Cd accumulation characteristics of different greening tree species

研究区位于河南省某污染的工业用地。该地属暖温带季风气候，四季分明，气候温和，光、热、水资源丰富，年平均气温为15.5 ℃，年平均降水量为567.9 mm。拥有丰富的动植物资源及矿产资源。该地区分布有泡桐、楸树、悬铃木、黑杨和垂柳人工林纯林(于2013年前后栽植)，树龄约为10 a，株行距为4 m×5 m。本次采样时间为2023年7月21日。采样地泡桐、楸树、悬铃木、黑杨和垂柳土壤的镉质量分数分别为1.91、2.90、4.04、10.27和36.37 mg·kg⁻¹。

随机选择污染土壤上栽植的泡桐、楸树、悬铃木、黑杨和垂柳各5株，用围尺测得胸径。采集的植物样品分为叶片、叶柄、枝皮、枝材、茎皮、茎材、根皮和根材8个部分，分别装入塑封袋。茎皮和茎材的采样高度与胸径高度一致，茎皮取样大小为4 cm×4 cm。枝皮、枝材和叶的采样高度为距地面3~5 m处的树冠。从树木东、南、西、北各个方向采集0~20 cm土壤样品，混合后装入样品袋。

用自来水冲洗掉附着于植物样品表面的泥土及其他污染物，然后用去离子水冲洗3遍，晾干。将样品放入烘箱105 ℃杀青30 min后，75 ℃ 下烘干至恒量。植物样品剪碎后，先用样品粉碎机初步粉碎，再用球磨机进一步磨碎，过0.149 mm筛，用来测定植物样品中镉质量分数(由于垂柳叶柄较小，难以获取，因此不作测定)；土壤样品自然风干，拣出砖头、碎石、杂草等，用木棒碾碎过0.149 mm 筛，用于土壤镉质量分数测定。

土壤样品采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全消解法进行消解，使土壤样品中的镉全部进入试液，用石墨炉(WFX-200)测定土壤中的镉质量分数。植物样品用硝酸-过氧化氢(m_硝酸∶m_过氧化氢 = 10∶1)消解，经消解后植物样品用电感耦合等离子体发射光谱仪(Avio 200) 测定镉质量分数。

树木对镉的富集系数(F)计算公式如下：F = C_target/C_soil。其中：C_target为目标部位镉质量分数；C_soil为土壤镉质量分数。

树木对镉的分配计算公式如下：R = m_part/m_toatal。其中：R为相对含量；m_part为树木某部位的镉积累量； m_total为树木中镉的积累总量。

采用异速生长方程估算各树木不同部位及整体生物量^[7−10]。叶部、枝部、茎部和根部由于分成2个部分检测其镉质量分数，因此对两者取平均算得叶部、枝部、茎部和根部的平均镉质量分数，再估算出各树木不同部位及整体镉积累量。

采用SPSS 23进行数据处理及单因素方差分析，采用Origin 2022作图。

比较不同树木叶部的镉质量分数发现(图1A)：垂柳叶片的镉质量分数最高，达到10.52 mg·kg⁻¹；其次是黑杨，达到7.59 mg·kg⁻¹；泡桐叶片的镉质量分数最低，为0.66 mg·kg⁻¹。黑杨叶柄的镉最高，达到7.45 mg·kg⁻¹；其次是楸树，达到2.04 mg·kg⁻¹；泡桐叶柄的镉质量分数最低，为0.23 mg·kg⁻¹。对比叶片和叶柄的镉质量分数发现：泡桐叶片镉质量分数显著大于叶柄(P＜0.05)，其他树木叶片和叶柄之间无显著差异。比较不同树木叶部的富集系数发现(图1B)：黑杨叶片富集系数最高，达到1.00；其次是楸树，达到0.71；垂柳叶片的富集系数最小，为0.29。黑杨叶柄的富集系数最高，达到0.98；其次是楸树，达到0.50；泡桐叶柄的富集系数最小，为0.13。对比叶片和叶柄的富集系数发现：泡桐、楸树和黑杨叶片的富集系数均大于叶柄，悬铃木叶柄的富集系数大于叶片。泡桐叶片富集系数显著高于叶柄(P＜0.05)，悬铃木、黑杨的叶片与叶柄富集系数差异不显著。

Figure 1.  Cd concentration and concentration coefficients in leaves of different tree species

比较5种树木枝部的镉质量分数发现(图2A)：垂柳枝皮的镉质量分数最高，达到16.08 mg·kg⁻¹；其次是黑杨，达到10.51 mg·kg⁻¹；泡桐枝皮的镉质量分数最低，为1.24 mg·kg⁻¹。垂柳枝材的镉质量分数最高，达到2.55 mg·kg⁻¹；泡桐枝材的镉质量分数最低，为0.19 mg·kg⁻¹。对比枝皮和枝材的镉质量分数发现：所有树木枝皮的镉质量分数显著高于枝材的镉质量分数(P＜0.05)。比较不同树木枝部的富集系数发现(图2B)：黑杨枝皮的富集系数最高，达到1.38；其次是楸树，达到1.24；垂柳枝皮的富集系数最低，为0.44。黑杨枝材的富集系数最高，达到0.32，其次是楸树、泡桐和悬铃木，分别为0.11、0.11和0.09；垂柳枝材的富集系数最低，为0.07。对比枝皮和枝材的富集系数发现：所有树木枝皮的富集系数显著高于枝材的富集系数(P＜0.05)。

Figure 2.  Cd concentration and concentration coefficients in branches of different tree species

比较5种树木茎部的镉质量分数发现(图3A)：垂柳茎皮的镉质量分数最高，达到35.30 mg·kg⁻¹；其次是黑杨，达到5.73 mg·kg⁻¹；泡桐茎皮的镉质量分数最低，为0.12 mg·kg⁻¹。垂柳茎材的镉质量分数最高，达到2.08 mg·kg⁻¹；其次是黑杨，达到1.43 mg·kg⁻¹；泡桐茎材的镉质量分数最低，为0.12 mg·kg⁻¹。对比茎皮和茎材的镉质量分数发现：楸树、黑杨和垂柳茎皮的镉质量分数显著高于茎材的镉质量分数(P＜0.05)，泡桐和悬铃木茎皮与茎材的镉质量分数差异不显著。比较不同树木茎部的富集系数发现(图3B)：垂柳茎皮的富集系数最高，达到0.97；其次是楸树，达到0.82；悬铃木茎皮的富集系数最低，为0.12。黑杨茎材的富集系数最高，达到0.19，其次是楸树、泡桐和悬铃木，分别达到0.10、0.07和0.06；垂柳茎材的富集系数最低，为0.05。对比茎皮与茎材的富集系数发现：除悬铃木外，所有树木茎皮的富集系数显著高于茎材的富集系数(P＜0.05)。

Figure 3.  Cd concentration and concentration coefficients in stems of different trees

比较5种树木根部的镉质量分数发现(图4A)：垂柳根皮的镉质量分数最高，达到23.21 mg·kg⁻¹；其次是黑杨，达到12.01 mg·kg⁻¹；泡桐根皮的镉质量分数最低，为0.60 mg·kg⁻¹。垂柳根材的镉质量分数最高，达到9.76 mg·kg⁻¹；其次是黑杨，达到4.50 mg·kg⁻¹，悬铃木根材的镉质量分数最低，为0.39 mg·kg⁻¹。对比根皮和根材的镉质量分数发现：楸树、悬铃木、黑杨和垂柳根皮的镉质量分数显著高于根材的镉质量分数(P＜0.05)，泡桐根皮与根材的镉质量分数差异不显著。比较不同树木根部的富集系数发现(图4B)：黑杨根皮的富集系数最高，达到1.58；其次是垂柳，达到0.64；泡桐根皮的富集系数最低，为0.34。黑杨根材的富集系数最高，达到0.59，其次是垂柳和泡桐，分别达到0.27、0.25；悬铃木根材的富集系数最低，为0.10。对比根皮与根材的富集系数发现：除泡桐外，所有树木根皮的富集系数均显著高于根材的富集系数(P＜0.05)。

Figure 4.  Cd concentration and concentration coefficients in roots of different trees

利用异速生长方程计算出每株树的叶部、枝部、茎部、根部以及整株的生物量(表1)，并进一步计算得到不同部位的积累量及积累总量(表2)，黑杨和垂柳不同部位镉积累量从大到小依次表现为茎部、根部、枝部、叶部；楸树不同部位镉积累量从大到小依次表现为茎部、枝部、根部、叶部；泡桐和悬铃木不同部位镉积累量从大到小依次表现为枝部、茎部、根部、叶部。

比较镉在5种树木不同部位中镉的相对含量发现(图5)：泡桐不同部位镉的相对含量从大到小依次表现为枝部、茎部、根部、叶部；楸树不同部位镉的相对含量从大到小依次表现为茎部、枝部、根部、叶部；悬铃木不同部位镉的相对含量从大到小依次表现为茎部、根部、枝部、叶部；黑杨不同部位镉的相对含量从大到小依次表现为枝部、根部、茎部、叶部；垂柳不同部位镉的相对含量从大到小依次表现为茎部、根部、枝部、叶部。总体上看，楸树、悬铃木、垂柳均表现为茎部镉的相对含量最高，叶部镉的相对含量最低。

Figure 5.  Distribution of cadmium in different parts of tree species

本研究表明：不同树木对重金属的富集系数不同，在5种树中，黑杨叶片和叶柄的富集系数均为最大；黑杨枝皮和枝材的富集系数均最大；垂柳茎皮的富集系数最大，黑杨茎材的富集系数最大；黑杨根皮和根材的富集系数均最大。由此可见， 5种供试树木对镉的吸收特征不同。在这些树木中，黑杨和垂柳均有较高的镉积累量，这与前人研究结果类似^[11−12]，且黑杨和垂柳具有易成活、生长快、生态价值高等优势，因此在镉污染土壤修复中具有较大的推广应用价值。

本研究采集的5种树木对镉的积累量分别达到43.01、63.62、156.58、392.51和886.28 mg·株⁻¹。积累量在重金属积累的植物中相当可观。镉超积累植物龙葵 Solanum nigrum在镉质量分数为2.00 mg·kg⁻¹的土壤中生长86 d后积累量约为0.025 mg·株^−1[13]；镉超积累植物商陆 Phytolacca acinosa在镉质量分数为5.00 mg·kg⁻¹的土壤中生长60 d后地上部(镉的主要储存部分)的积累量为7.58 mg·株^−1[14]；镉超积累植物东南景天 Sedum alfredii在镉质量分数为2.47 mg·kg⁻¹的土壤中生长210 d后地上部的积累量为9.60 μg·株^−1[15]。树木相比超积累植物拥有更长的生长周期、更大的生物量和更高的单株镉积累量，因此具有较大的镉污染修复潜力。在树木吸收镉的研究方面，前人也做过类似的研究。徐爱春^[16]研究发现：旱柳 Salix matsudana在镉质量分数为20 mg·L⁻¹的营养液中培养一段时间后，积累量分别达到36.4和25.81 mg·株⁻¹。周洁等^[17]研究杂交柳(耳柳×银柳) Salix aurita×Salix argyracea在镉质量分数为5.28 mg·kg⁻¹的田间土壤中生长1 a后，镉的最大积累量为73.66 mg·株⁻¹。树木对镉污染土壤修复后再回收利用具有一定的经济效益，比如重金属的回收、植物能源及建材方面的利用^[18]。此外，树木具有多年生、持续修复、不进入食物链的优势，因此在镉污染土壤中种植树木是一种较为理想的修复技术。

本研究发现：所有树木的根、茎和枝的镉质量分数均表现为树皮部大于木材部，即从大到小依次为根皮、根材、茎皮、茎材、枝皮、枝材。可见，树木具有优先把镉积累到皮部的特性，这种现象在其他研究中也有发现。例如，唐丽清等^[19]发现：北京市台基厂大街行道树国槐 Sophora japonica的树皮中镉质量分数高于树干。RODRÍGUEZ等^[20]研究表明：西班牙发电厂附近的地中海松Pinus halepensis树皮中镉质量分数高于树干。田胜尼等^[21]研究指出：镉质量分数在腺柳 Salix chaenomeloides根皮部最高，达到1 438.919 μg·kg⁻¹，树干中最低，为228.065 μg·kg⁻¹。这可能是树木的解毒机制导致的。镉主要通过土壤溶液进入树木根系，并从木质部转移到树皮。由于树皮代谢相对旺盛^[22]，且树皮中富含有助于与二价离子结合的萜类、软木脂、脂肪酸酶、氨基酸等物质，这些化学物质与镉离子能够结合，生成稳定的络合物，达到解毒目的。而树干中主要为纤维素、半纤维素和木质素，与镉离子能够结合的物质较少，所以只有少部分镉积累在树干中^[23]。

对河南某处镉污染土壤上栽植的5种树木调查发现：所有树木根皮、茎皮和枝皮均显著大于其对应的根材、茎材和枝材的镉质量分数，这可能是树木本身的解毒机制造成的。在这些树木中，黑杨和垂柳均有较高的镉积累量，其中黑杨多数部位(除茎皮外)的富集系数均大于其他树木，因此在镉污染土壤修复中具有较大的优势。此外，采用树木进行镉污染土壤修复时，木材中镉质量分数可达到较高水平，因此在后期木材的加工使用过程中应注意其对人体的健康风险。总之，本研究探明了5种树木对镉的富集规律，为合理植树造林奠定理论基础，同时也为镉污染土壤进行植物修复的树种选择提供依据。