煤矿型城市绿化树种叶片吸收大气重金属能力比较

彭舜磊,李 鹏,郭惠彬,廖秉华

(1.平顶山学院 化学与环境工程学院,河南 平顶山 467000；2.平顶山学院 旅游与规划学院,河南 平顶山 467000)

煤矿型城市绿化树种叶片吸收大气重金属能力比较

彭舜磊1,李 鹏2,郭惠彬1,廖秉华1

(1.平顶山学院 化学与环境工程学院,河南 平顶山 467000；2.平顶山学院 旅游与规划学院,河南 平顶山 467000)

选取顶山市的6种常见绿化树种杨树、构树、大叶女贞、二球悬铃木、侧柏、石楠为研究对象，分析了这些树种在不同功能区对5种大气重金属(铅、镉、铬、铜、锌)元素的吸存能力。结果表明：电厂、矿区污染较大的区域，绿化树种叶片对大气重金属元素的吸存量显著大于公园风景区、郊区污染较轻的区域，不同树种对重金属的吸存能力存在显著差异(P<0.05)。石楠对铅的吸存量最高(9.78 mg/kg)，大叶女贞对铅的吸存量最低(0.97 mg/kg)；杨树对镉的吸存量最高(1.45 mg/kg)，构树对镉的吸存量最低(0.01 mg/kg)；侧柏对铬的吸存量最大(1.82 mg/kg)，石楠对铬的吸存量最小(0.01 mg/kg)；杨树对铜的吸存量最高(11.98 mg/kg)，而石楠对铜的吸存量最低(2.42 mg/kg)；石楠对锌的吸存量最高(9.78 mg/kg)，侧柏对锌的吸存量最低(0.78 mg/kg)。

绿化树种；大气重金属；吸存能力；煤矿型城市

近几年，我国资源型城市的大气污染严重，大气颗粒物中富含铜、锌、镉、铬等重金属[1]，这些重金属的严重超标对城市居民的身体健康造成了严重影响。因此，对大气重金属的科学监测与防控已经成为生态城市建设的主要任务。

植物通过叶片气孔能够吸存大气重金属污染物[2]，城市绿化树种叶片中重金属的富集量与大气中的重金属含量呈正比[3]，可用植物来指示大气中重金属的污染状况。陈学泽等[4]研究表明：株洲市的香樟和夹竹桃等能很好地吸收大气重金属。梁鸿霞等[5]认为南充市的万年青和小叶榕等对大气重金属有很好的富集作用。闫小红等[6]研究表明：江西省吉安市的紫叶李、小叶黄杨等阔叶树种对重金属的富集能力明显低于针叶树种雪松、圆柏。Fatoki[7]在Ile-Ife地区研究得出相似的结论。王崇臣[8]研究了北京优势行道树种国槐对重金属的吸收能力，结果表明：国槐叶片对大气重金属污染物吸收累积能力高于其他树种。杨雪梅[9]的研究表明：国槐对重金属的吸收能力大于悬铃木和杨树。不同绿化树种对大气重金属吸存能力的差异与区域大气重金属污染物浓度、树种的生理生态特性以及生长季节的差异有关[10-11]。不同区域的绿化树种对大气重金属的吸收和富集能力并不相同。目前，针对平顶山市绿化树种对大气重金属的吸存能力尚缺乏深入研究。

平顶山市为典型的煤炭型城市，矿区粉煤灰和热电厂烟尘排放导致该市的大气重金属污染极其严重。本文通过探讨平顶山市不同城市功能区的绿化树种对大气重金属吸存能力的差异，并选择出对大气重金属吸存能力较强的适宜的绿化植物，而且能够为资源型城市大气重金属污染程度的监测与防控提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平顶山市位于河南省中南部，总面积8802 km2，处于暖温带向亚热带的过渡带。平顶山市是我国典型的煤炭资源型城市，作为中原的大煤仓，煤炭业是平顶山发展的支柱产业。但是矿山的开采和火力发电厂等煤炭燃料的燃烧导致能源过度消耗和高污染物排放，使平顶山市的大气污染程度日益严重。

1.2 样区选择

在平顶山市区布点采样(表1)，根据不同大气污染程度进行样点布置，人流量大、交通流量多的区域(城市中心区)，煤炭开采、电厂污染严重的区域(电厂、矿区)作为主要监测区，对照区(公园风景区)和郊区为相对较清洁的区域。

表1 平顶山市样区划分和采样地点概况

1.3 材料选择

根据平顶山市区绿化树种的分布，实地调查选择以下6种绿化植物作为样本(表2)。

表2 样区内主要树种情况

1.4 样品的采集与处理

1.4.1 叶片的采集及处理 根据对平顶山市不同功能区的划分，分别在公园风景区、城市中心区、郊区、电厂、矿区采集叶片，于2015年7月20～30日连续采样。采集时各个采样区内各个树种的树龄、生长情况等尽量保持一致，选取的树样叶片叶龄和着生位置(东、西、南、北4个位置)大致相同，且健壮的成熟叶片，置于自封袋中、编号，带回实验室。

将采集的叶片用自来水洗净后，用蒸馏水漂洗2～3次，再用去离子水冲洗2～3次，自然晾干。晾干后用高速粉碎机粉碎至粉末状并过100目检测筛，干燥保存待测。

称取上述叶片样本0.5 g置于试管中，加入6 mL HCLO4、1 mL HNO3、1 mL H2SO4混合酸，加热至80 ℃，放置一定时间至溶液变绿，再次加热至180 ℃大约1 h后冷却至室温，加入1 mL浓HNO3，温度再次升至180 ℃直至产生白烟为止，冷却至室温。按步骤取下试管，过滤将液体定容到50 mL容量瓶中。取10 mL溶液使用的仪器是原子分光光度计检测重金属含量，每个样本检测3次。

1.4.2 土壤的采样及处理 根据平顶山市不同功能分区内，分别在公园风景区、城市中心区、郊区、电厂、矿区采集土壤，从标定的采集点按蛇形布点法在土壤剖面采集。取回土样，晒半干压碎去除杂物，在阴凉处直至风干，过筛，消解后，按国标方法测试土壤重金属含量。

1.5 叶片重金属源辨析评价方法 以铝作为基质污染的标记物，富含因子EF=叶片中(C×/CAL)/土壤中(C×/CAL)，若EF值低于1，元素则来源于土壤；如果值高于1，则叶片中富集的元素主要来源于大气；如果高于3，则空气污染较为严重(表3)。

表3 不同环境中重金属Al、Pb、Cu、Zn、Cd、Cr的背景丰度

1.6 数据统计分析

利用SPSS 16.0软件对各类重金属在不同区域或不同树种间的差异进行单因素方差分析，运用Excel 2007软件处理数据。

2 结果与分析

2.1 不同区域绿化树种对铅(Pb)的吸存能力比较

整理比较平顶山市的6种绿化树种叶片吸存重金属铅元素的检测数据后发现，每种树种叶片在不同区域对铅元素的吸存能力存在明显差异(表4)。

大叶女贞各叶片的重金属铅吸存量大小依次为电厂>矿区>城市中心区>郊区>公园风景区，公园风景区的重金属元素铅吸存量最小，为0.97 mg/kg；电厂的重金属元素铅吸存量最大，为1.44 mg/kg，差异显著。二球悬铃木叶片的重金属铅吸存量依次为电厂>矿区>郊区>公园风景区>城市中心区，最大的是电厂，为2.86 mg/kg；最小的是城市中心区，为1.29 mg/kg，差异显著。侧柏叶片的重金属铅吸存量大小依次为电厂>城市中心区>矿区>郊区>公园风景区，最大的是电厂，铅吸存量为5.92 mg/kg，最小的是公园风景区叶片的铅吸存量，为0.78 mg/kg，电厂和公园风景区的铅吸存量差异显著。石楠的重金属铅吸存量在各功能区的差异与侧柏的相似，电厂的树种叶片吸存量最大，公园风景区的树种叶片吸存量最小。杨树叶片的重金属铅吸存量最大的是矿区，为2.53 mg/kg，公园风景区的最小，为1.21 mg/kg，各功能区差异显著。 以上结果表明：在污染严重的区域，其树种叶片中铅吸存量明显高于污染较轻的区域。而在所调查5个功能区的6种绿化树种中，石楠、侧柏的铅吸存量比其他4种树种的铅吸存量高，且石楠、侧柏在污染相对较严重区域热电厂、姚孟电厂的铅吸存量分别达到9.78、5.92 mg/kg，大叶女贞是6种绿化树种中铅吸存量最低的。比较6种树种叶片中铅吸存量的平均值，从高到低依次为石楠>侧柏>二球悬铃木>杨树>构树>大叶女贞。

表4 不同区域绿化树种对铅的吸存值 mg/kg

注:同列小写字母表示在5%水平上的差异显著性，字母相同则差异不显著，不同则显著。下同。

2.2 不同区域绿化树种对镉(Cd)的吸存能力

整理比较平顶山市的6种绿化树种叶片吸存重金属镉元素的检测数据后发现，每种树种叶片在不同区域对镉元素的吸存能力存在明显差异(表5)。

大叶女贞叶片的重金属镉吸存量大小依次为电厂>矿区>郊区>城市中心区>公园风景区，电厂的重金属元素镉吸存量最大，为0.53 mg/kg，公园风景区的重金属元素铅吸存量最小，为0.02 mg/kg，差异显著。二球悬铃木叶片的重金镉吸存量在城市中心区最高，其他功能区重金属镉吸存量基本持平，差异不显著。侧柏各叶片的重金属镉吸存量电厂城市中心区较高，公园风景区、矿区、郊区的较小且相差不大，最大的为电厂，叶片重金属镉吸存量为0.15 mg/kg；与其他功能区的重金属镉吸存量差异显著。石楠的重金属镉吸存量在电厂最大，为0.21 mg/kg，各功能区的差异与侧柏的相似，其他区域的树种叶片对重金属镉的吸存量相差不大。杨树叶片的重金属镉吸存量最大的为电厂(1.45 mg/kg)，最小的为郊区(0.04 mg/kg)，各功能区相差明显，依次为电厂>矿区>公园风景区>矿区>郊区。构树叶片的重金属镉吸存量各大功能区相差不明显，且叶片的重金属镉吸存量都很低。

从整体来看，以电厂>矿区>城市中心区>郊区>公园风景区的顺序，呈现递减趋势。说明在交通流量相对较大和污染严重的区域，其树种叶片中镉吸存量明显高于污染较轻和非污染的区域。而在所调查的6种绿化树种中，石楠、杨树、侧柏的镉吸存量明显高于其他树种叶片镉吸存量(表5)，杨树在大气重金属污染相对较严重区域如热电厂、姚孟电厂、南洛高速路两旁的铅吸存量达到1.45 mg/kg，而大叶女贞、构树、二球悬铃木在各区域的镉吸存量差异不明显，是所有调查树种中镉吸存量最低的绿化树种。在上述功能区中，个别树种在区域中铬吸存量差异不明显，这可能因为树种自身对大气重金属铬元素的吸存能力不良有关，综合各区6种树种叶片中铅吸存量的平均值，绿化树种吸存重金属铬的能力由高到低顺序为杨树>石楠>侧柏>二球悬铃木>大叶女贞>构树。杨树的吸存量明显大于其他树种。

表5 不同区域绿化树种对镉的吸存值 mg/kg

2.3 不同区域绿化树种对铬(Cr)的吸存能力

整理比较平顶山市的6种绿化树种叶片吸存重金属铬元素的检测数据后发现，每种树种叶片在不同区域对铬元素的吸存能力存在明显差异(表6)。

电厂、城市中心区的绿化树种叶片铬吸存量与其他3个地区树种叶片铬吸存量差异显著。电厂绿化树种叶片铬吸存量最高，城市中心区绿化树种叶片铬吸存量次之，郊区绿化树种叶片铬吸存量与公园风景区绿化树种叶片镉吸存量相比总体存在差异，绿化树种叶片铬吸存量的高低依次为电厂>城市中心区>矿区>郊区>公园风景区，与其他4个区域吸存量关系基本一致，进一步证明了大气重金属污染程度高低与树种叶片对重金属吸存量的关系。在绿化树种吸存重金属铬的能力方面，总体呈现出侧柏>构树>大叶女贞>石楠>杨树>二球悬铃木的趋势。其中侧柏叶片的铬吸存量最高，在电厂附近铬吸存量为1.82 mg/kg。

表6 不同区域绿化树种对铬的吸存值 mg/kg

2.4 不同区域绿化树种对铜(Cu)的吸存能力

由表7可知，杨树、二球悬铃木在矿区的铜元素吸存量要比在电厂的略高，这可能是由于采样区中矿区开采、煤炭的燃烧、煤炭运输车导致的灰尘等污染物，致使杨树、二球悬铃木叶片的铜含量偏高。其他绿化树种对铜元素吸收的变化规律与上述一致。侧柏、石楠叶片对重金属铜元素的吸存量显著低于大叶女贞、杨树的吸存量。大叶女贞的吸存量最大，为8.82 mg/kg；石楠的最小，为2.42 mg/kg。其由高到低的顺序为大叶女贞>杨树>二球悬铃木>构树>侧柏>石楠。

表7 不同区域绿化树种对铜的吸存值 mg/kg

2.5 不同区域绿化树种对锌(Zn)的吸存能力

整理比较平顶山市的6种绿化树种叶片吸存重金属锌元素的检测数据后发现，每种树种叶片在不同区域对锌元素的吸存能力存在明显差异(表8)。

电厂、矿区2个区域的绿化树种叶片锌吸存量明显大于公园风景区的锌吸存量，城市中心区和郊区绿化树种叶片锌吸存量无明显差异。但杨树在矿区锌吸存量明显高于电厂的锌吸存量，且叶片锌的吸存量高达159.75 mg/kg。在所调查的5个功能区的6种绿化树种中，杨树叶片的锌吸存量高低依次为矿区>电厂>城市中心区>公园风景区>郊区，锌吸存量存在显著的差异。其他绿化树种锌吸存量差异较为明显，锌元素吸存量均较高，在20～30 mg/kg之间。大叶女贞在各功能区的叶片的锌吸存量大小依次为电厂>矿区>郊区>城市中心区>公园风景区；二球悬铃木的叶片的锌吸存量大小依次为电厂>城市中心区>矿区>郊区>公园风景区；侧柏的叶片的锌吸存量大小依次为电厂>矿区>城市中心区>郊区>公园风景区；石楠的锌吸存量大小与侧柏的基本相似；构树叶片的锌吸存量大小与石楠、侧柏的相似，均表现为电厂>矿区>城市中心区>郊区>公园风景区。综合各区不同种绿化树种叶片中锌吸存量平均值由高到低依次为杨树>大叶女贞>构树>二球悬铃木>侧柏>石楠。进一步证明了大气重金属污染程度高低与树种叶片对重金属吸存量的关系。

表8 不同区域绿化树种对锌的吸存值 mg/kg

2.6 叶片重金属来源辨析

由表9可知，Pb、Cd、Cu、Zn元素的富含因子EF值都大于3，叶片中富集的元素主要来源于大气；Cr元素的富含因子EF值小于1，则叶片中富集的Cr元素主要来源于土壤。也说明了平顶山市的主要重金属污染来自于大气。

表9 不同功能区的重金属EF值

3 结论与讨论

不同大气污染区域的6种城市绿化树种叶片重金属元素吸存量的差异显著。通过分析数据可以得出结论，在电厂、矿区污染较大的区域其叶片大气重金属元素吸存量明显大于公园风景区、郊区污染较轻的区域。平顶山市大气重金属污染物主要是铅。其中电厂、矿区均属于污染相对较严重的区域，城市中心区属于轻度污染区域，郊区、公园风景区属于较为清洁区域。平顶山市6种绿化树种吸收重金属的能力，由强到弱依次为杨树>构树>大叶女贞>侧柏>二球悬铃木>石楠。

建议在平顶山市重金属铅、镉、铬污染严重的区域可以种植石楠、侧柏等，重金属铜、锌污染的区域可种植杨树、大叶女贞等树种。

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(责任编辑：曾小军)

Comparative Study on Absorption of Atmospheric Heavy Metals by Leaves of Greening Tree Species in Coal-type City

PENG Shun-lei1, LI Peng2, GUO Hui-bin1, LIAO Bing-hua1

(1. College of Chemistry and Environmental Engineering, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China;2. College of Tourism and Planning, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China)

We selected six species of common greening trees (Populus,Broussonetiapapyrifera,Ligustrumcompactum,Platanusacerifolia,Platycladusorientalis, andPhotiniaserrulata) and studied their capacity to absorb the atmospheric heavy metals (lead, cadmium, chromium, copper and zinc) in different functional districts of Pingdingshan city. The results showed that the absorption quantity of atmospheric heavy metals by the leaves of these greening tree species in the heavily-polluted districts (such as power plant, mine lot) was significantly higher than that in the lightly-polluted districts (such as parkland, suburb), and there was a significant difference in the heavy-metal-absorbing capacity among various tree species (P<0.05).Photiniaserrulatahad the highest capacity to absorb lead (9.78 mg/kg), whileLigustrumcompactumhad the lowest capacity to absorb lead (0.97 mg/kg).Populuspossessed the highest cadmium-absorbing capacity (1.45 mg/kg), whileBroussonetiapapyriferapossessed the lowest cadmium-absorbing capacity (0.01 mg/kg).Platycladusorientalishad the highest capacity to absorb chromium (1.82 mg/kg), whilePhotiniaserrulatahad the lowest capacity to absorb chromium (0.01 mg/kg).Populuspossessed the highest copper-absorbing capacity (11.98 mg/kg), whilePhotiniaserrulatapossessed the lowest copper-absorbing capacity (2.42 mg/kg). The absorption quantity of zinc byPhotiniaserrulataleaves was the highest (9.78 mg/kg), while that byPlatycladusorientalisleaves was the lowest (0.78 mg/kg).

Greening tree; Atmospheric heavy metal; Absorbing capacity; Coal-type city

2016-09-16

河南省科技攻关计划资助项目(162102310247)；平顶山学院国家级科研项目培育基金(PXY-PYJJ-2014001)。

彭舜磊(1974─)，副教授，主要从事森林生态学研究。

S731.6

A

1001-8581(2017)03-0038-05