银川市主要绿化树种对重金属的吸收积累能力研究

许浩 于江珊

摘 要：為了筛选出对重金属综合吸收能力较强的绿化树种，以银川市常见的17种绿化树种为研究对象，测定叶片及土壤的镉 （Cd）、铜 （Cu）、锌 （Zn）、铬 （Cr）、锰 （Mn）、镍 （Ni）、砷 （As） 和铅 （Pb） 8个重金属含量，确定了不同树种叶片的富集系数及潜在污染消减指数。结果表明：1） 17种绿化树种叶片间的8个重金属含量存在显著差异。垂柳（Salix babylonica）叶片的As和Ni含量、榆叶梅（Prunus triloba）叶片的Cr含量、白蜡（Fraxinus chinensis）叶片的Cu含量、连翘（Forsythia suspensa叶片的Mn含量、杏（Prunus armeniaca）叶片的Pb含量、河北杨（Populus × hopeiensis）叶片的Zn和Cd含量显著高于其他植物。2）绝大多数树种叶片对8个重金属的富集系数（BCF）远低于富集植物的标准值（BCF=1.0）。3）依据富集系数与综合潜在污染消减指数筛选的树种不同，这与Cd的高毒性有关。新疆杨（Populus albavar. pyramidalis）叶片的综合潜在污染消减指数最高，对土壤重金属的吸收积累能力最强。不同树种对重金属的吸收积累能力存在差异，新疆杨叶片对重金属的吸收积累能力最强，最适宜作为该区域土壤重金属污染修复的树种。

关键词：银川市；绿化植物；叶片重金属；潜在吸收积累能力；筛选

Study on the absorption and accumulation capacity of heavy metals by main green tree species in Yinchuan City.

Xu Hao^1，2，3， Yu Jiangshan^1，2，3

（1. Institute of Forestry and Grassland Ecology， Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Yinchuan，Ningxia 750002；2. Ningxia Key Laboratory of Desertification Control and Soil and Water Conservation， Yinchuan，Ningxia；3. Research Center for Ecological Restoration and Multi-Functional Forestry of Ningxia）

In order to screen out the plants with strong comprehensive absorption capacities of heavy metals and provide a theoretical basis for improving the health environment of Yinchuan city. In this study， 17 common green tree species in Yinchuan City were studied. As the research object， the heavy metal contents of cadmium （Cd）， copper （Cu）， zinc （Zn）， chromium （Cr）， manganese （Mn）， nickel （Ni）， arsenic （As）， and lead （Pb） in leaves and soil were determined， and the enrichment coefficient and potential pollution reduction index of different tree species were determined. The results showed as follows： 1） There were significant differences in the contents of eight heavy metals in the leaves of 17 green tree species. The contents of As and Ni in Salix babylonica L. leaves， Cr content in Prunus triloba Lindl leaves， Cu content in Fraxinus chinensis Roxb leaves， Mn content in Forsythiasuspensa leaves， the Pb content in Prunus armeniaca L. leaves， and the Zn and Cd contents in Populus × hopeiensis Hu & Chow leaves were significantly higher than those in other plants. 2） The enrichment coefficient （BCF） of eight heavy metals in the leaves of most tree species is much lower than the standard value of enrichment plants （BCF=1.0）. 3） The species selected according to the enrichment coefficient and comprehensive potential pollution abatement index are different. Populus alba var. pyramidalis Bunge blade has the highest comprehensive potential pollution reduction index and the strongest absorption of soil heavy metal accumulation. The above results showed that there were differences in the ability of heavy metal absorption and accumulation among different tree species， and the Populus alba var. pyramidalis Bunge leaf had the strongest ability of heavy metal absorption and accumulation and was the most suitable tree for soil heavy metal pollution remediation in this region.

Keywords：Yinchuan City， green plants， heavy metals in soil， heavy metals in leaves， potential absorption and accumulation capacity， screening

城市土壤重金属污染受到工业化、城市化和地质背景的高度影响^[1]。显然，重金属具有高毒性、持久性、不可生物降解性和生物积累进入食物链的能力^[2]，重金属造成的污染已成为当今研究的新课题^[3-4]。世界各地的城市土壤中都存在较高含量的重金属^[5]，这对城市健康有着严重威胁。

土壤和植物通过调节水、养分、热量和挥发性排放物的流动，在城市环境中实现重要的社会生态目的^[6]。在土壤重金属严重污染背景下，如何利于植物进行修复土壤重金属污染已经开展了大量的研究工作并取得了很大的进展。何孟轲等^[7]对有色金属企业周边农田重金属富集植物进行筛选，发现17种农作物对重金属的富集能力和去除率差异较大；殷永超等^[8]将龙葵作为修复植物进行了2年的野外模拟Cd污染实验，发现龙葵可产生较大的生物量从而使土壤表层Cd的减少率为16.8%。姜昱聪等^[9]在矿山重金属污染筛选草本植物时，发现印度芥菜和龙葵对多种重金属的富集系数均大于1.0，可作为优势植物用于污染土壤修复。研究通过隶属函数法对公路绿化树种的富集能力进行评价，指出北美海棠的富集能力最强^[10]。但已有的研究只考虑到植物修复土壤中单一重金属元素的能力，或者将植物修复土壤中不同重金属的能力进行简单的算术平均进而筛选出对土壤重金属修复综合能力较强的植物^[11]。研究指出，植物对重金属的吸收具有选择性和明显的地理分布特征^[12]，这在很大程度上限制了植物修复效果。考虑到每个重金属元素其毒性强度和生物对重金属的敏感程度不同^[12]，因此必须结合重金属毒性响应系数以探索植物对重金属的综合积累能力。目前，Hakanson^[12]提出的潜在生态风险指数法可以综合评估土壤各污染物潜在的生态风险和危害程度^[13]，如固原市原州区土壤8种重金属的综合潜在生态危害指数为轻微风险^[14]。宁夏引黄灌区农田土壤重金属没有较高等级的生态风险^[15]。但是目前为止，很少有研究从生态毒性角度对叶片的重金属综合吸收能力进行评估。因此，在重金属污染背景下研究植物叶片重金属含量及综合消减指数，对进一步筛选城市绿化植物有重要意义。

银川市不同功能区土壤重金属含量与1990年的宁夏土壤元素背景值比较存在不同程度的超标^[16]。然而有关银川市常见绿化树种对土壤重金属吸收积累能力的研究还未见报道。因此本实验选择银川市17种常见的绿化树种为研究对象，对叶片的消减指数进行计算，筛选出对土壤重金属Cd、Cu、Zn、Cr、Mn、Ni、As和Pb 综合积累能力较强的树种，主要回答以下科学问题：（1）不同树种叶片的8种重金属含量有何差异；（2） 叶片重金属含量是否受植物生长型的影响；（3） 对土壤8种重金属富集系数较高的植物，其综合消减指数是否较高。

1   研究区概况

研究地位于宁夏回族自治区银川市 （105°49′～106°53′E，37°29′～38°53′N）。该地区气候属于中温带干旱区大陆性气候，四季分明。年均气温8.5℃，年降水量180 mm，无霜期150-170d。西高东低，海拔1010-1150m （平均值为1080m）。土壤类型为灌淤土和灰钙土 ^[17]。 截至2023年，银川市森林覆盖率为14.13%，低于我国森林覆盖率24.12%，是我国生态环境十分脆弱的地区之一。

本研究将目标绿化树种确定为栽培时间较长的乡土树种，其中乔木10种，分别为臭椿、国槐、刺槐、河北杨、新疆杨、垂柳、梓树、白杜、白蜡和杏。小乔木 （灌木）7种，分别为红瑞木、紫丁香、紫叶李、榆叶梅、紫叶小檗、连翘和忍冬。

2研究方法

2.1样品采集及测定

样品采集于2020年7月进行。根据每木检尺的结果，随机选择6株生长成熟、长势良好的标准样木。从植物上层4个方向选取长势良好、没有病虫害的叶片，并把不同方位的叶片样品均匀混合，获取叶片的混合样品（总共102个叶片样品）。将所有叶片样品置于冷藏箱（0—8°C）带回实验室，65℃烘干至恒重后取出。用球磨仪 （AM151）将烘干的样品进行研磨，过2 mm筛。使用金属螺旋钻（100 cm³）从0-20厘米深度分别钻取6个土芯 （17种植物总共分布在3个样点，总共18个土壤样品）。土壤样品置于通风处自然风干，研磨并过2 mm筛。

处理好的土壤样品先进行微波消解，先称取约0.10 g样品放入100 mL聚四氟乙烯消解罐中，加入5mL硝酸，1ml氢氟酸，1mL H₂O₂，輕轻摇匀，放入微波消解仪 （Milestone ETHOS UP）消解时间1小时；取出消解罐放入赶酸仪 （VB24 UP）中，在通风橱中赶酸2小时。赶酸冷却后的样品转移至50mL容量瓶中，用超纯水冲洗消解罐3次，冲洗溶液合并注入50 mL容量瓶中，然后定容至刻度待测。

采用ICP-OES （Agilent 5110） 测定重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Mn和 Zn 的含量。测定前先根据试液中待测元素的粗估元素浓度范围，导入相应的标准溶液，测定标准工作曲线的谱线强度，以待测元素浓度为横坐标，谱线强度为纵坐标，绘制标准工作曲线，工作曲线相关系数不小于0.999。每一批样品检测的同时做空白及加标回收，确保检测结果的准确性。

2.2分析方法

不同树种叶片重金属含量数值由算术平均值和标准误差来表示。使用单因素方差分析（one-way ANOVA）对不同树种叶片的重金属含量进行多重检验，分析不同树种叶片间的差异。使用Tukey-Kramer HSD对不同生活型植物叶片的重金属含量进行差异检验 （P< 0.05）。以上统计分析在SPSS 23.0软件进行，作图在 Origin 2018软件进行。

2.2.1富集系数  富集系数可以反映植物对土壤重金属的吸收累积能力，富集系数较大，说明植物对该元素的吸收较好^[11]。计算公式如下：

2.2.2消减指数法  Hakanson^[12]提出的潜在生态风险指数法可以对土壤单个和各污染物的综合效应及污染水平进行综合评估，定量评估潜在的生态风险和危害程度^[13]。我们在此基础上从生态毒性角度进行叶片对重金属的吸收能力评估。计算公式如下：

3 结果与分析

3.1主要绿化树种叶片重金属元素含量特征

银川市17种树种叶片重金属含量如表2所示。不同树种叶片中As、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和Cd含量范围分别是0.37～2.88 mg?kg^-1、18.22～54.88 mg?kg^-1、2.57～21.77 mg?kg^-1、34.87～129.92 mg?kg^-1、1.26～8.99mg?kg^-1、10.91～253.05 mg?kg^-1、0.68～7.02 mg?kg^-1和0.09～0.73 mg?kg^-1。垂柳叶片As含量为2.88 mg?kg^-1，显著高于其他树种，其次是刺槐>红瑞木>河北杨>臭椿>杏=紫叶李，As含量均超过1.5 mg?kg^-1。榆叶梅叶片Cr含量超过50 mg?kg^-1，显著高于其他树种。白蜡叶片Cu含量为21.77 mg?kg^-1，其他树种叶片Cu含量均未超过10mg?kg^-1。连翘、榆叶梅和垂柳叶片Mn含量均超过100 mg?kg^-1。叶片Pb含量最高的树种是杏，其次是连翘，均高于5mg?kg^-1。臭椿叶片Ni含量，河北杨叶片Zn和Cd含量均显著高于其他树种 （P<0.05）。

不同生活型植物叶片重金属含量如图1所示。乔木叶片Cu、 Zn和 Cd含量均显著高于小乔木 （灌木），而Cr含量显著低于小乔木（灌木）（P<0.05）。

3.2主要绿化树种叶片对重金属元素的吸收积累能力

不同树种叶片的重金属富集系数如表3所示。17种植物对As的富集系数为0.04～3.77， 仅红瑞木的富集系数大于1.0。对Cr、Mn和Ni的富集系数仅有榆叶梅大于1.0。河北杨、新疆杨和垂柳叶片对Zn的富集系数大于1.0，分别为4.54、3.90和1.88。不同樹种叶片对Cd的富集系数为0.09～1.96，仅有新疆杨、梓树、河北杨和榆叶梅4种植物的叶片富集系数大于1，分别为1.96、1.40、1.34和1.09。17种植物叶片对Cu和Pb的富集系数均小于1.0。

3.3主要绿化树种叶片对重金属元素的综合积累能力及筛选

仅凭叶片单项重金属污染消减指数难以真实反应植物的综合积累水平，因此进一步计算各树种对8种重金属元素的综合积累指数RI，结果如表4。新疆杨（69.37）＞红瑞木（62.48）＞河北杨（51.74）＞榆叶梅（50.89）＞梓树（49.19）＞白杜（23.35）＞杏（23.11）＞白蜡（22.78）＞垂柳（21.34）＞连翘（18.89）＞忍冬（17.45）＞紫丁香（16.45）＞紫叶小檗（15.42）＞国槐（14.79）＞紫叶李（11.33）＞臭椿（8.63）＞刺槐（7.88）。这表明新疆杨叶片对8种重金属元素的综合吸收能力最强，刺槐叶片和臭椿叶片的综合吸收能力最弱。乔木叶片重金属污染消减综合指数高于小乔木 （灌木）。

4结论与讨论

本研究以银川市常见的17种绿化树种为研究对象，分析了不同树种间叶片的As、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和Cd的差异。结果发现不同绿化树种叶片重金属含量具有很大差异。垂柳叶片的As和Ni含量、榆叶梅叶片的Cr含量、白蜡叶片的Cu含量、连翘叶片的Mn含量、杏叶片的Pb含量、河北杨叶片的Zn和Cd含量显著高于其他树种。有研究认为，植物体内的重金属含量大小与植物特性有关^[18]。程佳雪^[19]发现北京园林绿地40种树种的不同重金属含量差异显著。

对于植物而言，部分重金属元素是植物正常生长发育所必需的元素，但即使是Cu和Zn这样的必需元素，浓度过高也会产生毒性^[20]。虽然大多数植物无法在重金属含量较高的土壤存活，但是一些植物却能够忍耐如此高含量的重金属，这些植物被称作为富集植物^[21]。研究人员正在用这些植物修复被重金属污染的土壤。Baker和 Brooks^[22]对超富集植物判定标准为，Cd含量达到100 mg·kg^-1，Cu、Ni和Pb 含量达到1000 mg·kg^-1，Mn和Zn 含量达到10000 mg·kg^-1。我们的研究中，17种绿化树种叶片重金属含量远远低于上述标准含量，说明这些植物并不能被称作为超富集植物。这与一些研究结果相一致，即木本植物的重金属吸收能力较弱^[23-24]。同时，已发现的超富集植物多为草本，例如，蜈蚣草可以从土壤中富集As的含量高达22630 mg·kg^-1，远高于土壤中的As浓度^[5]。这可能跟木本植物受土壤重金属浓度影响较小的有关。首先，木本植物寿命和木质化程度较高。其次，木本植物的内部稳定性较高 （即植物在不同环境条件下维持其内部养分浓度的能力）^[25]。因此修复重金属污染常用草本植物^{[8， 26]}。但是，木本植物一般不进入食物链，可以持续对重金属土壤进行修复^[27]，在重金属重度污染土壤修复中具有较大潜力^[28]。

富集系數常用来分析土壤-植物系统中重金属的积累水平^[18]。本研究红瑞木叶片（BCF_As=3.77），榆叶梅叶片（BCF_Cr=1.08，BCF_Mn=1.08， BCF_Ni =1.33，BCF_Cd =1.09），河北杨叶片（BCF_Zn=4.54， BCF _Cd=1.34），新疆杨叶片（BCF_Zn=3.90，BCF_Cd =1.96），垂柳叶片（BCF_Zn =1.88），梓树叶片（BCF_Cd =1.40）的富集系数大于1.0。而南京市常见的11种绿化树种叶片对矿区土壤Cd和Zn的富集系数均小于0.2^[18]，更小于本研究树种叶片的富集系数。这可能是因为富集系数随空间地理变化呈现较大差异^[29]，因此根据所在地区的植物叶片富集系数判断对土壤重金属的吸收能力是筛选所在地区植物的重要依据。将17种树种叶片对8种重金属元素的富集系数算术平均后，发现富集系数均小于1.0。这与前面所述一致，木本植物对土壤重金属修复能力较弱。对8种重金属的平均富集系数位列前三的分别为：新疆杨=河北杨>红瑞木，表明这三个树种对土壤8种重金属吸收较强。

虽然一些植物对某种或某些重金属具有积累作用，如在兰州市交通干道，槐树是Pb和Ni、紫叶李是Pb和Ni、月季是Mn和Zn、冬青卫矛是Mn、Zn和Ni污染环境中的理想绿化植物^[30]。纳塔栎对亚热带地区铅锌矿区Cd、Pb、Zn、As复合污染土壤的积累能力较强^[28]。但土壤重金属污染往往是多种重金属复合污染^[31]，有些植物叶片吸收重金属元素如Mn虽然含量很高，但毒性较弱。而Cd含量虽低，但毒性较强^[12]。因此，理想的修复土壤重金属污染的植物应具有吸收积累土壤多种重金属，且对毒性强的重金属吸收强的特点。叶片潜在污染消减指数是综合了土壤重金属含量、叶片重金属含量和重金属毒性三个要素的评价方法，其在重金属吸收能力评价中有很强的实用性。综合污染消减指数RI位列前三的分别为：新疆杨>红瑞木>河北杨。新疆杨叶片对Cd的指数很高，表明叶片对Cd的吸收能力很大。由于Cd的毒性系数很高，在潜在污染消减指数估算值其所占权重也很高。同时土壤重金属污染风险主要来自于Cd元素，综合污染消减指数RI受Cd影响大，因此新疆杨的综合污染消减指数最高。本研究中，17个树种的综合污染消减指数与富集系数的排序不同，因此在土壤污染修复中与Cd相关的修复植物要优先考虑。

新疆杨其高大挺拔的身姿，优美的叶形经常在园林绿化中应用。同时，作为高生物量的速生木本植物，其根系较深，能吸收更深层土壤中的重金属离子。因此，在银川城市绿化树种选择时，应优先考虑新疆杨。

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