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绿化带土壤重金属污染特征及植物富集研究——以长沙市为例

作者:admin  来源:佳作论文网 日期:2020-07-28 15:01 人气:

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近年来城区机动车保有量不断增加,排放的汽车尾气中含有CuPb Zn 等多种重金属元素,不仅加重了空气污染,还进入到道路沿线的土壤环境中,成为城市土壤重金属污染的主要来源之一[1]。城区人口高度集中,与土壤直接或间接接触的几率较高,城市土壤尤其是城市表土层的重金属污染更容易对人体健康造成危害[2-3]。土壤中的重金属污染修复技术主要包括物理修复、化学修复、植被修复和农业生态修复四种。物理、化学修复重金属污染土壤,具有一定的局限性,难以大规模处理污染土壤,并且会导致土壤结构破坏,生物活性下降和土壤肥力退化。农业生态措施存在周期长、效果不显著的特点。相比较而言,植物修复技术以其原位修复、费用低廉、不破坏环境结构以及大规模治污等优点,在治理土壤重金属污染方面有着广泛的应用前景,已经成为国内外研究热点[4-7]。以往的研究已发现700多种重金属超富集植物,其中大多数为草本植物,然而在重金属毒害作用下,草本植物植株矮小、生物量低,难以获得理想的修复效果。因此,人们将植被修复物种种类筛选转向重金属耐性强、生长快、生物量大并具有一定重金属富集能力的乔木上来[8-12]

本研究以长沙市交通干道绿化带15 种主要乔木树种为研究对象,通过测定土壤和植物体内的重金属含量,分析这些乔木对土壤中重金属的富集和迁移的特点,筛选出具有较强富集、吸收能力的绿化带乔木种类,为城市绿化带重金属污染土壤修复的树种配置提供科学依据。

1 研究区概况

长沙市地处湘中丘陵盆地向湘北洞庭湖平原过渡地带,坐标为东经111°53′ 114°15′、北纬27°51′ 28°41′。长沙属典型的亚热带季风湿润气候区,冬寒夏热、四季分明、光照充足、雨量充沛;多年平均气温为16.8 ℃,最高气温40.6℃,最低气温-12 ℃; 多年平均降水量1 360 mm;年无霜期平均275 d;年日照时数达1 677 h。境内气候温暖湿润,受季风影响,发育的地带性植被类型是常绿阔叶林。长沙市区绿化带乔木树种有樟树Cinnamomum camphora、法国梧桐Platanus acerifolia、苦楝Melia azedarach、广玉兰Magnolia grandiflora、旱柳Salix matsudana、秃瓣杜英Elaeocarpus glabripetalus、复羽叶栾树Koelreteria bipinnata、棕榈Trachycarpus fortunei、桂花Osmanthus fragrans、银杏Ginkgo biloba、构树Broussonetia papyrifera、臭椿Ailanthusaltissima、泡桐Paulownia fortunei、刺槐Robiniapseudoacacia、盐肤木Rhus chinensis 等。

长沙市土壤以红壤为主,由黄壤、棕壤、草甸土、冲积土组成。土壤pH 值为4.69,有机质含量为17.59 g·kg-1,全氮含量为0.99 g·kg-1,全磷含量为0.38 g·kg-1,全钾含量为6.13 g·kg-1,速效钾含量为150.15 mg·kg-1,全钙含量为0.79 g·kg-1,全镁含量为3.00 g·kg-1[13]

2 研究方法

2.1 采样路段采样点确定

本实验在长沙市芙蓉路、五一路、人民路、湘江中路、湘府路和金星大道六条城市主干道沿线绿化带采样,共选出8 个采样路段,其中芙蓉南路省政府——万家丽路口路段、金星北路市政府——银星路口路段中一部分路段位于城乡结合部,其它6 个采样路段全线位于市区。采样路段具体位置及采样树种见表1。每个采样路段对应的各树种取5 个样,本实验共设置125 个采样点。

1 采样路段乔木树种分布

采样路段

地点

树种

1

芙蓉南路省政府—万家丽路口路段

樟树、臭椿、构树

2

芙蓉中路侯家塘—浦沅路段

樟树、银杏

3

五一路芙蓉广场—火车站路段

广玉兰、法国梧桐、樟树、桂花

4

人民中路识字岭—窑岭路段

樟树

5

湘江中路西湖路口—湘春路口路段

樟树、棕榈

6

湘府中路

樟树、苦楝

7

金星中路枫林路口—岳麓大道路口路段

樟树、秃瓣杜英、复羽叶栾树、棕榈、泡桐

8

金星北路市政府—银星路口路段

樟树、广玉兰、旱柳、刺槐、构树、盐肤木

2.2 乔木与土壤样品的采集

根据采样路段树种分布情况,分别选取树龄相近、长势良好、无病虫害的植株,在树冠的东、西、南、北4 个部位,距地面约2.5 m 处,采取植株的1 年生饱满枝叶100 g。共取乔木枝叶样品125 组。

在每个采样乔木树冠垂直投影中心点向外2/3处开挖土壤剖面,取土壤深度0 15 cm 层的表土样500 g,并挖取乔木根系50 g。共取土壤和乔木根系样品各125 组。

2.3 样品的处理及分析

将采集的乔木枝叶、根系样品分别用去离子水洗净,经105℃下杀青30 min 后,再放入烘干箱中80℃烘干3 d。样品烘干粉碎后称取0.2 g,用4 mLHNO3 1 LHClO4 混合液消解备用。采集的土壤样品自然风干后,除去样品中的石子和动植物残体等异物,用木棒研压,过2 mm尼龙筛,混匀。再用研钵将土样研磨至全部通过100 目尼龙筛后称取0.2 g,用HF-HClO4-HNO3 混合液消解备用。采用PerkinElmer AANALYST 700/800 原子吸收分光光度仪测定土壤样品中的ZnCuPbCdNiMn 含量和乔木枝叶、根系样品中的ZnCuPbCd含量。每个样品重复测定3次,结果取平均值。

2.4 数据处理

数据全部采用SPSS Statistics 19.0 处理。

2.5 评价标准与方法

以《中国土壤元素背景值》中湖南省A 层土壤各重金属背景值为评价标准[14],评价方法采用单因子指数法和内梅罗综合指数法来衡量土壤污染程度[15]。单因子指数Pi 为土壤中重金属实测浓度与土壤相应重金属背景值的比值;单因子指数Pi 1 清洁,1 Pi 2 轻度污染,2 Pi 3 中度污染,Pi 3 重度污染。内梅罗综合指数P=[(Pimax2+Piave2)/2]1/2,式中Pimax 为采样路段土壤中所有重金属单因子指数中的最大值,Piave 为采样路段土壤中所有重金属单因子指数的平均值;内梅罗综合指数P 0.7 清洁,0.7 P 1 尚清洁,1P 2 轻污染,2 P 3 中污染,P 3 重污染。

生物富集系数(Bio-concentration FactorBCF)和转移系数(Transfer FactorTF)来评价乔木体内对土壤中重金属的富集、转移能力。BCF为乔木体内重金属含量与土壤中相应重金属含量的比值。综合富集系数为乔木体内对各重金属生物富集系数(BCF)之和。TF 为乔木枝叶重金属含量与根系相应重金属含量的比值。

3 结果与分析

3.1 土壤重金属含量及污染评价

3.1.1 土壤重金属含量

15 种乔木根际土壤中重金属含量见表2。由表2 可以看出,土壤中重金属含量以Zn 最高,为118.91 124.52 mg·kg-1 之间;Cd 最低, 为1.60 2.08 mg·kg-1 之间。土壤中重金属含量高低依次排序为:Zn Mn Cu Pb Ni Cd8 个采样路段土壤中NiMn 的含量低于湖南省A 层土壤中背景值;ZnCuPb Cd 的含量均高于湖南省A 层土壤中背景值。尽管土壤中Cd 含量最低,但已超过《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中二级标准值,表明长沙市绿化带土壤中Cd 含量已超出维护人体健康的土壤限制值[16]

变异系数大小反映样本数据间的离散程度,变异越强表明样本数据的空间差异越大。这种空间差异实际上是人为活动对土壤干扰强度的反映,或者理解为有些人为活动已造成城市土壤污染程度的加剧[17]。由表2 可知,芙蓉南路省政府——万家丽路口路段(采样路段1)、金星北路市政府——银星路口路段(采样路段8)土壤中重金属含量较低,且变异系数相对较大,可能是由于这两个采样路段部分路段位于城乡结合部,车流量比市区明显偏少所致,汽车尾气排放很可能是造成土壤中重金属分布不均匀的主要原因。

3.1.2 土壤重金属污染评价

各采样路段的单因子指数Pi 和内梅罗综合指数P 计算结果如表3 所示。从单因子污染指数来看,土壤中Cd 的污染指数高达12.70 16.51,属于重度污染;Cu 的污染指数为2.52 2.91,属于中度污染;Pb Zn 的污染指数分别为1.62 1.821.26 1.32,均属于轻度污染;NiMn 污染指数小于1,未造成污染。

从内梅罗综合指数来看,所有采样路段土壤均受到严重污染,主要污染元素为ZnCuPb Cd,这四种元素来源相同,都是来源于道路交通污染,主要是由汽车尾气中的微粒物、汽车引擎、轮胎及零部件的磨损引起[18-20]。据此,本研究将着重分析各乔木对土壤中ZnCuPb Cd 的富集、转移特征。

3.2 乔木对土壤中重金属的积累特性

3.2.1 乔木不同部位重金属的分布特征

15 种乔木不同部位ZnCuPb Cd 含量的分析结果见表4。由表4 可以看出,大部分乔木枝叶和根系Zn 含量最高,CuPb 次之,Cd 含量最低,与这四种元素在乔木根际土壤中含量的高低一致。有研究表明[21],植物体内(枝叶与根系之和)ZnCuPb Cd 的临界值分别为50100504 mg·kg-1,植物体内重金属含量达到临界值时会出现中毒症状。樟树、棕榈、盐肤木、臭椿、秃瓣杜英、旱柳体内Zn 的总含量、构树和银杏体内Pb 的总含量、苦楝和法国梧桐体内Cd 的总含量均高于中毒临界值,但这些树种长势良好,对重金属污染的耐性很强。

4 可知,植物枝叶和根系中ZnCuPb Cd 含量存在显著的种间差异。从枝叶看,樟树Zn含量最高,达到110.96 mg·kg-1,盐肤木和旱柳Zn 含量次之,分别为72.37 mg·kg-167.54 mg·kg-1,法国梧桐Zn 含量最低,仅为2.41 mg·kg-115 种乔木枝叶中Cu 含量都较低,樟树Cu 含量最高,为22.98mg·kg-1; 构树Pb 含量最高,达到48.70 mg·kg-1,棕榈和银杏Pb 含量次之,分别为36.39 mg·kg-128.71 mg·kg-1, 复羽叶栾树Pb 含量最低, 仅为0.51 mg·kg-1;法国梧桐Cd 含量最高,达到3.82mg·kg-1,苦楝、桂花和刺槐Cd 含量次之,分别为2.282.22 2.01 mg·kg-1,这4 种乔木枝叶中Cd含量均已超出乔木根系土壤中Cd 的含量。

从根系看, 仍以樟树Zn 含量最高, 达到95.28 mg·kg-1,法国梧桐Zn 含量最低,仅为3.62mg·kg-1;樟树和旱柳Cu 含量相对较高,分别为31.13 mg·kg-122.24 mg·kg-1;银杏Pb 含量最高,达到32.29 mg·kg-1,构树Pb 含量次之,为11.28mg·kg-1,广玉兰Pb 含量最低,仅为1.59 mg·kg-1;苦楝Cd 含量最高,达到4.81 mg·kg-1,超出根系土壤中Cd 的含量,樟树和桂花Cd 含量次之,分别为1.14 mg·kg-1 1.10 mg·kg-1

3.2.2 乔木对土壤中重金属的富集转移特征

生物富集系数(BCF)反映植物富集土壤重金属的能力,富集系数越大,其富集能力越强[22]15 种乔木对土壤中ZnCuPb Cd 的生物富集系数和综合富集系数见图1。由图1 可知,4 种重金属中乔木对土壤中Cd 的生物富集系数最高,苦楝、法国梧桐、桂花和刺槐对Cd 的生物富集系数均大于1,依次为3.732.541.75 1.49;樟树和棕榈对土壤中Zn 的生物富集系数较高,分别为1.711.00;银杏和构树对土壤中Pb 的生物富集系数较高,分别为1.191.17;对土壤中Cu 的生物富集系数则普遍较低,樟树最高,富集系数为0.73。就综合富集系数而言,苦楝最高,为4.29;其次为樟树、法国梧桐、棕榈、桂花、盐肤木、构树,综合富集系数分别为3.423.042.272.152.07 2.02。转移系数(TF)反映植物从土壤中吸取重金属元素并由生长周期较长的根向生长周期较短的枝叶转移的能力,转移系数越大,则重金属从根系向枝干、叶片转运能力越强[23]。图2 表明,棕榈对Pb 的转移能力最强,转移系数高达5.92,其次为构树,转移系数为4.32,盐肤木和旱柳的转移系数也高于1;旱柳对Zn 的转移系数最高,达到1.93,其它转移系数大于1 的乔木还有盐肤木、臭椿和樟树;法国梧桐对Cd 的转移系数最高,为3.79,其次是刺槐和桂花,转移系数均大于2,构树的转移系数大于1。重金属转移系数大于1 时,表明较高比例的重金属吸收和累积在植物的枝叶中,可通过多次收获的方式将重金属从污染土壤中去除,从而达到修复污染土壤的目的[24-25]

综上所述,樟树综合富集系数高,对土壤中ZnCu Cd 的富集能力均较强,且对Zn 的转移能力强,是绿化带种植的优选树种。绿化带土壤中Cd 污染最严重,苦楝、法国梧桐、桂花和刺槐对Cd 的富集和转移能力都较强,尤其是法国梧桐生物量大,且耐修剪,每年枝叶修剪都可从污染环境中带走大量的重金属元素,属于比较理想的绿化树种。构树和棕榈综合富集系数较高,对Pb的转移能力强,且耐修剪,也是理想的绿化树种。盐肤木、旱柳、臭椿、银杏和秃瓣杜英对土壤中4 种污染重金属元素之一具有富集能力;这几种乔木长势良好,说明对重金属污染的耐性很强,为丰富绿化带树种配置,可作为绿化带的选栽树种。广玉兰、泡桐、复羽叶栾树虽然富集重金属的能力不强,但在污染环境下生长正常,可能是避性植物,仅是具有观赏性的绿化树种。

4 结论与讨论

长沙市绿化带土壤中重金属含量以Zn 最高,为118.91 124.52 mg·kg-1 之间;Cd 最低, 为1.60 2.08 mg·kg-1 之间。重金属含量高低依次排序为:ZnMn Cu Pb Ni Cd。土壤中Cd 含量已超出维护人体健康的土壤限制值,与高述超等[13] 对长沙市城市森林土壤微量元素含量的研究结果一致。

从单因子污染指数来看,土壤中Cd 的污染指数高达12.70 16.52,属于重度污染;Cu 的污染指数为2.52 2.91,属于中度污染;Pb Zn 的污染指数分别为1.62 1.821.26 1.32,均属于轻度污染;NiMn 污染指数小于1,未造成污染。从内梅罗综合指数来看,绿化带土壤已受到严重污染,主要污染元素为ZnCuPb Cd,根据以往文献研究结果[18-20],这4种元素都是来源于道路交通污染。

15 种乔木枝叶和根系Zn 含量最高,CuPb次之,Cd 最低。植物体内Zn 含量高的树种有樟树、盐肤木和旱柳,Cu 含量高的树种有樟树,Pb 含量高的树种有构树、银杏,Cd 含量高的树种有苦楝、法国梧桐和桂花。

乔木对土壤中Cd 的生物富集最高,对Cu 的生物富集则普遍较低。苦楝、法国梧桐、桂花和刺槐对Cd 的生物富集系数大于1;樟树、棕榈和盐肤木对Zn 的生物富集较高;银杏和构树对Pb 的生物富集较高;这与以往的诸多研究结果一致[5,24]。樟树对Cu 的生物富集最高,富集系数为0.73,高于方晰等人[26] 得出的樟树对Cu 富集系数为0.366 的研究结果。就综合富集系数而言,苦楝最高,为4.29;其次为樟树、法国梧桐、棕榈、桂花、盐肤木和构树。棕榈对Pb 的转移能力最强,转移系数高达5.92,其次为构树、盐肤木和旱柳;旱柳、盐肤木、臭椿和樟树对Zn 的转移系数较高;法国梧桐对土壤中Cd 的转移系数最高,为3.79,其次为刺槐、桂花和构树。

综合得出,樟树是绿化带种植的优选树种,苦楝、法国梧桐、桂花、刺槐、构树和棕榈是比较理想的绿化树种,盐肤木、旱柳、臭椿、银杏和秃瓣杜英可作为绿化带的选栽树种,广玉兰、泡桐、复羽叶栾树仅是具有观赏性的绿化树种。

近来研究认为重金属超富集植物体中重金属含量要达到一定阈值(Zn10 000 mg·kg-1Cu1 000mg·kg-1Pb1 000 mg·kg-1Cd100 mg·kg-1),且富集系数和转移系数要大于1。本次研究的15 种乔木树种中未发现超富集植物。但由于乔木生长快、生物量大,所积累的重金属总量远远高于一般超富集草本植物,对城市绿化带重金属污染土壤修复具有重要的生态意义。今后的研究应综合考虑木本—灌木—草本植物相结合的立体、综合修复模式对城市绿化带重金属污染土壤的修复作用。

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