南京市香樟树皮重金属含量及分布特征

余岑涔 王国祥 韩睿明 张银龙

摘 要：重金属易在大气细颗粒物中富集，经呼吸道进入人体肺泡沉积，危害人类健康。该研究以南京市香樟树皮为对象，选取文教区、交通区、工业区、风景区和商业区5个功能区，探究了不同季节香樟树皮中重金属Cr、Pb、Cu和Zn含量的分布特征，比较了树皮和叶面颗粒物中不同重金属含量的空间分布差异。结果表明：南京市商业区和工业区重金属污染较严重。不同功能区香樟树皮重金属含量具时空分布差异，树皮中重金属含量基本呈秋季>冬季>春季>夏季的季节变化特征，各功能区重金属含量表现为商业区（CA）>文教区（CEA）≈工业区（TA）>交通区（IA）>风景区（SA）。与树皮相比，叶面颗粒物重金属含量较高，商业区叶面颗粒物重金属含量最高，风景区含量最低。经Pearson相关性分析，工业区和文教區香樟树皮中Cr元素具显著相关性（P<0.05），Cu与Zn相互对应呈显著相关，表明这两种元素可能具有相似来源；工业区和交通区树皮中Pb具极显著相关性（P<0.01）。植物监测可以指示和预测大气重金属污染水平，能反映地区污染情况。

关键词：树皮，重金属，香樟，叶面颗粒物，南京

中图分类号：Q948

文献标识码：A

文章编号：10003142（2018）06074609

Abstract：Heavy metals are easily enriched in fine particles of the atmosphere and enter the alveolar deposits of the human body through the respiratory tract，and endanger human health. In recent years，atmospheric heavy metal pollution is gradually aroused peoples attention. The direct exposure of barks to the air is an important transitional step for heavy metals to enter plants，accumulating pollutants over the long term. Five different urban areas in Nanjing（commercial area，cultural and educational area，industrial area，traffic area and scenic area） were chosen to study the distribution characteristics of the contents of Cr，Pb，Cu and Zn in different seasons，using barks of Cinnamomum camphora trees as research objects. The differences in the spatial distribution of different heavy metal contents in barks and foliar particles were also compared. The main conclusions of this study can be summed up as follows：Heavy metal pollution in commercial and industrial areas are more serious. Heavy metal contents in the barks of C. camphora trees in different functional areas of Nanjing have obvious spatial and temporal distribution characteristics. The contents of heavy metals in the barks of different functional areas follow the order of commercial area（CA） > cultural and educational area （CEA） ≈ industrial area （IA） > traffic area （TA） > scenic area （SA）. Heavy metal contents in the barks in different seasons follows the order of Autumn > Winter > Spring > Summer. Contents of heavy metals in particulate matter of leaves were higher than those in barks. Contents of heavy metals in foliar particles in commercial area were the highest，and contents in scenic area are the lowest. Pearson correlation analysis showed that there was a significant correlation （P< 0.05） between Cr in the barks of C. camphora trees in industrial and cultural areas，and significant correlations between Cu and Zn，indicating that these two kinds of elements may have similar origins. Contents of Pb between industrial area and traffic area were in significant correlation （P< 0.01），mainly from traffic emissions. Plant monitoring can indicate and predict the level of heavy metal pollution in the atmosphere. It is a simple and practical monitoring tool that can reflect the pollution in the area and provide a scientific basis for the monitoring of urban ecological environment.

Key words：barks，heavy metal，Cinnamomum camphora， particulate matter，Nanjing

重金属污染不能被微生物分解，易通过食物链富集放大（李书鼎和李雪莲，2000），已有研究关注水土介质重金属污染特征与修复（刘材材等，2016； 刘亚纳等，2016； 王祖伟等，2016）。近年来大气重金属污染逐步引起重视。污染大气含多种粒径颗粒物，重金属易在细颗粒物中富集，经呼吸道进入人体肺泡沉积，威胁人类健康（余岑涔等，2016）。因此，迫切需要简便实用有效的方法来指示和预测大气重金属污染水平。植物对大气污染灵敏度高，采样方便，能反映地区污染情况，利用植物监测大气重金属污染已成为研究热点（Manning & Godzik，2004）。目前，对植物叶片（刘玲等，2014； 鲁绍伟等，2014）、树皮（Rusu et al，2006； Berlizov et al，2007； AlAlawi et al，2007）、枝干等（Onder & Dursun，2006； Gratani et al，2008； 刘波等，2016）不同器官中重金属积累特征的研究较多，也有对叶面尘、地表尘、地表径流等环境介质中重金属含量特征的研究（李如忠等，2011； Li et al，2001），但对南京市树皮重金属含量时空变化特征的讨论甚少，鲜见综合考虑植物器官及环境介质中重金属含量特征的报道。

树皮直接暴露在空气中，是重金属进入植物的重要过渡环节，可长期累积污染物。研究表明，植物各器官中树皮对重金属富集能力最强（唐丽清等，2015； 蒋高明，1996），且树皮重金属含量与大气中相应元素含量有较高相关性，可指示城市大气重金属污染状况（Demirayak et al，2011； Suzuki et al，2009）。香樟是南京市的高频绿化树种，本文对南京市不同功能区香樟树皮中Cr、Pb、Cu和Zn的含量分布特征及其与叶面颗粒物含量做比较研究，探讨南京市不同功能区重金属污染状况，为城市生态环境监测提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

对南京市不同功能区进行布点采样，选取文教区、交通区、工业区、风景区和商业区5种不同功能区，分别记为CEA、TA、IA、SA和CA（表1），采集香樟树皮及其叶面颗粒物。

1.2 采样方法

样品采集选择2015年1月（冬季）、4月（春季）、7月（夏季）和11月（秋季），雨后一周、晴朗无风天气。每个功能区设置3个采样点作为重复，每个采样点选取3棵胸径15～22 cm具代表性的香樟树。在距地面1.3～1.5 m处，四周多部位采集树皮样品，用去离子水洗涤，105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重，研磨过100目筛备用（钟闱桢等，2007）。采集树冠外围不同高度、不同方向叶片60～80片，经去离子水冲洗，冲洗液用微孔滤膜（0.45 μm）抽滤，烘干后得到叶面颗粒物干样。

1.3 样品测定

称取0.500 0 g树皮样品于50 mL锥形瓶中，配以弯颈漏斗。加入硝酸和高氯酸混合酸10 mL，消煮至溶液澄清，白烟冒后加入2 mL硝酸溶液，温热溶解残渣，冷却后定容至25 mL（刘雷等，2008），同时制备空白样品。

称取0.200 0 g颗粒物样品放置50 mL聚四氟乙烯坩埚内，加2～3滴去离子水润湿，加10 mL浓盐酸，置于电热板上加热，待样品初步分解，依次加入5 mL浓硝酸、5 mL氢氟酸和5 mL高氯酸，用0.2%稀硝酸定容至25 mL待测（查燕等，2016），同时制备空白样品。

用ICPOES电感耦合等离子体发射光谱仪测定树皮及叶面颗粒物中重金属Cr、Pb、Cu和Zn含量。

1.4 数据处理

本研究运用Origin 8.6处理图表，SPSS 17.0软件进行单因素方差分析、Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同功能区香樟树皮中重金属含量分布特征

香樟树皮中Cr元素含量在各功能区的分布具有一定差异，且随季节变化（图1）。图1结果表明，不同功能区树皮Cr含量呈现为商业区（31.74 mg·kg1）>文教区>交通区>工业区>风景区（9.95 mg·kg1）。冬季工业区Cr含量较低，为6.81 mg·kg1；商业区最高，为29.42 mg·kg1，与其他4个功能区呈极显著差异（P < 0.01）。春季工业区、交通区和文教区树皮中Cr元素含量相近，商业区最高（35.33 mg·kg1），风景区最低（8.16 mg·kg1）。夏季各功能区Cr元素含量均有所下降，工业区降幅显著，约为春季的0.5倍；工业区树皮Cr含量与风景区呈显著差异（P< 0.05），与其他3个功能区具极显著差异（P< 0.01）。秋季各功能区Cr含量范围为15.1～41.19 mg·kg1，商业区含量最高；交通区含量略有下降，其他功能区树皮Cr含量均呈上升趋势，商业区与风景区升幅达到一倍。

不同功能区Pb含量为商业区>文教区>工业区>风景区>交通区（图2）。图2结果表明，冬季文教区Pb含量最高（71.67 mg·kg1），为交通区2.24倍；文教区与风景区、商业区与交通区差异显著（P < 0.05）。春季文教区Pb含量降为冬季的0.61倍，其他功能区无显著变化；交通区和商业区Pb含量具极显著差异（P < 0.01）。夏季各功能区Pb含量范围为40.60～62.41 mg·kg1，商业区含量最高，交通區和风景区Pb含量相近；风景区含量略有降低，其他功能区呈上升趋势。秋季商业区含量最高（74.00 mg·kg1），交通区含量最低（46.76 mg·kg1），交通区与文教区具显著差异（P<0.05）；各功能区Pb含量呈上升趋势。

各功能区香樟树皮Cu含量依次为工业区（61.81 mg·kg1）>风景区>商业区>文教区>交通区（36.42 mg·kg1）；除夏季外，其他季节均表现为工业区树皮Cu含量最高，交通区最低（图3）。图3结果表明，冬季工业区Cu含量最高（51.24 mg·kg1），与其他4个功能区呈极显著差异（P< 0.01）；文教区和风景区树皮Cu元素含量相近。春季交通区Cu含量最低（33.58 mg·kg1），工业区与其他4个功能区具极显著差异（P < 0.01）。夏季Cu含量范围为31.88～44.70 mg·kg1，各功能区含量无显著差异；商业区含量略有上升，其他各功能区Cu含量均呈下降趋势。秋季各功能区树皮Cu含量均呈上升趋势，工业区含量约为夏季2倍；工业区最高（84.10 mg·kg1），交通区最低（42.70 mg·kg1）。

各功能区树皮Zn含量为商业区>文教区>工业区>交通区>风景区（图4）。图4结果表明，冬季商业区Zn含量最高（198.52 mg·kg1），风景区最低（135.81 mg·kg1），工业区、文教区和交通区含量相近。春季文教区Zn含量略有上升，其他功能区呈下降趋势；交通区与文教区、商业区与交通区具显著差异（P < 0.05），风景区与文教区、商业区呈极显著差异（P < 0.01）。夏季各功能区Zn含量呈下降趋势，风景区含量最低（128.95 mg·kg1），文教区和风景区具极显著差异（P < 0.01）。秋季Zn含量为167.61～207.58 mg·kg1，各功能区含量均呈上升趋势，工业区含量为夏季1.51倍，涨幅显著；各功能区Zn含量无显著差异。

2.2 树皮和叶面颗粒物重金属含量比较

各功能区香樟叶面颗粒物Cr、Cu、Pb和Zn 4种重金属含量如图5。图5结果表明，叶面颗粒物重金属含量均大于树皮重金属含量，风景区叶面颗粒物重金属含量最低。叶面颗粒物Cr含量是树皮Cr含量的3.19～7.24倍，且交通区（101.27 mg·kg1）>文教区≈商业区>风景区>工业区（72.03 mg·kg1）。叶面颗粒物Cu含量工业区最高（165.87 mg·kg1），风景区最低（87.56 mg·kg1），与树皮Cu含量呈相同趋势。叶面颗粒物Pb含量呈现为商业区（155.38 mg·kg1）>交通区>工业区>文教区>风景区（101.97 mg·kg1），树皮Pb含量商业区和文教区较高，商业区叶面颗粒物Pb含量是树皮Pb含量的2.29倍。工业区叶面颗粒物Zn含量最高（429.43 mg·kg1），商业区次之（429.19 mg·kg1），风景区含量最低（293.48 mg·kg1），为树皮含量2.08倍。

2.3 不同功能区树皮中重金属相关性

Pearson相关分析显示，工业区与交通区树皮中重金属呈现一定程度的相关性（表2）。工业区的Zn与交通区的Cu和Zn分别对应相关，表明其可能具有相似的来源；工业区树皮中Pb与交通区呈极显著相关，表明交通区与工业区树皮中Pb主要来自汽车尾气排放。工业区和文教区树皮中Cr呈显著相关，可能主要来源于工业生产、垃圾焚烧等外源输入（表3）。工业区与文教区树皮中CuZn、ZnCu具有显著相关性，说明这两种元素有相似的来源，可能来自于交通排放（戴斯迪等，2013），Cu主要来自于刹车片的磨损和机动车尾气的排放，Zn主要来自橡胶轮胎的磨损（Thorpe & Harrison，2008）。

3 讨论

3.1 树皮中重金属含量分布特征分析

对南京市香樟树皮中重金属含量的研究分析表明，树皮中Cr、Pb、Cu和Zn含量具时空分布差异特征。从总体来看，各功能区重金属含量表现为商业区>文教区>工业区>交通区>风景区，重金属在各季节的含量变化为秋季>冬季>春季>夏季。文教区一般被认为是城市环境较为清洁的区域，但是在本研究中文教区重金属含量仅次于商业区，这可能与区域的复杂活动相关，人流量和车流量较大，刹车频繁、轮胎磨损严重，从而产生大量的重金属污染（郭广慧等，2008），很大程度上反映了机动车辆等人为因素污染的影响（Elhasan et al，2003）；此外该区域有大量建筑物在施工中，重金属材料的使用也可能导致重金属负荷较重。另一方面，文教区是新城区，植物多为移植栽种，树皮中重金属含量较高可能与移植地区的大气重金属污染状况有关。随着无铅汽油的推行，交通排放对Pb的贡献有所减少，交通区重金属含量并不处于较高水平（张丹龙等，2016）。不同季节的气候条件存在差异，大风及降雨对大气的干、湿沉降影响重大，而植物吸收的重金属部分来源于大气环境中重金属的干湿沉降（王荣芬等，2014）。因此树皮中重金属在各季节的含量有所不同。

3.2 树皮和叶面颗粒物中重金属含量差异分析

本研究结果表明，叶面颗粒物重金属含量大于树皮重金属含量，各功能区叶面颗粒物重金属含量依次为商业区>工业区>交通区>文教区>风景区。吸收重金属的方式不同，树皮和叶面颗粒物重金属含量存在显著差异（余岑涔等，2016）。树皮长期暴露在空气中，吸收的重金属主要来源于根系输送以及与外界环境中重金属颗粒物接触、附着吸收（王爱霞，2010）。树皮木栓组织细胞死亡后，会在有生命的组织上形成一层非原生质亲脂性表层，该表层可通过离子吸附、交换等过程吸收空气中的重金属元素，并累积在树皮中。叶面颗粒物以截留地面扬起和空气漂浮颗粒物的方式积累，是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（戴斯迪等，2013），植物叶片通常以滞留、附着和粘附三种方式滞留颗粒物（郭伟等，2010）。这部分颗粒物粒径较细，可能從远距离输送来，因而其反映的污染源范围广。从采样点的环境与重金属含量比较发现，工业区Cr、Cu污染严重，可能与该区域内化工生产活动有关；商业区人类活动频繁，汽车轮胎磨损和排放废气，造成Pb、Zn和Cr元素积累（王会霞等，2012）。

4 结论

（1）不同功能区树皮中Cr、Cu、Pb和Zn含量有明显的时空分布差异。从总体来看，各功能区重金属含量表现为商业区>文教区≈工业区>交通区>风景区，重金属在各季节的含量顺序为秋季>冬季>春季>夏季。（2）叶面颗粒物中重金属含量大于树皮重金属含量，且重金属含量商业区最高（200.89 mg·kg1），风景区最低（139.51 mg·kg1）。树皮和叶面颗粒物的重金属含量存在差异，这可能与吸收重金属的方式有关。（3）对不同功能区树皮中重金属的相关性分析发现，工业区的Zn与交通区的Cu和Zn分别对应相关，工业区和文教区树皮中CuZn、ZnCu具有显著相关性，表明Cu和Zn有相似的来源；工业区和交通区树皮中Pb显著相关，主要来自汽车尾气排放。

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