环境科学  2014, Vol. Issue (3): 839-846   PDF    
引用本文
刘玲, 方炎明, 王顺昌, 谢影, 汪承润. 基于悬铃木叶片重金属累积特性的大气污染分析和评价[J]. 环境科学, 2014, (3): 839-846.
LIU Ling, FANG Yan-ming, WANG Shun-chang, XIE Ying, WANG Cheng-run. Analysis and Assessment of Atmospheric Pollution Based on Accumulation Characterization of Heavy Metals in Platanus acerifolia Leaves[J]. Environmental Science, 2014, (3): 839-846.
基于悬铃木叶片重金属累积特性的大气污染分析和评价
刘玲1,2, 方炎明2 , 王顺昌1, 谢影1, 汪承润1    
1. 淮南师范学院生命科学系, 淮南 232001;
2. 南京林业大学森林资源与环境学院, 南京 210037
收稿日期: 2013-7-8; 修订日期: 2013-10-19.
基金项目： 安徽省教育厅项目（KJ2013Z301）；淮南师范学院科研项目（2012LK21）；卓越农林人才项目（2012hszy03）
作者简介：刘玲(1967~),女,博士研究生,主要研究方向为植物与环境, E-mail:lliiuu494@sina.com
通讯联系人,E-mail:jwu4@njfn.edu.cn
摘要：以悬铃木叶片为监测器官，对淮南市6种大气环境20个样区Cd等6种重金属的累积量进行了测量和聚类，并分析了叶片富集重金属的EF值. 结果表明，不同样区悬铃木叶片累积的6种重金属含量不同，平均值大小表现为Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>Cd；环境不同，叶片累积同种重金属的量也存在差异，水泥厂周边环境悬铃木叶片累积的Cd和矿区Cu以及交通主干道大气环境中Cr、Ni、Pb和Zn显著高于其他环境；除风景区、自然村Cr外，其他采样环境中被测重金属EF平均值全部超过1，矿区、电厂、交通主干道及水泥厂周边环境中的6种重金属的EF值全部大于3，淮南市总体大气环境重金属污染为Cd>Cu>Zn>Ni>Pb>Cr.
关键词： 悬铃木     重金属     污染     分析     评价    
Analysis and Assessment of Atmospheric Pollution Based on Accumulation Characterization of Heavy Metals in Platanus acerifolia Leaves
LIU Ling1,2, FANG Yan-ming2 , WANG Shun-chang1, XIE Ying1, WANG Cheng-run1    
1. School of Life Science, Huainan Normal University, Huainan 232001, China;
2. College of Forest Resource and Environment, Nanjing Forest University, Nanjing 210037, China
Abstract: The present work was aimed to evaluate the heavy metal pollution in the atmosphere of Huainan City. We measured and clustered the accumulation of six heavy metals in Platanus acerifolia leaves in 20 sampling fields with six types of environmental conditions, and analyzed the EF value of heavy metal enrichment in the leaves. The results showed that the accumulations in Platanus acerifolia leaves varied according to different types of metals, following the order of Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>Cd. Environmental conditions also had great influence on the accumulation of heavy metals. Cd and Cu were mostly found in cement plant and mine, respectively, and Cr, Ni, Pb and Zn were significant higher in main road, compared with other environmental conditions. The average values of EF for all the metals expect Cr in scenic and village area were over 1. The average values of EF for all the metals in mine, power plant, main road and cement plant were above 3. The overall pollution condition of heavy metals in Huainan City followed the order of Cd>Cu>Zn>Ni>Pb>Cr.
Key words: Platanus acerifolia     heavy metals     pollution     analysis     assessment    

木本植物一般具有较深的直根系和繁茂的地上部分，叶片是木本植物地上的主要组成，根吸收土壤的重金属元素主要都滞留在根部[1]，而叶片是大气污染物的重要吸收器官，因树木总叶表面积通常为植物本身占地面积的20倍以上，截尘量大[2]，随着绿化覆盖率的增高，空气中颗粒物的沉降和碰撞过程增加，粗糙湿润的叶片表面能够有效地滞留大气颗粒物[3]，累积颗粒物中的重金属[4, 5]. 因此，确定环境污染物的范围以及对生命有机体威胁的最好方法是测定有机体本身的污染水平[6]，也可根据同一植物相同时间在不同地区重金属累积的量，估计样区空气污染状况，分析和鉴别环境的污染程度，进行环境质量评价和污染等级确定等[7]. 木本植物分布广泛，种类繁多，不同种类的木本植物对大气污染物的富集能力不同. 目前，国外用作监测大气重金属污染的木本植物种类主要有松柏科[8, 9]和壳斗科植物[10,11,12,13]； 常绿被子植物也作为监测空气重金属污染树种[14, 15]； 在欧州或者美国北部，许多研究已经成功地利用了悬铃木对灰尘的磁效应[16]和重金属的累积[17]做了大量工作. 我国关于植物累积重金属的研究也已开始，但是大多数是利用苔藓作为环境监测器[18]，利用悬铃木作为监测植物的研究不多[19]. 而悬铃木作为引种树种，因其叶片面积大，遮荫效果良好，已被广布栽植于淮南市街道、 公路的两边，是目前我市主要的城市绿化落叶树种，加之笔者先前的研究发现矿区悬铃木叶片重金属含量高于相对清洁区，悬铃木在交通污染环境下累积特征元素Pb、 Ni含量高于其他树种[20]，生理变化也能够适应环境污染的加重，所以本研究利用悬铃木叶片作为大气重金属沉积物的指示器官监测淮南市整个辖区的空气污染情况. 由于淮南是中国的能源基地，是重点建设的13个亿吨煤基地和6个煤电基地之一，有未来“火电三峡”之称，六区一县多有煤矿、 电厂和化肥厂，依托于煤、 电、 化发展的经济逐渐导致机动车辆迅速增加，环境大气质量呈恶化趋势，将会引起当地居民的健康问题. 因此加强空气重金属污染监测，开展其健康危害度评估，从而控制污染水平，对环保措施的落实具有重要的意义.

1 材料与方法
1.1 样地分布和周边环境

本实验在淮南市选择20个代表性样区，根据采样点空气颗粒物主要来源不同，将20个样区分属于风景区、 自然村、 电厂、 煤矿、 水泥厂及交通主干道6种采样环境. 车辆排放尾气是风景区和交通主干道大气环境污染物的主要来源； 煤矿、 电厂类样区空气悬浮颗粒物来自煤炭的燃烧、 运输和车辆运行产生的粉尘； 居民日常生活需要的能源物质燃烧是自然村样区空气颗粒物的主要来源； 水泥生产和车辆运输是水泥厂周边环境污染源. 具体样区、 所属环境类型、 地理位置和样区地表特征见表 1和图 1.

表 1 样区环境特点 Table 1 Characteristics of environment in the sampling areas

图 1 样区分布示意 Fig. 1 Distribution of the sampling areas

1.2 取样

样树特点：供试树种二球悬铃木Platanus acerifolia常常被称为悬铃木，是英国树种(一球和三球杂交)，现广泛分布于淮南市城乡之地. 悬铃木是一种落叶树种，有掌状浅裂的阔叶， 生长期是4~11月. 幼叶有细小表皮毛，成叶时大部分表皮毛脱落，但是叶片上下表皮粗糙，细小表皮毛和粗糙叶片表皮可以吸附灰尘.

取样过程：2012年7月中旬对样区进行了调查，了解污染源类型和特征(表 1)，确定每个样区的5~10个采样点，每个采样点选择高度和胸径相近的10株悬铃木，采样点与当地的污染源距离大于0.5 km，城市取样距离交通主干道200～300 m. 2012年8月中旬，在晴朗天气状况下，采集每样株的冠层外东南西北4个方向当年生枝条上着生的健康叶片4枚，采集好的叶片放入自封袋，留待实验室处理.

1.3 样品处理

采好的样品先用清水冲洗叶片表面浮尘，1 mol ·L-1的盐酸浸泡15 min，再用蒸馏水润洗3～4 次，用干净纱布将样品上的水吸干，于75℃干燥箱内烘干 24 h，干燥至恒重，之后在陶瓷研钵内研磨成碎末状，放入干燥器保存. 以上过程严禁使用金属器具，避免金属物质的介入，影响最终测定结果.

1.4 叶片6种重金属和铝元素含量测定

叶片消解：在25 mL小烧杯中加入采样点悬铃 木叶片的研磨粉0.5 g, 10 mL混合酸(浓硝酸与高 氯酸体积比为4 ∶1)浸泡过夜，次日于电热板上加热180℃至棕色气体基本冒尽，小烧杯溶液澄清透明，蒸至近干(少于0.5 mL)，取下稍冷，加入0.5 mL稀硝酸(1/1:000)，用去离子水将溶液和残渣定容至8 mL后一并转移至10 mL聚乙烯离心管中[21]，以上过程均带3个空白、 3个标准样(GBW-11柑橘叶).

叶片金属含量测定：利用美国PerkinElmer公司4300DV型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定消煮液中的待测元素. 待测元素为铅(Pb)、 镉(Cd)和铜(Cu)、 锌(Zn)、 铬(Cr)、 镍(Ni)、 铝(Al)，样品回收率≥90.3%.

1.5 污染评价方法

以铝作为基质污染的标记物，富集因子EF=叶片中(Cx/CAl)／土壤中(Cx/CAl). 若EF的值低于1，元素则来自于土壤； 如果值高于1，则叶片中富集的元素主要来自大气； 如果值高于3，则空气污染较为严重[22, 23]. 不同环境元素丰度如表 2.

表 2 不同环境Al和部分重金属背景丰度 Table 2 Background concentration of Al and some heavy metals in different environment

1.6 数据处理

采用SPSS 13.0统计分析软件对采样区悬铃木叶片内重金属含量进行方差分析和聚类分析； 利用Origi 7.5和Excel对数据分析结果做图； 采样点地理分布图由软件Arcgis 9.0绘制.

2 结果与分析
2.1 不同环境悬铃木叶片累积重金属含量分析

由图 2可知，20个样区悬铃木叶片累积的6种重金属含量不同，平均值表现出Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞Cd的趋势，Zn和Cu含量高于Cr、 Ni、 Pb一个数量级，Cd低于Cr、 Ni、 Pb一个数量级； Cd、 Cr、 Cu和Ni的极差较大，Pb和Zn的极差较小，表明样区不同悬铃木叶片累积Cd、 Cr、 Cu和Ni的含量差异较Pb和Zn大. 此外，环境不同，叶片累积同种重金属的量也存在差异，图 3显示，在6种环境中，水泥厂周边悬铃木叶片累积Cd量最大，显著高于其他5种环境，煤矿环境中叶片累积Cd量又显著高于风景区、 自然村、 电厂和交通主干道，6种环境叶片Cd含量从大到小的顺序为：水泥厂＞煤矿＞电厂＞风景区＞交通主干道＞自然村； 就Cr、 Ni累积量而言，

图 2 20个样区悬铃木叶片累积重金属 Fig. 2 Accumulation of heavy metals by leaves of Platanus acerifolia in twenty sampling areas

图 3 不同环境悬铃木叶片累积6种重金属的差异 Fig. 3 Difference in contents of six heavy metals accumulated in leaves of Platanus acerifolia in different environments 小写字母表示在0.05水平上差异性

交通主干道环境下两种元素含量高于煤矿和水泥厂周边环境，自然村的Cr、 Ni最小； 煤矿、 水泥厂和交通主干道、 电厂悬铃木叶片累积Cu量显著高于自然村； Pb、 Zn累积表现出相同的现象，含量由大至小为交通主干道＞电厂＞煤矿＞水泥厂＞风景区＞自然村.

2.2 悬铃木叶片累积重金属的聚类分析

利用软件 SPSS 13.0，以悬铃木叶片累积的 Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb 和 Zn这6 种重金属元素含量测定结果为依据，对淮南市 20个样区各重金属平均含量进行聚类分析，结果如图 4所示，聚类结果将淮南市的20个样区按环境重金属污染程度分为 3 个组. Ⅰ组：高含量样区； Ⅱ组：较高含量样区，Ⅲ组：低含量样区. 对于 Cd 元素，高含量样区(Ⅰ组)主要包括凤台县新集镇(0.15 mg ·kg-1)，属于矿区环境； Ⅱ组悬铃木叶片Cd 含量范围是0.09~0.12 mg ·kg-1，包括凤台县刘集乡煤矿、 潘集区架河乡水泥厂、 潘集区潘三矿、 凤台县关店乡煤矿、 凤台县丁集乡电厂； 其余属于Ⅲ组，含Cd范围是0.01~0.06 mg ·kg-1. 就 Cr 元素而言，含量最高样区Ⅰ组是市委西路、 国庆西路，Cr的平均值分别是3.07 mg ·kg-1和3.03 mg ·kg-1，属于交通繁忙状况的环境； Ⅱ组样区有11个，含量范围是 1.15~1.98 mg ·kg-1，多分布在凤台县和潘集区，包含所有的煤矿、 水泥厂和部分电厂； 其余则为含量低的样区，叶片 Cr 含量范围是0.35~0.99 mg ·kg-1. 对于Cu 元素，高含量的样区只有一个：潘集区潘三矿，叶片含Cu量为18.50 mg ·kg-1； Ⅱ组悬铃木叶片累积Cu 含量范围是12.00~15.23 mg ·kg-1，样区包括凤台县的关店乡煤矿、 刘集乡水泥厂和丁集煤矿及潘集区潘一矿和市委西路； 低含量样区较多，占总采样区的70%，含量范围是4.30~9.00 mg ·kg-1，多分布在淮南市(除凤台县以外)其他5个区域. 对于Ni元素，Ⅰ组只包含交通主干道市委西路样区； Ⅱ组有5个样区，分别是田家庵区田家庵电厂、 潘集区潘一矿、 潘集区潘三矿、 凤台县丁集电厂和关店煤矿，叶片Ni含量范围是1.54~1.95 mg ·kg-1； Ⅲ组有14个样区，Ni含量范围是0.75~1.35 mg ·kg-1. 悬铃木叶片Pb 含量较高组范围是0.94~1.12 mg ·kg-1，包括5个样区，主要属于电厂、 煤矿和交通主干道环境； 国庆西路(1.45 mg ·kg-1)、 田家庵区电厂(1.41 mg ·kg-1)、 谢家集区望峰岗选煤厂(1.34 mg ·kg-1)、 田家庵洛河电厂(1.27 mg ·kg-1)4个样区包括在最高组； 其余11样区属于Ⅲ组，Pb含量范围是0.56~0.87 mg ·kg-1. 对于 Zn 元素，样品含量最高的样区有国庆西路(33.82 mg ·kg-1)、 市委西路(30.10 mg ·kg-1)； 较高含量的样区有5个，分别是田家庵电厂、 凤台县刘集水泥厂、 丁集电厂、 关店煤矿及潘集区潘二矿，含量分别是25.02、 25.00、 23.00、 23.24和24 mg ·kg-1； 其余13个样区叶片对Zn的累积都包括在较低组，平均值范围是12.80~19.98 mg ·kg-1.

图 4 不同采样区悬铃木叶片累积重金属的聚类分析 Fig. 4 Cluster analysis of different areas based on concentrations of heavy metals accumulated in Platanus acerifolia leaves
2.3 不同大气环境重金属污染的EF分析

叶片累积重金属的EF值可反映大气环境重金属污染程度. 由表 3可知，重金属种类不同，悬铃木叶片在不同大气环境中富集值EF有差异. 就Cd而言，叶片累积量虽然在6种重金属中最少，但是EF值相比之下较高，6种环境叶片富集Cd的EF值全部大于3，污染状况表现为水泥厂＞煤矿＞电厂＞风景区＞交通主干道＞自然村； Cr是土壤中除Zn外含量较高的重金属，然而EF值大于3的只有交通主干道、 水泥厂和煤矿，分别为5.58、 5.07和3.95，风景区、 自然村EF值均小于1，电厂EF值大于1而小于3，表明悬铃木叶片中累积的Cr也是主要来自大气环境； Cu、 Ni、 Pb和Zn这4种重金属在6种大气环境中悬铃木叶片的EF值全部大于1，污染等级各是交通水泥厂＞煤矿＞交通主干道＞电厂＞自然村＞风景区； 煤矿＞交通主干道＞水泥厂＞电厂＞风景区＞自然村； 煤矿＞水泥厂＞交通主干道＞电厂＞风景区＞自然村； 水泥厂＞交通主干道＞煤矿＞电厂＞自然村＞风景区.

表 3 不同类型大气环境悬铃木叶片富集重金属的EF值 Table 3 EF values of enriched heavy metals by Platanus acerifolia leaves indifferent atmospheric environments

此外，同一环境中悬铃木叶片富集不同重金属的EF值也有差异，本研究所选择的6种取样环境除交通主干道外悬铃木叶片对6种重金属的富集都表现出了Cd＞Cu＞Zn＞Ni＞Pb＞Cr趋势，Cd、 Cu和Zn的EF值全部超越10，水泥厂和煤矿周边环境Cd、 Cu和Zn的EF值较大，分别为223.17、 93.85、 48.91和112.00、 82.90、 42.80，表明水泥和煤炭粉尘能导致大气环境Cd、 Cu和Zn严重污染. Cr、 Ni、 Pb的EF值虽然偏低，但是除了风景区和自然村Cr的EF值小于1外，其他环境的这3种重金属的EF值都大于1，其中交通主干道、 煤矿和水泥厂周边3种大气环境Cr、 Ni、 Pb的EF值全部大于3，进一步表明交通运输、 煤炭燃烧及水泥生产也能致使大气环境Cr、 Ni、 Pb污染.

3 讨论

树木作为有效监测来自于大气的低浓度污染物的监测器官已被大量运用[28,29,30]，其体内重金属含量水平可反映监测区的大气环境状况[8,14,31]. 本研究利用悬铃木叶片累积Cd等6种重金属含量及EF值评价研究样区的大气环境污染. 由研究结果可知， 6种采样环境中悬铃木叶片累积6种重金属的含量都表现出Zn＞Cu＞Ni＞Pb＞Cr＞Cd的现象，这可能与元素对植物具有不同的作用有关，Zn、 Cu和Ni这3种元素虽然是重金属，但是它们参与植物体的代谢活动，能活化植物体内的某些酶，是植物需要的微量元素，而Pb、 Cr和Cd这3种重金属是影响植物生长的毒性元素，所以，悬铃木在正常生长过程中叶片累积了相对较多的Zn、 Cu和Ni. 不仅6种重金属在不同大气环境悬铃木叶片中累积量不同，同种重金属在不同采样区的空间分布也有差异：就Cd而言，较多的悬铃木叶片累积量存在于水泥厂和煤矿周边环境，这可能与水泥粉尘[25]和煤灰[26]逸出较多的Cd量有关； 作为对照的风景区，虽然环境相比市区和电厂较好，但是Cd的累积高于二者，因为取样的风景区都是森林公园，采石对森林公园的破坏可能导致大气颗粒中Cd浓度的增加. Cr、 Ni、 Zn、 Pb的累积结果显示，交通主干道有非常高的累积值，随后是煤矿，这可能归功于车辆运行排放的尾气[27]和煤炭的运输、 燃烧. 煤矿是6种大气环境中Cu累积最多的，其次是水泥厂，两种大气环境的高Cu值可能源于运用重型车辆对煤炭、 水泥的运输[26]. 6种重金属累积值在自然村都处于最低，进一步表明重工业生产和繁忙的车辆运行都能导致大气悬浮颗粒中重金属浓度的增加. 将该研究环境被测重金属累积值与前人研究结果比较可推测利用叶片监测大气环境污染的可行性，淮南市20个样区悬铃木叶片累积Cd、 Cr、 Cu、 Pb、 Zn、 Ni的平均值范围分别是0.01~0.15、 0.35~3.07、 2.65~18.50、 0.56~1.45、 12.80~33.82、 0.56~2.73 mg ·kg-1，而Sawidis等[17]2011年研究了欧洲3个地区悬铃木叶片累积Cr、 Cu和Pb的平均值分别是0.23~0.62、 2.57~25.20和2.41~13.75 mg ·kg-1. 与前人研究相比，淮南市悬铃木叶累积的Cu与前人研究最接近，Pb和Cr的含量范围略高，但是与橡树叶[4]和橄榄叶[11]比较，Cr和Pb的累积数值几乎都处于一个数量级. 对于Zn、 Ni元素，本研究浓度范围(12.80~33.82 mg ·kg-1、 0.56~2.73 mg ·kg-1)略低于先前研究42~56 mg ·kg-1、 1.1~ 3.5 mg ·kg-1 [11]，而与Bargagli等[4]利用橡树作为研究材料的研究结果相似(表 4)，说明淮南市空气中6种重金属污染程度与国外一些城市有不同之处但是数据变化范围基本一致.

表 4 不同地区树木叶片累积重金属含量比较 /mg ·kg-1

Table 4 Content range of heavy metals in Platanus acerifolia in different areas/mg ·kg-1

EF值是反映大气环境是否污染的指标之一，20个样区不同元素的EF值不同，除风景区、 自然村Cr外，其他环境中被测重金属EF平均值全部超过1，表明淮南市不同环境悬铃木叶片累积的重金属主要来自大气； 由6种大气环境悬铃木叶片富集重金属的EF值可知，煤矿、 电厂、 水泥厂和交通主干道环境中，悬铃木叶片富集重金属的 EF值远远大于3，进一步表明淮南市重工业生产和繁忙的交通运行造成了环境严重的重金属污染，其原因是煤炭开采运输燃烧时形成的矿物灰尘是Cr、 Cu、 Pb、 Zn元素的主要源[32, 33]，化石燃料的燃烧和汽车排放尾气易产生细颗粒，吸附较多的Cd、 Ni、 Pb元素[34, 35]. 淮南市风景区和自然村6种重金属的EF值相对较低，但是风景区的Cd、 Cr EF值接近自然村的2倍，这与风景区周边环境存在不合理的开采有关.

4 结论

机动车辆排放的尾气、 重工业生产及其他的人为源等是淮南市主要的空气污染源，煤矿、 水泥厂、 交通主干道和电厂这4种大气环境中悬铃木叶片累积的Cd等6种重金属绝大部分高于风景区和自然村，煤矿、 水泥生产的粉尘和汽车尾气逸出的Cd等6种重金属在叶片中的EF值显著高于3，说明悬铃木叶片累积的重金属主要来自大气粉尘颗粒，悬铃木叶片不仅是一种比较有效的重金属累积器官，同时由于广布性和能被系统地采样与分析，它也是一种较好的城市污染监测器官. 当然，沉积在悬铃木叶片上不同粒径磁性颗粒的分布及其含有的重金属与叶片累积重金属的相关性应做进一步的研究.

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