4個綠化樹種葉片和枝條重金屬含量差異研究

周婷婷，劉文建，王 靜，郭軍康，李 姍

(陜西科技大學環境科學與工程學院，陜西西安 710021)

城市綠化樹種有許多作用，除了可以有效阻礙太陽輻射、改善噪音問題、美化城市形象之外，還可以通過吸收、附著有效防治重金屬污染的擴散。美國環境保護署(EPA)強調21種有毒物質與道路交通有關，其中包括鉻、鎳、鋅、銅、鉛、鎘6種重金屬元素。該研究采取陜西科技大學學校附近車流量較大處和校內無車流的科大湖畔、圖書館附近處2個不同地點的廣玉蘭()、女貞()、紅葉石楠()、冬青()4個常見園林綠葉樹種的葉片和枝條進行研究，利用電感耦合等離子體光譜儀(ICP-MS)分析技術，測量其中鉻、鎳、鋅、銅、鉛、鎘6種重金屬含量，探討不同綠化樹種對不同重金屬元素的吸收作用差異；利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察4個樹種葉片結構，研究不同葉片結構差異對重金屬吸收含量的影響；通過對車流量不同的相同樹種葉片和枝條中重金屬含量進行測定分析，探究交通尾氣污染對綠化樹種的影響，以期為城市防污綠化樹種的選擇、生物監測和環境質量評價提供科學理論依據。

1 材料與方法

每個樹種校園內外各采集3株樹的葉片和枝條。將所采集的樣品帶到實驗室用自來水沖洗3次，剪碎放在錫箔紙中標號，放置60 ℃烘箱中烘干24 h至恒重，備用。

樣品110 ℃殺青，70 ℃烘干至恒重。準確稱取粉碎后的植物樣品0.1 g置于玻璃消解管中，一個待測樣品設置3個消解平行，加入10 mL濃硝酸浸泡10 h，在消解爐中80 ℃條件下加熱1.5 h，120 ℃條件下加熱1.5 h，150 ℃條件下加熱3 h；打開消解蓋，175 ℃條件下趕酸液體至1 mL左右；待消解樣冷卻后用1%硝酸定容樣品至10 mL得到待測樣品。

使用ICP-MS測定葉片和枝條中Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、Cd的含量。

在1 000 μL/mL的標準Cd溶液中吸取37.5 μL定容至50 mL，此梯度為0.75 mg/L，并依次稀釋，分別為0.75、0.60、0.45、0.30、0.15 mg/L。按上述Cd的測定條件，對各梯度濃度標準溶液進行ICP-MS測定，繪制Cd濃度(mg/L)對應吸光度的標準曲線。

樣品在2.5%的戊二醇溶液中4 ℃固定過夜，然后按照下列步驟處理樣品：①采用0.1 mol/L的磷酸緩沖液(pH 7.0)漂洗樣品3次，每次15 min；②采用1%的鋨酸溶液固定樣品1～2 h，再采用0.1 mol/L的磷酸緩沖液(pH 7.0)漂洗樣品3次，每次15 min；③采用梯度濃度(30%、50%、70%、80%、90%和95%)的乙醇溶液對樣品進行脫水處理，每種濃度處理15 min，再用100%的乙醇處理2次，每次20 min；④臨界點干燥；⑤鍍膜，觀察。處理好的樣品在日立SU-8010型場發射掃描電鏡中觀察。

采用Excel 2016和SPSS 20.0進行數據分析。采用SPSS軟件進行方差分析，圖表繪制采用origin軟件，圖版采用Photoshop制作。

2 結果與分析

從圖1～2可以看出，不同的園林綠化樹種中同一重金屬含量不同。Cd含量最低，不超過2.5 mg/kg；校園外4個樹種葉片和枝條中Cd含量沒有顯著差異；校園內冬青葉片中Cd含量顯著大于紅葉石楠和廣玉蘭，校園內4個樹種枝條中Cd含量沒有顯著差異。校園外紅葉石楠葉片中Cr含量顯著大于女貞和廣玉蘭，校園內廣玉蘭葉片中Cr含量顯著大于女貞；校園內外4個樹種枝條中Cr含量均沒有顯著差異。校園外紅葉石楠葉片中Cu含量顯著大于女貞、冬青和廣玉蘭，但校園外廣玉蘭枝條中Cu含量顯著大于其他3個樹種；校園內4個樹種葉片和枝條中Cu含量均沒有顯著差異。校園外紅葉石楠葉片中Ni含量顯著大于女貞，校園外紅葉石楠枝條中Ni含量顯著大于其他3個樹種；校園內4個樹種葉片和枝條中Ni含量均沒有顯著差異。4個園林綠化樹種葉片和枝條中Zn含量明顯高于其他重金屬含量，均高于30 mg/kg，校園內外4個樹種葉片和枝條中Zn含量均沒有顯著差異。校園內外4個樹種葉片和枝條中Pb含量也沒有顯著差異。

注：不同小寫字母表示同一采樣點不同樹種間重金屬含量差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal content among different tree species at the same sampling point(P<0.05)圖1 同一重金屬在4個不同園林綠化樹種葉片中的含量Fig.1 Contents of the same heavy metals in leaves of four different landscaping tree species

綜上所述，4個樹種吸收Zn的能力顯著高于吸收其他幾種重金屬，且4個樹種吸收Zn的能力沒有顯著差異。校園外紅葉石楠葉片對Cr、Cu、Ni的吸收能力較強，紅葉石楠枝條對Ni的吸收能力較強，廣玉蘭枝條對Cu的吸收能力較強；校園內冬青葉片對Cd的吸收能力較強。校園內外4個樹種對Pb的吸收能力沒有顯著差異。

從圖3～4可以看出，校園內冬青、女貞和紅葉石楠的葉片和枝條中6種重金屬(Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、Cd)的含量與校園外無顯著差異。校園內廣玉蘭葉片中6種重金屬的含量與校園外無顯著性差異，但校園內廣玉蘭枝條中Zn含量顯著高于校園外，其他5種重金屬含量沒有顯著差異。

注：不同小寫字母表示同一采樣點不同樹種間重金屬含量差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal content among different tree species at the same sampling point(P<0.05)圖2 同一重金屬在4個不同園林綠化樹種枝條中的含量Fig.2 Contents of the same heavy metals in branches of four different landscaping tree species

注：不同小寫字母表示同一重金屬校園內外含量差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in the content of the same heavy metal inside and outside the campus(P<0.05)圖3 同種園林綠化樹種葉片中6種重金屬校園內外含量Fig.3 Contents of six heavy metals in leaves of the same landscaping tree species inside and outside the campus

從圖5～6可以看出，校園內外的4個園林綠化樹種葉片和枝條內Cd、Ni、Zn的含量均無顯著差異。校園外女貞枝條中Cr含量顯著大于葉片，其他3個園林綠化樹種葉片和枝條中Cr含量無顯著差異；校園內紅葉石楠、冬青、廣玉蘭枝條中Cr含量顯著大于葉片，女貞葉片和枝條中Cr含量無顯著差異。校園內外紅葉石楠葉片中Cu含量均顯著大于枝條，其他3個園林綠化樹種葉片和枝條中Cu含量無顯著差異。校園外廣玉蘭葉片中Pb含量顯著大于枝條，其他3個園林綠化樹種葉片和枝條中Pb含量無顯著差異；校園內女貞和冬青葉片中Pb含量顯著大于枝條，廣玉蘭和紅葉石楠葉片與枝條中Pb含量沒有顯著差異。

注：不同小寫字母表示同一重金屬校園內外含量差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in the content of the same heavy metal inside and outside the campus(P<0.05)圖4 同種園林綠化樹種枝條中6種重金屬校園內外含量Fig.4 Contents of six heavy metals in branches of the same landscaping tree species inside and outside the campus

注：不同小寫字母表示同一樹種葉片和枝條間重金屬含量差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal content between leaves and branches of the same tree species(P<0.05)圖5 同一重金屬在校外4個園林綠化樹種葉片和枝條中的含量Fig.5 Contents of the same heavy metals in leaves and branches of four landscaping tree species outside the campus

注：不同小寫字母表示同一樹種葉片和枝條間重金屬含量差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal content between leaves and branches of the same tree species(P<0.05)圖6 同一重金屬在校內4個園林綠化樹種葉片和枝條中的含量Fig.6 Contents of the same heavy metals in leaves and branches of four landscaping tree species inside the campus

通過掃描電子顯微鏡可以觀察到，4個樹種的葉片具有氣孔、絨毛、脊柱等形態結構特征，其中的白色顆粒狀物質為吸附的重金屬元素(圖7a、a、b、b、c、c、d、d)。冬青葉片上、下表面均較平整(圖7a)，上表面具有蠟質結構，蠟質結構增加了葉片表面的粗糙度，可以更好地吸滯重金屬元素顆粒，下表面有大量密集的裸露且排列規則的氣孔，可以吸收更多的重金屬元素。女貞表皮分布著溝狀、孔狀溝壑，溝壑突起的程度增加了金屬顆粒與葉表皮的接觸面積(圖7b)。紅葉石楠上表皮具有脊柱，脊柱突起的程度同樣增加了金屬顆粒與葉表皮的接觸面積，使其吸收更多的重金屬元素(圖7d)。廣玉蘭表面具有許多絨毛，氣孔被遮掩在絨毛之下，表皮的絨毛可以有效地阻礙金屬顆粒的流動，將其滯留在葉表面(圖7c)。

3 結論與討論

4個樹種對Zn的吸收能力顯著高于其他幾種重金屬，這是因為Zn是植物生長所必需的微量元素，這一結論與魯紹偉等的研究結果一致。蘭欣宇在對北京園林40種樹木一年生枝條和葉片吸收Cd、Pd、Cu能力評價及篩選中，指出對于Cd的吸收含量最低，這與該研究結果一致。有研究表明，不同樹種葉片單位面積吸附量并非與葉片面積完全呈現正相關，而與上下表皮平滑程度、表皮毛的有無、氣孔密度及氣孔大小可能有關系。在王磊等的研究中，蠟質表層較厚的旱柳對Cd的吸收較好，這與該研究中蠟質結構較厚的冬青對Cd吸收能力較強的結果一致。校園外紅葉石楠葉片對Cr、Cu、Ni的吸收能力較強，校園外廣玉蘭枝條對Cu的吸收能力較強，可能是由于不同樹種對重金屬的積累能力和耐受機理不同而造成的。

根據各樹種葉片表面顯微結構掃描的結果可以發現，表面存在較多氣孔、凹凸不平、具有細密溝狀組織的葉片，其對重金屬吸收能力較好，這與王磊等的研究結果一致。植物通過葉片吸收大氣中重金屬能力的差異，與葉片特征如氣孔的密度、葉片表面性質、內部結構等均具有關系。該研究中冬青因其密集的氣孔對Cd吸滯能力較強；廣玉蘭葉片表皮的絨毛、女貞葉片表皮的脊柱凸起能很好地留滯Cu元素；紅葉石楠由于表皮具有的特殊結構對Ni、Cr、Cu也具有良好的吸附能力。

柴一新等認為，樹種間滯塵能力的差異由葉片形態結構決定，葉片的粗糙程度及葉片上、下表皮具有的形狀是造成滯塵能力差異的原因。葉表面具有較深且寬的溝槽，有利于大氣顆粒物積累，進而吸收重金屬；葉表面存在蠟質結構，有利于大氣顆粒物滯留；密集分布有較窄溝槽、較長表皮毛的葉片，滯留大氣顆粒物能力較弱。這與該研究結果中冬青葉片吸附Cd能力最強符合，但也有研究認為，表面平滑且有蠟質結構的葉片滯塵能力較弱。測定的季節、樹齡、采樣時間等均會造成結果的差異性。綜上所述，不同園林綠化樹種葉片具有不同的形態結構，都會對元素吸收過程產生影響。

注：a.冬青；b.女貞；c.廣玉蘭；d.紅葉石楠；a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2為上表皮；a3、a4、b3、b4、c3、c4、d3、d4為下表皮Note：a.I.chinensis；b.L.lucidum；c.M.grandiflora；d.P.serrulata圖7 不同園林綠化樹種葉片表皮結構Fig.7 Leaf epidermis structure of different landscape tree species

同種綠化樹種在不同車流量的采樣區，葉表皮中的重金屬元素含量不同。田媛等研究發現北京市土壤中Cu、Pb、Cd存在不同程度的污染，尤以高速公路區和交通繁忙區較重，通過綜合污染評價方法得出北京土壤重金屬污染排序為高速公路區>交通繁忙區>工業區>居民區>城市>公園休閑區。陳瀟霖等研究發現公園內土壤重金屬含量整體較公園外交通干道土壤重金屬含量低，早晚高峰時段堵車頻發地區土壤中重金屬含量較高。通過北京市航天橋道路塵土附近道路土壤及玉淵潭公園土壤重金屬含量的對比研究表明，道路塵土的重金屬污染最為嚴重，道路綠地植物對重金屬的富集效應基本均大于公園植物。韓玉麗等對北京不同功能區重金屬分布進行研究，結果發現，土壤重金屬元素含量總體表現為交通區、工業區、居民區的含量高于相對清潔的公園區。這些研究表明車流量是影響植物體內重金屬含量差異的原因。但該研究廣玉蘭枝條中Zn含量在校內明顯高于校外，筆者分析可能由于一種重金屬的變化會影響其他重金屬吸收，由于是校園外廣玉蘭中Cu含量較高，導致Zn含量下降。

重金屬在植物體內不同器官中的分布存在顯著差異，該研究中葉片和枝條重金屬含量因樹種、重金屬種類的不同而異，可能與各重金屬元素在植物體內的轉運機制及其重金屬形態等因素的差異有關。宋雪英等對沈陽市工業搬遷區8種常見喬木樹種重金屬進行葉片和枝條Zn含量測定，結果顯示，除2種樹木葉片大于枝條外，其他樹種差異均不顯著，這與該研究結果一致。王愛霞等選擇在交通繁忙區(污染點)研究二球懸鈴木各器官重金屬(Cu、Ni、Pb、Zn)含量，結果發現，4種重金屬元素的累積量及其分布比例均在葉片中最高，在一年生枝條中較低。這與該研究中校園外廣玉蘭Pb含量、紅葉石楠Cu含量呈葉片顯著大于枝條一致，但與校園外4個園林綠化樹種Ni、Zn含量在枝條和葉片中均無顯著差異不一致。可能是污染情況和樹種的不同導致吸收含量的差異性。程佳雪等在北京6種園林樹木的研究中得到一年生枝條Zn和Cr含量均高于葉片，5種樹木一年生枝條Ni和As含量與葉片之間沒有顯著差異，這與該研究中Cr和Ni含量差異性的研究結果相吻合。