北京園林綠地29種樹木3種重金屬含量的比較

蘭欣宇，解瑩然，程佳雪，萬映伶，張 欣，劉 燕

（北京林業(yè)大學 a.花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點實驗室；b.國家花卉工程技術(shù)研究中心；c.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室；d.園林學院，北京 100083）

伴隨城鎮(zhèn)化進程的加快，工業(yè)活動、交通運輸以及大量的建筑垃圾等問題使得城市生態(tài)環(huán)境中重金屬的含量不斷提升[1]，尤其在土壤和大氣中污染較為嚴重[2-3]。土壤中的重金屬通過吸收、溶解、氧化還原等一系列物化作用而發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化[4]，且大多以化合態(tài)形式存在[5]，具有隱蔽性、長效性和難降解等特點，而在空氣污染中，重金屬離子也扮演著十分重要的角色，PM2.5是其主要載體[6]。更為重要的是，重金屬可導致人體各種急、慢性疾病以及癌癥的發(fā)生，嚴重威脅著人類健康[7]。目前北京地區(qū)以鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）等為主要重金屬元素污染的問題亟待改善[8-10]。

園林樹木在美化環(huán)境的同時對環(huán)境中重金屬具有吸收和積累的作用。有研究表明，植物一方面可通過根系吸收土壤中重金屬，另一方面可通過葉片氣孔等吸收大氣中的重金屬[11-12]。因此，利用園林樹木改善城市環(huán)境中重金屬污染問題具有重要意義。城市生態(tài)環(huán)境污染的問題非常復雜，往往具有多種污染物，而目前國內(nèi)在園林植物吸收重金屬的相關(guān)研究中，多以幼苗為研究對象，缺少對成年園林樹木富集重金屬的研究，并且現(xiàn)有研究中大多是研究不同園林植物對單一元素的吸收貢獻，沒有將其富集環(huán)境重金屬的綜合能力進行評價與篩選。本研究在北京不同園林綠地中，選取共有的29種園林樹木，研究了其葉片和一年生枝條中Cd、Pb、Cu的含量，分析了不同樹種重金屬富集特征，比較了29種園林樹木富集3種重金屬的綜合能力，為北京市城市生態(tài)建設樹種的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

以環(huán)境不同、有相同樹種且胸徑相似的陶然亭公園、紫竹院公園、中國科學院植物研究所北京植物園為樣地。陶然亭公園位于北京市南二環(huán)，全園總面積56.56 hm2，公園南面是二環(huán)路，其余三面是居住區(qū)，公園內(nèi)幾乎無機動車行駛；紫竹院公園位于北京市西三環(huán)附近，西面是居住區(qū)，其余三面是城市道路，占地47.35 hm2，公園人流量較大；中國科學院植物研究所北京植物園位于北京市四環(huán)、五環(huán)之間，東面是西五環(huán)路，北面是香山路，其余兩邊是居住區(qū)，現(xiàn)有土地面積74 hm2，附近車流量相對較少且公園內(nèi)幾乎無機動車行駛。

2016年10月，在上述3個樣地內(nèi)選擇規(guī)格相同的29個樹種：白扦Picea meyeri、圓柏Sabina chinensis、側(cè)柏Platycladus orientalis、油松Pinus tabuliformis、雪松Cedrus deodara、白皮松Pinus bungeana、華山松Pinus armandii、粗榧Cephalotaxus sinensis、砂地柏Sabina vulgaris、流蘇樹Chionanthus retusus、槲櫟Quercus aliena、梓樹Catalpa ovata、暴馬丁香Syringa reticulatavar.amurensis、元寶楓Acer truncatum、小葉樸Celtis bungeana、杜仲Eucommia ulmoides、楓楊Pterocarya stenoptera、蒙椴Tilia mongolica、山桃Amygdalus davidiana、山杏Armeniaca sibirica、山茱萸Cornus officinalis、紫荊Cercis chinensis、丁香Syringa oblata、錦帶Weigela florida、金銀木Lonicera maackii、雞麻Rhodotypos scandens、木槿Hibiscus syriacus、貼梗海棠Chaenomeles speciosa、太平花Philadelphus pekinensis。采樣樹種均選擇生長健康、灌木胸徑在5～7 cm、喬木胸徑在20～23 cm的植株，每株從距地面1～1.5 m樹冠的東、南、西、北4個方向采集一年生葉片及枝條。每個樣地同樹種隨機選擇3個樣本樹，采集后混勻，作為一個樣品；來自3個不同樣地同樹種樣品作3個重復，即每種植物樣品來自9株植物。用聚乙烯塑料袋封裝，立即帶回實驗室后，用去離子水沖洗葉片3次后吸干表面水分，于105 ℃殺青30 min后裝于信封40 ℃烘干至恒質(zhì)量。將干燥后的植物葉片和一年生枝條粉碎，過80目篩，放入自封袋中存于4 ℃至分析。

1.2 重金屬含量的測定

準確稱取1.000 0 g粉碎好的樣品于錐形瓶中，加入30 mL高氯酸與濃硝酸混合酸溶液（體積比例為1∶5），加熱消煮至瓶內(nèi)充滿白煙，冷卻后過濾并定容至100 mL；采用ICP光譜儀（Optima 8X00系列）進行Cd、Pb以及Cu的測定，每個樹種測定3個樣品，每個樣品重復3次，取均值。每次測定樣品時皆進行空白試驗，并在測定過程中用國家標準物質(zhì)GBW10052（GSB—30）進行含量監(jiān)控，以確保測定結(jié)果準確可靠。

1.3 富集3種重金屬綜合能力評價

采用隸屬函數(shù)法進行評價[13-14]。計算方程為：X(μ)=[X－Xmin]/ [Xmax－Xmin]（其中，X為某一指標的測定值；Xmax為某一指標的測定值中最大值；Xmin為某一指標的測定值中最小值），而后求取隸屬函數(shù)值的平均值（Δ）。對29種園林樹木Cd、Pb、Cu含量進行隸屬函數(shù)的計算，其Δ值越大，說明樹種富集重金屬綜合能力越強。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件進行方差分析與相關(guān)性分析，并按照重金屬的含量差異將各樹種進行系統(tǒng)聚類法分析。數(shù)據(jù)平均值和標準差的計算以及圖表制作在Microsoft Excel 2013中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 29種園林樹木重金屬的含量

由表1可知，29種園林樹木中葉片和一年生枝條的Cd、Pb、Cu含量不同，具有顯著性差異（P＜0.05），且因重金屬種類而異。

表1 29種園林樹木重金屬的含量?Table 1 Contents of heavy metal from 29 kinds of ornamental trees in green land (mg·kg-1)

29種園林樹木葉片和一年生枝條總Cd含量為0.101 7～0.262 6 mg/kg，有明顯的種間差異。其中白扦Cd含量最高，砂地柏含量最低，相差2.6倍。采用系統(tǒng)聚類法，可將29種樹木劃分為三類（圖1-A），白扦、杜仲、貼梗海棠等5種樹木為第一類，此類樹木Cd含量高，為0.219 4～0.262 6 mg/kg；丁香、油松、梓樹等23種樹木為第二類，此類樹木Cd含量中等，為0.146 5～0.202 5 mg/kg；含量為0.101 7 mg/kg的砂地柏屬于第三類，此類樹木Cd含量低。

葉片和一年生枝條Pb總含量為11.260 6～40.572 1 mg/kg，有較為明顯的種間差異。其中白扦Pb含量最高，是含量最低的梓樹的3.6倍。采用系統(tǒng)聚類法，可將29種樹木劃分為三類（圖1-B），含量為40.572 1 mg/kg的白扦屬于第一類，此類樹木Pb含量高；金銀木、木槿、暴馬丁香等14種樹木為第二類，此類樹木Pb含量中等，為14.567 0～18.393 8 mg/kg；油松、杜仲與梓樹等14種樹木為第三類，此類樹木Pb含量低，為11.260 6～17.075 7 mg/kg。

葉片和一年生枝條Cu總含量為6.181 9～26.265 1 mg/kg，有明顯的種間差異。其中白扦Cu總含量最高，是含量最低的砂地柏的4.2倍。采用系統(tǒng)聚類法，可將29種樹木劃分為三類（圖1-C），含量為26.265 1 mg/kg的白扦屬于第一類，此類樹木Cu含量高；金銀木、雪松、蒙椴等11種樹木為第二類，此類樹木Cu含量中等，為13.903 3～21.7125 mg/kg；錦帶、杜仲、砂地柏等17種樹木為第三類，此類樹木Cu含量低，為6.181 9～12.631 6 mg/kg。

圖1 綠地中29種園林樹木重金屬含量系統(tǒng)聚類分析Fig.1 Systematic cluster analysis of heavy metal content from 29 ornamental trees in green land

2.2 29種園林樹木葉片和枝條中重金屬的含量

樹木不同器官均可以對環(huán)境污染物起到一定的吸收與積累作用[15]。為了進一步了解重金屬在園林樹木不同器官中的分布特征，對可以脫落的葉片或需要時可修剪的一年生枝條分別測定3種重金屬含量，結(jié)果見圖2～圖4。

圖2為29種園林樹木的葉片和一年生枝條中Cd含量。同種樹木葉片和一年生枝條中重金屬含量不同，且因重金屬種類而異。因此，園林樹木一年生枝條及葉片Cd含量排序與樹種Cd總含量排序不完全一致。29種樹木中，17種樹木一年生枝條Cd含量高于葉片，占樹種總數(shù)的58.6%；41.4%的樹種一年生枝條和葉片含量相似。白扦一年生枝條Cd含量較高，為0.169 6 mg/kg；砂地柏含量較低，為0.049 9 mg/kg。流蘇樹葉片Cd含量較高，為0.101 4 mg/kg；砂地柏較低，為0.051 8 mg/kg。杜仲、白扦等葉片與一年生枝條Cd含量差值較大，楓楊、砂地柏等差值較小。

圖2 29種園林樹木葉片和枝條Cd含量變化Fig.2 Cadmium content changes from leaves and branches of 29 ornamental trees in green land

29種園林樹木葉片和一年生枝條Pb含量如圖3所示。29種樹木一年生枝條Pb含量均高于葉片含量，但Pb含量排序與兩者總和排序不完全一致。白扦一年生枝條中Pb含量較高，為35.970 6 mg/kg；梓樹含量較低，為6.290 0 mg/kg。錦帶葉片中Pb含量較高，為5.858 3 mg/kg；白皮松較低，為4.014 7 mg/kg。白扦、白皮松等葉片與一年生枝條Pb含量差值較大，雞麻、梓樹與紫荊差值較小。

29種園林樹木葉片和一年生枝條Cu含量如圖4所示。29種樹木中14種樹木一年生枝條含量高于葉片含量，占48.3%；17.2%的樹種一年生枝條和葉片含量相似，34.5%的樹種葉片含量高于一年生枝條。枝條和葉片Cu含量排序與樹種Cu總含量排序也不完全一致。白扦一年生枝條中Cu含量較高，為21.541 5 mg/kg；砂地柏含量較低，為1.765 0 mg/kg。木槿葉片中Cu含量較高，為8.471 5 mg/kg；油松較低，為3.044 8 mg/kg。白扦、金銀木等葉片與一年生枝條Cu含量差值較大，山桃、元寶楓等差值較小。

圖3 29種園林樹木葉片和枝條Pb含量變化Fig.3 Plumbum content changes from leaves and branches of 29 ornamental trees in green land

圖4 29種園林樹木葉片和枝條Cu含量變化Fig.4 Cuprum content changes from leaves and branches of 29 ornamental trees in green land

對29種樹木一年生枝條和葉片3種重金屬含量做相關(guān)分析，結(jié)果見表2。僅枝條與葉片的Cd含量存在一定程度正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.316（P＜0.01）；而一年生枝條與葉片中Pb與Cu含量無顯著相關(guān)性。

表2 29種樹木不同器官中重金屬含量相關(guān)性分析?Table 2 Correlation analysis of heavy metals in different organs of 29 ornamental trees

綜合來看，樹木中葉片和枝條對3種重金屬的富集能力之間關(guān)聯(lián)性不強。

2.3 園林樹木富集重金屬綜合能力比較

城市污染問題往往是由多種因素造成的，在選擇園林樹木改善生態(tài)環(huán)境時，需要考慮樹種吸收污染物的綜合能力。隸屬函數(shù)法是一種較好的綜合評價方法，用隸屬函數(shù)法對綠地中29種樹木葉片和一年生枝條中Cd、Pb和Cu綜合富集能力進行評價。從表3可以看出，綠地中29種園林樹木對這3種重金屬綜合富集能力排名前5位的分別為白扦、金銀木、貼梗海棠、太平花和暴馬丁香，而紫荊、山桃和砂地柏綜合富集能力低。

3 討 論

在本研究中，葉片與一年生枝條的重金屬含量不同，表明樹木不同器官對重金屬的吸收與積累能力是不同的，且兩個器官中的重金屬含量無顯著相關(guān)性，所以在評價樹木富集重金屬的能力時，僅用葉片可能具有片面性。

園林樹木對城市生態(tài)環(huán)境中的重金屬不僅具有一定程度的耐受性，也可以起到吸收與凈化的作用。而導致樹種之間吸收重金屬能力的不同可能與不同樹種葉片或枝條生理特征、形態(tài)特征的差異有關(guān)[16-17]。龐靜[18]以首都鋼鐵集團燒結(jié)廠（工業(yè)區(qū)）中的植物葉片為研究對象，對比分析了28種不同植物對Cu、Zn、Cr、Pb、Ni富集能力的差異，其中有2種元素和6種植物與本研究相同，其測定的葉片Pb和Cu含量普遍高于本實驗，且富集能力的排序也不同。魯紹偉等[19]研究了北京市公園綠地中7種喬木春季葉片中Cu、Cr、Pb、Zn含量，其中有2種元素和3種植物與本研究相同，但對于樹種富集Pb和Cu能力的排序與本研究也有差異。由于這兩位學者的文章未說明采收時間和株齡，實際與本研究結(jié)果無法相比較，但是揭示了樹木對重金屬的吸收受環(huán)境影響較大。本實驗選擇的3個樣地環(huán)境條件有明顯差異，29種園林樹木對重金屬的富集量因樹種和重金屬種類而異，但是一些樹種富集重金屬的能力沒有受到環(huán)境影響，在3個樣地中均表現(xiàn)較強的富集能力，如白扦、流蘇樹對Cd的富集，白皮松、白扦對Pb的富集以及金銀木、白扦、貼梗海棠、丁香、油松和圓柏對Cu的富集，但是也有一些樹種在3個不同樣地表現(xiàn)明顯不同，如杜仲對Cd的富集能力，錦帶對Pb的富集能力，蒙椴、雪松、暴馬丁香對Cu的富集。富集重金屬樹種篩選時，如以場地成年樹為對象，則應進行多樣地測定，重金屬含量高且在各環(huán)境中表現(xiàn)穩(wěn)定的樹種應給予高度關(guān)注，可作為改善環(huán)境重金屬污染問題時的優(yōu)選樹種。

表3 29種園林樹木對Cd、Pb、Cu綜合富集能力比較Table 3 Comparison of comprehensive absorption capacity of Cd,Pb and Cu in 29 ornamental trees

研究表明，城市樹木地上部（葉片、枝條和樹皮等）的重金屬含量與PM2.5、PM10濃度以及大氣降塵重金屬含量均呈現(xiàn)一定程度的相關(guān)性[20-22]，且也有一些研究表明樹木葉片重金屬含量與相應土壤含量無顯著相關(guān)性[23-25]。但重金屬在植物體內(nèi)的吸收與運輸是一個較為復雜的過程，已有研究[26]表明，植物可通過根系吸收土壤中的重金屬，其中一部分重金屬儲藏積累在根部，另一部分則會通過共質(zhì)體途徑以及質(zhì)外體途徑從根部運輸?shù)骄S管束從而抵達枝葉，但目前尚未見樹木地上部分吸收的重金屬向地下部分運輸?shù)膱蟮?。本研究中樹木葉片和一年生枝條對重金屬的富集量與其生長地土壤和大氣重金屬含量的相關(guān)性值得進一步研究。

4 結(jié) 論

1）不同樹種對不同重金屬吸收量是有顯著差異的，且與重金屬種類有關(guān)。29種園林樹木中白扦和杜仲的Cd含量較高，白皮松和白扦的Pb含量較高，金銀木和白扦Cu含量較高。

2）樹木不同器官中重金屬含量也不同，葉片與枝條中重金屬含量無顯著相關(guān)性。

3）白扦、金銀木、貼梗海棠、太平花、暴馬丁香5種園林樹木對3種重金屬的綜合富集能力較強，可作為優(yōu)選樹種來改善城市生態(tài)環(huán)境。

城市園林建設中，針對性地選擇不同的植物種類，并進行合理配植，可以實現(xiàn)最大限度地吸收環(huán)境中的污染物，更有效地改善城市生態(tài)環(huán)境。