杭州市六種常見綠化樹種葉片累積空氣重金屬特征及與環境因子的相關性

王愛霞 方炎明

摘 要：該研究選取杭州市2個污染區常見的6種綠化樹種葉片作為材料，以清潔區為對照，采用電感耦合等離子體發射光譜法，測定受試樹種葉內及對應樣點降塵、土壤中Pb、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的含量，分析葉片的吸污能力以及重金屬含量與土壤、降塵的相關性。結果表明：（1）污染區樹種重金屬含量明顯高于對照區，綠化樹種對環境重金屬污染物有一定的吸收能力，重金屬含量在不同的樹種中具有明顯差異；所測樹種葉內Zn含量最大，Pb次之，Cd最小，指示能力則以枸骨（Ilex cornuta）對Cd和Pb、圓柏（Juniperus chinensis）對Cu、茶花（Camellia japonica ）對Ni、廣玉蘭（Magnolia grandiflora）對Zn為最強。（2）3個樣點樹種葉片與對應樣點土壤、降塵中重金屬元素含量的相關性分析和回歸分析表明，葉片重金屬含量與土壤重金屬含量的相關性較小，而與降塵呈顯著正相關。因此，綠化樹種葉片作為空氣重金屬污染的累積器和監測器是科學合理的，且上述4種樹種對杭州市空氣中6種重金屬污染的指示作用具有一定參考價值，可作為監測城市空氣質量的特型樹種。該研究結果為減少城市空氣重金屬污染提供了科學依據和理論支持。

關鍵詞：綠化樹種， 重金屬， 累積， 降塵， 土壤

中圖分類號：Q948.12

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142（2017）04-0470-08

Abstract：In order to detect the heavy metal accumulation ability and the effects of environmental factors on the green tree species leaves， six common green tree species were selected for analyzing six heavy metal elements （Pb， Cd， Cr， Cu， Ni and Zn） concentrations in samples. Three areas were chosen for this research in Hangzhou， China， two industry areas for heavy metal pollution treatments and one natural area for control. Afterwards， leaf， soil and dust fall samples were collected to test the six heavy metal element concentrations using the element analyzer （ICP-AES）. The results were as follows：（1） According to the accumulation factors and correlation indexes， we suggested that heavy metal concentrations in the leaves from pollution areas were obviously higher than those in the control. Generally， Zn accumulated the highest concentration in those plants， followed by Pb， and Cd of the lowest. However， different species had inequable abilities on heavy metal accumulation. We infered that Ilex cornuta could be a bio-monitor on Cd， Pb. Juniperus chinensi， Camellia japonica and Magnolia grandiflora could be indictors on Cu， Ni and Zn， respectively. （2） The correlation and regression factors of the six heavy metal concentrations between three collecting areas and leaf samples showed that the heavy metals absorbed in leaf samples had more positive correlation with dust from atmosphere than that from the soil samples. Therefore， it is reasonable and scientific that these trees could be selected as accumulators and bio-monitors of the atmospheric heavy metal pollution. The results provides important references on the indictors and bio-monitors searching about the atmospheric heavy metal pollution.

Key words：green trees， heavy metal， accumulation， dust fall， soil

隨著我國城市化和工業化的速度加快，車輛保有量不斷上升，化工污染釋放加劇，霧霾困擾著人們的日常生活，空氣污染問題已經成為人們極為關注的環境問題之一。空氣污染物中危害最大的就是重金屬離子，如鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）、鋅（Zn）等，它們均會附著于空氣顆粒物（Particulate matter，PM）上，會直接影響植物的生長發育和人體的健康狀況（Rühling & Tylea， 1968）。目前，利用植物來監測空氣重金屬污染，為環境污染分析補充了一條有效的途徑（劉玲等，2014）。應用最為廣泛的是苔蘚類植物，這類植物因假根不能吸收附著于基質中的物質而使用較多，利用樹木來監測空氣污染則相對較少。樹木的各個器官都可以吸收環境中的污染物（王愛霞和方炎明，2015）。但是，木本植物種類多、葉片形態差異大，而且直接與空氣重金屬污染物接觸，葉片表面通過氣孔、裂隙等對重金屬污染物可以持續吸收（劉玲等，2013）。因此，通過測定葉內重金屬的含量也可以反映環境的污染狀況。

國內大多研究判斷樹種葉片的監測能力都是以重金屬污染因子為依據的（劉玲等，2013），但很少研究論證所處環境中空氣降塵、土壤對監測材料的影響，尤其是作為監測空氣污染的葉片重金屬含量與空氣重金屬含量之間的關系目前尚無實驗依據，這勢必將影響監測材料的選擇和科學性。此外，關于杭州市及其周邊地區利用綠化樹種監測空氣重金屬污染的研究資料目前尚未見有報道。因此，開展此項研究工作顯得緊迫而必要。本研究選擇杭州市主要的常綠綠化樹種作為研究對象，分析不同污染區樹種葉片累積重金屬能力以及與采樣區土壤、空氣降塵的相關性，旨在為減少城市空氣重金屬污染提供科學依據與理論支持。

1 材料與方法

1.1 采樣點選擇及周邊環境

對照區選擇浙江杭州西天目山自然保護區附近，交通污染區選擇杭徽高速公路杭州段兩側，工業區選擇杭州西的工業園區。3個采樣區相距較近，小區域氣候狀況保持一致，地勢平坦且海拔高度保持一致，環境干擾小。自然保護區位于杭州臨安城北，遠離市鎮，地理位置偏僻，無污染源，空氣相對清潔，故作為對照區。交通污染區因為其交通流量大，且無其它污染源影響，可作為監測樣點。其地理坐標約為119°41′ E，30°06′ N。工業區內主要是以生產二鹽基亞磷酸鉛、二鹽基硬脂酸鉛、三鹽基硫酸鉛、硬脂酸鉛、粒（粉）氧化鉛、染料、洗化等產品為主的工廠，此污染區空氣污染源主要以重金屬為主。

1.2 材料

依據前期野外調查結果，在各受試區采集生長環境一致、樹齡相同的6種綠化樹種葉片作為研究材料，樹種分別是廣玉蘭（Magnolia grandiflora）、茶花（Camellia japonica）、圓柏（Juniperus chinensis）、香樟（Cinnamomum camphora）、桂花（Osmanthus fragrans）、枸骨（Ilex cornuta），用于分析測定各測試區綠化樹種葉內的重金屬含量。

1.3 方法

1.3.1 植物樣品的采集、處理與測定方法 采樣時間選擇在2014年8-10月期間，采樣前一周無降雨，采樣時天氣晴朗無風，以避免天氣的影響，每個月采集2次，連續采集3個月。在每個采樣區選擇林帶寬度、種植狀況基本一致的植物樣地3塊，每塊約為10 m × 10 m。在每塊樣地中隨機選取每種植物10株，株高3 m，樹齡5 a。每個樣株從東、南、西、北四個方位同齡枝條的相同部位采集葉片，每次每種植物采集葉片約為400 g。葉片樣品用自來水刷洗干凈，再用蒸餾水漂洗，置于烘干箱中殺青，殺青溫度為105 ℃，時間為10 min，然后降溫到70 ℃烘干至恒質量，冷卻后粉碎，過篩（孔徑為1 mm），樣品粉末放入清潔密封袋中備用。

樣品采用王水-高氯酸（HNO3-HCl-HClO4）開放式消煮法（中國土壤學會農業化學專業委員會，1983）。先用萬分之一天平稱取烘干粉碎樣品0.500 0 g（精確到0.000 1 g），每個樣品設置3個重復，然后放入50 mL的三角瓶中，滴入2～3滴的去離子水潤濕樣品，加入10 mL體積比為5∶1的HNO3-HCLO4（HNO3p≈1.42 g·cm-3，HClO4 p≈1.60 g·cm-3，優級純）的混合溶液。將電熱板升溫到100 ℃后，把樣品置于電熱板上消煮12 h，接著升高溫度到140 ℃，直到瓶內消煮液持續有小氣泡逸出，消煮至大量白煙冒盡，取下三角瓶冷卻。再向瓶中加入2 mL的HNO3-H2O（濃硝酸與去離子水體積比為1∶1）混合溶液，加熱溶解殘留物。最后將三角瓶中液體用去離子水洗入25 mL的容量瓶中，冷卻后定容，同時做空白試驗和標準樣品（GBW10020，國家標準物質研究中心）消煮，用以保證樣品消解和分析的準確度和樣品回收率的計算。

采用美國Perkin Elmer公司4300DV型電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP）測定消煮液中的元素Cd、Cr、Ni、Cu、Pb、Zn（中國土壤學會，1983），樣品回收率≥98.5%。

1.3.2 降塵樣品的收集、處理與測定方法 在不同采樣點各植物所處的地段收集降塵與土壤，在每個樣點10 × 10 m2 的范圍內隨機選擇3個小樣方，每個小樣方為1 m2，每個樣點按對角線法用毛刷和塑料鏟子采集5個點位0～10 cm的土壤，混合均勻后約為500 g。將土壤樣以密封袋包裝，期間嚴禁接觸金屬器皿，封口貼好標簽，記錄采樣的時間、地點。

帶土樣回實驗室攤開，避光自然風干，磨碎后過100目土壤篩，置于塑料袋中編號、保存、待用。消煮前稱取0.500 0 g土樣，每個樣品設3個重復。

空氣降塵是在上述采集點放置降塵缸（500 mL的塑料缸），每個位點6個降塵缸。采樣前，降塵缸里面加入乙二醇60 mL，加水50 mL。降塵連續收集3次，每月1次，帶回實驗室用坩堝煮干備用。用1.3.1的實驗方法測定降塵與土壤中重金屬含量。

1.3.3 數據統計分析 采用SPSS 11.5統計分析軟件對不同采樣點綠化樹種葉片中的重金屬含量數據進行方差分析。數據處理和表格繪制采用Microsoft Office Excel 2003工具，回歸分析圖采用軟件Sigmaplot 12.1繪制。重金屬污染因子=污染區樹種葉內重金屬含量/對照區對應樹種葉內重金屬含量；采用測試區樹種葉內6種重金屬含量與對應測試區降塵內6種重金屬含量做相關性線性回歸。

2 結果與分析

2.1 葉內重金屬元素的含量及污染因子

生長于空氣污染環境之中的綠化樹種具有累積空氣中重金屬污染物的能力，本文分析了對照區與工業區、交通污染區6種綠化樹種葉片中6種重金屬的含量（表1），并對各樣本數值進行了方差分析，各樣本數值符合正態分布，未進行數據轉換。結果表明，兩污染區與對照區各樹種葉片中同一重金屬的含量不同，除對照區圓柏、桂花對Ni，工業區香樟、桂花對Cd，交通污染區廣玉蘭、圓柏對Cd以及圓柏、枸骨、桂花對Cu無顯著差異外，不同樹種葉片中6種重金屬含量均存在顯著差異。同一樹種葉片內6種重金屬的含量也不相同， Zn的含量最高（10.24 ～ 76.991 mg·kg-1），Cd的含量最低（0.03～ 0.55 mg·kg-1）。兩污染區6種樹種葉片的重金屬含量均顯著高于對照區。

重金屬污染因子是反映大氣污染的指標，通過計算污染區與清潔區植物葉內重金屬含量的比值，評定植物累積重金屬的能力，并估量大氣污染程度。表1顯示，各樹種對同種元素的污染因子在工業區和交通污染區各不相同，且大多存在顯著差異，對于Cd、Pb（除廣玉蘭）、Ni（除桂花）元素，交通污染區高于工業區，而Cr元素（除圓柏和香樟），則工業區高于交通污染區；不同樹種指示6種金屬的能力也不相同，對Cd的污染因子，交通污染區的香樟最高（11.00），工業區的茶花最低（3.40）；對Cr的污染因子，工業區茶花最高，香樟最低；對Cu的污染因子，交通污染區圓柏的最高，廣玉蘭葉最低；對Ni的污染因子，交通污染區的茶花最高，工業區的香樟最低；對Pb的污染因子，交通污染區的枸骨葉最高，工業區的桂花最低；對Zn的污染因子，交通污染區的圓柏最高，以工業區的桂花最低。同一樹種對6種重金屬元素的平均污染因子也不相同， 污染因子較高的是Cr、Ni、Pb，范圍分別是46.78～15.32、42.25～16.18、68.87～7.77，污染因子最小的是Cu，范圍是2.30～1.84；各樹種對同種重金屬元素的平均污染因子也不相同，Cd污染因子最高的是枸骨（7.90），Cr以桂花（39.25）為最高，Cu以圓柏（2.49）為最高，Ni以茶花（42.25）為最高，Pb以枸骨（68.67）為最高，且該樹種對Pb的污染因子遠遠高于其它樹種，是良好的污染物累積器和指示植物，而Zn以廣玉蘭（5.31）為最高。

2.2 葉內重金屬元素的平均含量

從表2可以看出，污染區重金屬元素平均含量（PZ）=工業區（CZ）與交通污染區（TZ）各受試樹種中對應元素含量的平均值，元素相對累積量=污染區樹種葉內重金屬元素平均含量（PZ）-對照區受試樹種對應元素含量的平均值（CK）。污染區和對照區各樹種葉內6種重金屬元素平均含量存在顯著差異，污染區與對照區均以Zn含量最高，而Cd含量最低，這可能與空氣中各重金屬污染物的濃度有關。污染區6種重金屬的平均含量明顯高于對照區，表明重金屬污染物的釋放在逐漸加重。與對照區相比，污染區6樹種對6種重金屬都有不同程度的累積，累積量最高的是Zn（52.31 mg·kg-1），其余依次為Pb>Cr>Ni>Cu>Cd。

2.3 采樣點土壤與地表降塵中的重金屬含量

將采樣地土壤與降塵樣品中的 Cu、Pb、Zn、Cd、Cr 和Ni 6種重金屬元素含量的測定結果與國家環保總局頒布的《土壤環境質量標準》（Environmental quality standard for soils）（GB15618-1995）中規定的標準值進行對比，結果見表3。

2.4 綠化樹種葉與空氣降塵、土壤重金屬含量的相關性

從表4可以看出，對照區、交通污染區綠化樹種葉內測定的6種重金屬元素與相應樣地土壤中重金屬含量的相關性各不相同，但T-檢驗分析發現，對照區的6樹種葉內重金屬含量與土壤重金屬含量具有顯著相關性，相關系數范圍為0.900～0.930，且P<0.05，而其它檢驗結果無顯著相關性（P>0.05），即相關性無意義。

從表4還可以看出，對照區6種植物葉內重金屬含量與降塵重金屬含量具有顯著相關性（P<0.05），相關系數范圍為0.862～0.978，且交通污染區的6種綠化樹種的葉內重金屬含量與空氣降塵重金屬含量達到極顯著正相關（P<0.01）；觀察發現，綠化樹種葉內重金屬含量與降塵重金屬含量的相關性則是對照區高于污染區。對綠化樹種葉內重金屬元素含量與降塵重金屬含量作線性回歸分析（圖1）顯示，6樹種中重金屬元素含量與降塵重金屬含量都呈正相關，對照表4可以看出，交通污染區、工業區樹種葉內重金屬含量與降塵中重金屬含量的相關性高于與土壤重金屬元素含量的相關性。

3 討論

3.1 不同測試區綠化樹種葉片內重金屬含量的比較

本研究通過分析3個受試區6樹種葉內的6種重金屬含量發現，污染區樹種葉內重金屬含量及平均含量明顯高于對照區 ，說明植物體內重金屬含量的累積與其生長環境的污染程度密切相關，這與De Nicola et al（2008）和Gratanil et al（2000）的研究結果一致。本研究在3個受試區葉內重金屬含量均以Zn較高，其次為Pb，而Cd較低。因為Zn是植物的必需元素，且通過根部吸收、體表沉積空氣中的一些元素，從而導致含量較高；Pb不是植物的必需元素，葉內Pb含量也反映出環境污染的狀況。

樹種對污染物的累積與植物葉表面特征（劉玲等，2013）、生長速率（Echeister et al， 2003）、含水量、pH值變化（劉家堯等，1997；吳玉環等，2002）、生長季節（Couto et al，2003；Markert et al，1989）等因素有關， 而且一種重金屬含量的變化會影響植物對其他金屬的吸收（Albasel et al，1985），粒子大小也會影響元素的分配（Gidhagen et al，2003）。因此，工業區、交通污染區6樹種葉內重金屬含量明顯高于對照區，Zn、Pb含量及累積量較高，從一定程度上反映了化工廠、車輛交通等人為活動對綠化樹種的影響。

3.2 不同綠化樹種污染因子的比較

重金屬污染因子可反映樹種指示空氣污染的能力及測試區的空氣污染狀況。本研究中，兩污染區都受到不同程度的空氣重金屬污染，各樹種葉內不同種類重金屬元素的污染因子因污染區的不同而有所差別，比較各區污染因子的平均值發現，Cd、Pb、Ni等以交通污染區為高，而Cr則以工業區為高，這可能與兩污染區重金屬元素的釋放量有關，交通污染區重金屬污染因子較高的原因與金屬鍍層、燃料等添加Cd、Ni以及含Pb汽油的使用有關（Satake et al，1996），且釋放量遠遠超過工業區，而Cr元素以化工區較高。總之，這些金屬在污染區的顯著升高，很大程度上反映了機動車輛等人為因素是造成金屬上升的主要原因（Tayel et al，2002）。本研究各樹種葉內重金屬污染因子的表現也不同，其中以枸骨對Cd、Pb元素、圓柏對Cu元素、茶花對Ni元素、廣玉蘭對Zn的指示能力最強。綠化樹種葉片重金屬指示能力不同可能受雨水徑流（楊清海等，2008）、物候期、測試區環境風向（Veranth et al，2003）及測試葉片的內外結構（劉玲等，2013）、 內部生理生化特征及基因差異（Dockery， 2001）等內外因素影響。

3.3 測試樹種葉內重金屬含量與土壤、降塵的相關性比較

本研究在所調查的三個區域中，對照區土壤樣品中6種重金屬元素的含量仍在國家控制的一級標準之內（Cd除外），工業區和交通污染區土壤樣品中Cr、Cu、Pb、Zn在二級標準與三級標準之內；工業區和交通污染區降塵樣品中Cu、Ni、Pb、Zn元素都超出了國家控制二級標準，而兩污染區Cd元素、交通污染區Cr元素的污染超標最為嚴重，已超過國家規定的三級標準，這反映出人為活動對環境造成的影響，即使在空氣較為潔凈的自然保護區，由于開發旅游等因素，隨著車流量、人流量的加大，環境也受到了污染，這些惡果會表現在生物體上。

本研究中，不同樹種葉內重金屬含量與土壤、降塵重金屬含量的相關性各不相同，對照區6樹種葉內重金屬含量與土壤重金屬含量、降塵重金屬含量均具顯著相關性（P<0.01），相關系數范圍為0.801～0.978，數值分布均勻且較高，表明在清潔區監測材料體內的重金屬元素受土壤、空氣顆粒物的共同作用，是樹種葉內重金屬元素的主要來源，與Onder & Dursun（2006）的研究結果一致。污染區植物重金屬元素含量與土壤的相關性低于與降塵的相關性，說明6樹種吸附大氣污染物與降塵沉積空氣顆粒物具有一致性。本研究中，交通污染區的葉內重金屬含量與降塵達到極顯著正相關（P<0.01）。調查樹種葉內重金屬含量與降塵重金屬含量呈正相關性，說明葉內重金屬含量與降塵重金屬含量具有同源性，降塵重金屬含量的多少與該地區綠化樹種葉內的重金屬含量直接相關，說明空氣重金屬污染的顆粒物沉降對樹種葉內的重金屬含量影響更大。王愛霞（2010）在南京進行的樹葉重金屬含量與空氣中PM10濃度的相關性研究中也得出類似結果，均證明了空氣污染對樹種葉內重金屬的重要影響，為樹種葉片監測重金屬污染提供了依據。

4 結論

（1）化工區、交通污染區樹種葉內6種重金屬含量明顯高于對照區，Zn、Pb含量及累積量較高，從一定程度上反映了化工廠、車輛交通等人為活動對綠化樹種的影響。（2）測試區各綠化樹種累積同種金屬的能力因樹木種類的不同而存在顯著差異，相同樹種對6種重金屬的累積能力也不相同，其中以Zn含量和累積量最大，Pb次之，Cd最小。（3）在所調查的三個區域中，對照區土壤樣品中6種重金屬元素的含量仍在國家控制的一級標準之內（Cd除外），化工區和交通污染區土壤樣品中Cr、Cu、Pb、Zn在二級標準與三級標準之內；化工區和交通污染區降塵樣品中Cu、Ni、Pb、Zn元素都超出了國家控制二級標準，而兩污染區Cd元素、交通污染區Cr元素的污染超標最為嚴重，已超過國家規定的三級標準。 （4）除對照區植物葉內重金屬與土壤相關性較高外，樹種葉內重金屬含量與土壤重金屬含量的相關性小于與降塵重金屬含量的相關性，相關系數和回歸分析表明，降塵對樹種葉內金屬的影響大于土壤，而交通污染區降塵對樹種葉內金屬含量具有極顯著影響。綜上所述，園林綠化過程中，應根據周圍環境，有針對性的選擇空氣重金屬污染指示能力強的樹種，為營造生態城市進行合理的配置。

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