全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆员期摇 摇 圆园员猿年 员员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
生态系统生产总值核算院概念尧核算方法与案例研究 欧阳志云袁朱春全袁杨广斌袁等 渊远苑源苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
气候变化对传染病爆发流行的影响研究进展 李国栋袁张俊华袁焦耿军袁等 渊远苑远圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
好氧甲烷氧化菌生态学研究进展 贠娟莉袁王艳芬袁张洪勋 渊远苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮沉降强度和频率对羊草叶绿素含量的影响 张云海袁何念鹏袁张光明袁等 渊远苑愿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
世界蜘蛛的分布格局及其多元相似性聚类分析 申效诚袁张保石袁张摇 锋袁等 渊远苑怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
风向因素对转基因抗虫棉花基因漂移效率的影响 朱家林袁贺摇 娟袁牛建群袁等 渊远愿园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
长江口及东海春季底栖硅藻尧原生动物和小型底栖生物的生态特点 孟昭翠袁徐奎栋 渊远愿员猿冤噎噎噎噎噎噎噎
长江口横沙东滩围垦潮滩内外大型底栖动物功能群研究 吕巍巍袁马长安袁余摇 骥袁等 渊远愿圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎
沣河沿岸土壤和优势植物重金属富集特征和潜在生态风险 杨摇 阳袁周正朝袁王欢欢袁等 渊远愿猿源冤噎噎噎噎噎噎
盐分和底物对黄河三角洲区土壤有机碳分解与转化的影响 李摇 玲袁仇少君袁檀菲菲袁等 渊远愿源源冤噎噎噎噎噎噎
短期夜间低温胁迫对秋茄幼苗碳氮代谢及其相关酶活性的影响 郑春芳袁刘伟成袁陈少波袁等 渊远愿缘猿冤噎噎噎噎
猿圆个切花菊品种的耐低磷特性 刘摇 鹏袁陈素梅袁房伟民袁等 渊远愿远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
年龄和环境条件对泥蚶富集重金属镉和铜的影响 王召根袁吴洪喜袁陈肖肖袁等 渊远愿远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
角倍蚜虫瘿对盐肤木光合特性和总氮含量的影响 李摇 杨袁杨子祥袁陈晓鸣袁等 渊远愿苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
多噬伯克霍尔德氏菌 宰杂鄄云允怨对草甘膦的降解特性 李冠喜袁吴小芹袁叶建仁 渊远愿愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
金龟甲对蓖麻叶挥发物的触角电位和行为反应 李为争袁杨摇 雷袁申小卫袁等 渊远愿怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
白洋淀生态系统健康评价 徐摇 菲袁赵彦伟袁杨志峰袁等 渊远怨园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
珠海鹤洲水道沿岸红树林湿地大型底栖动物群落特征 王摇 卉袁钟摇 山袁方展强 渊远怨员猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
典型森林和草地生态系统呼吸各组分间的相互关系 朱先进袁于贵瑞袁王秋凤袁等 渊远怨圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
抚育间伐对油松人工林下大型真菌的影响 陈摇 晓袁白淑兰袁刘摇 勇袁等 渊远怨猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
百山祖自然保护区植物群落 遭藻贼葬多样性 谭珊珊袁叶珍林袁袁留斌袁等 渊远怨源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
土霉素对堆肥过程中酶活性和微生物群落代谢的影响 陈智学袁谷摇 洁袁高摇 华袁等 渊远怨缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
兴安落叶松针叶解剖结构变化及其光合能力对气候变化的适应性 季子敬袁全先奎袁王传宽 渊远怨远苑冤噎噎噎噎
盐城海滨湿地景观演变关键土壤生态因子与阈值研究 张华兵袁刘红玉袁李玉凤袁等 渊远怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
半干旱区沙地芦苇对浅水位变化的生理生态响应 马赟花袁张铜会袁刘新平 渊远怨愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
杂宰粤栽模型融雪模块的改进 余文君袁南卓铜袁赵彦博袁等 渊远怨怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
科尔沁沙地湖泊消涨对气候变化的响应 常学礼袁赵学勇袁王摇 玮袁等 渊苑园园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
贝壳堤岛 猿种植被类型的土壤颗粒分形及水分生态特征 夏江宝袁张淑勇袁王荣荣袁等 渊苑园员猿冤噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区古夫河着生藻类叶绿素 葬的时空分布特征及其影响因素 吴述园袁葛继稳袁苗文杰袁等 渊苑园圆猿冤噎噎噎
资源与产业生态
煤炭开发对矿区植被扰动时空效应的图谱分析要要要以大同矿区为例 黄摇 翌袁汪云甲袁李效顺袁等 渊苑园猿缘冤噎噎
学术信息与动态
叶中国当代生态学研究曳新书推介 刘某承 渊苑园源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿园园鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员猿鄄员员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 百山祖保护区森林植物群落要要要百山祖国家级自然保护区位于浙西南闽浙交界处袁由福建武夷山向东北伸展而成袁
主峰海拔 员愿缘远援苑皂袁为浙江省第二高峰遥 其独特的地形和水文地理环境形成了中亚热带气候区中一个特殊的区域袁
保存着十分丰富的植物种质资源以及国家重点保护野生动植物种袁尤其是 员怨愿苑年由国际物种保护委员会列为世界
最濒危的 员圆种植物之一的百山祖冷杉袁是第四纪冰川的孑遗植物袁素有野活化石冶之称遥 随着海拔的升高袁其植被为
常绿阔叶林尧常绿鄄落叶阔叶混交林尧针阔混交林尧针叶林尧山地矮林和山地灌草丛遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 21 期
2013年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.21
Nov.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项渭河典型重污染支流综合整治技术集成与示范子课题(2008ZX07012鄄 002鄄 004);国家级大学
生创新项目(1110718025)
收稿日期:2012鄄06鄄15; 摇 摇 修订日期:2012鄄10鄄26
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhouzhengchao@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201206150859
杨阳,周正朝,王欢欢,张越,曹睿,王若丹.沣河沿岸土壤和优势植物重金属富集特征和潜在生态风险.生态学报,2013,33(21):6834鄄6843.
Yang Y, Zhou Z C, Wang H H, Zhang Y, Cao R, Wang R D.Enrichment and ecological risk of heavy metal in soils and dominant plants in the riparian of
the Fenghe River.Acta Ecologica Sinica,2013,33(21):6834鄄6843.
沣河沿岸土壤和优势植物重金属富集特征
和潜在生态风险
杨摇 阳1,2,周正朝1,*,王欢欢1,张摇 越3,曹摇 睿4,王若丹1
(1. 陕西师范大学旅游与环境学院,西安摇 710062;
2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京摇 100085;
3. 陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安摇 710062;4. 陕西师范大学数学与信息科学学院,西安摇 710062)
摘要:测定陕西省沣河沿岸 32个土壤样品和 16个优势植物样品中 Cr、Cu、Mn、Pb、Zn和 Ni 6种重金属元素的含量,并结合数据
统计与 GIS制图,对土壤和植物中重金属的空间分布、富集特征及潜在风险进行分析。 结果表明沣河中下游沿岸土壤和植物中
Cr、Mn、Pb、Zn和 Ni含量空间分布呈明显富集。 土壤中 Cr、Mn和 Pb的几何均值分别为 92.1、611.1和 32.9 mg / kg,均高于陕西
省土壤元素背景值;植物中 Mn、Zn含量在正常范围内,Cr、Cu、Ni含量部分超标,Pb含量整体较高,地上部分对 Pb 的积累量达
到 15.5 mg / kg,约为正常情况下的 7.8倍。 马齿苋、艾蒿、芦苇和水蓼 4种植物生物量大,对这六种重金属富集能力均较强,可作
为该地区耐重金属植物。 沣河沿岸土壤和植物中重金属污染值得关注。
关键词:沣河;重金属;土壤;植物;生态风险
Enrichment and ecological risk of heavy metal in soils and dominant plants in the
riparian of the Fenghe River
YANG Yang1,2, ZHOU Zhengchao1,*, WANG Huanhuan1, ZHANG Yue3, CAO Rui4, WANG Ruodan1
1 College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi忆an Shaanxi 710062, China
2 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology,Research Centerfor Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085,China
3 College of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University, Xi忆an Shaanxi 710062, China
4 College of Mathematics and Information Science, Shaanxi Normal University, Xi忆an Shaanxi 710062, China
Abstract: Heavy metal contamination in rivers has become a major issues in recent decades due to their biogeochemical
cycling, environmental persistence, and ecological risks. Intensive attention has been given to river sediment contamination
but heavy metals in soils and plants along the river ecosystem have been inadequately studied. The results of this research
will contribute to a better understanding of heavy metal characteristics, pollution status assessment, affect in river
ecosystems, and environmental protection of rivers. A total of 32 soils and 16 dominant plants samples were collected in the
riparian of the Fenghe river of Shaanxi Province from the headwater to the river mouth. The spatial distribution,
accumulation characteristics, and potential risk of heavy metals in the soils and plants were investigated by measuring total
concentrations of Cr, Cu, Mn, Pb, Zn, and Ni in soils and plants via X鄄Ray fluorescence spectrometry and atomic
absorption spectroscopy, GIS mapping, and by analyzing the relationship between heavy metal concentrations in soils and
plants. Significant spatial accumulation of Cr, Mn, Pb, Zn, and Ni in soils and plants were found midstream and
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downstream. The geometrical mean concentrations of Cr, Mn, and Pb in soils were 92. 1, 611. 1, and 32. 9 mg / kg,
respectively. The average concentrations of Cr, Mn, and Pb exceeded the corresponding background values of Shaanxi
topsoil while the average concentrations of Zn, Cu, and Ni were lower. Taking the China Environmental Quality Standard
(GB15618—1995, Grade玉) for soils as a reference, the ratio of all the samples in soils above the limit were 75% for Cr,
19% for Cu, 63% for Mn, 25% for Pb, and 6% for Ni, which indicates the pollution characteristics of multi鄄metals in soils
are mainly due to Cr. The Nemero Index showed that the soils in the riparian of the Fenghe River were moderately polluted.
The Geo鄄accumulation Index showed that soils were not polluted with Mn and Zn but there was mild Pb, Ni, Cr, and Cu
contamination in some samples. The heavy metal concentrations in plants in the riparian of the Fenghe River had normal
distribution. The Cr, Cu, and Ni concentrations of Pb in some samples were above critical values, while the Pb
concentrations were high in all samples. The geometrical mean concentrations of Pb in the above鄄ground biomass, which
accumulated to 15.5 mg / kg, was 7—8 times the normal concentrations in plants. This paper did not screen out new plants
which satisfied with the standard of hyperaccumulators, but Portulaca oleracea., Artemisia argyi, Phragmites communis,
and Polygonum hydropiper grew well and were potentially tolerant species. There were significant positive correlations among
the concentrations of Cr, Cu, Zn, Mn, Ni, and Pb in the soils and plants, and the Cr concentrations in soils promoted the
accumulation of Ni in the underground biomass. Along with Pb increase in the soil was a corresponding increase in Zn, Mn,
and Pb in plant roots. It is necessary to focus on the potential risk of heavy metals for water safety and human health in soils
and plants in the riparian of the Fenghe River.
Key Words: Fenghe River ; heavy metal ; soils ; plants ; ecological risk
河流健康是近年来各国学者关注的热点问题[1鄄3]。 由于我国河流健康研究起步较晚,河流监管理念还不
完善,很长时间内只关注河流的化学污染[4鄄6]。 近年来,通过对国内外河流健康评估方法的了解和对比[7鄄10],
国内产生了大量研究成果,以河流为中心的生态系统健康问题引起广泛重视[11鄄15]。 在河流生态系统健康问
题研究中,由于重金属污染物具有难以降解、潜伏期长、复合污染等特性,其毒性和危害性最大[16鄄17]。 重金属
不但会降低土壤中微生物的数量和酶的活性,而且会抑制土壤吸收代谢、硝化及氨化作用,并通过土壤—植物
系统,经由食物链直接危及人类健康[18,23,28,30]。
沣河位于渭河南岸,是西安市黑河引水工程的补给水通道与受体,是西安市长安区人民的生活饮用水水
源地。 随着该地区近年来人口增长、经济发展、旅游开发及中下游地区乡镇工业的发展,沣河水体功能下降,
水资源短缺,水质严重恶化[19鄄20,22]。 本文通过对沣河沿岸土壤和优势植物中 Cr、Cu、Mn、Pb、Zn 和 Ni 6 种重
金属含量进行测定与分析,反映沣河沿岸土壤—植物系统中重金属含量特征,以期为当地居民的健康防护和
当地政府部门开展区域环境质量评估提供科学依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
沣河是黄河第一大支流渭河南岸的一级支流,发源于西安市长安区喂子坪乡鸡窝子以南的秦岭北侧,全
长 78 km,流域面积 1460 km2,流经西安市长安区、户县秦渡镇和咸阳市的秦都区,由 56 个峪口逐次汇集而
成。 沣河主要支流有太平峪、高冠峪和潏河,根据其河道特征,沣峪口以上为上游,沣峪口至秦渡镇为中游,秦
渡镇以下至河口为下游[19,21]。 近年来,随着该地区经济发展、人口增长以及黑河引水工程的实施,沣河水的
需求量迅速增加。 特别是沣河上游生态旅游业的开发,中游的城镇、大学园区的建设以及中下游地区乡镇工
业的发展, 导致沣河水质恶化,流域内水土流失严重,资源承载力不足,生态环境遭到严重破坏,沣河目前正
面临着水资源短缺和水污染等严重问题。
根据沣河流域遥感数据,水质变化,人口及工厂密集度,于 2011年 5—8月(平水期)进行野外实地考察和
采样,用手持 GPS精确定位,沿沣河自南向北依次在沣河源头、观坪寺、太平乡、沣峪口、北大村、郭北村、东大
5386摇 21期 摇 摇 摇 杨阳摇 等:沣河沿岸土壤和优势植物重金属富集特征和潜在生态风险 摇
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图 1摇 沣河沿岸土壤和植物采样图
摇 Fig.1摇 Sample Sites about soils and plants in the riparian of the
Fenghe River
桥、五楼村、蛟河大桥、秦渡镇、梁家桥、马王村、严家渠、
三里桥、入渭口上游和入渭河口下游共布设 16 个采样
点(图 1)。
1.2 摇 样品采集与分析
1.2.1摇 土壤样品采集与分析
每个样点采集混合土壤样品两份(采样深度 0—20
cm),每份约 500 g,所有样品密封后带回实验室于阴凉
处室温风干,剔除杂物后用四分法取部分样品过 2 mm
的尼龙筛,用长春光学精密机械与物理研究所研制的
ZM鄄1型振动磨样机研磨后密封备用;称取 4 g(精确到
0.0001 g)土壤样品放入模具片(硼酸衬底镶边),用长
春光学仪器厂生产的 YYJ鄄60型压样机制成圆形片状待
测样品,再用荷兰帕纳科仪器公司生产的 PW2403 型
X鄄Ray荧光光谱仪测定重金属含量[23]。 测定过程中采
用国家标准物质 GSS鄄 1和 GSD鄄 12 进行质量控制,测得
标准物质中重金属元素实测值与参考值的标准偏差均
小于 10%。 此外,随机选取 5 个样品做重复样,其标准
偏差均不超过 5%。
1.2.2摇 植物样品采集与分析
每个样点随机布设 2—3个 2 m伊2 m的样方,调查样方内植物的株数、植株高度和盖度,确定优势植物,采
集一定数量的完整植株,按不同采样区域进行分类记录,密封后带回实验室;将植物分成地上和地下两部分,
再用自来水将植物表面的污物和泥土冲洗干净,接着用去离子水冲洗 3 次并沥去水分,于 105益下杀青 30
min,后在 65益下烘焙至恒重,粉碎待用;称取 0.5 g(精确到 0.0001 g)植物样品用 HNO3鄄HcLO4 [24]法消解(实
验所用试剂均为优级纯,实验过程中以混合酸为试剂空白,共同消解);用北方普析通用仪器有限责任公司生
产的 TAS鄄990型原子吸收分光光度计测定植物中重金属含量。 实验过程中采用国家标准(GBW07604)进行
质量控制,同时每份样品取等量待测溶液做准确度实验,测得加标回收率在 82.4%—103.8%之间,适用于植物
中重金属的测定。
1.3摇 数据处理
土壤重金属的综合污染程度采用内梅罗指数[25]法,计算公式为:
NI = {[(C i / Si) 2max+(C i / Si) 2ave] / 2 )} 1 / 2
式中,NI为土壤污染指数,C i为 i种污染物的实测含量, Si为土壤中 i 种污染物的背景值,本文采用土壤环境
质量标准(GB15618—1995)中玉类标准的临界值(饮用水水源地的土壤限制值) [26],其中 Mn 评价标准采用
中国土壤元素背景值[27](GB15618—1995标准中没有关于 Mn的规定),(C i / Si)max为土壤重金属元素中污染
指数最大值;(C i / Si) ave为土壤各污染指数的平均值。 内梅罗指数的分级标准见文献[28]。
地积累指数[29]能够定量反映土壤中重金属的富集程度,计算公式为:
Igeo = log2Cn / KBn
式中,Cn为土壤中重金属含量的实测值,Bn为所测元素在全球页岩中的平均含量,本文采用陕西省土壤元素
背景值[27],K为常数,是对成岩作用可能引起背景值变动的修正(一般取 K= 1.5)。 地积累指数的分级标准参
见文献[30]。
重金属含量测定结果经对数转换后进行正态分布检验(Shapiro鄄Wilk 检验,P<0.05), 对符合正态分布的
数据进行方差分析。 数据统计与分析采用 SPSS 17.0和 ArcGIS 10.0软件。
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2摇 结果分析
2.1摇 土壤重金属含量特征与空间分布
摇 摇 沣河沿岸土壤中 Cu、Zn 和 Ni 含量变幅较大,变异系数较高,分别为 4.3—102.7、7.6—74.7、3.2—57.6
mg / kg和 86%、53% 、49%(表 1),说明这 3种元素水平差异较大,波动较强。 这种差异可能与重金属来源及人
类活动的强度、方式不同等因素有关[23,28]。 与陕西省土壤元素背景值[27]相比,除 Zn、Cu 和 Ni 外,Cr(92.1
mg / kg)、Mn(611.1mg / kg)、Pb(32.9 mg / kg)的几何平均含量均高于背景值,其中以 Cr和 Pb最为显著,均超标
1.5倍(几何均值)。
表 1摇 沣河沿岸土壤中重金属含量水平
Table 1摇 The concentrations of heavy metals in soils in the riparian of the Fenghe River
重金属
Heavy
metal
重金属含量 concentrations of heavy metals / (mg / kg) (n= 32)
含量范围
Range
中值
Median
算术均值
(标准差)
Arithmetical
mean(SD)
几何均值
(标准差)
Geometric
mean(SD)
变异系数
/ %
CV
陕西省土壤
元素背景值
Background
value淤
《土壤环境质量
标准》玉级标准
Background
value于
超标率 / %
Over鄄limit
Ratio于盂
Cr 65.9—114.3 95.4 93.0(12.5) 92.1(12.5) 13 62.5 90 75
Cu 4.3—102.7 20.0 26.7(23.0) 19.9(24.0) 86 21.4 35 19
Mn 467.8—730.7 628.5 615.7(76.2) 611.1(73.9) 12 557 583 63c
Pb 27.7—42.7 32.7 33.1(3.8) 32.9(3.8) 11 21.4 35 25
Zn 7.6—74.7 39.2 40.4(22.0) 33.3(22.4) 53 69.4 100 0
Ni 3.2—57.6 23.7 24.3(12.2) 20.8(12.3) 49 28.8 40 6
摇 摇 淤 Corresponding background values of Shaanxi topsoil;于 超标率以土壤环境标准玉类标准为参比值 ( GB15618—1995, Grade玉) China
Environmental Quality Standard (GB15618—1995, Grade I); 盂 Mn元素超标率以中国土壤元素背景值为参比值
研究区内土壤中 Cr、Cu、Mn、Pb、Zn和 Ni的分布扩散特征表明(图 2),这 6 种重金属在空间上呈波折多
峰型分布特征,除 Cu外,Cr、Mn、Pb 、Zn和 Ni高值区均位于沣河中下游河段。 与陕西省土壤元素背景值[27]
对比(图 2),各样点 Cr、Pb含量均高于背景值,Cr含量最高值在梁家桥点,最低值在观坪寺点;Pb含量最高值
在郭北村点,最低值在东大桥点。 各样点 Mn、Zn、Ni含量与背景值相比高低不一,Mn 含量最大值在入渭口上
游点,最低值在秦渡镇点;Zn含量最高值在五楼村点,最低值在马王村点;Ni 含量最高值在梁家桥点,最低值
在入渭口上游点。 Cu含量高值区位于沣河上游河段,最高值在沣峪口点,中下游河段含量较少,最低值在郭
北村点。
沣河沿岸土壤中重金属地积累指数空间分布图(图 3)显示沣河沿岸土壤中 Mn、Zn 没有污染,Pb、Cr、Cu
和 Ni存在局部污染。 其中,Pb在秦渡镇到严家渠河段均为轻度污染,另外在观坪寺、郭北村附近及入渭口下
游处也属于轻度污染。 Cr从太平乡到沣河入渭口下游河段,均属轻度污染。 Cu 在沣河上游河段属于轻度污
染,沣峪口处属于偏中度污染。 Ni只在梁家桥点为轻度污染。
2.2摇 植物重金属含量特征
本研究涉及沣河沿岸 16 种优势植物,禾本科 5 种:狗尾草( Setaria viridis)、早熟禾(Poa annua)、雀稗
(Paspalum thunbergii)、行仪芝(Cynodon dactylon)和芦苇(Phragmites communis);菊科 3 种:鬼针草(Bidens
pilosa)、野菊花(Chrysanthemum indicum)和艾蒿(Artemisia argyi);苋科 2种:水蒿(Artemisia selengensis)和牛膝
(Achyranthes bidentata)。 马齿苋科、蓼科、伞形科、豆科、车前科和藜科各 1 种,分别为马齿苋 (Portulaca
oleracea)、水蓼(Polygonum hydropiper)、水芹(Oenanthe javanica)、白三叶(Trifolium repens)、平车前(Plantago
depressa)和灰灰菜(Chenopdium album)。 调查显示沣河沿岸禾本科和菊科植物优势度[31]均在 12% 以上,在
研究区植物群落中占有明显优势,这可能与禾本科,菊科等草本植物具有耐贫瘠、干旱,相对比较容易形成重
金属耐性以及其种子具有较强的传播能力和较强的环境适应能力有关[32]。
沣河沿岸植物中重金属含量各异,整体表现为 Mn > Zn > Pb > Cu > Cr > Ni,其中 Mn、Pb和 Zn含量变幅
7386摇 21期 摇 摇 摇 杨阳摇 等:沣河沿岸土壤和优势植物重金属富集特征和潜在生态风险 摇
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图 2摇 沣河沿岸土壤重金属空间分布
Fig.2摇 Spatial variation map of heavy metals distributions in soils in the riparian of the Fenghe River
较大,分别为 17.3—222.0、2.0—52.9和 15.4—111.4 mg / kg (表 2)。 对重金属含量散点图矩阵进行旋转(图
4),并运用 SPSS17.0软件分析确定由数据点组成的几何体的重心(各数据点与重心点的距离用虚线表示),
由此清晰地反映出土壤和植物地上部分及地下部分中重金属含量之间的相关关系(图 4)。 从图 4 中可以看
出植物地上部分对 Cr、Cu、Mn、Pb、Zn和 Ni的积累量重心大约为 5.0、15.0、80.0、20.0、40.0 和 3.9 mg / kg,地下
部分对 Cr、Cu、Mn、Pb、Zn和 Ni的积累量重心大约为 5.5、17.0、85.0、34.0、45.0 和 3.7 mg / kg(图 4),可见不同
植物对不同重金属的吸收程度和转移能力各不相同[33鄄34]。
表 2摇 沣河沿岸植物中重金属含量水平
Table 2摇 The concentrations of heavy metals in plants in the riparian of the Fenghe River
重金属
Heavy
Metal
重金属含量 concentrations of heavy metals / (mg / kg) (n= 16)
地上部分 Above鄄ground biomass
含量范围
Range
几何均值
(标准差)
Geometric
mean(SD)
算术均值
(标准差)
Arithmetical
mean(SD)
地下部分 Under鄄ground biomass
含量范围
Range
几何均值
(标准差)
Geometric
mean(SD)
算术均值
(标准差)
Arithmetical
mean(SD)
富集系数
(转移系数)
Accumulation
Coefficient
(Transfer
Coefficient)
Cr 1.6—8.7 4.0(2.1) 4.5(2.1) 1.9—10.4 4.9(2.8) 5.6(2.7) 0.06(0.91)
Cu 4.5—35.4 13.4(7.3) 14.9(7.2) 3.9—43.2 14.2(9.6) 16.5(9.3) 0.74(0.98)
Mn 17.3—222.0 64.9(52.3) 80.1(50.0) 10.9—199.0 67.8(45.1) 80.5(43.3) 0.13(1.02)
Pb 2.0—52.9 15.5(13.0) 19.3(12.3) 20.1—42.5 32.1(6.2) 32.7(6.2) 0.99(0.60)
Zn 15.4—111.4 34.1(22.6) 38.7(22.1) 9.4—104.3 34.7(21.6) 39.7(21.0) 1.53(1.02)
Ni 0.2—10.4 2.4(3.2) 3.6(3.0) 0.4—7.6 2.7(2.0) 3.3(1.9) 0.15(1.30)
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图 3摇 沣河沿岸土壤中重金属地积累指数空间分布
Fig.3摇 The distribution of the geo鄄accumulation index of heavy metals in soils in the riparian of the Fenghe River
摇 摇 整体来看,植物地下部分与土壤中重金属含量相关关系较强(表 3),土壤中某种重金属含量高,植物地下
部分对该种重金属富集量就比较高,而植物地上部分与土壤中重金属含量相关关系较差(图 4),说明植物体
内重金属含量与土壤重金属含量有密切联系,与一般研究结果一致[33]。
表 3摇 土壤和植物地下部分重金属含量之间的相关性
Table 3摇 Relationship among the concentrations of heavy metal in the soils and plants
Cr(U) Cu(U) Mn(U) Pb(U) Zn(U) Ni(U)
Cr(S) 0.336 -0.195 0.244 0.178 0.248 0.556**
Cu(S) -0.434 0.961** 0.081 0.005 -0.163 0.196
Mn(S) -0.279 0.27 0.145 0.496 0.057 -0.265
Pb(S) 0.008 -0.217 0.715** 0.683** 0.676** -0.014
Zn(S) 0.425 0.158 -0.017 -0.391 0.028 0.174
Ni(S) -0.138 0.07 0.411 0.328 0.428 0.409
摇 摇 **在 0.01水平(双侧)上显著相关
与一般植物体内正常含量相比(Mn 20—400 mg / kg,Zn 20—150 mg / kg,Cu 5—30 mg / kg,Cr 0.2—8.4
mg / kg) [32,35],各样点植物中 Mn、Zn含量均在正常范围内;艾蒿、马齿苋和牛膝中 Cu含量较高,其中艾蒿地下
部分中 Cu含量为 43.2 mg / kg,约为正常植物的 1.4—8.6 倍;芦苇、水蓼和鬼针草中 Cr 含量较高,其中芦苇地
下部分中 Cr含量为 10.4 mg / kg,约为正常植物的 1.2—52倍;一般植物体内 Pb含量在 0.1—41.7 mg / kg,但地
上部分中 Pb含量范围相对较窄,在 0.1—10 mg / kg之间,平均含量为 2 mg / kg[35鄄36],而各样点植物地上部分中
Pb含量均超出此范围,几何均值达到 15.5 mg / kg,约为正常情况的 7.8 倍(表 2),其中马齿苋、水蓼和狗尾草
对 Pb的积累量均较高;植物体内 Ni含量比较少,一般在 0.05—5 mg / kg[36],各样点中平车前、野菊花、艾蒿和
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图 4摇 沣河沿岸植物与土壤中重金属含量关系矩阵图
Fig.4摇 Matrix of heavy metals relationship in soils and plants in the riparian of the Fenghe River
A、U和 S分别代表植物地上部分(Above鄄ground biomass)、植物地下部分(Under鄄ground biomass)和土壤(Soil)
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鬼针草对 Ni的富集能力较强,含量均在 5 mg / kg以上,而狗尾草、早熟禾、行仪芝和芦苇中 Ni含量较少,说明
禾本科对 Ni积累量小于菊科类植物,与 Maria等[37]学者的研究相类似。
3摇 讨论
3.1摇 土壤重金属潜在生态风险
本研究显示沣河沿岸土壤中重金属含量顺序为 Mn > Cr > Zn > Pb > Ni > Cu,其中 Cr、Cu、Mn、Pb 和 Ni
总量在绝大多数点位均高于陕西省土壤元素背景值[27]。 研究区内土壤重金属综合污染指数 NI 为 2.16,表现
为中度污染(2 < NI < 3)。 与土壤环境质量标准(GB15618—1995)中玉类标准[26]相比(因为 GB15618—1995
中没有关于 Mn的规定,因此采用中国土壤元素背景值[27]作为 Mn 的评价标准),土壤中 Cr、Cu、Mn、Pb 和 Ni
的超标率分别为 75%、19%、63%、25%和 6%(表 1),可见研究区内土壤表现为以 Cr为主的多种重金属复合污
染。 地累积指数评价结果表明研究区内土壤中 Cr、Cu、Pb 和 Ni均存在局部污染,其中 Cr、Pb 和 Ni污染主要
集中在沣河中下游河段,这可能与沣河中游的城镇、大学园区的建设以及中下游地区乡镇工业(主要是造纸
业)的发展有关;Cu污染主要集中在沣河中上游河段,并在沣峪口处属于偏中度污染,这可能与沣河上游的生
态旅游开发有关。
3.2摇 植物重金属富集特征
研究表明大多数植物地下部分对重金属的积累量明显高于地上部分,说明植物会通过根部一定结构或生
理特性限制金属离子由根部向地上部分转移,使得地上部分保持较低的重金属含量,从而将重金属排出体外,
以减轻重金属对光合作用组织的毒害[34,38]。 重金属富集系数是指植物中重金属含量与相应土壤的重金属含
量之比, 它可以用来大致反映植物对土壤重金属的富集能力[33]。 研究区内植物重金属富集系数(算术均值)
的顺序呈现为 Zn > Pb > Cu > Ni 抑 Mn > Cr(表 2),与湘江中下游沿岸农田蔬菜及芜湖市四褐山工业区附近
水域中水生植物的富集系数顺序结果趋势基本一致[28,34]。
Brooks等[39]和 Reeves等[40]学者提出超富集植物中 Cr、Ni、Cu、Pb含量在 1000 mg / kg 以上, Mn、Zn 含量
在 10000 mg / kg以上,且富集系数[33]大于 1。 本研究所涉及的植物均没有达到超富集植物的要求,但发现了
几种耐重金属植物。 其中,马齿苋对这六种重金属元素富集系数均较高,野菊花、鬼针草、平车前对 Ni的富集
系数较高,水蓼、狗尾草、三叶草和艾蒿对 Mn和 Zn的富集系数均较高,芦苇、艾蒿、牛膝对 Cu 和 Cr 的富集系
数均较高。 所有植物的地下部分对 Pb 的富集率均较高,富集系数最小的鬼针草也为 0.69,狗尾草、艾蒿、三
叶草对 Pb的富集系数均为最大值。 从转移系数[33]看,研究区内植物的转移能力较强,表现为 Ni > Mn = Zn
> Cu > Cr > Pb(表 2),除三叶草、水芹、行仪芝、雀稗和灰灰菜外,其余植物均表现出较强的转移能力,以马齿
苋、艾蒿、芦苇和水蓼 4种优势植物最为突出。
统计分析显示 Cr(S)与 Ni(U),Cu(S)与 Cu(U),Pb(S)与 Zn(U)、Mn(U)、Pb(U)呈极显著性正相关(表
3),说明研究区内土壤中的 Cr会促进植物地下部分对 Ni的富集,土壤中的 Pb会促进植物地下部分对 Zn、Mn
和 Pb的富集。
4摇 结论
沣河中下游沿岸土壤和植物中 Cr、Mn、Pb、Zn和 Ni含量空间分布呈明显富集,土壤中 Cr、Mn 和 Pb 含量
较高,分别为陕西省土壤元素背景值的 1.5、1.1和 1.5倍(几何均值)。 植物体内 Cr、Cu、Ni 含量部分超标,Pb
含量整体较高。 本研究未发现超积累植物,但马齿苋、艾蒿、芦苇和水蓼 4 种植物生物量旺盛,对 Cr、Mn、Cu、
Pb、Zn和 Ni富集能力均较强,可作为该地区耐重金属植物。 沣河沿岸土壤和植物中 Pb、Cr污染比较突出,Cu
污染值得关注。
致谢: 陕西师范大学旅游与环境学院卢新卫教授和中国科学院南京土壤研究所 Jeremy Landon Darilek 博士对
采样、实验及英文润色给予帮助,特此致谢。
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耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 泽葬造蚤灶蚤贼赠 葬灶凿 藻曾燥早藻灶燥怎泽 泽怎遭泽贼则葬贼藻泽 燥灶 贼澡藻 凿藻糟燥皂责燥泽蚤贼蚤燥灶 葬灶凿 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶 燥枣 泽燥蚤造 燥则早葬灶蚤糟 糟葬则遭燥灶 蚤灶 贼澡藻 再藻造造燥憎 砸蚤增藻则
阅藻造贼葬 蕴陨 蕴蚤灶早袁 匝陨哉 杂澡葬燥躁怎灶袁 栽粤晕 云藻蚤枣藻蚤袁 藻贼 葬造 渊远愿源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 泽澡燥则贼鄄贼藻则皂 凿葬则噪 糟澡蚤造造蚤灶早 燥灶 造藻葬增藻泽 糟葬则遭燥灶 葬灶凿 灶蚤贼则燥早藻灶 皂藻贼葬遭燥造蚤泽皂 葬灶凿 蚤灶增燥造增藻凿 葬糟贼蚤增蚤贼蚤藻泽 燥枣 藻灶扎赠皂藻泽 蚤灶 皂葬灶早则燥增藻 运葬灶凿藻造蚤葬
燥遭燥增葬贼葬 泽藻藻凿造蚤灶早 在匀耘晕郧 悦澡怎灶枣葬灶早袁 蕴陨哉 宰藻蚤糟澡藻灶早袁 悦匀耘晕 杂澡葬燥遭燥袁 藻贼 葬造 渊远愿缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
孕则藻造蚤皂蚤灶葬则赠 藻增葬造怎葬贼蚤燥灶 燥灶 贼燥造藻则葬灶糟藻 贼燥 责澡燥泽责澡燥则燥怎泽 凿藻枣蚤糟蚤藻灶糟赠 燥枣 猿圆 糟怎造贼蚤增葬则泽 燥枣 糟怎贼 糟澡则赠泽葬灶贼澡藻皂怎皂
蕴陨哉 孕藻灶早袁 悦匀耘晕 杂怎皂藻蚤袁 云粤晕郧 宰藻蚤皂蚤灶袁 藻贼 葬造 渊远愿远猿冤
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耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 葬早藻 葬灶凿 藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼葬造 糟燥灶凿蚤贼蚤燥灶泽 燥灶 葬糟糟怎皂怎造葬贼蚤燥灶 燥枣 澡藻葬增赠鄄皂藻贼葬造泽 悦凿 葬灶凿 悦怎 蚤灶 栽藻早蚤造造葬则糟葬 早则葬灶燥泽葬
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耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 悦澡蚤灶藻泽藻 早葬造造灶怎贼 燥灶 责澡燥贼燥泽赠灶贼澡藻贼蚤糟 糟澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽 葬灶凿 贼燥贼葬造 灶蚤贼则燥早藻灶 糟燥灶贼藻灶贼 燥枣 砸澡怎泽 糟澡蚤灶藻灶泽蚤泽
蕴陨 再葬灶早袁 再粤晕郧 在蚤曾蚤葬灶早袁 悦匀耘晕 载蚤葬燥皂蚤灶早袁藻贼 葬造 渊远愿苑远冤
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栽澡藻 糟澡葬则葬糟贼藻则蚤扎葬贼蚤燥灶 燥枣 早造赠责澡燥泽葬贼藻 凿藻早则葬凿葬贼蚤燥灶 遭赠 月怎则噪澡燥造凿藻则蚤葬 皂怎造贼蚤增燥则葬灶泽 宰杂鄄云允怨 蕴陨 郧怎葬灶曾蚤袁 宰哉 载蚤葬燥择蚤灶袁再耘 允蚤葬灶则藻灶 渊远愿愿缘冤噎噎
耘造藻糟贼则燥葬灶贼藻灶灶燥早则葬责澡蚤糟 葬灶凿 遭藻澡葬增蚤燥怎则葬造 则藻泽责燥灶泽藻泽 燥枣 泽糟葬则葬遭 遭藻藻贼造藻泽 贼燥 砸蚤糟蚤灶怎泽 糟燥皂皂怎灶蚤泽 造藻葬枣 增燥造葬贼蚤造藻泽
蕴陨 宰藻蚤扎澡藻灶早袁 再粤晕郧 蕴藻蚤袁 杂匀耘晕 载蚤葬燥憎藻蚤袁 藻贼 葬造 渊远愿怨缘冤
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孕燥责怎造葬贼蚤燥灶袁 悦燥皂皂怎灶蚤贼赠 葬灶凿 耘糟燥泽赠泽贼藻皂
耘糟燥泽赠泽贼藻皂 澡藻葬造贼澡 葬泽泽藻泽泽皂藻灶贼 蚤灶 月葬蚤赠葬灶早凿蚤葬灶 蕴葬噪藻 载哉 云藻蚤袁 在匀粤韵 再葬灶憎藻蚤袁 再粤晕郧 在澡蚤枣藻灶早袁 藻贼 葬造 渊远怨园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
悦澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽 燥枣 皂葬糟则燥遭藻灶贼澡蚤糟 糟燥皂皂怎灶蚤贼蚤藻泽 蚤灶 皂葬灶早则燥增藻 憎藻贼造葬灶凿泽 葬造燥灶早 贼澡藻 憎葬贼藻则憎葬赠泽 燥枣 晕燥则贼澡 匀藻扎澡燥怎袁 在澡怎澡葬蚤袁 杂燥怎贼澡 悦澡蚤灶葬
宰粤晕郧 匀怎蚤袁 在匀韵晕郧 杂澡葬灶袁 云粤晕郧 在澡葬灶择蚤葬灶早 渊远怨员猿冤
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栽澡藻 蚤灶贼藻则葬糟贼蚤燥灶 遭藻贼憎藻藻灶 糟燥皂责燥灶藻灶贼泽 燥枣 藻糟燥泽赠泽贼藻皂 则藻泽责蚤则葬贼蚤燥灶 蚤灶 贼赠责蚤糟葬造 枣燥则藻泽贼 葬灶凿 早则葬泽泽造葬灶凿 藻糟燥泽赠泽贼藻皂泽
在匀哉 载蚤葬灶躁蚤灶袁 再哉 郧怎蚤则怎蚤袁 宰粤晕郧 匝蚤怎枣藻灶早袁 藻贼 葬造 渊远怨圆缘冤
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耘枣枣藻糟贼 燥枣 韵曾赠贼藻贼则葬藻赠藻造蚤灶藻 渊韵栽悦冤 燥灶 贼澡藻 葬糟贼蚤增蚤贼蚤藻泽 燥枣 藻灶扎赠皂藻 葬灶凿 皂蚤糟则燥遭蚤葬造 糟燥皂皂怎灶蚤贼赠 皂藻贼葬遭燥造蚤糟 责则燥枣蚤造藻泽 蚤灶 糟燥皂责燥泽贼蚤灶早
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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本期责任副主编摇 余新晓摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
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