北京园林绿地6种树木的叶片和一年生枝中5种重金属含量比较

2020-12-23程佳雪

中国园林 2020年11期

关键词：白皮松丁香枝条

程佳雪

巫丽华

任瑞芬

李青秀

刘燕*

随着中国城市化建设的加快和人民生活水平的不断提高，重金属污染问题越来越受到人们的关注[1]。研究表明植物一方面可通过根系吸收土壤中的重金属，另一方面可通过叶片气孔等吸收大气中的重金属[2]。由于方便移除，植物吸收重金属的相关研究以草本植物为多[3-4]。树木具备特有的生物学特性，由于根系发达、生物量高，树木可以大规模、更有效地吸收重金属，且一般不进入食物链，因而不对人类健康造成危害。在城市环境中，园林树木是园林绿地中非常重要的植物，了解它们对重金属的吸收贡献非常重要，尤其在保证景观的前提下，对净化空气有着重要意义。

北京作为我国城市发展迅速的代表城市之一，有前人做过树木富集重金属筛选的相关研究[5-7]，庞静2008年对首都钢铁集团烧结厂中的28种木本植物的叶片对重金属对Cu、Zn、Cr、Pb和Ni富集能力的差异进行了研究；鲁绍伟将北京市市区(景山公园、奥林匹克公园)、近郊(水关长城景区)及远郊(松山自然保护区)7种乔木叶片中Cu、Cr、Pb和Zn 4种重金属含量进行对比研究。这些研究因采样具体环境和季节不同，相同树种的测定结果不同，且都是依据叶片对单种重金属的吸收量来评价树木吸收重金属的能力；尚缺乏对重金属综合富集能力的比较；此外尚未见对As和Hg的测定评价。由于成年木本植物吸收重金属的复杂性，且此类研究较少，现有研究结果彼此之间也不便比较，尚不能科学准确地评价园林树种对重金属的综合富集能力。因此，需要大量的研究方法和结果相互佐证。

本研究采用取自北京城区二环至五环6个不同环境中园林绿地的相同树种，消除环境差异导致的误差。采用可以移除的地上部叶片和一年生枝条为测定对象，比较了单位重量这些叶片和枝条的重金属含量，在此基础上，分别对树种单种重金属吸收能力进行了排序，并评价树木对5种重金属综合富集能力，并对同树种叶片与当年生枝、5种重金属吸收量分别进行相关分析。

表1 测定树木的样地位点及环境概况

1 材料与方法

1.1 研究样地选择与树种确定

选择树木株龄相同、长势相似、来自不同环境样地的共有树种，以准确对比、评价不同树种重金属富集力。从北京城区二环至五环选取6个公园，分别是陶然亭公园、紫竹院公园、北京市中国科学院植物研究所北京植物园、马甸公园、皇城根遗址公园和北京营城建都滨水绿道，具体位置见表1。

2016年10月，在上述6个样地中选取了样地共有的北京地区常见6种园林树木，其中针叶树4种：白皮松、圆柏、侧柏和油松；阔叶树2种：丁香、金银木。

1.2 样品采集与处理

2016年10月，选择长势良好，灌木(丁香、金银木)胸径在5～7cm、乔木(白皮松、圆柏、侧柏、油松)胸径在20～23cm的植株作为采样树种。每株从距地面1～1.5m树冠的东、南、西、北4个方向采集一年生叶片及枝条。参照韩玉丽、李馨[8-9]等的采样方法，每个样地每种树种选择3株树木采样，混合后作为1个样品，封存于聚乙烯塑料中立即带回实验室；每种树木有6个混合样，来自18株植物。每份样品将叶片及一年生枝条用去离子水冲洗干净后晾干，于105℃杀青30min后，40℃烘干至恒重，粉碎，过80目筛，放入自封袋中存于4℃至分析。

1.3 重金属含量测定

准确称取1.000 0g粉碎好的样品于锥形瓶中；加入30ml高氯酸与浓硝酸混合酸溶液(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100ml；采用ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700x)进行Zn、Cr、Ni、As和Hg的测定，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。

1.4 数据分析

采用Excel2016和SPSS20.0进行基础数据分析。采用SPSS软件进行方差分析与相关性分析，数据平均值和标准差的计算及图表制作在Microsoft Excel2016中完成。

用模糊数学隶属函数法[10-11]进行树种富集5种重金属综合能力的评价。用于分析的隶属函数值X(μ)计算方程为：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

其中，X为某一树种某一种重金属元素的含量值；Xmax、Xmin分别为该树种该种重金属元素的最大值和最小值。累加5种重金属元素指标的具体隶属值，并求出平均值后进行比较。平均值越大，植物的富集5种重金属元素的综合能力越强。

2 结果与分析

2.1 不同园林树木5种重金属含量变化

2.1.1 不同园林树木5种重金属含量植物对重金属吸收积累能力的高低是园林植物选择的重要指标之一。树木地上部分对重金属吸收有重要意义。叶片和当年生枝条生长量大，是富集重金属的重要器官。6个绿地中6种园林树木叶片和一年生枝条中Zn、Cr、Ni、As和Hg含量测定结果见表2，不同树种间明显不同，具有差异显著性(P＜0.01)，且因重金属种类而异。

表2 绿地中6种园林树木叶片和一年生枝条重金属含量

从表2 可以看出，6 种园林树木Z n 含量明显高于Cr、Ni、As和Hg含量，树木Zn含量为43.27～69.73mg/kg，而Hg含量仅为0.05～0.13mg/kg。

6种树木间Zn、Cr、Ni、As和Hg的含量也存在着明显的种间差异，且因种而异。

Zn含量最高的为金银木(69.73mg/kg)，是含量最低的丁香(43.27mg/kg)的1.6倍；数值由高到低依次为：金银木＞侧柏＞白皮松＞圆柏＞油松＞丁香，但除油松含量较低外，其他3种常绿植物间没有显著差异。

Cr含量最高的为圆柏(9.42mg/kg)，是最低含量丁香(4.12mg/kg)的2.3倍；由高到低依次为：圆柏＞金银木＞侧柏＞油松＞白皮松＞丁香，除白皮松含量较低外，其他3种常绿植物间有显著差异，表现出常绿植物对Cr有较好的吸收性。

Ni含量最高的为侧柏(3.27mg/kg)，是最低含量白皮松(1.52mg/kg)的2.2倍；由高到低依次为：侧柏＞油松＞金银木＞圆柏＞丁香＞白皮松，除白皮松含量较低外，其他3种常绿植物间没有显著差异，表现出树种对Ni和Cr吸收能力有相似排序。

As含量最高的为金银木(1.04mg/kg)，是最低含量丁香(0.47mg/kg)的2.2倍；由高到低的依次为：金银木＞圆柏＞油松＞侧柏＞白皮松＞丁香，除白皮松和丁香含量较低外，其他3种常绿植物之间和金银木没有显著差异。

Hg含量最高的为丁香(0.13mg/kg)，是含量最低的侧柏(0.05mg/kg)的2.7倍；由高到低依次为：丁香＞金银木＞白皮松＞圆柏＞油松＞侧柏，白皮松和圆柏、油松和侧柏间没有显著差异。

对比6种园林树木几种重金属的含量可见，丁香叶片和一年生枝条中Hg含量是6种树木中最多的，而其他4种重金属元素含量均较少。另外，丁香和金银木2种阔叶树种叶片和一年生枝条Hg含量明显高于其他4种针叶树种的Hg含量。

图1 6种园林树木叶片与枝条中不同重金属含量变化[注：不同小写字母表示各树种之间差异显著(P≤0.05)]

2.1.2 不同园林树木叶片和枝条重金属含量差异

将树木一年生枝条和叶片重金属含量做进一步对比分析，结果显示，树木叶片和一年生枝条对重金属吸收能力不同，且不同器官中重金属含量差异因重金属种类而异。

6种园林树木一年生枝条Zn和Cr含量均高于叶片(图1-1、1-2)。唯一不同的是，所有树种枝条的Zn含量皆显著高于其叶片，其中金银木差值最大，白皮松差值最小；但丁香的一年生枝条和叶片Cr含量没有显著差异，其他树种枝条显著高于叶片，其中油松叶片和枝条Cr含量差值最大。

5种树木一年生枝条Ni和As含量与叶片之间没有显著差异(图1-3、1-4)。仅油松一种枝条显著高于叶片。

6种园林树木一年生枝条Hg含量均低于叶片(图1-5)。但仅丁香、金银木和白皮松差异显著，其中丁香含量差值最大，白皮松最小。其他3种常绿植物油松、圆柏和侧柏枝条和叶片Hg含量差异不显著。

综上，叶片和一年生枝条内重金属的含量因树种和重金属而异，大趋势是树种Zn、Cr含量呈现枝条＞叶片；Hg含量叶片＞枝条，Ni、As含量部分树种枝条＞叶片，部分树种叶片＞枝条。因此，对于不同树种，枝条对重金属的吸收能力不能忽视。

2.1.3 园林树木叶片和枝条重金属含量相关性

为了解树木枝条和叶片对重金属吸收是否有一致性，将6种树木的叶片和一年生枝条重金属含量做相关性分析，结果见表3。

相关系数显示，6种树木，仅树木的枝条与叶片的Cr含量呈显著正相关(P＜0.01)，但相关系数仅为0.461；枝条与叶片的其他重金属Zn、Ni、As和Hg含量均无显著相关性。整体看，同种树木，枝条和叶片对重金属的富集能力之间没有明显的相关性。

2.2 不同园林树木富集5种重金属的综合能力

树木生长在园林绿地环境中，往往多种重金属同时存在，因此，在选择园林树木改善生态环境时，考虑到树种吸收不同种重金属的综合能力更有意义。根据隶属函数法，计算树种富集5种重金属元素的隶属函数值(表4)，平均值为金银木(0.834 6)、圆柏(0.631 9)、侧柏(0.551 3)、油松(0.526 0)、丁香(0.201 0)、白皮松(0.162 9)。因此，园林树木对5种重金属综合富集能力，从高到低排序如下：金银木＞圆柏＞侧柏＞油松＞丁香＞白皮松。

6种园林树木中，针叶树种4种，阔叶树2种。针叶树种中，圆柏、侧柏、油松3种针叶树种富集5种重金属的综合能力显著高于白皮松(P＜0.01)，阔叶树种中金银木吸收重金属的能力显著高于丁香。

2.3 树木对5种重金属吸收量之间的相关性

为了解树木枝条和叶片对5种重金属吸收是否有关联，将6种树木的叶片和一年生枝条中5种重金属含量做相关性分析(表5)。

相关系数显示，Cr和Ni在1%置信水平上存在显著正相关性，相关系数达到了0.971，其余元素间无显著相关性。

3 讨论

3.1 树种吸收重金属能力差异

相对于草本植物而言，获得园林木本植物对重金属富集能力的情况有较大困难，尤其是要了解园林绿地中有景观功能的成年树木富集重金属的能力。树木地下根系和地上枝叶都可能吸收重金属。只有完整测量地上地下器官对重金属的吸收量，才能准确客观评价树木对重金属的富集能力。测量成年树根系重金属含量，会对树体造成伤害，有实践操作的局限性，地上大的枝干采集也不现实。目前普遍采用的盆栽方法测得树苗对重金属的吸收能力，不能代表成年树[12]。本研究采用测定可以移除的叶片和一年生枝条为对象，比较了其单位重量重金属的含量，在此基础上，对树种重金属吸收能力进行排序，具体应用中，可以结合不同树种地上部分绿量的一些测定模型[13]，进行整体推算，可以获得该树种地上部分对重金属的吸收量。引用陈自新、苏雪痕的研究中北京常用园林树木的叶二元回归模型，可以获得树木叶面积或叶重，根据树木单位重量吸收重金属含量，可推算出叶吸收重金属的含量。目前成年树种重金属地上地下移动性研究很少，由于空气中也存在重金属，了解树木地上部分重金属含量，对实践中园林树木选择也有指导意义。成年树种，特别是场地生长的园林树木，富集重金属能力的评价方法仍然需要进一步研究。

表3 树木不同器官中重金属含量相关性分析

表4 6种园林树木对Zn、Cr、Ni、As、Hg综合富集能力比较

几种植物对重金属Zn、Cr、Ni、As和Hg都有一定的吸附积累能力，但对Zn的积累量显著多于其他4种，这是由于Zn是植物生长所必需的微量元素，Zn更多地积累在树木地上部，这一结论与鲁绍伟、刘维涛等[6，14]的研究结果一致。不同的植物种类对重金属元素的富集能力也不同，本研究中金银木富集重金属综合能力显著大于丁香，圆柏、侧柏、油松3种针叶树种富集重金属综合能力显著强于白皮松，可能是由于不同树种对重金属的积累能力和耐受机理不同而造成的[15-16]。

庞静[5]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和Ni富集能力的差异，其中有2种元素和4种植物与本研究对象相同，其测定的叶片3种重金属的含量与本研究4种树木叶片重金属含量的排序不一致，可能是由于庞静所研究的样地为工业区，重金属含量高于本研究的公园样地；鲁绍伟对北京不同地区(景山公园、奥林匹克公园、水关长城景区和松山自然保护区)植物叶片富集重金属(Cu、Cr、Pb和Zn)能力进行测定分析，有3种针叶树和本研究对象相同，结果显示树木富集Cr、Zn能力最强的为侧柏，与本实验吸收Zn、Cr最强的为白皮松、圆柏的排序结果也不相同。这些结果的差异与测定的季节、树龄、采样时间等不同有关，由于这些文献缺乏这些信息数据，因此结果不具有可比性，也说明树种富集重金属能力筛选的复杂性。树种富集重金属能力评价和筛选需要统一的取样、测定标准，并需要多年重复数据。

5种重金属元素中，Hg在植物内的含量与其他4种重金属元素相比，呈现出一些特点：1)丁香叶片和枝条中4种重金属的含量在6种树木中均较弱，而Hg含量则是6种树木中最强的，这可能是丁香吸收Hg与其他几种重金属机理不同，还需进一步研究；2)4种阔叶树的Hg含量大于针叶树Hg含量，叶片Hg的含量大于针叶树Hg含量，这与田珮[17]的研究结论一致。这可能是由于植物地上部分(主要是叶片)中的汞主要来自大气[18-19]，阔叶树和针叶树压吸收Hg的差异可能是与2种叶片特征(如叶片气孔形态结构、叶片表面特征、叶片比表面积等)有关, 阔叶林植物的叶面积较大，更容易对大气中的Hg进行吸附并吸收。

表5 6种树木叶片和一年生枝中5种重金属含量相关性分析

3.2 树木不同器官吸收重金属能力差异

重金属在植物体内不同器官中的分布存在显著差异，本研究中叶片和枝条重金属含量高低因树种、重金属种类的不同而表现出不同的结果，可能与各重金属元素在植物体内的转运机制及其重金属形态等因素的差异有关[20-21]。唐力[22]在2011年研究了典型工业城市包头市11个典型样地的常见针叶和阔叶树种叶片与枝条中重金属元素的分布，得出针叶树杜松、油松、圆柏和云杉体内重金属 Zn、Cr的分布为枝条大于叶片，落叶阔叶树中叶重金属富集量和枝重金属富集量无明显规律；宋学英等[23]2012年对沈阳市工业搬迁区8种常见乔木树种重金属进行叶片和枝条Zn含量测定结果显示除2种树木叶片＞枝条外，其他树种差异均不显著；王爱霞[24]2015年选择在交通繁忙区(污染点)研究二球悬铃木各器官重金属(Cu、Ni、Pb、Zn)含量得出4种重金属元素的累积量及其分布比例均在叶片中最高，在一年生枝条中较低。本研究结果与以上结论一致。

综上，不同的样地环境、污染状况、树种自身富集能力、重金属元素都可能导致树木叶片和枝条2个器官富集重金属含量的差异。而以往的研究中大部分用叶片的重金属含量作为衡量指标，而没有考虑到枝条作为树木地上部的一部分也具有吸收重金属的能力，因此在对树木进行吸收重金属能力评价时，用叶片和枝条总的重金属含量更为全面。

另外，本研究考虑到采集成年树木的根对树木本身破坏性较大，所以没有采集根系测定，但是成年树根系对重金属的吸收能力是怎样的，需要进一步研究。

由于成年树木采集根系对树体的破坏性，有关成年树种地下地上部分吸收运输机制的研究较少，已有的文献显示除Zn和Ni作为植物必需的营养元素，从根系吸收的重金属有一定的向上运输的能力[25-27]外，Cr、As、Hg地上部分对重金属的迁移吸收能力较弱，从根系吸收的重金属主要滞留在根部[18-19，25-28]。且大部分研究显示树种地上部分重金属含量与空气中重金属含量呈显著正相关，主要来源于大气污染[29-31]，因此研究可自然脱落的树叶和可人工修剪掉的一年生枝中重金属含量差异，评价地上部分对重金属的富集差异，对于园林绿地的树种选择有参考价值。

3.3 树木吸收5种重金属含量的相关性

相关系数显示，Cr和Ni呈现极显著正相关(P＜0.01)，说明Cr和Ni可能具有相同的来源或相同的复合污染源。有文献表明土壤中的Cr和Ni 2种元素的空间结构具有近似性[32], 在土壤剖面中也呈现较相似的迁移转化规律[33]。对于空气中2种元素的相关性，Zhang[34]的研究表明大气中的铬和镍沉积速率之间的相关系数较高，具有相似的来源。