煤礦型城市綠化樹種葉片吸收大氣重金屬能力比較

彭舜磊,李 鵬,郭惠彬,廖秉華

(1.平頂山學院 化學與環境工程學院,河南 平頂山 467000；2.平頂山學院 旅游與規劃學院,河南 平頂山 467000)

煤礦型城市綠化樹種葉片吸收大氣重金屬能力比較

彭舜磊1,李 鵬2,郭惠彬1,廖秉華1

(1.平頂山學院 化學與環境工程學院,河南 平頂山 467000；2.平頂山學院 旅游與規劃學院,河南 平頂山 467000)

選取頂山市的6種常見綠化樹種楊樹、構樹、大葉女貞、二球懸鈴木、側柏、石楠為研究對象，分析了這些樹種在不同功能區對5種大氣重金屬(鉛、鎘、鉻、銅、鋅)元素的吸存能力。結果表明：電廠、礦區污染較大的區域，綠化樹種葉片對大氣重金屬元素的吸存量顯著大于公園風景區、郊區污染較輕的區域，不同樹種對重金屬的吸存能力存在顯著差異(P<0.05)。石楠對鉛的吸存量最高(9.78 mg/kg)，大葉女貞對鉛的吸存量最低(0.97 mg/kg)；楊樹對鎘的吸存量最高(1.45 mg/kg)，構樹對鎘的吸存量最低(0.01 mg/kg)；側柏對鉻的吸存量最大(1.82 mg/kg)，石楠對鉻的吸存量最小(0.01 mg/kg)；楊樹對銅的吸存量最高(11.98 mg/kg)，而石楠對銅的吸存量最低(2.42 mg/kg)；石楠對鋅的吸存量最高(9.78 mg/kg)，側柏對鋅的吸存量最低(0.78 mg/kg)。

綠化樹種；大氣重金屬；吸存能力；煤礦型城市

近幾年，我國資源型城市的大氣污染嚴重，大氣顆粒物中富含銅、鋅、鎘、鉻等重金屬[1]，這些重金屬的嚴重超標對城市居民的身體健康造成了嚴重影響。因此，對大氣重金屬的科學監測與防控已經成為生態城市建設的主要任務。

植物通過葉片氣孔能夠吸存大氣重金屬污染物[2]，城市綠化樹種葉片中重金屬的富集量與大氣中的重金屬含量呈正比[3]，可用植物來指示大氣中重金屬的污染狀況。陳學澤等[4]研究表明：株洲市的香樟和夾竹桃等能很好地吸收大氣重金屬。梁鴻霞等[5]認為南充市的萬年青和小葉榕等對大氣重金屬有很好的富集作用。閆小紅等[6]研究表明：江西省吉安市的紫葉李、小葉黃楊等闊葉樹種對重金屬的富集能力明顯低于針葉樹種雪松、圓柏。Fatoki[7]在Ile-Ife地區研究得出相似的結論。王崇臣[8]研究了北京優勢行道樹種國槐對重金屬的吸收能力，結果表明：國槐葉片對大氣重金屬污染物吸收累積能力高于其他樹種。楊雪梅[9]的研究表明：國槐對重金屬的吸收能力大于懸鈴木和楊樹。不同綠化樹種對大氣重金屬吸存能力的差異與區域大氣重金屬污染物濃度、樹種的生理生態特性以及生長季節的差異有關[10-11]。不同區域的綠化樹種對大氣重金屬的吸收和富集能力并不相同。目前，針對平頂山市綠化樹種對大氣重金屬的吸存能力尚缺乏深入研究。

平頂山市為典型的煤炭型城市，礦區粉煤灰和熱電廠煙塵排放導致該市的大氣重金屬污染極其嚴重。本文通過探討平頂山市不同城市功能區的綠化樹種對大氣重金屬吸存能力的差異，并選擇出對大氣重金屬吸存能力較強的適宜的綠化植物，而且能夠為資源型城市大氣重金屬污染程度的監測與防控提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

平頂山市位于河南省中南部，總面積8802 km2，處于暖溫帶向亞熱帶的過渡帶。平頂山市是我國典型的煤炭資源型城市，作為中原的大煤倉，煤炭業是平頂山發展的支柱產業。但是礦山的開采和火力發電廠等煤炭燃料的燃燒導致能源過度消耗和高污染物排放，使平頂山市的大氣污染程度日益嚴重。

1.2 樣區選擇

在平頂山市區布點采樣(表1)，根據不同大氣污染程度進行樣點布置，人流量大、交通流量多的區域(城市中心區)，煤炭開采、電廠污染嚴重的區域(電廠、礦區)作為主要監測區，對照區(公園風景區)和郊區為相對較清潔的區域。

表1 平頂山市樣區劃分和采樣地點概況

1.3 材料選擇

根據平頂山市區綠化樹種的分布，實地調查選擇以下6種綠化植物作為樣本(表2)。

表2 樣區內主要樹種情況

1.4 樣品的采集與處理

1.4.1 葉片的采集及處理 根據對平頂山市不同功能區的劃分，分別在公園風景區、城市中心區、郊區、電廠、礦區采集葉片，于2015年7月20～30日連續采樣。采集時各個采樣區內各個樹種的樹齡、生長情況等盡量保持一致，選取的樹樣葉片葉齡和著生位置(東、西、南、北4個位置)大致相同，且健壯的成熟葉片，置于自封袋中、編號，帶回實驗室。

將采集的葉片用自來水洗凈后，用蒸餾水漂洗2～3次，再用去離子水沖洗2～3次，自然晾干。晾干后用高速粉碎機粉碎至粉末狀并過100目檢測篩，干燥保存待測。

稱取上述葉片樣本0.5 g置于試管中，加入6 mL HCLO4、1 mL HNO3、1 mL H2SO4混合酸，加熱至80 ℃，放置一定時間至溶液變綠，再次加熱至180 ℃大約1 h后冷卻至室溫，加入1 mL濃HNO3，溫度再次升至180 ℃直至產生白煙為止，冷卻至室溫。按步驟取下試管，過濾將液體定容到50 mL容量瓶中。取10 mL溶液使用的儀器是原子分光光度計檢測重金屬含量，每個樣本檢測3次。

1.4.2 土壤的采樣及處理 根據平頂山市不同功能分區內，分別在公園風景區、城市中心區、郊區、電廠、礦區采集土壤，從標定的采集點按蛇形布點法在土壤剖面采集。取回土樣，曬半干壓碎去除雜物，在陰涼處直至風干，過篩，消解后，按國標方法測試土壤重金屬含量。

1.5 葉片重金屬源辨析評價方法 以鋁作為基質污染的標記物，富含因子EF=葉片中(C×/CAL)/土壤中(C×/CAL)，若EF值低于1，元素則來源于土壤；如果值高于1，則葉片中富集的元素主要來源于大氣；如果高于3，則空氣污染較為嚴重(表3)。

表3 不同環境中重金屬Al、Pb、Cu、Zn、Cd、Cr的背景豐度

1.6 數據統計分析

利用SPSS 16.0軟件對各類重金屬在不同區域或不同樹種間的差異進行單因素方差分析，運用Excel 2007軟件處理數據。

2 結果與分析

2.1 不同區域綠化樹種對鉛(Pb)的吸存能力比較

整理比較平頂山市的6種綠化樹種葉片吸存重金屬鉛元素的檢測數據后發現，每種樹種葉片在不同區域對鉛元素的吸存能力存在明顯差異(表4)。

大葉女貞各葉片的重金屬鉛吸存量大小依次為電廠>礦區>城市中心區>郊區>公園風景區，公園風景區的重金屬元素鉛吸存量最小，為0.97 mg/kg；電廠的重金屬元素鉛吸存量最大，為1.44 mg/kg，差異顯著。二球懸鈴木葉片的重金屬鉛吸存量依次為電廠>礦區>郊區>公園風景區>城市中心區，最大的是電廠，為2.86 mg/kg；最小的是城市中心區，為1.29 mg/kg，差異顯著。側柏葉片的重金屬鉛吸存量大小依次為電廠>城市中心區>礦區>郊區>公園風景區，最大的是電廠，鉛吸存量為5.92 mg/kg，最小的是公園風景區葉片的鉛吸存量，為0.78 mg/kg，電廠和公園風景區的鉛吸存量差異顯著。石楠的重金屬鉛吸存量在各功能區的差異與側柏的相似，電廠的樹種葉片吸存量最大，公園風景區的樹種葉片吸存量最小。楊樹葉片的重金屬鉛吸存量最大的是礦區，為2.53 mg/kg，公園風景區的最小，為1.21 mg/kg，各功能區差異顯著。 以上結果表明：在污染嚴重的區域，其樹種葉片中鉛吸存量明顯高于污染較輕的區域。而在所調查5個功能區的6種綠化樹種中，石楠、側柏的鉛吸存量比其他4種樹種的鉛吸存量高，且石楠、側柏在污染相對較嚴重區域熱電廠、姚孟電廠的鉛吸存量分別達到9.78、5.92 mg/kg，大葉女貞是6種綠化樹種中鉛吸存量最低的。比較6種樹種葉片中鉛吸存量的平均值，從高到低依次為石楠>側柏>二球懸鈴木>楊樹>構樹>大葉女貞。

表4 不同區域綠化樹種對鉛的吸存值 mg/kg

注:同列小寫字母表示在5%水平上的差異顯著性，字母相同則差異不顯著，不同則顯著。下同。

2.2 不同區域綠化樹種對鎘(Cd)的吸存能力

整理比較平頂山市的6種綠化樹種葉片吸存重金屬鎘元素的檢測數據后發現，每種樹種葉片在不同區域對鎘元素的吸存能力存在明顯差異(表5)。

大葉女貞葉片的重金屬鎘吸存量大小依次為電廠>礦區>郊區>城市中心區>公園風景區，電廠的重金屬元素鎘吸存量最大，為0.53 mg/kg，公園風景區的重金屬元素鉛吸存量最小，為0.02 mg/kg，差異顯著。二球懸鈴木葉片的重金鎘吸存量在城市中心區最高，其他功能區重金屬鎘吸存量基本持平，差異不顯著。側柏各葉片的重金屬鎘吸存量電廠城市中心區較高，公園風景區、礦區、郊區的較小且相差不大，最大的為電廠，葉片重金屬鎘吸存量為0.15 mg/kg；與其他功能區的重金屬鎘吸存量差異顯著。石楠的重金屬鎘吸存量在電廠最大，為0.21 mg/kg，各功能區的差異與側柏的相似，其他區域的樹種葉片對重金屬鎘的吸存量相差不大。楊樹葉片的重金屬鎘吸存量最大的為電廠(1.45 mg/kg)，最小的為郊區(0.04 mg/kg)，各功能區相差明顯，依次為電廠>礦區>公園風景區>礦區>郊區。構樹葉片的重金屬鎘吸存量各大功能區相差不明顯，且葉片的重金屬鎘吸存量都很低。

從整體來看，以電廠>礦區>城市中心區>郊區>公園風景區的順序，呈現遞減趨勢。說明在交通流量相對較大和污染嚴重的區域，其樹種葉片中鎘吸存量明顯高于污染較輕和非污染的區域。而在所調查的6種綠化樹種中，石楠、楊樹、側柏的鎘吸存量明顯高于其他樹種葉片鎘吸存量(表5)，楊樹在大氣重金屬污染相對較嚴重區域如熱電廠、姚孟電廠、南洛高速路兩旁的鉛吸存量達到1.45 mg/kg，而大葉女貞、構樹、二球懸鈴木在各區域的鎘吸存量差異不明顯，是所有調查樹種中鎘吸存量最低的綠化樹種。在上述功能區中，個別樹種在區域中鉻吸存量差異不明顯，這可能因為樹種自身對大氣重金屬鉻元素的吸存能力不良有關，綜合各區6種樹種葉片中鉛吸存量的平均值，綠化樹種吸存重金屬鉻的能力由高到低順序為楊樹>石楠>側柏>二球懸鈴木>大葉女貞>構樹。楊樹的吸存量明顯大于其他樹種。

表5 不同區域綠化樹種對鎘的吸存值 mg/kg

2.3 不同區域綠化樹種對鉻(Cr)的吸存能力

整理比較平頂山市的6種綠化樹種葉片吸存重金屬鉻元素的檢測數據后發現，每種樹種葉片在不同區域對鉻元素的吸存能力存在明顯差異(表6)。

電廠、城市中心區的綠化樹種葉片鉻吸存量與其他3個地區樹種葉片鉻吸存量差異顯著。電廠綠化樹種葉片鉻吸存量最高，城市中心區綠化樹種葉片鉻吸存量次之，郊區綠化樹種葉片鉻吸存量與公園風景區綠化樹種葉片鎘吸存量相比總體存在差異，綠化樹種葉片鉻吸存量的高低依次為電廠>城市中心區>礦區>郊區>公園風景區，與其他4個區域吸存量關系基本一致，進一步證明了大氣重金屬污染程度高低與樹種葉片對重金屬吸存量的關系。在綠化樹種吸存重金屬鉻的能力方面，總體呈現出側柏>構樹>大葉女貞>石楠>楊樹>二球懸鈴木的趨勢。其中側柏葉片的鉻吸存量最高，在電廠附近鉻吸存量為1.82 mg/kg。

表6 不同區域綠化樹種對鉻的吸存值 mg/kg

2.4 不同區域綠化樹種對銅(Cu)的吸存能力

由表7可知，楊樹、二球懸鈴木在礦區的銅元素吸存量要比在電廠的略高，這可能是由于采樣區中礦區開采、煤炭的燃燒、煤炭運輸車導致的灰塵等污染物，致使楊樹、二球懸鈴木葉片的銅含量偏高。其他綠化樹種對銅元素吸收的變化規律與上述一致。側柏、石楠葉片對重金屬銅元素的吸存量顯著低于大葉女貞、楊樹的吸存量。大葉女貞的吸存量最大，為8.82 mg/kg；石楠的最小，為2.42 mg/kg。其由高到低的順序為大葉女貞>楊樹>二球懸鈴木>構樹>側柏>石楠。

表7 不同區域綠化樹種對銅的吸存值 mg/kg

2.5 不同區域綠化樹種對鋅(Zn)的吸存能力

整理比較平頂山市的6種綠化樹種葉片吸存重金屬鋅元素的檢測數據后發現，每種樹種葉片在不同區域對鋅元素的吸存能力存在明顯差異(表8)。

電廠、礦區2個區域的綠化樹種葉片鋅吸存量明顯大于公園風景區的鋅吸存量，城市中心區和郊區綠化樹種葉片鋅吸存量無明顯差異。但楊樹在礦區鋅吸存量明顯高于電廠的鋅吸存量，且葉片鋅的吸存量高達159.75 mg/kg。在所調查的5個功能區的6種綠化樹種中，楊樹葉片的鋅吸存量高低依次為礦區>電廠>城市中心區>公園風景區>郊區，鋅吸存量存在顯著的差異。其他綠化樹種鋅吸存量差異較為明顯，鋅元素吸存量均較高，在20～30 mg/kg之間。大葉女貞在各功能區的葉片的鋅吸存量大小依次為電廠>礦區>郊區>城市中心區>公園風景區；二球懸鈴木的葉片的鋅吸存量大小依次為電廠>城市中心區>礦區>郊區>公園風景區；側柏的葉片的鋅吸存量大小依次為電廠>礦區>城市中心區>郊區>公園風景區；石楠的鋅吸存量大小與側柏的基本相似；構樹葉片的鋅吸存量大小與石楠、側柏的相似，均表現為電廠>礦區>城市中心區>郊區>公園風景區。綜合各區不同種綠化樹種葉片中鋅吸存量平均值由高到低依次為楊樹>大葉女貞>構樹>二球懸鈴木>側柏>石楠。進一步證明了大氣重金屬污染程度高低與樹種葉片對重金屬吸存量的關系。

表8 不同區域綠化樹種對鋅的吸存值 mg/kg

2.6 葉片重金屬來源辨析

由表9可知，Pb、Cd、Cu、Zn元素的富含因子EF值都大于3，葉片中富集的元素主要來源于大氣；Cr元素的富含因子EF值小于1，則葉片中富集的Cr元素主要來源于土壤。也說明了平頂山市的主要重金屬污染來自于大氣。

表9 不同功能區的重金屬EF值

3 結論與討論

不同大氣污染區域的6種城市綠化樹種葉片重金屬元素吸存量的差異顯著。通過分析數據可以得出結論，在電廠、礦區污染較大的區域其葉片大氣重金屬元素吸存量明顯大于公園風景區、郊區污染較輕的區域。平頂山市大氣重金屬污染物主要是鉛。其中電廠、礦區均屬于污染相對較嚴重的區域，城市中心區屬于輕度污染區域，郊區、公園風景區屬于較為清潔區域。平頂山市6種綠化樹種吸收重金屬的能力，由強到弱依次為楊樹>構樹>大葉女貞>側柏>二球懸鈴木>石楠。

建議在平頂山市重金屬鉛、鎘、鉻污染嚴重的區域可以種植石楠、側柏等，重金屬銅、鋅污染的區域可種植楊樹、大葉女貞等樹種。

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(責任編輯：曾小軍)

Comparative Study on Absorption of Atmospheric Heavy Metals by Leaves of Greening Tree Species in Coal-type City

PENG Shun-lei1, LI Peng2, GUO Hui-bin1, LIAO Bing-hua1

(1. College of Chemistry and Environmental Engineering, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China;2. College of Tourism and Planning, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China)

We selected six species of common greening trees (Populus,Broussonetiapapyrifera,Ligustrumcompactum,Platanusacerifolia,Platycladusorientalis, andPhotiniaserrulata) and studied their capacity to absorb the atmospheric heavy metals (lead, cadmium, chromium, copper and zinc) in different functional districts of Pingdingshan city. The results showed that the absorption quantity of atmospheric heavy metals by the leaves of these greening tree species in the heavily-polluted districts (such as power plant, mine lot) was significantly higher than that in the lightly-polluted districts (such as parkland, suburb), and there was a significant difference in the heavy-metal-absorbing capacity among various tree species (P<0.05).Photiniaserrulatahad the highest capacity to absorb lead (9.78 mg/kg), whileLigustrumcompactumhad the lowest capacity to absorb lead (0.97 mg/kg).Populuspossessed the highest cadmium-absorbing capacity (1.45 mg/kg), whileBroussonetiapapyriferapossessed the lowest cadmium-absorbing capacity (0.01 mg/kg).Platycladusorientalishad the highest capacity to absorb chromium (1.82 mg/kg), whilePhotiniaserrulatahad the lowest capacity to absorb chromium (0.01 mg/kg).Populuspossessed the highest copper-absorbing capacity (11.98 mg/kg), whilePhotiniaserrulatapossessed the lowest copper-absorbing capacity (2.42 mg/kg). The absorption quantity of zinc byPhotiniaserrulataleaves was the highest (9.78 mg/kg), while that byPlatycladusorientalisleaves was the lowest (0.78 mg/kg).

Greening tree; Atmospheric heavy metal; Absorbing capacity; Coal-type city

2016-09-16

河南省科技攻關計劃資助項目(162102310247)；平頂山學院國家級科研項目培育基金(PXY-PYJJ-2014001)。

彭舜磊(1974─)，副教授，主要從事森林生態學研究。

S731.6

A

1001-8581(2017)03-0038-05