上海城乡行道树悬铃木叶片重金属与营养元素含量特征

商侃侃，车文玉，2，张庆费*

（1上海辰山植物园，上海201602；2华东师范大学生态与环境科学学院，上海200241）



上海城乡行道树悬铃木叶片重金属与营养元素含量特征

商侃侃1，车文玉1，2，张庆费1*

（1上海辰山植物园，上海201602；2华东师范大学生态与环境科学学院，上海200241）

摘 要：为探明交通污染对道路绿化植物的影响，分别测定了上海城区、近郊、远郊地区主要行道树种悬铃木（Platanus acerifolia）叶片6种重金属（Pb、Zn、Mn、Cr、Cu、Fe）含量和3种营养元素（总氮TN、总磷TP、总钾TK）含量，并分析上海城区-近郊-远郊地区交通重金属污染以及悬铃木叶片对重金属污染的生态响应。结果表明，不同地区行道树叶片的重金属含量差异显著，近郊样品含量最高，城区次之，远郊最低。利用相对污染指数评价污染情况，6种重金属为中度污染。营养元素TP和TK低于背景值。悬铃木叶片营养元素含量与重金属污染间存在极显著相关关系，其中TN和TK含量与Pb、Cu、Cr、Fe含量间极显著正相关，TP与各金属元素间无相关性。

关键词：道路绿化；行道树；悬铃木；重金属污染；营养元素；上海市

上海作为特大型城市，经历了快速的城市化进程。城市化率从1979年的60" 7％上升为2011年的89％。城市面积持续扩张，农用土地逐渐转变为城市土地，不同地区的城市化时间和程度不同，空间上形成了城乡梯度格局。研究表明，城市土壤［1］、街道灰尘［2］、地表水［3］、大气［4］中的污染物出现了明显的沿城乡梯度分布的格局。交通污染更成为困扰城市环境与发展的严重污染之一，城市污染物与城市绿化带的关系已成为研究热点［5］。但以往研究多以功能区划分，如工业区、商业区及居民区等［6］，不同功能区大气重金属含量存在较大差异。研究城区-近郊-远郊地区梯度的交通污染差异性，可以更好地揭示交通污染的形成规律，提出更有针对性的污染控制及修复途径。

机动车尾气和道路扬尘对道路沿线环境造成污染，带来了Zn、Pb、Cd等重金属元素和含N、S污染物［7］，多滞留在行道树、绿篱植物、景观树种的叶片表面。植物叶片中的重金属含量，在一定程度上反映了该地区大气中的重金属含量［8］。叶片通过持留和去除等过程截获或吸附大气中的污染物。有些非必需重金属元素（如Pb等）微量即会对植物产生毒害［9］。有研究显示，交通密集区城市行道树叶片和树皮器官中重金属、叶片可溶性蛋白、游离脯氨酸、丙二醛［10］以及叶绿素含量［11］等指标在不同的方位呈现显著的差别，比如植物所处的环境污染越严重，植物所受的伤害越严重，电导率越高［12］。目前环境污染对道路绿化植物氮磷钾等营养元素影响的研究不多，而植物对污染响应的研究多限于同一道路的不同植物［5，13］，利用某种普遍种植植物的叶片监测不同空间梯度交通污染物影响的研究报道较少。在利用城市树木检测大气重金属污染方面，已有雪松［14］、壳斗科植物［15］等报道；也研究了悬铃木对灰尘重金属的积累［16］，并利用悬铃木重金属累积特性分析和评价大气污染［10，17］。

本研究以上海主要行道树悬铃木叶片为对象，测定分析了城乡梯度的叶片重金属、氮磷钾含量及其关系，探讨上海城乡梯度行道树重金属分布格局及其生态响应。

1 材料与方法

1．1 样点设置与取样

植物在落叶前的叶片重金属积累量达到最高期［18］，采样时间为2012年11月份。设置以中环线以内区域为城区（U）、外环线与中环线之间区域为近郊（S）、外环线以外为远郊（R）三个梯度，按米字形取样，每个梯度选择8个样点（图1）。每个样点各选择3条不同机动车流量的道路，以单车道、双向单车道和双向两车道来表征，避开附近有化工厂等污染源。选择崇明东平国家森林公园作为清洁区对照。每条道路随机选择5棵生长良好的植株。在距离地面约3 m处，采用高枝剪按东、南、西、北四个方向，各选取3—5片当年生叶片，将每个样点采集的叶片混合，装进做好标记的自封袋，带回实验室。

图1　采样点分布Fig．1 Distribution of sample plots

1．2 样品处理与测定

将采集的植物叶片烘干粉碎，过1 mm筛，放入清洁自封袋中备用。具体样品处理方法参照国标［19］。

利用美国PerkinElmer公司4300DV型电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定元素，待测元素为Pb、Zn、Mn、Cu、Cr、Fe和总钾（TK）；总氮（TN）用靛酚蓝分光光度法；总磷（TP）用硝酸-高氯酸-消煮钼锑抗分光光度法。

1．3 数据处理

由于缺乏重金属元素在悬铃木叶片内允许量的标准，将清洁地区悬铃木叶内重金属含量作为基准，计算相对污染指数。相对污染指数（Pi）计算公式为：Pi＝ρi/ρis，ρi重金属实测值，ρis重金属元素背景值。依据Meilke［20］等提出的重金属污染评价指标，将叶片中重金属潜在生态危害状况进行分级：污染系数＜1，污染强度为轻微；1≤污染系数＜3，中度；3≤污染系数＜6，强；污染系数≥6，很强。

数据计算用Excel 2007完成，统计分析用SPSS 15完成，图形绘制用Origin 8完成，以均值±标准差的形式计量结果。组间和组内差异则采用单因素方差分析（P＝0" 05）。

2 结果与分析

2．1 悬铃木叶片重金属和营养元素含量总体特征

表1为行道树悬铃木叶片的重金属和营养元素含量，清洁地区相应含量作为背景值计算相对污染指数。由表1可见，叶片对重金属富集能力均为Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr，这与北京常见绿化树种叶片富集重金属能力研究结果一致［18］。Fe元素含量最高，达（551" 48±159" 84）mg/kg；其次为Mn和Zn元素，Cr元素的含量最少（2" 03±1" 14）mg/kg。从重金属相对污染污染指数可以看出，6种重金属均为中度污染。污染等级分别为Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞Fe＞Cu。TP和TK 2种营养元素含量低于背景值。

表1　悬铃木叶片重金属含量和营养元素含量（n＝24）Table 1 Heavy metals and nutrient elements in P．acerifolia leaves（n＝24）

2．2 城乡梯度悬铃木叶片重金属含量特征

城乡梯度行道树叶片中重金属元素存在差异（图2）。总体来说，重金属元素含量均为近郊最高，城区次之，远郊最低。含量均为Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr。在近郊和远郊两个梯度上，Pb、Zn、Cu和Fe三种元素均差异显著（P＜0" 05）；Cr元素在三个梯度有明显差异（P＜0" 05）；在城区和远郊两个梯度上，Zn元素含量差异不大，但明显低于近郊。

2．3 城乡梯度悬铃木叶片营养元素含量特征

氮、磷、钾是植物必须的三大元素，在植物生长发育中起着重要的作用。城乡梯度悬铃木行道树的TN、TP和TK含量如图3。其中，悬铃木叶片TN平均值为（26"2±2"2）g/kg，在城乡梯度上，显示从城区到远郊依次降低的趋势，但差异不显著；近郊TP含量最低（0"87±0"13）g/kg，而城区最高（1"17±0"14）g/kg，两者之间有显著差异，但均与远郊差异不显著；TK近郊最高（7"69±1"16）g/kg，远郊最低（4"15±0"63）g/kg，近郊约为远郊1"8倍。

2．4 重金属与营养元素相关性

通过分析悬铃木叶片重金属含量与营养元素含量之间的相关性，各指标间均存在较大差异（表2）。除Mn外，悬林木叶片的各重金属元素和营养元素含量具有不同程度的正相关性。其中Pb、Cu、Cr、Fe四种元素的含量均与叶片的TN、TK含量呈极显著正相关（P＜0" 01）。说明道路重金属含量对植物营养元素合成和吸收有影响，并且两者之间有一定的协同关系。植物养分化学计量特征与植物特性之间的关系可以解释植物群落对环境的适应性，也可以作为判断环境对植物生长的养分供应状况指标。在化学计量特征上，Cu元素含量对TN/TK与TP/TK影响显著。Cr元素含量与TN/TP及TP/TK呈极显著正相关和极显著负相关。

注：U，城区；S，近郊；R，远郊；不同小写字母表示在0" 05水平下差异显著；下图同。图2　上海城乡悬铃木重金属含量特征（n＝8）Fig．2 Heavy metal contents of P．acerifolia leaves in Shanghai urban and rural areas（n＝8）

图3　上海城乡行道树营养元素含量特征（n＝8）Fig．3 Nutrient element contents of P．acerifolia leaves in Shanghai urban and rural areas（n＝8）

表2　重金属含量与营养元素含量间相关性分析（n＝24）Table 2 Correlation between heavy metals and nutrient elements in P．acerifolia leaves（n＝24）

3 讨论

城市灰尘是城市各类环境污染物质的载体，可以表征城市大气污染的程度，而植物叶片气孔是吐纳大气污染物的通道［21］。已有研究表明，城市大气重金属的相对含量与园林植物叶片重金属的富积量呈显著线性正相关，而土壤重金属含量相关性相对不显著［22］。上海高架道路灰尘中重金属Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr均超过上海市土壤背景值，前四者表现为中度污染，Cr表现为偏中度污染，而Ni表现为轻度污染［23］。本研究通过测定植物叶片的重金属含量，采用相对污染指数评价表明6种重金属均为中度污染，污染等级为Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞Fe＞Cu，得到与上述研究结果相似的结论［24］，表明利用植物监测道路交通的重金属含量，可以判定交通污染物的污染状况。

本研究表明，行道树悬铃木叶片6项重金属指标均呈现“近郊＞城区＞远郊”的格局，一定程度上表征了上海近郊交通污染最严重、城区次之、远郊较轻的交通污染分布格局。造成同一城市不同地域道路重金属污染的差异主要与城市功能有关，其原因可能与上海城市发展特点、车流量以及交通政策有关。行道树叶面的重金属污染主要来自道路交通污染，由汽车尾气排放、制动磨损、轮胎老化释放［13］，受到机动车保有量、交通流量、车辆型号的影响［24］。快速城市化导致上海市机动车保有量和道路交通流量快速增长，由机动车排放导致的重金属污染随着交通负荷的增加而增大［24］，自2006年10月1日起，达不到国家第一阶段排放标准的高污染车辆被限制在内环（含）以内的所有地面道路上通行，重型污染车辆被限行在城区之外。由于汽车尾气排放是流动污染源，而城市化进程也使得交通不便的郊区与农村地区汽车保有量在持续增加，增加了这些地区大气颗粒物的排放。同时，近郊可行驶污染物排放水平较高的车型，相对单车排放水平低的高车流量车（轻型客车），其污染物排放贡献率可能更大［24］，导致近郊行道树重金属污染物高于城区。

许多重金属（Fe、Zn、Mn、Cu）是植物必需的营养元素，但其浓度超过植物忍耐的最大限度时，会对植物造成毒害，引起植物体内代谢过程发生紊乱，而Pb、Cr作为非必需元素易导致植物受损害。本研究表明，悬铃木叶片的TN、TP和TK含量表现为以下特征：TN含量以城区最高，TP含量随着污染程度的降低而升高，TK含量表现出近郊＞城区＞远郊特征，且与重金属含量间存在显著的相关关系。说明重金属的胁迫作用会导致植物氮、磷、钾等大量元素缺乏或有效性降低，高浓度的重金属会引起悬铃木对大量营养元素的吸收和转运能力下降，重金属的胁迫作用也会引起细胞膜脂过氧化，膜透性增加，小分子物质外泄增加［25］，导致悬铃木叶片营养元素低于背景值。悬铃木叶片的Cr、Cu、Pb、Fe四种重金属元素与TN和TK呈极显著正相关，与TP缺乏相关性，其原因可能是高浓度K元素可以在细胞生命活动中维持较高的跨膜势，有利于其他金属离子吸收和转运，故TN和TK与Cr、Cu、Pb、Fe四种重金属表现出很强的协同关系，这与张露尹［26］的研究结果一致。植物体内化学计量特征可以作为养分供应状况的参考参数，重金属与化学计量特征影响机理需要进一步研究。

4 结论

（1）上海行道树悬铃木叶片重金属含量以郊区最高，城区次之，远郊最低，基本反映了道路交通流量和车辆特征，悬铃木片对环境重金属污染物具有一定指示作用。6种重金属均为中度污染。污染等级为Pb＞Zn＞Mn＞Cr＞Fe＞Cu。

（2）悬铃木叶片营养元素含量低于背景值，与重金属含量间存在显著关系。悬铃木TN跟TK含量与重金属（Pb、Cu、Cr、Fe）浓度呈极显著正相关，TP随重金属污染程度降低而升高。Cu元素含量对TN/TK 与TP/TK影响显著。Cr元素含量与TN/TP及TP/TK呈极显著正相关和极显著负相关。

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（责任编辑：程智强）

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．acerifolia 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．acerifolia 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：张庆费（1966—），男，博士，教授级高级工程师，研究方向：城市绿地生态、城市植物多样性。E-mail：qfzhang＠126" com

作者简介：商侃侃（1982—），男，博士，高级工程师，研究方向：植物修复技术。E-mail：shangkankan＠163" com

基金项目：上海市绿化和市容管理局辰山专项（G142418，G152426）；国家环保部公益性行业专项（20110923）

收稿日期：2014-12-17

文章编号：1000-3924（2016）01-080-06

中图分类号：X173

文献标识码：A