劉 波，趙建華，劉曦子，蘇祿暉，林匡飛*，朱麗紅，楊 意

（1．華東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 國家環(huán)境保護化工過程環(huán)境風(fēng)險評價與控制重點實驗室，上海 200237；2．上海市醫(yī)藥學(xué)校，上海 200135；3．南京大學(xué)金陵學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，南京 210037；4．上海市浦東新區(qū)公路管理署，上海 200129）

4個樹種葉片的重金屬含量特征及其指示大氣污染的研究

劉 波1,2，趙建華1，劉曦子3，蘇祿暉2，林匡飛1*，朱麗紅2，楊 意4

（1．華東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 國家環(huán)境保護化工過程環(huán)境風(fēng)險評價與控制重點實驗室，上海 200237；2．上海市醫(yī)藥學(xué)校，上海 200135；3．南京大學(xué)金陵學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，南京 210037；4．上海市浦東新區(qū)公路管理署，上海 200129）

2015年3月，對上海市浦東新區(qū)5個區(qū)域的雪松（Cedrus deodara）、冬青（Ilex chinensis）、樟（Cinnamomum camphora）、荷花玉蘭（Magnolia grandiflora）4個種樹的葉片Pb，Cd，Zn，Cu含量進(jìn)行測定和分析，研究植物重金屬含量與大氣污染之間的關(guān)系。結(jié)果表明，所測植物葉片中Pb，Cd，Zn和Cu的累積量與大氣中Pb，Cd，Zn和Cu的相對含量呈顯著正相關(guān)；4個樹種葉片的重金屬含量因其種類、采樣區(qū)域和樹種的不同差異顯著，其中荷花玉蘭的Pb和Cu的累積量最高，雪松的Cd和Zn的累積量最高。分析顯示出浦東新區(qū)大氣質(zhì)量狀況，交通流量大的楊高路金橋路屬重污染區(qū)，高橋石化分公司和郊環(huán)線G1501屬中度污染區(qū)，洋涇社區(qū)屬輕度污染區(qū)，對照屬無污染區(qū)。

重金屬；大氣污染；綠化樹種；葉片

大氣中的重金屬如 汞（Hg）、鉻（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等主要來自工業(yè)生產(chǎn)、生活爐灶與采暖鍋爐、交通運輸所產(chǎn)生的有害氣體和粉塵等[1]，可經(jīng)呼吸及食物鏈系統(tǒng)對人體和動物的健康產(chǎn)生毒害，具有滯留時間長、明顯的富集效應(yīng)和遷移能力等特點[2～4]。目前，大氣污染指示植物的研究包括用木本植物的樹皮、年輪、樹葉、種子及草本植物指示氣體污染、粉塵以及大氣重金屬污染，此外，作為理想的大氣重金屬污染監(jiān)測材料的苔蘚越來越受到青睞[5～26]。植物葉片是植物的重要組成部分，是大氣污染物的重要吸收器官。植物通過葉片上的氣孔和樹干上的皮孔，將大氣污染物吸入植物體內(nèi)，在植物體內(nèi)通過氧化還原過程中合成無毒物質(zhì)（即降解作用），通過根系排出體外或積累貯藏于植物體的某一器官內(nèi)；通過植物對大氣污染物的吸收、降解、積累和排出，從而達(dá)到凈化空氣的目的[27～28]。植物在能夠忍受的濃度范圍內(nèi)，其葉片中重金屬的累積量與大氣中的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)[29]，可較好地指示不同生產(chǎn)企業(yè)廠區(qū)交通道的大氣中重金屬的污染狀況[7]。

本研究通過測定上海浦東新區(qū)不同交通流量區(qū)域的4個常綠綠化樹種葉片中各重金屬元素的含量，了解城市大氣污染狀況，分析不同綠化樹種對大氣重金屬吸收累積能力，探究植物體內(nèi)重金屬累積量與大氣含污指數(shù)的相關(guān)關(guān)系，并對上海市浦東新區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行評價，為上海市選擇吸污能力強的行道綠化樹種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗地點位于上海市浦東新區(qū)，30°08′20"～31°23′22"N，121°27′18"～121°48′43"E。位于上海市東部，黃浦江西側(cè)，東瀕東海，南臨杭州灣，長江三角洲東緣，地處我國海岸線中點和長江入?？诘慕粎R處。浦東新區(qū)地層為長江沖積層。地形從吳淞口起向東南展開略呈三角形。境內(nèi)地勢東南高，西北低，平均海拔3.87 m。北亞熱帶南緣東亞季風(fēng)盛行的濱海地帶，海洋性氣候，四季分明，降水充沛，光照較足，溫度適中，氣候宜人。年均氣溫15.7°C，年均降水量1 100 mm，全年雨日約131 d。浦東新區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)，工業(yè)發(fā)展迅速，有34類工業(yè)，并且是上海市的交通樞紐。

1.2 主要試驗儀器

EthosA微波消解儀（Milestone公司）、NexIon300型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（PerkinElmer公司）、FD-1D-50型冷凍干燥儀（上海博醫(yī)康實驗儀器有限公司）、SX2-10-12型馬弗爐（上海一恒科技有限公司）。

1.3 樣品采集

主要監(jiān)測區(qū)域，選擇上海市區(qū)交通流量相對大的區(qū)域——工業(yè)區(qū)：高橋石化；交通主干道：楊高路金橋路；城市高速公路兩側(cè)：郊環(huán)線G1501；生活區(qū)：洋涇社區(qū)；以相對潔凈區(qū)域：上海市醫(yī)藥學(xué)校院內(nèi)作為對照區(qū)。選擇4個常見常綠化樹種雪松（Cedrus deodara）、冬青（Ilex chinensis）、樟（Cinnamomum camphora）、荷花玉蘭（Magnolia grandiflora），在每個采樣區(qū)隨機選取各樹種樣樹2～5株，在高橋石化、郊環(huán)線G1501、楊高路金橋路、洋涇社區(qū)及對照區(qū)上海市醫(yī)藥學(xué)校5個采樣點重復(fù)樣樹的樹高、樹齡、生長、葉片著生部位、葉齡。每株樣樹在距地面3 m高處，在東南西北4個方向分別選擇4～5枝，剪下樣枝，置密封袋中帶回實驗室待檢測，采集同齡枝的葉片，每枝選取第3至第5片葉作為測量的樣品，每一樣樹采集葉片約為100 g。采集時間為春季葉片萌發(fā)前（2015年3月25日），除對照區(qū)外，4個采樣點采集范圍在路兩旁直徑30 m以內(nèi)。

1.4 樣品處理

將各樹種葉片樣品用自來水沖洗干凈，再用蒸餾水及去離子水漂洗、烘干、粉碎后過60目篩，放入清潔密封袋中備用。分別稱取各樹種葉片0.200 0 g放入消解罐中，加4 mL HNO3、1mL H2O2于微波管中，小心搖動以使剛產(chǎn)生的氣體立刻釋出，常溫放置24 h后放入微波系統(tǒng)中加熱。消解程序：15 min升溫至160℃，保持10 min，至少冷卻10 min后取出。先冷卻至室溫，在通風(fēng)櫥中打開消解罐，將樣品過濾至坩堝中，置于電熱板上加熱至120℃趕酸。趕酸后液體過0.45 μm濾膜，用2%稀硝酸定容至25 mL，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-M）S測定重金屬銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鉛（Pb）含量。實驗過程中插入平行空白試驗，空白結(jié)果表示無污染現(xiàn)象，每批樣品做10%的平行樣，平行分析的偏差小于10%，標(biāo)準(zhǔn)參考樣品（NY861-2004）元素的回收率在90%～115%。

1.5 質(zhì)量控制

在進(jìn)行樹葉樣品處理和測定的同時，以灌木枝葉的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07603（GSV-1））作對照，以同樣的試驗方法處理，測定結(jié)果均在質(zhì)量控制允許范圍（72% ～ 113%），證明這種方法的準(zhǔn)確性和可行性。此外，每批處理樣品中，每批次運行一個方法空白、一個平行實驗用來控制整個試驗過程中可能引入的環(huán)境污染，糾正實驗誤差。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS17.0軟件，表格繪制采用Excel工具。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣Pb、Cd、Cu、Zn在各樹種葉片中的累積

2.1.1 Pb的累積 對4個種綠化樹種葉片中Pb含量的分析發(fā)現(xiàn)（表1），不同樹種的葉片對Pb的累積能力存在顯著差異。樟和荷花玉蘭葉片的Pb含量明顯高于其他兩種樹種，前者在交通污染嚴(yán)重的楊高路金橋路達(dá)6.95 mg·kg-1（干重），后者為7.61 mg·kg-1（干重）。調(diào)查的5個采樣區(qū)域的平均含量為6.60 mg·kg-1（干重）。綜合各區(qū)4個樹種葉片中Pb含量平均值，從高到低依次為荷花玉蘭﹥樟﹥雪松﹥冬青（表1），4個樹種葉片吸收每種元素的貢獻(xiàn)比也得到相同結(jié)果（圖1）。

圖1 4個樹種葉片吸收重金屬元素的貢獻(xiàn)比Figure 1 Contribution of heavy metals in leaves of tested tree

各采樣區(qū)不同樹種葉片Pb的含量存在顯著差異，交通污染嚴(yán)重區(qū)域綠化樹種葉片Pb的含量與對照間存在顯著差異，交通污染嚴(yán)重區(qū)域葉片Pb含量明顯高于交通污染輕的區(qū)域。其中以交通主干道楊高路金橋路綠化樹種葉片Pb的含量（區(qū)平均值）最高，其他依次為郊環(huán)線G1501﹥洋涇社區(qū)﹥高橋石化﹥對照（表1）。

城市大氣中Pb的最大來源是車輛排放的尾氣，占城市大氣污染總排放量的90%左右，其次為含Pb固體廢棄物的焚燒和工業(yè)生產(chǎn)[15]。樹木中重金屬含量大部分來自于大氣污染，與大氣中的總懸浮顆粒物（TSP）濃度有關(guān)，受土壤的影響很小[30～31]。本研究進(jìn)一步驗證了市區(qū)綠化樹種葉片Pb的累積與大氣中Pb的含量存在高度相關(guān)性（表2）。

本研究通過計算市區(qū)綠化樹種葉片Pb的總平均含量與4種重金屬總含量的比值發(fā)現(xiàn)，市區(qū)綠化樹種Pb的總平均累積量占樹種重金屬總累積值的21%，較好地反了反映了上海浦東區(qū)大氣中重金屬Pb的污染狀況。

2.1.2 Cd的累積 表1顯示，4個樹種中，雪松葉片中Cd的含量明顯高于其他3個樹種，平均值達(dá)0.41 mg·kg-1（干重），其他依次為冬青﹥荷花玉蘭﹥樟。各采樣區(qū)除樟葉片Cd含量變化不明顯外，其他3個樹種葉片中的含量隨采樣區(qū)污染程度的變化而變，交通污染嚴(yán)重的郊環(huán)線G1501和楊高路金橋路葉片的累種量明顯高于其他采樣區(qū)，以楊高路金橋路采樣區(qū)的Cd平均含量最高，其他采樣區(qū)樹種葉片Cd含量依次為郊環(huán)線G1501﹥高橋石化﹥洋涇社區(qū)﹥對照。

表1 4種植物葉片中重金屬元素的含量（干重）及數(shù)據(jù)分析Table 1 Heavy metals content in leaves of tested tree species at different sampled sites

大氣中的Cd主要來源于汽車尾氣和與Cd生產(chǎn)相關(guān)的礦業(yè)和冶金行業(yè)。上海浦東新區(qū)與Cd生產(chǎn)相關(guān)的企業(yè)較少，大氣中排放的Cd污染較少，其相對含量也較低。本研究通過計算所得出的結(jié)果也說明了上海市浦東新區(qū)Cd的含量相對較低。從表1中可看出，4個樹種葉片Cd的累積量與樹種和采樣區(qū)域污染程度有關(guān)，大氣污染嚴(yán)重的交通密集區(qū)域的樹種葉片Cd的含量明顯高于其他3個采樣區(qū)，且交通干道樹種葉片Cd的含量明顯高于高橋石化。

表2 4個樹種葉片重金屬元素累積量（干重）與大氣含污染指數(shù)IPC的相關(guān)性分析Table 2 Relation between heavy metals accumulation in leaves of tested tree species and IPC

2.1.3 Cu和Zn的累積 Cu和Zn為2種常見元素，且是植物生理的必需元素[34]。Cu在植物體內(nèi)具有非常重要的生理作用，為植物體結(jié)構(gòu)物質(zhì)的組成成分；作為植物生命活動的調(diào)節(jié)劑，參與酶的活動及生理代謝；起電化學(xué)作用[32]。Zn影響植物體碳水化合物和蛋白質(zhì)的代謝[35～37]，對生物膜的功能和結(jié)構(gòu)起關(guān)鍵作用[38～39]，是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及功能完整性必不可少的元素，是植物生長素吲哚乙酸的重要組成成分[40]，故而植物體內(nèi)Cu、Zn含量高于Pb、Cd的含量[15～33]。

圖2 不同樹種葉片重金屬的含量Figure 2 Heavy metals content in leaves of tested tree species

與Cd相反，各樹種葉片中的Cu含量均明顯升高。除樟外，不同采樣區(qū)不同樹種葉片間的Cu含量差異顯著，其中以荷花玉蘭Cu的平均含量最高，其他依次為冬青﹥樟﹥雪松（圖2）。除郊外線G1501外，不同采樣區(qū)不同樹種間葉片的Cu含量存在顯著差異，其中以高橋石化各樹種葉片的Cu含量最高，其次為楊高路金橋路﹥郊環(huán)線G1501﹥洋涇社區(qū)﹥對照（表1）。

對不同采樣區(qū)4個樹種葉片Cu平均累積量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示（表1），大氣污染嚴(yán)重的高橋石化的所有樹種葉片Cu的累積量顯明高于其他3個采樣區(qū)。除學(xué)校外，各樹種葉片間Zn的含量在其他4個采樣區(qū)存在顯

大氣含污指數(shù)（IPC，index of pollutant concentration）在一定程度上反映了大氣質(zhì)量的污染狀況。通過分析發(fā)現(xiàn)，4個樹種葉片的重金屬元素累積量與大氣含污指數(shù)IPC間均有顯著的相關(guān)性（R﹥0．86）（表2）。驗證了植物葉片中的重金屬元素累積量和大氣重金屬濃度呈正相關(guān)[15,28]，可以依據(jù)植物葉片的重金屬的累積量來估測大氣中的重金屬濃度，從而更加客觀地指示大氣的重金屬污染狀況。

3 結(jié)論

（1）所調(diào)查的雪松、冬青、樟、荷花玉蘭4個樹種葉片對重金屬的累積能力存在顯著差異，其中荷花玉蘭葉片的Pb和Cu的累積量最高，雪松的Cd和Zn的累積量最高。

（2）4個樹種葉片的重金屬含量因采樣地點的不同存在顯著差異。在交通流量大且工業(yè)污染嚴(yán)重的區(qū)域，各樹種葉片的重金屬累積量較交通流量小的區(qū)明顯要高，大氣中的Pb，Cd，Cu，Zn的含污指數(shù)與所測區(qū)樹種葉片重金屬累積量呈正相關(guān)。

（3）植物葉片的重金屬含量可為城市大氣污染提供信息，也可作為環(huán)境污染監(jiān)測的重要指標(biāo)，為大氣環(huán)境質(zhì)量評價提供科學(xué)依據(jù)。本試驗結(jié)果表明，樹木葉片重金屬累積量與大氣含污指數(shù)呈顯著正相關(guān)；浦東新區(qū)大氣重金屬污染物主要是Pb，Cu，Zn，交通流量大的楊高路金橋路屬重污染區(qū)，郊環(huán)線G1501和高橋石化屬中度污染區(qū)，生活區(qū)洋涇社區(qū)屬輕度污染區(qū)，對照屬無污染區(qū)。

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Heavy Metal Content in the Leaves of Four Tree Species and Its Function in Air Pollution Evaluation

LIU Bo1,2，ZHAO Jian-hua1，LIU Xi-zi3，SU Lu-hui2，LIN Kuang-fei1*，ZHU Li-hong2，YANG Yi4
（1. State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assessment and Control on Chemical Process, School of Resources and Environmental Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2. Shanghai Pharmaceutical School, Shanghai 200135, China; 3. Institute of Chemistry and Life Sciences, Jinling College of Nanjing University, Nanjing 210037, China; 4. Shanghai Pudong New Area Road Administration Shanghai 200135, China）

In 2015, determinations were implemented on Pb, Cd, Cu and Zn content in leaves of Cedrus deodara, Ilex chinensis, Cinnamomum camphora ,and Magnolia grandiflora at 4 typical areas and one control in Pudong New Area, Shanghai City. Analysis were made on relationship between content of heavy metals in tree leaves and that in air pollution. The results showed that Pb, Cd, Cu and Zn content in the leaves of different plants had positive relation with their own concentration in the air. The content of heavy metals varied with types of metal, tree species and sampled area. The determination demonstrated that M. grandiflora had the highest accumulation in Pb and Cu, and C. deodara had the highest in Cd and Zn. Analysis on metal content in tree leaf at different areas resulted air pollution orders of Pudong New Area, Shanghai.

heavy metals; atmospheric pollution; greening tree species; leaf

S731.2

A

1001-3776（2016）05-0001-07

2016-05-06；

2016-08-18

上海市醫(yī)藥學(xué)校內(nèi)涵建設(shè)校級課題

劉波（1973-），女，高級講師，在讀博士，從事植物學(xué)、環(huán)境化學(xué)研究；*通訊作者。