董中凱，阿麗亞·拜都熱拉*，宋 敏，買爾旦·阿不都卡德， 若山古麗·芒力克，馬生惠

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆昌吉回族自治州城鄉(xiāng)規(guī)劃技術(shù)審查中心，新疆 昌吉 831100)

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(jìn)一系列國內(nèi)有名的能源化工企業(yè)以促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人民的生活水平。自2006年以來諸如中泰化學(xué)、圣雄能源、金風(fēng)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(yè)為主導(dǎo)的能源化工企業(yè)先后落戶于新疆吐魯番市托克遜縣。據(jù)生態(tài)環(huán)境部與自然資源部2014年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》結(jié)果顯示，全國Cd、As、Cu、Hg等元素污染嚴(yán)重。區(qū)域經(jīng)濟(jì)得到飛速發(fā)展的同時，工業(yè)化和城市化產(chǎn)生的重金屬不斷進(jìn)入土壤-植物系統(tǒng)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、人體健康及社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。

梭梭(Haloxylonammodendron)具有優(yōu)良的抗旱、耐鹽堿特性，且根系發(fā)達(dá)，是西北干旱區(qū)主要造林樹種，在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、改善及保護(hù)中發(fā)揮著極其重要作用。在工業(yè)化集約發(fā)展的城郊，因廢氣排放、冶煉、電鍍及農(nóng)藥化肥的過度使用等因素重金屬多呈復(fù)合污染，主要包括Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr等元素[1]。植物修復(fù)技術(shù)能有效利用植物去除土壤中重金屬，達(dá)到土壤凈化目的[2]。城郊梭梭防護(hù)林因其綠化覆蓋面積大、綠化空間輻射占有量大，凋落物生物量較少，對重金屬富集吸收并將其穩(wěn)固于植物體內(nèi)，有效地實(shí)現(xiàn)重金屬污染土地的修復(fù)，在一定程度上避免對土壤造成二次污染。馬慧[3]對內(nèi)蒙古西部荒漠植物-梭梭研究發(fā)現(xiàn)，其具有超富集重金屬Cu、Mn、Pb、Zn特征。阿不都艾尼·阿不里等[4]測定卡拉麥里優(yōu)勢植物重金屬，發(fā)現(xiàn)梭梭對Hg有較強(qiáng)富集能力，且對Pb、Cr、Zn具有良好的轉(zhuǎn)移能力，可作為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)優(yōu)勢物種。唐敏等[5]、彭小東等[6]分別在北京市、烏魯木齊市通過研究綠化樹種對重金屬富集能力并進(jìn)行分級評價，篩選出了富集能力強(qiáng)的綠化樹種。車?yán)^魯?shù)萚7]通過研究香樟不同器官重金屬富集效能，發(fā)現(xiàn)其樹干重金屬累積量顯著高于其他器官，且對Pb、Ni富集效能明顯。就目前已有的植物對重金屬修復(fù)而言，比較不同植物對重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)特征或不同功能區(qū)樹木各器官對重金屬富集吸收的研究較多，而對單株樹木凈化吸收重金屬，量化樹木單位面積、單位空間修復(fù)潛力的應(yīng)用前景鮮有報道。

為明確城郊工業(yè)區(qū)土壤重金屬的污染狀況、分析土壤重金屬污染來源并量化梭梭對重金屬的修復(fù)潛力，本研究選取城郊人工梭梭林為對象，采集土壤、植物樣品，分析樣品中9種重金屬(Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr)的含量，量化梭梭各器官對重金屬的富集潛力及單位面積、單位空間修復(fù)潛力，進(jìn)而探尋梭梭在重金屬污染預(yù)防治理過程中的作用，以期為合理利用及治理重金屬污染土壤的林業(yè)生態(tài)綠化樹種提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吐魯番市托克遜縣城郊(88°38′43.1″E，42°46′49″N)，東鄰?fù)卖敺?，南與巴州尉犁縣相接，北與烏魯木齊毗鄰，地理位置優(yōu)越，其工業(yè)園區(qū)在典型的西北干旱區(qū)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(zhì)地為荒漠風(fēng)沙土。因氣候、植被等因子制約，區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，在工業(yè)集約化發(fā)展的城郊易受到重金屬污染。

1.2 樣品采集及測定

于2021年6月采集在城郊防護(hù)林土壤和植物樣品，采樣過程中根據(jù)預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)周邊實(shí)際環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，共設(shè)14個采樣點(diǎn)。植物樣品采集：每個采樣點(diǎn)選取3株長勢相近的梭梭，分別采集地上部莖枝、凋落物以及地下部根部，裝入自封袋中，標(biāo)記編號帶回實(shí)驗(yàn)室，共計42個植物樣品。在105 ℃下殺青，65 ℃烘干至恒量，高速萬能粉碎機(jī)粉碎，過100目篩待測。土壤樣品采集：采集植物生長土層相應(yīng)的土壤樣品，刮去土壤表層的枯枝落葉，用土鉆取每個采樣點(diǎn)3株長勢相近的梭梭根際的土壤，混合為一個樣品，采用四分法將約1 kg裝入自封袋中，標(biāo)記編號帶回實(shí)驗(yàn)室，共計14個土壤樣品。剔除沙子與動植物殘體及異物后，自然條件下風(fēng)干，研磨過100目篩待測。

樣品重金屬測定：稱量植物樣品0.5 g(精確到0.000 1)，消煮采用濃硝酸—高氯酸(4∶1)用氫氟酸—高氯酸(1∶1)消解。用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定重金屬M(fèi)n、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr的含量。

1.3 研究區(qū)污染評價

評價標(biāo)準(zhǔn)參考《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2018)[9],由于缺少M(fèi)n的標(biāo)準(zhǔn)值，用新疆土壤環(huán)境背景值代替[10]。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[8]計算公式為：

Pi=Ci/Si

(1)

P綜={[(Piave)2+(Pimax)2]/2}1/2

(2)

式中:Pi為i因子的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為i因子的實(shí)測濃度值/(mg·kg-1)；Si為i因子的評價標(biāo)準(zhǔn)/(mg·kg-1)。Piave為指數(shù)平均值；Pimax單項(xiàng)污染物的最大污染指數(shù)；P綜為采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價分級標(biāo)準(zhǔn)

1.4 植物重金屬富集系數(shù)計算

富集系數(shù)(BCF)[11]計算公式：

BCF=Ci/Si

(3)

式中：BCF為富集系數(shù)；Ci為地上部第i個植物樣品的重金屬元素含量；Si為對應(yīng)土壤樣品重金屬元素含量。

1.5 梭梭生物量及重金屬貯量估算

林分生物量的估算采用非線性模型進(jìn)行擬合，生物量估算公式：W=a(D2H)b。參考趙成義等[12]梭梭全株生物量干重計算方法，全株生物量估算公式

DW=0.681 4(HD2)0.542 4,r=0.990 3

(4)

式中:DW為器官生物量/kg；r為生物量方程相關(guān)系數(shù)；D為基徑/cm；H為株高/m。研究區(qū)梭梭單株平均基徑4.25 cm，平均株高1.64 m，平均林齡7 a。梭梭林地上部分生物量平均值占總生物量的67.84%，地下部分平均值占總生物量的32.16%[13]。梭梭各器官重金屬元素累積量為各器官生物量與各器官重金屬元素含量的乘積。

1.6 梭梭單位綠化面積及單位綠化空間重金屬富集效能計算

參考唐麗清等[14]的研究，根據(jù)單株梭梭綠化覆蓋面積及綠化空間輻射占有量對梭梭單位面積重金屬累積量與單位空間重金屬累積量進(jìn)行估算，綜合評價對重金屬的富集效能。

1)單株梭梭綠化覆蓋面積計算公式如下

S=πab

(5)

式中：S為樹冠投影面積/m2；a、b分別為樹冠南北和東西長的1/2。

2)綠化空間輻射占有量計算公式為

V=πR2H

(6)

式中：V為單株綠化空間輻射占有量/m3；R為樹冠半徑/m；H為樹高/m。

1.7 數(shù)據(jù)處理

用Excel2010、SPSS20.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行制表及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 梭梭防護(hù)林根際土壤重金屬元素描述性統(tǒng)計

梭梭根際土壤各重金屬元素平均濃度見表2，Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr平均值含量分別為38.01、24.58、79.24、0.17、0.08、16.68、17.32、29.58和55.53 mg·kg-1,各元素濃度大小順序?yàn)閆n>Cr>Mn>Cu>Ni>As>Pb>Cd>Hg，9種元素平均含量均低于污染風(fēng)險篩選值。Mn、Ni、Pb低于新疆土壤環(huán)境背景值，Zn、Cd、Hg、As、Cu、Cr高于背景值，分別是背景值的1.15、1.42、4、1.55、1.11和1.13倍，表明城郊工業(yè)區(qū)在特殊地質(zhì)背景以及人類生產(chǎn)活動共同影響下，區(qū)域土壤產(chǎn)生了不同程度重金屬累積。變異系數(shù)可以良好地反映數(shù)據(jù)波動程度，系數(shù)越大，表明土壤中重金屬元素含量受外界干擾程度越強(qiáng)。9種元素均屬于中等變異(10%

2.2 梭梭根際土壤重金屬多元統(tǒng)計分析

土壤重金屬Pearson相關(guān)分析見表3，Cd-Mn、Pb-Hg元素間在0.05級別顯著相關(guān)；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(xiàn)極顯著相關(guān)，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(guān)性不足以解釋其來源，需結(jié)合多元統(tǒng)計分析方法。

降維處理可以對元素間相關(guān)性有更好的解釋，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析檢驗(yàn)(表4)。KMO檢驗(yàn)值為0.629，且Bartlett球形檢驗(yàn)值<0.05，說明適宜對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。經(jīng)過最大方差旋轉(zhuǎn)后，獲得3個特征值>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(xiàn)率達(dá)85.79%，可以反映9種重金屬總體污染情況。

表2 研究區(qū)土壤重金屬描述性統(tǒng)計結(jié)果

表3 研究區(qū)土壤重金屬元素含量相關(guān)性分析

表4 研究區(qū)土壤重金屬元素含量主成分分析

土壤重金屬受人為生產(chǎn)活動、成土母質(zhì)因素的雙重影響，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(xiàn)率為47.56%，Cd、Hg、As、Mn、Cr元素載荷較高，分別為0.926、0.928、0.966、0.76、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(xiàn)率為23.61%，Pb、Ni載荷量最高，分別為0.92、0.96，因此認(rèn)為Pb、Ni的污染信息可以良好的被其反映；主成分因子3方差貢獻(xiàn)率為14.62%，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。

2.3 梭梭各器官對重金屬修復(fù)潛力分析

富集系數(shù)是衡量植物修復(fù)土壤重金屬元素的一個重要指標(biāo)，當(dāng)富集系數(shù)>1時，表明該植物具備良好的修復(fù)潛力。另有研究認(rèn)為木本植物生物量遠(yuǎn)高于草本植物，木本植物富集系數(shù)>0.4則可認(rèn)為對土壤重金屬污染具有較強(qiáng)的修復(fù)能力；介于0.1～0.4之間則可認(rèn)定為具備一定修復(fù)潛力；富集系數(shù)<0.1的則為修復(fù)力低的植物[15]。

由圖1可以看出，梭梭不同器官對土壤中Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr表現(xiàn)出不同的富集能力，存在明顯的選擇性吸收差異。梭梭各器官對Mn、Cd、Hg的富集系數(shù)均>1，體現(xiàn)出對其良好的修復(fù)潛力；對Ni、Zn、Cr、Cu富集系數(shù)介于0.1～0.4，表明具備一定的修復(fù)潛力；對Pb、As富集系數(shù)<0.1,說明梭梭對其較低的修復(fù)潛力。對Mn而言，莖枝富集系數(shù)是根部與凋落物的2.08和1.16倍；根部Zn的富集系數(shù)分別是根部與凋落物的1.08和1.02倍；莖枝Cd的富集系數(shù)分別為根部與凋落物的1.60和1.12倍；對Hg的富集系數(shù)分別是根部、凋落物的1.18和1.10倍。綜合分析，莖枝對Mn、Zn、Cd、Hg、Cr具備良好的修復(fù)潛力。

表5 研究區(qū)土壤重金屬原始和旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

注：○異常值；*極端異常值；-中位數(shù)。

2.4 梭梭地上部分對重金屬富集效能分析

梭梭當(dāng)年生同化枝生物量較少，一般占地上部分30%以下，均值含量僅占12%[16]，每年會有相當(dāng)部分成為2年生枝，且具有同化枝面積小、凋落少的特點(diǎn)，故以地上部分對重金屬富集效能研究具有一定的實(shí)際意義(表6)。梭梭單株植物生物量為10.95 kg，梭梭地上生物量為7.43 kg，地下生物量為3.52 kg，其中梭梭單株植物重金屬累積總量為3 831.58 mg。對人體危害較大的諸如Pb、Hg、Cr、As、Cd，單株梭梭地上部分累積量分別為14.9、1.49、164.47、3.34、5.57 mg，均明顯大于地下部分重金屬累積量。單株梭梭對重金屬元素累計總量大小順序?yàn)镸n>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>As>Hg,梭梭對Mn、Zn、Cr、Cu等較高的積累量或因其是梭梭的必需元素，且土壤中重金屬含量較大，表現(xiàn)出較高的富集，而具有較高累積量。

表6 梭梭單株重金屬元素累積量

為充分利用梭梭地上部對重金屬較高的修復(fù)潛力，通過地上空間資源有效利用，用梭梭冠幅、樹高和林齡估算單株綠化覆蓋面積、綠化空間輻射占有量，分別為0.94 m2和2.176 81 m3，以此來推算梭梭年均累積量、單位面積和單位空間重金屬富集量，結(jié)果見表7。梭梭對各重金屬元素富集效能順序與單株梭梭對重金屬累積量順序一致。通過單位面積及單位空間累積量可估算區(qū)域面積內(nèi)梭梭對Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr的累積量，進(jìn)而探究梭梭對土壤重金屬污染修復(fù)治理應(yīng)用前景。

表7 梭梭地上部對不同重金屬富集效能比較

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)研究區(qū)Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr均低于土壤污染風(fēng)險篩選值；Mn、Ni、Pb低于新疆土壤環(huán)境背景值，其余元素均高出背景值，分別是背景值的1.15、1.42、4、1.55、1.11和1.13倍，表明城郊工業(yè)區(qū)土壤存在不同程度的重金屬累積現(xiàn)象。主成分分析結(jié)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可能與垃圾焚燒有關(guān)。

2)梭梭對重金屬富集能力整體表現(xiàn)為地上部>地下部。各器官表現(xiàn)出對Mn、Cd、Hg良好的富集能力，對Ni、Zn、Cr、Cu具備一定的修復(fù)潛力；對Pb、As表現(xiàn)出低修復(fù)潛力。地上部較強(qiáng)的富集能力可能與土壤、大氣以及植物自身吸收特性有關(guān)。

3)單株梭梭對重金屬元素累計總量大小順序?yàn)镸n>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>As>Hg。梭梭對各重金屬元素富集效能大小順序與單株梭梭對重金屬累積量順序一致。梭梭在區(qū)域重金屬污染修復(fù)治理中發(fā)揮著重要生態(tài)作用，另建議種植對Pb、As具備較強(qiáng)富集能力植被，合理配置。

3.2 討論

3.2.1 梭梭根際土壤重金屬污染成因分析 研究區(qū)Cd、Hg、As較強(qiáng)的空間異質(zhì)性可能與人為生產(chǎn)活動有關(guān)，能源化工企業(yè)的生產(chǎn)活動使得重金屬累積于土壤中。Cd、Hg、As較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，主要受人為源因素影響；Mn、Ni、Zn、Pb、Cu、Cr元素呈中等變異性，可能受人為因素及自然成土母質(zhì)雙重影響。前人研究表明，As被認(rèn)為是燃煤的標(biāo)識性元素，主要來源于冶金工業(yè)[17]，燃煤、金屬冶煉使As、Cd顯著富集[18]，Cr、Mn元素主要來源于燃煤以及冶金[19]，Hg是燃煤電廠最為典型的排放元素[20]，電石法PVC的生產(chǎn)工藝中汞觸媒是Hg污染的主要來源。研究區(qū)一系列的工業(yè)活動不同程度排放Mn、Cr、Hg、Cd、As等重金屬元素,故認(rèn)為主成分因子1與燃煤以及冶金等活動密切相關(guān)。土壤中Pb、Ni均值含量低于新疆土壤環(huán)境背景值，且兩者變異數(shù)較低，表明Pb、Ni主要為自然源；巖石風(fēng)化、自然土壤是影響Mn、Ni元素來源的主要因素[21]；研究區(qū)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(fēng)蝕作用下，機(jī)動車零部件磨損以及成土母質(zhì)因素為Pb、Ni主要污染源。因此認(rèn)為主成分因子2可能受交通污染以及成土母質(zhì)雙重影響。Cu元素與垃圾燃燒有關(guān)[23]，且有研究表明過量氮肥的使用會使Cu等元素重金屬活性增強(qiáng)，更易被植物所吸收[24]。通過對研究區(qū)調(diào)查采樣發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田周邊有垃圾以及秸稈焚燒痕跡。因此推斷，主成分因子3主要來源于周邊垃圾焚燒。

3.2.2 梭梭富集吸收重金屬影響因素分析 梭梭不同器官中重金屬含量不盡相同，且同一器官對不同重金屬富集也不相同。各器官中Mn、Zn、Cu、Cr含量較大，Cd、Hg、Pb、As含量相對較少?；蛞?yàn)镸n、Zn、Cu是植物生長的必需微量元素，且Cu、Zn是植物體內(nèi)某些酶的重要組成成分[25]，被植物主動吸收所致。而Ni、Cd、Hg、Pb、As為植物非必需元素，生物富集效應(yīng)較弱，植物少量富集就足以產(chǎn)生毒性效應(yīng)，因而導(dǎo)致植物對不同元素累積量存在不同差異。梭梭各器官對Cr的累積效果也較為明顯，除因是植物必須因素外，可能也與Cr與Pb形成沉淀進(jìn)而減弱毒害作用有關(guān)[26]。

植物體內(nèi)Hg正常含量為0.001～0.01 mg·kg-1[27-28]，梭梭各器官Hg含量均超出正常范圍，是正常值的9～11倍，Hg在梭梭體內(nèi)的累積量超出普通植物毒性標(biāo)準(zhǔn)，表明梭梭對Hg的耐性機(jī)制[29-30]。生長于高污染區(qū)的耐性植物根部可以大量累積重金屬，而限制向地上部運(yùn)輸，保護(hù)地上部免受傷害。梭梭根部對Ni、Hg、Pb、As、Cu富集吸收高于地上部，重金屬穩(wěn)固于根部，向地上部轉(zhuǎn)移受到限制，使得地上部重金屬含量較低，進(jìn)而減輕對植物地上部分的毒害作用[31-32]。Cu、Pb地下部累積量>地上部，地上部Zn元素顯著>地下部，究其原因可能是Cu、Pb沉積性強(qiáng)易累積于根部，而Zn遷移性強(qiáng)，易運(yùn)輸至地上部所致。

3.2.3 梭梭對重金屬污染凈化作用評價 梭梭是西北干旱區(qū)特有的城郊及沙漠綠化樹種，因同化枝在地上部占比少且落葉少的特點(diǎn)，在植物修復(fù)中發(fā)揮著重要的生態(tài)價值。經(jīng)樣品含量測定分析，梭梭各器官對Mn、Cd、Hg、Ni、Zn、Cu、Cr均表現(xiàn)出較強(qiáng)的修復(fù)潛力，故梭梭可作為城郊工業(yè)區(qū)Mn、Cd、Hg、Ni、Zn、Cu、Cr元素污染的修復(fù)樹種。另通過估算梭梭單位面積、單位空間地上部分重金屬的累積量，可為類似地區(qū)重金屬污染治理及植物重金屬累計總量的估算提供參考，使得梭梭富集吸收重金屬的能力可以被充分利用，進(jìn)而發(fā)揮其生態(tài)效益。