色季拉山三种优势灌木对重金属的富集特征及修复潜力研究

Heavy Metal Enrichment Characteristics and Phytoremediation Potential of Three Dominant Shrub Species in Sejila Mountain

摘要

本研究以西藏色季拉山典型灌木唐古特忍冬（Lonicera tangutica）、峨眉蔷薇（Rosa omeiensis）和滇西北小檗（Berberis johannis）为研究对象，通过测定其叶片与细根中Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和Hg的含量，结合富集系数、转移系数及隶属函数分析法，系统探究了3种灌木对重金属的累积特征及生态修复潜力。结果表明：3种灌木不同器官中重金属含量总体呈现叶片 > 细根的分布特征，6种重金属含量依次为Zn > Cr > Cu > Pb > Cd > Hg；唐古特忍冬对各重金属元素（除Cu外）的富集能力最强，其对Cd、Cr、Zn、Hg的转运能力也最为突出，而峨眉蔷薇则表现出对Cu、Pb的特异性转运优势；隶属函数分析显示3种灌木的复合转运能力排序为滇西北小檗 > 峨眉蔷薇 > 唐古特忍冬。研究发现，3种灌木对重金属的累积与转运能力具有显著的物种特异性、器官选择性和元素依赖性，其中叶片在重金属吸收过程中起主导作用；唐古特忍冬的单一重金属转运能力最优，但滇西北小檗表现出更均衡的复合转运能力，且单一与复合转运能力无显著相关性。本研究证实3种灌木对特定重金属均表现出超富集潜力，为高原地区重金属污染土壤的植物修复提供了重要的种质资源和理论依据。

Abstract

This study investigated the heavy metal accumulation characteristics and phytoremediation potential of 3 dominant shrub species (Lonicera tangutica, Rosa omeiensis, and Berberis johannis ) in Sejila Mountain of Xizang. Through analysis of Cd, Cr, Cu, Pb, Zn, and Hg concentrations in leaves and fine roots, combined with bioaccumulation factor (BCF), translocation factor (TF), and membership function analysis, we systematically evaluated their heavy metal accumulation patterns and ecological remediation potential. Results demonstrated: (1) Heavy metal concentrations in the three shrubs generally exhibited a leaf > fine root distribution pattern, with the overall content order Zn > Cr > Cu > Pb > Cd > Hg; (2) L. tangutica showed the strongest enrichment capacity for all heavy metals except Cu, with particularly prominent translocation ability for Cd, Cr, Zn, and Hg; (3) R. omeiensis displayed specific translocation advantages for Cu and Pb; (4) Membership function analysis revealed the comprehensive translocation capacity followed the order: B. johannis > R. omeiensis > L. tangutica. The study identified significant species-specific, organ-selective, and element- dependent characteristics in heavy metal accumulation and translocation, with leaves playing a dominant role in metal uptake. Notably, while L. tangutica exhibited optimal single-metal translocation capacity, B. johannis demonstrated more balanced multi-metal translocation performance, showing no significant correlation between single-metal and comprehensive translocation capacities. These findings confirm the hyperaccumulation potential of these shrubs for specific heavy metals, providing valuable germplasm resources and theoretical support for phytoremediation of contaminated soils in plateau regions.

关键词

重金属污染 / 植物修复 / 富集特性 / 高原灌木 / 生态修复潜力

Key words

Heavy metal pollution / Phytoremediation / Enrichment characteristics / Alpine shrubs / Ecological restoration potential

重金属污染作为一类典型的累积型环境问题，广泛存在于水体与土壤介质中。该类污染物主要来源于人类活动，具有化学性质稳定、难降解等特征，能够沿生态循环与食物链迁移、转化并发生生物富集，最终对生态系统功能及公众健康构成严重威胁。重金属污染型水环境灾害常呈迟缓型特征，危害后果经长期累积后显现；土壤重金属污染可引发土壤质量退化，有害物质经作物吸收、扬尘或地下水渗透等途径进入食物链而威胁人体健康^[1]。研究表明，重金属暴露可通过干扰免疫系统、诱发抑郁症状或激活特定蛋白通路等机制，在多器官系统中引发健康风险，包括加剧皮肤疾病^[2]、降低睡眠质量^[3]及促进慢性肺病患者肺功能下降^[4]等。

土壤重金属污染是当前环境治理领域面临的严峻挑战，推动高效、可行的修复技术发展尤为迫切^[5]。在众多治理路径中，植物修复因其环境兼容性强、成本可控及二次污染风险低等特点受到广泛关注。该技术以植物对重金属的吸收、转运与转化能力为核心^[6]，主要通过植物固定（Phytostabilization）、植物挥发（Phytovolatilization）和植物提取（Phytoextraction）等途径实现土壤净化^[7,8]。其中，植物提取借助超富集植物^[9]将重金属富集至地上部，并通过收割实现污染物移除，在矿区等污染场地的治理中显示出良好的应用潜力。

灌木群落作为高寒生态系统的优势植被类型，在重金属生物地球化学循环中可能发挥关键作用——既是污染物进入生态系统的初级载体，也是物质循环的重要节点^[10]。本研究选取色季拉山3种常见灌木（唐古特忍冬Lonicera tangutica、峨眉蔷薇Rosa omeiensis、滇西北小檗Berberis johannis），通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和冷原子荧光光谱法系统测定其叶片和细根中Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Hg的含量。基于生物富集系数（Bioconcentration factors，BCF）、转移系数（Translocation Factor，TF）及其隶属函数分析，综合评价不同物种的复合污染转运能力，进而探讨其作为超富集植物的潜力及在高原生态系统修复中的应用价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料采样区概况

色季拉山采样区位于西藏林芝市（29°35′-29°57′N，94°25′-94°45′E），地处雅鲁藏布江马蹄形大拐弯西北部，是帕隆藏布江与尼洋河流域的分水岭，属念青唐古拉山脉组成部分，山脉走势主要为西北向东南，南北延伸约41 km，东西延伸约32 km，海拔2 200 m以上，最高峰海拔5 300 m。该区域受印度洋气流影响，形成典型的亚高山温带半湿润气候，年均气温-0.73 ℃，干湿季分明。每年6 - 9月为雨季，降水量占全年80%以上^[11,12]。植被类型多样，垂直带结构分明，从针阔混交林、暗针叶林到灌丛草甸、稀疏植被依次分布，森林覆盖率达55%^[13,14]。相应的土壤类型随海拔梯度变化，主要包括酸性土、漂灰土、黑毡土、草毡土和寒漠土等^[15]。

1.2 样品采集与测定

1.2.1 植物样品采集与测定

于2024年生长季（8月），在色季拉山东坡3 800 m海拔梯度带设置50 m× 50 m标准样地。选择生理状态均一、无病虫害的唐古特忍冬、峨眉蔷薇、滇西北小檗各10株作为采样对象。采用分层随机取样法：在每株树冠上、中、下冠层及基径方位（东、南、西、北）各采集成熟叶片50 g，混合构成生物学重复；同步在对应方位距主干30 cm范围内，按5 ~ 20 cm土层深度采集直径 ≤ 2 mm的吸收根（细根）样本，冰盒保存运输至实验室。样品经纯水清洗后，60 ℃烘干至恒重，研磨过100目筛，密封保存待测。采用微波消解－电感耦合等离子体质谱法^[16]（ICP-MS）测定Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量：样品经HNO₃-H₂O₂消解后，上机分析。Hg的测定采用微波消解-冷原子荧光光谱法，消解后经原子荧光光谱仪检测^[17]。

1.2.2 土壤样品采集与测定

与植物采样同步，在每株样木树冠投影范围内，按4个方位布设采样点。清理表面腐殖质层后使用不锈钢土钻（直径5 cm）采集0 ~ 20 cm土层土壤，现场采用四分法缩分至1 kg代表性样品，剔除可见根系与砾石（> 2 mm）后，密封于聚乙烯袋中。样品带回实验室后自然风干，研磨过100目筛，装袋待测。土壤中Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量采用微波消解-ICP-MS法测定^[18]：准确称取1.0 g土样，加入王水（HNO₃:HCl=3:1）进行微波消解后上机分析。Hg含量测定采用催化热解-冷原子荧光光谱法^[19]，样品经热解还原为单质汞后直接测定。

1.3 数据分析及处理

1.3.1 重金属富集系数和转移系数的计算

采用生物富集系数（BCF）和生物转移系数（TF）^[20,21]分别表征植物对土壤重金属的富集能力和体内转运能力。

生物富集系数（BCF）计算公式为：BCF = C_plant/C_soil，式中：C_plant为植物组织中重金属含量（mg/kg）；C_soil为根际土壤中相应重金属含量（mg/kg）。BCF值反映植物从土壤吸收重金属的能力，当BCF > 1时表明植物具有较强的富集能力，0 < BCF < 1时则富集能力较弱。

转移系数（TF）计算公式为：TF = C_shoot/C_root，式中：C_shoot为地上部重金属含量（mg/kg）；C_root为根部重金属含量（mg/kg）。TF值表征重金属由根部向地上部的转运效率，TF > 1说明转运能力强，0 < TF < 1则转运能力较弱。

1.3.2 隶属函数分析法

为系统评估植物对复合重金属污染的转运能力，采用隶属函数法^[23]对3种灌木的重金属转移系数（TF）进行标准化处理并计算综合评价值（Δ）。具体方法如下：

（1）隶属函数值计算：X（μ） =（X - X_min ）/（X_max - X_min ），式中：X为某灌木对特定重金属的TF值；X_max 和X_min 分别为该灌木对各重金属TF值的最大值和最小值。

（2）综合评价值计算：Δ = Σμ/n，式中：n为重金属种类数。Δ值范围为0 ~ 1，其值越接近1，表明植物转运复合重金属污染的综合能力越强^[22]。

1.3.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理及分析，表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 三种灌木不同部位重金属含量分析

表1数据显示，色季拉山3种优势灌木不同部位的重金属含量呈现明显的种间和器官间差异。从重金属含量范围来看，各元素在叶片和细根中的分布表现为：Cd（0.06 ~ 0.15 mg/kg）、Cr（21.09 ~ 43.8 mg/kg）、Cu（4.33 ~ 16.27 mg/kg）、Pb（0.52 ~ 1.05 mg/kg）、Zn（11.46 ~ 55.52 mg/kg）和Hg（0.01 ~ 0.04 mg/kg），其中Hg元素在种间及器官间的差异相对较小。3种灌木对重金属的富集表现出明显的种属特异性：唐古特忍冬对Cd（0.27±0.09 mg/kg）、Cr（64.78±6.17 mg/kg）和Pb（2.07±0.39 mg/kg）的累积能力最强；峨眉蔷薇则表现出对Cu的特异性富集，其整体含量达21.13±0.71 mg/kg；滇西北小檗对Zn的积累最为显著，整体含量高达73.69±8.77 mg/kg。在器官分布方面，唐古特忍冬和峨眉蔷薇的叶片重金属含量普遍高于细根，但峨眉蔷薇细根中的Zn含量（30.13±2.17 mg/kg）显著高于叶片（11.46±2.81 mg/kg）；滇西北小檗不同器官间的重金属分布则未呈现显著规律性。总体而言，3种灌木中6种重金属的含量均呈现Zn > Cr > Cu > Pb > Cd > Hg的分布特征。

2.2 三种灌木对根际土壤重金属的富集转运特征

如表2所示，3种灌木对重金属的富集能力存在显著差异，富集系数（BCF）范围为0.091 ~ 3.414。具体而言，唐古特忍冬表现出对Cr（3.414）、Zn（1.535）和Hg（2.473）的较强富集能力；峨眉蔷薇则对Cr（2.265）、Cu（1.357）和Hg（2.150）的富集能力突出；滇西北小檗同样显示出对Cr（3.299）、Zn（1.453）和Hg（1.341）的良好富集特性。综合分析表明，3种灌木对Cr和Hg的富集能力普遍强于其他重金属元素，其中唐古特忍冬在除Cu外的所有重金属元素上均表现出最强的富集能力，其Cr富集系数高达3.414，显著高于其他2种灌木。这些结果清晰地反映了不同灌木种类对土壤重金属的选择性吸收特征。

表3数据显示，3种灌木对重金属的转运能力（TF）存在显著种间差异。唐古特忍冬表现出对Cd（TF=1.198）、Cr（2.071）、Zn（1.141）和Hg（4.108）的较强转运能力；峨眉蔷薇则对Cu（3.351）和Pb（1.205）的转运效率最高；3种灌木对Cr、Pb和Hg均表现出相对较强的转运能力，其中Hg的转运系数普遍较高。

2.3 三种灌木对土壤重金属综合转运能力评价

基于隶属函数法对转移系数的综合评价结果（表4）显示，3种灌木对复合重金属污染的转运能力存在梯度差异：滇西北小檗（隶属函数均值0.618）> 峨眉蔷薇（0.414）> 唐古特忍冬（0.250）。其中，滇西北小檗在Cd、Cr、Pb和Hg的转运隶属函数值均较高（0.414 ~ 1.000），表现出最为均衡的复合重金属转运能力；峨眉蔷薇则在Cu（0.842）和Hg（1.000）转运方面表现突出；唐古特忍冬虽在个别元素（如Hg）转运能力较强，但整体转运均衡性相对较弱。这一评价结果系统揭示了不同灌木对复合重金属污染适应能力的差异特征。

3 讨论

3.1 3种灌木不同部位重金属含量特征及其影响因素

已有研究表明，植物不同器官对重金属的积累存在显著差异。方松林^[23]对4种园林植物的研究发现，其重金属含量呈现Zn > Mn > Cu > Pb > Ni > Cd的分布特征；罗绪强等^[24]在贵阳市垃圾填埋场的研究则显示，5种植物中重金属含量表现为Zn > Pb > Ni > Cd。本研究结果与上述发现基本一致，3种灌木中重金属含量均表现为Zn > Cr > Cu > Pb > Cd > Hg的分布模式，进一步证实了植物对重金属的积累具有元素选择性和器官特异性。

关于植物叶片重金属积累特征，现有研究存在不同观点。卡得力亚·加帕尔等^[25]研究发现，叶片重金属含量普遍高于其他器官，这可能与叶片通过气孔吸收大气重金属以及参与物质代谢过程有关。本研究支持这一结论，3种灌木叶片中重金属含量多数高于细根，表明叶片在重金属富集过程中起重要作用。然而，刘丽等^[26]对红皮云杉（Picea koraiensis）的研究却出现相反结果，其针叶重金属含量低于其他器官，这可能与针形叶表面积较小、气孔密度较低等形态特征导致的吸收能力较弱有关。综合研究结果表明，植物器官对重金属的积累能力不仅取决于元素特性，还受植物种类及其器官形态结构特征的显著影响。

3.2 3种灌木的重金属富集转移特性及其生态修复潜力评估

超富集植物的判定需满足3个关键标准^[27-29]：（1）超富集植物地上部重金属含量通常需达到普通植物同种元素含量的100倍：Cd 100 mg/kg、Cr 1 000 mg/kg、Cu 1 000 mg/kg、Pb 1 000 mg/kg、Zn 10 000 mg/kg、Hg 10 mg/kg；（2）富集系数（BCF）> 1；（3）转移系数（TF）> 1。本研究结果显示，3种灌木的重金属含量均未达到超富集植物的临界值（可能与其原生环境受人为干扰较少有关），但均表现出特定的重金属富集特性：唐古特忍冬对Cr（BCF=3.414，TF=2.071）、Zn（1.535，1.141）和Hg（2.473，4.108）；峨眉蔷薇对Cr（2.265，1.105）、Cu（1.357，3.351）和Hg（2.150，3.910）；滇西北小檗对Cr（3.299，1.141）和Hg（1.341，1.294）的富集系数和转移系数均 > 1，满足超富集植物的基本功能特征。参考李金辉等^[30]的研究报道，小酸模（Rumex acetosella）对Zn表现出显著的富集能力，其富集系数（4.23）和转移系数（2.62）均显著大于1，结合其较强的环境适应性和繁殖能力，被认为是一种潜在的Zn污染土壤修复植物。与之相比，本研究中的3种灌木同样展现出特定的重金属富集优势：唐古特忍冬对Cr、Zn和Hg，峨眉蔷薇对Cr、Cu和Hg，以及滇西北小檗对Cr和Hg均表现出与超富集植物相似的特征，研究结果显示3种灌木在特定重金属污染土壤修复中具有潜在应用价值。然而，要实现实际修复应用，仍需系统评估其生物量生产力、环境适应性以及长期修复稳定性等关键指标。本研究结果为高海拔地区重金属污染修复的植物资源筛选和利用提供了重要的理论基础和数据支撑。

3.3 三种灌木重金属转运能力的综合比较分析

现有研究表明，植物对单一重金属的转运能力与其复合转运能力往往存在差异。张婉婷等^[23]发现，虽然连翘（Forsythia suspensa）对多数重金属的转移系数高于紫丁香（Syringa oblata），但通过隶属函数法评估的复合转运能力却表现为紫丁香 > 连翘 > 紫叶矮樱（Prunus × cistena）。本研究结果与此规律相符：尽管唐古特忍冬对Cd、Cr、Zn和Hg的转移系数（1.198 ~ 4.108）普遍高于滇西北小檗（0.327 ~ 1.294），峨眉蔷薇对Cu和Pb的转移系数（3.351和1.205）也显著高于滇西北小檗，但复合转运能力综合评价却显示滇西北小檗（隶属函数均值0.618） > 峨眉蔷薇（0.414） > 唐古特忍冬（0.250），这一现象表明，植物对单一重金属的转运能力与其整体复合重金属转运能力并不总是呈正相关关系。滇西北小檗虽在单一元素转运效率上不占优势，但其对多种重金属的相对均衡转运能力使其在复合污染环境中可能更具适应性。这些发现为深入理解植物对复合重金属污染的响应机制提供了新的认识，也为筛选适用于不同污染类型环境的修复植物提供了重要参考。

4 结论

本研究揭示了色季拉山3种优势灌木的重金属富集特征：1）元素积累呈现Zn > Cr > Cu > Pb > Cd > Hg的规律，唐古特忍冬、峨眉蔷薇和滇西北小檗分别对Cd、Cr、Pb、Cu和Zn表现出特异性富集；2）叶片是主要富集器官；3）唐古特忍冬对Cr、Zn、Hg的富集能力和转运效率最优，而滇西北小檗的复合转运能力最突出；4）单一元素转运能力与复合转运能力无显著相关性。这些发现为高海拔地区重金属污染修复的植物筛选提供了理论依据。

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基金资助

西藏自治区自然科学基金(XZ202501ZR0103)