4个树种叶片的重金属含量特征及其指示大气污染的研究

刘 波，赵建华，刘曦子，苏禄晖，林匡飞*，朱丽红，杨 意

（1．华东理工大学 资源与环境工程学院 国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室，上海 200237；2．上海市医药学校，上海 200135；3．南京大学金陵学院 化学与生命科学学院，南京 210037；4．上海市浦东新区公路管理署，上海 200129）

4个树种叶片的重金属含量特征及其指示大气污染的研究

刘 波1,2，赵建华1，刘曦子3，苏禄晖2，林匡飞1*，朱丽红2，杨 意4

（1．华东理工大学 资源与环境工程学院 国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室，上海 200237；2．上海市医药学校，上海 200135；3．南京大学金陵学院 化学与生命科学学院，南京 210037；4．上海市浦东新区公路管理署，上海 200129）

2015年3月，对上海市浦东新区5个区域的雪松（Cedrus deodara）、冬青（Ilex chinensis）、樟（Cinnamomum camphora）、荷花玉兰（Magnolia grandiflora）4个种树的叶片Pb，Cd，Zn，Cu含量进行测定和分析，研究植物重金属含量与大气污染之间的关系。结果表明，所测植物叶片中Pb，Cd，Zn和Cu的累积量与大气中Pb，Cd，Zn和Cu的相对含量呈显著正相关；4个树种叶片的重金属含量因其种类、采样区域和树种的不同差异显著，其中荷花玉兰的Pb和Cu的累积量最高，雪松的Cd和Zn的累积量最高。分析显示出浦东新区大气质量状况，交通流量大的杨高路金桥路属重污染区，高桥石化分公司和郊环线G1501属中度污染区，洋泾社区属轻度污染区，对照属无污染区。

重金属；大气污染；绿化树种；叶片

大气中的重金属如 汞（Hg）、铬（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）等主要来自工业生产、生活炉灶与采暖锅炉、交通运输所产生的有害气体和粉尘等[1]，可经呼吸及食物链系统对人体和动物的健康产生毒害，具有滞留时间长、明显的富集效应和迁移能力等特点[2～4]。目前，大气污染指示植物的研究包括用木本植物的树皮、年轮、树叶、种子及草本植物指示气体污染、粉尘以及大气重金属污染，此外，作为理想的大气重金属污染监测材料的苔藓越来越受到青睐[5～26]。植物叶片是植物的重要组成部分，是大气污染物的重要吸收器官。植物通过叶片上的气孔和树干上的皮孔，将大气污染物吸入植物体内，在植物体内通过氧化还原过程中合成无毒物质（即降解作用），通过根系排出体外或积累贮藏于植物体的某一器官内；通过植物对大气污染物的吸收、降解、积累和排出，从而达到净化空气的目的[27～28]。植物在能够忍受的浓度范围内，其叶片中重金属的累积量与大气中的相对质量分数呈显著正相关[29]，可较好地指示不同生产企业厂区交通道的大气中重金属的污染状况[7]。

本研究通过测定上海浦东新区不同交通流量区域的4个常绿绿化树种叶片中各重金属元素的含量，了解城市大气污染状况，分析不同绿化树种对大气重金属吸收累积能力，探究植物体内重金属累积量与大气含污指数的相关关系，并对上海市浦东新区的空气质量进行评价，为上海市选择吸污能力强的行道绿化树种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验地点位于上海市浦东新区，30°08′20"～31°23′22"N，121°27′18"～121°48′43"E。位于上海市东部，黄浦江西侧，东濒东海，南临杭州湾，长江三角洲东缘，地处我国海岸线中点和长江入海口的交汇处。浦东新区地层为长江冲积层。地形从吴淞口起向东南展开略呈三角形。境内地势东南高，西北低，平均海拔3.87 m。北亚热带南缘东亚季风盛行的滨海地带，海洋性气候，四季分明，降水充沛，光照较足，温度适中，气候宜人。年均气温15.7°C，年均降水量1 100 mm，全年雨日约131 d。浦东新区经济发达，工业发展迅速，有34类工业，并且是上海市的交通枢纽。

1.2 主要试验仪器

EthosA微波消解仪（Milestone公司）、NexIon300型电感耦合等离子体质谱仪（PerkinElmer公司）、FD-1D-50型冷冻干燥仪（上海博医康实验仪器有限公司）、SX2-10-12型马弗炉（上海一恒科技有限公司）。

1.3 样品采集

主要监测区域，选择上海市区交通流量相对大的区域——工业区：高桥石化；交通主干道：杨高路金桥路；城市高速公路两侧：郊环线G1501；生活区：洋泾社区；以相对洁净区域：上海市医药学校院内作为对照区。选择4个常见常绿化树种雪松（Cedrus deodara）、冬青（Ilex chinensis）、樟（Cinnamomum camphora）、荷花玉兰（Magnolia grandiflora），在每个采样区随机选取各树种样树2～5株，在高桥石化、郊环线G1501、杨高路金桥路、洋泾社区及对照区上海市医药学校5个采样点重复样树的树高、树龄、生长、叶片着生部位、叶龄。每株样树在距地面3 m高处，在东南西北4个方向分别选择4～5枝，剪下样枝，置密封袋中带回实验室待检测，采集同龄枝的叶片，每枝选取第3至第5片叶作为测量的样品，每一样树采集叶片约为100 g。采集时间为春季叶片萌发前（2015年3月25日），除对照区外，4个采样点采集范围在路两旁直径30 m以内。

1.4 样品处理

将各树种叶片样品用自来水冲洗干净，再用蒸馏水及去离子水漂洗、烘干、粉碎后过60目筛，放入清洁密封袋中备用。分别称取各树种叶片0.200 0 g放入消解罐中，加4 mL HNO3、1mL H2O2于微波管中，小心摇动以使刚产生的气体立刻释出，常温放置24 h后放入微波系统中加热。消解程序：15 min升温至160℃，保持10 min，至少冷却10 min后取出。先冷却至室温，在通风橱中打开消解罐，将样品过滤至坩埚中，置于电热板上加热至120℃赶酸。赶酸后液体过0.45 μm滤膜，用2%稀硝酸定容至25 mL，用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-M）S测定重金属铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）、铅（Pb）含量。实验过程中插入平行空白试验，空白结果表示无污染现象，每批样品做10%的平行样，平行分析的偏差小于10%，标准参考样品（NY861-2004）元素的回收率在90%～115%。

1.5 质量控制

在进行树叶样品处理和测定的同时，以灌木枝叶的标准物质（GBW07603（GSV-1））作对照，以同样的试验方法处理，测定结果均在质量控制允许范围（72% ～ 113%），证明这种方法的准确性和可行性。此外，每批处理样品中，每批次运行一个方法空白、一个平行实验用来控制整个试验过程中可能引入的环境污染，纠正实验误差。

1.6 数据处理

数据处理采用SPSS17.0软件，表格绘制采用Excel工具。

2 结果与分析

2.1 大气Pb、Cd、Cu、Zn在各树种叶片中的累积

2.1.1 Pb的累积 对4个种绿化树种叶片中Pb含量的分析发现（表1），不同树种的叶片对Pb的累积能力存在显著差异。樟和荷花玉兰叶片的Pb含量明显高于其他两种树种，前者在交通污染严重的杨高路金桥路达6.95 mg·kg-1（干重），后者为7.61 mg·kg-1（干重）。调查的5个采样区域的平均含量为6.60 mg·kg-1（干重）。综合各区4个树种叶片中Pb含量平均值，从高到低依次为荷花玉兰﹥樟﹥雪松﹥冬青（表1），4个树种叶片吸收每种元素的贡献比也得到相同结果（图1）。

图1 4个树种叶片吸收重金属元素的贡献比Figure 1 Contribution of heavy metals in leaves of tested tree

各采样区不同树种叶片Pb的含量存在显著差异，交通污染严重区域绿化树种叶片Pb的含量与对照间存在显著差异，交通污染严重区域叶片Pb含量明显高于交通污染轻的区域。其中以交通主干道杨高路金桥路绿化树种叶片Pb的含量（区平均值）最高，其他依次为郊环线G1501﹥洋泾社区﹥高桥石化﹥对照（表1）。

城市大气中Pb的最大来源是车辆排放的尾气，占城市大气污染总排放量的90%左右，其次为含Pb固体废弃物的焚烧和工业生产[15]。树木中重金属含量大部分来自于大气污染，与大气中的总悬浮颗粒物（TSP）浓度有关，受土壤的影响很小[30～31]。本研究进一步验证了市区绿化树种叶片Pb的累积与大气中Pb的含量存在高度相关性（表2）。

本研究通过计算市区绿化树种叶片Pb的总平均含量与4种重金属总含量的比值发现，市区绿化树种Pb的总平均累积量占树种重金属总累积值的21%，较好地反了反映了上海浦东区大气中重金属Pb的污染状况。

2.1.2 Cd的累积 表1显示，4个树种中，雪松叶片中Cd的含量明显高于其他3个树种，平均值达0.41 mg·kg-1（干重），其他依次为冬青﹥荷花玉兰﹥樟。各采样区除樟叶片Cd含量变化不明显外，其他3个树种叶片中的含量随采样区污染程度的变化而变，交通污染严重的郊环线G1501和杨高路金桥路叶片的累种量明显高于其他采样区，以杨高路金桥路采样区的Cd平均含量最高，其他采样区树种叶片Cd含量依次为郊环线G1501﹥高桥石化﹥洋泾社区﹥对照。

表1 4种植物叶片中重金属元素的含量（干重）及数据分析Table 1 Heavy metals content in leaves of tested tree species at different sampled sites

大气中的Cd主要来源于汽车尾气和与Cd生产相关的矿业和冶金行业。上海浦东新区与Cd生产相关的企业较少，大气中排放的Cd污染较少，其相对含量也较低。本研究通过计算所得出的结果也说明了上海市浦东新区Cd的含量相对较低。从表1中可看出，4个树种叶片Cd的累积量与树种和采样区域污染程度有关，大气污染严重的交通密集区域的树种叶片Cd的含量明显高于其他3个采样区，且交通干道树种叶片Cd的含量明显高于高桥石化。

表2 4个树种叶片重金属元素累积量（干重）与大气含污染指数IPC的相关性分析Table 2 Relation between heavy metals accumulation in leaves of tested tree species and IPC

2.1.3 Cu和Zn的累积 Cu和Zn为2种常见元素，且是植物生理的必需元素[34]。Cu在植物体内具有非常重要的生理作用，为植物体结构物质的组成成分；作为植物生命活动的调节剂，参与酶的活动及生理代谢；起电化学作用[32]。Zn影响植物体碳水化合物和蛋白质的代谢[35～37]，对生物膜的功能和结构起关键作用[38～39]，是细胞结构的稳定性及功能完整性必不可少的元素，是植物生长素吲哚乙酸的重要组成成分[40]，故而植物体内Cu、Zn含量高于Pb、Cd的含量[15～33]。

图2 不同树种叶片重金属的含量Figure 2 Heavy metals content in leaves of tested tree species

与Cd相反，各树种叶片中的Cu含量均明显升高。除樟外，不同采样区不同树种叶片间的Cu含量差异显著，其中以荷花玉兰Cu的平均含量最高，其他依次为冬青﹥樟﹥雪松（图2）。除郊外线G1501外，不同采样区不同树种间叶片的Cu含量存在显著差异，其中以高桥石化各树种叶片的Cu含量最高，其次为杨高路金桥路﹥郊环线G1501﹥洋泾社区﹥对照（表1）。

对不同采样区4个树种叶片Cu平均累积量进行分析，结果显示（表1），大气污染严重的高桥石化的所有树种叶片Cu的累积量显明高于其他3个采样区。除学校外，各树种叶片间Zn的含量在其他4个采样区存在显

大气含污指数（IPC，index of pollutant concentration）在一定程度上反映了大气质量的污染状况。通过分析发现，4个树种叶片的重金属元素累积量与大气含污指数IPC间均有显著的相关性（R﹥0．86）（表2）。验证了植物叶片中的重金属元素累积量和大气重金属浓度呈正相关[15,28]，可以依据植物叶片的重金属的累积量来估测大气中的重金属浓度，从而更加客观地指示大气的重金属污染状况。

3 结论

（1）所调查的雪松、冬青、樟、荷花玉兰4个树种叶片对重金属的累积能力存在显著差异，其中荷花玉兰叶片的Pb和Cu的累积量最高，雪松的Cd和Zn的累积量最高。

（2）4个树种叶片的重金属含量因采样地点的不同存在显著差异。在交通流量大且工业污染严重的区域，各树种叶片的重金属累积量较交通流量小的区明显要高，大气中的Pb，Cd，Cu，Zn的含污指数与所测区树种叶片重金属累积量呈正相关。

（3）植物叶片的重金属含量可为城市大气污染提供信息，也可作为环境污染监测的重要指标，为大气环境质量评价提供科学依据。本试验结果表明，树木叶片重金属累积量与大气含污指数呈显著正相关；浦东新区大气重金属污染物主要是Pb，Cu，Zn，交通流量大的杨高路金桥路属重污染区，郊环线G1501和高桥石化属中度污染区，生活区洋泾社区属轻度污染区，对照属无污染区。

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Heavy Metal Content in the Leaves of Four Tree Species and Its Function in Air Pollution Evaluation

LIU Bo1,2，ZHAO Jian-hua1，LIU Xi-zi3，SU Lu-hui2，LIN Kuang-fei1*，ZHU Li-hong2，YANG Yi4
（1. State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assessment and Control on Chemical Process, School of Resources and Environmental Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2. Shanghai Pharmaceutical School, Shanghai 200135, China; 3. Institute of Chemistry and Life Sciences, Jinling College of Nanjing University, Nanjing 210037, China; 4. Shanghai Pudong New Area Road Administration Shanghai 200135, China）

In 2015, determinations were implemented on Pb, Cd, Cu and Zn content in leaves of Cedrus deodara, Ilex chinensis, Cinnamomum camphora ,and Magnolia grandiflora at 4 typical areas and one control in Pudong New Area, Shanghai City. Analysis were made on relationship between content of heavy metals in tree leaves and that in air pollution. The results showed that Pb, Cd, Cu and Zn content in the leaves of different plants had positive relation with their own concentration in the air. The content of heavy metals varied with types of metal, tree species and sampled area. The determination demonstrated that M. grandiflora had the highest accumulation in Pb and Cu, and C. deodara had the highest in Cd and Zn. Analysis on metal content in tree leaf at different areas resulted air pollution orders of Pudong New Area, Shanghai.

heavy metals; atmospheric pollution; greening tree species; leaf

S731.2

A

1001-3776（2016）05-0001-07

2016-05-06；

2016-08-18

上海市医药学校内涵建设校级课题

刘波（1973-），女，高级讲师，在读博士，从事植物学、环境化学研究；*通讯作者。