臨沂市主要綠化樹種對大氣重金屬富集效應的初步研究

隋超英，孫亞旭，李舒月，楊月瑩，時婷婷，陳永亮

（臨沂大學 生命科學學院，山東 臨沂 276005）

大氣中的重金屬主要來自工業(yè)生產(chǎn)、生活爐灶與采暖鍋爐、交通運輸所產(chǎn)生的有害氣體和粉塵等[1]，重金屬具有隱蔽性、長期性、毒性大、易累積的特點，并在一定條件下能形成強毒性金屬有機化合物，在以PM2.5（Particle matter,粒徑＜2.5 μm）等大氣細顆粒物為載體被吸附后，可通過口腔的呼吸作用或食物鏈等接觸途徑進入人體，從而對人體健康造成嚴重危害，因此城市大氣重金屬污染越來越成為城市污染治理中的棘手問題之一[2]。已有許多研究表明，利用木本植物治理大氣中重金屬污染問題具有非常重要的廣闊前景，尤其是木本植物主要用于造林綠化，不像草本植物那樣構成食物鏈的環(huán)節(jié)而進入人體內(nèi)，所以能更好地起到對大氣中重金屬污染的凈化作用[3-4]。植物對大氣中重金屬的凈化主要是通過葉片的持留和去除過程。持留過程主要是截獲或吸附大氣中污染物，而去除過程主要包括吸收、轉化以及同化過程，從而起到對大氣重金屬污染的清潔作用[5-6]。近年來，臨沂市作為魯南的經(jīng)濟和交通中心，在經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時也產(chǎn)生了一些負面的環(huán)境效應，鑒于此，本研究擬對臨沂市典型綠化樹木葉片中的鎘和鉛等重金屬污染物的含量進行測定與分析，以期篩選出對重金屬污染物富集能力強的綠化樹種，為城市綠化樹種的選擇及大氣重金屬污染的科學防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

臨沂市位于山東省東南部，地跨北緯34°22′—36°13′N，東經(jīng)117°24′—119°11′E，總面積17191.2 km2。臨沂生物資源種類豐富，其中木本植物65 科，367 種。境內(nèi)海拔1000 m 以上的山峰有10 余座，其中蒙山海拔1156 m，為山東第2 高峰。臨沂氣候屬暖溫帶季風區(qū)大陸性氣候，具有氣候適宜，四季分明，光照充足，雨量充沛，無霜期長等特點。年均溫13.3 ℃，年降水量793.9 mm，年日照時數(shù)2314 h。

1.2 樣品的采集

選取臨沂市常見綠化樹種為研究對象，其中闊葉樹和針葉樹各為4 種，分別為毛白楊（Populus tomentosa）、銀杏（Ginkgo biloba）、白蠟（Fraxinus chinensis）、小葉女貞（Ligustrum quihoui），黑松（Pinus thunbergii）、雪松（Cedrus deodara）、白皮松（Pinus bungeana）和水杉（Metasequoia glyptostroboides）。于2021年5月中上旬（春季）和9月中下旬（秋季），選擇3 個有代表性的功能區(qū)，即重度污染區(qū)：位于臨沂市羅莊區(qū)沂河路與科技大道交匯西北，該區(qū)域建有多家大型化工、能源等公司，屬典型工業(yè)區(qū)，污染較為嚴重（土壤Cd和Pb 含量分別為5.14 mg·kg-1和57.61 mg·kg-1）；中度污染區(qū)：位于臨沂市交通主干道之一的沂蒙路人民廣場路段（土壤Cd 和Pb 含量分別為1.98 mg·kg-1和32.35 mg·kg-1）；清潔區(qū)：臨沂市人民公園內(nèi)（土壤Cd 和Pb 含量分別為0.83 mg·kg-1和6.56 mg·kg-1）。在3 個功能區(qū)內(nèi)進行布點，分別采取上述8 種植物的葉樣。采樣時，每個樹種選取3 株樣樹，在各樣樹東、西、南、北4 個方向的上、中、下各部位有代表性的采取當年生葉片樣品，每株闊葉樹采取約60 個葉片，每株針葉樹采取質量約為10.0 g。葉片采取后立即封存于塑料袋內(nèi)并防止擠壓或破壞，及時帶回實驗中對樣品預處理并進行重金屬含量的測定。

1.3 樣品的測定

首先將采集的植物葉片表面的灰塵用自來水沖洗干凈，再用蒸餾水漂洗，于105 ℃殺青15 min，65 ℃烘12 h，用電動粉碎機粉碎并過40 目篩后裝入清潔密封袋中備用。稱取1.5000 g 樣品置于小三角瓶中，加入硝酸和高氯酸（4:1）混合酸25 mL 在通風柜中用電熱板消煮至溶液澄清，加人10 mL 稀硝酸（濃硝酸和水1:1）消煮至白煙冒盡。將澄清的溶液轉移到25 mL 容量瓶并定容，用原子吸收分光光度計測定吸光度值，結合Cd、Pb 等重金屬元素的標準曲線，計算出葉片中Cd、Pb 等重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)用SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同功能區(qū)及不同季節(jié)綠化樹種葉片中鎘含量變化

不同功能區(qū)及不同季節(jié)綠化樹種葉片中鎘含量的變化特點見表1。由表1中數(shù)據(jù)可知，綠化樹種葉片中鎘含量表現(xiàn)為同一功能區(qū)不同綠化樹種之間、同一綠化樹種在不同功能區(qū)及不同季節(jié)等方面均存在一定變異。在重度污染區(qū)，無論是春季還是秋季，均表現(xiàn)為黑松、雪松和女貞葉片鎘含量相對較高（春季均大于1.50 mg·kg-1，秋季均大于1.90 mg·kg-1），毛白楊、銀杏和白蠟葉片鎘含量相對較低（春季均小于0.80 mg·kg-1，秋季均小于1.14 mg·kg-1），白皮松和水杉葉片鎘含量居中，排序為黑松＞雪松＞女貞＞白皮松＞水杉＞銀杏＞白蠟＞毛白楊；在中度污染區(qū)，就綠化樹種葉片鎘含量而言，春季時黑松和雪松相對較高，毛白楊和白蠟相對較低，女貞、白皮松、水杉和銀杏居中，排序為黑松＞雪松＞白皮松＞女貞＞銀杏＞水杉＞毛白楊＞白蠟，而在秋季時表現(xiàn)為黑松、白皮松和雪松較高，銀杏和女貞居中，水杉、白蠟和毛白楊相對較低，排序為黑松＞白皮松＞雪松＞女貞＞銀杏＞水杉＞白蠟＞毛白楊；在清潔區(qū)，無論是春季還是秋季，各綠化樹種葉片中鎘含量均較重度污染區(qū)和中度污染區(qū)顯著降低，總體表現(xiàn)為黑松最高，其次為白皮松和雪松，其他樹種均很低（小于0.20 mg·kg-1），葉片中鎘含量排序為黑松＞白皮松＞雪松＞銀杏＞水杉＞女貞＞毛白楊＞白蠟。從上述結果可以看出，無論是重度污染區(qū)、中度污染區(qū)還是清潔區(qū)，總體表現(xiàn)為黑松葉片中鎘含量相對最高，其次為雪松和白皮松，表明針葉樹對鎘的富集效應較強，但值得注意的是，在重度污染區(qū)女貞作為闊葉樹種，對鎘也表現(xiàn)出較強的富集作用。

表1 不同功能區(qū)及不同季節(jié)綠化樹種葉片鎘含量的變化（mg·kg-1）Table 1 Contents of Cd in leaves of major greening species in different polluted areas and seasons (mg·kg-1)

同一綠化樹種葉片中的鎘含量，在污染程度不同的功能區(qū)均表現(xiàn)出顯著差異（p＜0.05），無論是春季還是秋季，均表現(xiàn)為重度污染區(qū)＞中度污染區(qū)＞清潔區(qū)。如，春季時重度污染區(qū)黑松葉片中鎘含量分別為中度污染區(qū)和清潔區(qū)的1.67 倍和4.00 倍，秋季時重度污染區(qū)黑松葉片中鎘含量分別為中度污染區(qū)和清潔區(qū)的2.08 倍和4.40 倍，表明同一樹種在大氣污染越嚴重的區(qū)域，其葉片中鎘的含量越高。

就同一樹種葉片鎘含量的季節(jié)變化而言，其規(guī)律表現(xiàn)為春季較低，秋季較高。例如，在重度污染區(qū)、中度污染區(qū)和清潔區(qū)，秋季時雪松葉片鎘含量分別是春季時的1.14 倍、1.17 倍和1.19 倍；秋季時白皮松葉片鎘含量分別是春季時的1.42 倍、1.62 倍和1.21 倍。在重度污染區(qū)，同一綠化樹種葉片鎘含量具有顯著季節(jié)性差異的有銀杏、白蠟、女貞、黑松、雪松和白皮松（p＜0.05）；在中度污染區(qū)，毛白楊、銀杏、白蠟、雪松和白皮松葉片鎘含量表現(xiàn)出顯著性季節(jié)差異（p＜0.05）；在清潔區(qū)，只有黑松和白皮松葉片鎘含量表現(xiàn)出顯著性季節(jié)差異（p＜0.05）。同一樹種葉片鎘含量的季節(jié)差異，可能主要是受綠化樹種在不同季節(jié)時期生理代謝活動等方面的影響。

2.2 不同功能區(qū)及不同季節(jié)綠化樹種葉片中鉛含量變化

不同功能區(qū)及不同季節(jié)綠化樹種葉片中鉛含量的變化特點見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，類似于鉻，綠化樹種葉片中鉛含量也表現(xiàn)為同一功能區(qū)不同綠化樹種之間、同一綠化樹種在不同功能區(qū)及不同季節(jié)等方面均存在一定變異。在重度污染區(qū)，就綠化樹種葉片鉛含量而言，春季時表現(xiàn)為女貞和毛白楊相對較高（均大于6.10 mg·kg-1），銀杏、白蠟和水杉居中，黑松、雪松和白皮松相對較低（小于3.10 mg·kg-1），排序為女貞＞毛白楊＞水杉＞白蠟＞銀杏＞黑松＞雪松＞白皮松，而在秋季時表現(xiàn)為女貞、毛白楊和白蠟相對較高（均大于8.40 mg·kg-1），排序為女貞＞毛白楊＞白蠟＞銀杏＞水杉＞黑松＞白皮松＞雪松；在中度污染區(qū)，就綠化樹種葉片鉛含量而言，春季時女貞和毛白楊較高（均大于3.10 mg·kg-1），白皮松和雪松相對較低（均小于1.85 mg·kg-1），排序為女貞＞毛白楊＞水杉＞白蠟＞銀杏＞黑松＞雪松＞白皮松，而在秋季時表現(xiàn)為女貞、白蠟和毛白楊較高（均大于5.10 mg·kg-1），銀杏和黑松居中，雪松、白皮松和水杉相對較低（均小于2.30 mg·kg-1），排序為女貞＞毛白楊＞白蠟＞黑松＞銀杏＞水杉＞雪松＞白皮松；在清潔區(qū)，無論時春季還是秋季，各綠化樹種葉片中鉛含量均較重度污染區(qū)和中度污染區(qū)顯著降低，總體表現(xiàn)為女貞含量相對最高，其次為銀杏，其他樹種均相對很低（均小于0.60 mg·kg-1），排序為女貞＞銀杏＞白蠟＞毛白楊＞水杉＞黑松＞白皮松＞雪松。從上述結果可以看出，各功能區(qū)總體表現(xiàn)為女貞葉片中鉛含量相對最高，其次為毛白楊和銀杏，而白皮松和雪松等相對最低，表明闊葉樹種對鉛的富集效應較強，而針葉樹種對鉛的富集效應相對較弱。

表2 不同功能區(qū)及不同季節(jié)綠化樹種葉片鉛含量的變化（mg·kg-1）Table 2 Contents of Pb in leaves of major greening species in different polluted areas and seasons (mg·kg-1)

同一綠化樹種葉片中的鉛含量，在污染程度不同的功能區(qū)均表現(xiàn)出顯著差異（p＜0.05），無論是春季還是秋季，均表現(xiàn)為重度污染區(qū)＞中度污染區(qū)＞清潔區(qū)。例如，春季時重度污染區(qū)女貞葉片鉛含量分別為中度污染區(qū)和清潔區(qū)的1.58 倍和8.02 倍，而秋季時重度污染區(qū)女貞葉片鉛含量分別為中度污染區(qū)和清潔區(qū)的1.56 倍和9.45 倍。

就同一樹種葉片鉛含量的季節(jié)變化而言，其規(guī)律也表現(xiàn)為春季較低，秋季較高。例如，在重度污染區(qū)、中度污染區(qū)和清潔區(qū)，秋季時女貞葉片鉛含量分別是春季時的1.27 倍、1.29 倍和1.08 倍；秋季時毛白楊葉片鉛含量分別是春季時的1.41 倍、1.69 倍和1.28 倍。在重度污染區(qū)，除銀杏和雪松外，其他樹種葉片鎘含量均具有顯著季節(jié)性差異（p＜0.05）；在中度污染區(qū)，雪松和水杉外，其他樹種葉片鎘含量均表現(xiàn)出顯著性季節(jié)差異（p＜0.05）；在清潔區(qū)，毛白楊、白蠟、白皮松和水杉葉片鉛含量表現(xiàn)出顯著性季節(jié)差異（p＜0.05）。葉片中鉛含量的這種季節(jié)性差異，可能主要也是受綠化樹種在不同季節(jié)時期生理代謝活性等方面的影響。此外，對于同種綠化樹種，其葉片中鉛含量明顯大于鎘含量。

3 結論與討論

不同綠化樹種葉片鎘、鉛含量具有很大差異。就葉片鎘含量而言，各功能區(qū)總體表現(xiàn)為黑松葉片中鎘含量相對最高，其次為雪松和白皮松，表明針葉樹對鎘的富集效應較強；就葉片鉛含量而言，各功能區(qū)總體表現(xiàn)為女貞葉片中鉛含量相對最高，其次為毛白楊和銀杏，而白皮松和雪松等相對最低，表明闊葉樹對鉛的富集效應較強，而針葉樹對鉛的富集效應相對較弱。存在這中差異的主要原因可能與樹種葉片表面的結構特征、濕潤程度、葉片距地面的高度、重金屬元素的自身性質、土壤性質及氣候條件等多種因素有關[7]。

同一綠化樹種葉片中的鎘和鉛含量，在污染程度不同的功能區(qū)表現(xiàn)出顯著差異（p＜0.05），均表現(xiàn)為重度污染區(qū)＞中度污染區(qū)＞清潔區(qū)，這與許多研究者的結果是一致的，也表明利用綠化樹種葉片中的重金屬含量來監(jiān)測或指示大氣污染的程度或許是可行的。已有一些研究者就綠化樹種與大氣污染程度尤其是大氣重金屬污染程度之間的關系進行了研究，如梁鴻霞等對南充市綠化植物葉片重金屬含量及其與大氣污染的關系進行了評價[8]，劉玲等研究了懸鈴木葉片的重金屬含量，認為基于懸鈴木葉片重金屬的累積特性能夠對大氣污染程度進行一定的分析和評價[9]。因此，從某種意義上說，大氣重金屬污染物濃度的高低可以間接地利用綠化樹種葉片重金屬含量的多少來體現(xiàn)，這也可為評價環(huán)境質量，判斷污染程度或等級，進行生態(tài)修復等提供依據(jù)。

就同一樹種葉片鎘、鉛含量的季節(jié)變化而言，其規(guī)律表現(xiàn)為春季較低，秋季較高。同一樹種葉片重金屬鎘、鉛含量的季節(jié)差異，可能主要是受綠化樹種在不同季節(jié)時期生理代謝活動特點等方面的影響，春季時伴隨著綠化樹種的快速生長，生理代謝活動旺盛，被吸收的鎘在樹體不同的器官和組織內(nèi)移動性較強，可以較迅速地擴散，致使葉片中鎘含量相對較低；秋季時葉片生長幾乎停滯，生理代謝活動明顯減弱，葉片內(nèi)可以慢慢積累較多的重金屬鎘，從而表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)性差異[10]。