城市重金屬污染場地次富集樹種標(biāo)準(zhǔn)劃定研究?

張冬梅 羅玉蘭 有祥亮 尹麗娟 丁 蕓 張 浪

1 上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院 上海 200232 2 上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心 上海 200232 3 上海市建設(shè)用地和土地整理事物中心 上海 200000

植物修復(fù)重金屬污染土壤是目前公認(rèn)的一種綠色、經(jīng)濟(jì)、有效的生態(tài)修復(fù)技術(shù)[1]。據(jù)統(tǒng)計，目前世界發(fā)布的重金屬離子超富集植物有450余種，但用于植物修復(fù)重金屬污染土壤案例中的卻較少，且多為草本植物[2-5]。另外，目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物均在野外礦山開采或冶煉區(qū)，這些植物大部分存在生長速度慢、生物量低等缺陷，限制了其對污染土壤重金屬的移除效率[6]。城市棕地是舊工業(yè)場地，修復(fù)后主要用于公園綠地、休憩廣場、產(chǎn)業(yè)園等開發(fā)項目，更需要一些適應(yīng)性和觀賞性強、能穩(wěn)定修復(fù)的木本類植物[7]。由于多數(shù)超富集植物很難在城市重金屬污染場地的生態(tài)修復(fù)中進(jìn)行推廣應(yīng)用，因此，篩選出具有一定重金屬離子富集能力的綠化樹種對指導(dǎo)城市棕地生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

1 “重金屬離子次富集樹種”概念的提出

植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵在于對植物的選擇。1583年，意大利植物學(xué)家Cesalpino在意大利托斯卡納“黑色的巖石”上首次發(fā)現(xiàn)一種特殊植物，這是有關(guān)超富集植物的最早報道[8]。目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物均為在野外礦山開采或冶煉區(qū)發(fā)現(xiàn)的品種，且多為草本植物。超富集植物必須具備3個基本特征:1)植株的地上部分 (莖或葉)其重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100倍以上；2)植株地上部分某一重金屬含量大于根部該種重金屬含量；3)植物的生長沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀。實際上，通過人工馴化以及配合添加土壤改良劑可顯著提高植物對重金屬的吸收富集能力，這些人工馴化成功的植物也可稱為超富集植物，從而進(jìn)一步擴大了富集植物的選擇范圍。

近年來，有關(guān)園林植物對土壤重金屬離子富集能力的研究備受關(guān)注[9-11]。周林等[12]曾對園林中應(yīng)用的重金屬離子富集植物統(tǒng)計有65種，占已報道富集植物總量的0.14%；另外，65種植物中喬木樹種有22種，例如構(gòu)樹、臭椿、楊樹、垂柳、合歡等，但能用于城市重金屬污染場地生態(tài)恢復(fù)和景觀構(gòu)建中的植物種類還較少。楊亞琴等[13]研究了3種不同類型的園林植物對6種重金屬的吸收富集規(guī)律，發(fā)現(xiàn)同一器官中的重金屬含量均表現(xiàn)為喬木＞灌木＞草本。雖然喬木樹種很難達(dá)到重金屬離子超富集植物的要求，但是與其他類型的植物相比，其具有較強的富集能力，能忍耐重金屬離子的臨界值。此外，從植物年生長量、單位面積的富集量以及城市綠化需求等方面來看，利用喬木樹種進(jìn)行重金屬污染土壤修復(fù)具有潛在的優(yōu)勢。鑒于其對重金屬離子有一定的富集能力(即超出植物體內(nèi)重金屬正常的濃度水平)，但尚未達(dá)到超富集植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)，我們將這類可用于園林綠化的植物定義為 “重金屬離子次富集樹種”。

2 城市重金屬污染場地生態(tài)修復(fù)樹種調(diào)查

2.1 土壤重金屬污染程度分析

采用ICP-AES法對5個城市棕地樣地中的Cu，Zn，Cd，Cr，Pb，Se共6種重金屬離子含量進(jìn)行測定。采用尼梅羅綜合指數(shù)法 (Nemerow Index)進(jìn)行重金屬離子污染程度綜合評價，從高到低依次為老港垃圾填埋場、白龍港污水處理廠、桃浦垃圾填埋場、奉賢工業(yè)遺留地和吳涇化工廠，且主要為Cu，Zn，Cd共3種重金屬離子的復(fù)合污染 (表1)。

2.2 生態(tài)修復(fù)綠化樹種調(diào)查

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，5個樣地中優(yōu)勢植物共75種，其中喬木22種、灌木19種、藤本植物3種、草本植物31種。從表1可以看出，白龍港污水處理廠和奉賢工業(yè)遺留地沒有高大喬木樹種；其他3個樣地中楊樹、香樟、紅葉李、女貞所占的比重最大，且生長良好。

表1 城市重金屬污染場地生態(tài)修復(fù)樹種種類

2.3 城市重金屬污染場地樹種富集能力評價

重金屬超富集植物的定義目前多采用Baker和Brooks于1983年提出的重金屬離子富集參考值進(jìn)行界定，即當(dāng)植物葉片或地上部 (干重)中Cd含量達(dá)到100 mg/kg，Cr，Cu，Ni，Pb含量達(dá)到1 000 mg/kg，Zn，Mn含量達(dá)10 000 mg/kg以上的植物稱為重金屬超富集植物[14]。通過對5個樣地內(nèi)樹種重金屬含量的測定，發(fā)現(xiàn)Cd，Cr，Cu，Pb，Zn，As的含量分別為 (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，這顯然達(dá)不到超富集植物的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

在傳統(tǒng)的植物修復(fù)研究中，認(rèn)定超富集植物往往還考慮轉(zhuǎn)運系數(shù) (Tanslocation Factor TCF)和富集系數(shù)BCF(Bioconcentration Factors BCF)，其系數(shù)值越大，說明植物富集能力越強，一般兩者都大于1就表明該植物可作為超富集植物[15]。本試驗調(diào)查的典型重金屬污染場地內(nèi)樹種均為高大喬木，種植年限較長，因此無法測定地下部分重金屬含量。從 Cd，Cr，Cu，Pb，Zn，As等重金屬元素來看，所調(diào)查的樹種富集系數(shù)范圍分別為 0.1200～16.000，0.051～0.272，0.036～0.370，0.023～0.278， 0.048～1.313， 0.086～0.178。根據(jù)富集系數(shù)初步劃定評價標(biāo)準(zhǔn)，判斷樹種富集能力的大小 (表2)?？傮w上，老港垃圾填埋場、桃浦垃圾填埋場、吳涇化工廠樣地中的22個樹種對Cd的富集能力最強，其中楊樹、紫薇、廣玉蘭、白玉蘭、榆樹的富集系數(shù)均超過1，達(dá)到超富集；楊樹、雪松、榆樹對Zn的富集能力也較強；大多數(shù)樹種對重金屬離子富集系數(shù)范圍為0.10～0.50，具有一定的富集能力，且長勢好。

表2 城市重金屬污染場地常見樹種富集能力評價

3 重金屬離子次富集能力標(biāo)準(zhǔn)劃定

目前，對超富集植物或富集植物的富集能力的劃定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[16]。國內(nèi)外對植物富集重金屬能力大小評價的常用指標(biāo)是重金屬超富集植物定義中提出的參考值、轉(zhuǎn)運系數(shù)、富集系數(shù)。這些評價指標(biāo)均因自身特征和應(yīng)用價值而存在局限性，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)兩者也有一定的區(qū)別，與植物的生理生化和遺傳變異關(guān)系密切[17]。因此，重金屬超富集植物的認(rèn)定除了植物葉片或者地上部重金屬含量達(dá)到參考值外，一般還考慮地上部分富集重金屬的量要達(dá)到臨界標(biāo)準(zhǔn)、S/R＞1，以及能忍耐較高濃度重金屬的毒害等3個條件[18]。唐歡歡等[19]對5種不同植物的重金屬富集特征評價，不單考慮富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)，還利用重金屬遷移總量(total heavy metal translocation，TMT)指標(biāo)進(jìn)行比較，即植株地上部分重金屬含量與植株地上部分生物量的乘積，結(jié)果多花木蘭的轉(zhuǎn)運系數(shù)與富集系數(shù)明顯小于其他植物，但由于其地上部生物量較大，重金屬遷移總量為最大，對土壤重金屬污染具有良好的修復(fù)能力。

因此，劃定次富集植物的富集能力范圍，首先要考慮植物的富集系數(shù)，其次從單位面積上的生物量、單位面積的年生長量等指標(biāo)進(jìn)行換算。通過對5個城市典型重金屬污染場地綠化骨干樹種的生長勢分析，結(jié)合土壤重金屬離子含量和植物富集重金屬離子的能力等，劃定次富集樹種的富集系數(shù)為0.10＜BCF≤0.50(S和T相應(yīng)代表植物地上部分與土壤的重金屬含量)，次富集系數(shù)的臨界標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到超富集植物的臨界標(biāo)準(zhǔn)的1/2～1/10。

根據(jù)這個臨界標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合對6種重金屬離子的富集能力的綜合評價，研究發(fā)現(xiàn)楊樹、紫薇、廣玉蘭、白玉蘭、榆樹等樹種富集重金屬能力最強，且生長狀況良好，適于作為上海重金屬污染場地生態(tài)修復(fù)主要樹種；紅葉李、香樟、雪松、構(gòu)樹、石榴、樸樹等樹種對重金屬離子的富集能力次之，但生長良好，可作為上海污染場地的綠化樹種。綜合評價這些樹種可劃定在次富集樹種之列，且次富集樹種占樣地調(diào)查樹種中30% ～50%。

4 討論

目前利用植物修復(fù)重金屬離子污染土壤的方法仍然以傳統(tǒng)的片狀造林模式為主，多數(shù)處在中試階段。城市棕地綠化中可選的重金屬離子超富集樹種仍存在局限性，鄉(xiāng)土樹種景觀性不夠，觀賞樹種園藝品種適應(yīng)性不強，定向選育重金屬離子富集能力強的樹種仍需加強。通過對城市棕地重金屬離子次富集樹種概念的界定及其富集重金屬離子能力的賦值，并編制相應(yīng)的樹種推薦目錄，在一定程度上可彌補城市棕地生態(tài)修復(fù)樹種有限的缺陷。

對于重金屬離子次富集樹種富集能力的賦值目前沒有理論依據(jù)。根據(jù)超富集植物的轉(zhuǎn)運系數(shù)計算公式，TCF=S/R＞1(S和R相應(yīng)代表植物地上部分與地下部分的重金屬含量)更適用于草本植物，而在城市棕地的生態(tài)修復(fù)實踐中，應(yīng)用較多的是喬木樹種，由于樣地和景觀效果等現(xiàn)實因素的制約，無法對喬木樹種的地下部分進(jìn)行測定和評價，只能通過測定枝、葉中重金屬離子含量以及土壤中重金屬離子的含量，結(jié)合生物量，判定其富集重金屬離子的能力。顯然，次富集重金屬的富集能力評價標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點和適用性有待進(jìn)一步論證，對重金屬離子次富集樹種賦值的限制因子的研究仍需加強。