乌鲁木齐河滩快速路绿化树种不同器官重金属含量的比较

卡得力亚·加帕尔，玉米提·哈力克*，史 磊，丁全斌，美合日阿依·希尔亚孜旦,3

(1.新疆大学 资源与环境科学学院/新疆维吾尔自治区绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；2.乌鲁木齐市林业和草原局(市园林管理局) 燕尔窝风景区管理处，新疆 乌鲁木齐 830049；3.和田师范专科学校，新疆 和田 848000)

重金属是城市生态系统中常见的污染物之一，由于难分解、易累积，对动植物和人类健康造成影响[1]。随着乌鲁木齐市机动车拥有量的急速增长，交通尾气和降尘中的重金属污染引起了广泛的重视[2]。城市交通排放的重金属颗粒会沉积在路边的绿化带土壤中，由绿化植物吸收而逐步富集[3]。已有研究表明[4-6]，草本、地衣植物重金属富集能力较强，但在乌鲁木齐等干旱区绿洲城市，由于灌溉用水的限制，草本和地衣植物量少，主要依靠乔灌木绿化植物来降低大气和土壤中的重金属含量。众多研究表明[7-12]，绿化植物的配置结构、年龄、物候以及树木种类、株高、胸径、树冠、叶片密度等差异会影响植物对重金属的富集能力。此外，同一树种不同器官的重金属富集能力也有显著差异[13]。

然而，针对干旱区绿化植物叶片、树枝、树皮等不同器官对重金属的吸收能力的研究相对较少。此外，城市绿地维护工作中定期对路边乔灌木叶片、树枝进行修剪，而正是树木不同器官对周围环境中的重金属具有一定的吸收和富集作用。因此，探索干旱区城市绿化树种不同器官重金属富集能力，对合理配置城市绿化树种以及促进城市生态环境的良性循环具有重要意义。

本研究以乌鲁木齐市河滩快速路绿化带5种常见行道树为样本，分别测定其叶片、枝条、树皮中Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Mn等6种重金属元素的含量(文中提到的含量均为质量分数)，并通过隶属函数法对5种绿化树木叶片、树枝和树皮等不同器官的重金属富集特征进行对比分析，旨在对乌鲁木齐市城市绿化树种的筛选与合理管理提供理论参考。

1 研究区概况

乌鲁木齐市地处亚欧大陆腹地(42°45′-45°20′N，86°37′-88°58′E)，行政区域面积为1.2×104km2，2019年底常驻人口为355.2×104[14]。地处中温带大陆性干旱气候，年平均气温6.6 ℃，年均降水量270 mm，年均风速2.5 m·s-1。乌鲁木齐河滩快速路是贯通城市南北区的主干道，全长28 km，现有道路绿地面积262 hm2。该路段绿化树种相对丰富，且涵盖了乌鲁木齐城市街道绿化中的主要树种。常见的树种有白榆(Ulmuspumila)、云杉(Piceaasperata)、大叶白蜡(Fraxinusrhynchophylla)、山楂(Crataeguspinnatifida)、丁香(Syringaoblata)、新疆杨(Populusalbavar.pyramidalis)、圆冠榆(Ulmusdensa)、垂柳(Salixbabylonica)、复叶槭(Acernegundo)、榆叶梅(Prunustriloba)、夏橡(Quercusrobur)、海棠(Malusspectabilis)等[6,15]。

2 材料与方法

2.1 样品采集

选取乌鲁木齐河滩快速路广汇桥至珠江桥段为研究区，该路段是乌鲁木齐市城南主要进城入口及道路交汇点，车流量较大，周围没有明显工业污染源，汽车尾气排放严重。野外样品采集工作在2018年5-6月进行，在该路段两侧绿化带离快速路10～20 m距离，植物生长茂密处设定3个取样点，根据林带配置结构和园林植物种类、多度、频度，筛选了海棠、山楂、丁香、白榆、大叶白蜡等5种常见乔木。各样点内每种树选取3棵胸径基本一致的健康树木，分别用高枝剪和树皮刮刀对其叶片、枝条和树皮进行采集。为减少误差，从树冠的东、南、西、北4个方向，在整个冠层内均匀采样，装入密封袋，带回实验室测定分析。采集叶片时，选择长势良好的叶片，数量为15～20片；采集树枝时，为减少给树木带来的损失，以树梢前端幼嫩枝条为主，取4～5枝；采集的树皮样品大小为4～5 cm2，取5～6个。

2.2 样品预处理与测定方法

样品带回实验室后，用自来水清洗1次，超纯水清洗3次，在105 ℃烘干箱杀青30 min，相继60 ℃烘干至恒重；随后将已烘干的植物样品粉碎(FZ570型粉碎机)，过100目筛后保存至自封袋。

准确称取0.2 g已粉碎好的样本于消解管中，加入8 mL混合酸HClO4-HNO3-H2SO4(6∶1∶1)，振荡均匀，用带孔管塞塞严，静置过夜。然后在马弗炉上80 ℃消解3～4 h至溶液变绿，140 ℃加热30 min，然后置于180 ℃继续消解1 h。取出消化管，冷却至室温，每管加入1 mL浓硝酸，180 ℃加热1～2 h，至溶液透明澄清，产生白烟，反应达到终点。经过冷却，过滤，定容到10 mL。

采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Mn的含量测定，每种植物测定3个样品，重复3次，取均值。在测试过程中，使用国家标准物质样品信息中心[GBW 10052(GSB-30)]作标样进一步验证测试的精度和稳定性。

2.3 植物重金属富集能力评价

隶属函数评估法是通过模糊数学原理，利用函数法进行综合评估。采用隶属函数法来对植物的富集能力进行评价[13,16]。计算5种植物的隶属函数值，最后根据平均值综合评价植物对Cu、Pb、Zn、Ni、Mn和 Cr的综合富集能力。计算公式为：

X(μ)=[X-Xmin]/[Xmax-Xmin]

(1)

式中：X为鉴定样品某一指标的测定值；Xmax、Xmin为测定值中的最大和最小值。

采用Excel 2010进行数据预处理，SPSS 17.0进行方差分析、相关性分析；图表可视化通过Origin 2019和Excel 2010来完成的。

3 结果与分析

3.1 不同植物富集的重金属含量

5种植物叶片、树枝和树皮中重金属总含量平均值见表1。不同植物器官对重金属元素富集能力具有明显差异。Cu元素在5种植物体内的平均含量幅度为48.87～81.63 mg·kg-1；其中，大叶白蜡的Cu含量最高，为81.63 mg·kg-1，海棠的最低，为48.87 mg·kg-1；对于Pb元素，除了富集含量最高的海棠(41.05 mg·kg-1)之外，其他植物的富集量较均匀。5种绿化树种对Cr和Ni的富集特征具有一定的相似性，其中山楂的富集含量最高，分别为42.74 mg·kg-1和34.22 mg·kg-1。5种树木对Zn元素的富集能力较均匀；其中，较突出的为山楂，333.52 mg·kg-1。对Mn元素各植物的富集含量相差较大，其中山楂的富集含量高达293.27 mg·kg-1，而海棠树的相对较低至94.98 mg·kg-1。

表1 5种绿化树木体内重金属平均含量

将某一种植物单一元素的富集含量除以该元素5种植物总富集量得到不同植物的富集比(图1)。结果显示，大叶白蜡和山楂对Cu元素富集能力最强，各占5种树木总Cu含量的16.16%和15.50%；海棠对Pb元素的富集比最高，可达14.01%，其他植物对Pb的富集比差异较小；山楂对Cr、Ni、Zn、Mn元素的累积含量较高，所占百分比分别为25.18%、20.96%、24.02%、31.97%。

聚类分析热图将5种园林植物聚为3类(图2)。山楂为第1类，重金属总含量累积为820.016 mg·kg-1，富集的Zn和Mn元素含量相对很高；白榆、大叶白蜡和丁香为第2类，重金属总含量356.337～461.402 mg·kg-1，对Cu、Pb、Zn、Mn元素富集能力相对较强。第3类为海棠，其富集的重金属总含量为267.618 mg·kg-1。

3.2 不同器官积累的重金属含量特征

不同植物叶片、树枝及树皮的重金属富集含量有所差异(图3)。叶片、树枝和树皮的Cu含量见图3-Cu。树皮中，大叶白蜡和白榆的Cu含量高于其树叶和树枝。大叶白蜡树皮的Cu含量高达41.24 mg·kg-1，与Cu含量最低的海棠相比高出2.5倍。叶片中，山楂的含量最高，达42.41 mg·kg-1；海棠树依然最低，17.65 mg·kg-1。树枝中所有树种平均Cu含量较低，为14.05～23.87 mg·kg-1。

从各器官的Pb含量来看(图3)，海棠、白榆、山楂叶片的Pb含量均高于枝条和树皮。海棠叶片中Pb含量最高，为20.73 mg·kg-1。对比之下，大叶白蜡的累积含量最低，为11.14 mg·kg-1。5种植物的树枝富集含量相对较接近，为10.37～11.38 mg·kg-1。所有树种枝条与树皮间的Pb含量差值较小。海棠的叶片与枝条、树皮间含量差值比较大。

不同器官的Cr含量(图3)山楂和白榆叶片的含量较高，其中山楂高达23.49 mg·kg-1。树皮中山楂含量较高(11.91 mg·kg-1)；相比之下，树枝富集含量较低。不同器官Ni含量5种树木树枝富集Ni的能力相差不大，而山楂的叶片对其呈现较强的富集效应；相对而言，其他树种叶片富集能力较弱。树皮中大叶白蜡的含量最高，为8.84 mg·kg-1；海棠最低，为2.34 mg·kg-1。

从图3可见，叶片尺度上，5种树木对Zn的累积含量相差较大，其中，山楂为218.97 mg·kg-1，其余4种树木Zn含量为21.00～61.84 mg·kg-1。树皮尺度上，除最低的海棠树(15.51 mg·kg-1)，其余较均匀(42.93～69.12 mg·kg-1)；树枝中各树种Zn含量相差并不大，最高为山楂(61.20 mg·kg-1)，最低为海棠(21.87 mg·kg-1)。叶片中山楂的Mn含量高达262.44 mg·kg-1，与其树枝、树皮含量差异显著；树皮中丁香的Mn累积含量最高(109.97 mg·kg-1)。

分析叶片、树枝、树皮中重金属含量相关性(表2)。叶片中Cu与Cr、Ni、Zn和Mn呈极显著相关，与Pb呈负相关，相关系数为-0.101。树枝中Cu与Mn呈显著相关性，相关系数为0.891；Ni与Cu、Pb和Mn呈负相关性，相关系数分别为-0.586、-0.294和-0.387。树皮中Cu与Cr呈负相关，负相关系数为-0.406,其他元素未呈现相关性。

表2 叶片、树枝、树皮中不同重金属的相关性

通过不同器官相关性分析可知，叶片的重金属含量与树枝的重金属含量呈极显著相关，相关系数为0.444；叶片与树皮之间未呈现相关性，而树枝与树皮之间呈极显著相关性，相关系数为0.572(表3)。

表3 不同器官中重金属含量相关性

3.3 5种绿化树种重金属富集能力排序

通过隶属函数值的对比来判断5种植物的重金属富集能力，其中 Δ 值越大表示植物富集能力越强(表4)。根据Δ 值可看出，山楂的重金属富集能力最强。乌鲁木齐市河滩快速路绿化带5种树木中对6种重金属综合富集效果较强的为山楂和丁香，而海棠的富集能力相对较弱。

表4 不同树种对6种重金属富集能力的隶属函数值

4 结论与讨论

4.1 结论

不同器官(树叶、树枝及树皮)中重金属富集含量差异因重金属种类不同而异。3种器官而言，叶片与树枝具有极显著相关性，与树皮无相关；树皮与树枝呈现极显著相关性。

6种重金属在各器官的相关性有所不同。叶片中，除Cu与Cr呈负相关，其他均呈极显著正相关；树皮中6种元素未呈现显著相关性；树枝中Cu与Mn具有显著相关性。

山楂和丁香对6种重金属元素的综合富集能力较强，可作为乌鲁木齐市城市环境绿化中优先选择的绿化物种。

4.2 讨论

乌鲁木齐市河滩快速路绿化带5种绿化树种对不同重金属的富集含量各不相同。每种植物对Mn、Zn、Cu的累积能力普遍较强，这可能与城市交通区域大气中重金属颗粒物浓度偏高有关[17]。此外，李彩霞等[18]对长沙市绿化带内乔木枝叶重金属富集能力研究而提出的“乔木对Cu的富集能力普遍较低”的结论与本研究相反，原因可能由于本研究主要在干旱区多风沙地区进行，样本采集涉及植物多种器官(枝、叶、皮)，多器官研究对植物重金属富集能力提供更充分的依据。

植物叶片吸收的重金属来自大气污染沉降和根系提供的营养矿物质元素。本研究结果显示，叶片和树皮对重金属元素的富集贡献较大。特别是叶片对Mn、Zn的富集效能明显于其他器官。整体而言，叶片的重金属富集能力较强于树枝和树皮，这可能是因为叶片在光合作用中吸收体外气体，也可能积蓄重金属元素而敦促物质代谢，这与东部沿海城市的研究结果基本一致[9]。根据本研究结果可知，城市园林植物的树皮可以积累大气和土壤中的重金属，但叶片仍是对重金属富集方面起主导作用。

本研究结果显示，树叶中的部分重金属之间具有一定的显著相关性，而在树皮中却呈现微弱相关性。这可能由于植物不同器官的富集重金属途径不同而造成的；树皮更倾向于从根系土壤中吸收重金属元素，而叶片更善于从大气中吸收重金属[19-20]。此外，相比于其他城市，乌鲁木齐市近几年机动车流量剧增，道路交通密度、排染重金属含量也随之增加，促进了其累积到绿化带土壤中和园林植物体内[3,21-22]。

研究得出，乌鲁木齐市河滩快速路绿化带同一种植物的树叶、树枝及树皮中重金属含量有所差异，表明植物不同器官的重金属富集能力具有显著差异性，这与大多数研究结论一致[13,16]。植物不同器官富集重金属能力可能受到植物体内复杂的生理机制等内在因素，并大气、土壤等外界环境因素以及交通工具等污染源的综合影响[23-24]。本研究中未展开所选植物生理机制和区域污染物来源分析，今后的研究中应综合考虑植物根系与其他器官的相关研究，以及大气和土壤的重金属本底值为参考依据，力求解析园林植物各器官内积累的重金属元素的来源。