灌木滯塵能力與重金屬含量間的關(guān)系

林星宇 李海梅 李彥華 劉志科

摘要：選擇青島市城陽區(qū)的8種灌木，包括海桐（Pittosporum tobira）、小葉黃楊（Buxus sinica）、珊瑚樹（Viburnum awabuki）、枸骨（Ilex cornuta）、紫葉小檗（Berberis thunbergii）、迎春（Jasminum nudiflorum）、珍珠繡線菊（Spiraea thunbergii）、棣棠（Kerria japonica）等，測定其滯塵能力并分析其滯塵量與葉片內(nèi)重金屬含量的關(guān)系。結(jié)果表明，這8種灌木的滯塵能力存在一定差異，其中，小葉黃楊的單位葉面積滯塵量最大，珍珠繡線菊的單位葉面積滯塵量最小，最大值約是最小值的3倍，單株滯塵量最大的是小葉黃楊，為187.364 9 g/株，而最小的是棣棠，僅為12.166 9 g/株。枝葉茂密、葉量多、總?cè)~面積大的樹種，其單株滯塵能力就會越強(qiáng)。通過對8種灌木電鏡掃描與滯塵量的對比分析得出，葉表面粗糙、具蠟質(zhì)層、有明顯溝槽和瘤狀突起、氣孔多且開口較大的結(jié)構(gòu)有利于滯塵。8種灌木對于重金屬的富集能力由強(qiáng)到弱排序?yàn)殍酃?海桐>珊瑚樹>小葉黃楊>珍珠繡線菊>棣棠>紫葉小檗>迎春。8種灌木葉片中不同重金屬含量排序?yàn)殇\（Zn）>銅（Cu）>鎳（Ni）>鉛（Pb）>鉻（Cr）>鎘（Cd），植物滯塵量與葉片內(nèi)重金屬含量之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，表明葉片的滯塵量越大，葉片中的重金屬含量越高。

關(guān)鍵詞：灌木;滯塵量;葉表面結(jié)構(gòu);重金屬含量

中圖分類號： S718.45;X51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0180-04

近年來，隨著城市化和工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，空氣污染越來越嚴(yán)重，環(huán)境問題越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。如今，青島市已經(jīng)躋身于我國一線城市行列，其中城陽區(qū)作為青島市重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域，其大氣污染程度愈發(fā)嚴(yán)重。園林植物可以通過滯留大氣粉塵而有效阻滯灰塵，是提升空氣質(zhì)量的有效方法之一。同時研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片能夠吸附空氣顆粒物上的重金屬，并且滯塵量與重金屬含量之間存在一定的相關(guān)性，選擇滯塵量高且對重金屬吸附能力強(qiáng)的樹種至關(guān)重要。

研究表明，不同植物葉片對空氣顆粒物的吸附能力不同。馬遠(yuǎn)等研究表明，圓柏、銀杏、油松的滯塵能力差異顯著，具體表現(xiàn)為圓柏>銀杏>油松[1]。楊有芹等研究表明，單位葉面積滯塵量相對較高的是鵝掌柴，火棘相對較低[2]。謝英贊等通過對不同綠地類型常用綠化樹種滯塵效應(yīng)的研究表明，常綠喬木樹種的滯塵效應(yīng)優(yōu)于落葉喬木樹種，喬木樹種優(yōu)于灌木樹種[3]。研究者還對植物滯塵能力大小與葉表面特性的關(guān)系進(jìn)行了分析。趙松婷等研究表明，影響植物葉片滯塵能力的主要微觀結(jié)構(gòu)為蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠淙~表面分泌大量黏性物質(zhì)，會使滯塵量增大[4]。張桐等對6種植物葉片的滯塵能力與其葉面結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行了測定與分析，結(jié)果表明，植物葉片吸附空氣中粉塵的能力受葉表面微結(jié)構(gòu)的影響較大，其影響程度表現(xiàn)為分泌物>溝狀組織>凹槽>褶皺>條狀突起[5]。齊飛艷等研究表明，枇杷樹葉片上密集的茸毛有利于顆粒物的附著，認(rèn)為茸毛在葉片微觀結(jié)構(gòu)中對滯留大氣顆粒物的貢獻(xiàn)最大[6]。

研究表明，植物單位葉面積滯塵量與葉片內(nèi)的重金屬含量存在一定的相關(guān)性。李艷芹等通過對照分析潔凈區(qū)、主城區(qū)和工業(yè)區(qū)樹種葉片的重金屬含量，得出葉片的重金屬含量與植物滯塵量呈正相關(guān)，植物葉片的滯塵量越大，相應(yīng)的葉片重金屬含量也會越高[7]。劉將等研究表明，除鎘（Cd）與滯塵量的相關(guān)系數(shù)較低以外，葉片內(nèi)鉛（Pb）、鋅（Zn）、銅（Cu）含量與滯塵量呈極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系[8]。王丹丹等研究表明，除Cd以外，滯塵量與葉片重金屬含量之間也表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)關(guān)系[9]。

灌木對環(huán)境不僅具有美化功能，同時又可以有效吸附空氣中的粉塵，用作綠籬時，其高度與行人、機(jī)動車等污染源的高度相近，對道路空氣中灰塵的阻滯及人體健康具有重要意義[10]。目前，國內(nèi)尤其是青島地區(qū)對于植物滯塵能力與重金屬關(guān)系的研究較少。本研究通過對青島市城陽區(qū)8種灌木的滯塵能力及其與葉片內(nèi)重金屬含量的關(guān)系進(jìn)行研究，旨在篩選出滯塵能力較強(qiáng)且對重金屬富集能力強(qiáng)的灌木樹種，以期為今后城市綠化中樹種的選擇與配置提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇青島市城陽區(qū)的青島農(nóng)業(yè)大學(xué)作為試驗(yàn)區(qū)域，選取樹齡、冠幅、胸徑相同或相近且生長狀況良好的8種灌木作為研究對象，分別為海桐（Pittosporum tobira）、小葉黃楊（Buxus sinica）、珊瑚樹（Viburnum awabuki）、枸骨（Ilex cornuta）、紫葉小檗（Berberis thunbergii）、迎春（Jasminum nudiflorum）、珍珠繡線菊（Spiraea thunbergii）、棣棠（Kerria japonica）。

1.2 研究方法

1.2.1 植物樣葉的采集 一般認(rèn)為降雨量達(dá)到15 mm以上時，就可以沖刷掉植物葉片的降塵，然后重新滯塵[11]。本試驗(yàn)于2018年4月17日開始，每3 d（即3、6、9、12 d）采集1次葉片，采集時分別從植株四周的上、中、下部位隨機(jī)采取葉片，根據(jù)葉片大小，每株采葉20～40張左右，重復(fù)3次，在采集過程中不要用手接觸葉片，并盡可能避免葉片抖動以免葉片上的顆粒物掉落。

1.2.2 植物單位葉面積滯塵量的測定 在采葉前1 d將濾紙放入65 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量，用萬分之一分析天平稱質(zhì)量（m1）。將收集到的葉片倒入燒杯中，用蒸餾水浸泡2 h后，用軟毛刷輕輕刷洗葉片。充分浸洗后，用鑷子將葉片放在報(bào)紙上晾干，然后將濾紙置于漏斗上以過濾浸洗液，過濾完全后，將濾紙?jiān)俜湃?5 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，用萬分之一分析天平稱質(zhì)量（m2），（m2-m1）即為葉片上的總滯塵量。用Yaxin-1241便捷式葉面積儀測定葉面積（S），單位葉面積滯塵量（Q）的計(jì)算公式：Q=（m2-m1）/S[12]。

1.2.3 植物單株總滯塵量的測定 采用分層采樣法測定總滯塵量。首先運(yùn)用目測法進(jìn)行分層、分級，直至小枝，然后再計(jì)算全株葉量。其中先按枝劃分，也可先將植株分為幾個大枝，接著對各大枝進(jìn)行分級，直到可以容易計(jì)數(shù)葉片的標(biāo)準(zhǔn)小枝為止，標(biāo)準(zhǔn)小枝長度近似相等，當(dāng)調(diào)查計(jì)數(shù)出標(biāo)準(zhǔn)小枝的葉片數(shù)量后，再計(jì)算全株葉量。全株滯塵量（m0）=標(biāo)準(zhǔn)小枝數(shù)（B）×標(biāo)準(zhǔn)枝上的葉片數(shù)（Y）×平均每張葉片滯塵量（m）[13]。

1.2.4 植物葉表面微觀結(jié)構(gòu)的觀測 雨后采集植株上健康的葉片，于密封袋中密封，充氣以防止擠壓;用干凈的剪刀在葉脈兩側(cè)中部取5 mm×5 mm大小的組織塊，放入離心管中，立即加入2.5%戊二醛固定4 h以上，抽真空;配制60%、70%、80%、90%、100%乙醇溶液，對樣品逐級脫水，最后用叔丁醇置換，冷凍。將冷凍好的植物樣品放入冷凍干燥機(jī)內(nèi)進(jìn)行干燥，完全干燥后取出粘臺，鍍金，用掃描電子顯微鏡（JEOL 7500F）進(jìn)行觀察[13]。

1.2.5 植物葉片重金屬含量的測定 將清洗干凈的葉片放入烘箱中烘干，用粉碎機(jī)粉碎;準(zhǔn)確稱取0.5 g試樣干樣于 200 mL 錐形瓶中;加入混合酸（V硝酸 ∶ V高氯酸=4 ∶ 1）加蓋過夜，于電爐上低溫（<170 ℃）消解，消解完全后轉(zhuǎn)移至25 mL刻度試管中加水定容至刻度，混勻，作為試品溶液。用原子吸收光譜法測定消解液中鋅、銅、鎳（Ni）、鉻（Cr）、鉛和鎘的含量[9]。

1.2.6 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用SPSS 21.0軟件進(jìn)行分析，同時用Excel 2003軟件進(jìn)行表格制作，用Photoshop軟件對電鏡掃描圖像進(jìn)行效果增強(qiáng)處理[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的單位葉面積滯塵量分析

由表1可知，8種灌木的單位葉面積滯塵量差異較大，其中單位葉面積滯塵能力最強(qiáng)的是小葉黃楊，平均滯塵量為 3.705 6 g/m2;單位葉面積滯塵量最小的是珍珠繡線菊，平均滯塵量為1.106 0 g/m2。小葉黃楊的平均滯塵量約是珍珠繡線菊的3倍。落葉灌木中，除了紫葉小檗的平均單位葉面積滯塵量較大外，常綠灌木的平均單位葉面積滯塵量大于落葉灌木。8種灌木的平均單位葉面積滯塵能力排序?yàn)樾∪~黃楊>枸 骨> 海桐>紫葉小檗>珊瑚樹>迎春>棣棠>珍珠繡線菊。

2.2 植物的單株滯塵量分析

如圖1所示，小葉黃楊的單株滯塵量最大，達(dá)到 187.364 9 g/株，而單株滯塵量最小的是棣棠，為 12.166 9 g/株，單株滯塵量最大值為最小值的15倍。紫葉小檗的平均單位葉面積滯塵量排名第4，而單株滯塵量上升到第2;迎春的平均單位葉面積滯塵量排名第6，而單株滯塵量上升到第4;珍珠繡線菊的平均單位葉面積滯塵量排名第8，而單株滯塵量上升到第6。分析其原因，可能由于紫葉小檗、迎春和珍珠繡線菊植株的總?cè)~面積較大，使得單株滯塵量變大。此外，枸骨的平均單位葉面積滯塵量排名第2，單株滯塵量降至第3;海桐的平均單位葉面積滯塵量排名第3，而單株滯塵量降至第5;珊瑚樹的平均單位葉面積滯塵量排名第5，而單株滯塵量降至第7;棣棠的平均單位葉面積滯塵量排名

第7，而單株滯塵量降至第8。究其原因，可能由于枸骨、海桐、珊瑚樹和棣棠的植株總?cè)~面積較小，使得其單株滯塵量較小。8種灌木的單株滯塵量表現(xiàn)為小葉黃楊>紫葉小檗>枸骨>迎春>海桐>珍珠繡線菊>珊瑚樹>棣棠。通過對比分析表明，單株滯塵量大、枝葉茂密、葉量多、總?cè)~面積大的樹種，其單株滯塵能力就越強(qiáng)。

2.3 植物葉表面結(jié)構(gòu)的分析

通過電鏡掃描獲得8種供試植物上、下葉表面結(jié)構(gòu)圖像，詳見圖2。結(jié)合植物單位葉面積滯塵量可知，由于植物種類不同，其葉表面微觀結(jié)構(gòu)存在明顯差異，其單位葉面積滯塵量也不同。

在落葉灌木中，紫葉小檗的上下表面均相對光滑，但均具有較厚的蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)且有明顯的凹槽，同時葉片下表面的氣孔多處于開口狀態(tài)，容易吸附空氣中的顆粒物，使其滯塵量較高。迎春葉片上表面粗糙，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，下表面具有密集、處于開口狀態(tài)的氣孔，容易將大氣顆粒物吸附且不易被風(fēng)吹走;珍珠繡線菊的葉片上表面具有脊?fàn)铖薨?，有茸毛，下表面氣孔多但呈關(guān)閉狀態(tài)，滯塵量較小;棣棠葉表面相對光滑，氣孔較少，滯塵能力較弱。在常綠灌木中，小葉黃楊、枸骨和海桐的葉片表面有很厚的蠟質(zhì)層，氣孔分布均勻密集，氣孔較大且呈圓形凸起，滯塵量較大;珊瑚樹的葉表面較平滑，具有瘤狀突起和較淺溝槽，氣孔平整且開口較小或不開口，不利于塵土的滯留。經(jīng)過對比分析可知，葉表面粗糙、具蠟質(zhì)層、有明顯溝槽、氣孔多且開口較大的結(jié)構(gòu)有利于滯塵。

2.4 植物葉片重金屬含量及與滯塵量的關(guān)系分析

2.4.1 8種灌木葉片重金屬含量的分析 由圖3可以看出，8種灌木葉片內(nèi)的重金屬含量差別很大，其中Cd含量最低，平均為250.009 mg/kg，而含量最高的是Zn，平均為 8 066.46 mg/kg，約是Cd含量的32倍。8種灌木葉片中不同重金屬含量的排序?yàn)閆n>Cu>Ni>Pb>Cr>Cd，表明大氣顆粒物中重金屬的濃度不同， Cu、 Zn在大氣顆粒物中的濃度較高，Cd的濃度最低。

2.4.2 8種灌木吸收重金屬總量的分析 由圖4可以看出，不同灌木對于重金屬的富集能力不同，其中，枸骨、海桐和珊瑚樹對重金屬的富集能力較強(qiáng)，棣棠、迎春和紫葉小檗對重金屬的富集能力較弱。對重金屬富集能力最強(qiáng)的枸骨，其葉片內(nèi)的重金屬含量達(dá)到39 194.94 mg/kg，是富集能力最弱的迎春（12 376.04 mg/kg）的3.2倍。8種灌木對于重金屬的富集能力由強(qiáng)到弱排序?yàn)殍酃?海桐>珊瑚樹>小葉黃楊>珍珠繡線菊>棣棠>紫葉小檗>迎春。

2.4.3 8種灌木吸收重金屬含量與滯塵量的相關(guān)性分析 由表2可知，除了Pb之外，灌木葉片中重金屬含量與滯塵量之間均存在一定的正相關(guān)性，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn含量與滯塵量間的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.6以上，尤其是Cd的相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到0.886，呈顯著正相關(guān)，說明葉片中重金屬含量受葉片滯塵量變化的影響較大，滯塵量越大，葉片內(nèi)重金屬含量越高。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）單位葉面積和單株滯塵量。8種灌木的單位葉面積滯塵能力表現(xiàn)為小葉黃楊>枸骨>海桐>紫葉小檗>珊瑚樹>迎春>棣棠>珍珠繡線菊。小葉黃楊和紫葉小檗的單株滯塵量較大，珊瑚樹和棣棠的單株滯塵量較小。通過對比分析表明，單株滯塵量大、枝葉茂密、葉量大的樹種，其植物的單株滯塵能力會越強(qiáng)。

（2）葉表面結(jié)構(gòu)與滯塵量的關(guān)系。研究表明，小葉黃楊的單位葉面積滯塵能力較強(qiáng)，珍珠繡線菊的滯塵能力較弱。通過植物滯塵量與葉表面結(jié)構(gòu)的對比分析可知，葉表面粗糙、具有蠟質(zhì)層、有明顯溝槽、氣孔多且開口較大的結(jié)構(gòu)有利于滯塵。

（3）滯塵量與重金屬含量間的關(guān)系。8種灌木葉片中重金屬含量最低的是Cd，最多的是Zn，8種灌木葉片中不同重金屬含量的排序?yàn)閆n>Cu>Ni>Pb>Cr>Cd。8種灌木對于重金屬的富集能力由強(qiáng)到弱排序?yàn)殍酃?海桐>珊瑚樹>小葉黃楊>珍珠繡線菊>棣棠>紫葉小檗>迎春。8種灌木葉片的單位葉面積滯塵量與葉片內(nèi)重金屬含量之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，表明葉片的滯塵量越大，葉片內(nèi)的重金屬含量越高。

3.2 討論

研究表明，小葉黃楊的單位葉面積滯塵能力較強(qiáng)，珍珠繡線菊的滯塵能力較弱。小葉黃楊和紫葉小檗的單株滯塵量較大，珊瑚樹和棣棠的單株滯塵量較小。由于本試驗(yàn)過程中降雨頻繁，植物最大滯塵量的變化還有待深入研究。通過對比分析表明，枝葉茂密、葉量多、總?cè)~面積大的樹種，其單株滯塵能力就會越強(qiáng)。小葉黃楊、紫葉小檗的單位葉面積滯塵量和單株滯塵量均表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，建議在植物配置中，不僅要考慮符合地域條件和植物本身的美觀性，還要考慮到其生態(tài)效益的發(fā)揮。

經(jīng)過對比分析可知，葉表面粗糙、具蠟質(zhì)層、有明顯溝槽、氣孔多且開口較大的結(jié)構(gòu)有利于滯塵，這與Freer-Smith等的研究結(jié)果[15]相同。另外本研究發(fā)現(xiàn)，葉表面具有瘤狀突起的灌木滯塵能力較弱，如連翹、珊瑚樹等，這與陳志剛的研究結(jié)果[16]一致。有些植物雖然其微觀結(jié)構(gòu)不利于滯留粉塵，但是其葉片形態(tài)有利于顆粒物的積累，例如海桐葉脈下凹形成溝槽，也有利于粉塵的滯留。

8種灌木葉片內(nèi)的Cu、Zn含量較高，Cd含量最低，推測可能與車輛的金屬制動器與輪胎摩擦，以及煤炭燃燒和機(jī)械制造引起的空氣中Cu、Zn濃度較大有關(guān)。此外，通過研究得出8種灌木葉片的單位葉面積滯塵量與葉片內(nèi)重金屬含量之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，表明葉片的滯塵量越大，葉片內(nèi)重金屬含量越高，這與王丹丹等的研究結(jié)果[9]相似。原因可能是滯塵量越大，葉面塵內(nèi)的重金屬含量越大，葉片吸收的重金屬就越多。但是葉片內(nèi)Pb的含量與滯塵量的相關(guān)系數(shù)較低，可能與元素的吸收轉(zhuǎn)移過程或由于其原子半徑較大不易被吸收有關(guān)，具體原因還有待深入研究。

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