賀 丹，李朝梅，華 超，李思潔，雷雅凱，張 曼

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

隨著城市化進(jìn)程的加快和城市工業(yè)的不斷發(fā)展，大氣污染問題日益嚴(yán)重，特別是大氣顆粒物污染問題嚴(yán)重威脅人們的身體健康，受到公眾的廣泛關(guān)注[1]。長期暴露于高質(zhì)量濃度顆粒物環(huán)境中，會(huì)引起呼吸系統(tǒng)疾病、心血管等疾病，還會(huì)增加癌癥的發(fā)病率[2]。大氣中的顆粒物含有大量重金屬元素，如Fe、Mn、Pb、Ag、Cu、和Cr等[3-4]，這些元素隨著顆粒物沉降到植物表面或經(jīng)雨水沖刷到地表，使得植物和土壤中重金屬含量增加。長期的重金屬污染會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，土壤中各種重金屬，如鉻(Cr)、鎘(Cd)、鉛(Pb)等元素在多種途徑的累積之下，也會(huì)加劇對(duì)植物生長的影響[1,5]。同時(shí)重金屬能夠通過接觸和進(jìn)入食物鏈等途徑危及人類的生命健康[4,6]。

植物可以通過葉片、枝條等器官攔截和滯留空氣顆粒物以及吸收重金屬，從而凈化空氣，減少空氣中顆粒物質(zhì)量濃度及重金屬污染。植物的滯塵能力受到葉片自身特征的影響，針葉樹種的葉片具有較大的表面積和分泌油脂的特性，使其能吸附更多的PM且不易脫落[7]。闊葉植物滯塵能力的差異主要是葉表結(jié)構(gòu)的不同所造成，密集的絨毛能夠增加顆粒物的滯留量[8]。氣孔密度大且氣孔開口大的樹種對(duì)PM的滯留能力較強(qiáng)[9]；但也有研究認(rèn)為，氣孔數(shù)目、密度以及氣孔是否開放與葉片滯留PM的能力無顯著關(guān)系[10-11]。植物富集重金屬的能力也同樣受到外界環(huán)境及植物自身特性的影響。植物表面重金屬顆粒吸附能力的差異、樹種的不同、土壤及空氣中重金屬質(zhì)量濃度、季節(jié)變化、葉表面特征等均會(huì)對(duì)植物重金屬富集能力產(chǎn)生影響；同時(shí)，由于這些不同因素的影響以及重金屬來源的不同，植物各部位的重金屬質(zhì)量濃度具有差異，使得植物內(nèi)部和植物物種之間重金屬含量具有差異[12-16]。當(dāng)大氣降水較多時(shí)，葉片表面的顆粒物容易被沖刷掉，使葉片中的重金屬含量降低；葉面積較大以及葉片更接近地面的植物富集重金屬的能力更強(qiáng)[16]。測定重金屬的方法有原子吸收法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等，而原子吸收法所用的儀器便宜、易操作，具有靈敏度高、受到的干擾較少、測試時(shí)間短及檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，在分析樣品中微量或痕量組分時(shí)十分適用[17-19]。

近幾年鄭州城市發(fā)展迅速，空氣污染問題亟待解決[3]。植物具有吸滯空氣中顆粒物的能力，常見測定葉片滯塵量的方法有差重法、環(huán)境掃描電鏡法、濾膜法等[20-23]。優(yōu)化后的濾膜法避免了細(xì)小顆粒被濾掉而導(dǎo)致PM10或PM2.5不能完全被收集和準(zhǔn)確稱量的缺點(diǎn)，且該方法所需儀器設(shè)備簡單，具有較強(qiáng)的可操作性[22]。本研究選取鄭州市常見的10種園林植物，采用優(yōu)化后的濾膜法測定葉表不同粒徑顆粒物的質(zhì)量。綜合考慮試驗(yàn)要求和條件的基礎(chǔ)上，采用原子吸收法測定葉片和土壤中的重金屬質(zhì)量濃度，并通過分析葉片滯塵能力和富集重金屬元素Pb、Cu、Cr的能力，探討影響不同植物滯塵能力和富集重金屬能力的因素，為鄭州市以污染防治為目的的綠化建設(shè)提供一定的理論依據(jù)，篩選出滯塵能力及重金屬富集能力較好的園林植物，運(yùn)用于城市園林綠化建設(shè)之中，進(jìn)一步改善城市環(huán)境質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與樹種選擇

城市中心受人類活動(dòng)的影響較早，城市土壤更易被污染，重金屬含量較高[24-25]，且空氣污染較為嚴(yán)重。為探究鄭州市(34°16′-34°58′N，112°42′-114°14′E)園林綠化樹種的滯塵能力以及富集重金屬元素的能力，選取鄭州市中心城區(qū)的公園為試驗(yàn)樣地(圖1)，選擇10種常見的園林植物為試驗(yàn)材料(表1)。

表1 試驗(yàn)選擇樹種

圖1 試驗(yàn)場地示意圖和樣點(diǎn)分布

1.2 樣品采集

植物葉片和土壤樣品采自11月，樣品的采集均在1 d內(nèi)完成。采集當(dāng)天天氣晴朗或多云，無風(fēng)或者風(fēng)速小于1 m·s-1；并且在樣品采集前7 d內(nèi)無降雨及大風(fēng)天氣發(fā)生，以避免對(duì)葉片的滯塵能力造成影響。植物葉片的采集：從樣地中選擇3株長勢(shì)良好的樹木，在每株樣本樹的4個(gè)方向隨機(jī)采集數(shù)量不等的葉片。喬木葉片采集高度為1～1.5 m，灌木采樣高度為0.5～1 m。采集的葉片要求無病蟲害、生長良好且葉片完整，并小心放入自封袋內(nèi)，避免抖動(dòng)，帶回實(shí)驗(yàn)室4 ℃保存并及時(shí)進(jìn)行處理。土壤樣品的采集：用土鉆采集樣樹根部附近0～20 cm深的土壤，采用四分取樣法，并現(xiàn)場將土壤進(jìn)行混合，取大約500 g土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，取3次重復(fù)。

1.3 葉表面顆粒物測定

采用劉玉軍等[26]的方法測定植物葉片表面滯留不同粒徑顆粒物(TSP、PM>10、PM10、PM2.5)的質(zhì)量，并根據(jù)葉面積計(jì)算得出單位面積TSP、PM>10、PM10、PM2.5的質(zhì)量。

1.4 重金屬含量測定

將洗去表面顆粒物的葉片用去離子水再清洗3遍，晾干水分后放入烘箱中在105 ℃下殺青30 min，再用60 ℃烘干至恒重；將烘干的葉片粉碎、研磨，過0.2 mm篩，放入自封袋中4 ℃保存待測。將土壤晾干，除去其中的石塊、樹根等其他雜質(zhì)，研磨后過0.2 mm篩，放入自封袋中4 ℃保存待測。

稱0.1 g待測樣品，加入9 mL鹽酸與硝酸混合液(HCl∶HNO3=1∶2)和2 mL HF進(jìn)行消解。植物葉片樣品以及土壤樣品均采用原子吸收分光光度計(jì)測定樣品中重金屬元素Pb、Cu、Cr的質(zhì)量濃度，重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel、SPSS22.0、Origin2021軟件進(jìn)行分析和繪制圖表。采用單因素方差分析法(ANOVA)分析不同樹種葉片滯塵量及重金屬含量差異，若差異顯著，進(jìn)行多重比較；并分析葉片顆粒物質(zhì)量和重金屬質(zhì)量濃度之間的相關(guān)性。

采用富集系數(shù)評(píng)價(jià)植物葉片對(duì)土壤中重金屬的富集能力(BCFi)(質(zhì)量濃度，下同)[27]。其公式為：BCFi=Li/Si，式中：Li為第i個(gè)植物葉片的重金屬含量；Si為對(duì)應(yīng)土壤樣品重金屬含量(質(zhì)量濃度，下同)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同園林植物滯留大氣顆粒物能力分析

由圖2可知，10種園林植物中，針葉樹種雪松和龍柏的TSP滯留能力較強(qiáng)，單位面積滯塵量分別達(dá)到2.97 g·m-2和2.61 g·m-2，其次是石楠(2.40 g·m-2)、夾竹桃(2.37 g·m-2)和冬青衛(wèi)矛(2.17 g·m-2)，南天竹滯塵量最低，僅0.65 g·m-2，其余樹種滯塵量在1.53～1.72 g·m-2。滯塵量較強(qiáng)的雪松和龍柏分別約為南天竹滯塵量的4.6倍和4倍，不同植物葉片單位葉面積吸附顆粒物的質(zhì)量具有顯著差異(P<0.05)。從不同粒徑滯塵量來看，雪松和龍柏對(duì)PM>10的滯留能力依舊較強(qiáng)，分別為1.53 g·m-2和1.40 g·m-2，其次是冬青衛(wèi)矛(1.31 g·m-2)，南天竹最小，僅為0.39 g·m-2；捕獲PM10效果最好的樹種為夾竹桃，其次是雪松；10種植物吸附PM2.5的質(zhì)量濃度從大到小排序?yàn)椋簥A竹桃(1.45 g·m-2)>雪松(1.35 g·m-2)>石楠(1.29 g·m-2)>龍柏(1.17 g·m-2)>冬青衛(wèi)矛(0.75 g·m-2)>錦帶花(0.64 g·m-2)>棣棠花(0.41 g·m-2)>海桐(0.25 g·m-2)南天竹(0.21 g·m-2)>灑金東瀛珊瑚(0.14 g·m-2)，PM2.5滯留量最高的夾竹桃約為灑金東瀛珊瑚的10倍。

從滯留不同粒徑顆粒物(PM>10、PM2.5-10和PM2.5)的質(zhì)量百分比來看，大部分樹種以滯留粗顆粒物(PM>10)為主(圖3)。除夾竹桃和石楠外，其余8種植物對(duì)粒徑大于10 μm的顆粒物滯留能力較強(qiáng)，滯留PM>10的百分比在52%～86%，灑金東瀛珊瑚葉表滯留PM>10的質(zhì)量百分比最高(86%)，其次是海桐(76%)，雪松和龍柏最低，分別為52%和54%。各樹種捕獲粒徑為2.5～10 μm顆粒物的質(zhì)量百分比均較小，在1%～7%。夾竹桃和石楠吸附PM2.5的質(zhì)量百分比最大，分別為61%和54%，其余8種植物葉表滯留PM2.5的百分比在11%～45%，其中最大的是雪松和龍柏，均為45%。其次是錦帶花、棣棠花和冬青衛(wèi)矛，PM2.5質(zhì)量百分比分別為42%、35%和35%，灑金東瀛珊瑚最少，僅11%。

注：不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05)。下同。

圖3 10種園林植物不同粒徑顆粒物組成特征

2.2 不同園林植物及對(duì)應(yīng)根際土壤中3種重金屬含量分析

供試樹種葉片及其根際土壤中3種重金屬元素的含量見圖4。植物葉片中3種重金屬元素的含量差異顯著(P<0.05)。植物葉片Pb含量最高的是錦帶花(3.96 mg·kg-1)，含量最低的是龍柏(1.13 mg·kg-1)，錦帶花葉片中重金屬Pb的含量約為龍柏的3.5倍，其余8種植物葉片Pb含量在1.25～3.25 mg·kg-1。葉片中重金屬Cu的含量在0.963～12.423 mg·kg-1，從高到低排序?yàn)閵A竹桃>棣棠>冬青衛(wèi)矛>錦帶花>南天竹>海桐>石楠>龍柏>雪松>灑金東瀛珊瑚，Cu含量最高的夾竹桃是灑金東瀛珊瑚的12.9倍。不同植物葉片中Cr含量在0.630～10.758 mg·kg-1且差異明顯，含量最高的是灑金東瀛珊瑚，達(dá)到10.76 mg·kg-1；含量最低的是錦帶花，僅為0.63 mg·kg-1；兩者Cr含量相差約17倍。

圖4 10種園林植物葉片及其對(duì)應(yīng)土壤中 重金屬Pb、Cu、Cr的含量

10種園林植物根際土壤中3種重金屬元素的含量差異顯著(P<0.05)(圖4)。土壤中重金屬Pb含量在21.72～31.23 mg·kg-1，冬青衛(wèi)矛對(duì)應(yīng)的土壤中Pb含量最高，龍柏根際土壤中Pb含量最低(21.72 mg·kg-1)。根際土壤中Cu含量排名前四的依次為：棣棠花、冬青衛(wèi)矛、龍柏和錦帶花。夾竹桃根際土壤中Cr含量最高(58.05 mg·kg-1)，其次為棣棠花和海桐，雪松對(duì)應(yīng)土壤中，Cr含量最低(40.70 mg·kg-1)。

2.3 不同植物對(duì)土壤中3種重金屬的富集能力

由于不同植物具有不同的生理特性，且各樣地土壤中重金屬含量之間具有差異，不同植物葉片重金屬富集系數(shù)也不同(圖5)。植物葉片對(duì)重金屬元素Pb、Cu、Cr的富集系數(shù)范圍分別為0.052～0.146、0.076～1.070、0.015～0.236。各植物葉片對(duì)重金屬的富集能力差異顯著(P<0.05)。其中，夾竹桃葉片對(duì)重金屬Cu的富集系數(shù)大于1，其葉片中Cu的含量大于土壤中的Cu含量。10種植物對(duì)Cu的平均富集系數(shù)達(dá)到0.321，對(duì)Cr的平均富集系數(shù)為0.094，對(duì)Pb的平均富集系數(shù)僅為0.085。10種植物葉片對(duì)3種重金屬元素中Cu的平均富集能力最大。不同植物3種重金屬平均綜合富集系數(shù)最大的是夾竹桃，最小的是龍柏。

圖5 10種植物對(duì)3種重金屬元素的富集系數(shù)

2.4 植物葉片重金屬與顆粒物及土壤重金屬的相關(guān)性分析

10種園林植物顆粒物平均總滯塵量為1.84 g·m-2；PM>10的平均滯留量為1.02 g·m-2；PM10和PM2.5的平均滯塵量分別為0.82 g·m-2和0.76 g·m-2。由圖6可見，葉片中Pb含量與葉片滯留TSP、PM10和PM2.5的質(zhì)量呈顯著相關(guān)(P<0.05)，葉片中Cu含量與葉片滯留PM>10的質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；葉片中重金屬元素Cr與空氣中TSP質(zhì)量濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與空氣中PM10、PM2.5和PM1的質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

不同樣地中土壤重金屬元素Pb的含量范圍為21.72～31.23 mg·kg-1，Cu的含量在10.54～18.08 mg·kg-1，Cr含量為40.70～58.05 mg·kg-1。其中Cu和Cr的平均含量均低于河南省土壤背景值，而Pb的平均含量高于河南省土壤背景值[28]。不同樣地中Pb、Cu和Cr含量具有顯著差異。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，植物葉片中重金屬元素Pb含量與其根際土壤中的Pb含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤中的Cu呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；同時(shí)，土壤中的Pb含量和Cu含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤Cr含量與葉片Cu含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤Cu含量呈顯著正相關(guān)；而植物葉片中Cu和Cr的含量與植物根系土壤中Cu和Cr含量之間的相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

10種園林樹木的葉片性狀不同，其滯塵能力具有差異，針葉類樹種的滯塵能力高于闊葉樹種。10種植物中僅夾竹桃的滯塵能力和富集中金屬的能力均較強(qiáng)。植物葉片重金屬含量與土壤重金屬含量、大氣中顆粒物質(zhì)量濃度等因素相關(guān)，受到多種因素的共同影響。為進(jìn)一步改善城市生態(tài)環(huán)境，在今后鄭州市綠化建設(shè)的過程中，依據(jù)城市空氣污染狀況，選擇滯塵能力強(qiáng)的樹種進(jìn)行種植，如雪松、龍柏、夾竹桃、石楠等樹種，以減少空氣顆粒物污染；在城市土壤重金屬污染區(qū)域種植重金屬富集系數(shù)高的樹種，如夾竹桃、棣棠花、錦帶花、灑金東瀛珊瑚等園林綠化樹種，充分發(fā)揮植物吸收重金屬的生態(tài)功能，改善城市空氣質(zhì)量、減少土壤重金屬污染。

3.2 討論

葉片自身的特性是影響不同植物滯塵量差異的關(guān)鍵因素[11,29-30]。10種植物中，針葉類樹種雪松和龍柏的葉片比表面積較大且具有分泌油脂的特性，其滯塵能力高于其他8種植物[31]。夾竹桃和石楠以其明顯的葉脈滯留較多顆粒物，滯塵能力較強(qiáng)[32]。南天竹滯塵量最低，這可能與南天竹葉片呈薄革質(zhì)，且枝干纖細(xì)、易受風(fēng)的影響等有關(guān)，江勝利等[33]也同樣得出南天竹滯塵能力弱的結(jié)論。

不同園林植物葉片吸收重金屬的能力不同，同一植物葉片中不同重金屬元素的含量也具有顯著差異。10種植物中，錦帶花葉片對(duì)Pb的富集能力最強(qiáng)，Pb含量達(dá)到3.96 mg·kg-1，蘭欣宇等[34]的研究也得出錦帶花葉片Pb含量最高的結(jié)論，但其Pb含量約為5.86 mg·kg-1，這可能是受到不同地區(qū)重金屬背景值的影響。落葉植物棣棠花和錦帶花葉片中Pb含量高于其他植物，這可能與落葉植物中Pb含量隨著時(shí)間的推移不斷積累，并在葉片脫落時(shí)達(dá)到最大值有關(guān)[35]。Cu含量在夾竹桃葉片中最高，達(dá)到12.423 mg·kg-1，其含量高于土壤中的Cu含量，表明夾竹桃葉片中富集的顆粒物有多種來源，而不只是來自土壤中；夾竹桃對(duì)Cu有極強(qiáng)的富集能力。相對(duì)于較高的Cu含量，夾竹桃Pb和Cr的含量相對(duì)較低。Cr含量最高的灑金東瀛珊瑚，Cu含量卻最低，說明植物對(duì)不同重金屬的吸收具有選擇性[36]。10種園林植物中除夾竹桃外，葉片對(duì)Pb、Cu和Cr的富集系數(shù)均小于1，平均富集系數(shù)Cu>Cr>Pb。植物葉片對(duì)Cu的平均富集系數(shù)較大，這與Cu是植物體生命所需元素之一有關(guān)[37]。同一植物可能對(duì)某一重金屬元素有較強(qiáng)的富集能力，也可能同時(shí)對(duì)多種重金屬元素有較強(qiáng)的富集能力[38]。夾竹桃和棣棠花對(duì)Cu的富集能力較強(qiáng)，灑金東瀛珊瑚富集能力弱；棣棠、錦帶花和灑金東瀛珊瑚對(duì)Pb有一定的富集能力，其余植物對(duì)Pb的富集能力低；灑金東瀛珊瑚、冬青衛(wèi)矛、南天竹、雪松和石楠對(duì)Cr有一定的富集能力，其余樹種對(duì)Cr的富集能力弱。

圖6 重金屬含量與顆粒物的相關(guān)性分析

本研究中葉片滯留顆粒物的質(zhì)量與葉片Pb、Cu含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；葉片中重金屬元素Cr與空氣中顆粒物質(zhì)量濃度呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05，P<0.01)。這同劉玲等[39]的研究結(jié)論不同，可能與鄭州市冬季空氣污染嚴(yán)重而降雨少，顆粒物堵塞氣孔，限制了葉片的氣孔導(dǎo)度，從而導(dǎo)致進(jìn)入葉片中的重金屬減少[12]。葉片Pb含量與根際土壤中Pb含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明葉片中Pb主要來源于土壤，在一定范圍內(nèi)，土壤中Pb質(zhì)量濃度能夠促進(jìn)植物葉片中的Pb含量，這與李少寧等[40]的研究結(jié)論相同。而Cu和Cr 2種重金屬在葉片和土壤中的含量相關(guān)性不顯著(P>0.05)，這可能是因?yàn)槿~片中的Cu和Cr僅有小部分來自土壤，受土壤中重金屬含量的影響，更多是受到空氣顆粒物、施肥等外界因素的影響，以及植物自身對(duì)重金屬由下到上運(yùn)輸能力的影響[13,16,40-42]。因此，植物葉片重金屬含量與大氣中重金屬的污染情況、顆粒物質(zhì)量濃度、植物葉片生理狀況、葉面特征等諸多因素相關(guān)[12-13]，這些因素共同構(gòu)成了植物葉片重金屬含量的差異。而土壤中Pb-Cu具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤中Cr-Cu呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明土壤元素之間具有較強(qiáng)的同源性。