城區交通干道綠化帶土壤-植物系統汞、砷污染研究

郭娜，董杰，張菊，魯長娟，鄧煥廣，張夢月，王愛靜

聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059

城區交通干道綠化帶土壤-植物系統汞、砷污染研究

郭娜，董杰*，張菊，魯長娟，鄧煥廣，張夢月，王愛靜

聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059

為了解城區交通干道土壤-植物系統中汞（Hg）和砷（As）的污染特征，以聊城市為例，在其城區主要交通干道旁綠化帶內采集表層土壤樣品并同步采集扁竹蘭（Iris confusa）、側柏（Platycladus orientalis）、冬青（Ilex chinensis）、馬尼拉草（Zoysia matrella）和石楠（Photinia serrulata）等5種常見綠化植物測定Hg和As含量。采用單因子指數法、綜合指數法和潛在生態危害指數法對土壤Hg和As的污染水平及其潛在生態危害進行了評價，并采用富集系數法分析了綠化帶植物對土壤中Hg和As的富集能力。結果表明，聊城市綠化帶土壤Hg和As質量分數分別在0.17～6.21 mg·kg-1和1.18～12.22 mg·kg-1之間，20%樣品Hg含量超過《土壤環境質量標準》（GB15618—1995）Ⅲ級標準。以山東省土壤背景值為評價標準，Hg表現為嚴重污染，其潛在生態危害很高，As表現為輕度污染和輕微的生態危害。綠化帶植物中Hg和As質量分數分別在0.03～0.72 mg·kg-1和0.06～1.86 mg·kg-1之間，平均值分別為0.25 mg·kg-1和0.55 mg·kg-1；植物體內Hg的富集系數在0.01～2.82之間，平均值表現為：馬尼拉草＞石楠＞扁竹蘭＞側柏＞冬青；植物體內As的富集系數在0.01～0.65之間，平均值表現為馬尼拉草＞側柏＞冬青＞石楠＞扁竹蘭。綠化帶植物對Hg污染具有一定的修復作用，對As污染不具有修復效果，不同植物中Hg和As的含量以及對Hg和As的生物富集系數均無顯著性差異（P＞0.05），這可能與植物本身的生理特性、種植時間及綠化帶土壤環境條件有關，具體原因有待進一步探討。

汞；砷；綠化帶；污染評價；生物富集；土壤-植物系統

近年來，隨著城市土壤污染的加重，城市交通干道綠化帶逐漸成為研究的熱點。公路綠化帶不僅可以美化環境，還可以降低噪聲、吸附灰塵、凈化空氣，因此在城市公路建設實踐中，期望通過加強綠化帶的阻滯和吸收等效應，限制污染物的擴散，緩解道路污染（王慧等，2010a；李萍等，2011；陳上杰等，2015）。王慧等（2010b）以山西省為例，對綠化帶公路附近土壤按距離梯度采樣，結果表明公路綠化帶對土壤部分重金屬污染具有顯著防護效應，可將污染限制在50 m范圍內；李彩霞等（2016）以長沙市為例，選取交通干道綠化帶15種喬木作為研究對象，得出樟樹對Cd的生物富集以及轉移能力最高，可以作為綠化帶優選樹種；張磊等（2008）對比分析青島市5種植物的樹莖和樹葉，得出樹葉對Hg的吸收能力大于樹莖；Sawidis et al.（2011）采集了歐洲3個城市中法桐Platanus orientalis和松樹的樹葉和樹皮，測得樹皮中重金屬富集高于樹葉。由此可見，公路綠化帶對土壤中重金屬污染主要表現在有效降低污染程度和顯著縮小污染范圍兩個方面（Xu，2002）。但是，由于地域環境、道路類型、綠化帶結構等因素具有差異性，公路綠化帶對路旁土壤重金屬污染的防護效應也會有很大差異（王慧等，2010a）。

Hg和As由于具有高毒性、難降解性和生物積累性而被公認為是兩種典型的持久性有毒污染物（張菊等，2012；蹇麗等，2016）。其中，Hg污染主要來源于采礦、煤炭燃燒和醫療廢棄物等，As污染主要來源于農藥和木材防腐劑等（Sarwara et al.，2017），二者不僅是引起土壤污染的重要因素，而且嚴重威脅人類的身心健康。由于重金屬很難被分解和降解，相較于物理、化學修復，越來越多的學者更傾向于植物修復的研究（Sarwara et al.，2017；Ugolini et al.，2013；Hu et al.，2014）。因此，本文以聊城市主要交通干道種植的5種常見植物以及相應表層土壤樣品為研究對象，分別對植物及其對應綠化帶土壤樣品中Hg和As的含量進行測定和分析，并通過植物富集系數揭示公路綠化帶中常見植物對土壤重金屬污染的防護效應，以期為聊城市未來生態環境建設以及公路綠化帶結構優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預處理

于2016年3月在聊城市主要交通干道采集土壤樣品及綠化帶植物樣品，采樣點位如圖1所示。利用塑料鏟刮去土壤表層腐殖質和雜物后采掘約0～10 cm深度的土壤保存于自封袋內，每個采樣點采集多個土壤樣品，用“四分法”混合成1個土壤樣品，總共41個土壤樣品。所有植物樣品均安排在3月中旬生長期采集，所采集的植物包括扁竹蘭（Iris confusa）、側柏（Platycladus orientalis）、冬青（Ilex chinensis）、馬尼拉草（Zoysia matrella）和石楠（Photinia serrulata），每種植物分別在綠化帶外側、中部以及內側各采集3株100 g左右的植被莖葉，保存于自封袋中，同時做好標記以便與土壤樣品采樣點位一致。由于每個點位植被分布狀況不同，故所采集的植物樣品數量有所差異，其中扁竹蘭11個，側柏22個，冬青20個，馬尼拉草6個，石楠11個。每一采樣點均用GPS定位，并記錄周圍環境信息。所采集的土壤樣品自然風干后過100目篩后裝入自封袋，置于背陰環境下保存；綠化植物樣品用超純水洗凈風干后，用DFT-50手提式高速萬能粉粹機將樣品粉碎后保存于自封袋中，用于Hg和As的測定。

圖1 采樣點圖Fig. 1 Distribution of sampling sites in the urban area of Liaocheng City, Shangdong Province

1.2 樣品消解和測定

土壤pH值采用pH計法（水土比為5∶1）測定（中國林業科學研究所森林土壤研究室，1999a）。TOC采用重鉻酸鉀-外加熱法測定（中國林業科學研究所森林土壤研究室，1999b）。土壤和植物樣品經王水消解過夜后進行水浴加熱，冷卻后取上清液上機測Hg；取上清液加入抗壞血酸-硫脲還原后上機測定As（陳彥芳等，2014；朱溪橋等，2014）；測定儀器均為AFS-933型原子熒光光譜儀（北京吉天公司）。

1.3 評價方法

以山東省土壤背景值（中國環境監測總站，1990）作為評價標準，分別采用單因子指數法、綜合指數法和潛在生態危害指數法對聊城市綠化帶土壤Hg和As的污染水平及其潛在生態危害進行評價。

單因子指數法的計算公式為：

其中，Ci表示重金屬i的實測值，Si表示重金屬i的標準值。Pi≤1表示未污染，1＜Pi≤2表示輕污染，2＜Pi≤3表示中污染，Pi＞3表示重污染。

綜合指數法即內梅羅指數法，計算公式為：

P≤1表示未污染，1＜P≤2表示輕度污染，2＜P≤3表示中度污染，P＞3表示重度污染。

潛在生態危害指數法的計算公式為：

式中，Ti為單一重金屬的毒性系數，汞與砷的毒性系數分別為40和10（徐爭啟等，2008）。其分級標準為：Ei≤40生態危害輕微；40＜Ei≤80生態危害中等；80＜Ei≤160生態危害較高；160＜Ei≤320生態危害高；Ei＞320生態危害很高。

1.4 數據處理

數據采用Office 2016進行整理，SPSS 18.0進行統計分析，ArcGIS 10.2和Origin 2015進行繪圖。

2 結果與討論

2.1 城區綠化帶土壤重金屬質量分數及評價

表1所示為山東省聊城市城區綠化帶土壤重金屬質量分數，與《土壤環境質量標準》（GB15618—1995）Ⅲ級標準相比，綠化帶土壤中Hg的超標率為20%，As均達標。pH在7.48～9.39之間，為偏堿性，其中2.5%的土壤樣品呈現中性（6.5＜pH＜7.5），72.5%呈現弱堿性（7.5＜pH＜8.5），25%呈現強堿性（pH＞8.5），這與聊城土壤成土母質有關（聊城地區土壤肥料工作站，1990）。Pearson相關分析結果表明，Hg、As與TOC、pH均無顯著相關性（P＞0.05），僅TOC與pH呈顯著負相關關系（r=-0.395，P＜0.05）。變異系數（CV，Coefficient of variation）反映變異的程度，根據Wilding（1985）對變異程度的分類，pH為小變異（CV＜15%），As為中等變異（15%＜CV＜36%），TOC與Hg均為高度變異（CV＞36%），可見綠化帶土壤中TOC與Hg的含量差異性較大。與聊城市土壤重金屬質量分數相比（表1），綠化帶土壤中Hg的質量分數為聊城市土壤背景值的33.5倍，而As的質量分數小于聊城市土壤背景值。

表1 城區綠化帶土壤重金屬質量分數Table 1 Mass fraction of heavy metals in soil of urban green belt

聊城市土壤Hg和As的平均單因子指數范圍分別為9.19～326.64和0.13～1.31，平均值分別為70.32和0.95，Hg表現為重度污染，As表現為未污染；綜合指數值分別為230.97和0.93，Hg表現為嚴重污染，As表現為輕度污染；潛在生態危害指數分別為2812.64和9.46，Hg表現為較高污染生態危害，As表現為輕微生態危害。由以上分析可知，單因子指數、綜合指數以及潛在生態危害指數具有較好一致性，聊城市綠化帶土壤As污染較輕，而Hg污染嚴重。與部分城市表層土壤中Hg含量相比（表2），聊城城區綠化帶表層土壤中Hg含量的平均值遠大于其他城市，這可能與綠化帶土壤受汽車交通尾氣污染及城市垃圾的影響有關。

表2 聊城城區綠化帶土壤與其他城市表層土壤Hg質量分數比較Table 2 Comparison of Hg mass fraction in the green belt soil in urban area of Liaocheng city and surface soil in other cities in China

2.2 綠化植物含量水平與富集能力

圖2 綠化帶植物體內Hg和As質量分數Fig. 2 Mass fraction of Hg and As in green belt plants

圖2所示為聊城市綠化帶5種常見植物中Hg和As的質量分數。由圖可知，Hg在5種綠化植物中的質量分數表現為石楠（0.34 mg·kg-1）＞馬尼拉草、扁竹蘭（0.31 mg·kg-1）＞側柏（0.21 mg·kg-1）＞冬青（0.18 mg·kg-1）；As表現為馬尼拉草（0.75 mg·kg-1）＞冬青（0.56 mg·kg-1）＞側柏（0.53 mg·kg-1）＞石楠（0.51 mg·kg-1）＞扁竹蘭（0.46 mg·kg-1）。其中，Hg質量分數最大值（扁竹蘭，0.72 mg·kg-1）與As質量分數最大值（側柏，1.86 mg·kg-1）均出現在聊城主干道東昌路主干道上。各綠化植物體內Hg、As質量分數的空間變異較大（CV＞36%），說明不同采樣點綠化植物重金屬含量的差異較大，這不僅與植物本身生理特性有關，也與植物種植時間長短與土壤重金屬含量水平有關。然而，方差檢驗（ANOVA）結果表明，5種植物中Hg和As的質量分數均無顯著性差異（P＞0.05）。

生物富集系數（bioaccumulation factor，BCF）反映植物富集土壤重金屬的能力，其計算公式為：

式中，Cp為植物地上部分重金屬質量分數，Cs為土壤中重金屬質量分數。富集系數越大，其富集能力越強（李彩霞等，2016）。聊城市5種綠化帶植物對Hg和As的富集系數如圖3所示。植物體內Hg的富集系數值在0.01～2.82之間，平均值表現為馬尼拉草（0.85）＞石楠（0.62）＞扁竹蘭（0.47）＞側柏（0.29）＞冬青（0.28）；As的BCF值在0.01～0.65之間，平均值表現為馬尼拉草（0.15）＞側柏（0.09）＞冬青（0.07）＞石楠（0.06）＞扁竹蘭（0.05）。5種植物Hg的BCF均大于As，Hg和As的BCF平均值均小于1，但是5種植物對Hg的BCF均有大于1的情況出現，具體表現為石楠（18.2%）＞馬尼拉草（16.7%）＞冬青（10%）＞扁竹蘭（9.1%）＞側柏（4.5%），其中，馬尼拉草對Hg的BCF最大值達到2.82。有研究表明（高靜湉等，2016），當植物對重金屬的富集系數大于1時，表明該植物對重金屬污染具有修復作用。相關分析表明，植物中Hg和As的含量與表層土壤中Hg和As的含量不存在顯著相關性（P＞0.05），不同植物的Hg和As的BCF亦不存在顯著性差異（P＞0.05），因此，本研究中5種綠化帶植物對Hg污染具有一定的修復作用，但效果不明顯；對As污染不具有修復效果。樊佳奇等（2016）指出，由于植物本身的特性，不同植物或同種植物不同器官對重金屬的吸收與轉移能力不盡相同；Sawidis et al.（2011）也指出，植物體對重金屬元素的生物富集量主要取決于植物體根部吸收量、植物葉片和桿莖的積累量。因此，園林植物對重金屬的吸收富集規律一般表現為喬木＞灌木＞草本，這也是研究者更多關注于喬木而對于本研究所涉及的這幾類植物研究較少的原因。本研究僅對植物地上部分中Hg和As的含量進行了分析，未對植物根系的吸收作用進行研究，還需在今后的研究中對灌木以及草本植物的重金屬富集作用作進一步探討。

圖3 綠化帶植物對Hg和As的生物富集系數（BCF）Fig. 3 Bioaccumulation factor (BCF) of Hg and As of the green belt plants

3 結論

（1）聊城市綠化帶土壤Hg和As質量質量分別在0.17～6.21 mg·kg-1和1.18～12.22 mg·kg-1之間，平均值分別為1.34 mg·kg-1和8.80 mg·kg-1；與土壤Ⅲ級標準（GB15618—1995）相比較，Hg有20%樣品超標，As表現為全部達標；pH在7.48～9.39之間，表現為偏堿性。

（2）以山東省土壤背景值為評價標準，結果顯示聊城市綠化帶土壤As表現為未污染，具有輕度危害，土壤Hg全部表現為重度污染，生態危害很高，因此聊城市管理部門必須對綠化帶內Hg污染加以重視。

（3）5種綠化帶植物對Hg的生物富集系數（BCF）均大于As，不同植物對Hg和As的生物富集系數無顯著性差異（P＞0.05）；綠化帶植物對Hg污染具有一定的修復作用，但效果不明顯，對As污染不具有修復效果，還需對綠化帶草本和灌木植物對重金屬的修復作用作進一步探討。

HU Y, WANG D, WEI L, et al. 2014. Bioaccumulation of heavy metals in plant leaves from Yan?an city of the Loess Plateau, China [J]. Ecotoxicology & Environmental Safety, 110: 82-88.

SARWARA N, IMRANB M, SHAHEEN M R, et al. 2017. Phytoremediation strategies for soils contaminated with heavy metals: Modifications and future perspectives [J]. Chemosphere, 171: 710-721. SAWIDIS T, BREUSTE J, MITROVIC M, et al. 2011. Trees as bioindicator of heavy metal pollution in three European cities [J]. Environmental Pollution, 159(12): 3560-3570.

UGOLINI F, TOGENETTI R, RASCHI A, et al. 2013. Quercus ilex, L. as bioaccumulator for heavy metals in urban areas: Effectiveness of leaf washing with distilled water and considerations on the trees distance from traffic [J]. Urban Forestry & Urban Greening, 12(4): 576-584.

WILDING L P. 1985. Spatial variability: Its documentation, accommodation and implication to soil surveys [M]//NIELSEN D R, BOUMA J. Soils Spatial Variability. Wageningen: PUDOC publishers: 166-194.

XU Y. 2002. Effects of greenbelt on levels of heavy metals in roadside soils [J]. Hubei Agricultural Sciences, (5): 75-77.曹建榮, 劉衍君, 于洪軍, 等. 2010. 聊城市土壤重金屬含量特征分析[J].安徽農業科學, 38(12): 6436-6437.

陳上杰, 牛健植, 韓旖旎, 等. 2015. 道路綠化帶內大氣PM2.5質量濃度變化特征[J]. 水土保持學報, 29(2): 100-105.

陳彥芳, 馬建華, 董運武, 等. 2014. 開封周邊地區地表灰塵砷、汞背景值及其應用[J]. 環境科學, (8): 3052-3059.

樊佳奇, 牛來春, 龐磊. 2016. 云南地區不同園林植物對土壤重金屬的吸收富集特征[J]. 江蘇農業科學, 44(7): 467-472.

高靜湉, 杜方圓, 李衛平, 等. 2016. 黃河濕地小白河片區優勢植物重金屬的富集特征[J]. 農業環境科學學報, 35(11): 2180-2186.

中華人民共和國環境保護部. 2006. 土壤環境質量標準(GB15618—1995)[S]. 北京: 中國標準出版社: 2-3.

蹇麗, 劉潔, 李慧君, 等. 2016. 紅樹林沉積物汞、砷形態分布研究——以東寨港為例[J]. 環境污染與防治, 38(7): 15-24.

康玲芬, 李鋒瑞, 張愛勝, 等. 2006. 交通污染對城市土壤和植物的影響[J]. 環境科學, 27(3): 556-560.

李彩霞, 朱國強, 彭坤. 2016. 綠化帶土壤重金屬污染特征及植物富集研究——以長沙市為例[J]. 中南林業科技大學學報, 36(10): 101-107.

李萍, 王松, 王亞英, 等. 2011. 城市道路綠化帶“微峽谷效應”及其對非機動車道污染物濃度的影響[J]. 生態學報, 31(10): 2888-2896.

聊城地區土壤肥料工作站. 1990. 聊城地區土壤[M]. 山東: 濟南印刷八廠.

王安俊, 郎春燕, 陳雪. 2011. 成都市綠地系統土壤總汞的測定[J]. 光譜

實驗室, 28(3): 1520-1523.

王慧, 郭晉平, 張蕓香, 等. 2010b. 公路綠化帶對路旁土壤重金屬污染格局的影響及防護效應——以山西省主要公路為例[J]. 生態學報, 30(22): 6218-6226.

王慧, 郭晉平, 張蕓香, 等. 2010a. 公路綠化帶降噪效應及其影響因素研究[J]. 生態環境學報, 26(6): 1403-1408.

王再嵐, 何江, 智穎飆, 等. 2006. 公路旁側土壤植物系統中的重金屬分布特征[J]. 南京林業大學學報(自然科學版), 30(4): 15-20.

徐晶, 紀鵬飛, 隋波, 等. 2014. 吉林市主要綠地土壤汞污染的初步研究[J]. 吉林林業科技, (5): 19-22.

徐爭啟, 倪師軍, 庹先國, 等. 2008. 潛在生態危害指數法評價中重金屬毒性系數計算[J]. 環境科學與技術, 31(2): 112-115.

張菊, 鄧煥廣, 孫鎮, 等. 2012. 聊城市城區河湖水中Hg、As濃度分布特征及健康風險評價[J]. 環境污染與防治, 34(3): 4-8.

張磊, 周震峰. 2008. 青島市不同功能區常見綠化植物及土壤汞污染特征[J]. 生態環境學報, 17(2): 802-806.

張銘杰, 張璇, 秦佩恒, 等. 2010. 深圳市土壤表層汞污染等級結構與空間特征分析[J]. 中國環境科學, 30(12): 1645-1649.

中國環境監測總站. 1990. 中國土壤元素背景值[M]. 北京: 中國環境科學出版社.

中國林業科學研究所森林土壤研究室. 1999b. LY/T1237—1999, 森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算[S]. 北京: 中國標準出版社.

中國林業科學研究所森林土壤研究室. 1999a. LY/T1239—1999, 森林土壤pH值的測定[S]. 北京: 中國標準出版社.

朱溪橋, 高雪松, 唐世超, 等. 2014. 不同農地利用方式土壤砷、汞累積特征分析及評價研究[J]. 農業現代化研究, 35(2): 253-256.

Study on Mercury and Arsenic Pollution of Soil-Plant System in Urban Main Road Green Belt

GUO Na, DONG Jie, ZHANG Ju, LU Changjuan, DENG Huanguang, ZHANG Mengyue, WANG Aijing

School of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China

In order to understand the mercury (Hg) and arsenic (As) pollution characteristics of soil-plant system in urban main traffic road, samples of surface soil and five common green plants including Iris confusa, Platycladus orientalis, Ilex chinensis, Zoysia matrella and Photinia serrulata were collected in the green belt of Liaocheng urban main roads to determine the concentrations of Hg and As. Using the soil background concentrations in Shandong Province as standards, single factor index, comprehensive index and potential ecological risk index methods were applied to assess the degree and risk of Hg and As contamination, and bioaccumulation factor (BCF) was calculated to analyze the enrichment capability of green belt plants for Hg and As in soil. The results showed that the Hg and As mass fraction in green belt soil were 0.17～6.21 mg·kg-1and 1.18～12.22 mg·kg-1respectively. Hg mass fraction in 20% of the sampling sites were higher than the class Ⅲ limit value of environmental quality standard for soils in China ( GB15618—1995) . Hg pollution in the green belt soil was very severe and posed very high potential ecological risk, while As pollution was slight and its ecological risk was low. The mass fraction of Hg in the green plants were 0.03～0.72 mg·kg-1with an average of 0.25 mg·kg-1, and 0.06～1.86 mg·kg-1with an average of 0.55 mg·kg-1for As. The mercury bioaccumulation factors of green plants were between 0.01 and 2.82, and the average values of green plants descended as follows: Zoysia matrella＞Photinia serrulata＞Iris confusa＞Platycladus orientalis＞Ilex chinensis. The arsenic bioaccumulation factors were between 0.01 and 0.65, and the average values were in the order of Zoysia matrella＞Platycladus orientalis＞Ilex chinensis＞Photinia serrulata＞Iris confusa. Green plants showed bioaccumulation of Hg from soil in some sampling sites but not for As. There were no significant differences (P＞0.05) in the concentrations of Hg and As between different types of plants, and were neither in their bioaccumulation factors, which might be related to the plant physiological characteristics, planting time and the physicochemical properties of green belt soil. The effect of herb and shrub plants in green belt on remediation of heavy metals still needs to be further studied.

mercury; arsenic; green belt; pollution assessment; bioaccumulation; soil-plant system

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.025

X17

A

1674-5906（2017）01-0166-05

郭娜, 董杰, 張菊, 魯長娟, 鄧煥廣, 張夢月, 王愛靜. 2017. 城區交通干道綠化帶土壤-植物系統汞、砷污染研究[J].生態環境學報, 26(1): 166-170.

GUO Na, DONG Jie, ZHANG Ju, LU Changjuan, DENG Huanguang, ZHANG Mengyue, WANG Aijing. 2017. Study on mercury and arsenic pollution of soil-plant system in urban main road green belt [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 166-170.

國家自然科學基金項目（41401563；31272383）；山東省自然科學基金項目（ZR2014JL028；ZR2013DM012）；聊城大學創業創新項目（CXCY2016070；CXCY2016066）；聊城大學大學生科技文化創新基金項目（26312161005）

郭娜（1992年生），女，碩士研究生，研究方向為水環境與水資源。E-mail:860672793@qq.com *通信作者：董杰（1965年生），男，教授，博士，研究方向為自然資源和環境。E-mail: lcdongjie@sina.com

2016-11-16