綠化樹種滯塵及對重金屬的吸凈效應

李艷芹　李艷梅　梁茂　陳奇伯　鄧志華

摘要 為了更好地篩選昆明綠化樹種，優化園林植被群落建設，以清潔區為對照，選定工業區及主城區使用頻率較高且生長10年以上的10個樹種，測定葉面塵及葉片重金屬含量。分析表明，不管是葉面塵還是葉片重金屬含量，10個樹種均表現為工業區>主城區>清潔區，樹高在2～3 m的滯塵量明顯高于4～6 m，天竺桂和龍柏分別是闊葉樹和針葉樹中的滯塵量最高，其在工業區的滯塵量分別是清潔區的10.5和4.5倍，通過相關分析，葉片重金屬含量與滯塵呈正相關，隨著滯塵內重金屬含量的增加而遞增，不同樹種對重金屬的吸凈效應不同，針葉樹對重金屬的吸收比闊葉樹強，龍柏對Pb和Zn的富集能力突出，雪松、圓柏、天竺桂對Ni、Cr、Mn的吸收最佳。

關鍵詞 植物；滯塵；重金屬；吸凈效應

中圖分類號 S727.28 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）05-0212-03

Abstract In order to better screen the dominant tree species and optimize the building of garden plant community. Regarded the clear area as control plot，selected 10 greening tree species which grew more than 10 years and frequently been used in industrial area and main city area，collected the leaves of 10 greening tree species and determined the dust-retention contents and heavy metal contents in above. As the result showed that the dust-retention contents and heavy metal contents in 10 greening tree species all showed that industrial area>main city area>clean area，also，the dust-retention effect was better in 2～3 m than that in 4～6 m，Cinnamomum japonicum Sieb and Sabina chinensis had a great effect among the broadleaved tree species and the coniferous species，their highest dust-retention contents almost reached 10.5 times and 4.5 times compared to clear area. In all greening tree species，every heavy metal elements contents had a positive correlation property and increased with the increase of heavy metals in dust. Different trees had a different superiority to absorb the heavy metal，the coniferous species was better than the broadleaved tree species，Sabina chinensis had a great effect to storage the Pb and Zn，Cedrus，Sabinachinensis and Cinnamomum pedunculatum were top gallant plants which absorbed the Ni，Cr and Mn in three areas.

Key words plant；dust-retention；heavy metals；ability to absorb heavy metals

隨著社會經濟和城市化的快速發展，空氣顆粒物及重金屬污染在工業區和主城區日益凸顯。空氣顆粒物污染可以直接或間接地危害人體健康，特別是可吸入的顆粒物PM10和PM2.5，由于顆粒物的表面積大，容易吸附大量Pb、Cd、Cu、Zn等為代表的重金屬污染物，其重金屬可引起心臟病、免疫系統等疾病[1-2]。植物作為一種經濟、有效、持久的大氣環境污染修復方式，其器官或組織是環境元素的良好收集器[3]，可從環境中吸收或積累生長所必需或非必需元素。從20世紀開始，許多研究者相繼對植物修復大氣污染開展了大量的研究工作，包括植物滯塵效果、植物對大氣污染的響應、植物監測空氣污染元素、植物對環境污染元素的吸收功能與效益等[4-6]，然而，這些研究主要集中在北方地區，對南方地區研究很少，對植物葉片與葉面塵重金屬含量的相關性研究也很少涉及。事實上，植物滯留的粉塵直接與葉片接觸，重金屬污染物可通過氣孔進入葉片內部，因此植物對粉塵及重金屬污染具有聯合修復的效果[7-8]。

昆明市是有名的“春城”，是著名的歷史文化名城和旅游城市，空氣質量的好壞不僅影響當地的環境和居民的身體健康，也將對社會經濟和旅游發展帶來影響，為此，本文以清潔區為對照，研究了不同污染區植物對大氣顆粒物及重金屬污染物的吸凈能力，探討滯塵及吸收富集重金屬的優勢樹種，為未來城市園林植物的選擇、園林植被群落的建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域及植物種類的確定

以清潔綠化區為對照，對昆明市工業區、主城區進行實地勘察，選擇3個區域使用頻率均較高且樹齡在10年以上且樹齡比較接近的典型綠化喬木，根據文獻[9]，選擇6種闊葉喬木和4種針葉喬木作為供試樹種，即天竺桂（Cinnamo-mum pedunculatum）、大葉女貞（Ligustrum compactum）、桂花（Osmanthus fragrans）、廣玉蘭（Magnolia grandiflora），梧桐（Firmiana platanifolia）、滇樸（Celtis kunmingensis）、龍柏（Sa-bina chinensis）、圓柏（Sabinachinensis）、柳杉（Cryptomeria fortunei Hooibrenk）、雪松（Cedrus）。

1.2 滯塵的測定

在3個不同的污染區域，選擇與道路中心距離相同的樹種進行采樣，從樹冠外圍在樹高2～3 m和4～6 m的位置隨機采集3～5個重復樣本，闊葉喬木采集20～30個葉片，針葉喬木采集60～100 g的小枝，將采集的葉片或小枝放在自封袋內，在實驗室內用蒸餾水浸泡2 h，清洗下葉片的附著物，把小片用鑷子小心夾出，待葉片晾干后，闊葉樹用LI-3000A型葉面積儀測量出葉面積（A），針葉樹將小枝烘干，稱重（W），清洗液用已烘干稱重（W1）的濾紙過濾，過濾后將濾紙放在75 ℃的烘箱中烘至恒重，稱出濾紙和粉塵的重量（W2），計算出滯塵量，闊葉樹為（W2-W1）/A，針葉樹為（W2-W1）/W。

1.3 重金屬元素的測定

新鮮植物葉片經自來水和去離子水洗，烘干經粉碎后保存在干燥器內，采用HNO3—HCIO4消解法對葉片樣品的處理[10]，用ICP-AES測定植物Pb、Cu、Zn、Cd、Ni、Cr、Mn的含量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003及 SPSS17.0軟件進行數據統計、相關性及多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同污染區闊葉樹滯塵效應

葉面塵是空氣顆粒物在重力、降水、吸附等因素作用下附著于植物葉片表面的顆粒物總稱。從動態過程看，葉面塵與空氣顆粒物互為源匯，可用于表征一定時間、一定區域的空氣顆粒物的污染情況[11]。植物葉面滯塵量最大的是秋冬季節[12]，選擇2015年10月、11月近40 d無雨、天氣晴好的天氣采樣測定。從表1中不同污染區6種闊葉樹種的滯塵量看，工業區>主城區>清潔區。工業區和主城區闊葉樹種中最大滯塵量為19.661 g/m2和11.276 g/m2，分別為清潔區的10.5倍和6.0倍。采用LSD法對同一植物葉片滯塵量進行多重比較（表2），工業區、主城區與清潔區的滯塵量差異顯著，說明植物在不同的污染環境下具有不同的滯塵效應，工業區主要以鋼鐵生產為主，煤炭及加工材料產的生固體廢棄懸浮物及出入工廠區的運輸車輛揚起大量塵土導致大氣顆粒物含量較高，主城區的車輛尾氣排放及汽車與地面接觸產生的粉塵也是空氣污染加劇的，從差異程度看，工業生產造成的污染大于交通運輸所造成污染。

表1中闊葉樹種滯塵量看，同一闊葉樹在樹高為2～3 m的葉片滯塵量比4～6 m大，兩者相差1.5～1.9倍，6種闊葉樹中滯塵量較大的是天竺桂和大葉女貞，廣玉蘭和滇樸的滯塵量小。根據采樣情況，低位的枝葉茂密發達且延伸范圍較大，與大氣懸浮顆粒物接觸面大，使粉塵更好地富集在植物葉片上，此外，開敞式環境條件下的車輛行人繁多，生產排放的污染物及路面二次揚塵是低位植物葉片滯留量增多的有利因素[13]。高位的植物枝葉稀疏度大，降水和大風等天氣因素可減少葉片灰塵的現存量，受上下氣流的影響可將滯塵重新沉降到下層樹冠[14]。天竺桂的滯塵量最高，其在工業區中樹高在2～3、4～6 m的滯塵最高達到19.661 g/m2和10.745 g/m2，這可能與天竺桂的枝葉濃密茂盛、葉片腹凹背凸有關，天竺桂葉片有油脂分泌物導致附著的灰塵不易脫落；大葉女貞的葉片由于葉挺、平展及較寬大，對滯留粉塵有利；對于葉片光滑的廣玉蘭和枝葉稀疏度較大且葉片相對單薄的滇樸沒有明顯的滯塵優勢。因此，造成植物個體間滯塵差異的原因與葉面粗糙、凹凸不平和密附細毛有關，同時，受到樹冠結構、枝葉密集程度、葉面傾角的影響[15]。

2.2 不同污染區針葉樹滯塵效應

由于針葉樹的葉表面方向變化較多，用葉表面計算滯塵的準確性不高，為此，本研究用單位葉片干重的滯塵量來反映針葉樹的滯塵效果，3個區域針葉樹滯塵量見表3。

表3中針葉樹的滯塵規律與闊葉樹相似，不同污染區同一樹種滯塵量從大到小為工業區>主城區>清潔區，“低”位葉片滯塵高于“高”位。滯塵量最大的針葉樹是龍柏，工業區2～3 m及4～6 m的滯塵量為45.082 0 g/kg和33.188 9 g/kg，分別為清潔區的4.50倍和4.53倍，4種針葉樹的滯塵量存在差異但不顯著，這可能與枝葉排列、葉形等有關，龍柏和圓柏的鱗葉小枝近圓形或四棱形且排列緊密，龍柏的枝條斜上伸展形成廣圓形的樹冠，利于灰塵的附著；柳杉和雪松的枝葉排列稀疏，其中柳杉小枝細長、常下垂，雪松的葉呈針狀或圓錐形不利于附著粉塵[15]。

2.3 植物葉片及葉面塵重金屬含量相關性分析

大氣懸浮顆粒物通過植物各器官吸收滯留重金屬元素，相關研究表明，植物葉片是空氣中重金屬的極好接收體，葉片內重金屬的累積量與生長的土壤重金屬含量無相關性[16-17]。本研究分析了植物葉片重金屬含量與與滯塵內重金屬相關性，見表4。由表4可知，工業區中葉片中各重金屬含量與葉面塵對應重金屬含量的相關系數大于主城區且大于清潔區，Pb、Cu、Zn、Cr、Mn的相關系數分別可達到0.885、1.000、0.985、0.922和0.931，說明工業區植物葉片重金屬含量與葉片滯塵重金屬含量的關系最為密切，呈顯著性正相關，即隨著大氣懸浮顆粒增加，葉片內重金屬含量遞增。

2.4 不同污染物植物葉片對大氣重金屬的吸凈效應

植物在能忍受污染濃度范圍內，葉肉細胞通過氣孔吸收大氣污染物，溶于細胞加以同化利用[18]。測定不同大氣污染區域植物葉片（經清洗處理）重金屬污染物含量，結果見表5。從表5結果看，10個樹種在不同區域的葉片重金屬含量有類似的規律（除Cr），工業污染區的葉片重金屬含量大于主城區顯著高于清潔區，主要原因是工業區冶煉、金屬加工、機械制造、鋼鐵生產等的工業排放，加之汽車輪胎磨損及煤燃燒產生的粉塵、煙塵中均有重金屬污染物。10個樹種對重金屬均有吸收凈化作用，同一樹種中重金屬元素含量按從大到小排序為Mn>Cr>Zn>Pb>Cu>Ni>Cd，其中Mn和Zn是植物必須元素，葉片中Mn含量比平均重金屬含量高70.3%～205.9%，Cd是生物遷移性很強的重金屬[19]，因此，Cd的含量最低。比較各樹種重金屬元素含量發現，龍柏對Pb、Zn吸收能力最強，工業污染區中龍柏的Pb、Zn重金屬含量分別為清潔區的199.4%、131.24 %，對Ni、Cr、Mn吸收能力最大分別為雪松、圓柏、天竺桂，3個樹種在工業區葉片Ni、Cr、Mn重金屬含量分別比清潔區增長105.35%、114.80%和449.1%。天竺桂對Mn的吸收效果較好，最高為373.504 9 mg/kg，是清潔區的5.491倍，可能是由于樹種的生理特性有所差異，對污染物的敏感程度不同導致的[10]。天竺桂的葉片有油脂分泌物，有助于與對Mn吸收富集。針葉樹種對重金屬量的吸收富集能力比闊葉樹種強。

3 結論

大氣顆粒物是大氣污染的重要組成部分，程政紅、魯敏等[18，20]研究指出可用污染嚴重的工業區內綠化樹種中大氣污染物含量反應大氣污染水平以及植物對大氣污染的修復能力，植物的滯塵效應與植物生理形態有關[21]，本研究中滯塵效果較好的天竺桂和龍柏，與其表面結構有密切的關系，如果要進一步從形態學上揭示其滯塵的機理，后續可以借助對葉片進行電鏡掃描進行分析[1]。針對大氣重金屬污染物，植物兼具抵抗力和吸收力，甚至利用重金屬污染物[22]，葉片重金屬含量與大氣顆粒重金屬污染物密切相關[23]，借助葉片的化學分析測得葉片重金屬含量既可反映重金屬污染程度也可反映植物吸收重金屬污染物的能力。本研究中，同一樹種不同區域及同一區域不同樹種對重金屬的吸收富集均有差異，說明不同污染區其污染源的成分及濃度不同，每個樹種由于自身生理特征差異對污染的吸收富集能力不同，龍柏、圓柏、雪松表現出較強的吸收重金屬能力，由于Mn、Zn本來就是植物的必須元素，因此其在葉片中含量較高，其他重金屬污染物含量相對較低，由于本研究觀測的區域大氣重金屬污染程度與其他區域不同，其觀測數值與其他地方研究結果也有所差異[24-26]。3個污染區，工業區及主城區植物滯塵量和重金屬富集量顯著高于清潔區，局地污染環境是影響植物吸收空氣污染物的主要因素。同一地區同一樹種，受不同高度樹型結構影響，2～3 m高度的葉片吸附粉塵能力明顯，滯塵效果最好的闊葉樹和針葉樹分別是天竺桂和龍柏，其在工業區最大滯塵量相當于清潔區10.5倍和4.5倍。通過相關性分析，葉片中各重金屬含量與葉面塵對應元素含量相關系數均大于0，工業區相關系數最高，說明葉片重金屬含量與葉面塵呈正相關，隨葉面塵重金屬含量增加而增加。由于植物葉片生理基因不同，葉片對重金屬各元素的吸收優勢有所差異，針葉樹對重金屬的吸收較為突出，龍柏對Pb和Zn富集能力最好，圓柏、雪松和天竺桂是吸收Ni、Cr、Mn的優勢樹種。因此，充分利用各樹種對粉塵及重金屬污染物的凈化優勢，在城市綠地應該形成一個針葉樹種和闊葉樹種混交的群落結構。

4 參考文獻

[1] 張維康，王兵，牛香.北京不同污染地區園林植物對空氣顆粒物的滯納能力[J].環境科學，2015，36（7）：2381-2388.

[2] 胡星明，王麗平，畢建洪.城市大氣重金屬污染分析[J].安徽農業科學，2008，36（1）：302-303.

[3] 陸東暉，殷云龍.城市道路綠化植物葉層對重金屬元素和N、S的吸收與蓄積作用[J].南京林業大學學報（自然科學版），2008，32（2）：52-55.

[4] 蔣高明.植物硫含量法監測大氣污染數量模型[J].中國環境科學，1995，15（3）：208-214.

[5] AMMANN M，SIEGWOLF R，PICHLMAYER F，et al.Estimating the up-take of traffic-derived NO2 from 15N abundance in Norway spruce needles[J].Oecologia Berlin：Springer-Verlag，1999，118（2）：124-131.

[6] SAMECKY-CYMERMANA，KEMMPERSA J.Bioindication of heavy metals in the town Wroclaw（Poland）with evergreen plants[J].Atmospheric Environment，1999，33：419-430.

[7] 曹秀春，孟慶繁.城市綠化帶對大氣污染的防護效能[J].東北林業大學學報，2007，35（10）：20-21.

[8] 王成，郄光發，楊穎，等.高速路林帶對車輛尾氣重金屬污染的屏障作用[J].林業科學，2007，43（3）：1-6.

[9] 任建華，朱勇.昆明市區主要街道木本植物群落結構及特征分析[J].湖北農業科學，2009，48（3）：653-659.

[10] 王愛霞，張敏，方炎明，等.行道樹對重金屬污染的響應及其功能型分組[J].北京林業大學學報，2010，32（2）：178-182.

[11] 龐博，張銀龍，王丹.城市不同功能區內葉面塵與地表灰塵的粒徑和重金屬特征[J].生態環境學報，2009，18（4）：1312-1317.

[12] 張景，吳祥云.阜新城區園林綠化植物葉片滯塵規律[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2011，30（6）：905-908.

[13] 高金暉，王冬梅，趙亮，等.植物葉片滯塵規律研究：以北京市為例[J].北京林業大學學報，2007，29（2）：94-99.

[14] 趙勇，李樹人，閻志平.城市綠地的滯塵效應及評價方法[J].華中農業大學學報，2002，21（6）：582-586.

[15] 彭長連，溫達志，孫梓健，等.城市綠化植物對大氣污染的響應[J].熱帶亞熱帶植物學報，2002，10（4）：321-327.

[16] 王丹丹，孫峰，周春玲，等.城市道路植物圓柏葉片重金屬含量及其與滯塵的關系[J].生態環境學報，2012，2l（5）：947-951.

[17] 莊樹宏，王克明.城市大氣重金屬（Pb，Cd，Cu，Zn）污染及其在植物中的富集[J].煙臺大學學報（自然科學與工程版），2000，13（1）：31-37.

[18] 魯敏，寧靜，李東和.綠化樹種對大氣污染的凈化修復能力研究[J].山東建筑大學學報，2010，25（5）：469-476.

[19] 李彥娥，趙秀蘭.植物鎘積累和耐性差異研究進展[J].微量元素與健康研究，2004，21（3）：53-55.

[20] 程政紅，吳際友，劉云國，等.岳陽市主要綠化樹種滯塵效應研究[J].中國城市林業，2004，2（2）：37-40.

[21] XIONG H，QIN S.Estimating the economic values of the forest ecosystem service function in XinJiang[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2006，20（6）：146-151.

[22] 王翠香，房義福，吳曉星，等.21種園林植物對環境重金屬污染物吸收能力的分析[J].防護林科技，2007（5）：7-9.

[23] 殷云龍，駱永明，張桃林，等.南京市城鄉公路蜀檜葉片中金屬元素和氮、硫含量分析[J].應用生態學報，2005，16（5）：929-932.

[24] 孫曉怡，唐偉.撫順市大氣重金屬污染的植物監測與分析研究[J].環境科學與管理，2011，36（9）：122-124.

[25] 戴斯迪，馬克明，寶樂，等.北京城區公園及其鄰近道路國槐葉面塵分布與重金屬污染特征[J].環境科學學報，2013，33（1）：154-162.

[26] 康薇，鮑建國，鄭進，等.湖北銅綠山古銅礦遺址區木本植物對重金屬富集能力的分析[J].植物資源與環境學報，2014，23（1）：78-84.