城市攀緣植物對(duì)大氣顆粒物的吸附效果及重金屬累積研究

呂曉倩

張銀龍*

城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，造成了城市建筑密度越來越大，人口與日俱增及城市綠化面積愈發(fā)緊張的現(xiàn)象[1]，同時(shí)伴隨著空氣污染、水體污染、噪聲污染等生態(tài)惡化問題。大氣顆粒物成為許多國(guó)家的首要污染物，其中PM10對(duì)人類健康具有長(zhǎng)期危害，能夠引起呼吸道疾病[2]，PM2.5具有粒徑小，質(zhì)量輕與極易懸浮飄散的特征，因富集各種有毒有害物質(zhì)進(jìn)入肺泡[3]，對(duì)人體健康和環(huán)境質(zhì)量更易產(chǎn)生巨大的危害。

城市綠化植物在改善空氣質(zhì)量、滯留粉塵、美化環(huán)境等方面具有不可替代的作用，尤其是作為改善城市生態(tài)環(huán)境的主體已被廣泛認(rèn)可[4-5]。近年來，葉面顆粒物能反映大氣顆粒物的累積污染狀況，以植物葉面顆粒物表征一定空間和時(shí)間尺度上的環(huán)境污染成為大氣環(huán)境領(lǐng)域的重點(diǎn)。目前，針對(duì)城市綠化樹種的研究對(duì)象以常綠植物、灌木和草本植物為主，研究?jī)?nèi)容大多集中于不同環(huán)境[6]和不同季節(jié)下樹種滯塵量差異[7]。而沉降與植物表面的灰塵與葉片直接接觸，灰塵攜帶的重金屬可以通過氣孔進(jìn)入葉片內(nèi)部，相關(guān)學(xué)者對(duì)綠化植物葉片重金屬、滯塵規(guī)律及兩者之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)葉面滯塵量與葉面塵中部分重金屬呈極顯著或顯著相關(guān)[8-9]，此外，葉片重金屬與葉面塵中重金屬含量呈極顯著正相關(guān)[10]。

在城市綠化中利用攀緣植物進(jìn)行垂直綠化不僅能夠拓展城市園林空間，增加城市建筑的藝術(shù)美感，還能夠增加城市綠化覆蓋率[11]。更重要的是，攀緣植物能夠有效改善城市生態(tài)環(huán)境[12-14]。李德林等[12]研究發(fā)現(xiàn)五葉地錦能夠有效吸附不同粒徑的大氣顆粒物；江帆[13]發(fā)現(xiàn)地錦、五葉地錦、木通的滯塵能力較強(qiáng)。因此，城市攀緣植物對(duì)大氣顆粒物防治具有重要意義。目前，不同攀緣植物葉片單位面積吸附不同粒徑顆粒物量、葉面顆粒物及葉片中重金屬含量研究尚屬空白。本文對(duì)6種攀緣植物葉片吸附不同粒徑顆粒物、葉面顆粒物及葉片中重金屬含量進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在揭示葉面顆粒物、葉片中重金屬含量與其吸附不同粒徑顆粒物之間的關(guān)系，同時(shí)為篩選抗污能力強(qiáng)及有利于累積重金屬的攀緣植物提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

本實(shí)驗(yàn)材料為地錦(Parthenocissus tricuspidata)、五葉地錦(P. quinquefolia)、金銀花(Lonicera japonica)、凌霄(Campsis grandiflora)、七姊妹(Rose multiflora)、木通(Akebia quinata)。采樣點(diǎn)位于在南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，采樣時(shí)間為2017年10月。采集葉片的高度約為0.5～2m。在上、中、下不同高度位置均勻采集葉片。采樣前2周內(nèi)無降雨和大風(fēng)事件，將采集的樣品分開裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，置于4℃冰箱中保存?zhèn)溆么治觥?/p>

1.2 不同粒徑顆粒物測(cè)定

圖1 不同植物葉片單位面積吸附總顆粒物量(注：不同小寫字母表示在0.05水平上存在差異顯著性)

將采集的葉片放入2 0 0 m L 蒸餾水中，超聲振蕩20min。隨后用鑷子將葉片小心取出放在報(bào)紙上晾干。分別將孔0.2、2.5 和10μm(Whatman Tyle 42，英國(guó))孔徑濾紙放置于60℃烘箱中烘干至恒重，取出后用萬分之一天平稱重，分別得到各孔徑濾紙初重(W1)。將已烘干稱重的濾紙放置在真空抽濾裝置中依次進(jìn)行3次分級(jí)抽濾，具體操作步驟參照Przbysz的方法[15]。抽濾裝置包括孔徑為100目的網(wǎng)篩、過濾器、濾膜、抽濾泵。濾膜先后放入次序是孔徑10、2.5和0.2μm濾膜，依次得到粒徑范圍為10～100、2.5～10和0.2～2.5μm的顆粒物，濾完后的濾紙放置60℃烘箱中烘干至恒重，再用萬分之一天平稱重，分別得到各濾紙重量(W2)。用差量法計(jì)算各樣本中各粒徑顆粒物吸附量(W=W2-W1)。用便攜式葉面積儀分別測(cè)定6種植物的葉表面積(S)，則單位面積吸附不同粒徑顆粒物量Q=(W2-W1)/S。

1.3 重金屬元素測(cè)定

為減少誤差，本實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑均為優(yōu)級(jí)純，所有器皿均放置在10%HNO3溶液中浸泡24h，用自來水沖洗干凈，再用超純水清洗3遍。灰塵樣品提取采用洗脫方法，每種植物選取20～50片葉片，用去離子水超聲震蕩5min，再用毛刷輕輕刷下葉表面灰塵，洗滌后溶液經(jīng)0.45μm得到載塵濾膜，濾膜烘干至恒重，載塵濾膜用于葉面顆粒物中重金屬測(cè)定。將上述收集完載塵的葉片再用超純水沖洗3～4次，置于烘箱內(nèi)105℃殺青2h后70℃烘干至恒重，粉碎后過60目篩備用稱取1.00g備用樣品，用于葉片重金屬測(cè)定。葉面顆粒物和葉片重金屬均用HNO3-HF-HclO4法消解定容后[16]，用原子吸收光譜儀(Aanalyst 800，Perkin Elmer Company)測(cè)定樣品中重金屬含量。分析過程中采樣國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07046(GSS-6)進(jìn)行全程的質(zhì)量控制，同行每個(gè)6個(gè)樣品隨機(jī)抽取一個(gè)作為平行樣，加入2個(gè)空白樣片同步消解。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，計(jì)量采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。為驗(yàn)證葉片吸附不同粒徑顆粒物的種間差異，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了單因素方差分析(One-way，ANOVA)，并采用了最小顯著性差異法(Least Significant Difference，LSD，p<0.05)進(jìn)行檢驗(yàn)。用Microsoft Excel 2003進(jìn)行制表，用Origin 9.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同植物葉片單位面積吸附總顆粒物量

6種攀緣植物單位面積吸附總顆粒物量范圍為3.87～12.56mg/cm2，不同植物之間吸附總顆粒物量存在顯著差異。五葉地錦葉片單位吸附總顆粒物量最大，高達(dá)12.56mg/cm2。組間比較分析表明五葉地錦吸附總顆粒物量顯著高于其他5種植物；其次為地錦(7.64mg/cm2)，吸附總顆粒物量顯著高于其他4種植物；木通葉片單位面積吸附總顆粒物量為6.87mg/cm2，顯著高于凌霄、七姊妹和金銀花；凌霄葉片單位面積吸附總顆粒物量為5.12mg/cm2，顯著高于金銀花，而凌霄和七姊妹(4.57mg/cm2)無顯著差異。6種攀緣植物中以金銀花吸附總顆粒物量最少，僅為3.87mg/cm2。總體上，6種攀緣植物單位面積吸附總顆粒物量由大到小依次為：五葉地錦>地錦>木通>凌霄>七姊妹>金銀花(圖1)。

2.2 不同植物對(duì)不同粒徑顆粒物的吸附特征

將PM>10，PM2.5～10和PM0.2～2.5分別記作大顆粒物、粗顆粒物和細(xì)顆粒物。由圖2可以看出，6種攀緣植物單位面積吸附大顆粒物質(zhì)量占總顆粒物量的平均比例均為77%以上，其中金銀花、凌霄和五葉地錦葉表面吸附大顆粒物平均比例相近，分別高達(dá)84%、83%和82%，說明此2種植物吸附大顆粒物的能力較強(qiáng)。針對(duì)粗顆粒物，6種攀緣植物吸附量平均比例為13.2%以上，以木通對(duì)粗顆粒物的吸附量最強(qiáng)，占比高達(dá)19.7%，說明木通對(duì)粗顆粒物的吸附能力較強(qiáng)。

6種攀緣植物對(duì)細(xì)顆粒物的吸附量遠(yuǎn)小于大顆粒物和粗顆粒物，平均比例僅為1.93%，其中木通對(duì)細(xì)顆粒物吸附量占總顆粒物量的3.3%，是6種攀緣植物中對(duì)細(xì)顆粒物吸附能力最強(qiáng)的植物。總體上，吸附大顆粒物能力由大到小依次為：凌霄>金銀花>五葉地錦>七姊妹>地錦>木通；吸附粗顆粒物能力由大到小依次為：木通>地錦>五葉地錦>七姊妹>凌霄>金銀花；吸附細(xì)顆粒物能力由大到小依次為：木通>金銀花>七姊妹>地錦>五葉地錦>凌霄。

2.3 6種攀緣植物葉面顆粒物中重金屬含量

如圖3所示，6種攀緣植物葉面顆粒物中重金屬含量具有顯著差異。其中，對(duì)葉面顆粒物中Cr富集能力最強(qiáng)的是地錦(135.89mg/cm2)，是富集能力最弱的凌霄(78.74mg/cm2)的1.73倍，其中木通和金銀花對(duì)葉面顆粒物中Cr的富集能力相當(dāng)；對(duì)葉面顆粒物中Cu富集能力最強(qiáng)的是木通(158.84mg/cm2)，是富集能力最弱金銀花(90.63mg/cm2)的1.75倍；其中地錦、五葉地錦和七姊妹對(duì)Cu的富集能力相當(dāng)。對(duì)葉面顆粒物物中Pb富集能力最強(qiáng)的是五葉地錦，含量為245.85mg/cm2，其中凌霄和金銀花對(duì)葉面顆粒物中Pb的富集能力相當(dāng)。6種植物葉面顆粒物中Zn含量差異最為顯著，以五葉地錦富集Zn含量最高，為617.96mg/cm2，是富集能力最弱地錦(386.05mg/cm2)的1.60倍。地錦和五葉地錦對(duì)葉面顆粒物中Cd富集能力最強(qiáng)。

2.4 6種攀緣植物葉片內(nèi)重金屬含量

圖2 植物單位面積吸附不同粒徑顆粒物百分比

圖3 6種攀緣植物葉面顆粒物中重金屬含量(注：不同小寫字母表示在0.05水平上存在差異顯著性)

6種攀緣植物葉片內(nèi)重金屬含量存在顯著差異，各植物葉片內(nèi)Zn和Cu含量普遍高于其他重金屬。其中，地錦對(duì)Cr和Pb的富集能力最強(qiáng)，分別為2.37和3.07mg/cm2；其中七姊妹和木通對(duì)Cr的富集能力無差異，七姊妹和金銀花對(duì)Pb的富集能力無顯著差異。五葉地錦對(duì)Zn和Cd的富集能力最強(qiáng)，分別為107.24和0.19mg/cm2，凌霄對(duì)Cu的富集能力最強(qiáng)，達(dá)10.63mg/cm2。五葉地錦對(duì)Cu的富集能力最弱(5.15mg/cm2)，其中木通和金銀花對(duì)Cu的富集能力無顯著差異，其他4種植物對(duì)Cu的富集能力差異顯著。凌霄對(duì)Zn和Cr的富集能力最弱，分別為20.17和1.29mg/cm2，其中凌霄和金銀花對(duì)Zn的富集能力無顯著差異。木通對(duì)Pb的富集能力最弱(0.98mg/cm2)，七姊妹對(duì)Cd的富集能力最弱(0.17mg/cm2)。綜上所述，本研究結(jié)果說明不同植物對(duì)重金屬的吸收具有選擇性。研究發(fā)現(xiàn)葉片重金屬含量與污染區(qū)重金屬來源、植物葉片微形態(tài)等密切相關(guān)[17]，交通污染區(qū)90%的Cu來自制動(dòng)器的磨損，80%的Pb、Zn來自于汽車尾氣排放及輪胎磨損，大氣顆粒物中Cu、Pb和Zn濃度較高[18]，與本研究結(jié)果一致。進(jìn)一步說明新莊立交作為交通密集區(qū)，頻繁的車流量對(duì)校園內(nèi)大氣顆粒物中Cu、Pb和Zn金屬含量影響顯著(表1)。

2.5 植物葉面顆粒物中重金屬與單位面積吸附不同粒徑顆粒物量的相關(guān)性

由表2可知，植物葉面顆粒物中重金屬除Cu之外，其他4種重金屬均與不同粒徑顆粒物之間表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)關(guān)系，表明葉面顆粒物中不同粒徑顆粒物含量對(duì)葉面顆粒物中富集重金屬產(chǎn)生影響，即吸附顆粒物含量越多，葉面顆粒物中重金屬越高。其中Pb和Zn與不同粒徑顆粒物之間的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著相關(guān)水平，均表現(xiàn)出在細(xì)顆粒物上吸附極顯著正相關(guān)，其次為大顆粒物、總顆粒物和粗顆粒物。Cr、Pb和Zn與細(xì)顆粒物的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.760、0.759和0.813，表明校園內(nèi)大氣懸浮顆粒中大部分重金屬主要分布在細(xì)顆粒物中。根據(jù)上述研究可知，植物葉片單位面積吸附細(xì)顆粒物量較少，但大部分重金屬與細(xì)顆粒物量呈極顯著正相關(guān)。因此，大氣懸浮細(xì)顆粒物中重金屬含量不容小覷。研究顯示交通燃油排放和車輛機(jī)械損傷是細(xì)顆粒物的主要來源[19]，本研究區(qū)域臨近立交橋附近，說明重金屬污染程度與繁忙的交通活動(dòng)密切相關(guān)。

2.6 植物葉片中重金屬與單位面積吸附不同粒徑顆粒物量的相關(guān)性

通過計(jì)算植物葉片中重金屬與單位面積吸附不同粒徑顆粒物量的相關(guān)系數(shù)可知(表3)，植物葉片中重金屬Cr與細(xì)顆粒物呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.787，說明細(xì)顆粒物是葉片中Cr的重要來源。Cu與顆粒物之間的關(guān)系均呈極顯著負(fù)相關(guān)，可能與葉片中Cu主要從大氣中吸收有關(guān)[20]。細(xì)顆粒與葉片中Pb、Zn和Cd無顯著關(guān)系，可能由于細(xì)顆粒物質(zhì)量占比較低，對(duì)葉片中部分重金屬貢獻(xiàn)較小有關(guān)。除細(xì)顆粒物外，其他粒徑顆粒物均與葉片中Pb、Zn和Cd含量呈極顯著正相關(guān)。楊淏舟等[21]研究發(fā)現(xiàn)葉片內(nèi)Pb和Zn含量與葉片滯塵量相關(guān)性較強(qiáng)，與本研究結(jié)論一致。Cu和Zn與粗顆粒物相關(guān)系數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.717和0.870。研究表明Cu來自制動(dòng)器的磨損，Zn來自汽車尾氣排放及輪胎磨損[18]，說明葉片中重金屬含量與區(qū)域交通活動(dòng)密切相關(guān)。

2.7 植物葉面顆粒物與葉片中重金屬的相關(guān)性

通過計(jì)算植物葉面顆粒物與葉片中重金屬之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表4所示，葉面顆粒物中Cr與葉片中Cr、Cd之間表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系；葉面顆粒物中Cu與葉片中Cd之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；葉面顆粒物中Pb與葉片中Pb、Zn和Cd之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；葉面顆粒物中Zn與葉片中Zn呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；葉面顆粒物中Cd與葉片中Pb、Zn和Cd呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。綜上所述，本研究葉片中各重金屬含量受到葉面顆粒物中各重金屬含量的影響顯著。此外，葉面顆粒物中Cu-Pb、Pb-Zn、Cd-Cr呈極顯著正相關(guān)，葉片中Zn-Pb、Cd-Cr、Cd-Pb、Cd-Zn呈極顯著正相關(guān)，表明大部分重金屬具有同源性。

表1 葉片中各重金屬含量(mg/kg)

表2 葉面顆粒物中重金屬與不同粒徑顆粒物量的相關(guān)系數(shù)

表3 葉片各重金屬與不同粒徑顆粒物量的相關(guān)系數(shù)

表4 植物葉面顆粒物與葉片各重金屬含量的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

1)6種攀緣植物單位面積吸附總顆粒物量由大到小依次為：五葉地錦>地錦>木通>凌霄>七姊妹>金銀花。五葉地錦葉片單位吸附總顆粒物量最大，高達(dá)12.56mg/cm2。組間比較分析表明五葉地錦吸附總顆粒物量顯著高于其他5種植物。

2)6種攀緣植物單位面積吸附大顆粒物質(zhì)量占總顆粒物量的平均比例均為77%以上，其次為粗顆粒物，細(xì)顆粒物占比最低。總體上，吸附大顆粒物能力由大到小依次為：凌霄>金銀花>五葉地錦>七姊妹>地錦>木通；吸附粗顆粒物能力由大到小依次為：木通>地錦>五葉地錦>七姊妹>凌霄>金銀花；吸附細(xì)顆粒物能力由大到小依次為：木通>金銀花>七姊妹>地錦>五葉地錦>凌霄。

3)6種攀緣植物葉面顆粒物中重金屬含量具有顯著差異。其中，地錦葉面顆粒物中Cr含量最大，木通葉面顆粒物中Cu含量最大，五葉地錦葉面顆粒物中Pb、Zn和Cd含量最大。6種攀緣植物葉片內(nèi)重金屬含量存在顯著差異，各植物葉片內(nèi)Zn和Cu含量普遍高于其他重金屬。不同植物對(duì)重金屬的吸收具有選擇性。地錦對(duì)Cr和Pb的富集能力最強(qiáng)五葉地錦對(duì)Zn和Cd的富集能力最強(qiáng)，凌霄對(duì)Cu的富集能力最強(qiáng)。

4)植物葉面顆粒物中重金屬除Cu之外，其他4種重金屬均與不同粒徑顆粒物之間表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)關(guān)系，表明葉面顆粒物中不同粒徑顆粒物含量對(duì)葉面顆粒物中富集重金屬產(chǎn)生影響，即吸附顆粒物含量越多，葉面顆粒物中重金屬越高。

5)除細(xì)顆粒物外，其他粒徑顆粒物均與葉片中Pb、Zn和Cd含量呈極顯著正相關(guān)。可能由于細(xì)顆粒物質(zhì)量占比較低，對(duì)葉片中部分重金屬貢獻(xiàn)較小有關(guān)。

6)葉片中各重金屬含量受到葉面顆粒物中各重金屬含量的顯著影響。葉面顆粒物中Cu-Pb、Pb-Zn、Cd-Cr呈極顯著正相關(guān)，葉片中Zn-Pb、Cd-Cr、Cd-Pb、Cd-Zn呈極顯著正相關(guān)，表明大部分重金屬具有同源性。

注：文中圖片均由作者繪制。