城市攀缘植物对大气颗粒物的吸附效果及重金属累积研究

吕晓倩

张银龙*

城市规模的不断扩大，造成了城市建筑密度越来越大，人口与日俱增及城市绿化面积愈发紧张的现象[1]，同时伴随着空气污染、水体污染、噪声污染等生态恶化问题。大气颗粒物成为许多国家的首要污染物，其中PM10对人类健康具有长期危害，能够引起呼吸道疾病[2]，PM2.5具有粒径小，质量轻与极易悬浮飘散的特征，因富集各种有毒有害物质进入肺泡[3]，对人体健康和环境质量更易产生巨大的危害。

城市绿化植物在改善空气质量、滞留粉尘、美化环境等方面具有不可替代的作用，尤其是作为改善城市生态环境的主体已被广泛认可[4-5]。近年来，叶面颗粒物能反映大气颗粒物的累积污染状况，以植物叶面颗粒物表征一定空间和时间尺度上的环境污染成为大气环境领域的重点。目前，针对城市绿化树种的研究对象以常绿植物、灌木和草本植物为主，研究内容大多集中于不同环境[6]和不同季节下树种滞尘量差异[7]。而沉降与植物表面的灰尘与叶片直接接触，灰尘携带的重金属可以通过气孔进入叶片内部，相关学者对绿化植物叶片重金属、滞尘规律及两者之间的关系进行了研究，发现叶面滞尘量与叶面尘中部分重金属呈极显著或显著相关[8-9]，此外，叶片重金属与叶面尘中重金属含量呈极显著正相关[10]。

在城市绿化中利用攀缘植物进行垂直绿化不仅能够拓展城市园林空间，增加城市建筑的艺术美感，还能够增加城市绿化覆盖率[11]。更重要的是，攀缘植物能够有效改善城市生态环境[12-14]。李德林等[12]研究发现五叶地锦能够有效吸附不同粒径的大气颗粒物；江帆[13]发现地锦、五叶地锦、木通的滞尘能力较强。因此，城市攀缘植物对大气颗粒物防治具有重要意义。目前，不同攀缘植物叶片单位面积吸附不同粒径颗粒物量、叶面颗粒物及叶片中重金属含量研究尚属空白。本文对6种攀缘植物叶片吸附不同粒径颗粒物、叶面颗粒物及叶片中重金属含量进行系统研究，旨在揭示叶面颗粒物、叶片中重金属含量与其吸附不同粒径颗粒物之间的关系，同时为筛选抗污能力强及有利于累积重金属的攀缘植物提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品的采集

本实验材料为地锦(Parthenocissus tricuspidata)、五叶地锦(P. quinquefolia)、金银花(Lonicera japonica)、凌霄(Campsis grandiflora)、七姊妹(Rose multiflora)、木通(Akebia quinata)。采样点位于在南京林业大学校园内，采样时间为2017年10月。采集叶片的高度约为0.5～2m。在上、中、下不同高度位置均匀采集叶片。采样前2周内无降雨和大风事件，将采集的样品分开装入自封袋中带回实验室，置于4℃冰箱中保存备用待分析。

1.2 不同粒径颗粒物测定

图1 不同植物叶片单位面积吸附总颗粒物量(注：不同小写字母表示在0.05水平上存在差异显著性)

将采集的叶片放入2 0 0 m L 蒸馏水中，超声振荡20min。随后用镊子将叶片小心取出放在报纸上晾干。分别将孔0.2、2.5 和10μm(Whatman Tyle 42，英国)孔径滤纸放置于60℃烘箱中烘干至恒重，取出后用万分之一天平称重，分别得到各孔径滤纸初重(W1)。将已烘干称重的滤纸放置在真空抽滤装置中依次进行3次分级抽滤，具体操作步骤参照Przbysz的方法[15]。抽滤装置包括孔径为100目的网筛、过滤器、滤膜、抽滤泵。滤膜先后放入次序是孔径10、2.5和0.2μm滤膜，依次得到粒径范围为10～100、2.5～10和0.2～2.5μm的颗粒物，滤完后的滤纸放置60℃烘箱中烘干至恒重，再用万分之一天平称重，分别得到各滤纸重量(W2)。用差量法计算各样本中各粒径颗粒物吸附量(W=W2-W1)。用便携式叶面积仪分别测定6种植物的叶表面积(S)，则单位面积吸附不同粒径颗粒物量Q=(W2-W1)/S。

1.3 重金属元素测定

为减少误差，本实验所用化学试剂均为优级纯，所有器皿均放置在10%HNO3溶液中浸泡24h，用自来水冲洗干净，再用超纯水清洗3遍。灰尘样品提取采用洗脱方法，每种植物选取20～50片叶片，用去离子水超声震荡5min，再用毛刷轻轻刷下叶表面灰尘，洗涤后溶液经0.45μm得到载尘滤膜，滤膜烘干至恒重，载尘滤膜用于叶面颗粒物中重金属测定。将上述收集完载尘的叶片再用超纯水冲洗3～4次，置于烘箱内105℃杀青2h后70℃烘干至恒重，粉碎后过60目筛备用称取1.00g备用样品，用于叶片重金属测定。叶面颗粒物和叶片重金属均用HNO3-HF-HclO4法消解定容后[16]，用原子吸收光谱仪(Aanalyst 800，Perkin Elmer Company)测定样品中重金属含量。分析过程中采样国家土壤标准物质GBW07046(GSS-6)进行全程的质量控制，同行每个6个样品随机抽取一个作为平行样，加入2个空白样片同步消解。

1.4 数据处理

采用SPSS 21.0软件进行整理统计，计量采用均数±标准差表示。为验证叶片吸附不同粒径颗粒物的种间差异，对上述参数进行了单因素方差分析(One-way，ANOVA)，并采用了最小显著性差异法(Least Significant Difference，LSD，p<0.05)进行检验。用Microsoft Excel 2003进行制表，用Origin 9.0进行制图。

2 结果与讨论

2.1 不同植物叶片单位面积吸附总颗粒物量

6种攀缘植物单位面积吸附总颗粒物量范围为3.87～12.56mg/cm2，不同植物之间吸附总颗粒物量存在显著差异。五叶地锦叶片单位吸附总颗粒物量最大，高达12.56mg/cm2。组间比较分析表明五叶地锦吸附总颗粒物量显著高于其他5种植物；其次为地锦(7.64mg/cm2)，吸附总颗粒物量显著高于其他4种植物；木通叶片单位面积吸附总颗粒物量为6.87mg/cm2，显著高于凌霄、七姊妹和金银花；凌霄叶片单位面积吸附总颗粒物量为5.12mg/cm2，显著高于金银花，而凌霄和七姊妹(4.57mg/cm2)无显著差异。6种攀缘植物中以金银花吸附总颗粒物量最少，仅为3.87mg/cm2。总体上，6种攀缘植物单位面积吸附总颗粒物量由大到小依次为：五叶地锦>地锦>木通>凌霄>七姊妹>金银花(图1)。

2.2 不同植物对不同粒径颗粒物的吸附特征

将PM>10，PM2.5～10和PM0.2～2.5分别记作大颗粒物、粗颗粒物和细颗粒物。由图2可以看出，6种攀缘植物单位面积吸附大颗粒物质量占总颗粒物量的平均比例均为77%以上，其中金银花、凌霄和五叶地锦叶表面吸附大颗粒物平均比例相近，分别高达84%、83%和82%，说明此2种植物吸附大颗粒物的能力较强。针对粗颗粒物，6种攀缘植物吸附量平均比例为13.2%以上，以木通对粗颗粒物的吸附量最强，占比高达19.7%，说明木通对粗颗粒物的吸附能力较强。

6种攀缘植物对细颗粒物的吸附量远小于大颗粒物和粗颗粒物，平均比例仅为1.93%，其中木通对细颗粒物吸附量占总颗粒物量的3.3%，是6种攀缘植物中对细颗粒物吸附能力最强的植物。总体上，吸附大颗粒物能力由大到小依次为：凌霄>金银花>五叶地锦>七姊妹>地锦>木通；吸附粗颗粒物能力由大到小依次为：木通>地锦>五叶地锦>七姊妹>凌霄>金银花；吸附细颗粒物能力由大到小依次为：木通>金银花>七姊妹>地锦>五叶地锦>凌霄。

2.3 6种攀缘植物叶面颗粒物中重金属含量

如图3所示，6种攀缘植物叶面颗粒物中重金属含量具有显著差异。其中，对叶面颗粒物中Cr富集能力最强的是地锦(135.89mg/cm2)，是富集能力最弱的凌霄(78.74mg/cm2)的1.73倍，其中木通和金银花对叶面颗粒物中Cr的富集能力相当；对叶面颗粒物中Cu富集能力最强的是木通(158.84mg/cm2)，是富集能力最弱金银花(90.63mg/cm2)的1.75倍；其中地锦、五叶地锦和七姊妹对Cu的富集能力相当。对叶面颗粒物物中Pb富集能力最强的是五叶地锦，含量为245.85mg/cm2，其中凌霄和金银花对叶面颗粒物中Pb的富集能力相当。6种植物叶面颗粒物中Zn含量差异最为显著，以五叶地锦富集Zn含量最高，为617.96mg/cm2，是富集能力最弱地锦(386.05mg/cm2)的1.60倍。地锦和五叶地锦对叶面颗粒物中Cd富集能力最强。

2.4 6种攀缘植物叶片内重金属含量

图2 植物单位面积吸附不同粒径颗粒物百分比

图3 6种攀缘植物叶面颗粒物中重金属含量(注：不同小写字母表示在0.05水平上存在差异显著性)

6种攀缘植物叶片内重金属含量存在显著差异，各植物叶片内Zn和Cu含量普遍高于其他重金属。其中，地锦对Cr和Pb的富集能力最强，分别为2.37和3.07mg/cm2；其中七姊妹和木通对Cr的富集能力无差异，七姊妹和金银花对Pb的富集能力无显著差异。五叶地锦对Zn和Cd的富集能力最强，分别为107.24和0.19mg/cm2，凌霄对Cu的富集能力最强，达10.63mg/cm2。五叶地锦对Cu的富集能力最弱(5.15mg/cm2)，其中木通和金银花对Cu的富集能力无显著差异，其他4种植物对Cu的富集能力差异显著。凌霄对Zn和Cr的富集能力最弱，分别为20.17和1.29mg/cm2，其中凌霄和金银花对Zn的富集能力无显著差异。木通对Pb的富集能力最弱(0.98mg/cm2)，七姊妹对Cd的富集能力最弱(0.17mg/cm2)。综上所述，本研究结果说明不同植物对重金属的吸收具有选择性。研究发现叶片重金属含量与污染区重金属来源、植物叶片微形态等密切相关[17]，交通污染区90%的Cu来自制动器的磨损，80%的Pb、Zn来自于汽车尾气排放及轮胎磨损，大气颗粒物中Cu、Pb和Zn浓度较高[18]，与本研究结果一致。进一步说明新庄立交作为交通密集区，频繁的车流量对校园内大气颗粒物中Cu、Pb和Zn金属含量影响显著(表1)。

2.5 植物叶面颗粒物中重金属与单位面积吸附不同粒径颗粒物量的相关性

由表2可知，植物叶面颗粒物中重金属除Cu之外，其他4种重金属均与不同粒径颗粒物之间表现出不同程度的正相关关系，表明叶面颗粒物中不同粒径颗粒物含量对叶面颗粒物中富集重金属产生影响，即吸附颗粒物含量越多，叶面颗粒物中重金属越高。其中Pb和Zn与不同粒径颗粒物之间的相关系数均达到极显著相关水平，均表现出在细颗粒物上吸附极显著正相关，其次为大颗粒物、总颗粒物和粗颗粒物。Cr、Pb和Zn与细颗粒物的Pearson相关系数分别为0.760、0.759和0.813，表明校园内大气悬浮颗粒中大部分重金属主要分布在细颗粒物中。根据上述研究可知，植物叶片单位面积吸附细颗粒物量较少，但大部分重金属与细颗粒物量呈极显著正相关。因此，大气悬浮细颗粒物中重金属含量不容小觑。研究显示交通燃油排放和车辆机械损伤是细颗粒物的主要来源[19]，本研究区域临近立交桥附近，说明重金属污染程度与繁忙的交通活动密切相关。

2.6 植物叶片中重金属与单位面积吸附不同粒径颗粒物量的相关性

通过计算植物叶片中重金属与单位面积吸附不同粒径颗粒物量的相关系数可知(表3)，植物叶片中重金属Cr与细颗粒物呈极显著正相关，相关系数为0.787，说明细颗粒物是叶片中Cr的重要来源。Cu与颗粒物之间的关系均呈极显著负相关，可能与叶片中Cu主要从大气中吸收有关[20]。细颗粒与叶片中Pb、Zn和Cd无显著关系，可能由于细颗粒物质量占比较低，对叶片中部分重金属贡献较小有关。除细颗粒物外，其他粒径颗粒物均与叶片中Pb、Zn和Cd含量呈极显著正相关。杨淏舟等[21]研究发现叶片内Pb和Zn含量与叶片滞尘量相关性较强，与本研究结论一致。Cu和Zn与粗颗粒物相关系数呈极显著正相关，相关系数分别为0.717和0.870。研究表明Cu来自制动器的磨损，Zn来自汽车尾气排放及轮胎磨损[18]，说明叶片中重金属含量与区域交通活动密切相关。

2.7 植物叶面颗粒物与叶片中重金属的相关性

通过计算植物叶面颗粒物与叶片中重金属之间的相关系数，结果如表4所示，叶面颗粒物中Cr与叶片中Cr、Cd之间表现出极显著正相关关系；叶面颗粒物中Cu与叶片中Cd之间呈极显著正相关关系；叶面颗粒物中Pb与叶片中Pb、Zn和Cd之间呈极显著正相关关系；叶面颗粒物中Zn与叶片中Zn呈极显著正相关关系；叶面颗粒物中Cd与叶片中Pb、Zn和Cd呈极显著正相关关系。综上所述，本研究叶片中各重金属含量受到叶面颗粒物中各重金属含量的影响显著。此外，叶面颗粒物中Cu-Pb、Pb-Zn、Cd-Cr呈极显著正相关，叶片中Zn-Pb、Cd-Cr、Cd-Pb、Cd-Zn呈极显著正相关，表明大部分重金属具有同源性。

表1 叶片中各重金属含量(mg/kg)

表2 叶面颗粒物中重金属与不同粒径颗粒物量的相关系数

表3 叶片各重金属与不同粒径颗粒物量的相关系数

表4 植物叶面颗粒物与叶片各重金属含量的相关系数

3 结论

1)6种攀缘植物单位面积吸附总颗粒物量由大到小依次为：五叶地锦>地锦>木通>凌霄>七姊妹>金银花。五叶地锦叶片单位吸附总颗粒物量最大，高达12.56mg/cm2。组间比较分析表明五叶地锦吸附总颗粒物量显著高于其他5种植物。

2)6种攀缘植物单位面积吸附大颗粒物质量占总颗粒物量的平均比例均为77%以上，其次为粗颗粒物，细颗粒物占比最低。总体上，吸附大颗粒物能力由大到小依次为：凌霄>金银花>五叶地锦>七姊妹>地锦>木通；吸附粗颗粒物能力由大到小依次为：木通>地锦>五叶地锦>七姊妹>凌霄>金银花；吸附细颗粒物能力由大到小依次为：木通>金银花>七姊妹>地锦>五叶地锦>凌霄。

3)6种攀缘植物叶面颗粒物中重金属含量具有显著差异。其中，地锦叶面颗粒物中Cr含量最大，木通叶面颗粒物中Cu含量最大，五叶地锦叶面颗粒物中Pb、Zn和Cd含量最大。6种攀缘植物叶片内重金属含量存在显著差异，各植物叶片内Zn和Cu含量普遍高于其他重金属。不同植物对重金属的吸收具有选择性。地锦对Cr和Pb的富集能力最强五叶地锦对Zn和Cd的富集能力最强，凌霄对Cu的富集能力最强。

4)植物叶面颗粒物中重金属除Cu之外，其他4种重金属均与不同粒径颗粒物之间表现出不同程度的正相关关系，表明叶面颗粒物中不同粒径颗粒物含量对叶面颗粒物中富集重金属产生影响，即吸附颗粒物含量越多，叶面颗粒物中重金属越高。

5)除细颗粒物外，其他粒径颗粒物均与叶片中Pb、Zn和Cd含量呈极显著正相关。可能由于细颗粒物质量占比较低，对叶片中部分重金属贡献较小有关。

6)叶片中各重金属含量受到叶面颗粒物中各重金属含量的显著影响。叶面颗粒物中Cu-Pb、Pb-Zn、Cd-Cr呈极显著正相关，叶片中Zn-Pb、Cd-Cr、Cd-Pb、Cd-Zn呈极显著正相关，表明大部分重金属具有同源性。

注：文中图片均由作者绘制。