董中凯，阿丽亚·拜都热拉*，宋 敏，买尔旦·阿不都卡德， 若山古丽·芒力克，马生惠

(1.新疆农业大学 林学与风景园林学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆昌吉回族自治州城乡规划技术审查中心，新疆 昌吉 831100)

随着国家对西部的大力扶持，新疆东部典型干旱城市——吐鲁番市相继引进一系列国内有名的能源化工企业以促进当地经济发展，提高人民的生活水平。自2006年以来诸如中泰化学、圣雄能源、金风科技、天雨煤化等一系列以煤电煤化、新能源装备制造新型建材行业为主导的能源化工企业先后落户于新疆吐鲁番市托克逊县。据生态环境部与自然资源部2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报》结果显示，全国Cd、As、Cu、Hg等元素污染严重。区域经济得到飞速发展的同时，工业化和城市化产生的重金属不断进入土壤-植物系统，区域生态环境质量、人体健康及社会经济可持续发展受到严重威胁。

梭梭(Haloxylonammodendron)具有优良的抗旱、耐盐碱特性，且根系发达，是西北干旱区主要造林树种，在干旱区生态系统的恢复、改善及保护中发挥着极其重要作用。在工业化集约发展的城郊，因废气排放、冶炼、电镀及农药化肥的过度使用等因素重金属多呈复合污染，主要包括Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr等元素[1]。植物修复技术能有效利用植物去除土壤中重金属，达到土壤净化目的[2]。城郊梭梭防护林因其绿化覆盖面积大、绿化空间辐射占有量大，凋落物生物量较少，对重金属富集吸收并将其稳固于植物体内，有效地实现重金属污染土地的修复，在一定程度上避免对土壤造成二次污染。马慧[3]对内蒙古西部荒漠植物-梭梭研究发现，其具有超富集重金属Cu、Mn、Pb、Zn特征。阿不都艾尼·阿不里等[4]测定卡拉麦里优势植物重金属，发现梭梭对Hg有较强富集能力，且对Pb、Cr、Zn具有良好的转移能力，可作为区域生态恢复优势物种。唐敏等[5]、彭小东等[6]分别在北京市、乌鲁木齐市通过研究绿化树种对重金属富集能力并进行分级评价，筛选出了富集能力强的绿化树种。车继鲁等[7]通过研究香樟不同器官重金属富集效能，发现其树干重金属累积量显著高于其他器官，且对Pb、Ni富集效能明显。就目前已有的植物对重金属修复而言，比较不同植物对重金属富集转运特征或不同功能区树木各器官对重金属富集吸收的研究较多，而对单株树木净化吸收重金属，量化树木单位面积、单位空间修复潜力的应用前景鲜有报道。

为明确城郊工业区土壤重金属的污染状况、分析土壤重金属污染来源并量化梭梭对重金属的修复潜力，本研究选取城郊人工梭梭林为对象，采集土壤、植物样品，分析样品中9种重金属(Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr)的含量，量化梭梭各器官对重金属的富集潜力及单位面积、单位空间修复潜力，进而探寻梭梭在重金属污染预防治理过程中的作用，以期为合理利用及治理重金属污染土壤的林业生态绿化树种提供相应的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吐鲁番市托克逊县城郊(88°38′43.1″E，42°46′49″N)，东邻吐鲁番市，南与巴州尉犁县相接，北与乌鲁木齐毗邻，地理位置优越，其工业园区在典型的西北干旱区具有一定的代表性。属于暖温带干旱荒漠气候，年均气温13.8 ℃，极端最高气温为48 ℃，年均降水7 mm，是中国降水最少的县城，土壤质地为荒漠风沙土。因气候、植被等因子制约，区域生态环境脆弱，在工业集约化发展的城郊易受到重金属污染。

1.2 样品采集及测定

于2021年6月采集在城郊防护林土壤和植物样品，采样过程中根据预设采样点周边实际环境进行调整，共设14个采样点。植物样品采集：每个采样点选取3株长势相近的梭梭，分别采集地上部茎枝、凋落物以及地下部根部，装入自封袋中，标记编号带回实验室，共计42个植物样品。在105 ℃下杀青，65 ℃烘干至恒量，高速万能粉碎机粉碎，过100目筛待测。土壤样品采集：采集植物生长土层相应的土壤样品，刮去土壤表层的枯枝落叶，用土钻取每个采样点3株长势相近的梭梭根际的土壤，混合为一个样品，采用四分法将约1 kg装入自封袋中，标记编号带回实验室，共计14个土壤样品。剔除沙子与动植物残体及异物后，自然条件下风干，研磨过100目筛待测。

样品重金属测定：称量植物样品0.5 g(精确到0.000 1)，消煮采用浓硝酸—高氯酸(4∶1)用氢氟酸—高氯酸(1∶1)消解。用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定重金属Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr的含量。

1.3 研究区污染评价

评价标准参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)[9],由于缺少Mn的标准值，用新疆土壤环境背景值代替[10]。内梅罗综合污染指数法[8]计算公式为：

Pi=Ci/Si

(1)

P综={[(Piave)2+(Pimax)2]/2}1/2

(2)

式中:Pi为i因子的单项污染指数；Ci为i因子的实测浓度值/(mg·kg-1)；Si为i因子的评价标准/(mg·kg-1)。Piave为指数平均值；Pimax单项污染物的最大污染指数；P综为采样点的综合污染指数。内梅罗综合污染指数分级标准见表1。

表1 内梅罗综合污染指数评价分级标准

1.4 植物重金属富集系数计算

富集系数(BCF)[11]计算公式：

BCF=Ci/Si

(3)

式中：BCF为富集系数；Ci为地上部第i个植物样品的重金属元素含量；Si为对应土壤样品重金属元素含量。

1.5 梭梭生物量及重金属贮量估算

林分生物量的估算采用非线性模型进行拟合，生物量估算公式：W=a(D2H)b。参考赵成义等[12]梭梭全株生物量干重计算方法，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为器官生物量/kg；r为生物量方程相关系数；D为基径/cm；H为株高/m。研究区梭梭单株平均基径4.25 cm，平均株高1.64 m，平均林龄7 a。梭梭林地上部分生物量平均值占总生物量的67.84%，地下部分平均值占总生物量的32.16%[13]。梭梭各器官重金属元素累积量为各器官生物量与各器官重金属元素含量的乘积。

1.6 梭梭单位绿化面积及单位绿化空间重金属富集效能计算

参考唐丽清等[14]的研究，根据单株梭梭绿化覆盖面积及绿化空间辐射占有量对梭梭单位面积重金属累积量与单位空间重金属累积量进行估算，综合评价对重金属的富集效能。

1)单株梭梭绿化覆盖面积计算公式如下

S=πab

(5)

式中：S为树冠投影面积/m2；a、b分别为树冠南北和东西长的1/2。

2)绿化空间辐射占有量计算公式为

V=πR2H

(6)

式中：V为单株绿化空间辐射占有量/m3；R为树冠半径/m；H为树高/m。

1.7 数据处理

用Excel2010、SPSS20.0对试验数据进行制表及统计分析。

2 结果与分析

2.1 梭梭防护林根际土壤重金属元素描述性统计

梭梭根际土壤各重金属元素平均浓度见表2，Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr平均值含量分别为38.01、24.58、79.24、0.17、0.08、16.68、17.32、29.58和55.53 mg·kg-1,各元素浓度大小顺序为Zn>Cr>Mn>Cu>Ni>As>Pb>Cd>Hg，9种元素平均含量均低于污染风险筛选值。Mn、Ni、Pb低于新疆土壤环境背景值，Zn、Cd、Hg、As、Cu、Cr高于背景值，分别是背景值的1.15、1.42、4、1.55、1.11和1.13倍，表明城郊工业区在特殊地质背景以及人类生产活动共同影响下，区域土壤产生了不同程度重金属累积。变异系数可以良好地反映数据波动程度，系数越大，表明土壤中重金属元素含量受外界干扰程度越强。9种元素均属于中等变异(10%

2.2 梭梭根际土壤重金属多元统计分析

土壤重金属Pearson相关分析见表3，Cd-Mn、Pb-Hg元素间在0.05级别显著相关；Hg-Mn、Pb-Ni、Hg-Cr、As-Mn、Hg-Cd、As-Cd、Cr-Mn、As-Cr、Hg-As、Cr-Cd均在0.01级别呈现极显著相关，表明土壤重金属来源具有较高相似性。然而仅从重金属元素间的相关性不足以解释其来源，需结合多元统计分析方法。

降维处理可以对元素间相关性有更好的解释，通过对数据进行主成分分析检验(表4)。KMO检验值为0.629，且Bartlett球形检验值<0.05，说明适宜对数据进行主成分分析。经过最大方差旋转后，获得3个特征值>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种主成分因子累积方差贡献率达85.79%，可以反映9种重金属总体污染情况。

表2 研究区土壤重金属描述性统计结果

表3 研究区土壤重金属元素含量相关性分析

表4 研究区土壤重金属元素含量主成分分析

土壤重金属受人为生产活动、成土母质因素的双重影响，通过主成分分析可以初步识别重金属污染来源。从表4、表5可以看出：主成分因子1方差贡献率为47.56%，Cd、Hg、As、Mn、Cr元素载荷较高，分别为0.926、0.928、0.966、0.76、0.958，主要反映该因子污染来源信息；主成分因子2的方差贡献率为23.61%，Pb、Ni载荷量最高，分别为0.92、0.96，因此认为Pb、Ni的污染信息可以良好的被其反映；主成分因子3方差贡献率为14.62%，Cu元素载荷显著高于其他元素，载荷量为0.882，可以较好反映Cu来源信息。

2.3 梭梭各器官对重金属修复潜力分析

富集系数是衡量植物修复土壤重金属元素的一个重要指标，当富集系数>1时，表明该植物具备良好的修复潜力。另有研究认为木本植物生物量远高于草本植物，木本植物富集系数>0.4则可认为对土壤重金属污染具有较强的修复能力；介于0.1～0.4之间则可认定为具备一定修复潜力；富集系数<0.1的则为修复力低的植物[15]。

由图1可以看出，梭梭不同器官对土壤中Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr表现出不同的富集能力，存在明显的选择性吸收差异。梭梭各器官对Mn、Cd、Hg的富集系数均>1，体现出对其良好的修复潜力；对Ni、Zn、Cr、Cu富集系数介于0.1～0.4，表明具备一定的修复潜力；对Pb、As富集系数<0.1,说明梭梭对其较低的修复潜力。对Mn而言，茎枝富集系数是根部与凋落物的2.08和1.16倍；根部Zn的富集系数分别是根部与凋落物的1.08和1.02倍；茎枝Cd的富集系数分别为根部与凋落物的1.60和1.12倍；对Hg的富集系数分别是根部、凋落物的1.18和1.10倍。综合分析，茎枝对Mn、Zn、Cd、Hg、Cr具备良好的修复潜力。

表5 研究区土壤重金属原始和旋转后的成分矩阵

注：○异常值；*极端异常值；-中位数。

2.4 梭梭地上部分对重金属富集效能分析

梭梭当年生同化枝生物量较少，一般占地上部分30%以下，均值含量仅占12%[16]，每年会有相当部分成为2年生枝，且具有同化枝面积小、凋落少的特点，故以地上部分对重金属富集效能研究具有一定的实际意义(表6)。梭梭单株植物生物量为10.95 kg，梭梭地上生物量为7.43 kg，地下生物量为3.52 kg，其中梭梭单株植物重金属累积总量为3 831.58 mg。对人体危害较大的诸如Pb、Hg、Cr、As、Cd，单株梭梭地上部分累积量分别为14.9、1.49、164.47、3.34、5.57 mg，均明显大于地下部分重金属累积量。单株梭梭对重金属元素累计总量大小顺序为Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>As>Hg,梭梭对Mn、Zn、Cr、Cu等较高的积累量或因其是梭梭的必需元素，且土壤中重金属含量较大，表现出较高的富集，而具有较高累积量。

表6 梭梭单株重金属元素累积量

为充分利用梭梭地上部对重金属较高的修复潜力，通过地上空间资源有效利用，用梭梭冠幅、树高和林龄估算单株绿化覆盖面积、绿化空间辐射占有量，分别为0.94 m2和2.176 81 m3，以此来推算梭梭年均累积量、单位面积和单位空间重金属富集量，结果见表7。梭梭对各重金属元素富集效能顺序与单株梭梭对重金属累积量顺序一致。通过单位面积及单位空间累积量可估算区域面积内梭梭对Mn、Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr的累积量，进而探究梭梭对土壤重金属污染修复治理应用前景。

表7 梭梭地上部对不同重金属富集效能比较

3 结论与讨论

3.1 结论

1)研究区Ni、Zn、Cd、Hg、Pb、As、Cu、Cr均低于土壤污染风险筛选值；Mn、Ni、Pb低于新疆土壤环境背景值，其余元素均高出背景值，分别是背景值的1.15、1.42、4、1.55、1.11和1.13倍，表明城郊工业区土壤存在不同程度的重金属累积现象。主成分分析结果显示，Mn、Cr、As、Hg、Cd污染可能不同程度受燃煤、金属冶炼等因素影响，Pb、Ni可能来源于交通源，Cu可能与垃圾焚烧有关。

2)梭梭对重金属富集能力整体表现为地上部>地下部。各器官表现出对Mn、Cd、Hg良好的富集能力，对Ni、Zn、Cr、Cu具备一定的修复潜力；对Pb、As表现出低修复潜力。地上部较强的富集能力可能与土壤、大气以及植物自身吸收特性有关。

3)单株梭梭对重金属元素累计总量大小顺序为Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>As>Hg。梭梭对各重金属元素富集效能大小顺序与单株梭梭对重金属累积量顺序一致。梭梭在区域重金属污染修复治理中发挥着重要生态作用，另建议种植对Pb、As具备较强富集能力植被，合理配置。

3.2 讨论

3.2.1 梭梭根际土壤重金属污染成因分析 研究区Cd、Hg、As较强的空间异质性可能与人为生产活动有关，能源化工企业的生产活动使得重金属累积于土壤中。Cd、Hg、As较强的空间异质性，主要受人为源因素影响；Mn、Ni、Zn、Pb、Cu、Cr元素呈中等变异性，可能受人为因素及自然成土母质双重影响。前人研究表明，As被认为是燃煤的标识性元素，主要来源于冶金工业[17]，燃煤、金属冶炼使As、Cd显著富集[18]，Cr、Mn元素主要来源于燃煤以及冶金[19]，Hg是燃煤电厂最为典型的排放元素[20]，电石法PVC的生产工艺中汞触媒是Hg污染的主要来源。研究区一系列的工业活动不同程度排放Mn、Cr、Hg、Cd、As等重金属元素,故认为主成分因子1与燃煤以及冶金等活动密切相关。土壤中Pb、Ni均值含量低于新疆土壤环境背景值，且两者变异数较低，表明Pb、Ni主要为自然源；岩石风化、自然土壤是影响Mn、Ni元素来源的主要因素[21]；研究区周边有大面积裸露戈壁以及未铺装的土路，在车辆行驶以及剧烈风蚀作用下，机动车零部件磨损以及成土母质因素为Pb、Ni主要污染源。因此认为主成分因子2可能受交通污染以及成土母质双重影响。Cu元素与垃圾燃烧有关[23]，且有研究表明过量氮肥的使用会使Cu等元素重金属活性增强，更易被植物所吸收[24]。通过对研究区调查采样发现，农田周边有垃圾以及秸秆焚烧痕迹。因此推断，主成分因子3主要来源于周边垃圾焚烧。

3.2.2 梭梭富集吸收重金属影响因素分析 梭梭不同器官中重金属含量不尽相同，且同一器官对不同重金属富集也不相同。各器官中Mn、Zn、Cu、Cr含量较大，Cd、Hg、Pb、As含量相对较少。或因为Mn、Zn、Cu是植物生长的必需微量元素，且Cu、Zn是植物体内某些酶的重要组成成分[25]，被植物主动吸收所致。而Ni、Cd、Hg、Pb、As为植物非必需元素，生物富集效应较弱，植物少量富集就足以产生毒性效应，因而导致植物对不同元素累积量存在不同差异。梭梭各器官对Cr的累积效果也较为明显，除因是植物必须因素外，可能也与Cr与Pb形成沉淀进而减弱毒害作用有关[26]。

植物体内Hg正常含量为0.001～0.01 mg·kg-1[27-28]，梭梭各器官Hg含量均超出正常范围，是正常值的9～11倍，Hg在梭梭体内的累积量超出普通植物毒性标准，表明梭梭对Hg的耐性机制[29-30]。生长于高污染区的耐性植物根部可以大量累积重金属，而限制向地上部运输，保护地上部免受伤害。梭梭根部对Ni、Hg、Pb、As、Cu富集吸收高于地上部，重金属稳固于根部，向地上部转移受到限制，使得地上部重金属含量较低，进而减轻对植物地上部分的毒害作用[31-32]。Cu、Pb地下部累积量>地上部，地上部Zn元素显著>地下部，究其原因可能是Cu、Pb沉积性强易累积于根部，而Zn迁移性强，易运输至地上部所致。

3.2.3 梭梭对重金属污染净化作用评价 梭梭是西北干旱区特有的城郊及沙漠绿化树种，因同化枝在地上部占比少且落叶少的特点，在植物修复中发挥着重要的生态价值。经样品含量测定分析，梭梭各器官对Mn、Cd、Hg、Ni、Zn、Cu、Cr均表现出较强的修复潜力，故梭梭可作为城郊工业区Mn、Cd、Hg、Ni、Zn、Cu、Cr元素污染的修复树种。另通过估算梭梭单位面积、单位空间地上部分重金属的累积量，可为类似地区重金属污染治理及植物重金属累计总量的估算提供参考，使得梭梭富集吸收重金属的能力可以被充分利用，进而发挥其生态效益。