蘭州常見綠化樹種葉片富集重金屬能力研究

石曉妮 張建 張鳴 米璇 李萬江

摘要：以蘭州市城區常見綠化樹種為研究對象，測定了葉片和對應土壤重金屬Cr、Pb、Cu、Cd的含量，對其污染程度的相關性進行了分析，探究了植物葉片對土壤中重金屬的富集能力。結果表明：同一樹種葉片對不同重金屬富集能力排序均為Cr>Pb>Cu>Cd;3個研究區域重金屬污染程度為：Pb的污染最嚴重（C=11.88，C為污染系數），Cu的污染為中度（C=2. 49），Cd的污染為輕微（C=0.40），Cr的污染為輕微（C=0.40）;通過計算3種植物對重金屬的綜合富集系數，綜合富集能力由大到小排序為冬青>柳樹>松樹。

關鍵詞：重金屬;植物葉片;植物修復;富集能力;污染程度

中圖分類號：X173

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）2-0067-03

1 引言

隨著工業化和城市化水平的不斷提高，城市生態環境問題日益突出，其中土壤重金屬污染問題尤為嚴重[1，2]，對人類健康造成了嚴重威脅，引起了人們的廣泛關注。因為人類的各種活動引起城市表層土壤物理化學性狀的改變，重金屬污染使城市土壤的生態自我修復功能降低，而且更為嚴重的是土壤中的重金屬元素通過植物遷移污染農產品、大氣和水體環境，進而直接或間接地危害城市居民的身體健康，影響城市生態系統的健康發展[3]。

重金屬進入土壤后性質穩定，長期存在，其污染具有隱蔽性和不可逆性，而植物對大氣污染物和土壤重金屬污染物具有一定程度的吸滯能力，因此利用植物治理大氣和土壤中重金屬污染問題具有重要意義[4]。植物對重金屬的提取主要是通過其發達的根系吸收，通過體內遷移將重金屬富集在根、葉、莖等可收割的部位[5]，也可以通過葉片的持留和去除過程，持留過程主要是截獲或吸附大氣中污染物，而去除過程主要包括吸收、轉化以及同化過程[6]。植物修復是一種新興技術，具有低成本、無二次污染、綠色環保的特點，并且引起次生環境問題的可能性小，具有潛在的社會、經濟和生態效益，應用前景廣闊。

近年來，國內外關于植物修復的研究比較多，最開始主要集中在藻類和草本植物富集，利用木本植物對重金屬吸收、富集規律的研究也是研究的熱點[7]。南方濕潤地區已對城市綠化樹種重金屬積累特征及其等級分類有較為詳細的研究，并初步篩選出一批耐受力強、較易富集污染物的城市綠化樹種，而北方干旱區域相關研究較為欠缺[8]。本研究在此基礎上，選取蘭州市常見三種綠化樹種作為研究對象，對植物葉片對土壤中重金屬的富集能力進行了相關分析，以期為相關研究及城市環境污染防治治理提供一定的理論及數據依據。

2 實驗方法

2.1 研究地點和研究對象

本研究地點選擇在蘭州市北濱河中路（七里河商業區）、西固公園（西固工業區）、蘭州城市學院（安寧科教文化區）;選擇蘭州3種常見綠化樹種松樹（Pine tree）、柳樹（Willow）和小葉冬青（Small llex）為研究對象。

2.2 研究方法

2.2.1 樣品采集與處理

2016年10月采集植物葉片和相應土壤。每個樹種選取3棵長勢良好，樹齡相近的樣樹，在4個方向的不同層次高度均勻采集100個左右葉片，封存于塑料袋中，編號帶回實驗室;去離子水清洗葉片，自然條件下晾干，然后105℃下殺青，65℃烘干至恒重，粉碎，過100目篩.

土壤樣品采集與處理。同步采集可以代表樹樣附近的典型表層（0～20 cm）土壤樣本3份，就地混合形成混合樣，封存于塑料袋中并編號帶回實驗室，自然條件下風干，磨碎，過100目篩。

2.2.2 樣品測定方法

COOLPEX靈動型微波化學反應儀消解土壤和葉片樣品，消解完成后，用真空泵抽濾到50 mL比色管中，超純水沖洗多次，定容，用51001CP- OES測定各個樣品中鉛（Pb）、鉻（Cr）、鎳（Ni）的吸光度，通過標準曲線，計算出其樣品中的含量。

2.2.3 數據處理

Excel2003對數據進行基本處理并繪圖。

2.2.4 土壤污染評價

運用Mielke等[9]提出的生態危害指數法（potentialecologicalrisk index）對蘭州市表層土壤中重金屬污染進行評價，其中單向污染系數計算公式為：

式中，C 為土壤表層重金屬的實測濃度值;C 為蘭州市土壤表層中重金屬元素的背景值[10]。

2.2.5 植物富集能力評價

植物對重金屬的富集量受植物本身特征、大氣環境和土壤中重金屬含量等多種因素的影響。富集系數（ bioconcentration factor，BCF）是評價植物富集重金屬能力的指標之一，用C_Fi來表示，它是樹種葉片重金屬含量與土壤中相應的重金屬含量的比值，用綜合富集系數C_F=∑_niC_Fi來判斷各樹種葉片對重金屬元素的富集能力，CF值越大表明樹種對重金屬富集能力越強[11]。

3 結果與分析

3.1 植物葉片中重金屬的變化

3.1.1 植物葉片中Cd含量的變化

由圖1可知，不同地區柳樹和松樹葉片中Cd含量差異顯著，冬青葉片中Cd含量差異不顯著;Cd含量最高的蘭州城市學院中的柳樹葉片（8.33 mg/kg），最低的是西固公園的松樹葉片（0.63 mg/kg），松樹葉片的Cd含量整體比柳樹和冬青的低。

3.1.2 植物葉片中Cu含量的變化

由圖2可知，不同地區3種植物葉片中Cu含量差異不顯著。Cu含量最高的是西固公園中的松樹葉片（56.42 mg/kg），最低的是蘭州城市學院的松樹葉片（35.03 mg/kg）。西固公園中植物葉片中的Cu含量相對比其它兩個地方植物葉片中的高。

3.1.3 植物葉片中Pb含量的變化

由圖3可知，不同地區3種植物葉片中Pb含量差異不顯著，含量最高的北濱河路冬青葉片（419.68 mg/kg），最低的也是北濱河路松樹葉片（328.71 mg/kg）。

3.1.4 植物葉片中Cr含量的變化

由圖4可知，不同地區3種植物葉片中Cr含量差異較顯著;Cr含量最高的是西固公園中的松樹葉片（33. 92 mg/kg），最低的是蘭州城市學院的松樹葉片（8.79 mg/kg）。

3.2 不同地點土壤重金屬含量

由表1可知，3個不同采樣點重金屬含量差異不顯著，同一地點不同重金屬含量差異顯著。各研究區域中Cd含量最高的是蘭州城市學院，Cu含量最高的是西固公園，Pb含量最高的是北濱河路，Cr含量最高的是蘭州城市學院。3個區域土壤中的Cu、Pb、Cr這3種重金屬元素含量均超過蘭州市土壤重金屬含量背景值，表明各研究區域均存在不同程度的Cu、Pb和Cr污染。

依據Meilke等提出的重金屬污染評價指標將土壤中重金屬潛在生態危害狀況進行分級：污染系數Ci <1時，污染強度為輕微;1≤C_i<3時，污染強度為中度;3≤C_i<6時，污染強度為強;C_i≥6時，污染強度達到很強[9]。各研究區域土壤重金屬污染程度見表2。

表2顯示，3個研究區域Pb的污染最嚴重，達到了很強。Cu的污染為中度，Cd和Cr的污染輕微.

3.3 不同植物在不同地點富集重金屬的能力

由表3可知，同一種植物對不同的重金屬富集能力明顯不同，松樹對4種重金屬的富集能力為Cr>Pb>Cu>Cd;柳樹對4種重金屬的富集能力為Cr> Pb>Cu>Cd;冬青對四種重金屬的富集能力為Cr>Pb>Cu>Cd，3種樹木對4種重金屬的富集能力順序一致。

3種植物重金屬鎘的富集系數由高到低依次為：柳樹、松樹、冬青;銅的富集系數依次為：松樹、柳樹、冬青;鉛的富集系數依次為：冬青、柳樹、松樹;鉻的富集系數依次為冬青、松樹、柳樹.通過計算3種植物對重金屬的綜合富集系數，綜合富集能力由大到小排序為冬青>柳樹>松樹。

4 結論

本研究選取的研究區域均位于蘭州市區，但其間隔距離相對較遠，具有不同的城市分區功能，各研究區域在其它環境因素方面也存在一定的差異性，因此對3個不同區域植物葉片吸附重金屬的變化分別進行了研究，綜合分析蘭州城區綠化樹種對重金屬富集能力的變化規律。

整體來看，西固公園中植物葉片中重金屬元素（Cd、Cu、Pb、Cr）高于其它兩個研究區域，由于西固公園位于蘭州市西固區，西固區為重工業區，周邊有大型化工廠，造成了土壤及大氣中重金屬含量升高。

通過對綠化樹種植物葉片中重金屬含量結果分析，植物葉片中Pb含量很高，明顯高于其它3種重金屬的含量。對比分析松樹、柳樹和冬青葉片中重金屬含量，不同區域差異較顯著。

從單項富集系數來看，不同樹種對Cd的富集能力為：柳樹>松樹>冬青;對Cu的富集能力為：松樹>柳樹>冬青;對Pb的富集能力為：冬青>柳樹>松樹;對Cr的富集能力為：冬青>松樹>柳樹。綜上所述，沒有一種綠化樹種對4種重金屬均表現出最強的富集能力和積累量。因為植物體吸收和富集各種污染物量的多少是由植物本身特性、污染物性質以及各種環境因子綜合作用的結果，對于同一環境條件下的同一種重金屬污染物，由于其在大氣、水體和土壤中的廣泛分布，加之植物吸收的主要途徑不同，所以很難有一種綠化樹種能對多種重金屬都表現出較強的富集能力。但通過計算各樹種的綜合富集系數，對3種重金屬的富集能力大小為冬青>柳樹>松樹，在北方很多城市大面積選擇冬青作為綠化樹種，這和該研究結果是一致的。

鑒于以上結果，城市在選擇綠化樹種的時候應該多元化、多樣化，這樣才能更有效地發揮綠化樹種凈化空氣富集、改善環境的作用。

參考文獻：

[1]萬欣，關慶偉，邱靖，等.3種垂直綠化植物葉片對Zn，Cu，Pb的富集能力[J].城市環境與城市生態，2010，23（2）：33～35.

[2]張甘霖，朱永官，傅伯杰，城市土壤質量演變及其生態環境效應[J].生態學報，2003，23（3）：539～546.

[3]孫向武，朱磊，王國峰，等，常見綠化樹種對大氣中二氧化硫的凈化能力研究[J].湖北農業科學，2008，47（3）：293～295.

[4]武正華，張宇峰，王曉蓉，等，土壤重金屬污染植物修復及基因技術的應用[J].農業環境保護，2002，21（1）：84～86.

[5]陶雪琴，盧桂寧，周康群，等，大氣化學污染物的植物凈化研究進展[J].生態環境，2007，16（5）：1546～1550.

[6]龐博，張銀龍，王丹，城市不同功能區內葉面塵與地表灰塵的粒徑和重金屬特征[J].生態環境學報，2009，18（4）：1312—1317.

[7]阿衣古麗·艾力亞斯，玉米提·哈力克，塔依爾江·艾山，等，烏魯木齊市主要綠化樹種重金屬累積能力比較[J].東北林業大學學報，2014，42（5）：18～21.

[8]Mielke H W， Gonzales C R，Smith M K， et al.The urban environment and children-s health： soils as an integrator of lead，zinc，and cadmium in New Orleans， Louisiana， USA[J]. Environmental Research，1999， 81（2）：117—129.

[9]李凌云，閻子健.蘭州市西固區土壤重金屬污染及空間分布特征[J].甘肅科技，2011，27（8）：62～65.

[10]李天杰.土壤環境學[M].北京：高等教育出版社，1996： 304～309.