上海城鄉(xiāng)行道樹懸鈴木葉片重金屬與營養(yǎng)元素含量特征

商侃侃，車文玉，2，張慶費(fèi)*

（1上海辰山植物園，上海201602；2華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海200241）

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上海城鄉(xiāng)行道樹懸鈴木葉片重金屬與營養(yǎng)元素含量特征

商侃侃1，車文玉1，2，張慶費(fèi)1*

（1上海辰山植物園，上海201602；2華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海200241）

摘 要：為探明交通污染對道路綠化植物的影響，分別測定了上海城區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊地區(qū)主要行道樹種懸鈴木（Platanus acerifolia）葉片6種重金屬（Pb、Zn、Mn、Cr、Cu、Fe）含量和3種營養(yǎng)元素（總氮TN、總磷TP、總鉀TK）含量，并分析上海城區(qū)-近郊-遠(yuǎn)郊地區(qū)交通重金屬污染以及懸鈴木葉片對重金屬污染的生態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，不同地區(qū)行道樹葉片的重金屬含量差異顯著，近郊樣品含量最高，城區(qū)次之，遠(yuǎn)郊最低。利用相對污染指數(shù)評價(jià)污染情況，6種重金屬為中度污染。營養(yǎng)元素TP和TK低于背景值。懸鈴木葉片營養(yǎng)元素含量與重金屬污染間存在極顯著相關(guān)關(guān)系，其中TN和TK含量與Pb、Cu、Cr、Fe含量間極顯著正相關(guān)，TP與各金屬元素間無相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：道路綠化；行道樹；懸鈴木；重金屬污染；營養(yǎng)元素；上海市

上海作為特大型城市，經(jīng)歷了快速的城市化進(jìn)程。城市化率從1979年的60" 7％上升為2011年的89％。城市面積持續(xù)擴(kuò)張，農(nóng)用土地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘型恋?，不同地區(qū)的城市化時(shí)間和程度不同，空間上形成了城鄉(xiāng)梯度格局。研究表明，城市土壤［1］、街道灰塵［2］、地表水［3］、大氣［4］中的污染物出現(xiàn)了明顯的沿城鄉(xiāng)梯度分布的格局。交通污染更成為困擾城市環(huán)境與發(fā)展的嚴(yán)重污染之一，城市污染物與城市綠化帶的關(guān)系已成為研究熱點(diǎn)［5］。但以往研究多以功能區(qū)劃分，如工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)及居民區(qū)等［6］，不同功能區(qū)大氣重金屬含量存在較大差異。研究城區(qū)-近郊-遠(yuǎn)郊地區(qū)梯度的交通污染差異性，可以更好地揭示交通污染的形成規(guī)律，提出更有針對性的污染控制及修復(fù)途徑。

機(jī)動(dòng)車尾氣和道路揚(yáng)塵對道路沿線環(huán)境造成污染，帶來了Zn、Pb、Cd等重金屬元素和含N、S污染物［7］，多滯留在行道樹、綠籬植物、景觀樹種的葉片表面。植物葉片中的重金屬含量，在一定程度上反映了該地區(qū)大氣中的重金屬含量［8］。葉片通過持留和去除等過程截獲或吸附大氣中的污染物。有些非必需重金屬元素（如Pb等）微量即會對植物產(chǎn)生毒害［9］。有研究顯示，交通密集區(qū)城市行道樹葉片和樹皮器官中重金屬、葉片可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛［10］以及葉綠素含量［11］等指標(biāo)在不同的方位呈現(xiàn)顯著的差別，比如植物所處的環(huán)境污染越嚴(yán)重，植物所受的傷害越嚴(yán)重，電導(dǎo)率越高［12］。目前環(huán)境污染對道路綠化植物氮磷鉀等營養(yǎng)元素影響的研究不多，而植物對污染響應(yīng)的研究多限于同一道路的不同植物［5，13］，利用某種普遍種植植物的葉片監(jiān)測不同空間梯度交通污染物影響的研究報(bào)道較少。在利用城市樹木檢測大氣重金屬污染方面，已有雪松［14］、殼斗科植物［15］等報(bào)道；也研究了懸鈴木對灰塵重金屬的積累［16］，并利用懸鈴木重金屬累積特性分析和評價(jià)大氣污染［10，17］。

本研究以上海主要行道樹懸鈴木葉片為對象，測定分析了城鄉(xiāng)梯度的葉片重金屬、氮磷鉀含量及其關(guān)系，探討上海城鄉(xiāng)梯度行道樹重金屬分布格局及其生態(tài)響應(yīng)。

1 材料與方法

1．1 樣點(diǎn)設(shè)置與取樣

植物在落葉前的葉片重金屬積累量達(dá)到最高期［18］，采樣時(shí)間為2012年11月份。設(shè)置以中環(huán)線以內(nèi)區(qū)域?yàn)槌菂^(qū)（U）、外環(huán)線與中環(huán)線之間區(qū)域?yàn)榻迹⊿）、外環(huán)線以外為遠(yuǎn)郊（R）三個(gè)梯度，按米字形取樣，每個(gè)梯度選擇8個(gè)樣點(diǎn)（圖1）。每個(gè)樣點(diǎn)各選擇3條不同機(jī)動(dòng)車流量的道路，以單車道、雙向單車道和雙向兩車道來表征，避開附近有化工廠等污染源。選擇崇明東平國家森林公園作為清潔區(qū)對照。每條道路隨機(jī)選擇5棵生長良好的植株。在距離地面約3 m處，采用高枝剪按東、南、西、北四個(gè)方向，各選取3—5片當(dāng)年生葉片，將每個(gè)樣點(diǎn)采集的葉片混合，裝進(jìn)做好標(biāo)記的自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室。

圖1　采樣點(diǎn)分布Fig．1 Distribution of sample plots

1．2 樣品處理與測定

將采集的植物葉片烘干粉碎，過1 mm篩，放入清潔自封袋中備用。具體樣品處理方法參照國標(biāo)［19］。

利用美國PerkinElmer公司4300DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測定元素，待測元素為Pb、Zn、Mn、Cu、Cr、Fe和總鉀（TK）；總氮（TN）用靛酚藍(lán)分光光度法；總磷（TP）用硝酸-高氯酸-消煮鉬銻抗分光光度法。

1．3 數(shù)據(jù)處理

由于缺乏重金屬元素在懸鈴木葉片內(nèi)允許量的標(biāo)準(zhǔn)，將清潔地區(qū)懸鈴木葉內(nèi)重金屬含量作為基準(zhǔn)，計(jì)算相對污染指數(shù)。相對污染指數(shù)（Pi）計(jì)算公式為：Pi＝ρi/ρis，ρi重金屬實(shí)測值，ρis重金屬元素背景值。依據(jù)Meilke［20］等提出的重金屬污染評價(jià)指標(biāo)，將葉片中重金屬潛在生態(tài)危害狀況進(jìn)行分級：污染系數(shù)＜1，污染強(qiáng)度為輕微；1≤污染系數(shù)＜3，中度；3≤污染系數(shù)＜6，強(qiáng)；污染系數(shù)≥6，很強(qiáng)。

數(shù)據(jù)計(jì)算用Excel 2007完成，統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 15完成，圖形繪制用Origin 8完成，以均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式計(jì)量結(jié)果。組間和組內(nèi)差異則采用單因素方差分析（P＝0" 05）。

2 結(jié)果與分析

2．1 懸鈴木葉片重金屬和營養(yǎng)元素含量總體特征

表1為行道樹懸鈴木葉片的重金屬和營養(yǎng)元素含量，清潔地區(qū)相應(yīng)含量作為背景值計(jì)算相對污染指數(shù)。由表1可見，葉片對重金屬富集能力均為Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr，這與北京常見綠化樹種葉片富集重金屬能力研究結(jié)果一致［18］。Fe元素含量最高，達(dá)（551" 48±159" 84）mg/kg；其次為Mn和Zn元素，Cr元素的含量最少（2" 03±1" 14）mg/kg。從重金屬相對污染污染指數(shù)可以看出，6種重金屬均為中度污染。污染等級分別為Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞Fe＞Cu。TP和TK 2種營養(yǎng)元素含量低于背景值。

表1　懸鈴木葉片重金屬含量和營養(yǎng)元素含量（n＝24）Table 1 Heavy metals and nutrient elements in P．a(chǎn)cerifolia leaves（n＝24）

2．2 城鄉(xiāng)梯度懸鈴木葉片重金屬含量特征

城鄉(xiāng)梯度行道樹葉片中重金屬元素存在差異（圖2）?？傮w來說，重金屬元素含量均為近郊最高，城區(qū)次之，遠(yuǎn)郊最低。含量均為Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr。在近郊和遠(yuǎn)郊兩個(gè)梯度上，Pb、Zn、Cu和Fe三種元素均差異顯著（P＜0" 05）；Cr元素在三個(gè)梯度有明顯差異（P＜0" 05）；在城區(qū)和遠(yuǎn)郊兩個(gè)梯度上，Zn元素含量差異不大，但明顯低于近郊。

2．3 城鄉(xiāng)梯度懸鈴木葉片營養(yǎng)元素含量特征

氮、磷、鉀是植物必須的三大元素，在植物生長發(fā)育中起著重要的作用。城鄉(xiāng)梯度懸鈴木行道樹的TN、TP和TK含量如圖3。其中，懸鈴木葉片TN平均值為（26"2±2"2）g/kg，在城鄉(xiāng)梯度上，顯示從城區(qū)到遠(yuǎn)郊依次降低的趨勢，但差異不顯著；近郊TP含量最低（0"87±0"13）g/kg，而城區(qū)最高（1"17±0"14）g/kg，兩者之間有顯著差異，但均與遠(yuǎn)郊差異不顯著；TK近郊最高（7"69±1"16）g/kg，遠(yuǎn)郊最低（4"15±0"63）g/kg，近郊約為遠(yuǎn)郊1"8倍。

2．4 重金屬與營養(yǎng)元素相關(guān)性

通過分析懸鈴木葉片重金屬含量與營養(yǎng)元素含量之間的相關(guān)性，各指標(biāo)間均存在較大差異（表2）。除Mn外，懸林木葉片的各重金屬元素和營養(yǎng)元素含量具有不同程度的正相關(guān)性。其中Pb、Cu、Cr、Fe四種元素的含量均與葉片的TN、TK含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0" 01）。說明道路重金屬含量對植物營養(yǎng)元素合成和吸收有影響，并且兩者之間有一定的協(xié)同關(guān)系。植物養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征與植物特性之間的關(guān)系可以解釋植物群落對環(huán)境的適應(yīng)性，也可以作為判斷環(huán)境對植物生長的養(yǎng)分供應(yīng)狀況指標(biāo)。在化學(xué)計(jì)量特征上，Cu元素含量對TN/TK與TP/TK影響顯著。Cr元素含量與TN/TP及TP/TK呈極顯著正相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)。

注：U，城區(qū)；S，近郊；R，遠(yuǎn)郊；不同小寫字母表示在0" 05水平下差異顯著；下圖同。圖2　上海城鄉(xiāng)懸鈴木重金屬含量特征（n＝8）Fig．2 Heavy metal contents of P．a(chǎn)cerifolia leaves in Shanghai urban and rural areas（n＝8）

圖3　上海城鄉(xiāng)行道樹營養(yǎng)元素含量特征（n＝8）Fig．3 Nutrient element contents of P．a(chǎn)cerifolia leaves in Shanghai urban and rural areas（n＝8）

表2　重金屬含量與營養(yǎng)元素含量間相關(guān)性分析（n＝24）Table 2 Correlation between heavy metals and nutrient elements in P．a(chǎn)cerifolia leaves（n＝24）

3 討論

城市灰塵是城市各類環(huán)境污染物質(zhì)的載體，可以表征城市大氣污染的程度，而植物葉片氣孔是吐納大氣污染物的通道［21］。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(guān)，而土壤重金屬含量相關(guān)性相對不顯著［22］。上海高架道路灰塵中重金屬Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr均超過上海市土壤背景值，前四者表現(xiàn)為中度污染，Cr表現(xiàn)為偏中度污染，而Ni表現(xiàn)為輕度污染［23］。本研究通過測定植物葉片的重金屬含量，采用相對污染指數(shù)評價(jià)表明6種重金屬均為中度污染，污染等級為Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞Fe＞Cu，得到與上述研究結(jié)果相似的結(jié)論［24］，表明利用植物監(jiān)測道路交通的重金屬含量，可以判定交通污染物的污染狀況。

本研究表明，行道樹懸鈴木葉片6項(xiàng)重金屬指標(biāo)均呈現(xiàn)“近郊＞城區(qū)＞遠(yuǎn)郊”的格局，一定程度上表征了上海近郊交通污染最嚴(yán)重、城區(qū)次之、遠(yuǎn)郊較輕的交通污染分布格局。造成同一城市不同地域道路重金屬污染的差異主要與城市功能有關(guān)，其原因可能與上海城市發(fā)展特點(diǎn)、車流量以及交通政策有關(guān)。行道樹葉面的重金屬污染主要來自道路交通污染，由汽車尾氣排放、制動(dòng)磨損、輪胎老化釋放［13］，受到機(jī)動(dòng)車保有量、交通流量、車輛型號的影響［24］。快速城市化導(dǎo)致上海市機(jī)動(dòng)車保有量和道路交通流量快速增長，由機(jī)動(dòng)車排放導(dǎo)致的重金屬污染隨著交通負(fù)荷的增加而增大［24］，自2006年10月1日起，達(dá)不到國家第一階段排放標(biāo)準(zhǔn)的高污染車輛被限制在內(nèi)環(huán)（含）以內(nèi)的所有地面道路上通行，重型污染車輛被限行在城區(qū)之外。由于汽車尾氣排放是流動(dòng)污染源，而城市化進(jìn)程也使得交通不便的郊區(qū)與農(nóng)村地區(qū)汽車保有量在持續(xù)增加，增加了這些地區(qū)大氣顆粒物的排放。同時(shí)，近郊可行駛污染物排放水平較高的車型，相對單車排放水平低的高車流量車（輕型客車），其污染物排放貢獻(xiàn)率可能更大［24］，導(dǎo)致近郊行道樹重金屬污染物高于城區(qū)。

許多重金屬（Fe、Zn、Mn、Cu）是植物必需的營養(yǎng)元素，但其濃度超過植物忍耐的最大限度時(shí)，會對植物造成毒害，引起植物體內(nèi)代謝過程發(fā)生紊亂，而Pb、Cr作為非必需元素易導(dǎo)致植物受損害。本研究表明，懸鈴木葉片的TN、TP和TK含量表現(xiàn)為以下特征：TN含量以城區(qū)最高，TP含量隨著污染程度的降低而升高，TK含量表現(xiàn)出近郊＞城區(qū)＞遠(yuǎn)郊特征，且與重金屬含量間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。說明重金屬的脅迫作用會導(dǎo)致植物氮、磷、鉀等大量元素缺乏或有效性降低，高濃度的重金屬會引起懸鈴木對大量營養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力下降，重金屬的脅迫作用也會引起細(xì)胞膜脂過氧化，膜透性增加，小分子物質(zhì)外泄增加［25］，導(dǎo)致懸鈴木葉片營養(yǎng)元素低于背景值。懸鈴木葉片的Cr、Cu、Pb、Fe四種重金屬元素與TN和TK呈極顯著正相關(guān)，與TP缺乏相關(guān)性，其原因可能是高濃度K元素可以在細(xì)胞生命活動(dòng)中維持較高的跨膜勢，有利于其他金屬離子吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，故TN和TK與Cr、Cu、Pb、Fe四種重金屬表現(xiàn)出很強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系，這與張露尹［26］的研究結(jié)果一致。植物體內(nèi)化學(xué)計(jì)量特征可以作為養(yǎng)分供應(yīng)狀況的參考參數(shù)，重金屬與化學(xué)計(jì)量特征影響機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）上海行道樹懸鈴木葉片重金屬含量以郊區(qū)最高，城區(qū)次之，遠(yuǎn)郊最低，基本反映了道路交通流量和車輛特征，懸鈴木片對環(huán)境重金屬污染物具有一定指示作用。6種重金屬均為中度污染。污染等級為Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞Fe＞Cu。

（2）懸鈴木葉片營養(yǎng)元素含量低于背景值，與重金屬含量間存在顯著關(guān)系。懸鈴木TN跟TK含量與重金屬（Pb、Cu、Cr、Fe）濃度呈極顯著正相關(guān)，TP隨重金屬污染程度降低而升高。Cu元素含量對TN/TK 與TP/TK影響顯著。Cr元素含量與TN/TP及TP/TK呈極顯著正相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：程智強(qiáng)）

Characteristics of both heavy metal and nutrient element contents of street trees’Platanus acerifolia leaves in Shanghai urban and rural areas

SHANG Kan-kan1，CHE Wen-yu1，2，ZHANG Qing-fei1*
（1Shanghai Chenshan Botanical Garden，Shanghai 201602，China；2School of Ecological and Environmental Sciences，East China Normal University，Shanghai 200241，China）

Abstract：In order to explore the effect of traffic heavy metal pollution on street trees in Shanghai，the contents of 6 heavy metals（Pb，Zn，Mn，Cr，Cu and Fe）and 3 kinds of nutrient elements（Total N，Total P and Total K）in Platanus acerifolia leaves were measured among the main street trees from the city proper，suburbs and outskirts，and the ecological response of P．a(chǎn)cerifolia leaves to heavy metal pollution were analyzed" The results showed that the heavy metal contents of the street tree leaves from various areas were significantly different，and the descending order of heavy metal contents was the suburbs＞the city proper＞the outskirts" In terms of relative pollution indexes，there was moderate pollution of the 6 heavy metals" The total P and total K nutrient element contents were lower than the background values" The nutrient element contents of P．a(chǎn)cerifolia leaves were very significantly correlated to heavy metal pollution" There were very significantly positive correlations between the total N and total K contents and the Pb，Cu，Cr and Fe contents，while the total P was not correlated to any heavy metals"

Key words：Road greening；Street tree；Platanus acerifolia；Heavy metal pollution；Nutrient element；Shanghai

*通信作者：張慶費(fèi)（1966—），男，博士，教授級高級工程師，研究方向：城市綠地生態(tài)、城市植物多樣性。E-mail：qfzhang＠126" com

作者簡介：商侃侃（1982—），男，博士，高級工程師，研究方向：植物修復(fù)技術(shù)。E-mail：shangkankan＠163" com

基金項(xiàng)目：上海市綠化和市容管理局辰山專項(xiàng)（G142418，G152426）；國家環(huán)保部公益性行業(yè)專項(xiàng)（20110923）

收稿日期：2014-12-17

文章編號：1000-3924（2016）01-080-06

中圖分類號：X173

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A