秋季呼和浩特市主要绿化树种叶面滞尘重金属含量分布特征

杨 娜，包 海，2，刘智远，高星星，丁艳旭

（1.内蒙古师范大学 化学与环境科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古自治区环境化学重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022）

近年来，在我国国民经济的快速发展，城市化进程的不断加快及城市人口急剧增加的共同作用下，环境空气污染所引发的城市环境问题愈发突出［1］。2020 年中国环境公报显示，我国337 个地级及以上城市的环境空气质量有所改善，但仍有43.3% 的城市环境空气质量未达标，且以颗粒物为首要污染物的超标天数占总超标天数的62.7%［2］，环境空气中的颗粒物为造成城市环境空气污染的首要因素。环境空气中的颗粒物通过重力、降水、吸附等作用附着于植物叶片表面，经过一段时间的滞留、累积形成叶面尘，可表征一定时间、一定区域的环境空气中颗粒物污染特征［3］。叶面滞尘成分复杂，是多种污染物的运载体和反应床，其负载的重金属已成为衡量环境空气重金属污染的主要指标之一［4］。环境空气中重金属会影响人体正常代谢过程和生理功能，如Hg 进入人体后会直接沉积肝脏，对大脑视力神经破坏极大；Cd 会导致高血压，引起心脑血管疾病，破坏骨钙，引起肾功能失调；重金属Pb，直接伤害人的脑细胞，特别是胎儿的神经板，可造成先天智力低下等疾病［5］。研究表明［6-8］，叶面尘中的重金属浓度与环境空气颗粒物中的重金属浓度显著相关。因此，以城市绿化树种为研究对象，研究其叶面滞尘量及叶面尘中重金属含量，以表征各区域环境空气中重金属污染特征的研究较多。

国内外研究学者在植物叶面滞尘重金属的含量水平、来源解析、生态健康风险评价和对大气污染的指示等方面开展了大量研究工作，并积累了一定的数据资料。前期研究结果表明，不同树种对同一环境空气污染的反应不同，而同一树种于不同环境中污染程度也不同［9-11］。各重金属元素的主要来源不同，如Fe、Mn、Pb 主要来源于工业排放，Cu、Cr 和Cd 主要来源于交通排放［12-20］，可依据采样点测得的重金属含量判断该样点的主要污染来源。有部分学者根据叶面滞尘重金属含量进行健康风险评价［3，10，21］。国内外研究结果表明，环境空气中重金属污染较严重的地区，植物叶面滞尘重金属含量也相对较高，统计分析结果显示二者具有显著相关性［6-8，11］。国内关于叶面滞尘重金属的研究多集中于北京、南京、淮南等地区［3，7-9］，因不同地区的气候差异明显，且植物种类配置及产业结构等不同，植物叶面滞留环境空气中重金属含量虽有共同点，但还存在区域性差异。所以有必要研究干旱半干旱区域植物叶面滞尘量及其叶面滞尘重金属含量分布特点。呼和浩特市属于典型的干旱半干旱区域，是北疆重要生态保护屏障，其相关研究较少。

近年来，随着呼和浩特市的发展及人们环境保护意识、健康认识的提高，城市环境空气质量，特别是可吸入颗粒物及重金属污染备受关注。呼和浩特市区域内的呼和浩特市热电厂、大唐托克托发电厂、北方金桥热电厂等污染源及金桥开发区、金川开发区的大中型工厂企业污染源，市内机动车尾气污染源等因素造成呼和浩特市空气污染类型为煤烟-交通型污染。因此，迫切需要寻找一种简单的监测方法，监控城市环境空气污染状况。本文选择呼和浩特市不同功能区主要绿化树种国槐（Sophora japonica）、榆树（Ulmus pumila）和新疆杨（Populusalbavar pyramidali）为研究对象［22］，采集其叶片，使用ICP-MS 测定其叶面滞尘重金属含量，结合实验数据的统计分析，揭示叶面滞尘量及叶面滞尘重金属含量分布特征及二者相关性，为建立监测呼和浩特市环境空气重金属污染的生物监测法提供科学数据。

1 研究区概况

呼和浩特市位于内蒙古自治区中部，地理坐标为110°46'～112°10'E，40°51'～41°8'N，全市总面积为1.72×104km2。属于典型的温带大陆性气候，四季气候变化明显，年降水量较少，光照强，常伴有风沙天气。呼和浩特市于2016 年获“国家园林城市”荣誉称号，2019 年的研究调查显示，全市林地面积69.69×104hm2，占总土地面积40.55%，森林面积36.94×104hm2，占林地面积53.01%，乔木林面积占森林面积43.82%［23］。分析国槐、榆树和新疆杨秋季叶面滞尘量及叶面滞尘重金属含量。

2 研究方法

2.1 采样点布设及样品采集

根据人类活动、城市规划布局和交通流量，将呼和浩特市划分为文教区、行政区、工业区、商业区和居民区5 个类别，选择具有代表性的采样点位13 个（图1）。其中，S1～S3 为工业区，S4、S6 为文教区，S5、S7 和S8 为居民区，S9、S12 和S13 为行政区，S10 和S11 为商业区。于2021 年9 月13、14 日（雨后7 天，无风晴朗的天气）分别采集3 种具有一定滞尘能力的国槐、榆树、新疆杨叶片，每个树种采集3 株个体的叶片作为重复，采样高度距离地面约3 m，使用剪枝器剪取分布于树冠下部最外层、四周各个方向的健康成熟叶片［24］，将采集好的叶片装入密封袋带回实验室，4 ℃冷藏保存，共采集106 个样品。

图1 采样点分布示意图Fig.1 Distribution diagram of sampling points

2.2 样品处理和分析

2.2.1 叶面积测量及叶面滞尘量测定 每份样品中称取约15 g 健康完整叶片三份，分别与已知面积的纸片共同拍摄获得图像，用Photoshop 软件获得已知纸片的目标像素及叶片像素，由公式（1）计算叶面积［8］：

式中：S为叶面积（m2），L为叶片像素，T为目标像素，P为纸片面积（m2）。

为避免叶片中有机成分对实验结果的影响，用无水乙醇提取叶面滞尘颗粒物。将已测量叶面积的叶片放入1 000 mL 烧杯中，加入适量无水乙醇没过叶片，将其在超声波震荡仪中震荡5 min，使叶面滞尘充分洗涤悬浮于无水乙醇中。洗涤液使用已烘干至恒重的玻璃纤维滤膜（0.45 μm）滤过，获得滞尘滤膜，再次烘干恒重称量质量，滤膜均使用万分之一天秤称重，由公式（2）计算叶面滞尘量［8，16］：

式中：G为叶面滞尘量（g/m2），W1为滞尘滤膜质量（g），W0为空白滤膜质量（g），S为叶面积（m2）。

2.2.2 样品预处理及重金属含量测定 取滞尘滤膜样品剪碎置于消解内罐中，按照中华人民共和国国家环境保护标准（HJ657-2013）［25］规定的HNO3-HCl 消解体系消解滞尘滤膜样品，将消解后的溶液转移至50 mL 容量瓶中，用2% HNO3定容，定容溶液经微孔滤膜（0.45 μm）过滤至10 mL 聚乙烯管中待测。本研究选择环境毒性效应较强的Cd、Pb、As、Cr、Cu、Ni 和Mn 7 种重金属，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS，美国Thermo Fisher 公司）测定，使用国家有色金属及电子材料分析测试中心销售的金属标准储备液（1 000 μg/L）配制标准溶液及标准曲线，为提高测定结果的可靠性，每个样品重复测定3 次，结果中显示值均为平均值。为保证实验结果的可靠性，样品从采集到处理的整个过程中均未接触金属工具，分析过程中所用的HNO3、HCl 试剂均为优级纯，所用水为电导率18.2 MΩ 的超纯水。叶面滞尘重金属含量，由公式（3）计算：

式中：M为叶面滞尘重金属含量（μg/m2），cW为滞尘滤膜中重金属浓度（μg/L），c0为空白滤膜中重金属浓度（μg/L），V为样品定容体积（L），S为叶面积（m2）。

2.3 数据处理

使用公式（1）、公式（2）和公式（3）分别计算叶面积、叶面滞尘量和叶面滞尘重金属含量，结果如图2 和表1 所示。用Excel 2010 软件处理数据，运用SPSS 25 统计软件对各采样点3 种绿化树种滞尘量及叶面尘中重金属含量进行分析，实验结果绘图采用Origin 2019b 完成。

3 结果分析

3.1 主要绿化树种叶面滞尘量

为探析不同功能区叶面滞尘量变化规律，研究对不同功能区对应不同绿化树种叶面滞尘量进行统计，如图2 所示。由图2 可知，呼和浩特市不同绿化树种其不同功能区的叶面滞尘量有所不同，具体分析如下。（1）同一种绿化树种不同功能区其叶面滞尘量不同，国槐的平均叶面滞尘量为工业区＞居民区＞文教区＞商业区＞行政区，工业区的平均叶面滞尘量最高；榆树的叶面滞尘量为工业区＞文教区＞行政区＞居民区＞商业区，工业区的平均叶面滞尘量最高；新疆杨的平均叶面滞尘量为文教区＞工业区＞商业区＞行政区＞居民区，文教区的平均叶面滞尘量最高。（2）不同功能区3 种绿化树种的平均叶面滞尘量顺序为国槐＞榆树＞新疆杨，除新疆杨以外，工业区滞尘量显著高于其他功能区，究其原因可能该功能区的采样点周围存在大型火力发电厂、炼油厂及沙场等工厂企业，燃煤所排放出来的烟尘及沙场产生的粉尘均造成该功能区叶面滞尘量较大，加之工业园区内运行大量的运煤卡车及油罐车等所产生的扬尘、道路磨损、汽车尾气会对叶面滞尘量产生影响。行政区和商业区的叶面滞尘主要来源于路面清扫扬尘、干湿沉降，因此叶面滞尘量维持在相对较低水平。另外，不同类型植物对环境空气中粉尘的滞尘能力不同，相同环境下，滞尘能力的差异来源于叶片的形态结构特征，如叶表褶皱、叶面沟槽、气孔形状和数量等［26］。本研究中选择的国槐的叶表面有一层蜡质，对环境空气中的粉尘等污染物有良好的滞尘作用［27］，榆树的叶表面也有分布均匀的褶皱，对粉尘有较好的阻留作用，而新疆杨叶面光滑，其叶面滞留的粉尘易被风雨冲刷，因此叶面滞尘量较低。

图2 秋季呼和浩特市不同功能区3 种主要绿化树种叶面滞尘含量Fig.2 Concentrations of leaf surface dust at 3 species main landscape trees in different functional areas of Hohhot at autumn

上述研究结果表明，呼和浩特市主要绿化树种国槐、榆树和新疆杨叶面具有一定滞尘能力，具备生物监测功能。

3.2 主要绿化树种叶面滞尘重金属含量

由表1 可知，呼和浩特市主要绿化树种叶面滞尘重金属含量随着不同功能区而变化，具体分析如下。（1）不同功能区3 种绿化树种的总叶面滞尘重金属含量有所不同：即国槐为（88.08±25.71）μg/m2、榆树为（86.03±29.54）μg/m2和新疆杨为（67.89±24.84）μg/m2；3 种绿化树种的叶面滞尘重金属含量顺序为国槐＞榆树＞新疆杨；不同功能区叶面滞尘重金属含量顺序为工业区＞文教区＞行政区＞居民区＞商业区。（2）同种绿化树种不同功能区其叶面滞尘重金属含量也有所不同：国槐的不同功能区叶面滞尘重金属含量顺序为工业区＞居民区＞商业区＞行政区＞文教区；榆树的顺序为工业区＞文教区＞行政区＞居民区＞商业区；新疆杨的顺序为文教区＞工业区＞行政区＞居民区＞商业区。国槐、榆树和新疆杨的叶面滞尘重金属含量变化规律及原因与其叶面尘量相同，即与工业区的污染源以及不同树种叶片的形态结构特征相关。（3）不同功能区不同绿化树种叶面滞尘中重金属含量有所不同：由表1可知，呼和浩特市各功能区3 种绿化树种叶面滞尘Cd 含量范围为（0.06±0.07～0.45±0.11）μg/m2，国槐、榆树和新疆杨的最大叶面滞尘Cd 含量均出现于文教区，国槐为（0.35±0.06）μg/m2、榆树为（0.39±0.10）μg/m2、新疆杨为（0.45±0.11）μg/m2，综合分析3 种绿化树种各功能区叶面滞尘Cd 含量可知，榆树叶面最易滞尘Cd（0.28±0.11）μg/m2，其次为国槐（0.27±0.16）μg/m2，最小为杨树（0.23±0.12）μg/m2。Cd 为道路环境及大气环境中污染较为严重的重金属元素，Cd 主要来源于建筑、垃圾焚烧、交通活动等，而交通活动中的Cd 主要来源于轮胎刹车时产生的摩擦物［13］；叶面滞尘Pb 含量范围为（6.54±1.36～21.71±11.02）μg/m2，国槐、榆树和新疆杨的最大叶面滞尘Pb 含量均出现于工业区，国槐为（21.71±11.02）μg/m2、榆树为（20.61±8.84）μg/m2、新疆杨为（12.25±4.12）μg/m2，综合分析3 种绿化树种各功能区叶面滞尘Pb含量可得知，国槐叶面最易滞尘Pb（11.91±4.15）μg/m2，其次为榆树（11.80±5.21）μg/m2，最小为新疆杨（9.42±2.28）μg/m2。Pb 主要来源于煤炭燃烧，土壤中积累的一部分Pb 也会随着尘土进入到环境空气中［14］；叶面滞尘As 含量范围为（2.30±3.99～11.83±4.16）μg/m2，国槐、榆树和新疆杨的最大叶面滞尘As含量均出现于工业区，国槐为（8.69±1.96）μg/m2、榆树为（11.83±4.16）μg/m2、新疆杨为（8.58±2.12）μg/m2，综合分析3 种绿化树种各功能区叶面滞尘As 含量可得知，榆树最易滞尘As（8.51±3.77）μg/m2，其次为国槐（5.58±3.08）μg/m2，最小为新疆杨（4.99±3.01）μg/m2。As 主要来源于冶炼炉、农药产业等；叶面滞尘Cr 含量范围为（1.93±0.55～11.80±5.52）μg/m2，国槐和榆树的最大叶面积滞尘Cr 含量出现于工业区，国槐为（11.80±5.52）μg/m2、榆树为（10.49±2.70）μg/m2，而新疆杨的出现于文教区为（4.38±2.05）μg/m2，综合分析3 种绿化树种各功能区叶面滞尘Cr 含量可得知，国槐最易滞尘C（r5.10±1.89）μg/m2，其次为榆树（4.91±2.13）μg/m2，最小为新疆杨（3.50±1.39）μg/m2。Cr 主要来源于煤燃烧和工业污染，尤其在锅炉房、煤电厂等残渣较高的地方［15］；叶面滞尘Cu 含量范围为（2.86±1.08～7.07±4.84）μg/m2，国槐最大叶面滞尘Cu 含量出现于居民区为（7.07±4.84）μg/m2，而榆树和新疆杨的出现于工业区分别为（6.51±1.61）μg/m2和（5.93±7.06）μg/m2，综合分析3 种绿化树种各功能区叶面滞尘Cu 含量可得知，国槐最易滞尘Cu（5.33±2.23）μg/m2，其次为榆树（4.88±2.29）μg/m2，最小为新疆杨（4.67±3.09）μg/m2。Cu 也是来自典型的交通污染，主要来源于汽车润滑油［16］；叶面滞尘Ni 含量范围为（1.22±0.88～4.17±1.60）μg/m2，国槐和榆树的最大叶面滞尘Ni 含量出现于工业区，国槐为（3.67±0.88）μg/m2、榆树为（4.17±1.60）μg/m2，而新疆杨的出现于居民区为（3.29±2.85）μg/m2，综合分析各功能区3 种绿化树种叶面滞尘Ni 含量可得知，榆树最易滞尘Ni（2.51±1.11）μg/m2，其次为国槐（2.26±0.78）μg/m2，最小为新疆杨（2.19±1.63）μg/m2。Ni 主要来源于工业排放［17］，其中以火电行业和养殖业为最大来源［18］；叶面滞尘Mn 含量范围为（22.84±5.44～82.98±23.07）μg/m2，国槐和榆树的最大叶面滞尘Mn 含量出现于工业区，国槐为（82.98±23.07）μg/m2、榆树为（79.79±16.38）μg/m2，而新疆杨的出现于文教区为（39.69±14.19）μg/m2，综合分析各功能区3 种绿化树种叶面滞尘Mn 含量可知，国槐最易滞尘Mn（42.96±9.14）μg/m2，其次为榆树（40.57±10.76）μg/m2，最小为新疆杨（31.57±9.56）μg/m2。Mn 主要来源于钢铁工厂及建筑工地等生产活动和自然环境中的累积［19］，同时随着近些年来无铅汽油中由《锰基抗暴剂》代替了铅，导致汽车尾气带来锰污染［20］。

表1 秋季呼和浩特市不同功能区主要绿化树种叶面滞尘重金属含量Tab.1 Concentrations of leaf surface dust heavy metals at main landscape trees in different functional areas of Hohhot at autumn μg/m2

杨峥等［8］对北京市7 个街道及公园样点植物叶表滞尘重金属含量的研究结果表明，槐树叶面滞尘Cd、Pb、Cr、Cu 和Mn 含量分别为（13.5±3.4～38.3±14.4）、（150±46～1 000±72）、（16.0±9.2～472±58）、（152±32～352±24）、（94.8±25.9～1 210±729）和（0.487±0.035～2.08±1.00）μg/m2/叶，榆树叶面滞尘Cd、Pb、Cr、Cu 和Mn 含量分别为（64.5±2.6～182±4.9）、（164±31～369±32）、（226±45～1 210±1 100）、（139±11～693±31）、（173±44～963±357）和（0.935±0.225～3.12±0.06）μg/m2/叶。该结果与本研究结果差异较大，分析其原因可能为：（1）被采集树种生长环境不同，北京市作为首都，城市建设带来的建筑垃圾污染、机动车带来的交通污染以及工业发展等造成的人为源污染较为严重；（2）采集时间段及采集环境条件不同，该研究的采样时间为10 月中旬，且采样前18 天无降水，使叶面积累了大量的粉尘；（3）叶面滞尘提取方法不同，在提取叶面滞尘方面，本研究使用无水乙醇，消除了部分有机干扰成分。

3.3 叶面滞尘量与其叶面滞尘重金属含量相关性分析

为揭示各功能区主要绿化树种叶面滞尘量与其叶面滞尘重金属含量之间的相关规律，经统计分析发现国槐、榆树和新疆杨各功能区的叶面滞尘量与叶面滞尘Pb、Cr 和Mn 存在显著相关。因此，分别以国槐、榆树和新疆杨的叶面滞尘量为纵坐标，叶面滞尘重金属含量为横坐标作图，探析其相关性规律，如图3 所示。由图3 可知，国槐、榆树和新疆杨的叶面滞尘量与其叶面滞尘Pb、Cr 和Mn 含量均呈正相关。

图3 呼和浩特市3 种绿化树种叶面滞尘量与叶面滞尘重金属含量的相关性Fig.3 Correlation of leaf surface dust and heavy metal content of three landscape trees in Hohhot

为验证各拟合方程的再现性，将不同功能区各采样点平均叶面滞尘量带入拟合方程，分别计算国槐、榆树和新疆杨各对应叶面滞尘Pb、Cr 和Mn 模拟值，再计算实测值与模拟值的相对误差，依据相对误差评价模拟结果的再现性。

由于中山东路粮食局和内蒙古自治区生态厅采样点未采集到榆树和新疆杨叶片，故采用其余11 个采样点测得的国槐、榆树和新疆杨叶面滞尘Pb、Cr 和Mn 含量进行验证。由验证结果可知，国槐叶面滞尘Pb模拟值于裕隆工业园区和炼油厂较差，其余点均良好，相对误差为2.10%～26.18%；叶面滞尘Cr 模拟值于裕隆工业园区、内蒙古自治区政府、七彩城和内蒙古自治区财政厅较差，其余点均良好，相对误差为0.11%～25.46%；叶面滞尘Mn 模拟值于裕隆工业园区和锡林南路小学较差，其余点均良好，相对误差为0.75%～9.80%。榆树叶面滞尘Pb 模拟值于裕隆工业园区、丰州路世纪庄园和呼和浩特市政府良好，相对误差为0.27%～24.17%；叶面滞尘Cr 模拟值于裕隆工业园区、内蒙古师范大学、呼和浩特市政府和内蒙古自治区政府较差，其余点均良好，相对误差为3.98%～23.52%；叶面滞尘Mn 模拟值于内蒙古师范大学和滨水新村较差，其余点均良好，相对误差为0.34%～23.39%。新疆杨叶面滞尘Pb 模拟值于炼油厂、锡林南路小学、滨水新村、七彩城和内蒙古自治区财政厅较差，其余点均良好，相对误差为0.32%～25.28%；叶面滞尘Cr 模拟值于滨水新村、呼和浩特市政府、七彩城和内蒙古自治区财政厅较差，其余点均良好，相对误差为1.36%～25.42%；叶面滞尘Mn 模拟值于内蒙古自治区财政厅较差，其余点均良好，相对误差为1.22%～26.24%。

综上，本研究结果初步表明，呼和浩特市主要绿化树种国槐、榆树和新疆杨的叶面滞尘量与其叶面滞尘重金属Pb、Cr 和Mn 的含量之间存在较好的相关性，可通过树种叶面滞尘量推导出其叶面滞尘重金属含量。

4 结论

（1）呼和浩特市主要绿化树种叶面滞尘量及叶面滞尘重金属含量各功能区的分布特征为工业区最高，行政区和商业区为最低，各功能区内的空间差异为工业区和居民区较大。

（2）不同绿化树种的叶面滞尘重金属含量有所不同，国槐叶面滞尘中Pb、As、Cr、Cu 和Mn 等重金属含量较高，榆树叶面滞尘中Cd 和Ni 含量较高，而新疆杨叶面滞尘中各重金属元素含量均为最低；3 种绿化树种叶面滞尘中Pb、As、Cr、、Ni、Cu 和Mn 等6 种重金属含量的最大值均呈现于工业区，最小值均呈现于商业区，而Cd 最高值呈现于文教区，最低值呈现于行政区。

（3）呼和浩特市主要绿化树种国槐、榆树和新疆杨的叶面滞尘量与其叶面滞尘重金属Pb、Cr 和Mn 的含量之间存在较好的相关性，可通过树种叶面滞尘量推导出其叶面滞尘重金属含量。