北京园林绿地29种树木3种重金属含量的比较

2019-09-05兰欣宇解莹然程佳雪万映伶

中南林业科技大学学报 2019年9期

兰欣宇，解莹然，程佳雪，万映伶，张欣，刘燕

（北京林业大学 a.花卉种质创新与分子育种北京市重点实验室；b.国家花卉工程技术研究中心；c.城乡生态环境北京实验室；d.园林学院，北京 100083）

伴随城镇化进程的加快，工业活动、交通运输以及大量的建筑垃圾等问题使得城市生态环境中重金属的含量不断提升[1]，尤其在土壤和大气中污染较为严重[2-3]。土壤中的重金属通过吸收、溶解、氧化还原等一系列物化作用而发生迁移和转化[4]，且大多以化合态形式存在[5]，具有隐蔽性、长效性和难降解等特点，而在空气污染中，重金属离子也扮演着十分重要的角色，PM2.5是其主要载体[6]。更为重要的是，重金属可导致人体各种急、慢性疾病以及癌症的发生，严重威胁着人类健康[7]。目前北京地区以铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）等为主要重金属元素污染的问题亟待改善[8-10]。

园林树木在美化环境的同时对环境中重金属具有吸收和积累的作用。有研究表明，植物一方面可通过根系吸收土壤中重金属，另一方面可通过叶片气孔等吸收大气中的重金属[11-12]。因此，利用园林树木改善城市环境中重金属污染问题具有重要意义。城市生态环境污染的问题非常复杂，往往具有多种污染物，而目前国内在园林植物吸收重金属的相关研究中，多以幼苗为研究对象，缺少对成年园林树木富集重金属的研究，并且现有研究中大多是研究不同园林植物对单一元素的吸收贡献，没有将其富集环境重金属的综合能力进行评价与筛选。本研究在北京不同园林绿地中，选取共有的29种园林树木，研究了其叶片和一年生枝条中Cd、Pb、Cu的含量，分析了不同树种重金属富集特征，比较了29种园林树木富集3种重金属的综合能力，为北京市城市生态建设树种的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

以环境不同、有相同树种且胸径相似的陶然亭公园、紫竹院公园、中国科学院植物研究所北京植物园为样地。陶然亭公园位于北京市南二环，全园总面积56.56 hm2，公园南面是二环路，其余三面是居住区，公园内几乎无机动车行驶；紫竹院公园位于北京市西三环附近，西面是居住区，其余三面是城市道路，占地47.35 hm2，公园人流量较大；中国科学院植物研究所北京植物园位于北京市四环、五环之间，东面是西五环路，北面是香山路，其余两边是居住区，现有土地面积74 hm2，附近车流量相对较少且公园内几乎无机动车行驶。

2016年10月，在上述3个样地内选择规格相同的29个树种：白扦Picea meyeri、圆柏Sabina chinensis、侧柏Platycladus orientalis、油松Pinus tabuliformis、雪松Cedrus deodara、白皮松Pinus bungeana、华山松Pinus armandii、粗榧Cephalotaxus sinensis、砂地柏Sabina vulgaris、流苏树Chionanthus retusus、槲栎Quercus aliena、梓树Catalpa ovata、暴马丁香Syringa reticulatavar.amurensis、元宝枫Acer truncatum、小叶朴Celtis bungeana、杜仲Eucommia ulmoides、枫杨Pterocarya stenoptera、蒙椴Tilia mongolica、山桃Amygdalus davidiana、山杏Armeniaca sibirica、山茱萸Cornus officinalis、紫荆Cercis chinensis、丁香Syringa oblata、锦带Weigela florida、金银木Lonicera maackii、鸡麻Rhodotypos scandens、木槿Hibiscus syriacus、贴梗海棠Chaenomeles speciosa、太平花Philadelphus pekinensis。采样树种均选择生长健康、灌木胸径在5～7 cm、乔木胸径在20～23 cm的植株，每株从距地面1～1.5 m树冠的东、南、西、北4个方向采集一年生叶片及枝条。每个样地同树种随机选择3个样本树，采集后混匀，作为一个样品；来自3个不同样地同树种样品作3个重复，即每种植物样品来自9株植物。用聚乙烯塑料袋封装，立即带回实验室后，用去离子水冲洗叶片3次后吸干表面水分，于105 ℃杀青30 min后装于信封40 ℃烘干至恒质量。将干燥后的植物叶片和一年生枝条粉碎，过80目筛，放入自封袋中存于4 ℃至分析。

1.2 重金属含量的测定

准确称取1.000 0 g粉碎好的样品于锥形瓶中，加入30 mL高氯酸与浓硝酸混合酸溶液（体积比例为1∶5），加热消煮至瓶内充满白烟，冷却后过滤并定容至100 mL；采用ICP光谱仪（Optima 8X00系列）进行Cd、Pb以及Cu的测定，每个树种测定3个样品，每个样品重复3次，取均值。每次测定样品时皆进行空白试验，并在测定过程中用国家标准物质GBW10052（GSB—30）进行含量监控，以确保测定结果准确可靠。

1.3 富集3种重金属综合能力评价

采用隶属函数法进行评价[13-14]。计算方程为：X(μ)=[X－Xmin]/ [Xmax－Xmin]（其中，X为某一指标的测定值；Xmax为某一指标的测定值中最大值；Xmin为某一指标的测定值中最小值），而后求取隶属函数值的平均值（Δ）。对29种园林树木Cd、Pb、Cu含量进行隶属函数的计算，其Δ值越大，说明树种富集重金属综合能力越强。

1.4 数据处理

采用SPSS软件进行方差分析与相关性分析，并按照重金属的含量差异将各树种进行系统聚类法分析。数据平均值和标准差的计算以及图表制作在Microsoft Excel 2013中完成。

2 结果与分析

2.1 29种园林树木重金属的含量

由表1可知，29种园林树木中叶片和一年生枝条的Cd、Pb、Cu含量不同，具有显著性差异（P＜0.05），且因重金属种类而异。

表1 29种园林树木重金属的含量†Table 1 Contents of heavy metal from 29 kinds of ornamental trees in green land (mg·kg-1)

29种园林树木叶片和一年生枝条总Cd含量为0.101 7～0.262 6 mg/kg，有明显的种间差异。其中白扦Cd含量最高，砂地柏含量最低，相差2.6倍。采用系统聚类法，可将29种树木划分为三类（图1-A），白扦、杜仲、贴梗海棠等5种树木为第一类，此类树木Cd含量高，为0.219 4～0.262 6 mg/kg；丁香、油松、梓树等23种树木为第二类，此类树木Cd含量中等，为0.146 5～0.202 5 mg/kg；含量为0.101 7 mg/kg的砂地柏属于第三类，此类树木Cd含量低。

叶片和一年生枝条Pb总含量为11.260 6～40.572 1 mg/kg，有较为明显的种间差异。其中白扦Pb含量最高，是含量最低的梓树的3.6倍。采用系统聚类法，可将29种树木划分为三类（图1-B），含量为40.572 1 mg/kg的白扦属于第一类，此类树木Pb含量高；金银木、木槿、暴马丁香等14种树木为第二类，此类树木Pb含量中等，为14.567 0～18.393 8 mg/kg；油松、杜仲与梓树等14种树木为第三类，此类树木Pb含量低，为11.260 6～17.075 7 mg/kg。

叶片和一年生枝条Cu总含量为6.181 9～26.265 1 mg/kg，有明显的种间差异。其中白扦Cu总含量最高，是含量最低的砂地柏的4.2倍。采用系统聚类法，可将29种树木划分为三类（图1-C），含量为26.265 1 mg/kg的白扦属于第一类，此类树木Cu含量高；金银木、雪松、蒙椴等11种树木为第二类，此类树木Cu含量中等，为13.903 3～21.7125 mg/kg；锦带、杜仲、砂地柏等17种树木为第三类，此类树木Cu含量低，为6.181 9～12.631 6 mg/kg。

图1 绿地中29种园林树木重金属含量系统聚类分析Fig.1 Systematic cluster analysis of heavy metal content from 29 ornamental trees in green land

2.2 29种园林树木叶片和枝条中重金属的含量

树木不同器官均可以对环境污染物起到一定的吸收与积累作用[15]。为了进一步了解重金属在园林树木不同器官中的分布特征，对可以脱落的叶片或需要时可修剪的一年生枝条分别测定3种重金属含量，结果见图2～图4。

图2为29种园林树木的叶片和一年生枝条中Cd含量。同种树木叶片和一年生枝条中重金属含量不同，且因重金属种类而异。因此，园林树木一年生枝条及叶片Cd含量排序与树种Cd总含量排序不完全一致。29种树木中，17种树木一年生枝条Cd含量高于叶片，占树种总数的58.6%；41.4%的树种一年生枝条和叶片含量相似。白扦一年生枝条Cd含量较高，为0.169 6 mg/kg；砂地柏含量较低，为0.049 9 mg/kg。流苏树叶片Cd含量较高，为0.101 4 mg/kg；砂地柏较低，为0.051 8 mg/kg。杜仲、白扦等叶片与一年生枝条Cd含量差值较大，枫杨、砂地柏等差值较小。

图2 29种园林树木叶片和枝条Cd含量变化Fig.2 Cadmium content changes from leaves and branches of 29 ornamental trees in green land

29种园林树木叶片和一年生枝条Pb含量如图3所示。29种树木一年生枝条Pb含量均高于叶片含量，但Pb含量排序与两者总和排序不完全一致。白扦一年生枝条中Pb含量较高，为35.970 6 mg/kg；梓树含量较低，为6.290 0 mg/kg。锦带叶片中Pb含量较高，为5.858 3 mg/kg；白皮松较低，为4.014 7 mg/kg。白扦、白皮松等叶片与一年生枝条Pb含量差值较大，鸡麻、梓树与紫荆差值较小。

29种园林树木叶片和一年生枝条Cu含量如图4所示。29种树木中14种树木一年生枝条含量高于叶片含量，占48.3%；17.2%的树种一年生枝条和叶片含量相似，34.5%的树种叶片含量高于一年生枝条。枝条和叶片Cu含量排序与树种Cu总含量排序也不完全一致。白扦一年生枝条中Cu含量较高，为21.541 5 mg/kg；砂地柏含量较低，为1.765 0 mg/kg。木槿叶片中Cu含量较高，为8.471 5 mg/kg；油松较低，为3.044 8 mg/kg。白扦、金银木等叶片与一年生枝条Cu含量差值较大，山桃、元宝枫等差值较小。

图3 29种园林树木叶片和枝条Pb含量变化Fig.3 Plumbum content changes from leaves and branches of 29 ornamental trees in green land

图4 29种园林树木叶片和枝条Cu含量变化Fig.4 Cuprum content changes from leaves and branches of 29 ornamental trees in green land

对29种树木一年生枝条和叶片3种重金属含量做相关分析，结果见表2。仅枝条与叶片的Cd含量存在一定程度正相关关系，相关系数为0.316（P＜0.01）；而一年生枝条与叶片中Pb与Cu含量无显著相关性。

表2 29种树木不同器官中重金属含量相关性分析†Table 2 Correlation analysis of heavy metals in different organs of 29 ornamental trees

综合来看，树木中叶片和枝条对3种重金属的富集能力之间关联性不强。

2.3 园林树木富集重金属综合能力比较

城市污染问题往往是由多种因素造成的，在选择园林树木改善生态环境时，需要考虑树种吸收污染物的综合能力。隶属函数法是一种较好的综合评价方法，用隶属函数法对绿地中29种树木叶片和一年生枝条中Cd、Pb和Cu综合富集能力进行评价。从表3可以看出，绿地中29种园林树木对这3种重金属综合富集能力排名前5位的分别为白扦、金银木、贴梗海棠、太平花和暴马丁香，而紫荆、山桃和砂地柏综合富集能力低。

3 讨论

在本研究中，叶片与一年生枝条的重金属含量不同，表明树木不同器官对重金属的吸收与积累能力是不同的，且两个器官中的重金属含量无显著相关性，所以在评价树木富集重金属的能力时，仅用叶片可能具有片面性。

园林树木对城市生态环境中的重金属不仅具有一定程度的耐受性，也可以起到吸收与净化的作用。而导致树种之间吸收重金属能力的不同可能与不同树种叶片或枝条生理特征、形态特征的差异有关[16-17]。庞静[18]以首都钢铁集团烧结厂（工业区）中的植物叶片为研究对象，对比分析了28种不同植物对Cu、Zn、Cr、Pb、Ni富集能力的差异，其中有2种元素和6种植物与本研究相同，其测定的叶片Pb和Cu含量普遍高于本实验，且富集能力的排序也不同。鲁绍伟等[19]研究了北京市公园绿地中7种乔木春季叶片中Cu、Cr、Pb、Zn含量，其中有2种元素和3种植物与本研究相同，但对于树种富集Pb和Cu能力的排序与本研究也有差异。由于这两位学者的文章未说明采收时间和株龄，实际与本研究结果无法相比较，但是揭示了树木对重金属的吸收受环境影响较大。本实验选择的3个样地环境条件有明显差异，29种园林树木对重金属的富集量因树种和重金属种类而异，但是一些树种富集重金属的能力没有受到环境影响，在3个样地中均表现较强的富集能力，如白扦、流苏树对Cd的富集，白皮松、白扦对Pb的富集以及金银木、白扦、贴梗海棠、丁香、油松和圆柏对Cu的富集，但是也有一些树种在3个不同样地表现明显不同，如杜仲对Cd的富集能力，锦带对Pb的富集能力，蒙椴、雪松、暴马丁香对Cu的富集。富集重金属树种筛选时，如以场地成年树为对象，则应进行多样地测定，重金属含量高且在各环境中表现稳定的树种应给予高度关注，可作为改善环境重金属污染问题时的优选树种。

表3 29种园林树木对Cd、Pb、Cu综合富集能力比较Table 3 Comparison of comprehensive absorption capacity of Cd,Pb and Cu in 29 ornamental trees

研究表明，城市树木地上部（叶片、枝条和树皮等）的重金属含量与PM2.5、PM10浓度以及大气降尘重金属含量均呈现一定程度的相关性[20-22]，且也有一些研究表明树木叶片重金属含量与相应土壤含量无显著相关性[23-25]。但重金属在植物体内的吸收与运输是一个较为复杂的过程，已有研究[26]表明，植物可通过根系吸收土壤中的重金属，其中一部分重金属储藏积累在根部，另一部分则会通过共质体途径以及质外体途径从根部运输到维管束从而抵达枝叶，但目前尚未见树木地上部分吸收的重金属向地下部分运输的报道。本研究中树木叶片和一年生枝条对重金属的富集量与其生长地土壤和大气重金属含量的相关性值得进一步研究。