭州市綠化樹種葉片生理特性（尤其是葉綠素和可溶性蛋白）與土壤重金屬含量之間具有一定的相關性；相關性分析還顯示不同綠化樹種葉片重金屬含量與土壤重金屬含量呈極顯著正相關，表明了不同綠化樹種體內的重金屬含量主要依賴于土壤重金屬含量，同時對于土壤重金屬的吸收也保持一定的獨立性。綜合來看，冬青和龍爪槐對重金屬的吸收和富集作用高于其他綠化樹種。

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