益陽市主要行道樹葉片重金屬富集狀況及污染評價

庫文珍，董 萌，彭曉赟，黎 艷

(湖南城市學院 材料與化學工程學院，湖南 益陽 413000)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，其帶來的環(huán)境污染問題不容忽視.汽車排放的尾氣含有大量重金屬離子，受大氣運動的影響，重金屬離子可與其他物質(zhì)結(jié)合形成不同價態(tài)物質(zhì)，因此會造成不同程度的重金屬污染[1].重金屬污染具有潛伏性、長期性、累積性和不可逆性[2].城市空氣中的重金屬元素主要以大氣顆粒物的形式遷移、富集和轉(zhuǎn)化[3].通過對城市綠化樹重金屬含量的測定和分析，不僅可直接了解植物體內(nèi)重金屬富集的狀況，還可間接了解大氣重金屬污染程度[4-5].馬躍良等[6]研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)植物葉片中的重金屬元素含量，能夠有效地評價大氣污染等級和大氣質(zhì)量狀況，在環(huán)境監(jiān)測中具有廣闊的應用前景.鄒金華等[7]研究發(fā)現(xiàn)，天津市外環(huán)的主要交通樞紐、大型車輛停靠區(qū)的植物葉片中Cr、Pb 含量較高，高于小型車輛密集的中環(huán)與內(nèi)環(huán)，而公園、學校區(qū)的植物葉片中重金屬含量均較低.目前，對植物葉片吸收重金屬能力方面的研究較多[8-10]，但針對城市行道樹葉片重金屬含量方面的報道較少.

本文以益陽市區(qū)車輛流量較大的街道兩旁綠化樹作為研究對象，通過對其葉片和根際土壤中重金屬含量的測定與分析，研究其重金屬污染程度并據(jù)此評價大氣污染等級，旨在為益陽市區(qū)大氣重金屬污染的生態(tài)研究提供參考.

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

益陽位于北緯27°58′38″至29°31′42″、東經(jīng)110°43′02″至112°55′48″，東西最長距離217 km，南北最寬距離173 km，屬亞熱帶大陸性季風濕潤氣候.樟樹和桂樹為該市主城區(qū)主要行道綠化樹種，對城市環(huán)境的美化起著非常重要的作用.

1.2 樣品采集及預處理

以益陽市主干街道且車輛流量較大的益陽大道、銀城大道、迎賓東路和康復路4 條街道為本研究的采樣區(qū)；每條街道上選擇3 個采樣點，且分別選擇每條街道的前、中、后3 個路段，盡量遵循周圍沒有大型污染源(如化工廠)的原則，采集街道生長狀況良好的優(yōu)勢植物葉片及其根際土壤(0～20 cm)；同時，以相對清潔的湖南城市學院校園區(qū)作為對照點.

將所采集的植物葉片樣品用自來水清洗其表層污泥，再用蒸餾水浸泡并沖洗2～3 次，在70 ℃下烘干至恒重；然后利用高速多功能粉碎機粉碎，過100 目篩篩選并裝入塑料樣品袋中，貼好標簽，備用.將所采集根際土壤平鋪于陽光下曬干，取少許用研缽磨細，過100 目篩，裝入塑料樣品袋中，貼好標簽，備用.

1.3 樣品消解與測定

稱取0.500 g 葉片樣品和0.200 g 土壤樣品粉末分置于100 mL 錐形瓶中，加入體積比為3∶1的HNO3-H2SO4混合液15 mL，靜置過夜；于電熱爐上加熱至各樣品消解完成(錐形瓶口白煙冒盡，樣品溶液呈白色或者透明，底物呈粘稠狀)即可，關閉電熱爐；取下錐形瓶冷卻至室溫，經(jīng)過濾后轉(zhuǎn)移至25 mL 容量瓶中，加入2% HNO3溶液稀釋至刻度線，蓋緊瓶塞，搖勻待測.每個樣品重復測試3 次，其重金屬含量采用石墨爐原子吸收法測定，記錄好數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 植物葉片及其根際土壤重金屬含量

植物葉片及其根際土壤重金屬(Cr、Cu、Pb)的含量分別見表1～表3.

由表1 可知，除銀城大道的紅檵木和康復路的樟樹外，各街道區(qū)植物葉片Cr 含量均比湖南城市學院校園區(qū)的高，且其植物根際土壤Cr 含量也高于湖南城市學院校園區(qū)；根際土壤Cr 含量高于葉片Cr 含量，街道區(qū)土壤中Cr 含量最大為99.100 mg/kg，植物葉片中Cr 含量最大為5.559 mg/kg.

表1 各區(qū)域行道樹葉片及其根際土壤Cr 含量 mg/kg

由表2 可知，除益陽大道的樟樹、桂樹和康復路的櫻樹葉片Cu 含量低于湖南城市學院校園區(qū)外，其他街道區(qū)植物葉片Cu 含量均高于湖南城市學院校園區(qū)，且迎賓東路的紅檵木葉片Cu含量與湖南城市學院校園區(qū)接近；在根際土壤Cu含量方面，除湖南城市學院校園區(qū)的紅檵木Cu含量高于銀城大道紅檵木外，其他植物根際土壤Cu 含量都遠低于街道區(qū)；街道區(qū)植物葉片Cu 含量并不都比對應的根際土壤Cu 含量低，如銀城大道桂樹葉片Cu 含量為25.417 mg/kg，而其根際土壤Cu 含量為17.092 mg/kg，這可能是因不同植物對不同重金屬元素的富集差異引起的.

表2 各區(qū)域行道樹葉片及其根際土壤Cu 含量 mg/kg

表3 各區(qū)域行道樹葉片及其根際土壤Pb 含量 mg/kg

由表3 可知，街道區(qū)植物葉片的Pb 含量均高于湖南城市學院校園區(qū)，這表明益陽市的汽車尾氣排放影響了植物生態(tài)；街道區(qū)根際土壤Pb 含量范圍為13.132～48.456 mg/kg，其中康復路紅檵木根際土壤Pb 含量最高，達48.456 mg/kg；街道區(qū)植物的根際土壤Pb 含量均高于對應的植物葉片Pb 含量.

綜上所述，同種植物葉片在不同區(qū)域的重金屬含量不同，如銀城大道樟樹葉片Cu 含量是益陽大道樟樹葉片Cu含量的8.6 倍.重金屬對植物的危害是在各種外界環(huán)境因素和植物自身特點共同作用下進行的[11].在不同的環(huán)境條件下，重金屬對植物的危害呈現(xiàn)出不同狀況.不同植物的葉片結(jié)構(gòu)與葉片細胞的生理生化特性不同，導致植物對重金屬元素的吸收性、反應性和抗性也各不同[12]，如銀城大道紅檵木(16.314 mg/kg)比益陽大道樟樹葉片Cu 含量(2.986 mg/kg)高4.47 倍.

2.2 植物根際土壤污染評價

土壤污染評價一般采用單因子指數(shù)法和地積累指數(shù)法.本文分別采用這2 種方法對各區(qū)域行道樹的根際土壤進行污染評價.

單因子指數(shù)法是一種分別計算各污染物的污染指數(shù)的方法，即以土壤污染物的實測值與評價標準之比表示土壤污染指數(shù).

其中，Pi為土壤污染物i的污染指數(shù)；Ci為土壤污染物i的實測值，mg/kg；Si為土壤污染物i的評價標準，mg/kg.

土壤重金屬單項污染指數(shù)分級標準和污染等級分別見表4～表5.綜合分析表4～表5，其單因子指數(shù)顯示出街道區(qū)和湖南城市學院校園區(qū)Cr、Pb 污染等級均為清潔；銀城大道樟樹的根際土壤Cu 污染等級為中度污染；其他采樣點的污染等級均為清潔～輕度污染.

表4 土壤重金屬單項污染指數(shù)分級標準

表5 土壤重金屬單項污染等級

地積累指數(shù)法(index of geoaccumulation)是由德國科學家Muller 提出的[12].該方法是20 世紀70 年代晚期從歐洲發(fā)展起來的最先用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標，如今在土壤重金屬污染評價方面也被廣泛應用.Igeo值與重金屬污染程度分為7 個等級，不同等級代表不同的污染程度，見表6.Igeo計算公式為

表6 土壤重金屬污染地積累指數(shù)分級標準

其中，Cn為某重金屬元素實測含量，mg/kg；Bn為該重金屬元素在標準中的背景值，mg/kg；Igeo為地積累指數(shù).

采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 15618—1995)[13]中所規(guī)定的土壤質(zhì)量二級標準值對土壤重金屬含量進行判斷，具體見表7.

表7 土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量 mg/kg

各采樣區(qū)域土壤的地積累指數(shù)計算結(jié)果見表8.由表8 可知，Cr 污染等級均為無污染；Pb 污染級別為0～Ⅰ，即污染等級為無污染～輕度污染；Cu 污染級別為0～Ⅲ，其Igeo值為-2.02～2.89，污染等級為無污染～中度污染.

表8 土壤重金屬污染地積累指數(shù)及其污染等級

2.3 大氣質(zhì)量評價

大氣污染物含量與其質(zhì)量評價有很大的相關性，人們可以利用植物中重金屬含量的監(jiān)測數(shù)據(jù)來計算大氣污染指數(shù)，并據(jù)此對空氣質(zhì)量等級進行客觀評價.

本文運用綜合控制污染(integrated pollution control, IPC)法，通過單項污染指數(shù)求出IPCi，其計算公式為

其中，Ci和Si分別為采樣區(qū)和對照區(qū)植物重金屬含量的測定值，mg/kg.

依據(jù)Mielke 等[14]提出的重金屬污染評價指標，將植物中重金屬的潛在生態(tài)危害狀況進行分級：①無污染(I)，平均污染指數(shù)≤1.2；②輕度污染(Ⅱ)，平均污染指數(shù)為1.3～2.2；③中度污染(Ⅲ)，平均污染指數(shù)為2.3～3.2；④重污染(Ⅳ)，平均污染指數(shù)為3.3～4.2；⑤嚴重污染(Ⅴ)，平均污染指數(shù)≥4.3.各采樣區(qū)大氣質(zhì)量評價結(jié)果見表9.

表9 采樣區(qū)大氣質(zhì)量評價

由表9 中可以看出，除銀城大道的桂樹為無污染外，其他街道區(qū)植物葉片均為輕度污染.

已有研究表明，城市大氣重金屬的相對含量與園林植物葉片重金屬的富積量呈顯著線性正相關[15].本研究通過測定益陽市主要行道樹葉片中的重金屬含量發(fā)現(xiàn)，該市大氣重金屬污染狀態(tài)基本為無污染～輕度污染.這說明益陽市作為生態(tài)宜居城市，其主要植物受到大氣重金屬污染的程度較小，且與市區(qū)工業(yè)相對較少有關.

3 結(jié)論

1)對益陽市主要街道行道樹葉片及其根際土壤重金屬含量的研究表明，除銀城大道、迎賓東路、康復路的紅檵木和迎賓東路的櫻樹外，街道區(qū)植物葉片Cr 含量均比清潔對照區(qū)湖南城市學院校園區(qū)的高，且街道區(qū)植物根際土壤Cr 含量都高于湖南城市學院校園區(qū)；益陽大道的樟樹和康復路的櫻樹、紅檵木葉片Cu 含量低于湖南城市學院校園區(qū)，其他街道區(qū)植物葉片Cu 含量均高于湖南城市學院校園區(qū)；街道區(qū)植物葉片Pb 含量均高于湖南城市學院校園區(qū).

2)利用單因子指數(shù)法和地積累指數(shù)法對土壤質(zhì)量進行了評價.單因子指數(shù)顯示街道區(qū)和湖南城市學院校園區(qū)Cr、Pb 污染等級均為清潔，Cu污染等級為清潔～中度污染；地積累指數(shù)顯示Cr污染等級均為無污染，Pb 污染等級為無污染～輕度污染，Cu 污染等級為無污染～中度污染.

3)通過平均污染指數(shù)法對益陽市空氣質(zhì)量進行了評價.結(jié)果表明，除銀城大道的桂樹為無污染外，其他街道區(qū)植物葉片均為輕度污染.總體來說，益陽市區(qū)的街道植物葉片受重金屬污染較小，表明其大氣重金屬污染不嚴重.