行道灌木在城市交通環境下的生理響應

摘要：為篩選適宜的行道灌木，提高道路交通環境質量，選擇連云港市區常見的7種行道灌木為研究對象，通過轉盤處、交通主干道和相對清潔區的比較，監測了樹葉中重金屬（Cu、Pb、Zn、Cr、Cd）的含量，脯氨酸、丙二醛和可溶性蛋白等生理指標，同時研究了pH、電導率和樹葉表面氣孔的變化。結果表明：隨著交通密度變大，重金屬含量增大，pH變小，電導率變大；在環境污染的逆境下，植物通過增加脯氨酸和蛋白質含量，降低丙二醛濃度來適應逆境；樹葉氣孔數目和結構的變化隨著樹種的不一表現出不同的變化。不同的灌木對重金屬的吸附能力和環境適應力不一，綜合比較石楠（Photinia serrulata Lindl.）、冬青（Ilex chinensis Sims）、海桐（Pittosporum tobira （Thumb.） Ait.）都是較好的行道灌木。

關鍵詞：交通環境；行道灌木；生理指標

中圖分類號：S719 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）03-0552-06

行道樹直接暴露于污染的交通環境下，樹葉因其具有大的表面層和蠟質層，能有效地吸滯大氣污染物，是極好的空氣污染物積累器[1]。由此，可以通過研究樹木葉片中重金屬含量來監測道路交通環境。目前國內這方面的研究還比較零散，基于已有的工作基礎，本研究著重于行道灌木樹對交通道路環境的響應，篩選出對重金屬有較強吸收能力和抵抗性能、且適于在連云港市區種植生長的交通行道灌木樹。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試樹種 選取連云港市區常見的7種灌木作為研究對象：海桐（Pittosporum tobira（Thumb.）Ait.）、火棘（Pyracantha fortuneana（Maxim）Li.）、冬青（Ilex chinensis Sims）、石楠（Photinia serrulata Lindl.）、黃楊（Buxus sinica Cheng.）、小女貞（Ligustrum lucidum Ait.）、千頭柏（Platycladus orientalis cv. sieboldii）。

1.1.2 主要試驗儀器 DDS-307型電導率儀（上海精密儀器有限公司）；HZQ-C型空氣浴振蕩器（哈爾濱市東明醫療儀器廠）；JSM-6390LV型鎢絲燈掃描電鏡（日本電子株式會社）；TAS-990型原子吸收分光光度計（北京普析通用儀器有限公司）；PHS-3C型精密pH 計（上海雷磁儀器廠）；WFJ2000型可見分光光度計（上海雷磁儀器廠）。

1.2 方法

1.2.1 樣品的采集和預處理 選擇連云港市區的蒼梧路、瀛洲路、郁洲路、海連路、海寧轉盤和華聯轉盤共6個交通高污染區和校園內（相對清潔區）作為采樣地點。2011年10月在時間、樹齡、光線、氣溫相對一致的情況下采集樣品。主干道根據實際長度平均取4～6個采樣點，相對清潔區取3個采樣點。對于任意采樣點，每個樹種大約取5株樹，每株在東南西北4個方向，高度盡量保持一致的情況下取5～10片樹葉。各采樣點采集對象的樹齡、樹高、生長狀況，以及采樣方法保持一致。將采集的樣品置于保鮮袋中，寫入標簽記錄采集的樣品名稱、時間、地點，帶回實驗室于4 ℃左右的保溫箱內保存。將采集的灌木葉用自來水清洗干凈，再用蒸餾水漂洗，新鮮葉片用于測定各項生理指標。取小部分于低溫干燥箱內用于電鏡掃描，剩余的在105 ℃的恒溫干燥箱內烘干、粉碎，密封袋中保存用于重金屬、pH及電導率等指標的分析。

1.2.2 重金屬測定方法 取1.000 g的預處理樣品于聚四氟乙烯燒杯里，分別加入HNO3 10 mL和HClO4 5 mL于電爐上加熱至棕色煙霧冒盡。電爐加熱溫度應從從低到高慢慢上升。稍微冷卻，再加入HNO3 5 mL，繼續消解，冒白煙，直到溶液透明，大約剩3 mL為止。過濾并用蒸餾水定容于25 mL的容量瓶中，待測。采用火焰原子吸收法分別測定Pb、Zn、Cu、Cr、Cd 共5種重金屬元素含量。

1.2.3 pH和電導率測定方法 稱2 g樹葉預處理樣品于清潔干燥的硬質中，加入25 mL雙蒸水，空氣浴振蕩器中速振蕩48 h，用DDS307電導率儀測定電導率，用pHS-3C型精密pH計測定pH。

1.2.4 樹葉生理指標測定方法 植物樹葉脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定，可溶性蛋白采用考馬斯亮藍G-250法（Bradford法）[2]測定。

1.2.5 葉片電鏡掃描 將樹葉表面用蒸餾水清洗干凈，晾干。剪長和寬約1 cm的葉片，夾在兩個載玻片之間，30 ℃的恒溫干燥箱中干燥72 h，用JSM-6390LV型鎢絲燈掃描電鏡觀察葉片氣孔。

1.2.6 數據處理 數據處理分析使用SPSS 17.0軟件，以均值±標準差的形式計量結果。組間和組內差異則采用ANVOA單因素方差分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 城市道路交通污染對灌木葉片中重金屬含量的影響

城市行道樹是保護道路交通環境的骨干，可以富集大氣中的重金屬。對連云港城市7種主要的行道灌木樹葉中的5種重金屬含量分別進行測定，結果見表1-表4。

由表1可知，灌木樹葉Cu含量在轉盤處最高，相對清潔區最低。除小女貞外，其余樹種因采樣點的不同，樹葉中銅含量有顯著性差異，說明灌木樹葉中積累了汽車尾氣排放的Cu。從相對差異ΔCu可以看出小女貞、石楠和海桐是吸附Cu較好的樹種，黃楊的吸附性最差。

由表2可知，交通繁忙地段灌木樹葉中的Pb含量都明顯高于相對清潔區。轉盤處、交通主干道和清潔區樹葉Pb含量呈遞減的趨勢，說明樹葉中Pb含量隨著交通污染的加劇而增加。比較污染嚴重區與相對清潔區，黃楊是一種Pb低凈化型植物，小女貞和千頭柏對Pb的吸附能力相對較強。

通過表3和ANVOA單因素方差分析可知樹葉Zn含量轉盤處>交通主干道>相對清潔區，樹葉中Zn含量也同樣與交通車流密度相關。冬青對Zn吸收的相對差異大于100%，說明它對Zn的吸附性能極高。石楠，黃楊也是Zn高凈化型灌木，海桐和千頭柏等是Zn中等凈化型植物。

從表4可看出同一樹種在校園內、交通主干道和轉盤處Cr的含量都呈現上升趨勢。千頭柏在3個不同采樣區Cr含量差異顯著；海桐在交通主干道和轉盤處差異不顯著，但與對照區之間有顯著性差異。根據相對差異值，海桐和千頭柏是Cr高凈化型植物，小女貞對Cr的凈化能力一般，石楠、冬青、火棘和黃楊都是低凈化型植物。

對于重金屬元素鎘（Cd），所有樹種樹葉中Cd含量都幾乎為0，這應該與汽車廢氣中Cd排放量少有關。

2.2 城市道路交通污染對灌木pH和電導率的影響

行道灌木樹葉長期暴露于污染的交通環境下，極易被二氧化硫等氣體所危害[3]。因此，本研究對樹葉樣品的pH和電導率進行了測定。結果見表5和表6。

由表5可知，轉盤處的樹葉pH最低，交通主干道處其次，對照區的pH最高，即隨著交通車流量的減少pH呈上升趨勢。由ANVOA單因素方差分析可知，小女貞受采樣點間差異（即交通車流密度差異）的影響具有顯著性差異，冬青和海桐等無顯著性差異。

由表6可知電導率σ轉盤>σ主干道>σ對照，且除了千頭柏和冬青，其余樹種在3個不同采樣區都具有顯著性差異。千頭柏和冬青在主干道和轉盤處顯著性差異不明顯，但兩者與對照區仍存在顯著性差異。

由此可知，隨著交通流量的增大，樹葉pH降低，電導率變大。但是電導率的變化差異較pH更加明顯。這也許與大氣中有部分的尾氣排放的SO2有關，因為在SO2濃度比較低時，pH可能不會發生變化，但電導率會發生變化。對于交通污染的細微變化，電導率比pH更靈敏。

2.3 城市道路交通污染對灌木生理指標的影響

2.3.1 灌木樹葉的脯氨酸含量 脯氨酸含量是反映植物抗性的生理指標之一。在逆境條件下，植物通過增加體內的脯氨酸含量提高植物的抗性[4-6]。由表7可知從對照區到轉盤處，隨著交通污染的加劇各個樹種葉片中脯氨酸含量有明顯升高的趨勢。其中，石楠和冬青這兩種灌木的脯氨酸含量相對增幅在100%以上，其余各樹種相對增幅也都達到了50%以上。所有樹種葉片中脯氨酸含量在交通繁忙處與交通稀疏處均存在顯著性差異。

2.3.2 灌木樹葉的MDA含量 MDA是植物在逆境條件下膜脂氧化的產物，反映植物對抗逆境能力的強弱[5]。由表8可知，灌木樹葉中的MDA含量變化不一。小女貞、海桐、千頭柏、火棘和黃楊樹葉中的MDA含量隨著交通車流密度的增加而增加。其中，小女貞、海桐、千頭柏和黃楊的相對增幅都在50%之下，而火棘的相對增幅較大，達到了63.03%。但是，石楠和冬青這兩個樹種的MDA含量從交通繁忙區到交通稀疏區反而減少了，相對增幅呈現了負增長。

2.3.3 灌木樹葉的可溶性蛋白含量 一些非正常的環境會影響蛋白質的正常代謝，使得植物體內的蛋白質含量發生變化，因此蛋白質也是反映植物抗性的生理指標[5]。由表9可知，石楠、海桐、千頭柏和冬青隨著交通污染的加重樹葉中可溶性蛋白的含量增多。其中，冬青的相對增幅最大，在80%以上，石楠、海桐和千頭柏3種灌木的相對增幅則都小于50%。而小女貞、火棘和黃楊這3種灌木樹葉可溶性蛋白含量從對照區交通主干道到卻呈下降趨勢。

2.3.4 城市道路交通污染對灌木樹葉表面氣孔的影響 氣孔是植物進行氣體交換的門戶，也是大氣污染物質進入植物內部的主要通道[3]。圖1分別為火棘、石楠和千頭柏3種灌木的電鏡掃描圖。與對照相比，交通繁忙區的火棘氣孔顯得模糊，似乎有些關閉，且雜亂不規則，這可能是受到環境污染脅迫的結果。火棘在不利的環境下通過生理調節來保持自己的生長狀況，但從吸收污染物的角度看，則不是適宜的交通行道樹。從對照區和交通污染區石楠的掃描圖發現污染區的氣孔排列更加有序，緊密，氣孔數目變多，出現了一些橢圓型氣孔。雖然石楠出現了一些變形的氣孔，但其氣孔無明顯大小上的變化，而且數量變多。因此，石楠是一種較合適的行道灌木樹。從千頭柏掃描圖可以看出交通繁忙區的氣孔變短變大，排列不整齊，角質層變厚。千頭柏在污染的條件下增大氣孔吸收污染物質的同時也通過增加角質層進行自我保護。

2.4 城市灌木樹葉積累重金屬與交通環境的關系

汽車尾氣帶來的重金屬污染對人體健康和生態環境會造成嚴重的傷害。汽車尾氣產生的交通污染主要在交通繁忙的主干道和交通轉盤處，行道樹可吸收重金屬，能夠直接降低人類和生態環境遭受重金屬污染的危害。本研究的7種連云港城市行道灌木對Cu、Pb、Zn、Cr等重金屬的吸收表現為交通轉盤處的含量高于交通主干道，高于清潔的對照區。灌木樹葉中的重金屬含量隨著交通車流密度的加大以及交通污染程度的加重而增加。植物吸收富集重金屬的能力也因植物樹種差異、樹葉生長時間、植物的生理特性、季節和雨水等的變化而變化。對于Cu，石楠、海桐和小女貞葉片中含量的相對差異較大；小女貞和千頭柏對Pb元素的吸收能力較強；對于Zn，冬青葉片中含量的相對差異在100%以上。而海桐和千頭柏對Cr元素表現出了超強的吸附能力。綜合比較，女貞、千頭柏、海桐、石楠和冬青都能較好地吸收大氣污染中的重金屬，是較好的交通綠化植物。

由表1-表4可知，灌木樹葉Zn和Pb的含量較高，Cu與Cr次之，Cd幾乎不存在。Zn和Cu是植物生長的必要元素，所以在植物樹葉中含量較多。然而Pb不是植物生長的必要元素，而是對植物有害的元素，其在葉片中含量高于Cu，接近于Zn含量，且在交通密集處與稀疏處存在顯著性差異，說明汽車尾氣中Pb造成了一定的交通環境污染。Cr和Cd的含量都相對較低，特別是Cd幾乎不存在，原因可能是這兩種元素在汽車尾氣中的存在本來就很少，也可能是實驗綠化樹對它們的吸收能力較弱。

2.5 城市灌木樹葉生理指標與交通環境的關系

脯氨酸在逆境（干旱、高溫、紫外照射、冰凍以及重金屬等）脅迫下會起到很大的調節作用，植物通過積累脯氨酸提高適應能力和對逆境的抵抗能力[6]。本研究的所有灌木樹在交通密集處，其體內脯氨酸含量都明顯增加，說明這些植物在交通污染脅迫的逆境下都能較好地適應。游離的脯氨酸可以作為細胞質調節物質，穩定生物大分子結構、降低細胞酸度、清除體內活性氧等[7]。石楠和冬青的脯氨酸含量相對增幅最高，在100%之上，所以它們對逆境抵抗能力和適應能力非常強。

當外界有毒物質大量進入細胞，破壞部分內酶活性后，自由基作用于脂質發生過氧化反應，氧化終產物為MDA[8-11]。MDA的積累會傷害植物[12]。石楠和冬青的MDA含量在交通密集處與稀疏處出現負增長現象，表明這兩類樹種在交通污染脅迫下表現較強的適應性。交通密集處的小女貞、火棘和黃楊樹葉中可溶性蛋白含量比交通稀疏處的要小，其原因可能是交通污染環境下，大氣中重金屬與膜蛋白結合從而破壞膜的透性。石楠、海桐、千頭柏和冬青的可溶性蛋白含量都有所增加，這可能是由于逆境蛋白產生的緣故。從該項指標來看，石楠、海桐、千頭柏和冬青在逆境環境下能較好地抵抗污染和適應環境。

通過城市灌木樹3個生理指標與交通環境的比較，在逆境條件下，大多數灌木的脯氨酸、MDA和可溶性蛋白的含量都會增加，其相對增幅因樹種間差異有所不同。暴露在污染的交通環境下，抗性好、適應能力強的灌木會產生大量的脯氨酸和可溶性蛋白，同時相對地降低其MDA含量，減少受損傷程度。結合重金屬增幅比較，行道灌木樹首選石楠和冬青，其可用作交通污染凈化以及交通污染變化情況監測，海桐和千頭柏次之。

3 結論

1）行道灌木對重金屬有不同的凈化能力。小女貞和石楠對Cu有較強的凈化吸收能力；千頭柏和小女貞對Pb的凈化吸收能力相對較強；冬青對Zn有極強的吸收能力；海桐和千頭柏對Cr的凈化能力極強。

2）交通密度影響交通環境。各重金屬含量都明顯地表現為：轉盤處>交通主干道>對照區。交通車流量越大環境污染越嚴重，相對應道路環境中的重金屬含量越高。

3）交通環境會影響行道灌木樹葉的pH和電導率。隨著交通流量的增大，樹葉pH降低，電導率變大。

4）交通環境對植物的脯氨酸、丙二醛和可溶性蛋白含量這三個生理指標均產生影響。植物通過升高脯氨酸和蛋白質含量，降低丙二醛濃度來適應逆境。

5）交通環境對灌木樹葉的氣孔結構和氣孔數目產生影響。氣孔結構以及單位面積上的氣孔數都與交通道路環境污染狀況相關。

6）綜合比較，石楠、冬青、海桐都是較好的行道灌木。

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（責任編輯 龔 艷）