4个绿化树种叶片和枝条重金属含量差异研究

周婷婷，刘文建，王 静，郭军康，李 姗

(陕西科技大学环境科学与工程学院，陕西西安 710021)

城市绿化树种有许多作用，除了可以有效阻碍太阳辐射、改善噪音问题、美化城市形象之外，还可以通过吸收、附着有效防治重金属污染的扩散。美国环境保护署(EPA)强调21种有毒物质与道路交通有关，其中包括铬、镍、锌、铜、铅、镉6种重金属元素。该研究采取陕西科技大学学校附近车流量较大处和校内无车流的科大湖畔、图书馆附近处2个不同地点的广玉兰()、女贞()、红叶石楠()、冬青()4个常见园林绿叶树种的叶片和枝条进行研究，利用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-MS)分析技术，测量其中铬、镍、锌、铜、铅、镉6种重金属含量，探讨不同绿化树种对不同重金属元素的吸收作用差异；
利用扫描电子显微镜(SEM)观察4个树种叶片结构，研究不同叶片结构差异对重金属吸收含量的影响；
通过对车流量不同的相同树种叶片和枝条中重金属含量进行测定分析，探究交通尾气污染对绿化树种的影响，以期为城市防污绿化树种的选择、生物监测和环境质量评价提供科学理论依据。

每个树种校园内外各采集3株树的叶片和枝条。将所采集的样品带到实验室用自来水冲洗3次，剪碎放在锡箔纸中标号，放置60 ℃烘箱中烘干24 h至恒重，备用。

样品110 ℃杀青，70 ℃烘干至恒重。准确称取粉碎后的植物样品0.1 g置于玻璃消解管中，一个待测样品设置3个消解平行，加入10 mL浓硝酸浸泡10 h，在消解炉中80 ℃条件下加热1.5 h，120 ℃条件下加热1.5 h，150 ℃条件下加热3 h；
打开消解盖，175 ℃条件下赶酸液体至1 mL左右；
待消解样冷却后用1%硝酸定容样品至10 mL得到待测样品。

使用ICP-MS测定叶片和枝条中Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、Cd的含量。

在1 000 μL/mL的标准Cd溶液中吸取37.5 μL定容至50 mL，此梯度为0.75 mg/L，并依次稀释，分别为0.75、0.60、0.45、0.30、0.15 mg/L。按上述Cd的测定条件，对各梯度浓度标准溶液进行ICP-MS测定，绘制Cd浓度(mg/L)对应吸光度的标准曲线。

样品在2.5%的戊二醇溶液中4 ℃固定过夜，然后按照下列步骤处理样品：①采用0.1 mol/L的磷酸缓冲液(pH 7.0)漂洗样品3次，每次15 min；
②采用1%的锇酸溶液固定样品1～2 h，再采用0.1 mol/L的磷酸缓冲液(pH 7.0)漂洗样品3次，每次15 min；
③采用梯度浓度(30%、50%、70%、80%、90%和95%)的乙醇溶液对样品进行脱水处理，每种浓度处理15 min，再用100%的乙醇处理2次，每次20 min；
④临界点干燥；
⑤镀膜，观察。处理好的样品在日立SU-8010型场发射扫描电镜中观察。

采用Excel 2016和SPSS 20.0进行数据分析。采用SPSS软件进行方差分析，图表绘制采用origin软件，图版采用Photoshop制作。

从图1～2可以看出，不同的园林绿化树种中同一重金属含量不同。Cd含量最低，不超过2.5 mg/kg；
校园外4个树种叶片和枝条中Cd含量没有显著差异；
校园内冬青叶片中Cd含量显著大于红叶石楠和广玉兰，校园内4个树种枝条中Cd含量没有显著差异。校园外红叶石楠叶片中Cr含量显著大于女贞和广玉兰，校园内广玉兰叶片中Cr含量显著大于女贞；
校园内外4个树种枝条中Cr含量均没有显著差异。校园外红叶石楠叶片中Cu含量显著大于女贞、冬青和广玉兰，但校园外广玉兰枝条中Cu含量显著大于其他3个树种；
校园内4个树种叶片和枝条中Cu含量均没有显著差异。校园外红叶石楠叶片中Ni含量显著大于女贞，校园外红叶石楠枝条中Ni含量显著大于其他3个树种；
校园内4个树种叶片和枝条中Ni含量均没有显著差异。4个园林绿化树种叶片和枝条中Zn含量明显高于其他重金属含量，均高于30 mg/kg，校园内外4个树种叶片和枝条中Zn含量均没有显著差异。校园内外4个树种叶片和枝条中Pb含量也没有显著差异。

注：不同小写字母表示同一采样点不同树种间重金属含量差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal content among different tree species at the same sampling point(P<0.05)图1 同一重金属在4个不同园林绿化树种叶片中的含量Fig.1 Contents of the same heavy metals in leaves of four different landscaping tree species

综上所述，4个树种吸收Zn的能力显著高于吸收其他几种重金属，且4个树种吸收Zn的能力没有显著差异。校园外红叶石楠叶片对Cr、Cu、Ni的吸收能力较强，红叶石楠枝条对Ni的吸收能力较强，广玉兰枝条对Cu的吸收能力较强；
校园内冬青叶片对Cd的吸收能力较强。校园内外4个树种对Pb的吸收能力没有显著差异。

从图3～4可以看出，校园内冬青、女贞和红叶石楠的叶片和枝条中6种重金属(Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、Cd)的含量与校园外无显著差异。校园内广玉兰叶片中6种重金属的含量与校园外无显著性差异，但校园内广玉兰枝条中Zn含量显著高于校园外，其他5种重金属含量没有显著差异。

注：不同小写字母表示同一采样点不同树种间重金属含量差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal content among different tree species at the same sampling point(P<0.05)图2 同一重金属在4个不同园林绿化树种枝条中的含量Fig.2 Contents of the same heavy metals in branches of four different landscaping tree species

注：不同小写字母表示同一重金属校园内外含量差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in the content of the same heavy metal inside and outside the campus(P<0.05)图3 同种园林绿化树种叶片中6种重金属校园内外含量Fig.3 Contents of six heavy metals in leaves of the same landscaping tree species inside and outside the campus

从图5～6可以看出，校园内外的4个园林绿化树种叶片和枝条内Cd、Ni、Zn的含量均无显著差异。校园外女贞枝条中Cr含量显著大于叶片，其他3个园林绿化树种叶片和枝条中Cr含量无显著差异；
校园内红叶石楠、冬青、广玉兰枝条中Cr含量显著大于叶片，女贞叶片和枝条中Cr含量无显著差异。校园内外红叶石楠叶片中Cu含量均显著大于枝条，其他3个园林绿化树种叶片和枝条中Cu含量无显著差异。校园外广玉兰叶片中Pb含量显著大于枝条，其他3个园林绿化树种叶片和枝条中Pb含量无显著差异；
校园内女贞和冬青叶片中Pb含量显著大于枝条，广玉兰和红叶石楠叶片与枝条中Pb含量没有显著差异。

注：不同小写字母表示同一重金属校园内外含量差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in the content of the same heavy metal inside and outside the campus(P<0.05)图4 同种园林绿化树种枝条中6种重金属校园内外含量Fig.4 Contents of six heavy metals in branches of the same landscaping tree species inside and outside the campus

注：不同小写字母表示同一树种叶片和枝条间重金属含量差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal content between leaves and branches of the same tree species(P<0.05)图5 同一重金属在校外4个园林绿化树种叶片和枝条中的含量Fig.5 Contents of the same heavy metals in leaves and branches of four landscaping tree species outside the campus

注：不同小写字母表示同一树种叶片和枝条间重金属含量差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences in heavy metal content between leaves and branches of the same tree species(P<0.05)图6 同一重金属在校内4个园林绿化树种叶片和枝条中的含量Fig.6 Contents of the same heavy metals in leaves and branches of four landscaping tree species inside the campus

通过扫描电子显微镜可以观察到，4个树种的叶片具有气孔、绒毛、脊柱等形态结构特征，其中的白色颗粒状物质为吸附的重金属元素(图7a、a、b、b、c、c、d、d)。冬青叶片上、下表面均较平整(图7a)，上表面具有蜡质结构，蜡质结构增加了叶片表面的粗糙度，可以更好地吸滞重金属元素颗粒，下表面有大量密集的裸露且排列规则的气孔，可以吸收更多的重金属元素。女贞表皮分布着沟状、孔状沟壑，沟壑突起的程度增加了金属颗粒与叶表皮的接触面积(图7b)。红叶石楠上表皮具有脊柱，脊柱突起的程度同样增加了金属颗粒与叶表皮的接触面积，使其吸收更多的重金属元素(图7d)。广玉兰表面具有许多绒毛，气孔被遮掩在绒毛之下，表皮的绒毛可以有效地阻碍金属颗粒的流动，将其滞留在叶表面(图7c)。

4个树种对Zn的吸收能力显著高于其他几种重金属，这是因为Zn是植物生长所必需的微量元素，这一结论与鲁绍伟等的研究结果一致。兰欣宇在对北京园林40种树木一年生枝条和叶片吸收Cd、Pd、Cu能力评价及筛选中，指出对于Cd的吸收含量最低，这与该研究结果一致。有研究表明，不同树种叶片单位面积吸附量并非与叶片面积完全呈现正相关，而与上下表皮平滑程度、表皮毛的有无、气孔密度及气孔大小可能有关系。在王磊等的研究中，蜡质表层较厚的旱柳对Cd的吸收较好，这与该研究中蜡质结构较厚的冬青对Cd吸收能力较强的结果一致。校园外红叶石楠叶片对Cr、Cu、Ni的吸收能力较强，校园外广玉兰枝条对Cu的吸收能力较强，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。

根据各树种叶片表面显微结构扫描的结果可以发现，表面存在较多气孔、凹凸不平、具有细密沟状组织的叶片，其对重金属吸收能力较好，这与王磊等的研究结果一致。植物通过叶片吸收大气中重金属能力的差异，与叶片特征如气孔的密度、叶片表面性质、内部结构等均具有关系。该研究中冬青因其密集的气孔对Cd吸滞能力较强；
广玉兰叶片表皮的绒毛、女贞叶片表皮的脊柱凸起能很好地留滞Cu元素；
红叶石楠由于表皮具有的特殊结构对Ni、Cr、Cu也具有良好的吸附能力。

柴一新等认为，树种间滞尘能力的差异由叶片形态结构决定，叶片的粗糙程度及叶片上、下表皮具有的形状是造成滞尘能力差异的原因。叶表面具有较深且宽的沟槽，有利于大气颗粒物积累，进而吸收重金属；
叶表面存在蜡质结构，有利于大气颗粒物滞留；
密集分布有较窄沟槽、较长表皮毛的叶片，滞留大气颗粒物能力较弱。这与该研究结果中冬青叶片吸附Cd能力最强符合，但也有研究认为，表面平滑且有蜡质结构的叶片滞尘能力较弱。测定的季节、树龄、采样时间等均会造成结果的差异性。综上所述，不同园林绿化树种叶片具有不同的形态结构，都会对元素吸收过程产生影响。

注：a.冬青；
b.女贞；
c.广玉兰；
d.红叶石楠；
a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2为上表皮；
a3、a4、b3、b4、c3、c4、d3、d4为下表皮Note：a.I.chinensis；
b.L.lucidum；
c.M.grandiflora；
d.P.serrulata图7 不同园林绿化树种叶片表皮结构Fig.7 Leaf epidermis structure of different landscape tree species

同种绿化树种在不同车流量的采样区，叶表皮中的重金属元素含量不同。田媛等研究发现北京市土壤中Cu、Pb、Cd存在不同程度的污染，尤以高速公路区和交通繁忙区较重，通过综合污染评价方法得出北京土壤重金属污染排序为高速公路区>交通繁忙区>工业区>居民区>城市>公园休闲区。陈潇霖等研究发现公园内土壤重金属含量整体较公园外交通干道土壤重金属含量低，早晚高峰时段堵车频发地区土壤中重金属含量较高。通过北京市航天桥道路尘土附近道路土壤及玉渊潭公园土壤重金属含量的对比研究表明，道路尘土的重金属污染最为严重，道路绿地植物对重金属的富集效应基本均大于公园植物。韩玉丽等对北京不同功能区重金属分布进行研究，结果发现，土壤重金属元素含量总体表现为交通区、工业区、居民区的含量高于相对清洁的公园区。这些研究表明车流量是影响植物体内重金属含量差异的原因。但该研究广玉兰枝条中Zn含量在校内明显高于校外，笔者分析可能由于一种重金属的变化会影响其他重金属吸收，由于是校园外广玉兰中Cu含量较高，导致Zn含量下降。

重金属在植物体内不同器官中的分布存在显著差异，该研究中叶片和枝条重金属含量因树种、重金属种类的不同而异，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。宋雪英等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种树木叶片大于枝条外，其他树种差异均不显著，这与该研究结果一致。王爱霞等选择在交通繁忙区(污染点)研究二球悬铃木各器官重金属(Cu、Ni、Pb、Zn)含量，结果发现，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。这与该研究中校园外广玉兰Pb含量、红叶石楠Cu含量呈叶片显著大于枝条一致，但与校园外4个园林绿化树种Ni、Zn含量在枝条和叶片中均无显著差异不一致。可能是污染情况和树种的不同导致吸收含量的差异性。程佳雪等在北京6种园林树木的研究中得到一年生枝条Zn和Cr含量均高于叶片，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，这与该研究中Cr和Ni含量差异性的研究结果相吻合。