秋季呼和浩特市主要綠化樹種葉面滯塵重金屬含量分布特征

楊 娜，包 海，2，劉智遠，高星星，丁艷旭

（1.內蒙古師范大學 化學與環境科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古自治區環境化學重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022）

近年來，在我國國民經濟的快速發展，城市化進程的不斷加快及城市人口急劇增加的共同作用下，環境空氣污染所引發的城市環境問題愈發突出［1］。2020 年中國環境公報顯示，我國337 個地級及以上城市的環境空氣質量有所改善，但仍有43.3% 的城市環境空氣質量未達標，且以顆粒物為首要污染物的超標天數占總超標天數的62.7%［2］，環境空氣中的顆粒物為造成城市環境空氣污染的首要因素。環境空氣中的顆粒物通過重力、降水、吸附等作用附著于植物葉片表面，經過一段時間的滯留、累積形成葉面塵，可表征一定時間、一定區域的環境空氣中顆粒物污染特征［3］。葉面滯塵成分復雜，是多種污染物的運載體和反應床，其負載的重金屬已成為衡量環境空氣重金屬污染的主要指標之一［4］。環境空氣中重金屬會影響人體正常代謝過程和生理功能，如Hg 進入人體后會直接沉積肝臟，對大腦視力神經破壞極大；Cd 會導致高血壓，引起心腦血管疾病，破壞骨鈣，引起腎功能失調；重金屬Pb，直接傷害人的腦細胞，特別是胎兒的神經板，可造成先天智力低下等疾病［5］。研究表明［6-8］，葉面塵中的重金屬濃度與環境空氣顆粒物中的重金屬濃度顯著相關。因此，以城市綠化樹種為研究對象，研究其葉面滯塵量及葉面塵中重金屬含量，以表征各區域環境空氣中重金屬污染特征的研究較多。

國內外研究學者在植物葉面滯塵重金屬的含量水平、來源解析、生態健康風險評價和對大氣污染的指示等方面開展了大量研究工作，并積累了一定的數據資料。前期研究結果表明，不同樹種對同一環境空氣污染的反應不同，而同一樹種于不同環境中污染程度也不同［9-11］。各重金屬元素的主要來源不同，如Fe、Mn、Pb 主要來源于工業排放，Cu、Cr 和Cd 主要來源于交通排放［12-20］，可依據采樣點測得的重金屬含量判斷該樣點的主要污染來源。有部分學者根據葉面滯塵重金屬含量進行健康風險評價［3，10，21］。國內外研究結果表明，環境空氣中重金屬污染較嚴重的地區，植物葉面滯塵重金屬含量也相對較高，統計分析結果顯示二者具有顯著相關性［6-8，11］。國內關于葉面滯塵重金屬的研究多集中于北京、南京、淮南等地區［3，7-9］，因不同地區的氣候差異明顯，且植物種類配置及產業結構等不同，植物葉面滯留環境空氣中重金屬含量雖有共同點，但還存在區域性差異。所以有必要研究干旱半干旱區域植物葉面滯塵量及其葉面滯塵重金屬含量分布特點。呼和浩特市屬于典型的干旱半干旱區域，是北疆重要生態保護屏障，其相關研究較少。

近年來，隨著呼和浩特市的發展及人們環境保護意識、健康認識的提高，城市環境空氣質量，特別是可吸入顆粒物及重金屬污染備受關注。呼和浩特市區域內的呼和浩特市熱電廠、大唐托克托發電廠、北方金橋熱電廠等污染源及金橋開發區、金川開發區的大中型工廠企業污染源，市內機動車尾氣污染源等因素造成呼和浩特市空氣污染類型為煤煙-交通型污染。因此，迫切需要尋找一種簡單的監測方法，監控城市環境空氣污染狀況。本文選擇呼和浩特市不同功能區主要綠化樹種國槐（Sophora japonica）、榆樹（Ulmus pumila）和新疆楊（Populusalbavar pyramidali）為研究對象［22］，采集其葉片，使用ICP-MS 測定其葉面滯塵重金屬含量，結合實驗數據的統計分析，揭示葉面滯塵量及葉面滯塵重金屬含量分布特征及二者相關性，為建立監測呼和浩特市環境空氣重金屬污染的生物監測法提供科學數據。

1 研究區概況

呼和浩特市位于內蒙古自治區中部，地理坐標為110°46'～112°10'E，40°51'～41°8'N，全市總面積為1.72×104km2。屬于典型的溫帶大陸性氣候，四季氣候變化明顯，年降水量較少，光照強，常伴有風沙天氣。呼和浩特市于2016 年獲“國家園林城市”榮譽稱號，2019 年的研究調查顯示，全市林地面積69.69×104hm2，占總土地面積40.55%，森林面積36.94×104hm2，占林地面積53.01%，喬木林面積占森林面積43.82%［23］。分析國槐、榆樹和新疆楊秋季葉面滯塵量及葉面滯塵重金屬含量。

2 研究方法

2.1 采樣點布設及樣品采集

根據人類活動、城市規劃布局和交通流量，將呼和浩特市劃分為文教區、行政區、工業區、商業區和居民區5 個類別，選擇具有代表性的采樣點位13 個（圖1）。其中，S1～S3 為工業區，S4、S6 為文教區，S5、S7 和S8 為居民區，S9、S12 和S13 為行政區，S10 和S11 為商業區。于2021 年9 月13、14 日（雨后7 天，無風晴朗的天氣）分別采集3 種具有一定滯塵能力的國槐、榆樹、新疆楊葉片，每個樹種采集3 株個體的葉片作為重復，采樣高度距離地面約3 m，使用剪枝器剪取分布于樹冠下部最外層、四周各個方向的健康成熟葉片［24］，將采集好的葉片裝入密封袋帶回實驗室，4 ℃冷藏保存，共采集106 個樣品。

圖1 采樣點分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of sampling points

2.2 樣品處理和分析

2.2.1 葉面積測量及葉面滯塵量測定 每份樣品中稱取約15 g 健康完整葉片三份，分別與已知面積的紙片共同拍攝獲得圖像，用Photoshop 軟件獲得已知紙片的目標像素及葉片像素，由公式（1）計算葉面積［8］：

式中：S為葉面積（m2），L為葉片像素，T為目標像素，P為紙片面積（m2）。

為避免葉片中有機成分對實驗結果的影響，用無水乙醇提取葉面滯塵顆粒物。將已測量葉面積的葉片放入1 000 mL 燒杯中，加入適量無水乙醇沒過葉片，將其在超聲波震蕩儀中震蕩5 min，使葉面滯塵充分洗滌懸浮于無水乙醇中。洗滌液使用已烘干至恒重的玻璃纖維濾膜（0.45 μm）濾過，獲得滯塵濾膜，再次烘干恒重稱量質量，濾膜均使用萬分之一天秤稱重，由公式（2）計算葉面滯塵量［8，16］：

式中：G為葉面滯塵量（g/m2），W1為滯塵濾膜質量（g），W0為空白濾膜質量（g），S為葉面積（m2）。

2.2.2 樣品預處理及重金屬含量測定 取滯塵濾膜樣品剪碎置于消解內罐中，按照中華人民共和國國家環境保護標準（HJ657-2013）［25］規定的HNO3-HCl 消解體系消解滯塵濾膜樣品，將消解后的溶液轉移至50 mL 容量瓶中，用2% HNO3定容，定容溶液經微孔濾膜（0.45 μm）過濾至10 mL 聚乙烯管中待測。本研究選擇環境毒性效應較強的Cd、Pb、As、Cr、Cu、Ni 和Mn 7 種重金屬，采用電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS，美國Thermo Fisher 公司）測定，使用國家有色金屬及電子材料分析測試中心銷售的金屬標準儲備液（1 000 μg/L）配制標準溶液及標準曲線，為提高測定結果的可靠性，每個樣品重復測定3 次，結果中顯示值均為平均值。為保證實驗結果的可靠性，樣品從采集到處理的整個過程中均未接觸金屬工具，分析過程中所用的HNO3、HCl 試劑均為優級純，所用水為電導率18.2 MΩ 的超純水。葉面滯塵重金屬含量，由公式（3）計算：

式中：M為葉面滯塵重金屬含量（μg/m2），cW為滯塵濾膜中重金屬濃度（μg/L），c0為空白濾膜中重金屬濃度（μg/L），V為樣品定容體積（L），S為葉面積（m2）。

2.3 數據處理

使用公式（1）、公式（2）和公式（3）分別計算葉面積、葉面滯塵量和葉面滯塵重金屬含量，結果如圖2 和表1 所示。用Excel 2010 軟件處理數據，運用SPSS 25 統計軟件對各采樣點3 種綠化樹種滯塵量及葉面塵中重金屬含量進行分析，實驗結果繪圖采用Origin 2019b 完成。

3 結果分析

3.1 主要綠化樹種葉面滯塵量

為探析不同功能區葉面滯塵量變化規律，研究對不同功能區對應不同綠化樹種葉面滯塵量進行統計，如圖2 所示。由圖2 可知，呼和浩特市不同綠化樹種其不同功能區的葉面滯塵量有所不同，具體分析如下。（1）同一種綠化樹種不同功能區其葉面滯塵量不同，國槐的平均葉面滯塵量為工業區＞居民區＞文教區＞商業區＞行政區，工業區的平均葉面滯塵量最高；榆樹的葉面滯塵量為工業區＞文教區＞行政區＞居民區＞商業區，工業區的平均葉面滯塵量最高；新疆楊的平均葉面滯塵量為文教區＞工業區＞商業區＞行政區＞居民區，文教區的平均葉面滯塵量最高。（2）不同功能區3 種綠化樹種的平均葉面滯塵量順序為國槐＞榆樹＞新疆楊，除新疆楊以外，工業區滯塵量顯著高于其他功能區，究其原因可能該功能區的采樣點周圍存在大型火力發電廠、煉油廠及沙場等工廠企業，燃煤所排放出來的煙塵及沙場產生的粉塵均造成該功能區葉面滯塵量較大，加之工業園區內運行大量的運煤卡車及油罐車等所產生的揚塵、道路磨損、汽車尾氣會對葉面滯塵量產生影響。行政區和商業區的葉面滯塵主要來源于路面清掃揚塵、干濕沉降，因此葉面滯塵量維持在相對較低水平。另外，不同類型植物對環境空氣中粉塵的滯塵能力不同，相同環境下，滯塵能力的差異來源于葉片的形態結構特征，如葉表褶皺、葉面溝槽、氣孔形狀和數量等［26］。本研究中選擇的國槐的葉表面有一層蠟質，對環境空氣中的粉塵等污染物有良好的滯塵作用［27］，榆樹的葉表面也有分布均勻的褶皺，對粉塵有較好的阻留作用，而新疆楊葉面光滑，其葉面滯留的粉塵易被風雨沖刷，因此葉面滯塵量較低。

圖2 秋季呼和浩特市不同功能區3 種主要綠化樹種葉面滯塵含量Fig.2 Concentrations of leaf surface dust at 3 species main landscape trees in different functional areas of Hohhot at autumn

上述研究結果表明，呼和浩特市主要綠化樹種國槐、榆樹和新疆楊葉面具有一定滯塵能力，具備生物監測功能。

3.2 主要綠化樹種葉面滯塵重金屬含量

由表1 可知，呼和浩特市主要綠化樹種葉面滯塵重金屬含量隨著不同功能區而變化，具體分析如下。（1）不同功能區3 種綠化樹種的總葉面滯塵重金屬含量有所不同：即國槐為（88.08±25.71）μg/m2、榆樹為（86.03±29.54）μg/m2和新疆楊為（67.89±24.84）μg/m2；3 種綠化樹種的葉面滯塵重金屬含量順序為國槐＞榆樹＞新疆楊；不同功能區葉面滯塵重金屬含量順序為工業區＞文教區＞行政區＞居民區＞商業區。（2）同種綠化樹種不同功能區其葉面滯塵重金屬含量也有所不同：國槐的不同功能區葉面滯塵重金屬含量順序為工業區＞居民區＞商業區＞行政區＞文教區；榆樹的順序為工業區＞文教區＞行政區＞居民區＞商業區；新疆楊的順序為文教區＞工業區＞行政區＞居民區＞商業區。國槐、榆樹和新疆楊的葉面滯塵重金屬含量變化規律及原因與其葉面塵量相同，即與工業區的污染源以及不同樹種葉片的形態結構特征相關。（3）不同功能區不同綠化樹種葉面滯塵中重金屬含量有所不同：由表1可知，呼和浩特市各功能區3 種綠化樹種葉面滯塵Cd 含量范圍為（0.06±0.07～0.45±0.11）μg/m2，國槐、榆樹和新疆楊的最大葉面滯塵Cd 含量均出現于文教區，國槐為（0.35±0.06）μg/m2、榆樹為（0.39±0.10）μg/m2、新疆楊為（0.45±0.11）μg/m2，綜合分析3 種綠化樹種各功能區葉面滯塵Cd 含量可知，榆樹葉面最易滯塵Cd（0.28±0.11）μg/m2，其次為國槐（0.27±0.16）μg/m2，最小為楊樹（0.23±0.12）μg/m2。Cd 為道路環境及大氣環境中污染較為嚴重的重金屬元素，Cd 主要來源于建筑、垃圾焚燒、交通活動等，而交通活動中的Cd 主要來源于輪胎剎車時產生的摩擦物［13］；葉面滯塵Pb 含量范圍為（6.54±1.36～21.71±11.02）μg/m2，國槐、榆樹和新疆楊的最大葉面滯塵Pb 含量均出現于工業區，國槐為（21.71±11.02）μg/m2、榆樹為（20.61±8.84）μg/m2、新疆楊為（12.25±4.12）μg/m2，綜合分析3 種綠化樹種各功能區葉面滯塵Pb含量可得知，國槐葉面最易滯塵Pb（11.91±4.15）μg/m2，其次為榆樹（11.80±5.21）μg/m2，最小為新疆楊（9.42±2.28）μg/m2。Pb 主要來源于煤炭燃燒，土壤中積累的一部分Pb 也會隨著塵土進入到環境空氣中［14］；葉面滯塵As 含量范圍為（2.30±3.99～11.83±4.16）μg/m2，國槐、榆樹和新疆楊的最大葉面滯塵As含量均出現于工業區，國槐為（8.69±1.96）μg/m2、榆樹為（11.83±4.16）μg/m2、新疆楊為（8.58±2.12）μg/m2，綜合分析3 種綠化樹種各功能區葉面滯塵As 含量可得知，榆樹最易滯塵As（8.51±3.77）μg/m2，其次為國槐（5.58±3.08）μg/m2，最小為新疆楊（4.99±3.01）μg/m2。As 主要來源于冶煉爐、農藥產業等；葉面滯塵Cr 含量范圍為（1.93±0.55～11.80±5.52）μg/m2，國槐和榆樹的最大葉面積滯塵Cr 含量出現于工業區，國槐為（11.80±5.52）μg/m2、榆樹為（10.49±2.70）μg/m2，而新疆楊的出現于文教區為（4.38±2.05）μg/m2，綜合分析3 種綠化樹種各功能區葉面滯塵Cr 含量可得知，國槐最易滯塵C（r5.10±1.89）μg/m2，其次為榆樹（4.91±2.13）μg/m2，最小為新疆楊（3.50±1.39）μg/m2。Cr 主要來源于煤燃燒和工業污染，尤其在鍋爐房、煤電廠等殘渣較高的地方［15］；葉面滯塵Cu 含量范圍為（2.86±1.08～7.07±4.84）μg/m2，國槐最大葉面滯塵Cu 含量出現于居民區為（7.07±4.84）μg/m2，而榆樹和新疆楊的出現于工業區分別為（6.51±1.61）μg/m2和（5.93±7.06）μg/m2，綜合分析3 種綠化樹種各功能區葉面滯塵Cu 含量可得知，國槐最易滯塵Cu（5.33±2.23）μg/m2，其次為榆樹（4.88±2.29）μg/m2，最小為新疆楊（4.67±3.09）μg/m2。Cu 也是來自典型的交通污染，主要來源于汽車潤滑油［16］；葉面滯塵Ni 含量范圍為（1.22±0.88～4.17±1.60）μg/m2，國槐和榆樹的最大葉面滯塵Ni 含量出現于工業區，國槐為（3.67±0.88）μg/m2、榆樹為（4.17±1.60）μg/m2，而新疆楊的出現于居民區為（3.29±2.85）μg/m2，綜合分析各功能區3 種綠化樹種葉面滯塵Ni 含量可得知，榆樹最易滯塵Ni（2.51±1.11）μg/m2，其次為國槐（2.26±0.78）μg/m2，最小為新疆楊（2.19±1.63）μg/m2。Ni 主要來源于工業排放［17］，其中以火電行業和養殖業為最大來源［18］；葉面滯塵Mn 含量范圍為（22.84±5.44～82.98±23.07）μg/m2，國槐和榆樹的最大葉面滯塵Mn 含量出現于工業區，國槐為（82.98±23.07）μg/m2、榆樹為（79.79±16.38）μg/m2，而新疆楊的出現于文教區為（39.69±14.19）μg/m2，綜合分析各功能區3 種綠化樹種葉面滯塵Mn 含量可知，國槐最易滯塵Mn（42.96±9.14）μg/m2，其次為榆樹（40.57±10.76）μg/m2，最小為新疆楊（31.57±9.56）μg/m2。Mn 主要來源于鋼鐵工廠及建筑工地等生產活動和自然環境中的累積［19］，同時隨著近些年來無鉛汽油中由《錳基抗暴劑》代替了鉛，導致汽車尾氣帶來錳污染［20］。

表1 秋季呼和浩特市不同功能區主要綠化樹種葉面滯塵重金屬含量Tab.1 Concentrations of leaf surface dust heavy metals at main landscape trees in different functional areas of Hohhot at autumn μg/m2

楊崢等［8］對北京市7 個街道及公園樣點植物葉表滯塵重金屬含量的研究結果表明，槐樹葉面滯塵Cd、Pb、Cr、Cu 和Mn 含量分別為（13.5±3.4～38.3±14.4）、（150±46～1 000±72）、（16.0±9.2～472±58）、（152±32～352±24）、（94.8±25.9～1 210±729）和（0.487±0.035～2.08±1.00）μg/m2/葉，榆樹葉面滯塵Cd、Pb、Cr、Cu 和Mn 含量分別為（64.5±2.6～182±4.9）、（164±31～369±32）、（226±45～1 210±1 100）、（139±11～693±31）、（173±44～963±357）和（0.935±0.225～3.12±0.06）μg/m2/葉。該結果與本研究結果差異較大，分析其原因可能為：（1）被采集樹種生長環境不同，北京市作為首都，城市建設帶來的建筑垃圾污染、機動車帶來的交通污染以及工業發展等造成的人為源污染較為嚴重；（2）采集時間段及采集環境條件不同，該研究的采樣時間為10 月中旬，且采樣前18 天無降水，使葉面積累了大量的粉塵；（3）葉面滯塵提取方法不同，在提取葉面滯塵方面，本研究使用無水乙醇，消除了部分有機干擾成分。

3.3 葉面滯塵量與其葉面滯塵重金屬含量相關性分析

為揭示各功能區主要綠化樹種葉面滯塵量與其葉面滯塵重金屬含量之間的相關規律，經統計分析發現國槐、榆樹和新疆楊各功能區的葉面滯塵量與葉面滯塵Pb、Cr 和Mn 存在顯著相關。因此，分別以國槐、榆樹和新疆楊的葉面滯塵量為縱坐標，葉面滯塵重金屬含量為橫坐標作圖，探析其相關性規律，如圖3 所示。由圖3 可知，國槐、榆樹和新疆楊的葉面滯塵量與其葉面滯塵Pb、Cr 和Mn 含量均呈正相關。

圖3 呼和浩特市3 種綠化樹種葉面滯塵量與葉面滯塵重金屬含量的相關性Fig.3 Correlation of leaf surface dust and heavy metal content of three landscape trees in Hohhot

為驗證各擬合方程的再現性，將不同功能區各采樣點平均葉面滯塵量帶入擬合方程，分別計算國槐、榆樹和新疆楊各對應葉面滯塵Pb、Cr 和Mn 模擬值，再計算實測值與模擬值的相對誤差，依據相對誤差評價模擬結果的再現性。

由于中山東路糧食局和內蒙古自治區生態廳采樣點未采集到榆樹和新疆楊葉片，故采用其余11 個采樣點測得的國槐、榆樹和新疆楊葉面滯塵Pb、Cr 和Mn 含量進行驗證。由驗證結果可知，國槐葉面滯塵Pb模擬值于裕隆工業園區和煉油廠較差，其余點均良好，相對誤差為2.10%～26.18%；葉面滯塵Cr 模擬值于裕隆工業園區、內蒙古自治區政府、七彩城和內蒙古自治區財政廳較差，其余點均良好，相對誤差為0.11%～25.46%；葉面滯塵Mn 模擬值于裕隆工業園區和錫林南路小學較差，其余點均良好，相對誤差為0.75%～9.80%。榆樹葉面滯塵Pb 模擬值于裕隆工業園區、豐州路世紀莊園和呼和浩特市政府良好，相對誤差為0.27%～24.17%；葉面滯塵Cr 模擬值于裕隆工業園區、內蒙古師范大學、呼和浩特市政府和內蒙古自治區政府較差，其余點均良好，相對誤差為3.98%～23.52%；葉面滯塵Mn 模擬值于內蒙古師范大學和濱水新村較差，其余點均良好，相對誤差為0.34%～23.39%。新疆楊葉面滯塵Pb 模擬值于煉油廠、錫林南路小學、濱水新村、七彩城和內蒙古自治區財政廳較差，其余點均良好，相對誤差為0.32%～25.28%；葉面滯塵Cr 模擬值于濱水新村、呼和浩特市政府、七彩城和內蒙古自治區財政廳較差，其余點均良好，相對誤差為1.36%～25.42%；葉面滯塵Mn 模擬值于內蒙古自治區財政廳較差，其余點均良好，相對誤差為1.22%～26.24%。

綜上，本研究結果初步表明，呼和浩特市主要綠化樹種國槐、榆樹和新疆楊的葉面滯塵量與其葉面滯塵重金屬Pb、Cr 和Mn 的含量之間存在較好的相關性，可通過樹種葉面滯塵量推導出其葉面滯塵重金屬含量。

4 結論

（1）呼和浩特市主要綠化樹種葉面滯塵量及葉面滯塵重金屬含量各功能區的分布特征為工業區最高，行政區和商業區為最低，各功能區內的空間差異為工業區和居民區較大。

（2）不同綠化樹種的葉面滯塵重金屬含量有所不同，國槐葉面滯塵中Pb、As、Cr、Cu 和Mn 等重金屬含量較高，榆樹葉面滯塵中Cd 和Ni 含量較高，而新疆楊葉面滯塵中各重金屬元素含量均為最低；3 種綠化樹種葉面滯塵中Pb、As、Cr、、Ni、Cu 和Mn 等6 種重金屬含量的最大值均呈現于工業區，最小值均呈現于商業區，而Cd 最高值呈現于文教區，最低值呈現于行政區。

（3）呼和浩特市主要綠化樹種國槐、榆樹和新疆楊的葉面滯塵量與其葉面滯塵重金屬Pb、Cr 和Mn 的含量之間存在較好的相關性，可通過樹種葉面滯塵量推導出其葉面滯塵重金屬含量。