昆明市区18种常见绿化树种叶片重金属富集特征

杨淏舟, 李艳梅, 陈奇伯, 孙应都(.西南林业大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650224；2.云南玉溪森林生态系统国家定位观测研究站，云南 昆明 650224)

昆明市区18种常见绿化树种叶片重金属富集特征

杨淏舟1,2, 李艳梅1,2, 陈奇伯1,2, 孙应都1
(1.西南林业大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650224；2.云南玉溪森林生态系统国家定位观测研究站，云南 昆明 650224)

以昆明市主城区18种常见绿化树种为研究对象，测定了叶片滞尘量、叶片和叶面尘重金属含量，探究了植物叶片滞尘量与叶片重金属含量的相关性,探讨了不同树种叶片对重金属元素的富集能力.结果表明：昆明主城区18种绿化树种叶面尘重金属含量与叶片重金属含量相关性极显著(P<0.01)，相关系数均达到0.6以上；叶片中重金属含量与叶片滞尘量均呈三次多项式关系，叶片内Cu、Pb、Zn浓度与叶片滞尘量相关性较强，R2值分别达到0.811、0.755、0.731；不同绿化树种的叶片对大气重金属的富集能力存在差异，其中龙柏(Sabinachinensis)对Cd、As、Pb、Zn富集能力较强，对Ni、Cu富集能力最强的分别是天竺桂(Cinnamomumjaponicum)、杜鹃(Rhododendronpulchrum)，而香樟(Cinnamomumcamphora)叶片对各重金属元素的富集能力均较弱.

昆明; 绿化树种; 滞尘; 重金属; 相关性分析

Abstract: To explore the correlation between heavy metal in leaf and foliar dust, heavy metal contents on leaves of 18 greening tree species in main urban areas in Kunming were determined, together with heavy metal accumulation capacity of those species. Results showed that heavy metals levels in foliar dust of the 18 species were significantly correlated with heavy metals contents in leaves (P<0.01), with all correlation coefficients being over 0.6. According to cubic polynomial relationship between heavy metal level in leaf and foliar dust content, Cu, Pb, Zn contents were more strongly correlated with foliar dust content than other elements, withR2values being 0.811, 0.755, 0.731, respectively. Accumulation abilities of heavy metals in leaves varied among species. Enrichment abilities of Cd, As, Pb and Zn forSabinachinensisleaf were stronger, whileCinnamomumjaponicumandRhododendronpulchrumwere excellent in absorbing Ni and Cu. However,Cinnamomumcamphoraleaf was generally weak in absorbing various heavy metals.

Keywords: Kunming; greening tree species; dust; heavy metals; correlation analysis

随着城市化进程的加速，工业排放、城市建设向大气释放大量的颗粒物.同时，不断增多的车辆，汽车尾气排放、汽车零部件磨损以及车辆经过引发的二次扬尘等交通污染加剧了城市大气颗粒物污染.大气颗粒物中携带多种重金属污染物，其中与交通有关的Cd、Ni、As、Cu、Pb、Zn的污染问题尤为突出[1-3].这些重金属元素可通过呼吸作用进入人体内，引发疾病、身体机能障碍，因此，治理大气颗粒物污染已刻不容缓.

长期以来，我国学者在植物吸滞大气有害物质方面开展了许多研究，发现植物对其周围一定程度范围内的大气颗粒物具有吸滞能力[4-7]，植物在一定程度上能够富集大气颗粒物中的S、Cl、F及各种重金属[8-9].在不同地区、立地条件下，植物滞尘及富集重金属的能力存在差异[10-11].现有对植物叶片重金属富集能力的研究主要集中在雾霾及沙尘暴频发的北方地区[12-13]，而对西南地区城市绿化树种的叶片滞尘能力、重金属富集能力的探讨则较少.

本研究选取昆明主城区18种常见绿化树种，对其叶片滞尘量与叶片重金属相关性、不同树种叶片对重金属富集能力的差异性进行分析，探求昆明市区绿化树种对重金属元素的吸收富集能力，以期为城市绿化树种的选择和相关研究提供一定的数据支持.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

昆明市地处云贵高原中部，主城区位于北纬25°02′11″，东经102°42′31″，海拔1 891 m，属于亚热带高原山地季风气候，四季如春，全年气候温和，年降水量1 102 mm，城区温度在0～29 ℃之间，年平均气温14.8 ℃.截至2016年末，昆明市常住人口达672.8万人，全市机动车保有量达230.4万辆[14].

采样地点位于昆明市区北京路、人民路、穿金路车流量较大的双向四车道道路两侧的行道树及绿化带.二环内里程占比不足0.3%，却承载了城市26%以上的出行需求[15].该区域车流量较大且集中，达51～65辆·min-1，可充分代表昆明主城区交通污染情况.选取该路段分布均匀，景观效果良好，功能设施完善，形成乔—灌—草、乔—灌等复合型绿地结构的区域进行采样，也较好地体现昆明市主要城区街道的绿化现状.

1.2 试验树种选择

选择北京路、人民路、穿金路绿化带中18种常见乔木、灌木绿化树种作为试验对象，具体树种见表1.

表1 试验树种Table1 Tree species in the experiment

1.3 研究方法

1.3.1 样品的采集 研究表明，叶片积尘在降水量达15 mm，强度达10 mm·h-1的降雨条件下可被清除，且叶片滞尘量在降雨7 d后达到饱和[16].同时秋季大气中的颗粒物含量较其他季节最大，叶片中重金属含量也相对较高[17].秋季是人群呼吸道疾病的高发时段，故选择秋季对植物叶片富集大气中重金属能力进行研究.本试验于2016年9月雨后15 d进行采样.在北京路、人民路、穿金路上选取种植密度较高，树龄10年以上，健康，长势(胸径和树高)相近的植株进行采样.每条道路布置1个采样点，三条道路的采样点分别为1#、2#、3#，沿绿化带每隔15 m选取一棵植株，每个点选取3棵同种植株进行采样.在无风条件下，在树冠外围不同方向随机多点采集充分吸滞灰尘、完整的叶片，每个重复采集阔叶乔木、灌木树种叶片各30枚，针叶树种叶片60～100 g.用环刀法对采样区的土壤进行取样，每份土样200 g.所有样品用聚乙烯袋密封后带回实验室处理，全过程尽量避免叶片样品受到震荡.

1.3.2 样品的测定方法 叶片滞尘量采用水洗滤纸法[7]，将滤纸烘干至恒重(精确至0.001 g)，得到W1.用纯水浸泡叶片2 h后仔细清洗，将清洗液用孔径为 0.45 μm的滤纸过滤，将滤纸置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，其与干净滤纸的质量差为叶面尘质量W2.阔叶树种叶面积A采用叶面积仪测定，针叶树的叶面积计算公式如下:

式中，L为针叶长度，n为每束的针叶数，V为针叶体积(排水法测量)[18].叶片滞尘量/(g·m-2)则为(W2-W1)/A.

将叶片自然风干后以105 ℃杀青，然后与采集叶面尘的滤纸一起放置于60 ℃烘箱烘干至恒重，粉碎研磨后过100目筛备用.土样在遮阴处自然风干后研磨过筛备用.称取土样及叶片样品各1.0 g，用HNO3-HClO4法消解样品[19].使用ICP电感耦合等离子体发射光谱仪测定叶片及叶面尘样品中Cd、Ni、As、Cu、Pb、Zn的含量.

1.3.3 统计方法 采用Excel 2003进行数据处理和制图，并利用SPSS 17.0软件对数据进行方差和显著性分析.

2 结果与分析

2.1 绿化树种叶片中重金属含量与滞尘的关系

2.1.1 植物叶面尘重金属含量与叶片重金属含量的关系 土壤重金属含量如表2所示，ANOVA方差分析得各采样点土壤重金属含量差异不显著(n=3，P>0.05).有研究发现，木本植物根系从土壤吸收的重金属大部分被固定在根部，不易被转移[20].因此可以推断绿化树种叶片内重金属含量若存在差异，则主要来自于大气的影响.

表2 土壤的重金属含量

叶面尘与叶片中的重金属含量的关系可得(表3)，叶面尘与叶片中6种重金属含量均呈显著性正相关关系(P<0.01)，相关系数均达到0.6以上.随着叶面尘重金属含量的增加，叶片内重金属含量递增.

表3 植物叶片及叶面尘相应重金属含量相关系数1)Table 3 Correlation coefficients between heavy metal content in leaf and foliar dust

1)**在0.01水平(双侧)上显著相关.

2.1.2 植物叶面滞尘量与叶片重金属含量的关系 叶片滞尘量与植物叶片中6种重金属元素回归关系及变化趋势如图1.滞尘量与叶片中各重金属含量均呈三次多项式关系，其中，植物叶片重金属Cu、Pb、Zn元素与叶片滞尘量R2值分别为0.811、0.755、0.731，表现出较强相关性，说明叶片中Cu、Pb、Zn含量受叶片滞尘量变化影响较大.其中叶片中Cd、Ni、As含量随滞尘量的增加先升高后趋于平缓再升高；叶片中Cu、Pb、Zn随滞尘量的增加呈逐渐升高的趋势，当滞尘量为26.17 g·m-2时，Cu、Pb、Zn含量最高值分别达到29.25、27.86和43.47 mg·kg-1.

叶面尘附着于叶片表面，叶面尘重金属元素经气孔进入叶片，在叶片内产生富集.植物叶片滞留的灰尘越多，叶面尘重金属含量与叶片重金属含量越高，其中Cu含量相关性最显著，R2达到0.811，这是由于Cu元素在大气中易附着于粒径小于1.5 μm的大气颗粒物中[21]，更易于被植物叶片吸收，在叶片内产生富集.

2.2 绿化树种叶片对大气中重金属富集能力

叶片中重金属含量与叶面尘中该重金属含量的比值(CF)是衡量叶片对大气重金属富集能力的指标，CF值越大，树种叶片对大气重金属富集能力越强.由表4可得(n=3)，各绿化树种叶片对大气中6种重金属的富集能力存在差异，各树种对Cu、Pb、Zn富集能力普遍强于其余重金属.绿化树种重金属平均富集能力由大到小依次为：Zn(0.270)>Pb(0.187)>Cu(0.158)>As(0.104)>Ni(0.066)>Cd(0.056)，其中龙柏对Cd、As、Pb、Zn富集能力均为最强，CF值分别为0.095、0.184、0.265、0.532，为平均值的1.70、1.77、1.42、1.97倍.天竺桂对Ni富集能力最强，其CF值为0.169，为平均值的2.56倍；杜鹃对Cu富集能力最强，CF值为0.330，为平均值的2.09倍；香樟叶片对Ni、As、Cu、Pb富集能力均最弱.

为进一步探究各树种对单一重金属元素富集能力的差异，对叶片重金属能力进行K-均值聚类分析(表5).根据多次预设类别结果，最理想聚类类别为3，第一类树种对重金属元素富集能力强；第二类树种对重金属元素富集能力中等；第三类树种对重金属元素富集能力弱.

图1 不同滞尘量下叶片重金属含量的变化Fig.1 Changes in heavy metal content under different foliar dust level

表4 不同树种叶片重金属富集能力(平均值±标准差)Table 4 Heavy metal accumulation capacity of different tree species (means±SE)

表5 不同树种以重金属富集能力为标准的聚类分析Table 5 Cluster analysis of heavy metal accumulation ability of different tree species

由表5可得，不同树种对同一重金属元素富集能力存在差异，同一树种对某几种重金属富集能力强，而对另几种重金属元素富集能力中等或较弱的情况普遍存在.如龙柏叶片对Cd、As、Pb、Zn元素富集能力均强，而对Cu富集能力中等，对Ni富集能力弱；桂花对Zn富集能力强，对Ni、Cu、Pb富集能力中等，而对Cd、As富集能力弱.

3 讨论

许多研究认为，草本植物内的重金属由根部固定后向其它器官转移，而乔木、灌木根部固定的重金属不易转移，其叶片内重金属主要来源于叶片对大气中重金属的吸滞[21-22].本试验对叶片、叶面尘重金属含量及滞尘量进行测定分析，结果表明叶片、叶面尘重金属含量均受叶片滞尘量的影响，其中叶片中Cu、Pb、Zn含量与叶面尘存在较强正相关性，叶片滞留的灰尘越多，叶面尘及叶片中的重金属含量越高，从大气颗粒物中吸滞的重金属污染物是绿化树种叶片重金属的主要来源之一.

绿化树种叶片重金属富集能力与交通污染区重金属来源、植物叶片表面形态及树高有密切关系[20].交通污染区90%的Cu来自于制动器的磨损，80%的Pb、Zn来自于轮胎磨损及尾气排放，大气颗粒物中的Cu、Pb、Zn浓度较高[3].本研究通过对同一污染区不同树种重金属富集能力的分析得出，同一树种对不同重金属元素富集能力差异较大，不同树种对某一重金属的富集能力相较其他树种有一定优势或劣势，这与许多研究结果趋于一致[11,23].绿化树种中龙柏、塔柏针叶短小密集，沟壑较多，枝条斜上伸展，易于滞留不同粒径的粉尘，导致其对大多数重金属富集能力较强，雪松、柳杉枝叶稀疏，且雪松枝叶为针状，柳杉枝叶修长且下垂，不利于滞尘.天竺桂、桂花枝叶浓密茂盛，叶片叶脉突出、叶柄较短，易于吸滞粉尘，天竺桂叶片的油脂分泌物使滞留的粉尘不易脱落[24].相反，枝叶稀疏，叶片光滑且相对较单薄的香樟对粉尘的吸滞没有优势.灌木树种由于其自身树高的因素，对近路面大气颗粒物的吸滞较多，杜鹃叶片表面短绒毛密布，绒毛为粉尘附着于叶片表面创造了有利条件.滞尘能力差异多由叶片的粗糙程度及其上下表皮绒毛的形状、数量，表面气孔密度大小等叶片特征造成[24-25].

本试验认为，重金属富集能力的差异是由大气中重金属浓度、不同树种叶片表面微结构和植物自身对重金属吸收和耐受机制的差异引起的.而目前国内学者对植物叶片吸收大气重金属的耐性机理的研究较少，后续可对叶片滞尘机理及其重金属富集机制进行探究.实践中根据交通区污染特点，应选择优势树种进行合理配置，兼顾景观及抗污染效果，依据排序和分类有针对性地选择对某一种重金属元素富集能力强的优势树种，适地适树，合理配置不同种类乔-灌-草复合型植物群落.

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(责任编辑:苏靖涵)

Enrichmentcharacteristicsofheavymetalsinleavesof18speciesofcommongreeningtreesinKunming

YANG Haozhou1,2, LI Yanmei1,2, CHEN Qibo1,2, SUN Yingdu1
(1.School of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kuming, Yunnan 650224, China; 2.National Station for Forest Ecosystem in Yuxi, Kunming, Yunnan 650224, China)

X173; X51

A

1671-5470(2017)05-0584-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.05.017

2017-06-12

2017-07-24

国家林业局林业公益性行业科研专项(201204101-10)；云南省高校优势特色重点学科(生态学)建设项目(05000511311)；西南林业大学科学研究基金面上项目(XL21621).

杨淏舟(1992-)，女，硕士研究生.研究方向：生态修复及退化生态系统修复.Email:yanghaozhou09@163.com.通讯作者陈奇伯(1965-)，男，教授，博士生导师.研究方向：土壤侵蚀、生态恢复.Email：chengqb@swfu.edu.cn.