北京園林綠地6種樹木的葉片和一年生枝中5種重金屬含量比較

程佳雪

巫麗華

任瑞芬

李青秀

劉 燕*

隨著中國(guó)城市化建設(shè)的加快和人民生活水平的不斷提高，重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。研究表明植物一方面可通過(guò)根系吸收土壤中的重金屬，另一方面可通過(guò)葉片氣孔等吸收大氣中的重金屬[2]。由于方便移除，植物吸收重金屬的相關(guān)研究以草本植物為多[3-4]。樹木具備特有的生物學(xué)特性，由于根系發(fā)達(dá)、生物量高，樹木可以大規(guī)模、更有效地吸收重金屬，且一般不進(jìn)入食物鏈，因而不對(duì)人類健康造成危害。在城市環(huán)境中，園林樹木是園林綠地中非常重要的植物，了解它們對(duì)重金屬的吸收貢獻(xiàn)非常重要，尤其在保證景觀的前提下，對(duì)凈化空氣有著重要意義。

北京作為我國(guó)城市發(fā)展迅速的代表城市之一，有前人做過(guò)樹木富集重金屬篩選的相關(guān)研究[5-7]，龐靜2008年對(duì)首都鋼鐵集團(tuán)燒結(jié)廠中的28種木本植物的葉片對(duì)重金屬對(duì)Cu、Zn、Cr、Pb和Ni富集能力的差異進(jìn)行了研究；魯紹偉將北京市市區(qū)(景山公園、奧林匹克公園)、近郊(水關(guān)長(zhǎng)城景區(qū))及遠(yuǎn)郊(松山自然保護(hù)區(qū))7種喬木葉片中Cu、Cr、Pb和Zn 4種重金屬含量進(jìn)行對(duì)比研究。這些研究因采樣具體環(huán)境和季節(jié)不同，相同樹種的測(cè)定結(jié)果不同，且都是依據(jù)葉片對(duì)單種重金屬的吸收量來(lái)評(píng)價(jià)樹木吸收重金屬的能力；尚缺乏對(duì)重金屬綜合富集能力的比較；此外尚未見對(duì)As和Hg的測(cè)定評(píng)價(jià)。由于成年木本植物吸收重金屬的復(fù)雜性，且此類研究較少，現(xiàn)有研究結(jié)果彼此之間也不便比較，尚不能科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)園林樹種對(duì)重金屬的綜合富集能力。因此，需要大量的研究方法和結(jié)果相互佐證。

本研究采用取自北京城區(qū)二環(huán)至五環(huán)6個(gè)不同環(huán)境中園林綠地的相同樹種，消除環(huán)境差異導(dǎo)致的誤差。采用可以移除的地上部葉片和一年生枝條為測(cè)定對(duì)象，比較了單位重量這些葉片和枝條的重金屬含量，在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)樹種單種重金屬吸收能力進(jìn)行了排序，并評(píng)價(jià)樹木對(duì)5種重金屬綜合富集能力，并對(duì)同樹種葉片與當(dāng)年生枝、5種重金屬吸收量分別進(jìn)行相關(guān)分析。

表1 測(cè)定樹木的樣地位點(diǎn)及環(huán)境概況

1 材料與方法

1.1 研究樣地選擇與樹種確定

選擇樹木株齡相同、長(zhǎng)勢(shì)相似、來(lái)自不同環(huán)境樣地的共有樹種，以準(zhǔn)確對(duì)比、評(píng)價(jià)不同樹種重金屬富集力。從北京城區(qū)二環(huán)至五環(huán)選取6個(gè)公園，分別是陶然亭公園、紫竹院公園、北京市中國(guó)科學(xué)院植物研究所北京植物園、馬甸公園、皇城根遺址公園和北京營(yíng)城建都濱水綠道，具體位置見表1。

2016年10月，在上述6個(gè)樣地中選取了樣地共有的北京地區(qū)常見6種園林樹木，其中針葉樹4種：白皮松、圓柏、側(cè)柏和油松；闊葉樹2種：丁香、金銀木。

1.2 樣品采集與處理

2016年10月，選擇長(zhǎng)勢(shì)良好，灌木(丁香、金銀木)胸徑在5～7cm、喬木(白皮松、圓柏、側(cè)柏、油松)胸徑在20～23cm的植株作為采樣樹種。每株從距地面1～1.5m樹冠的東、南、西、北4個(gè)方向采集一年生葉片及枝條。參照韓玉麗、李馨[8-9]等的采樣方法，每個(gè)樣地每種樹種選擇3株樹木采樣，混合后作為1個(gè)樣品，封存于聚乙烯塑料中立即帶回實(shí)驗(yàn)室；每種樹木有6個(gè)混合樣，來(lái)自18株植物。每份樣品將葉片及一年生枝條用去離子水沖洗干凈后晾干，于105℃殺青30min后，40℃烘干至恒重，粉碎，過(guò)80目篩，放入自封袋中存于4℃至分析。

1.3 重金屬含量測(cè)定

準(zhǔn)確稱取1.000 0g粉碎好的樣品于錐形瓶中；加入30ml高氯酸與濃硝酸混合酸溶液(比例為1:5)；加熱消煮至瓶?jī)?nèi)充滿白煙；冷卻后過(guò)濾并定容至100ml；采用ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7700x)進(jìn)行Zn、Cr、Ni、As和Hg的測(cè)定，重復(fù)3次，取均值。每次測(cè)定樣品時(shí)皆進(jìn)行空白試驗(yàn)，并在測(cè)定過(guò)程用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10052(GSB—30)進(jìn)行含量監(jiān)控，以確保測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2016和SPSS20.0進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析。采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析與相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算及圖表制作在Microsoft Excel2016中完成。

用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法[10-11]進(jìn)行樹種富集5種重金屬綜合能力的評(píng)價(jià)。用于分析的隸屬函數(shù)值X(μ)計(jì)算方程為：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

其中，X為某一樹種某一種重金屬元素的含量值；Xmax、Xmin分別為該樹種該種重金屬元素的最大值和最小值。累加5種重金屬元素指標(biāo)的具體隸屬值，并求出平均值后進(jìn)行比較。平均值越大，植物的富集5種重金屬元素的綜合能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同園林樹木5種重金屬含量變化

2.1.1 不同園林樹木5種重金屬含量植物對(duì)重金屬吸收積累能力的高低是園林植物選擇的重要指標(biāo)之一。樹木地上部分對(duì)重金屬吸收有重要意義。葉片和當(dāng)年生枝條生長(zhǎng)量大，是富集重金屬的重要器官。6個(gè)綠地中6種園林樹木葉片和一年生枝條中Zn、Cr、Ni、As和Hg含量測(cè)定結(jié)果見表2，不同樹種間明顯不同，具有差異顯著性(P＜0.01)，且因重金屬種類而異。

表2 綠地中6種園林樹木葉片和一年生枝條重金屬含量

從表2 可以看出，6 種園林樹木Z n 含量明顯高于Cr、Ni、As和Hg含量，樹木Zn含量為43.27～69.73mg/kg，而Hg含量?jī)H為0.05～0.13mg/kg。

6種樹木間Zn、Cr、Ni、As和Hg的含量也存在著明顯的種間差異，且因種而異。

Zn含量最高的為金銀木(69.73mg/kg)，是含量最低的丁香(43.27mg/kg)的1.6倍；數(shù)值由高到低依次為：金銀木＞側(cè)柏＞白皮松＞圓柏＞油松＞丁香，但除油松含量較低外，其他3種常綠植物間沒有顯著差異。

Cr含量最高的為圓柏(9.42mg/kg)，是最低含量丁香(4.12mg/kg)的2.3倍；由高到低依次為：圓柏＞金銀木＞側(cè)柏＞油松＞白皮松＞丁香，除白皮松含量較低外，其他3種常綠植物間有顯著差異，表現(xiàn)出常綠植物對(duì)Cr有較好的吸收性。

Ni含量最高的為側(cè)柏(3.27mg/kg)，是最低含量白皮松(1.52mg/kg)的2.2倍；由高到低依次為：側(cè)柏＞油松＞金銀木＞圓柏＞丁香＞白皮松，除白皮松含量較低外，其他3種常綠植物間沒有顯著差異，表現(xiàn)出樹種對(duì)Ni和Cr吸收能力有相似排序。

As含量最高的為金銀木(1.04mg/kg)，是最低含量丁香(0.47mg/kg)的2.2倍；由高到低的依次為：金銀木＞圓柏＞油松＞側(cè)柏＞白皮松＞丁香，除白皮松和丁香含量較低外，其他3種常綠植物之間和金銀木沒有顯著差異。

Hg含量最高的為丁香(0.13mg/kg)，是含量最低的側(cè)柏(0.05mg/kg)的2.7倍；由高到低依次為：丁香＞金銀木＞白皮松＞圓柏＞油松＞側(cè)柏，白皮松和圓柏、油松和側(cè)柏間沒有顯著差異。

對(duì)比6種園林樹木幾種重金屬的含量可見，丁香葉片和一年生枝條中Hg含量是6種樹木中最多的，而其他4種重金屬元素含量均較少。另外，丁香和金銀木2種闊葉樹種葉片和一年生枝條Hg含量明顯高于其他4種針葉樹種的Hg含量。

圖1 6種園林樹木葉片與枝條中不同重金屬含量變化[注：不同小寫字母表示各樹種之間差異顯著(P≤0.05)]

2.1.2 不同園林樹木葉片和枝條重金屬含量差異

將樹木一年生枝條和葉片重金屬含量做進(jìn)一步對(duì)比分析，結(jié)果顯示，樹木葉片和一年生枝條對(duì)重金屬吸收能力不同，且不同器官中重金屬含量差異因重金屬種類而異。

6種園林樹木一年生枝條Zn和Cr含量均高于葉片(圖1-1、1-2)。唯一不同的是，所有樹種枝條的Zn含量皆顯著高于其葉片，其中金銀木差值最大，白皮松差值最小；但丁香的一年生枝條和葉片Cr含量沒有顯著差異，其他樹種枝條顯著高于葉片，其中油松葉片和枝條Cr含量差值最大。

5種樹木一年生枝條Ni和As含量與葉片之間沒有顯著差異(圖1-3、1-4)。僅油松一種枝條顯著高于葉片。

6種園林樹木一年生枝條Hg含量均低于葉片(圖1-5)。但僅丁香、金銀木和白皮松差異顯著，其中丁香含量差值最大，白皮松最小。其他3種常綠植物油松、圓柏和側(cè)柏枝條和葉片Hg含量差異不顯著。

綜上，葉片和一年生枝條內(nèi)重金屬的含量因樹種和重金屬而異，大趨勢(shì)是樹種Zn、Cr含量呈現(xiàn)枝條＞葉片；Hg含量葉片＞枝條，Ni、As含量部分樹種枝條＞葉片，部分樹種葉片＞枝條。因此，對(duì)于不同樹種，枝條對(duì)重金屬的吸收能力不能忽視。

2.1.3 園林樹木葉片和枝條重金屬含量相關(guān)性

為了解樹木枝條和葉片對(duì)重金屬吸收是否有一致性，將6種樹木的葉片和一年生枝條重金屬含量做相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。

相關(guān)系數(shù)顯示，6種樹木，僅樹木的枝條與葉片的Cr含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)，但相關(guān)系數(shù)僅為0.461；枝條與葉片的其他重金屬Zn、Ni、As和Hg含量均無(wú)顯著相關(guān)性。整體看，同種樹木，枝條和葉片對(duì)重金屬的富集能力之間沒有明顯的相關(guān)性。

2.2 不同園林樹木富集5種重金屬的綜合能力

樹木生長(zhǎng)在園林綠地環(huán)境中，往往多種重金屬同時(shí)存在，因此，在選擇園林樹木改善生態(tài)環(huán)境時(shí)，考慮到樹種吸收不同種重金屬的綜合能力更有意義。根據(jù)隸屬函數(shù)法，計(jì)算樹種富集5種重金屬元素的隸屬函數(shù)值(表4)，平均值為金銀木(0.834 6)、圓柏(0.631 9)、側(cè)柏(0.551 3)、油松(0.526 0)、丁香(0.201 0)、白皮松(0.162 9)。因此，園林樹木對(duì)5種重金屬綜合富集能力，從高到低排序如下：金銀木＞圓柏＞側(cè)柏＞油松＞丁香＞白皮松。

6種園林樹木中，針葉樹種4種，闊葉樹2種。針葉樹種中，圓柏、側(cè)柏、油松3種針葉樹種富集5種重金屬的綜合能力顯著高于白皮松(P＜0.01)，闊葉樹種中金銀木吸收重金屬的能力顯著高于丁香。

2.3 樹木對(duì)5種重金屬吸收量之間的相關(guān)性

為了解樹木枝條和葉片對(duì)5種重金屬吸收是否有關(guān)聯(lián)，將6種樹木的葉片和一年生枝條中5種重金屬含量做相關(guān)性分析(表5)。

相關(guān)系數(shù)顯示，Cr和Ni在1%置信水平上存在顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.971，其余元素間無(wú)顯著相關(guān)性。

3 討論

3.1 樹種吸收重金屬能力差異

相對(duì)于草本植物而言，獲得園林木本植物對(duì)重金屬富集能力的情況有較大困難，尤其是要了解園林綠地中有景觀功能的成年樹木富集重金屬的能力。樹木地下根系和地上枝葉都可能吸收重金屬。只有完整測(cè)量地上地下器官對(duì)重金屬的吸收量，才能準(zhǔn)確客觀評(píng)價(jià)樹木對(duì)重金屬的富集能力。測(cè)量成年樹根系重金屬含量，會(huì)對(duì)樹體造成傷害，有實(shí)踐操作的局限性，地上大的枝干采集也不現(xiàn)實(shí)。目前普遍采用的盆栽方法測(cè)得樹苗對(duì)重金屬的吸收能力，不能代表成年樹[12]。本研究采用測(cè)定可以移除的葉片和一年生枝條為對(duì)象，比較了其單位重量重金屬的含量，在此基礎(chǔ)上，對(duì)樹種重金屬吸收能力進(jìn)行排序，具體應(yīng)用中，可以結(jié)合不同樹種地上部分綠量的一些測(cè)定模型[13]，進(jìn)行整體推算，可以獲得該樹種地上部分對(duì)重金屬的吸收量。引用陳自新、蘇雪痕的研究中北京常用園林樹木的葉二元回歸模型，可以獲得樹木葉面積或葉重，根據(jù)樹木單位重量吸收重金屬含量，可推算出葉吸收重金屬的含量。目前成年樹種重金屬地上地下移動(dòng)性研究很少，由于空氣中也存在重金屬，了解樹木地上部分重金屬含量，對(duì)實(shí)踐中園林樹木選擇也有指導(dǎo)意義。成年樹種，特別是場(chǎng)地生長(zhǎng)的園林樹木，富集重金屬能力的評(píng)價(jià)方法仍然需要進(jìn)一步研究。

表3 樹木不同器官中重金屬含量相關(guān)性分析

表4 6種園林樹木對(duì)Zn、Cr、Ni、As、Hg綜合富集能力比較

幾種植物對(duì)重金屬Zn、Cr、Ni、As和Hg都有一定的吸附積累能力，但對(duì)Zn的積累量顯著多于其他4種，這是由于Zn是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素，Zn更多地積累在樹木地上部，這一結(jié)論與魯紹偉、劉維濤等[6，14]的研究結(jié)果一致。不同的植物種類對(duì)重金屬元素的富集能力也不同，本研究中金銀木富集重金屬綜合能力顯著大于丁香，圓柏、側(cè)柏、油松3種針葉樹種富集重金屬綜合能力顯著強(qiáng)于白皮松，可能是由于不同樹種對(duì)重金屬的積累能力和耐受機(jī)理不同而造成的[15-16]。

龐靜[5]以首都鋼鐵集團(tuán)燒結(jié)廠(工業(yè)區(qū))中的植物葉片為研究對(duì)象，對(duì)比分析了28種不同植物對(duì)Cu、Zn、Cr、Pb和Ni富集能力的差異，其中有2種元素和4種植物與本研究對(duì)象相同，其測(cè)定的葉片3種重金屬的含量與本研究4種樹木葉片重金屬含量的排序不一致，可能是由于龐靜所研究的樣地為工業(yè)區(qū)，重金屬含量高于本研究的公園樣地；魯紹偉對(duì)北京不同地區(qū)(景山公園、奧林匹克公園、水關(guān)長(zhǎng)城景區(qū)和松山自然保護(hù)區(qū))植物葉片富集重金屬(Cu、Cr、Pb和Zn)能力進(jìn)行測(cè)定分析，有3種針葉樹和本研究對(duì)象相同，結(jié)果顯示樹木富集Cr、Zn能力最強(qiáng)的為側(cè)柏，與本實(shí)驗(yàn)吸收Z(yǔ)n、Cr最強(qiáng)的為白皮松、圓柏的排序結(jié)果也不相同。這些結(jié)果的差異與測(cè)定的季節(jié)、樹齡、采樣時(shí)間等不同有關(guān)，由于這些文獻(xiàn)缺乏這些信息數(shù)據(jù)，因此結(jié)果不具有可比性，也說(shuō)明樹種富集重金屬能力篩選的復(fù)雜性。樹種富集重金屬能力評(píng)價(jià)和篩選需要統(tǒng)一的取樣、測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，并需要多年重復(fù)數(shù)據(jù)。

5種重金屬元素中，Hg在植物內(nèi)的含量與其他4種重金屬元素相比，呈現(xiàn)出一些特點(diǎn)：1)丁香葉片和枝條中4種重金屬的含量在6種樹木中均較弱，而Hg含量則是6種樹木中最強(qiáng)的，這可能是丁香吸收Hg與其他幾種重金屬機(jī)理不同，還需進(jìn)一步研究；2)4種闊葉樹的Hg含量大于針葉樹Hg含量，葉片Hg的含量大于針葉樹Hg含量，這與田珮[17]的研究結(jié)論一致。這可能是由于植物地上部分(主要是葉片)中的汞主要來(lái)自大氣[18-19]，闊葉樹和針葉樹壓吸收Hg的差異可能是與2種葉片特征(如葉片氣孔形態(tài)結(jié)構(gòu)、葉片表面特征、葉片比表面積等)有關(guān), 闊葉林植物的葉面積較大，更容易對(duì)大氣中的Hg進(jìn)行吸附并吸收。

表5 6種樹木葉片和一年生枝中5種重金屬含量相關(guān)性分析

3.2 樹木不同器官吸收重金屬能力差異

重金屬在植物體內(nèi)不同器官中的分布存在顯著差異，本研究中葉片和枝條重金屬含量高低因樹種、重金屬種類的不同而表現(xiàn)出不同的結(jié)果，可能與各重金屬元素在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制及其重金屬形態(tài)等因素的差異有關(guān)[20-21]。唐力[22]在2011年研究了典型工業(yè)城市包頭市11個(gè)典型樣地的常見針葉和闊葉樹種葉片與枝條中重金屬元素的分布，得出針葉樹杜松、油松、圓柏和云杉體內(nèi)重金屬 Zn、Cr的分布為枝條大于葉片，落葉闊葉樹中葉重金屬富集量和枝重金屬富集量無(wú)明顯規(guī)律；宋學(xué)英等[23]2012年對(duì)沈陽(yáng)市工業(yè)搬遷區(qū)8種常見喬木樹種重金屬進(jìn)行葉片和枝條Zn含量測(cè)定結(jié)果顯示除2種樹木葉片＞枝條外，其他樹種差異均不顯著；王愛霞[24]2015年選擇在交通繁忙區(qū)(污染點(diǎn))研究二球懸鈴木各器官重金屬(Cu、Ni、Pb、Zn)含量得出4種重金屬元素的累積量及其分布比例均在葉片中最高，在一年生枝條中較低。本研究結(jié)果與以上結(jié)論一致。

綜上，不同的樣地環(huán)境、污染狀況、樹種自身富集能力、重金屬元素都可能導(dǎo)致樹木葉片和枝條2個(gè)器官富集重金屬含量的差異。而以往的研究中大部分用葉片的重金屬含量作為衡量指標(biāo)，而沒有考慮到枝條作為樹木地上部的一部分也具有吸收重金屬的能力，因此在對(duì)樹木進(jìn)行吸收重金屬能力評(píng)價(jià)時(shí)，用葉片和枝條總的重金屬含量更為全面。

另外，本研究考慮到采集成年樹木的根對(duì)樹木本身破壞性較大，所以沒有采集根系測(cè)定，但是成年樹根系對(duì)重金屬的吸收能力是怎樣的，需要進(jìn)一步研究。

由于成年樹木采集根系對(duì)樹體的破壞性，有關(guān)成年樹種地下地上部分吸收運(yùn)輸機(jī)制的研究較少，已有的文獻(xiàn)顯示除Zn和Ni作為植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，從根系吸收的重金屬有一定的向上運(yùn)輸?shù)哪芰25-27]外，Cr、As、Hg地上部分對(duì)重金屬的遷移吸收能力較弱，從根系吸收的重金屬主要滯留在根部[18-19，25-28]。且大部分研究顯示樹種地上部分重金屬含量與空氣中重金屬含量呈顯著正相關(guān)，主要來(lái)源于大氣污染[29-31]，因此研究可自然脫落的樹葉和可人工修剪掉的一年生枝中重金屬含量差異，評(píng)價(jià)地上部分對(duì)重金屬的富集差異，對(duì)于園林綠地的樹種選擇有參考價(jià)值。

3.3 樹木吸收5種重金屬含量的相關(guān)性

相關(guān)系數(shù)顯示，Cr和Ni呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，說(shuō)明Cr和Ni可能具有相同的來(lái)源或相同的復(fù)合污染源。有文獻(xiàn)表明土壤中的Cr和Ni 2種元素的空間結(jié)構(gòu)具有近似性[32], 在土壤剖面中也呈現(xiàn)較相似的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[33]。對(duì)于空氣中2種元素的相關(guān)性，Zhang[34]的研究表明大氣中的鉻和鎳沉積速率之間的相關(guān)系數(shù)較高，具有相似的來(lái)源。

4 結(jié)論

1)不同樹種地上葉片和一年生枝條對(duì)不同重金屬吸收量有顯著差異，且與重金屬種類有關(guān)。按照葉片和一年生枝條單位重量重金屬含量，6種樹木中吸收Z(yǔ)n、As最強(qiáng)的是金銀木，吸收Cr、Ni、Hg最強(qiáng)的分別是圓柏、側(cè)柏、丁香。闊葉樹種富集Hg的能力強(qiáng)于針葉樹種。

2)按照樹木葉片和一年生枝條單位重量重金屬含量來(lái)看，金銀木對(duì)5種重金屬的綜合富集能力最強(qiáng)，丁香和白皮松較弱。針葉樹種中，圓柏、側(cè)柏、油松3種針葉樹種富集5種重金屬的綜合能力顯著高于白皮松，闊葉樹種中金銀木吸收重金屬的能力顯著高于丁香。

3)葉片與枝條中Cr含量具有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.461(P＜0.01)，其他4種元素葉片與枝條中重金屬含量相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

4)樹木葉片和枝條吸收5種重金屬相關(guān)系數(shù)顯示Cr-Ni呈極顯著相關(guān)性(P＜0.01)，其他元素吸收之間未呈現(xiàn)相關(guān)性。

注：文中圖片均由作者繪制。