劉政，許中秋，張鑫潔，趙子荀，馮凱，吳秀萍，張耀琴，許曉崗

南京林業(yè)大學，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，生物與環(huán)境學院，亞熱帶森林生物多樣性保護國家林業(yè)局重點實驗室，南京 210037

0 前言

工業(yè)化和城市化的加速導致人們對礦產資源的需求陡增，在開采、運輸、利用資源的過程中排放的各類污染物，造成了日漸嚴峻的土壤重金屬污染問題[1]。土壤重金屬污染具有隱蔽性、累積性和長期性等特點，對人們的生活形成很大的潛在威脅[2]。由此，有關重金屬污染土壤修復的研究也已成為該領域的熱點和難點，其中最廣泛的是植物修復技術[3-4]。

在植物修復技術中，選擇最多的材料是草本[5]，研究重點在于篩選對某類重金屬富集能力強的植物。然而，已知大多數(shù)的超富集草本植物生物量小，根系淺，適生范圍窄，且不同程度地存在著難以同時超量累積多種重金屬元素等缺點；而且，大部分草本植物為一、二年生，秋冬季節(jié)凋落物仍回歸土壤，無論對其收割后掩埋還是焚燒都會造成二次污染。也有學者認為可以選擇具有經(jīng)濟利用價值的農作物，雖然也有農作物對部分重金屬具超富集作用[6]，但是應避免那些食用部分富集重金屬的農作物[7]；而生物量大的木本植物由于對重金屬的相對稀釋作用雖沒有表現(xiàn)出超富集特征，但其生物量大[8]、根系發(fā)達、富集量高，修復規(guī)模仍然可觀；此外，在修復材料富集重金屬之后的處理也存在問題，草本收割后的回收處理技術有待深入研究[9]，以避免造成二次污染，而木本植物壽命長且相對人類工業(yè)發(fā)展時期具有足夠的時間尺度，強壯的根系，可以充分接觸深層土壤從而有著相對穩(wěn)定的吸收空間。正是由于木本植物與草本植物生物學、生態(tài)學特性的不同，特別是兩者在莖的生物量貯藏能力上存在巨大的差異，因而選擇適合修復土壤重金屬污染的高生物量的木本植物[10]顯得更為迫切，這也是對現(xiàn)有超富集植物研究的重要補充。

在研究土壤重金屬污染問題的諸多技術中，尋求能較為準確地反映污染歷史變化的記錄載體是關鍵。樹木年輪可提供精確的氣候變化信息[11]，具有定年準確、分辨率高、連續(xù)性好且時間跨度長、數(shù)據(jù)量化程度及可信度高等特點[12]，可以成為自然界環(huán)境變化信息的載體。南京棲霞山蘊藏豐富的礦藏資源(Pb、Zn、Ag等)，多年的采礦活動造成了土壤重金屬污染，形成了嚴重的生態(tài)威脅，也給當?shù)氐穆糜螛I(yè)帶來壓力。本研究以鄉(xiāng)土樹種刺楸及其根部土壤為研究對象，探索其對不同重金屬元素的富集能力，對當?shù)刂亟饘傥廴具M行針對性修復，也為同類地區(qū)的植被重建和生態(tài)修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗取樣

1.1.1 采樣點概況

采樣點位于棲霞山紗帽峰(118°57′28″E，32°09′29″N)，地形為山地丘陵，坡度為 2.7 °，坡向西，海拔為(129.3±1) m，土壤類型為黃棕壤[13]。

1.1.2 試驗材料

理想的年輪之間應該很少或沒有徑向遷移，元素應該是環(huán)境變化的敏感指標；由于不同地區(qū)植物木質部的季節(jié)性生長，不同樹種重金屬的遷移能力差異很大；但是許多闊葉樹被選擇用于亞熱帶地區(qū)的樹木化學研究，如刺楸、白樺、香椿和胡楊等，因此在相應區(qū)域中選擇合適的樹種可能更為重要[14]。

以當?shù)剜l(xiāng)土樹種刺楸(Kalopanax septemlobus)及其根際周邊土壤為研究對象，截取根部年輪并采集根際周邊土壤樣本，采用樹木年輪化學分析手段測定年輪和土壤樣本中 7種重金屬元素 Cu、Cd、Cr、Mn、Ni、Pb、Zn的含量，探索刺楸對重金屬的吸收狀況。

選擇樣地里僅有單一主干的刺楸樣本樹 2株，從近根部5 cm處依次截取5 cm厚的樹干圓盤3片，樣品重復數(shù)為3，樣品總數(shù)為6，標記為Sample A、Sample B；本研究團隊自2008—2016的連續(xù)9年在每年 1月份采集樣地中的土壤樣本，以樣樹為圓心，以其地徑的8倍為半徑的區(qū)域隨機布樣。每年在取樣區(qū)域內設3個土壤采樣點，根據(jù)刺楸根系的分布情況，分別在每個樣點分別以10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm的深度土層取土樣1000 g。分別根據(jù)對應的刺楸年輪標記土壤樣本，依次為 A1—1、A1—2、A1—3、A2—1、A2—2、A2—3。

1.2 測試方法

年輪樣本經(jīng)WINDENDROTM2012a樹木年輪分析儀進行交叉定年后，用 COFECHA程序檢驗交叉定年[14-16]的結果。確定具體年份后，用電鉆在對應的年輪上取樣[17]，將處理[18]后的樣品進行濕法灰化(硝酸—高氯酸消煮法)[19]，用 ICP—AES法測定其中各重金屬元素的濃度(含量)。

土樣經(jīng)風干后充分混合，經(jīng)研磨后通過 100目(孔徑0.149 mm)篩取100 g，待使用時取0.5 g作為待測樣放于 10 mL離心管，再于烘箱中 65 ℃下烘干 24 h，取出離心管。采用鹽酸—硝酸—氫氟酸—高氯酸全分解的方法[19]消解土壤樣品以徹底破壞土壤的礦物晶格，使土壤樣品中的待測元素全部進入溶液中。所有消解液、浸出液中重金屬濃度采用原子吸收分光光度法測試。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)所得各重金屬元素濃度，按照公式計算各元素含量:重金屬元素含量(mg·kg-1)=ρV/M0，式中:ρ為測得待測液的濃度；V為消煮后溶液定容的體積；M0為樣品的質量。

相關結果數(shù)據(jù)用EXCEL 2016進行處理分析并制圖，刺楸年輪中 7種重金屬元素之間的相關性使用SPSS 24.0軟件進行分析。

樹木對重金屬富集能力通常以富集系數(shù)來考量，由公式D=T/W×100%求得，式中:D表示刺楸對各重金屬元素的富集系數(shù)，T與W分別表示 2007—2015年中各重金屬元素在刺楸年輪及樣樹根際土壤中的算術平均含量。

2 結果與分析

2.1 年輪交叉定年結果

年輪樣本取自 2016年 1月，對 Sample A、Sample B分別進行打磨并交叉定年，每個年輪上面有兩條定年的路徑，以減少缺輪與偽輪造成的誤差，具體結果見圖1、圖2。

Sample A:1974—2015，42 年；Sample B:1974—2015，42年；選取共同年齡段1974—2015年來研究刺楸對不同重金屬的富集能力。

圖1 Sample A建立的定年路徑Figure 1 The established dating path of sample A

圖2 Sample B建立的定年路徑Figure 2 The established dating path of sample B

2.2 刺楸年輪中重金屬元素含量變化分析

取2個刺楸年輪樣本在同一年相同重金屬元素含量的算術平均值，以減少誤差，其結果見圖3。從圖 中可看出，各重金屬元素在年輪中累積含量從大到小順序為 Cu＞Zn＞Pb＞Mn＞Ni＞Cr＞Cd。由圖3 可以看出，刺楸年輪中Cu的含量明顯高于其他重金屬元素，年份間也波動很大，其含量在 2.77—167.78 mg·kg-1之間波動，平均值為 25.68 mg·kg-1，刺楸對Cu的吸收是很明顯的。其次，年輪中Pb含量在4.03—71.39 mg·kg-1之間波動，平均值為 12.59 mg·kg-1，波動較小，到2014 年增長最顯著，含量達到71.39 mg·kg-1，約為最低含量的17.71倍?？傮w來說，Pb與其他元素的波動趨勢基本一致；棲霞山中的 Pb—Zn—Ag礦床是長江下游地區(qū)最大的多金屬礦床，而土壤中Pb的含量為6447.7 mg·kg-1，這遠超出江蘇省和南京市的背景值(22.3 mg·kg-1和 24.8 mg·kg-1)，因而可看出刺楸年輪中的Pb大部分來自土壤；植物中的Pb除來自于土壤，也可能與冶煉活動密切相關[20]。另外，刺楸年輪樣品中Zn含量在6.32—33.25 mg·kg-1之間波動，均值為 17.61 mg·kg-1；Zn 礦通常和 Pb 礦伴生，在篩選吸收該金屬的植物時，通常要兼顧植物對Pb、Zn兩種重金屬的耐受性[21]。

2.3 土壤重金屬含量分析

將2016年所采土壤樣品的重金屬含量與省、市土壤背景值進行對比，結果如圖4。其中，本研究土壤樣品為各元素含量的算術平均值，南京市土壤背景值為南京地區(qū)土壤中元素背景值[22]、江蘇省土壤背景值為土壤元素地球化學基準值[23]。

刺楸根際周圍土壤觀測的上述7種重金屬含量差距偏大，含量在 1000 mg·kg-1以上的有 Mn、Pb 和Zn，含量在 100—1000 mg·kg-1之間的有 Cu，而含量在 100 mg·kg-1以下的有 Cd、Cr和 Ni，表明該區(qū)域土壤受Pb、Zn和Mn污染最為嚴重。各元素在土壤中累積含量從大到小順序為:Pb＞Mn＞Zn＞Cu＞Ni＞Cd＞Cr。

圖3 刺楸年輪中7種重金屬含量變化Figure 3 The content variations of 7 heavy metal in tree rings of Kalopanax septemlobus

圖4 樣地土壤(2016)中重金屬含量與背景值的比較(單位： mg·kg-1)Figure 4 Comparison on the content of heavy metal in soil(2016) with the background value(unit： mg·kg-1)

所采土壤樣品中Cd、Cu、Mn、Pb、Zn含量遠高于南京市及江蘇省土壤的背景值，屬于嚴重超標，存在Cd、Cu、Mn、Pb、Zn的嚴重污染，尤其是Cd和Pb的平均含量分別為南京市背景值的135.42和268.65倍，是江蘇省背景值的 285.89和 289.13倍；Cu和 Zn的平均含量分別為南京市背景值的 12.93和29倍，是江蘇省背景值的17.31和34.19倍，說明該地區(qū)的重金屬污染均具有明顯高度吸收的特征；而Cr和Ni含量均低于背景值，屬于正常范圍區(qū)間。以上結果表明，棲霞山研究樣地內的土壤存在Cd、Cu、Mn、Pb、Zn元素的高度復合污染，這與棲霞山長期采礦相關。

2.4 年輪與土壤中不同重金屬元素含量的相關性分析

年輪中重金屬含量是否與當?shù)夭傻V活動相關，這需要對年輪與土壤中重金屬元素的相關性進行分析。鑒于已有連續(xù) 9年對土壤樣本觀測的數(shù)據(jù)，筆者對土壤及相應年份(2007—2015)年輪中的重金屬含量變化進行相關性分析，結果如圖5。

從圖5中可以看出，在 2007—2015的9年中，Cd(r=0.881，p＜0.01)、Cr(r=0.897，p＜0.01)、Cu(r=0.794，p＜0.05)、Ni(r=0.735，p＜0.05)、Zn(r=0.985，p＜0.01)這5種重金屬元素在土壤和年輪中存在相關性，而Mn和Pb則沒有明顯的相關性。

通過圖3可以看出Cd、Cr和Ni含量較少，變動幅度較低，因此刺楸能否發(fā)揮作為自然信息記錄載體的作用，需要對 Cu和 Zn的相關數(shù)據(jù)進一步分析。

2.5 刺楸年輪中7種不同重金屬含量之間的相關性

為進一步探尋年輪樣本內重金屬含量之間的相關性，用Pearson相關分析法對各重金屬含量分析處理，7種元素之間的相關性系數(shù)如表1。

分析結果表明刺楸年輪中的重金屬元素存在交互作用，其交互作用存在一些差異。其中Cu含量與其他4種元素(除了Ni、Pb)含量均有相關性，Mn含量與其他 4種元素(Cd、Zn除外)含量也有相關性(r=0.376—0.764，p＜0.01)，Cd 含量與 Zn 含量高度相關(r=0.984，p＜0.01)。這些重金屬含量之間存在密切相關，鑒于大多數(shù)重金屬元素在土壤和植物之間都存在相對較高的相關性，可以推測這些重金屬元素來自于同一污染源[24-25]。多種重金屬的交互作用，會顯著地影響植物對重金屬元素的積累和轉移力[26]，這種交互作用常表現(xiàn)出單個金屬元素的存在能抑制某些特定金屬元素吸收的拮抗作用或單個元素的存在能促進對特定金屬元素吸收的協(xié)同作用。

圖5 年輪與土壤中重金屬元素含量的相關性(2007—2015)Figure 5 The heavy metal contents correlation between tree rings and soil(2007-2015)

表1 刺楸年輪中各重金屬元素間的相關系數(shù)(r)Table 1 The correlation coefficients among the heavy metals in the tree rings of Kalopanax septemlobus(r)

2.6 刺楸對各重金屬富集能力分析

刺楸對各重金屬元素的富集能力如表2所示，刺楸對于這7種重金屬元素的富集系數(shù)在0.11%—15.16%之間，刺楸對各重金屬元素富集能力從大到小順序為:Cr＞Ni＞Cu＞Cd＞Zn＞Pb＞Mn。其中刺楸對Cd、Mn、Pb和Zn這四種金屬的吸收作用相對較弱，而對Cr、Cu和Ni的吸收作用較強，表明刺楸對重金屬的吸收有選擇性，植物的不同耐性機制使得它們對重金屬的吸收存在了明顯的差異。

此外，刺楸對各重金屬元素的富集系數(shù)相比于棲霞山草本[27](地上部分富集系數(shù):11.5%—216.8%)相對較低，而且草本中存在一些超富集植物[3]，不過目前超富集草本的回收處理還需借鑒于廢棄物的方式[9]，仍需要特定的技術支持，才能避免二次污染；而壽命長、生物量大、處理方式多樣的木本植物，仍具有重要的研究價值。

3 討論與結論

Cd化學性質穩(wěn)定而很難在土壤中降解，它在環(huán)境中的來源一部分是工業(yè)和農業(yè)活動排放的廢水，廢氣和固體廢物[28]；一部分是當?shù)氐奶烊坏V山[29]。相對于其他元素，樣地土壤中Cd的含量比較少，雖遠超當?shù)乇尘爸?，但在年輪中Cd的含量總體也是偏少的，因此表2中刺楸對Cd的吸收較為一般。

土壤樣品中Cr和Ni兩種元素含量均在正常背景值范圍內，與Cd含量較為接近，但從表2中看出，刺楸對Cr和Ni的富集系數(shù)是超過Cu及其他4種元素，一方面可能是因為該地區(qū)的嚴重污染造成刺楸對其他幾種重金屬元素的吸收表現(xiàn)不是很明顯，另一方面可能是刺楸對Cr和Ni具有很強的偏好性，刺楸可以考慮作為這兩種重金屬污染土壤的修復樹種。

從圖3中可以看出，刺楸年輪中Cu的含量相對其他的重金屬元素變化較大，而 Mn的含量較低且變化平穩(wěn)；圖4中表明棲霞山也存在著較為嚴重的Cu、Mn污染，且土壤中Mn含量遠在Cu之上；比較圖3、圖4和表2，可推測刺楸對Cu的吸收作用超過 Mn；土壤中 Cu的含量相對于其他元素較低，但刺楸年輪中Cu含量最多，甚至超過了Pb、Zn，表明刺楸對Cu的吸收具有明顯的偏好。

從對7種元素監(jiān)測的42年結果來看，Cu是波動最大的，而其他元素相對穩(wěn)定，說明刺楸對Cu的吸收較大程度上受某一種外界條件的影響，造成吸收的波動性。對照歷史降水量記錄看來，Cu元素的變化可能與當?shù)氐慕涤炅縖30]有關，植物吸收重金屬的能力與土壤中重金屬的形態(tài)密切相關，可能是酸雨促進了土壤中的重金屬離子釋放和遷移，從而促進了刺楸對Cu的吸收[21]。同時，從表1可以看出，Cu與大部分的重金屬元素都有相關性，重金屬元素之間的交互作用也可能是導致刺楸對Cu具有較高的富集能力原因之一。此外，棲霞山礦床開采已有 60多年的歷史[15]，早期 1960—1970年時是露天開采，1971年后采礦區(qū)域轉移到地下，隨后80年代90年代均有采礦活動，以及考慮到植物響應環(huán)境的滯后效應，Cu元素的4個主要峰形區(qū)域(1975—1977、1985—1988、1994—1999、2013—2015)也可能是受到采礦及相關活動的影響；而Pb、Zn的波動幅度相對其他元素也較為明顯，但與Cu相比較，也可以看出刺楸對Cu吸收的偏好。而且圖5表明Cu在土壤和年輪中存在相關性，因此鑒于Cu含量變化，刺楸可以考慮作為反映當?shù)匚廴練v史的記錄載體。

表2 刺楸年輪中重金屬含量及其富集系數(shù)(mg·kg-1)Table 2 Contents of heavy metals in tree rings of Kalopanax septemlobus and bioconcentration factors(mg·kg-1)

從表2可看出樣品年輪對Cu有較好的富集能力，結合表1，可以推測 Cu 與 Cd、Cr、Mn、Zn具有協(xié)同作用；同樣，樣品年輪對Mn的富集系數(shù)是最低的，而重金屬之間相關系數(shù)表明，Mn與較多重金屬元素都存在相關性，可見，在刺楸年輪吸收重金屬過程中，Mn起到一定的拮抗作用。Mn是植物生長的必須元素，但是 Mn過量會對植物的生長產生抑制甚至毒害作用，尤其是會與Cd共存形成聯(lián)合染毒[31-32]。

重金屬在植物與在土壤中的含量通常存在正相關性[33]，Pb在棲霞山紗帽峰土壤中含量非常高，在年輪中的含量卻相對較低，表明Pb在樹輪中含量與在土壤中含量可能沒有明顯的相關性[34]，圖5也說明了這一點。環(huán)境中Zn的主要污染源是Pb、Zn冶煉，以及Pb、Zn礦開采和鍍Zn，從表2可以看出，刺楸年輪對于Zn的吸收也相對較低，這也可能與這兩種重金屬元素在土壤中的存在形式有關[35]。

綜上所述，相對于Cd、Mn、Pb、Zn污染土壤，刺楸更適用于 Cr、Cu、Ni污染的土壤修復，鑒于Cu元素含量變化特征，刺楸也可以作為反映當?shù)匚廴練v史的記錄載體；同時，基于木本與草本植物在生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)位差異，必須在植物重金屬富集能力強弱和生物量大小之間達到一種均衡[36]，才能使修復效果達到最佳。