城市重金属污染场地次富集树种标准划定研究

　　摘要：文章针对城市典型重金属污染场地的生态恢复和景观构建工程，提出“重金属离子次富集树种”概念，并以上海中心城区5个典型棕地为例，测定土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Se等6种重金属离子含量，分析其受重金属污染程度；调查场地内优势植物种类，抽样测定植物重金属离子含量及富集能力；通过综合分析，划定重金属离子次富集树种的评价指标和取值范围，筛选出重金属离子次富集树种22种，以此作为上海城市重金属污染场地生态修复主要树种选择的依据。
　　关键词：重金属污染，植物修复，次富集树种，次富集能力

　　植物修复重金属污染土壤是目前公认的一种绿色、经济、有效的生态修复技术。据统计，目前世界发布的重金属离子超富集植物有450余种，但用于植物修复重金属污染土壤案例中的却较少，且多为草本植物。另外，目前发现的超富集植物均在野外矿山开采或冶炼区，这些植物大部分存在生长速度慢、生物量低等缺陷，限制了其对污染土壤重金属的移除效率。城市棕地是旧工业场地，修复后主要用于公园绿地、休憩广场、产业园等开发项目，更需要一些适应性和观赏性强、能稳定修复的木本类植物。由于多数超富集植物很难在城市重金属污染场地的生态修复中进行推广应用，因此，筛选出具有一定重金属离子富集能力的绿化树种对指导城市棕地生态修复具有重要意义。
　　1 “重金属离子次富集树种”概念的提出
　　植物修复技术的关键在于对植物的选择。1583年，意大利植物学家Cesalpino在意大利托斯卡纳“黑色的岩石”上首次发现一种特殊植物，这是有关超富集植物的最早报道。目前发现的超富集植物均为在野外矿山开采或冶炼区发现的品种，且多为草本植物。超富集植物必须具备3个基本特征：1）植株的地上部分(茎或叶)其重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍以上；2）植株地上部分某一重金属含量大于根部该种重金属含量；3）植物的生长没有出现明显的毒害症状。实际上，通过人工驯化以及配合添加土壤改良剂可显著提高植物对重金属的吸收富集能力，这些人工驯化成功的植物也可称为超富集植物，从而进一步扩大了富集植物的选择范围。
　　近年来，有关园林植物对土壤重金属离子富集能力的研究备受关注。周林等曾对园林中应用的重金属离子富集植物统计有65种，占已报道富集植物总量的0.14%；另外，65种植物中乔木树种有22种，例如构树、臭椿、杨树、垂柳、合欢等，但能用于城市重金属污染场地生态恢复和景观构建中的植物种类还较少。杨亚琴等研究了３种不同类型的园林植物对６种重金属的吸收富集规律，发现同一器官中的重金属含量均表现为乔木＞灌木＞草本。虽然乔木树种很难达到重金属离子超富集植物的要求，但是与其他类型的植物相比，其具有较强的富集能力，能忍耐重金属离子的临界值。此外，从植物年生长量、单位面积的富集量以及城市绿化需求等方面来看，利用乔木树种进行重金属污染土壤修复具有潜在的优势。鉴于其对重金属离子有一定的富集能力（即超出植物体内重金属正常的浓度水平），但尚未达到超富集植物的衡量标准，我们将这类可用于园林绿化的植物定义为“重金属离子次富集树种”。
　　2 城市重金属污染场地生态修复树种调查
　　2.1 土壤重金属污染程度分析
　　采用ICP-AES法对5个城市棕地样地中的Cu，Zn，Cd，Cr，Pb，Se共 6种重金属离子含量进行测定。采用尼梅罗综合指数法（Nemerow Index）进行重金属离子污染程度综合评价，从高到低依次为老港垃圾填埋场、白龙港污水处理厂、桃浦垃圾填埋场、奉贤工业遗留地和吴泾化工厂，且主要为Cu，Zn，Cd 共3种重金属离子的复合污染。
　　2.2 生态修复绿化树种调查
　　调查发现，5个样地中优势植物共75种，其中乔木22种、灌木19种、藤本植物3种、草本植物31种。测定结果表明，白龙港污水处理厂和奉贤工业遗留地没有高大乔木树种；其他3个样地中杨树、香樟、红叶李、女贞所占的比重最大，且生长良好。
　　2.3 城市重金属污染场地树种富集能力评价
　　重金属超富集植物的定义目前多采用Baker和Brooks于1983年提出的重金属离子富集参考值进行界定，即当植物叶片或地上部(干重)中Cd含量达到100 mg/kg，Cr，Cu，Ni，Pb含量达到1 000 mg/kg，Zn，Mn含量达10 000 mg/kg以上的植物称为重金属超富集植物。通过对5个样地内树种重金属含量的测定，发现Cd，Cr，Cu，Pb，Zn，As的含量分别为（0.048~8.000）mg/kg，（1.400~11.100）mg/kg，（2.600~24.100）mg/kg，（0.840~8.700）mg/kg，（15.300~433.00）mg/kg，（0.900~1.700）mg/kg，这显然达不到超富集植物的衡量标准。
　　在传统的植物修复研究中，认定超富集植物往往还考虑转运系数（Tanslocation Factor TCF）和富集系数BCF(Bioconcentration Factors BCF)，其系数值越大，说明植物富集能力越强，一般两者都大于1就表明该植物可作为超富集植物。本试验调查的典型重金属污染场地内树种均为高大乔木，种植年限较长，因此无法测定地下部分重金属含量。从Cd，Cr，Cu，Pb，Zn，As等重金属元素来看，所调查的树种富集系数范围分别为0.1200~16.000，0.051~0.272，0.036~0.370，0.023~0.278，0.048~1.313，0.086~0.178。根据富集系数初步划定评价标准，判断树种富集能力的大小。总体上，老港垃圾填埋场、桃浦垃圾填埋场、吴泾化工厂样地中的22个树种对Cd的富集能力最强，其中杨树、紫薇、广玉兰、白玉兰、榆树的富集系数均超过1，达到超富集；杨树、雪松、榆树对Zn的富集能力也较强；大多数树种对重金属离子富集系数范围为0.10~0.50，具有一定的富集能力，且长势好。
　　3 重金属离子次富集能力标准划定
　　目前，对超富集植物或富集植物的富集能力的划定尚无统一标准。国内外对植物富集重金属能力大小评价的常用指标是重金属超富集植物定义中提出的参考值、转运系数、富集系数。这些评价指标均因自身特征和应用价值而存在局限性，富集系数和转运系数两者也有一定的区别，与植物的生理生化和遗传变异关系密切。因此，重金属超富集植物的认定除了植物叶片或者地上部重金属含量达到参考值外，一般还考虑地上部分富集重金属的量要达到临界标准、S/R＞1，以及能忍耐较高浓度重金属的毒害等3个条件。唐欢欢等对5种不同植物的重金属富集特征评价，不单考虑富集系数和转运系数，还利用重金属迁移总量(total heavy metal translocation，TMT)指标进行比较，即植株地上部分重金属含量与植株地上部分生物量的乘积，结果多花木兰的转运系数与富集系数明显小于其他植物，但由于其地上部生物量较大，重金属迁移总量为最大，对土壤重金属污染具有良好的修复能力。
　　因此，划定次富集植物的富集能力范围，首先要考虑植物的富集系数，其次从单位面积上的生物量、单位面积的年生长量等指标进行换算。通过对5个城市典型重金属污染场地绿化骨干树种的生长势分析，结合土壤重金属离子含量和植物富集重金属离子的能力等，划定次富集树种的富集系数为0.10＜BCF≤0.50 (S和T相应代表植物地上部分与土壤的重金属含量)，次富集系数的临界标准值达到超富集植物的临界标准的1/2~1/10。
　　根据这个临界标准，结合对6种重金属离子的富集能力的综合评价，研究发现杨树、紫薇、广玉兰、白玉兰、榆树等树种富集重金属能力最强，且生长状况良好，适于作为上海重金属污染场地生态修复主要树种；红叶李、香樟、雪松、构树、石榴、朴树等树种对重金属离子的富集能力次之，但生长良好，可作为上海污染场地的绿化树种。综合评价这些树种可划定在次富集树种之列，且次富集树种占样地调查树种中30% ~50%。
　　4 讨论
　　目前利用植物修复重金属离子污染土壤的方法仍然以传统的片状造林模式为主，多数处在中试阶段。城市棕地绿化中可选的重金属离子超富集树种仍存在局限性，乡土树种景观性不够，观赏树种园艺品种适应性不强，定向选育重金属离子富集能力强的树种仍需加强。通过对城市棕地重金属离子次富集树种概念的界定及其富集重金属离子能力的赋值，并编制相应的树种推荐目录，在一定程度上可弥补城市棕地生态修复树种有限的缺陷。
　　对于重金属离子次富集树种富集能力的赋值目前没有理论依据。根据超富集植物的转运系数计算公式，TCF=S/R>1(S和R相应代表植物地上部分与地下部分的重金属含量)更适用于草本植物，而在城市棕地的生态修复实践中，应用较多的是乔木树种，由于样地和景观效果等现实因素的制约，无法对乔木树种的地下部分进行测定和评价，只能通过测定枝、叶中重金属离子含量以及土壤中重金属离子的含量，结合生物量，判定其富集重金属离子的能力。显然，次富集重金属的富集能力评价标准的优点和适用性有待进一步论证，对重金属离子次富集树种赋值的限制因子的研究仍需加强。（张冬梅  罗玉兰  有祥亮  尹丽娟  丁芸  张浪）
　　第一作者： 张冬梅（1970- ），女，博士，教授级高工，研究方向园林植物遗传育种及困难立地植物筛选。
　　通信作者：张浪（1964- ），男，博士，研究员，博导，国务院特殊津贴专家，上海市园林科学规划研究院院长，上海城市困难立地绿化工程技术研究中心主任，研究方向为城市困难立地绿化生态修复。