3种园林植物对土壤重金属的吸收富集特征

第29卷　第3期中南林业科技大学学报V ol.29　N o.3　2009年6月Jo ur nal o f Cent ral South U niv ersit y o f Fo restr y&T echno log y Jun.2009　文章编号:1673-923X(2009)03-0021-053种园林植物对土壤重金属的吸收富集特征金文芬1,2,方　晰1,2,唐志娟1,2(1.中南林业科技大学,湖南长沙410004;2.城市森林生态湖南省重点实验室,湖南长沙410004)摘　要:　通过选择南方城市常见的3种园林绿化植物(杜鹃花、桂花、栀子花)为研究对象,分析其对6种重金属元素(M n、Zn、Cu、Ni、Cd、Pb)的吸收富集特征.结果表明:绿地土壤中6种重金属的平均含量由高到低的顺序为Zn>M n>Pb>C u>Ni>Cd,平均含量分别为221.111、104.791、82.238、57.289、42.673、5.113mg/kg,且Cu、Ni、C d、Pb元素的来源可能相同;杜鹃花、桂花、栀子花对6种重金属元素的总平均富集能力分别为0.34、0.28、0.19,且均表现出对M n的富集能力最强,平均富集系数分别为1.23、0.73、0.31,而对Zn、Ni的富集能力最小;杜鹃花对6种重金属的转移能力最大,总平均转移系数为1.92,其次是桂花,总平均转移系数为1.62,栀子花最小,总平均转移系数为1.09;杜鹃花对M n元素同时具有超富集植物两个基本特征.关键词:　环境生态学;土壤重金属;园林植物;吸收富集中图分类号:　X53 文献标志码:　AAbsorption and Accumulation Characteristics of3Ornamental Plants to Soil Heavy MetalsJIN Wen-fen1,2,FANG Xi1,2,T ANG Zhi-juan1,2(1.C entral South University of Fores tr y and Techn ology,Ch ang sha410004,Hunan,China;2.Key L aboratory of Urban Forest Ecology of Hun an Province,Ch ang sha410004,Hunan,China)Abstract:T he s tu dy analyzed the characteris tics of absorption an d accumulation for6kinds of h eavy metal elemen ts(M n,Zn,Cu, Ni,C d,Pb)in3com mon ornamental plants(Rhododend ron simsii,Osmanthus f rag rans,Gard enia j asminoid es)from cities in the South.Resu lts show that the order of average contents of6h eavy metal elements in green s oil goes from h igh to low as follow s:Zn >M n>Pb>Cu>Ni>Cd,their averag e contents are res pectively221.111,104.791,82.238,57.289,42.673and5.113mg/kg, an d Cu,Ni,Cd and Pb elements m ay come from th e s ame sour ces;that th e overall average enrichment capacity of R hod od end ron sim-sii,Osmanthus f rag rans and Gar denia j asminoides to the6elements are res pectively0.34,0.28and0.19,s how img a strongest to M n w ith average coefficien ts b eing1.23,0.73an d0.31and a w eakest to Zn and Ni;that Rh odode ndron simsii has th e highest transloca-tion capacity to the6elements,its average coefficient being up to1.92,Osmanthus f rag rans comes the next,its average coefficient being1.62,and G ard enia j asm inoides is the last,its average coefficient being only1.09;and that R hod od endr on simsii,as hyper-ac-cumu lator to M n,h as tw o b asic characteris tics at the s ame tim e.Key words:environmental ecology;soil heavy metals;orn amental plants;absorp tion and accumulation土壤是人类赖以生存的重要自然资源之一,也是人类生存环境的重要组成部分.随着城市化、工业化、矿产资源的开发利用以及大量化学产品的广泛使用,土壤重金属污染日趋严重,威胁着人类的生存和发展.土壤中的重金属污染物不仅具有隐蔽性、不可逆性等特点,而且可经水、植物等介质进入人体,最终影响人类健康.因此,如何控制和减轻土壤重金属污染及其危害已成为了一个日益突出的问题.也正由于土壤重金属污染治理和收稿日期:2008-05-10基金项目:科技部基础条件平台建设项目(20070822);湖南省重点实验室(06FJ3083、2007FJ4046);中南林业科技大学青年基金项目(2008023B);2006年度湖南省普通高校青年骨干教师培养对象项目.作者简介:金文芬(1982—),女,湖南常德人.助教,硕士研究生,主要从事城市景观生态学研究.E-mail:jw f.420@.通讯作者:方　晰(1968-),女,广西邑宁人.教授,博士,主要从事生态教学和生态系统定位研究.E-mail:fang xizhang@sin 恢复的难度大,迄今仍未找到理想的方法[1].重金属在土壤中的自然净化过程十分漫长,一般需要上千年时间.采用物理与化学治理技术(如客土法、淋溶法、施用化学改良剂等),不仅费用昂贵、需要特殊的仪器设备和培训专门的技术人员,而且大多只能暂时缓解重金属的危害,还可能导致二次污染,不能从根本上解决问题.通过种植超富集植物或一些对重金属抗性强、具有一定吸收富集能力且生物量大的特殊植物逐步提取土壤中的重金属元素,进而修复污染土壤的方法——植物修复技术,已成为人们研究的热点,且被认为具有巨大的商品化前景[2,3].近年来,重金属超富集植物的筛选倍受国内外科学家们的广泛关注[1,4～13],有关植物对土壤重金属元素吸收富集特征的研究在不断涌现.如,魏树和等[8]的研究表明,植物地上部分重金属含量与地上部分生物量大小无关,在筛选重金属超积累植物时,植物地上部分重金属含量与植物地上部生物量可以并重.因此,除植物本身的生长特性如植株大小、生长速率等外,植物对重金属的吸收和积累能力及其对重金属毒性的忍耐能力是决定植物是否适用于植物修复技术的主要因素.邵云等[4]研究了5种重金属在小麦植株不同器官中的分布特征,杨兵等[14]研究了香根草在铅锌尾矿上生长及其对重金属的吸收特征,莫争等[15]研究了重金属Cu 、Pb 、Zn 、Cr 、Cd 在水稻植株中的富集和分布,魏树和等[16]研究了18种杂草对重金属的超积累特性,还有蔡顺香等[17]分析了水葫芦富集砷、汞、铅、镉、铬含量.本文中选择南方城市最常见的3种园林绿化植物杜鹃花R hododendron simsi -i 、桂花Osmanthus f ragr ans 、栀子花Gard enia j asminoides 为研究对象,分析其对土壤重金属元素吸收富集的特征,探讨其净化土壤重金属污染的应用潜力,并为城市园林绿化植物的选择提供科学理论依据.1　实验地概况试验地点设在湖南长沙市园林绿化地内.长沙位于湘中东北部之湘江下游,跨湘江两岸,东经110°53′～114°15′,北纬27°51′～28°40′,扼南北要冲;东屏罗霄毗江西,西障雪峰连云贵,南峙衡岳达广州,北托洞庭通武汉.地貌属低山丘陵,地形起伏较大,整个地势为东西南高,北部低;气候属亚热带季风湿润性气候,年平均气温为17.2℃,年积温为5457℃,年平均降水量为1300mm ,且多分布在4～9月份,无霜期275d .气候特征是:气候温和,降水充沛,雨热同期,四季分明,春温多变,夏初雨水多,夏末秋季多旱,春秋季短,夏冬季长,伏秋高温久,冬季严寒少.以香樟为市树,以杜鹃花为市花.土壤以板页岩风化物为主,夹有红土、沙砾岩等土壤.2　研究方法在韶山路、湘府路和中南林业科技大学校园园林绿地内,采用随机布点法,分别在杜鹃花、桂花、栀子花生长的地方各选20个采样点,每个采样点采集表层土壤(0～20cm),重复6次,混合约1kg 作为该点的土壤分析样品;同时,对3种园林植物(杜鹃花、桂花、栀子花)按根、茎、叶分别采集分析样品0.5kg.在实验室,先用自来水充分冲洗植物样品,再用去离子水冲洗,晾干,在105℃下杀青30m in ,然后在85℃恒温下烘干至恒质量,粉碎过60目尼龙筛充分混合均匀,放在样品瓶中备用.土壤样品自然风干后磨碎,过100目尼龙筛备用.土壤中重金属元素(Mn 、Cu 、Zn 、Ni 、Cd 、Pb)含量用碳酸钠碱熔-盐酸提取后,采用Hp3510原子吸收分光光度计测定.植物中重金属元素含量采用干灰化法,用盐酸溶解提取,由Hp3510原子吸收分光光度计测定.表1　土壤层(0～20cm )重金属元素的含量Table 1　Heavy metal concentration in soil layer (0～20cm )统计项目M n C u Zn Ni Cd Pb 最大值/(mg ·k g -1)475.23278.223406.43960.3638.276181.619最小值/(mg ·k g -1)29.2517.72597.32231.150 1.39220.445平均值/(mg ·k g -1)104.79157.289221.11142.6735.11382.238变异系数/%561348152747样本数606060606060国家二级标准值/100250500.60300湖南省土壤背景值3802590300.08126.3中国土壤平均值58322.674.226.90.09726.03　结果与分析3.1　绿地土壤重金属元素含量及其相关性土壤中重金属元素的含量既与母岩及成土母质有密切的关系,又受到局部环境质量状况、地形和生物地球化学循环的深刻影响.由表1可以看出,绿地土壤中6种重金属的平均含量由高到低的顺序为:Zn >M n >Pb >Cu >Ni >Cd,平均含量分别为221.111、104.791、22中　南　林　业　科　技　大　学　学　报第29卷82.238、57.289、42.673、5.113mg /kg.不同采样点之间,各种重金属含量变异程度不一致,其中Mn 、Zn 、Pb 变异程度比较大,分别为56%、48%、47%,而Cu 、Ni 、Cd 变异程度比较小,分别为13%、15%和27%,可能是由于各采样点土壤受人类活动影响程度不同或是土壤来源不同所造成的.与国家土壤环境质量(GB15618-1995)二级标准(Cd 含量≤0.60mg /kg )比较,除Mn 外,土壤中Zn 、Pb 、Cu 、Ni 平均含量均没有超标,但Cd 含量超过国家土壤环境质量二级标准的7.52倍.再与湖南省土壤重金属背景值[19]比较,除Mn 外,Cd 、Pb 、Zn 、Cu 、Ni 分别超过湖南省土壤背景值的62.1、2.13、1.46、1.29、0.42倍;同样,除M n 外,Cd 、Pb 、Zn 、Cu 、Ni 含量分别超过中国土壤重金属平均值[19]的52.71、3.16、2.98、2.53、1.59倍.表2　土壤表层(0～20cm )重金属含量的相关性Table 2　Relationships between heavy metal concentrationin soil of the green -lands重金属M n Cu Zn N i Cd Pb M n 1.0000.0690.4340.0250.2510.401Cu 1.0000.3300.3420.564*0.567*Zn 1.0000.4000.3990.548*Ni 1.0000.707**0.654**Cd 1.0000.732**Pb1.000　**,*分别表示在p <0.01与p <0.05水平上显著相关.研究土壤中重金属的相关性可以推测重金属的来源是否相同[18],如果重金属含量有显著的相关性,说明其同源的可能性较大,否则来源不止一个.相关性分析结果(表2)表明,Cu 与Cd 、Pb 相关系数分别为0.564、0.567,达显著相关水平(p <0.05);Ni 与Cd 、Pb 相关系数分别为0.707、0.654,达极显著相关水平(p <0.01);Cd 与Pb 的含量相关系数为0.732,达极显著相关水平(p <0.01),表明Cu 、Ni 、Cd 、Pb 元素的来源可能相同.3.2　3种园林植物不同器官重金属的含量由表3可以看出,生长在相似的土壤环境中,3种园林植物同一器官中同一种重金属的含量不同,但除M n 的含量差异比较明显外,其它5种重金属的含量差异不明显;同一器官中的M n 含量以杜鹃花最高,其次为桂花,最低为栀子花.即使是同一种植物,同一种重金属在不同器官中的含量也不尽相同.如杜鹃花叶片中的6种重金属含量普遍高于根系和茎中相应重金属的含量;桂花、栀子花叶片中M n 、Zn 、Cd 的含量高于其根系、茎中的含量,茎中的Cu 、Pb 的含量高于其根系、叶片的含量,根系中Ni 元素的含量高于其叶片、茎中的含量.不同植物同一器官中不同的重金属元素的含量也不同.说明了不同植物即使是同一种植物对不同元素吸收迁移、累积不一样,一方面反映植物本身的特性,另一方面也反映重金属对植物的影响及其在植物体内的迁移能力.表3　3种植物各器官与相应生长点土壤表层(0～20cm )重金属的含量(样品数均为20个)Table 3　Heavy metal concentration in organs of three kinds of plants and soil of the green -landsmg ·k g -1项目M n Cu Zn Ni Cd Pb 土壤115.31(54)59.71(12)263.15(21)52.19(23) 5.47(34)93.91(33)杜鹃花根136.34(25)11.53(15)18.79(11) 2.46(27)0.74(35)9.29(33)杜鹃花茎131.68(46)16.22(14)20.95(16) 1.82(31) 1.15(29)30.28(40)杜鹃花叶156.55(19)13.56(11)24.72(3.3)7.87(44.6) 1.73(32)21.75(14)土壤109.28(55)61.76(14)267.16(39)41.87(28) 4.94(5)74.99(42)桂花根46.29(12)21.38(15)17.13(45) 3.35(35)0.58(15)17.50(26)桂花茎72.87(21)14.94(11.6)20.02(11.4) 1.57(21) 1.81(36)30.86(19)桂花叶108.88(25)9.50(0.45)25.16(3) 2.41(14) 2.39(33)11.28(22)土壤129.68(52)56.63(8.5)263.61(41)42.36(11) 4.24(17)63.58(29)栀子花根46.92(35)13.61(36)18.74(28) 4.20(25)0.64(12)12.03(37)栀子花茎25.54(23)14.02(17)18.81(6) 2.08(10)0.67(19)24.11(15.5)栀子花叶47.37(27)13.60(10.3)22.25(2.5)2.29(17)0.69(15.6)20.69(11) 括号内的数据为变异系数(%).3.3　3种园林植物重金属的富集系数和转移系数富集系数和转移系数是衡量超富集植物的两个重要特征[20].不同植物种类以及同一植物的不同器官对重金属的吸收富集作用明显不同.植物器官重金属含量与土壤含量的比值即富集系数(也称吸收系数),更能够反映植物对重金属的富集(吸收)能力.由表3可计算出杜鹃花、桂花、栀子花各器官对6种重金属元素的富集系数(见表4).如表4所示,杜鹃花、桂花、栀子花各器官对6种重金属元素的总平均富集能力分别为0.34、0.28、0.19,且杜鹃花、桂花、栀子花均表现出对M n 的富集能力最强,平均富集系数分别为1.23、0.73、0.31,对Zn 、Ni 的富集能力最小,Zn 的富集系数分别为0.08、0.07和0.07,Ni 的富集系数分别为0.08、0.06和0.07.3种园林植物对6种重金属的吸收富集规律不尽相同.杜鹃花对6种重金属的富集能力从高到低的次序为Mn >Cu >Pb23第3期金文芬等:3种园林植物对土壤重金属吸收富集特征表4　3种园林植物不同器官对6种重金属的富集系数Table 4　The enrichment coeff icients of six heavy metalelements in diff erent organs of three species物种器官富集系数M n Cu Zn N i CdPb平均值杜鹃花根1.180.190.070.050.140.100.29茎 1.140.270.080.030.210.320.34叶 1.360.230.090.150.320.230.40平均 1.230.230.080.080.220.220.34桂花根0.420.350.060.080.120.230.21茎0.670.240.070.040.370.410.30叶 1.000.150.090.060.480.150.32平均0.730.250.070.060.320.260.28栀子花根0.360.240.070.100.150.190.19茎0.200.250.070.050.160.380.19叶0.370.240.080.050.160.330.21平均0.310.240.070.070.150.300.19=Cd>Zn=Ni,桂花为M n>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni,栀子花为M n >Pb >Cu >Cd >Zn =Ni .不同器官对6种重金属元素的富集能力存在着一定的差异,由大到小依次排列基本为:叶>茎>根.杜鹃花各器官对不同重金属的富集能力由大到小依次排列为:根,M n >Cu >Cd >Pb >Zn >Ni ;茎,Mn >Pb>Cu>Cd>Zn>Ni;叶,Mn>Cd>Pb=Cu>Zn >Ni.桂花各器官对不同重金属的富集能力由大到小依次排列为:根,Mn>Cu>Pb>Cd>Ni>Zn;茎,M n>Pb>Cd>Cu>Zn>Ni;叶,M n>Cd>Cu=Pb>Zn>Ni .栀子花各器官对不同重金属的富集能力由大到小依次排列为:根,Mn >Cu>Pb>Cd>Ni>Zn;茎,Pb>Cu>M n>Cd>Zn>Ni;叶,M n>Pb>Cu>Cd>Zn>Ni.从表3和表4可以看出,杜鹃花对6种重金属的富集均表现为茎、叶的富集系数高于根,且茎、叶、根中M n 的含量均明显高于土壤中Mn 的含量;桂花对Mn 、Zn 、Cd 的富集表现为茎、叶的富集系数高于根,但其体内M n 、Zn 、Cd 的含量却明显低于土壤中M n 、Zn 、Cd 的含量;栀子花对Zn 、Pb 的富集表现为茎、叶的富集系数高于根,但同样其体内Zn 、Pb 的含量也明显低于土壤中Zn 、Pb 的含量.表5　3种园林植物重金属的转移系数Table 5　The transportation coef f icients ofheavy metals in the three species物种M n Cu ZnNiCd Pb 平均值杜鹃花 1.15 1.18 1.32 3.20 2.34 2.34 1.92桂花 2.350.44 1.470.72 4.120.64 1.62栀子花1.011.001.190.551.081.721.09转移系数是植物地上部分元素的含量与地下部分同种元素含量的比值,用来评价植物将重金属从地下向地上的运输和富集能力.转移系数越大,则重金属从根系向地上器官转运能力越强.本研究采用植物叶片中元素含量与植物根系中元素含量的比值作为该元素的转移系数.如表5所示,杜鹃花对6种重金属的转移能力最大,总平均转移系数为1.92;其次是桂花,总平均转移系数为1.62;栀子花为最小,总平均转移系数为1.09.与前面的富集系数的研究结果基本一致.从表5可以看出,同一种植物对不同的重金属的转移能力也有一定的差异;杜鹃花对6种重金属的转移系数均大于1,其中对Ni 的转移能力最高,其次为Cd 、Pb,而对Mn 的转移能力最低;桂花对M n 、Zn 、Cd 的转移系数大于1,其中对Cd 的转移能力最高,但对Cu 、Ni 、Pb 的转移系数小于1,对Cu 的转移能力最低;栀子花对M n 、Cu 、Zn 、Cd 、Pb 的转移系数大于1,其对Pb 的转移能力最高,其次是对Zn ,但对Ni 的转移系数最小,仅为0.55.由表4和表5可以看出,3种植物对M n 的富集系数最大,但对M n 的转移系数并不是最大;相反,杜鹃花对Ni 富集系数最小,但对Ni 转移系数最大.可见,富集系数和转移系数是有一定的区别,分别表征植物的富集能力和转运能力,与植物的生理生化和遗传变异关系密切.Stalt 等[21]认为,只有那些地上部分重金属含量大于根部,且地上部分重金属含量大于土壤重金属含量的少数植物对于重金属超富集植物的筛选可能更有意义.因此,杜鹃花对M n 元素同时具有超富集植物的两个基本特征.表6　杜鹃花各器官中重金属含量与土壤中重金属含量的相关系数Table 6　The corrlation coeff icients among heavymetals in Rhododendron simssi organs and in soil器官M n Cu Zn Ni Cd Pb 根0.0670.4830.584*0.1430.725*0.699*茎0.0720.0370.0430.2160.713*0.708*叶0.1050.1840.782*0.2450.710*0.372　*表示相关性达到显著水平(p <0.05).3.4　杜鹃各器官与土壤重金属含量的相关性分析根据论文分析结果,杜鹃各器官对重金属的吸收能力较强,为此论文只对杜鹃各器官中重金属的含量与土壤重金属含量相关性进行分析.分析结果(见表6)表明,根的Zn 、Cd 、Pb 含量与土壤中Zn 、Cd 、Pb 含量相关系数分别为0.584、0.725、0.699,茎的Cd 、Pb 含量与土壤中Cd 、Pb 含量相关系数分别为0.713、0.708,叶的Zn 、Cd 的含量与土壤中Zn 、Cd 的含量相关系数分别为0.782、0.710,且均达到了24中　南　林　业　科　技　大　学　学　报第29卷显著水平(p <0.05),其余的相关性未达到显著水平(p >0.05).表明植物的不同器官对不同重金属元素吸收、富集特性不同.4　结　论城市园林绿地土壤中Zn 、M n 、Pb 、Cu 、Ni 、Cd 重金属的平均含量分别为221.111、104.791、82.238、57.289、42.673、5.113m g /kg ,由高到低的排序为:Zn >M n >Pb >Cu >Ni >Cd ,且Cu 、Ni 、Cd 、Pb 元素的来源可能相同.不同园林植物同一器官中同一种重金属的含量不同,但除M n 的含量差异比较明显外,其它5种重金属的含量差异不明显;同一器官中的M n 的含量以杜鹃花最高,其次为桂花,最低为栀子花.同一种植物,同一种重金属在不同器官中的含量以及不同植物同一器官中不同的重金属元素的含量也不同.杜鹃花、桂花、栀子花各器官对6种重金属元素的总平均富集能力分别为0.34、0.28、0.19,且均表现出对M n 的富集能力最强,平均富集系数分别为1.23、0.73、0.31,而对Zn 、Ni 的富集能力最小.杜鹃花对6种重金属的转移能力为最大,总平均转移系数为1.92;其次是桂花,总平均转移系数为1.62;栀子花为最小,总平均转移系数为1.09.杜鹃花对M n 元素同时具有超富集植物的两个基本特征.杜鹃花根的Zn 、Cd 、Pb 含量与土壤中相应元素含量相关系数分别为0.584、0.769、0.708,达到了显著水平;茎的Cd 、Pb 含量与土壤中Cd 、Pb 含量相关系数分别为0.728、0.811,达到了显著水平;叶的Zn 、Cd 含量与土壤中Zn 、Cd 的含量相关系数分别为0.820、0.753,达到了显著水平.参考文献:[1]　沈振国,陈怀满.植物修复和重金属超富集植物[C ]//冯峰.植物营养研究的进展与展望.北京:中国农业大学出版社,2000:216-229.[2]　韦朝阳,陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展[J].生态学报,2001,21(7):1196-1203.[3]　Chaney R L,malik M ,Li Y M ,et al.Ph yt-oremedition of s oil metals [J ].Curr.Opin.Biotech nol.,1997,8(3):279-284.[4]　邵　云,姜丽娜,李向力,等.五种重金属在小麦植株不同器官的分布特征[J ].生态环境,2005,14(2):186-188.[5]　Visoottiviseth P,Fran ces coni K,Sridokchan W.Th e p otential of Thai ind ig enou s p lan t species for the phytoremediation of arsenic contami-nated lan d [J ].En vir on mental Pollution ,2002,118:453-461.[6]　Kenn aw ay D J ,Gilmore T A ,Seam ork R T.Effect of melaton feedin g on serum prolaction and gonad otyop ia levels and on s et of season ales tyon s egelicity in sheep[J ].En docrinology,1992,110:1766-1772.[7]　Salt D E.Phytoextr action :present applications and future pr om ise A[C]//W ise D L,et al.Biorem 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