桑樹對土壤重金屬污染修復潛力研究

董中凱，阿麗亞·拜都熱拉，宋敏，蔡凱旭，楊公新，孫桂麗

(新疆農業大學林學與風景園林學院，新疆 烏魯木齊 830052)

隨著國家對西部的大力扶持，新疆東部典型干旱城市吐魯番市相繼引進一系列國內著名的能源化工企業以促進當地經濟發展，從而提高人民的生活水平。自2006年以來，諸如中泰化學、圣雄能源、金風科技、天雨煤化等一系列以煤電煤化、新能源裝備制造新型建材行業為主導的能源化工企業先后落戶于新疆吐魯番市托克遜縣。據環境保護部與國土資源部于2014年公布的《全國土壤污染狀況調查公報》結果顯示，全國Cd、As、Cu、Hg等元素污染嚴重。在區域經濟得到飛速發展的同時，工業化和城市化帶來的重金屬不斷進入土壤-植物系統，區域生態環境質量、人體健康及社會經濟可持續發展受到嚴重威脅。

在工業化集約發展的城郊，人為各項生產活動中諸如“三廢”的排放，易致使重金屬元素在區域土壤中累積，從而對區域環境造成重金屬復合污染，對城郊居民健康安全構成一定的威脅。然而，在土壤重金屬污染治理中，目前主要基于植物修復。有學者提出應用污染區生長良好的本土先鋒植物對土壤重金屬污染地進行修復，適生植物在區域特殊的生境下，已形成良好的適應機制，同時避免了引種帶來的生態入侵的可能性。研究發現，即使在工業園區等重金屬污染較為嚴重的生境下，也有部分植物能夠存活并生長良好[1]。如Yoon等對某工業園區的17種本土植物研究發現，本土植物對Cu、Zn、Pb均具有一定的修復潛力[2]；Malik等對巴基斯坦一工業區周邊16種優勢植物研究發現，大多數植物可作為區域重金屬污染的候選植物[3]；Sun等發現工業區周邊的植物對As、Cu、Pb等元素具備一定耐受與累積能力[4]；桑樹(Morusalba)具有優良的抗旱、生長快、耐剪伐、耐貧瘠、對土壤適應性強且根系發達等優點，在新疆干旱地區被廣泛應用于城市綠化建設中，在干旱區生態系統的恢復、改善及保護中發揮著極其重要的作用。

鑒于此，為明確城郊工業區周邊適生樹種桑樹對土壤重金屬污染修復潛力，本研究選取城郊周邊桑樹為研究對象，采集其土壤、植物樣品，測定樣品中Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr等9種重金屬的含量，量化桑樹不同部位對重金屬的富集轉運能力，進而探究桑樹對土壤重金屬復合污染修復潛力及在重金屬污染預防治理過程中應用前景。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于吐魯番市托克遜縣城郊(88°38′43.1″ E，42°46′49″ N)，東與吐魯番市為鄰，南與巴州尉犁縣相接，北與烏魯木齊毗鄰，地理位置優越，其工業園區在典型的西北干旱區具有一定的代表性。屬于暖溫帶干旱荒漠氣候，年均氣溫13.8 ℃，極端最高氣溫為48 ℃，年均降水7 mm，是中國降水最少的縣城。土壤質地為荒漠風沙土。因氣候、植被等因子制約，區域生態環境脆弱，在工業集約化發展的城郊易受到重金屬污染。

1.2 樣品采集及測定

通過前期試驗樣地調研，沿九龍路方向由北至南，分別在九龍路北段、中段、南段進行樣品采集，同時選擇林帶比較集中的區域。在九龍路沿線均勻布設14個樣點，采集桑樹根際土壤、植物樣品。為確保樣品代表性，每樣點重復采樣3次。

土壤樣品的采集與處理：使用土鉆采集植物根系0～30 cm表層土壤，以四分法取土樣后裝入自封袋中并進行標號。在實驗室剔除樣品異物，置于自然條件下風干、磨碎、過100目篩，置于自封袋待測。

土壤樣品測定：采用HF-HClO4法進行消解[5]。使用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP)測定土壤樣品中重金屬Cd、Hg、Pb、Zn、Mn、Ni、As、Cu、Cr的含量。

植物樣品的采集：在每個樣點選取3株無病蟲害、長勢相近的植物，并記錄胸徑、冠幅、株高等生長信息。基于植物木質部較其樹葉、樹皮富集更穩定特點[6]，因此，本研究桑樹地上部以樹干、1～2年生枝條代表。分別在冠幅上、中、下三層沿東、西、南、北四個方向用高枝剪采集植物1～2年生枝條；在樹干東、西、南、北方向以生長錐鉆取樹芯，深度超過髓心以采集樹干樣品；在冠幅投影的2/3處用根鉆沿四個方向采集樹根樣品，將其混合為一個樣品。

植物樣品處理：用純凈水清洗附著于樣品中的雜質，再以超純水反復清洗，吸水紙吸干樣品表面水分后置于恒溫烘箱中105 ℃下殺青，65 ℃烘干至恒質量，高速萬能粉碎機粉碎，過100目篩，置于自封袋中待測。

植物樣品測定：采用HNO3-HCO4消解，4∶1的比例[5]。通過ICP測定植物樣品中各重金屬含量。

1.3 研究區污染評價

內梅羅綜合污染指數法[7，8]計算公式為：

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi為i因子的單項污染指數；Ci為i因子的實測濃度值(mgkg-1)；Si為i因子的評價標準(mgkg-1)，評價標準參考《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》(GB15618-2018)[9],由于缺少Mn的標準值，采用新疆土壤環境背景值代替[10]。Piave為指數平均值；Pimax為單項污染物的最大污染指數；PN為采樣點的綜合污染指數。

內梅羅綜合污染指數分級標準如表1所示。

表1 內梅羅綜合污染指數評價分級標準

1.4 植物重金屬富集系數計算

富集系數[11]公式為:

(3)

式中：BCF為富集系數；Ci為植物地上、地下部重金屬元素的含量(mgkg-1)；Cs為植物根際土壤重金屬元素含量(mgkg-1)。

轉運系數[12]，其計算公式為：

(4)

式中：Cabove為植物地上部位重金屬含量實測值(mgkg-1)；Cunder為植物地下部位重金屬元素含量實測值(mgkg-1)。

1.5 數據處理

本研究采用Excel2010、SPSS20.0對試驗數據進行制表及統計分析。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬元素描述性統計

城郊工業區土壤重金屬含量如表2所示。土壤中Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr平均含量均低于土壤污染風險篩選值。其中工業區中9種元素分別是對照區土壤的0.77、1.23、1.11、1.39、2.66、1.38、1.26、1.12、1.29倍，表明在特殊地質背景以及人類生產活動共同影響下，區域土壤產生了不同程度重金屬累積現象。然而除Mn、Ni、Pb低于新疆土壤環境背景值外，Zn、Cd、Hg、As、Cu、Cr均高于背景值。單因子污染結果表明，土壤中Mn、Ni、Pb污染指數均小于1，表明這3種重金屬元素處于清潔狀態；Zn、Cd、As、Cr污染指數分別為1.17、1.50、1.47、1.12，均介于1～2之間，表明區域土壤中Zn、Cd、As、Cu、Cr處于輕度污染水平；Hg元素污染指數為3.60，大于3，表明該元素處于重度污染水平。內梅羅綜合污染結果表明，區域土壤重金屬元素整體處于中度污染水平。變異系數可以很好地反映數據波動程度，反映土壤中重金屬元素含量受外界干擾程度強弱。9種元素均屬于中等變異(10%

表2 研究區土壤重金屬描述性統計結果 (mg·kg-1)

2.2 土壤重金屬來源解析

從表3土壤重金屬Pearson相關分析可以看出，Cd-Mn、Pb-Hg元素間在0.05級別顯著相關；Hg-Mn、Pb-Ni、Hg-Cr、As-Mn、Hg-Cd、As-Cd、Cr-Mn、As-Cr、Hg-As、Cr-Cd均在0.01級別呈現極顯著相關關系，表明土壤重金屬來源具有較高相似性。然而僅從重金屬元素間的相關性不足以解釋其來源，須結合多元統計分析方法判定。

表3 研究區土壤重金屬元素含量相關性分析

降維處理可以對元素間相關性進行更好的解釋。通過對數據進行主成分分析檢驗，結果如表4。KMO檢驗值為0.629，且Bartlett球形檢驗值小于0.05，說明適宜對數據進行主成分分析。經過最大方差旋轉后，獲得3個特征值大于1的主成分因子，即主成分因子1(4.864)、主成分因子2(1.675)、主成分因子3(1.182)，其中3種主成分因子累積方差貢獻率達85.79%，表明可以反映9中重金屬總體污染情況。

表4 研究區土壤重金屬元素含量主成分分析

土壤重金屬受人為生產活動、成土母質因素雙重影響，通過主成分分析可以初步識別重金屬污染來源。從表4、表5可以看出：主成分因子1方差貢獻率為47.561%，Cd、Hg、As、Mn、Cr元素載荷較高，分別為0.926、0.928、0.966、0.76和0.958，主要反映該因子污染來源信息；主成分因子2的方差貢獻率為23.611%，Pb、Ni載荷量最高，分別為0.92、0.96，因此認為Pb、Ni的污染信息可以良好地被其反映；主成分因子3方差貢獻率為14.620%，Cu元素載荷顯著高于其他元素，載荷量為0.882，可以較好反映Cu來源信息。

表5 研究區土壤重金屬原始和旋轉后的成分矩陣

研究區Cd、Hg、As較強的空間異質性可能與區域煤電煤化、新能源裝備制造新型建材行業為主導的能源化工企業的生產活動有關。Cd、Hg、As較強的空間異質性，表明主要受人為源因素影響；Mn、Ni、Zn、Pb、Cu、Cr元素呈中等變異性，可能受人為因素以及自然成土母質雙重影響。As被認為是燃煤的標識性元素，主要來源于冶金工業[13]，同時燃煤、金屬冶煉使As、Cd顯著富集[14]；Cr、Mn元素主要來源于燃煤以及冶金[15]；Hg是燃煤電廠最為典型的排放元素[16]，另電石法PVC的生產工藝中汞觸媒是Hg污染的主要來源。在工業化集約發展的城郊，一系列的工業活動會不同程度排放Mn、Cr、Hg、Cd、As等重金屬元素,故認為主成分因子1與燃煤以及冶金等活動密切相關。土壤中Pb、Ni均值含量低于新疆土壤環境背景值，且兩者變異數較低，表明Pb、Ni可能主要為自然源；巖石風化、自然土壤是影響Mn、Ni元素來源的主要因素[17]；研究區周邊有大面積裸露戈壁以及未鋪裝的土路，在車輛行駛以及劇烈風蝕作用下，機動車零部件磨損以及成土母質因素為Pb、Ni主要污染源。因此，認為主成分因子2可能受交通污染以及成土母質雙重影響。研究表明，在家養禽畜飼料中常含有Zn、Cu添加劑[18]，而禽畜對其利用率低下，排泄物中含有大量Zn、Cu[19]。土壤中Zn、Cu含量的累積可能與城郊路緣農田有機肥的長期使用有關；且交通因素對其也有一定貢獻。因此，將因子3歸為交通源及以有機肥施用的農業源。

2.3 桑樹不同部位重金屬含量分析

由表6可知，各植物地上、地下部Mn、Zn、Cu、Ni含量較大，或因Mn、Zn、Cu、Ni是植物生長的必需微量元素，是植物體內某些酶的重要組成成分，植物主動吸收所致[20，21]；而Cd、Hg、Pb、As為植物生理非必需元素，生物富集能力較弱，植物少量富集就足以產生毒性效應，因而導致植物對不同元素累積量存在不同差異。各植物對Cr的累積效果也較為明顯，除了是植物必須因素外，Cr元素在自然界中多以三價或六價離子形式存在，易與Pb元素形成沉淀，減弱Pb元素對植物體毒害作用有關[22]。植物根部對Ni、Pb、As、Cu富集吸收高于地上部，表明植物從土壤中吸收重金屬并穩定于根部，避免對植物地上部分的毒害作用的適應機制所致[23]。Cu、Pb地下部累積量大于地上部，地上部Zn元素顯著大于地下部，究其原因，可能是Cu、Pb沉積性強，易累積于根部；而Zn遷移性強，易運輸至地上部所致[24]。植物地上部Hg元素含量大于地上部，或因研究區域生產活動中汞觸媒的使用，導致大氣中Hg元素的釋放，通過大氣沉降被植物地上部吸收所致。研究發現，植物在環境中的這種適應機制說明，可以平衡植物對重金屬元素的富集轉運機制[25]。

表6 桑樹不同部位重金屬元素含量

2.4 桑樹中重金屬元素相關性研究

為表征植物中9種不同重金屬元素中的某一化合物或多種化合物的富集吸收、轉運特征或重金屬來源的信息，對9種植物中重金屬元素進行相關性分析。

桑樹的相關系數如表7所示：Pb-Ni元素呈顯著正相關(P<0.05)，相關系數為0.540；Hg-Mn、Mn-As、Cd-Cr、Hg-As均在0.01級別呈現極顯著正相關(P<0.01)，相關系數分別為0.787、0.719、0.886、0.945。

表7 桑樹重金屬元素相關性分析

為了對研究區內各適生植物中重金屬元素間相關性更好的解釋，需要進行降維處理，通過對各植物中重金屬進行KMO檢驗和Bartlett’s球度檢驗,得到KMO檢驗值為0.513，Bartlett球型檢驗值小于0.05，表明適宜主成分分析。

表8 桑樹重金屬元素含量主成分分析

將桑樹中的重金屬經最大方差旋轉后共取得4個特征值大于1的主成分因子，即主成分因子1(3.314)、主成分因子2(2.174)、主成分因子3(1.291)，主成分因子4(1.135)，其中4種主成分因子累積方差貢獻率達87.93%，所提取的4個因子可大致反應植物重金屬的總體信息。其中PC1中As、Hg、Mn具有較高載荷，該因子主要反映桑樹對As、Hg、Mn元素富集轉運特征的相似性；PC2中Cd、Cr具較高正載荷，主要反映Cd、Cr的富集轉運的相似特征；PC3的Pb、Ni載荷較高，因此認為這2種元素可以較好反映該植物對其富集轉運的相似性；PC4中Zn、Cu元素載荷較高，主要反映桑樹富集轉運Cd、Cr元素特征的相似性。

2.5 桑樹對重金屬修復潛力分析

富集系數是衡量植物修復土壤重金屬元素的一個重要指標，當富集系數大于1時，表明該植物具備良好的富集潛力。另有研究認為，木本植物生物量遠大于草本植物，木本植物富集系數大于0.4則可認定為對土壤重金屬污染具有較強的富集能力；富集系數0.1～0.4則可認定為具備一定富集能力；富集系數小于0.1的木本植物則為富集能力低的植物[26]。富集系數以及轉運系數可衡量植物對重金屬修復潛力強弱，富集、轉運系數越大，表明植物對重金屬修復潛力越強，反之則越弱。

由表9可知，桑樹地上部對Cd、Pb、Cr元素富集系數均不大于0.1，桑樹地上部表現出對該元素的低富集能力；地上部對Mn、As、Cu元素富集系數均為0.1～0.4，表明桑樹地上部對Mn、As、Cu具備一定的富集能力；桑樹地上部對Zn、Hg富集系數分別為0.44、0.52，表明桑樹對其良好的富集能力；桑樹地上部對Ni元素富集系數為1.37，表現出良好的富集能力。桑樹地下部對Cd元素的富集系數為0.04，表現出桑樹地下部的低富集能力；地下部對Mn、Zn、Pb、As、Cr元素富集系數為0.1～0.4，表明桑樹地下部對其具備一定的富集能力；地下部對Hg、Cu元素富集系數分別為0.40、0.44，地下部表現出對Hg、Cu具備較強的富集能力；對Ni元素富集系數為2.37，表明桑樹地下部對Ni具備良好的富集能力。桑樹對Zn、Cd、Hg轉運系數均大于1，表現出桑樹對Zn、Cd、Hg良好的轉運能力。

表10 桑樹對重金屬富集轉運系數

為將桑樹對9種重金屬元素的綜合富集能力進行分級評價，以SPSS26.0軟件將9種重金屬元素的綜合富集系數進行分級，以類間距5作為分界聚類距離，輸出譜系圖如圖1所示。桑樹對9種重金屬元素綜合富集能力共劃分為2個等級：Ⅰ級元素為Ni；Ⅱ級元素為Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr。綜合分析認為，桑樹對Ni元素綜合富集能力相比于其他元素較強。

圖1 桑樹對9種重金屬元素綜合富集能力分級評價

為將桑樹對9種重金屬元素的轉運能力進行分級評價，以SPSS26.0軟件將9種重金屬元素的轉運能力進行分級，以類間距5作為分界聚類距離，輸出譜系圖如圖2所示。桑樹對9種重金屬元素轉運能力共劃分為3個等級：Ⅰ級元素為Cd；Ⅱ級元素為Hg、Zn；Ⅲ級元素為Mn、Ni、Pb、As、Cu、Cr。綜合分析認為，桑樹對Zn、Cd、Hg轉運能力相比于其他元素較強。

圖2 桑樹對9種重金屬元素轉運能力分級評價

為將桑樹對9種重金屬元素的修復潛力進行分級評價，以SPSS26.0軟件將9種重金屬元素的修復潛力進行分級，以類間距5作為分界聚類距離，輸出譜系圖如圖3所示。桑樹對9種重金屬元素修復潛力共劃分為3個等級：Ⅰ級元素為Ni；Ⅱ級元素為Hg、Zn、Cd；Ⅲ級元素為Mn、Pb、As、Cu、Cr。綜合分析認為，桑樹對Ni、Zn、Cd、Hg具有較強的修復潛力。

圖3 桑樹對9種重金屬元素修復潛力分級評價

3 結論

3.1 單因子污染結果表明：城郊工業區土壤中Mn、Ni、Pb元素處于清潔狀態；Zn、Cd、As、Cr處于輕度污染水平；Hg元素處于重度污染水平。內梅羅綜合污染結果表明，區域土壤重金屬元素整體處于中度污染水平。主成分分析結果顯示，Mn、Cr、As、Hg、Cd污染可能不同程度受燃煤、金屬冶煉等因素影響；Pb、Ni可能來源于交通源；Cu可能來源于交通源及以有機肥施用的農業源。

3.2 經主成分分析，桑樹對As-Hg-Mn，Pb-Ni，Cd-Cr，Zn-Cu元素富集轉運特征具有較高的相似性且來源可能相同。

3.3 桑樹對重金屬富集能力整體表現為地上部大于地下部，地上部較強的富集能力可能與土壤、大氣以及植物自身吸收特性有關。綜合分析認為，桑樹對Ni元素綜合富集能力相比于其他元素較強；對Zn、Cd、Hg具有較強的轉運能力；對Ni、Zn、Cd、Hg具有較強的修復潛力，其中對Ni元素的修復潛力最強。桑樹在區域重金屬污染修復治理中發揮著重要生態價值。