郭娜，董杰，張菊，魯長(zhǎng)娟，鄧煥廣，張夢(mèng)月，王愛靜

聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059

城區(qū)交通干道綠化帶土壤-植物系統(tǒng)汞、砷污染研究

郭娜，董杰*，張菊，魯長(zhǎng)娟，鄧煥廣，張夢(mèng)月，王愛靜

聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059

為了解城區(qū)交通干道土壤-植物系統(tǒng)中汞（Hg）和砷（As）的污染特征，以聊城市為例，在其城區(qū)主要交通干道旁綠化帶內(nèi)采集表層土壤樣品并同步采集扁竹蘭（Iris confusa）、側(cè)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(cè)定Hg和As含量。采用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤Hg和As的污染水平及其潛在生態(tài)危害進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并采用富集系數(shù)法分析了綠化帶植物對(duì)土壤中Hg和As的富集能力。結(jié)果表明，聊城市綠化帶土壤Hg和As質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。以山東省土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Hg表現(xiàn)為嚴(yán)重污染，其潛在生態(tài)危害很高，As表現(xiàn)為輕度污染和輕微的生態(tài)危害。綠化帶植物中Hg和As質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(nèi)Hg的富集系數(shù)在0.01～2.82之間，平均值表現(xiàn)為：馬尼拉草＞石楠＞扁竹蘭＞側(cè)柏＞冬青；植物體內(nèi)As的富集系數(shù)在0.01～0.65之間，平均值表現(xiàn)為馬尼拉草＞側(cè)柏＞冬青＞石楠＞扁竹蘭。綠化帶植物對(duì)Hg污染具有一定的修復(fù)作用，對(duì)As污染不具有修復(fù)效果，不同植物中Hg和As的含量以及對(duì)Hg和As的生物富集系數(shù)均無(wú)顯著性差異（P＞0.05），這可能與植物本身的生理特性、種植時(shí)間及綠化帶土壤環(huán)境條件有關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步探討。

汞；砷；綠化帶；污染評(píng)價(jià)；生物富集；土壤-植物系統(tǒng)

近年來(lái)，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(diǎn)。公路綠化帶不僅可以美化環(huán)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(shè)實(shí)踐中，期望通過(guò)加強(qiáng)綠化帶的阻滯和吸收等效應(yīng)，限制污染物的擴(kuò)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(duì)綠化帶公路附近土壤按距離梯度采樣，結(jié)果表明公路綠化帶對(duì)土壤部分重金屬污染具有顯著防護(hù)效應(yīng)，可將污染限制在50 m范圍內(nèi)；李彩霞等（2016）以長(zhǎng)沙市為例，選取交通干道綠化帶15種喬木作為研究對(duì)象，得出樟樹對(duì)Cd的生物富集以及轉(zhuǎn)移能力最高，可以作為綠化帶優(yōu)選樹種；張磊等（2008）對(duì)比分析青島市5種植物的樹莖和樹葉，得出樹葉對(duì)Hg的吸收能力大于樹莖；Sawidis et al.（2011）采集了歐洲3個(gè)城市中法桐Platanus orientalis和松樹的樹葉和樹皮，測(cè)得樹皮中重金屬富集高于樹葉。由此可見，公路綠化帶對(duì)土壤中重金屬污染主要表現(xiàn)在有效降低污染程度和顯著縮小污染范圍兩個(gè)方面（Xu，2002）。但是，由于地域環(huán)境、道路類型、綠化帶結(jié)構(gòu)等因素具有差異性，公路綠化帶對(duì)路旁土壤重金屬污染的防護(hù)效應(yīng)也會(huì)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(rèn)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(lái)源于采礦、煤炭燃燒和醫(yī)療廢棄物等，As污染主要來(lái)源于農(nóng)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(yán)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(xué)修復(fù)，越來(lái)越多的學(xué)者更傾向于植物修復(fù)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(yīng)表層土壤樣品為研究對(duì)象，分別對(duì)植物及其對(duì)應(yīng)綠化帶土壤樣品中Hg和As的含量進(jìn)行測(cè)定和分析，并通過(guò)植物富集系數(shù)揭示公路綠化帶中常見植物對(duì)土壤重金屬污染的防護(hù)效應(yīng)，以期為聊城市未來(lái)生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及公路綠化帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預(yù)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(diǎn)位如圖1所示。利用塑料鏟刮去土壤表層腐殖質(zhì)和雜物后采掘約0～10 cm深度的土壤保存于自封袋內(nèi)，每個(gè)采樣點(diǎn)采集多個(gè)土壤樣品，用“四分法”混合成1個(gè)土壤樣品，總共41個(gè)土壤樣品。所有植物樣品均安排在3月中旬生長(zhǎng)期采集，所采集的植物包括扁竹蘭（Iris confusa）、側(cè)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(cè)、中部以及內(nèi)側(cè)各采集3株100 g左右的植被莖葉，保存于自封袋中，同時(shí)做好標(biāo)記以便與土壤樣品采樣點(diǎn)位一致。由于每個(gè)點(diǎn)位植被分布狀況不同，故所采集的植物樣品數(shù)量有所差異，其中扁竹蘭11個(gè)，側(cè)柏22個(gè)，冬青20個(gè)，馬尼拉草6個(gè)，石楠11個(gè)。每一采樣點(diǎn)均用GPS定位，并記錄周圍環(huán)境信息。所采集的土壤樣品自然風(fēng)干后過(guò)100目篩后裝入自封袋，置于背陰環(huán)境下保存；綠化植物樣品用超純水洗凈風(fēng)干后，用DFT-50手提式高速萬(wàn)能粉粹機(jī)將樣品粉碎后保存于自封袋中，用于Hg和As的測(cè)定。

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

1.2 樣品消解和測(cè)定

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

1.3 評(píng)價(jià)方法

以山東省土壤背景值（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1990）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分別采用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)聊城市綠化帶土壤Hg和As的污染水平及其潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)。

單因子指數(shù)法的計(jì)算公式為：

其中，Ci表示重金屬i的實(shí)測(cè)值，Si表示重金屬i的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)法即內(nèi)梅羅指數(shù)法，計(jì)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(tài)危害指數(shù)法的計(jì)算公式為：

式中，Ti為單一重金屬的毒性系數(shù)，汞與砷的毒性系數(shù)分別為40和10（徐爭(zhēng)啟等，2008）。其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：Ei≤40生態(tài)危害輕微；40＜Ei≤80生態(tài)危害中等；80＜Ei≤160生態(tài)危害較高；160＜Ei≤320生態(tài)危害高；Ei＞320生態(tài)危害很高。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Office 2016進(jìn)行整理，SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，ArcGIS 10.2和Origin 2015進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 城區(qū)綠化帶土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及評(píng)價(jià)

表1所示為山東省聊城市城區(qū)綠化帶土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，綠化帶土壤中Hg的超標(biāo)率為20%，As均達(dá)標(biāo)。pH在7.48～9.39之間，為偏堿性，其中2.5%的土壤樣品呈現(xiàn)中性（6.5＜pH＜7.5），72.5%呈現(xiàn)弱堿性（7.5＜pH＜8.5），25%呈現(xiàn)強(qiáng)堿性（pH＞8.5），這與聊城土壤成土母質(zhì)有關(guān)（聊城地區(qū)土壤肥料工作站，1990）。Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明，Hg、As與TOC、pH均無(wú)顯著相關(guān)性（P＞0.05），僅TOC與pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.395，P＜0.05）。變異系數(shù)（CV，Coefficient of variation）反映變異的程度，根據(jù)Wilding（1985）對(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)相比（表1），綠化帶土壤中Hg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為聊城市土壤背景值的33.5倍，而As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于聊城市土壤背景值。

表1 城區(qū)綠化帶土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)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(xiàn)為重度污染，As表現(xiàn)為未污染；綜合指數(shù)值分別為230.97和0.93，Hg表現(xiàn)為嚴(yán)重污染，As表現(xiàn)為輕度污染；潛在生態(tài)危害指數(shù)分別為2812.64和9.46，Hg表現(xiàn)為較高污染生態(tài)危害，As表現(xiàn)為輕微生態(tài)危害。由以上分析可知，單因子指數(shù)、綜合指數(shù)以及潛在生態(tài)危害指數(shù)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(yán)重。與部分城市表層土壤中Hg含量相比（表2），聊城城區(qū)綠化帶表層土壤中Hg含量的平均值遠(yuǎn)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(guān)。

表2 聊城城區(qū)綠化帶土壤與其他城市表層土壤Hg質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(nèi)Hg和As質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖可知，Hg在5種綠化植物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為石楠（0.34 mg·kg-1）＞馬尼拉草、扁竹蘭（0.31 mg·kg-1）＞側(cè)柏（0.21 mg·kg-1）＞冬青（0.18 mg·kg-1）；As表現(xiàn)為馬尼拉草（0.75 mg·kg-1）＞冬青（0.56 mg·kg-1）＞側(cè)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(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值（扁竹蘭，0.72 mg·kg-1）與As質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值（側(cè)柏，1.86 mg·kg-1）均出現(xiàn)在聊城主干道東昌路主干道上。各綠化植物體內(nèi)Hg、As質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間變異較大（CV＞36%），說(shuō)明不同采樣點(diǎn)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(guān)，也與植物種植時(shí)間長(zhǎng)短與土壤重金屬含量水平有關(guān)。然而，方差檢驗(yàn)（ANOVA）結(jié)果表明，5種植物中Hg和As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

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

式中，Cp為植物地上部分重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Cs為土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)。富集系數(shù)越大，其富集能力越強(qiáng)（李彩霞等，2016）。聊城市5種綠化帶植物對(duì)Hg和As的富集系數(shù)如圖3所示。植物體內(nèi)Hg的富集系數(shù)值在0.01～2.82之間，平均值表現(xiàn)為馬尼拉草（0.85）＞石楠（0.62）＞扁竹蘭（0.47）＞側(cè)柏（0.29）＞冬青（0.28）；As的BCF值在0.01～0.65之間，平均值表現(xiàn)為馬尼拉草（0.15）＞側(cè)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(duì)Hg的BCF均有大于1的情況出現(xiàn)，具體表現(xiàn)為石楠（18.2%）＞馬尼拉草（16.7%）＞冬青（10%）＞扁竹蘭（9.1%）＞側(cè)柏（4.5%），其中，馬尼拉草對(duì)Hg的BCF最大值達(dá)到2.82。有研究表明（高靜湉等，2016），當(dāng)植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)大于1時(shí)，表明該植物對(duì)重金屬污染具有修復(fù)作用。相關(guān)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(guān)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(duì)Hg污染具有一定的修復(fù)作用，但效果不明顯；對(duì)As污染不具有修復(fù)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(duì)重金屬的吸收與轉(zhuǎn)移能力不盡相同；Sawidis et al.（2011）也指出，植物體對(duì)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(duì)重金屬的吸收富集規(guī)律一般表現(xiàn)為喬木＞灌木＞草本，這也是研究者更多關(guān)注于喬木而對(duì)于本研究所涉及的這幾類植物研究較少的原因。本研究?jī)H對(duì)植物地上部分中Hg和As的含量進(jìn)行了分析，未對(duì)植物根系的吸收作用進(jìn)行研究，還需在今后的研究中對(duì)灌木以及草本植物的重金屬富集作用作進(jìn)一步探討。

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

3 結(jié)論

（1）聊城市綠化帶土壤Hg和As質(zhì)量質(zhì)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）相比較，Hg有20%樣品超標(biāo)，As表現(xiàn)為全部達(dá)標(biāo)；pH在7.48～9.39之間，表現(xiàn)為偏堿性。

（2）以山東省土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示聊城市綠化帶土壤As表現(xiàn)為未污染，具有輕度危害，土壤Hg全部表現(xiàn)為重度污染，生態(tài)危害很高，因此聊城市管理部門必須對(duì)綠化帶內(nèi)Hg污染加以重視。

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

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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(zhǎng)娟, 鄧煥廣, 張夢(mèng)月, 王愛靜. 2017. 城區(qū)交通干道綠化帶土壤-植物系統(tǒng)汞、砷污染研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401563；31272383）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014JL028；ZR2013DM012）；聊城大學(xué)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目（CXCY2016070；CXCY2016066）；聊城大學(xué)大學(xué)生科技文化創(chuàng)新基金項(xiàng)目（26312161005）

郭娜（1992年生），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗h(huán)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?yàn)樽匀毁Y源和環(huán)境。E-mail: lcdongjie@sina.com

2016-11-16