贺 丹，李朝梅，华 超，李思洁，雷雅凯，张 曼

(河南农业大学 风景园林与艺术学院，河南 郑州 450002)

随着城市化进程的加快和城市工业的不断发展，大气污染问题日益严重，特别是大气颗粒物污染问题严重威胁人们的身体健康，受到公众的广泛关注[1]。长期暴露于高质量浓度颗粒物环境中，会引起呼吸系统疾病、心血管等疾病，还会增加癌症的发病率[2]。大气中的颗粒物含有大量重金属元素，如Fe、Mn、Pb、Ag、Cu、和Cr等[3-4]，这些元素随着颗粒物沉降到植物表面或经雨水冲刷到地表，使得植物和土壤中重金属含量增加。长期的重金属污染会对植物产生毒害作用，土壤中各种重金属，如铬(Cr)、镉(Cd)、铅(Pb)等元素在多种途径的累积之下，也会加剧对植物生长的影响[1,5]。同时重金属能够通过接触和进入食物链等途径危及人类的生命健康[4,6]。

植物可以通过叶片、枝条等器官拦截和滞留空气颗粒物以及吸收重金属，从而净化空气，减少空气中颗粒物质量浓度及重金属污染。植物的滞尘能力受到叶片自身特征的影响，针叶树种的叶片具有较大的表面积和分泌油脂的特性，使其能吸附更多的PM且不易脱落[7]。阔叶植物滞尘能力的差异主要是叶表结构的不同所造成，密集的绒毛能够增加颗粒物的滞留量[8]。气孔密度大且气孔开口大的树种对PM的滞留能力较强[9]；但也有研究认为，气孔数目、密度以及气孔是否开放与叶片滞留PM的能力无显著关系[10-11]。植物富集重金属的能力也同样受到外界环境及植物自身特性的影响。植物表面重金属颗粒吸附能力的差异、树种的不同、土壤及空气中重金属质量浓度、季节变化、叶表面特征等均会对植物重金属富集能力产生影响；同时，由于这些不同因素的影响以及重金属来源的不同，植物各部位的重金属质量浓度具有差异，使得植物内部和植物物种之间重金属含量具有差异[12-16]。当大气降水较多时，叶片表面的颗粒物容易被冲刷掉，使叶片中的重金属含量降低；叶面积较大以及叶片更接近地面的植物富集重金属的能力更强[16]。测定重金属的方法有原子吸收法、电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法等，而原子吸收法所用的仪器便宜、易操作，具有灵敏度高、受到的干扰较少、测试时间短及检出限低等优点，在分析样品中微量或痕量组分时十分适用[17-19]。

近几年郑州城市发展迅速，空气污染问题亟待解决[3]。植物具有吸滞空气中颗粒物的能力，常见测定叶片滞尘量的方法有差重法、环境扫描电镜法、滤膜法等[20-23]。优化后的滤膜法避免了细小颗粒被滤掉而导致PM10或PM2.5不能完全被收集和准确称量的缺点，且该方法所需仪器设备简单，具有较强的可操作性[22]。本研究选取郑州市常见的10种园林植物，采用优化后的滤膜法测定叶表不同粒径颗粒物的质量。综合考虑试验要求和条件的基础上，采用原子吸收法测定叶片和土壤中的重金属质量浓度，并通过分析叶片滞尘能力和富集重金属元素Pb、Cu、Cr的能力，探讨影响不同植物滞尘能力和富集重金属能力的因素，为郑州市以污染防治为目的的绿化建设提供一定的理论依据，筛选出滞尘能力及重金属富集能力较好的园林植物，运用于城市园林绿化建设之中，进一步改善城市环境质量。

1 材料与方法

1.1 研究区与树种选择

城市中心受人类活动的影响较早，城市土壤更易被污染，重金属含量较高[24-25]，且空气污染较为严重。为探究郑州市(34°16′-34°58′N，112°42′-114°14′E)园林绿化树种的滞尘能力以及富集重金属元素的能力，选取郑州市中心城区的公园为试验样地(图1)，选择10种常见的园林植物为试验材料(表1)。

表1 试验选择树种

图1 试验场地示意图和样点分布

1.2 样品采集

植物叶片和土壤样品采自11月，样品的采集均在1 d内完成。采集当天天气晴朗或多云，无风或者风速小于1 m·s-1；并且在样品采集前7 d内无降雨及大风天气发生，以避免对叶片的滞尘能力造成影响。植物叶片的采集：从样地中选择3株长势良好的树木，在每株样本树的4个方向随机采集数量不等的叶片。乔木叶片采集高度为1～1.5 m，灌木采样高度为0.5～1 m。采集的叶片要求无病虫害、生长良好且叶片完整，并小心放入自封袋内，避免抖动，带回实验室4 ℃保存并及时进行处理。土壤样品的采集：用土钻采集样树根部附近0～20 cm深的土壤，采用四分取样法，并现场将土壤进行混合，取大约500 g土壤带回实验室，取3次重复。

1.3 叶表面颗粒物测定

采用刘玉军等[26]的方法测定植物叶片表面滞留不同粒径颗粒物(TSP、PM>10、PM10、PM2.5)的质量，并根据叶面积计算得出单位面积TSP、PM>10、PM10、PM2.5的质量。

1.4 重金属含量测定

将洗去表面颗粒物的叶片用去离子水再清洗3遍，晾干水分后放入烘箱中在105 ℃下杀青30 min，再用60 ℃烘干至恒重；将烘干的叶片粉碎、研磨，过0.2 mm筛，放入自封袋中4 ℃保存待测。将土壤晾干，除去其中的石块、树根等其他杂质，研磨后过0.2 mm筛，放入自封袋中4 ℃保存待测。

称0.1 g待测样品，加入9 mL盐酸与硝酸混合液(HCl∶HNO3=1∶2)和2 mL HF进行消解。植物叶片样品以及土壤样品均采用原子吸收分光光度计测定样品中重金属元素Pb、Cu、Cr的质量浓度，重复3次。

1.5 数据分析

试验数据使用Excel、SPSS22.0、Origin2021软件进行分析和绘制图表。采用单因素方差分析法(ANOVA)分析不同树种叶片滞尘量及重金属含量差异，若差异显著，进行多重比较；并分析叶片颗粒物质量和重金属质量浓度之间的相关性。

采用富集系数评价植物叶片对土壤中重金属的富集能力(BCFi)(质量浓度，下同)[27]。其公式为：BCFi=Li/Si，式中：Li为第i个植物叶片的重金属含量；Si为对应土壤样品重金属含量(质量浓度，下同)。

2 结果与分析

2.1 不同园林植物滞留大气颗粒物能力分析

由图2可知，10种园林植物中，针叶树种雪松和龙柏的TSP滞留能力较强，单位面积滞尘量分别达到2.97 g·m-2和2.61 g·m-2，其次是石楠(2.40 g·m-2)、夹竹桃(2.37 g·m-2)和冬青卫矛(2.17 g·m-2)，南天竹滞尘量最低，仅0.65 g·m-2，其余树种滞尘量在1.53～1.72 g·m-2。滞尘量较强的雪松和龙柏分别约为南天竹滞尘量的4.6倍和4倍，不同植物叶片单位叶面积吸附颗粒物的质量具有显著差异(P<0.05)。从不同粒径滞尘量来看，雪松和龙柏对PM>10的滞留能力依旧较强，分别为1.53 g·m-2和1.40 g·m-2，其次是冬青卫矛(1.31 g·m-2)，南天竹最小，仅为0.39 g·m-2；捕获PM10效果最好的树种为夹竹桃，其次是雪松；10种植物吸附PM2.5的质量浓度从大到小排序为：夹竹桃(1.45 g·m-2)>雪松(1.35 g·m-2)>石楠(1.29 g·m-2)>龙柏(1.17 g·m-2)>冬青卫矛(0.75 g·m-2)>锦带花(0.64 g·m-2)>棣棠花(0.41 g·m-2)>海桐(0.25 g·m-2)南天竹(0.21 g·m-2)>洒金东瀛珊瑚(0.14 g·m-2)，PM2.5滞留量最高的夹竹桃约为洒金东瀛珊瑚的10倍。

从滞留不同粒径颗粒物(PM>10、PM2.5-10和PM2.5)的质量百分比来看，大部分树种以滞留粗颗粒物(PM>10)为主(图3)。除夹竹桃和石楠外，其余8种植物对粒径大于10 μm的颗粒物滞留能力较强，滞留PM>10的百分比在52%～86%，洒金东瀛珊瑚叶表滞留PM>10的质量百分比最高(86%)，其次是海桐(76%)，雪松和龙柏最低，分别为52%和54%。各树种捕获粒径为2.5～10 μm颗粒物的质量百分比均较小，在1%～7%。夹竹桃和石楠吸附PM2.5的质量百分比最大，分别为61%和54%，其余8种植物叶表滞留PM2.5的百分比在11%～45%，其中最大的是雪松和龙柏，均为45%。其次是锦带花、棣棠花和冬青卫矛，PM2.5质量百分比分别为42%、35%和35%，洒金东瀛珊瑚最少，仅11%。

注：不同小写字母表示在0.05水平上差异显著(P<0.05)。下同。

图3 10种园林植物不同粒径颗粒物组成特征

2.2 不同园林植物及对应根际土壤中3种重金属含量分析

供试树种叶片及其根际土壤中3种重金属元素的含量见图4。植物叶片中3种重金属元素的含量差异显著(P<0.05)。植物叶片Pb含量最高的是锦带花(3.96 mg·kg-1)，含量最低的是龙柏(1.13 mg·kg-1)，锦带花叶片中重金属Pb的含量约为龙柏的3.5倍，其余8种植物叶片Pb含量在1.25～3.25 mg·kg-1。叶片中重金属Cu的含量在0.963～12.423 mg·kg-1，从高到低排序为夹竹桃>棣棠>冬青卫矛>锦带花>南天竹>海桐>石楠>龙柏>雪松>洒金东瀛珊瑚，Cu含量最高的夹竹桃是洒金东瀛珊瑚的12.9倍。不同植物叶片中Cr含量在0.630～10.758 mg·kg-1且差异明显，含量最高的是洒金东瀛珊瑚，达到10.76 mg·kg-1；含量最低的是锦带花，仅为0.63 mg·kg-1；两者Cr含量相差约17倍。

图4 10种园林植物叶片及其对应土壤中 重金属Pb、Cu、Cr的含量

10种园林植物根际土壤中3种重金属元素的含量差异显著(P<0.05)(图4)。土壤中重金属Pb含量在21.72～31.23 mg·kg-1，冬青卫矛对应的土壤中Pb含量最高，龙柏根际土壤中Pb含量最低(21.72 mg·kg-1)。根际土壤中Cu含量排名前四的依次为：棣棠花、冬青卫矛、龙柏和锦带花。夹竹桃根际土壤中Cr含量最高(58.05 mg·kg-1)，其次为棣棠花和海桐，雪松对应土壤中，Cr含量最低(40.70 mg·kg-1)。

2.3 不同植物对土壤中3种重金属的富集能力

由于不同植物具有不同的生理特性，且各样地土壤中重金属含量之间具有差异，不同植物叶片重金属富集系数也不同(图5)。植物叶片对重金属元素Pb、Cu、Cr的富集系数范围分别为0.052～0.146、0.076～1.070、0.015～0.236。各植物叶片对重金属的富集能力差异显著(P<0.05)。其中，夹竹桃叶片对重金属Cu的富集系数大于1，其叶片中Cu的含量大于土壤中的Cu含量。10种植物对Cu的平均富集系数达到0.321，对Cr的平均富集系数为0.094，对Pb的平均富集系数仅为0.085。10种植物叶片对3种重金属元素中Cu的平均富集能力最大。不同植物3种重金属平均综合富集系数最大的是夹竹桃，最小的是龙柏。

图5 10种植物对3种重金属元素的富集系数

2.4 植物叶片重金属与颗粒物及土壤重金属的相关性分析

10种园林植物颗粒物平均总滞尘量为1.84 g·m-2；PM>10的平均滞留量为1.02 g·m-2；PM10和PM2.5的平均滞尘量分别为0.82 g·m-2和0.76 g·m-2。由图6可见，叶片中Pb含量与叶片滞留TSP、PM10和PM2.5的质量呈显著相关(P<0.05)，叶片中Cu含量与叶片滞留PM>10的质量呈显著负相关(P<0.05)；叶片中重金属元素Cr与空气中TSP质量浓度呈极显著负相关(P<0.01)，与空气中PM10、PM2.5和PM1的质量浓度呈显著负相关关系(P<0.05)。

不同样地中土壤重金属元素Pb的含量范围为21.72～31.23 mg·kg-1，Cu的含量在10.54～18.08 mg·kg-1，Cr含量为40.70～58.05 mg·kg-1。其中Cu和Cr的平均含量均低于河南省土壤背景值，而Pb的平均含量高于河南省土壤背景值[28]。不同样地中Pb、Cu和Cr含量具有显著差异。通过相关性分析发现，植物叶片中重金属元素Pb含量与其根际土壤中的Pb含量呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤中的Cu呈显著正相关(P<0.05)；同时，土壤中的Pb含量和Cu含量之间呈极显著正相关关系(P<0.01)；土壤Cr含量与叶片Cu含量呈极显著正相关，与土壤Cu含量呈显著正相关；而植物叶片中Cu和Cr的含量与植物根系土壤中Cu和Cr含量之间的相关性不显著(P>0.05)。

3 结论与讨论

3.1 结论

10种园林树木的叶片性状不同，其滞尘能力具有差异，针叶类树种的滞尘能力高于阔叶树种。10种植物中仅夹竹桃的滞尘能力和富集中金属的能力均较强。植物叶片重金属含量与土壤重金属含量、大气中颗粒物质量浓度等因素相关，受到多种因素的共同影响。为进一步改善城市生态环境，在今后郑州市绿化建设的过程中，依据城市空气污染状况，选择滞尘能力强的树种进行种植，如雪松、龙柏、夹竹桃、石楠等树种，以减少空气颗粒物污染；在城市土壤重金属污染区域种植重金属富集系数高的树种，如夹竹桃、棣棠花、锦带花、洒金东瀛珊瑚等园林绿化树种，充分发挥植物吸收重金属的生态功能，改善城市空气质量、减少土壤重金属污染。

3.2 讨论

叶片自身的特性是影响不同植物滞尘量差异的关键因素[11,29-30]。10种植物中，针叶类树种雪松和龙柏的叶片比表面积较大且具有分泌油脂的特性，其滞尘能力高于其他8种植物[31]。夹竹桃和石楠以其明显的叶脉滞留较多颗粒物，滞尘能力较强[32]。南天竹滞尘量最低，这可能与南天竹叶片呈薄革质，且枝干纤细、易受风的影响等有关，江胜利等[33]也同样得出南天竹滞尘能力弱的结论。

不同园林植物叶片吸收重金属的能力不同，同一植物叶片中不同重金属元素的含量也具有显著差异。10种植物中，锦带花叶片对Pb的富集能力最强，Pb含量达到3.96 mg·kg-1，兰欣宇等[34]的研究也得出锦带花叶片Pb含量最高的结论，但其Pb含量约为5.86 mg·kg-1，这可能是受到不同地区重金属背景值的影响。落叶植物棣棠花和锦带花叶片中Pb含量高于其他植物，这可能与落叶植物中Pb含量随着时间的推移不断积累，并在叶片脱落时达到最大值有关[35]。Cu含量在夹竹桃叶片中最高，达到12.423 mg·kg-1，其含量高于土壤中的Cu含量，表明夹竹桃叶片中富集的颗粒物有多种来源，而不只是来自土壤中；夹竹桃对Cu有极强的富集能力。相对于较高的Cu含量，夹竹桃Pb和Cr的含量相对较低。Cr含量最高的洒金东瀛珊瑚，Cu含量却最低，说明植物对不同重金属的吸收具有选择性[36]。10种园林植物中除夹竹桃外，叶片对Pb、Cu和Cr的富集系数均小于1，平均富集系数Cu>Cr>Pb。植物叶片对Cu的平均富集系数较大，这与Cu是植物体生命所需元素之一有关[37]。同一植物可能对某一重金属元素有较强的富集能力，也可能同时对多种重金属元素有较强的富集能力[38]。夹竹桃和棣棠花对Cu的富集能力较强，洒金东瀛珊瑚富集能力弱；棣棠、锦带花和洒金东瀛珊瑚对Pb有一定的富集能力，其余植物对Pb的富集能力低；洒金东瀛珊瑚、冬青卫矛、南天竹、雪松和石楠对Cr有一定的富集能力，其余树种对Cr的富集能力弱。

图6 重金属含量与颗粒物的相关性分析

本研究中叶片滞留颗粒物的质量与叶片Pb、Cu含量呈显著负相关(P<0.05)；叶片中重金属元素Cr与空气中颗粒物质量浓度呈极显著或显著负相关(P<0.05，P<0.01)。这同刘玲等[39]的研究结论不同，可能与郑州市冬季空气污染严重而降雨少，颗粒物堵塞气孔，限制了叶片的气孔导度，从而导致进入叶片中的重金属减少[12]。叶片Pb含量与根际土壤中Pb含量呈极显著正相关(P<0.01)，表明叶片中Pb主要来源于土壤，在一定范围内，土壤中Pb质量浓度能够促进植物叶片中的Pb含量，这与李少宁等[40]的研究结论相同。而Cu和Cr 2种重金属在叶片和土壤中的含量相关性不显著(P>0.05)，这可能是因为叶片中的Cu和Cr仅有小部分来自土壤，受土壤中重金属含量的影响，更多是受到空气颗粒物、施肥等外界因素的影响，以及植物自身对重金属由下到上运输能力的影响[13,16,40-42]。因此，植物叶片重金属含量与大气中重金属的污染情况、颗粒物质量浓度、植物叶片生理状况、叶面特征等诸多因素相关[12-13]，这些因素共同构成了植物叶片重金属含量的差异。而土壤中Pb-Cu具有极显著正相关关系(P<0.01)，土壤中Cr-Cu呈显著正相关(P<0.05)，说明土壤元素之间具有较强的同源性。