兰州市交通道路主要乔灌木植物叶片重金属积累及生理特性的分析

李晶，徐玉玲，黎桂英，冯巩俐，蒋晓煜，司廉邦，杨颖丽

西北师范大学生命科学学院，甘肃 兰州 730070

城市发展速度加快在提升经济效应的同时也带来了一系列问题，比如城市人口拥挤和环境污染等。城市发展速度加快的一个缩影体现在城市交通的迅速发展上，越来越多的人拥有私家机动车，导致机动车的数量急剧上升，机动车出行给人们带来方便快捷的同时，也带来日益严重的噪音污染和生态环境污染（Park et al.，2008），而其中一个是大气重金属污染。道路上的汽车尾气排放、汽油燃放、刹车和轮胎、刹车片及道路的磨损产生重金属化合物微粒镉（Cd）、锌（Zn）、铅（Pb）和镍（Ni）等。重金属化合物微粒通过降雨沉降或者大气活动导致道路两侧土壤重金属含量升高（仝致琦等，2014）。

绿化植物在城市环境保护中起着非常积极的作用，除了能够降低大气中重金属微粒化学物，具有明显的减尘作用，还可以通过吸收土壤中以及叶片吸收空气中的重金属微粒的方式，使得环境中的重金属污染物铬（Cr）、铜（Cu）和Zn等在植物体内积累，从而降低环境重金属含量（郭静，2016）。一般而言，道路两侧植物中的重金属含量比一般非机动车道两侧的植物含量要高，但比其对应的土壤重金属含量低（张满，2012），且其体内的叶绿素和渗透性调节物等会发生变化，这种变化可指示绿化植物受到重金属污染的伤害程度。国外学者研究了土耳其Aydin省橄榄（Canarium album）树叶子重金属积累情况（Gjorgieva et al.，2011）及尼日利亚拉各斯市内主要公路路侧苋属（Amaranthus）植物体内的重金属的分布特征，发现其重金属含量高于对照点植物（Atayese et al.，2010）。中国有关路域植物对重金属元素的积累吸收研究大多集中在北京、天津、广州和上海等地。例如北京市常见绿化树种国槐（Sophora japonica）叶片对Cu、Cr和Pb的富集能力较强（李少宁等，2014），天津市市区的主要绿化植物国槐对重金属砷（As）和 Cr的吸滞能力较强（陈波等，2016）。高海荣等选取了郑州市梧桐（Firmiana platanifolia）、冬青（Ilex chinensis）、月季（Rosa chinensis）和小叶女贞（Ligustrum quihoui）等绿化植物进行研究，发现灌木小叶女贞对 Pb的富集能力高于乔木冬青（高海荣等，2016）。目前有关兰州市交通路线两侧植物重金属污染特性和生理指标的研究报道较少。本研究选取兰州某交通线路路侧代表绿化植物为研究对象，分析植物体内重金属含量的积累情况、相关性及植物叶片叶绿素和渗透性调节物含量等生理指标的变化，为筛选适应道路环境的绿化植物提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于兰州市西北郊区，地处北纬 36°5′-36°10′N，103°34′-103°47′E，地势由西北向东南倾斜，东西长19.6 km，南北宽2.7-7.0 km。海拔1517.3-2067.2 m，相对高差550 m，属中温带气候区，内陆性气候特征明显，四季分明，光照充足，气候干燥。年均气温 8.9 ℃，最高气温 32.6 ℃，最低气温-6.7 ℃；全区年平均降水量为349.9 mm，年蒸发量则达到1664 mm，属温带半干旱区（赵慧军，2016）。年日照2476.4 h，无霜期171 d。

选取兰州市研究区内某交通干道的绿化植物叶片作为研究对象，绿化植物品种的选择为兰州市交通道路绿化植物常见的品种，如槐树、碧桃（Amygdalus persica var. persica）、月季和冬青等，其应用率在20%以上（杜鹃，2008）。采样点的分布如表1所示，采样起点为 36°11′42.39″N，103°70′01.61″E，终点为36°10′29.55″N，103°69′71.79″E，由北向南，总长度为1.2 km，每隔300 m左右布置采样点B1、B2、B3和B4，并进行现场定位（GPS），其中B1和B4为车流量较大的十字路口，B2和B3为有拐弯的路边，并在远离道路400 m和600 m以外的大学校园设置对照点b1和b2，采样范围为10 m×20 m大小，采样时间为2017年9月。

表1 采样点经纬度Table 1 Latitude and longitude of sampling point

1.2 植物样品的采集与制备

采集的绿化植物品种主要有乔木槐树、冬青、紫叶李（Prunus Cerasifera.）、松柏（Pinus）、碧桃、梧桐和樱桃（Cerasus pseudocerasus），灌木月季、小叶女贞）和木槿（Hibiscus syriacus）。每个采样点每种植物至少选取3株以上长势相近的植株进行样品采集，分别从树冠的东、南、西、北4个方向和上、中、下3个部位选取无病虫害、大小适中、叶着生位置一致的成熟叶片进行采集，采集30-50片，小心混合后装入封口袋，标注时间、地点和树种名称，带回实验室洗去叶片表面的尘土，吸干水分后自然风干，备用。

1.3 植物样品的元素含量分析

植物叶片金属元素含量测定方法参考 Achary et al.（2008），略有改动。称取0.2 g风干好的绿化植物叶片于微波消解管中，加入8 mL HNO3，酸化1.5 h，待样品溶液冷却后转入坩埚中挥酸，残余物用1 mol·L-1的HNO3溶解并定容，使用原子吸收分光光度计测定 Cr、Pb、Mn、Zn、Ni、Fe和 Ca含量。

1.4 叶绿素含量的测定

参考李合生（2000）的方法测定植物叶片叶绿素。称取0.5 g植物样品叶，加入4 mL 95%酒精进行研磨，研磨后于9000g转速下离心10 min，离心完吸取上清液，再往沉淀中加入4 mL 95%酒精，混匀后离心吸取上清液。将两次上清液混合，并定容到25 mL容量瓶，分别于470、646和663 nm处测定吸光值。

1.5 脯氨酸含量的测定

脯氨酸含量的测定参考Bates et al.（1973）的方法。将0.5 g植物叶样品与2 mL提取液进行充分研磨，沸水浴10 min，在15000g条件下离心15 min，取上清液与磺基水杨酸、冰乙酸和茚三酮混合，混合后在95 ℃下水浴1 h，随后用甲苯进行萃取，萃取时充分混匀，静置2 h，吸取上层液体于520 nm下测定吸光值。

1.6 测定可溶性糖的含量

可溶性糖含量的测定参照Hou et al.（2007）的方法。称取植物叶样品与80%乙醇研磨，研磨后于75 ℃下水浴10 min，离心（5000g，10 min），吸取上清液加入80%苯酚和浓硫酸，用分光光度计在490 nm处测定吸光值。

1.7 数据分析

每个样品至少重复3次实验。运用Excel 2019进行数据整理，SPSS 17.0进行单因素方差、Pearson相关性分析和回归分析。单因素方差分析的置信区间设定为99%。

2 结果

2.1 交通道路不同采样点绿化植物叶片重金属含量

由表2可知，同一植物在不同的环境以及不同植物在同一环境对金属元素的富集和吸收有所差异。冬青叶片金属含量在 4种环境（对照点 b1和b2，采样点B3和B4）下均表现出Ca最高，Fe次之，Ni第三，Zn第四，而Cr含量最低，但Pb和Mn含量因环境变化而有所差异。采样点 b1、B1和 B2中月季叶片金属含量表现出 Ca含量最多，其次是Fe，再次是 Ni，含量最少的是 Cr，而 Pb、Mn和Zn的含量随着环境的不同而不同。槐树叶片金属含量在采样点b1、b2和B4中以Ca最高，Cr最低，其他的离子含量则随着环境的改变而有所差异。松柏叶片金属含量在 b1点表现为 Ca＞Fe＞Ni＞Zn＞Pb＞Mn＞Cr，而在 b2点表现为 Ca＞Ni＞Fe＞Pb＞Zn＞Cr＞Mn。紫叶李和小叶女贞叶片金属含量在 b1、b2环境中表现为 Ca＞Fe＞Ni＞Pb＞Zn＞Mn＞Cr。碧桃叶片金属元素含量在 B1—B4的 4个环境中的趋势是相似的，均以Ca为最高，Fe次之，Ni第三，Cr含量最少，Mn、Zn和Pb则因为环境的不同而变化不一样。采样点B1和B2的梧桐叶片、B3的木槿叶片以及B4的樱桃叶片中金属含量变化趋势与碧桃类似。总体而言，这10种绿化植物叶金属含量在6种道路环境中的均以Ca为最高，其次是重金属Fe和Ni，Cr含量最低，此外Pb、Mn和Zn含量因环境变化而有所差异。

2.2 绿化植物金属元素的相关性和线性回归分析

不同植物在不同的环境下吸收的金属元素不同，从而体内金属元素含量不同，彼此之间的相关性也有所不同。从表3可知，道路两侧的植物体内各金属元素之间呈现出来的相关性有所不同。Cr含量与Pb、Zn和Ca含量呈现显著正相关，但是与Mn、Ni和 Fe没有显著相关性。Pb则与 Ni和 Fe呈不同程度的显著正相关，与Mn、Zn和Ca无显著相关性。Mn和Ni有显著正相关，但是和Zn、Fe和Ca无显著相关性。由此可知，交通线路路侧植物体内 Cr-Pb、Cr-Zn、Cr-Ca、Pb-Ni、Pb-Fe和Mn-Ni元素之间表现为显著正相关，表4显示交通道路绿化植物体内的金属元素含量受Cr和Pb的影响较大，其中Cr、Ni和Fe受到Pb的影响，Zn和Ca则受到C的影响，植物体内这4种（Ni、Fe、Zn、Ca）元素含量均表现为随Cr和Pb的含量增多而增大；Mn受到Ni的影响。

表2 交通道路两侧绿化植物叶片金属元素含量Table 2 Metal contents in leaves of green plant on both sides of traffic roads mg·kg-1

表3 交通道路路侧绿化植物金属元素相关性分析Table 3 Correlation analysis of metal elements in greening plants on bothsides of traffic roads

表4 交通道路两侧绿化植物中金属元素之间的逐步回归分析Table 4 Stepwise regression of metal elements in greening plants on both sides of traffic roads

2.3 交通道路两侧绿化植物叶绿素含量分析

由表5可知，对照采样点月季叶片的叶绿素a含量、紫叶李的叶绿素b和总叶绿素含量是最高的，松柏的是最低的，其他植物的叶绿素含量在二者之间，冬青、槐树、松柏和月季叶绿素a/b比值均在3以上，紫叶李的叶绿素a/b比值是2.63；槐树和碧桃的类胡萝卜素含量均为最高，月季和冬青的较低，松柏的最低。路侧采样点槐树和碧桃的叶绿素a、叶绿素 b和总叶绿素含量没有显著差异，路侧采样点的绿化植物中冬青叶绿素含量最低，冬青和月季的叶绿素a/b比值分别为3.61和3.39，碧桃和槐树的分别为1.97和1.80；槐树和碧桃、月季和冬青的类胡萝卜素含量近似。与对照采样点的植物相比，路侧采样点月季的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量有显著下降，而冬青和槐树的明显增加，叶绿素a/b比值在槐树中降低，月季和冬青中无明显变化；冬青的类胡萝卜素较对照有所增加，月季的无明显变化，槐树的含量则有所下降。

表5 交通道路两侧绿化植物叶绿素含量分析Table 5 Analysis of chlorophyll content of greening plants on both sides of traffic roads mg·g-1

2.4 绿化植物渗透性物质含量的分析

由表6可知，对照采样点绿化植物松柏中脯氨酸质量分数最高，为128.54 μg·g-1，槐树和紫叶李的质量分数均在60 μg·g-1以上，月季和冬青的质量分数较低。路侧采样点各植物中碧桃的脯氨酸含量最高，其次是槐树与冬青，月季的含量也是最低的。与对照采样点相比，路侧采样点冬青和槐树的脯氨酸质量分数分别增加约24%和21%，月季中的脯氨酸含量则无明显变化。对照点绿化植物松柏可溶性糖的质量浓度最高，达到了31.93 mg·L-1，紫叶李、冬青和月季的质量浓度高于20 mg·L-1，槐树的可溶性糖质量浓度最低，约为18.17 mg·L-1。路侧采样点月季的可溶性糖质量浓度最高，碧桃、槐树和冬青的可溶性糖质量浓度无明显差异。同一植物不同采样点之间比较，月季可溶性糖含量表现为路侧高于对照点。

表6 交通道路两侧绿化植物叶片脯氨酸和可溶性糖含量变化Table 6 Changes of proline and soluble sugar contents in leaves of greening plants on both sides of traffic roads

3 讨论

3.1 交通道路绿化植物重金属积累能力

植物通过吸收土壤和空气中的重金属，使其在体内积累，从而达到净化土壤和空气的作用（俎丽红等，2017），因此绿化植物在城市交通道路环境中具有非常重要的作用。已有的研究表明，公路两侧的植物体内的重金属含量随植物品种的不同而有所不同。与其他各树种相比，国槐、白皮松（Pinus bungeana）、油松（Pinus tabuliformis ）和雪松（Cedrus deodara）在轻度污染下对土壤重金属的富集作用显著，而柳树（Salix babylonica）、银杏（Ginkgo biloba）和侧柏（Platycladus orientalis）的重金属富集能力在中度污染下均较强（鲁绍伟等，2014）。南京城市干道环境下生长的绿化植物中，乔木香樟（Cinnamomum camphora）对Cu和Pb的富集能力强，草本植物马尼拉草（Zoysia matrella）对 Cr和 Pb有明显的富集能力，灌木海桐（Pittosporum tobira）则对多种重金属的吸附能力均较强（陆东晖，2006）。余姚市绿化植物紫薇（Lagerstroemia indica）和金边黄杨（Buxus megistophylla）叶片对重金属的吸收富集能力强于夹竹桃（Nerium indicum ）、小蜡树（Fraxinus mariesii）和红叶石楠（Photinia fraseri）（曹旖旎等，2016）。在本研究中，采样点B1的乔木碧桃、梧桐，灌木月季和B4的乔木槐树、冬青、碧桃和樱桃体内积累了较多的Cr、Pb、Mn、Ni和Zn，可能与十字路口车流量较高或交通活动频繁有关系。

植物对重金属元素的富集通常是和其他元素共同进行的，它们之间既可相互抑制，也可彼此促进。植物体内重金属元素之间的相关性对正确了解重金属对植物的污染和各重金属元素是否同源性有很大的作用（陈静文，2013）。本研究中绿化植物重金属含量受到Cr和Pb的影响比较大，Cr、Ni和Fe受到Pb的影响，Zn和Ca则是受到Cr含量的影响。Mn和Ni呈正线性关系，Mn含量呈随着Ni含量的升高而增多。由此可知，交通线路路侧植物体内 Cr-Pb、Cr-Zn、Cr-Ca、Pb-Ni、Pb-Fe和Mn-Ni元素之间表现为显著正相关，彼此之间为促进关系。

3.2 交通道路绿化植物叶绿素和渗透调节能力

植物叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量高低可反映光合作用水平的强弱（曾召琼，2016）。植物在重金属逆境胁迫下，叶绿素含量会降低，渗透性调节物含量发生改变，从而影响植物的正常生长。叶绿素a是天线色素，也是参与光反应的中心色素，叶绿素 b是构成捕光天线复合体（LHC）的重要组成部分，不仅具有吸收和传递光能的作用，而且在调控光合机构天线的大小、维持LHC的稳定性及对各种环境的适应等过程中都起作用（郭春爱等，2006）。低浓度Pb对桑树（Morus alba）胁迫时，叶绿素a有较强的耐性，随着胁迫浓度增加，叶绿素a含量降低，且叶绿素a/b比值随铅含量增大而下降，说明铅对叶绿素 a的抑制作用较叶绿素 b更强烈，从而降低整体的光合速率（张嘉桐等，2018）。重金属胁迫通过破坏植物细胞膜、叶绿素结构或合成叶绿素所需的酶，影响叶绿素的含量，导致叶绿素含量降低，从而抑制植物的光合系统（Choudhury et al.，2005；Basile et al.，2012）。例如，0.5 mmol·L-1的 CdCl2处理显著破坏了烟草（ Nicotiana tabacum）叶片叶绿体的结构（Lee et al.，2017），导致叶绿素含量降低。高浓度Pb2+胁迫下，3种藓类植物体内Pb2+的累积量急剧升高，致使叶细胞的叶绿体结构遭到破坏而解体，叶绿素的生物合成受到抑制，叶绿素含量急剧下降（龚双姣等，2009）。本研究中，同一环境下的不同植物叶绿素含量不同，例如对照点槐树和月季的叶绿素含量较高，而松柏含量最低。相同植物在不同生长环境中叶绿素含量也不相同，路侧绿化植物月季叶绿素含量较对照点低，表明重金属可能对月季的叶绿体结构或合成叶绿素的酶有所破坏导致叶绿素含量下降；路侧冬青和槐树的叶绿素含量较对照点高，表明冬青和槐树可能对重金属污染的环境有较强的适应或耐受能力。叶绿素a/b比值变化在一定程度上也可以反映重金属对植物光合作用的毒害影响（何冰等，2003)。龙须草（Juncus effusus）在重金属Cd、Pb、Cu和Zn处理中叶绿素含量和叶绿素 a/b比值下降（袁敏等，2005）。本研究发现，路侧重金属含量高的环境中的绿化植物槐树叶绿素含量较对照增多，而叶绿素a/b比值下降，这可能是槐树和冬青对重金属环境有较好的适应或耐受能力的原因之一。

植物在受到重金属胁迫时，生成渗透调节物质来维持细胞正常代谢，从而提高抵抗重金属能力。植物在应对逆境环境时，体内游离的脯氨酸含量升高能维持细胞渗透压、保护蛋白质和细胞膜，其与重金属耐性有极大的相关性（牟祚民等，2019；Batool et al.，2014）。有研究表明，大麦（Hordeum vulgare）在重金属Pb和Ni处理下，通过积累脯氨酸来抵抗重金属毒害作用（张义贤等，2006）。本研究中发现，在对照采样点的绿化植物中，松柏叶片中脯氨酸含量最高，而冬青、槐树、月季和紫叶李4种植物叶片中脯氨酸含量均较低；不同的是，受重金属污染较大的路侧采样点绿化植物中，不同植物脯氨酸含量不同，且冬青和槐树脯氨酸较对照点相同植物分别增加约24%和21%，说明这两种植物可能在道路重金属环境中通过积累脯氨酸维持细胞渗透性平衡或者消除由重金属带来的氧化损伤的方式来抵抗重金属胁迫。可溶性糖作为植物碳代谢的物质之一，在维持植物细胞渗透平衡中起着重要的作用，其含量可以反映植物在逆境中的适应能力，与植物抗性具有密切的联系（冷天利等，2007）。有研究表明，番茄（Lycopersicon esculentum）幼苗可通过增加叶片的可溶性糖含量来抵御Cd和Zn的危害（李兆君等，2004）。可溶性糖在低浓度的重金属Cd、Cu和Zn胁迫下呈现出升高的趋势，但是胁迫浓度超过一定的阈值，可溶性糖含量会下降，主要原因可能是各种酶和叶绿素遭到破坏（高媛，2017；胡国涛等，2016）。更重要的是脯氨酸和可溶性糖含量增加是白皮松应对重金属胁迫的适应机制，其积累量对重金属引起的氧化损伤具有指示作用（俎丽红等，2017）。本研究中，对照采样点松柏叶中可溶性糖最高，槐树的含量最低，其他植物可溶性糖含量介于冬青和槐树之间；路侧采样点月季的可溶性糖含量最高，碧桃、槐树和月季的含量无明显差异。此外，与对照点相同植物相比，路侧冬青的可溶性糖含量减少，而月季的增多，说明冬青体内可溶性糖合成可能受阻，月季则可能通过增加可溶性糖含量来维持细胞渗透压从而适应重金属环境。

4 结论

（1）道路环境不同的植物中的重金属含量有明显的差异。路域乔木梧桐、碧桃、冬青、槐树和灌木月季叶片Pb、Ni和Zn的积累量高。路测采样点B1和B4的乔灌木Pb、Cr、Mn、Ni和Zn积累量较高，可能是与十字路口车流量较高或交通活动频繁有关系。

（2）交通道路路侧绿化植物体内的Cr和Pb、Zn、Ca，Pb和Ni、Fe，Mn和Ni元素之间有良好的相关性。回归分析结果也表现为绿化植物中金属元素含量受到 Cr和 Pb的影响较大，均表现为随Cr和Pb的含量增多，植物叶片金属元素含量升高。

（3）同一环境下的不同植物叶绿素含量不同；相同植物在不同生长环境中叶绿素含量也不相同，且路侧冬青和槐树的叶绿素含量较对照点增多，这可能是槐树和冬青对重金属环境有较好的适应或耐受能力的原因之一。

（4）在所有绿化植物中，松柏叶片中脯氨酸和可溶性糖含量最高；路侧植物冬青、槐树和月季可能在道路重金属污染较大环境中通过积累脯氨酸或可溶性糖等渗透性调节物来维持细胞渗透性平衡或者消除由重金属带来的氧化损伤。