昆明市區(qū)18種常見綠化樹種葉片重金屬富集特征

楊淏舟, 李艷梅, 陳奇伯, 孫應(yīng)都(.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650224；2.云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，云南 昆明 650224)

昆明市區(qū)18種常見綠化樹種葉片重金屬富集特征

楊淏舟1,2, 李艷梅1,2, 陳奇伯1,2, 孫應(yīng)都1
(1.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650224；2.云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，云南 昆明 650224)

以昆明市主城區(qū)18種常見綠化樹種為研究對象，測定了葉片滯塵量、葉片和葉面塵重金屬含量，探究了植物葉片滯塵量與葉片重金屬含量的相關(guān)性,探討了不同樹種葉片對重金屬元素的富集能力.結(jié)果表明：昆明主城區(qū)18種綠化樹種葉面塵重金屬含量與葉片重金屬含量相關(guān)性極顯著(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)均達到0.6以上；葉片中重金屬含量與葉片滯塵量均呈三次多項式關(guān)系，葉片內(nèi)Cu、Pb、Zn濃度與葉片滯塵量相關(guān)性較強，R2值分別達到0.811、0.755、0.731；不同綠化樹種的葉片對大氣重金屬的富集能力存在差異，其中龍柏(Sabinachinensis)對Cd、As、Pb、Zn富集能力較強，對Ni、Cu富集能力最強的分別是天竺桂(Cinnamomumjaponicum)、杜鵑(Rhododendronpulchrum)，而香樟(Cinnamomumcamphora)葉片對各重金屬元素的富集能力均較弱.

昆明; 綠化樹種; 滯塵; 重金屬; 相關(guān)性分析

Abstract: To explore the correlation between heavy metal in leaf and foliar dust, heavy metal contents on leaves of 18 greening tree species in main urban areas in Kunming were determined, together with heavy metal accumulation capacity of those species. Results showed that heavy metals levels in foliar dust of the 18 species were significantly correlated with heavy metals contents in leaves (P<0.01), with all correlation coefficients being over 0.6. According to cubic polynomial relationship between heavy metal level in leaf and foliar dust content, Cu, Pb, Zn contents were more strongly correlated with foliar dust content than other elements, withR2values being 0.811, 0.755, 0.731, respectively. Accumulation abilities of heavy metals in leaves varied among species. Enrichment abilities of Cd, As, Pb and Zn forSabinachinensisleaf were stronger, whileCinnamomumjaponicumandRhododendronpulchrumwere excellent in absorbing Ni and Cu. However,Cinnamomumcamphoraleaf was generally weak in absorbing various heavy metals.

Keywords: Kunming; greening tree species; dust; heavy metals; correlation analysis

隨著城市化進程的加速，工業(yè)排放、城市建設(shè)向大氣釋放大量的顆粒物.同時，不斷增多的車輛，汽車尾氣排放、汽車零部件磨損以及車輛經(jīng)過引發(fā)的二次揚塵等交通污染加劇了城市大氣顆粒物污染.大氣顆粒物中攜帶多種重金屬污染物，其中與交通有關(guān)的Cd、Ni、As、Cu、Pb、Zn的污染問題尤為突出[1-3].這些重金屬元素可通過呼吸作用進入人體內(nèi)，引發(fā)疾病、身體機能障礙，因此，治理大氣顆粒物污染已刻不容緩.

長期以來，我國學者在植物吸滯大氣有害物質(zhì)方面開展了許多研究，發(fā)現(xiàn)植物對其周圍一定程度范圍內(nèi)的大氣顆粒物具有吸滯能力[4-7]，植物在一定程度上能夠富集大氣顆粒物中的S、Cl、F及各種重金屬[8-9].在不同地區(qū)、立地條件下，植物滯塵及富集重金屬的能力存在差異[10-11].現(xiàn)有對植物葉片重金屬富集能力的研究主要集中在霧霾及沙塵暴頻發(fā)的北方地區(qū)[12-13]，而對西南地區(qū)城市綠化樹種的葉片滯塵能力、重金屬富集能力的探討則較少.

本研究選取昆明主城區(qū)18種常見綠化樹種，對其葉片滯塵量與葉片重金屬相關(guān)性、不同樹種葉片對重金屬富集能力的差異性進行分析，探求昆明市區(qū)綠化樹種對重金屬元素的吸收富集能力，以期為城市綠化樹種的選擇和相關(guān)研究提供一定的數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

昆明市地處云貴高原中部，主城區(qū)位于北緯25°02′11″，東經(jīng)102°42′31″，海拔1 891 m，屬于亞熱帶高原山地季風氣候，四季如春，全年氣候溫和，年降水量1 102 mm，城區(qū)溫度在0～29 ℃之間，年平均氣溫14.8 ℃.截至2016年末，昆明市常住人口達672.8萬人，全市機動車保有量達230.4萬輛[14].

采樣地點位于昆明市區(qū)北京路、人民路、穿金路車流量較大的雙向四車道道路兩側(cè)的行道樹及綠化帶.二環(huán)內(nèi)里程占比不足0.3%，卻承載了城市26%以上的出行需求[15].該區(qū)域車流量較大且集中，達51～65輛·min-1，可充分代表昆明主城區(qū)交通污染情況.選取該路段分布均勻，景觀效果良好，功能設(shè)施完善，形成喬—灌—草、喬—灌等復(fù)合型綠地結(jié)構(gòu)的區(qū)域進行采樣，也較好地體現(xiàn)昆明市主要城區(qū)街道的綠化現(xiàn)狀.

1.2 試驗樹種選擇

選擇北京路、人民路、穿金路綠化帶中18種常見喬木、灌木綠化樹種作為試驗對象，具體樹種見表1.

表1 試驗樹種Table1 Tree species in the experiment

1.3 研究方法

1.3.1 樣品的采集 研究表明，葉片積塵在降水量達15 mm，強度達10 mm·h-1的降雨條件下可被清除，且葉片滯塵量在降雨7 d后達到飽和[16].同時秋季大氣中的顆粒物含量較其他季節(jié)最大，葉片中重金屬含量也相對較高[17].秋季是人群呼吸道疾病的高發(fā)時段，故選擇秋季對植物葉片富集大氣中重金屬能力進行研究.本試驗于2016年9月雨后15 d進行采樣.在北京路、人民路、穿金路上選取種植密度較高，樹齡10年以上，健康，長勢(胸徑和樹高)相近的植株進行采樣.每條道路布置1個采樣點，三條道路的采樣點分別為1#、2#、3#，沿綠化帶每隔15 m選取一棵植株，每個點選取3棵同種植株進行采樣.在無風條件下，在樹冠外圍不同方向隨機多點采集充分吸滯灰塵、完整的葉片，每個重復(fù)采集闊葉喬木、灌木樹種葉片各30枚，針葉樹種葉片60～100 g.用環(huán)刀法對采樣區(qū)的土壤進行取樣，每份土樣200 g.所有樣品用聚乙烯袋密封后帶回實驗室處理，全過程盡量避免葉片樣品受到震蕩.

1.3.2 樣品的測定方法 葉片滯塵量采用水洗濾紙法[7]，將濾紙烘干至恒重(精確至0.001 g)，得到W1.用純水浸泡葉片2 h后仔細清洗，將清洗液用孔徑為 0.45 μm的濾紙過濾，將濾紙置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，其與干凈濾紙的質(zhì)量差為葉面塵質(zhì)量W2.闊葉樹種葉面積A采用葉面積儀測定，針葉樹的葉面積計算公式如下:

式中，L為針葉長度，n為每束的針葉數(shù)，V為針葉體積(排水法測量)[18].葉片滯塵量/(g·m-2)則為(W2-W1)/A.

將葉片自然風干后以105 ℃殺青，然后與采集葉面塵的濾紙一起放置于60 ℃烘箱烘干至恒重，粉碎研磨后過100目篩備用.土樣在遮陰處自然風干后研磨過篩備用.稱取土樣及葉片樣品各1.0 g，用HNO3-HClO4法消解樣品[19].使用ICP電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定葉片及葉面塵樣品中Cd、Ni、As、Cu、Pb、Zn的含量.

1.3.3 統(tǒng)計方法 采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理和制圖，并利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差和顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 綠化樹種葉片中重金屬含量與滯塵的關(guān)系

2.1.1 植物葉面塵重金屬含量與葉片重金屬含量的關(guān)系 土壤重金屬含量如表2所示，ANOVA方差分析得各采樣點土壤重金屬含量差異不顯著(n=3，P>0.05).有研究發(fā)現(xiàn)，木本植物根系從土壤吸收的重金屬大部分被固定在根部，不易被轉(zhuǎn)移[20].因此可以推斷綠化樹種葉片內(nèi)重金屬含量若存在差異，則主要來自于大氣的影響.

表2 土壤的重金屬含量

葉面塵與葉片中的重金屬含量的關(guān)系可得(表3)，葉面塵與葉片中6種重金屬含量均呈顯著性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)均達到0.6以上.隨著葉面塵重金屬含量的增加，葉片內(nèi)重金屬含量遞增.

表3 植物葉片及葉面塵相應(yīng)重金屬含量相關(guān)系數(shù)1)Table 3 Correlation coefficients between heavy metal content in leaf and foliar dust

1)**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

2.1.2 植物葉面滯塵量與葉片重金屬含量的關(guān)系 葉片滯塵量與植物葉片中6種重金屬元素回歸關(guān)系及變化趨勢如圖1.滯塵量與葉片中各重金屬含量均呈三次多項式關(guān)系，其中，植物葉片重金屬Cu、Pb、Zn元素與葉片滯塵量R2值分別為0.811、0.755、0.731，表現(xiàn)出較強相關(guān)性，說明葉片中Cu、Pb、Zn含量受葉片滯塵量變化影響較大.其中葉片中Cd、Ni、As含量隨滯塵量的增加先升高后趨于平緩再升高；葉片中Cu、Pb、Zn隨滯塵量的增加呈逐漸升高的趨勢，當滯塵量為26.17 g·m-2時，Cu、Pb、Zn含量最高值分別達到29.25、27.86和43.47 mg·kg-1.

葉面塵附著于葉片表面，葉面塵重金屬元素經(jīng)氣孔進入葉片，在葉片內(nèi)產(chǎn)生富集.植物葉片滯留的灰塵越多，葉面塵重金屬含量與葉片重金屬含量越高，其中Cu含量相關(guān)性最顯著，R2達到0.811，這是由于Cu元素在大氣中易附著于粒徑小于1.5 μm的大氣顆粒物中[21]，更易于被植物葉片吸收，在葉片內(nèi)產(chǎn)生富集.

2.2 綠化樹種葉片對大氣中重金屬富集能力

葉片中重金屬含量與葉面塵中該重金屬含量的比值(CF)是衡量葉片對大氣重金屬富集能力的指標，CF值越大，樹種葉片對大氣重金屬富集能力越強.由表4可得(n=3)，各綠化樹種葉片對大氣中6種重金屬的富集能力存在差異，各樹種對Cu、Pb、Zn富集能力普遍強于其余重金屬.綠化樹種重金屬平均富集能力由大到小依次為：Zn(0.270)>Pb(0.187)>Cu(0.158)>As(0.104)>Ni(0.066)>Cd(0.056)，其中龍柏對Cd、As、Pb、Zn富集能力均為最強，CF值分別為0.095、0.184、0.265、0.532，為平均值的1.70、1.77、1.42、1.97倍.天竺桂對Ni富集能力最強，其CF值為0.169，為平均值的2.56倍；杜鵑對Cu富集能力最強，CF值為0.330，為平均值的2.09倍；香樟葉片對Ni、As、Cu、Pb富集能力均最弱.

為進一步探究各樹種對單一重金屬元素富集能力的差異，對葉片重金屬能力進行K-均值聚類分析(表5).根據(jù)多次預(yù)設(shè)類別結(jié)果，最理想聚類類別為3，第一類樹種對重金屬元素富集能力強；第二類樹種對重金屬元素富集能力中等；第三類樹種對重金屬元素富集能力弱.

圖1 不同滯塵量下葉片重金屬含量的變化Fig.1 Changes in heavy metal content under different foliar dust level

表4 不同樹種葉片重金屬富集能力(平均值±標準差)Table 4 Heavy metal accumulation capacity of different tree species (means±SE)

表5 不同樹種以重金屬富集能力為標準的聚類分析Table 5 Cluster analysis of heavy metal accumulation ability of different tree species

由表5可得，不同樹種對同一重金屬元素富集能力存在差異，同一樹種對某幾種重金屬富集能力強，而對另幾種重金屬元素富集能力中等或較弱的情況普遍存在.如龍柏葉片對Cd、As、Pb、Zn元素富集能力均強，而對Cu富集能力中等，對Ni富集能力弱；桂花對Zn富集能力強，對Ni、Cu、Pb富集能力中等，而對Cd、As富集能力弱.

3 討論

許多研究認為，草本植物內(nèi)的重金屬由根部固定后向其它器官轉(zhuǎn)移，而喬木、灌木根部固定的重金屬不易轉(zhuǎn)移，其葉片內(nèi)重金屬主要來源于葉片對大氣中重金屬的吸滯[21-22].本試驗對葉片、葉面塵重金屬含量及滯塵量進行測定分析，結(jié)果表明葉片、葉面塵重金屬含量均受葉片滯塵量的影響，其中葉片中Cu、Pb、Zn含量與葉面塵存在較強正相關(guān)性，葉片滯留的灰塵越多，葉面塵及葉片中的重金屬含量越高，從大氣顆粒物中吸滯的重金屬污染物是綠化樹種葉片重金屬的主要來源之一.

綠化樹種葉片重金屬富集能力與交通污染區(qū)重金屬來源、植物葉片表面形態(tài)及樹高有密切關(guān)系[20].交通污染區(qū)90%的Cu來自于制動器的磨損，80%的Pb、Zn來自于輪胎磨損及尾氣排放，大氣顆粒物中的Cu、Pb、Zn濃度較高[3].本研究通過對同一污染區(qū)不同樹種重金屬富集能力的分析得出，同一樹種對不同重金屬元素富集能力差異較大，不同樹種對某一重金屬的富集能力相較其他樹種有一定優(yōu)勢或劣勢，這與許多研究結(jié)果趨于一致[11,23].綠化樹種中龍柏、塔柏針葉短小密集，溝壑較多，枝條斜上伸展，易于滯留不同粒徑的粉塵，導(dǎo)致其對大多數(shù)重金屬富集能力較強，雪松、柳杉枝葉稀疏，且雪松枝葉為針狀，柳杉枝葉修長且下垂，不利于滯塵.天竺桂、桂花枝葉濃密茂盛，葉片葉脈突出、葉柄較短，易于吸滯粉塵，天竺桂葉片的油脂分泌物使滯留的粉塵不易脫落[24].相反，枝葉稀疏，葉片光滑且相對較單薄的香樟對粉塵的吸滯沒有優(yōu)勢.灌木樹種由于其自身樹高的因素，對近路面大氣顆粒物的吸滯較多，杜鵑葉片表面短絨毛密布，絨毛為粉塵附著于葉片表面創(chuàng)造了有利條件.滯塵能力差異多由葉片的粗糙程度及其上下表皮絨毛的形狀、數(shù)量，表面氣孔密度大小等葉片特征造成[24-25].

本試驗認為，重金屬富集能力的差異是由大氣中重金屬濃度、不同樹種葉片表面微結(jié)構(gòu)和植物自身對重金屬吸收和耐受機制的差異引起的.而目前國內(nèi)學者對植物葉片吸收大氣重金屬的耐性機理的研究較少，后續(xù)可對葉片滯塵機理及其重金屬富集機制進行探究.實踐中根據(jù)交通區(qū)污染特點，應(yīng)選擇優(yōu)勢樹種進行合理配置，兼顧景觀及抗污染效果，依據(jù)排序和分類有針對性地選擇對某一種重金屬元素富集能力強的優(yōu)勢樹種，適地適樹，合理配置不同種類喬-灌-草復(fù)合型植物群落.

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(責任編輯:蘇靖涵)

Enrichmentcharacteristicsofheavymetalsinleavesof18speciesofcommongreeningtreesinKunming

YANG Haozhou1,2, LI Yanmei1,2, CHEN Qibo1,2, SUN Yingdu1
(1.School of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kuming, Yunnan 650224, China; 2.National Station for Forest Ecosystem in Yuxi, Kunming, Yunnan 650224, China)

X173; X51

A

1671-5470(2017)05-0584-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.05.017

2017-06-12

2017-07-24

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201204101-10)；云南省高校優(yōu)勢特色重點學科(生態(tài)學)建設(shè)項目(05000511311)；西南林業(yè)大學科學研究基金面上項目(XL21621).

楊淏舟(1992-)，女，碩士研究生.研究方向：生態(tài)修復(fù)及退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù).Email:yanghaozhou09@163.com.通訊作者陳奇伯(1965-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.研究方向：土壤侵蝕、生態(tài)恢復(fù).Email：chengqb@swfu.edu.cn.