益阳市主要行道树叶片重金属富集状况及污染评价

库文珍，董 萌，彭晓赟，黎 艳

(湖南城市学院 材料与化学工程学院，湖南 益阳 413000)

随着社会经济的快速发展，其带来的环境污染问题不容忽视.汽车排放的尾气含有大量重金属离子，受大气运动的影响，重金属离子可与其他物质结合形成不同价态物质，因此会造成不同程度的重金属污染[1].重金属污染具有潜伏性、长期性、累积性和不可逆性[2].城市空气中的重金属元素主要以大气颗粒物的形式迁移、富集和转化[3].通过对城市绿化树重金属含量的测定和分析，不仅可直接了解植物体内重金属富集的状况，还可间接了解大气重金属污染程度[4-5].马跃良等[6]研究发现，根据植物叶片中的重金属元素含量，能够有效地评价大气污染等级和大气质量状况，在环境监测中具有广阔的应用前景.邹金华等[7]研究发现，天津市外环的主要交通枢纽、大型车辆停靠区的植物叶片中Cr、Pb 含量较高，高于小型车辆密集的中环与内环，而公园、学校区的植物叶片中重金属含量均较低.目前，对植物叶片吸收重金属能力方面的研究较多[8-10]，但针对城市行道树叶片重金属含量方面的报道较少.

本文以益阳市区车辆流量较大的街道两旁绿化树作为研究对象，通过对其叶片和根际土壤中重金属含量的测定与分析，研究其重金属污染程度并据此评价大气污染等级，旨在为益阳市区大气重金属污染的生态研究提供参考.

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

益阳位于北纬27°58′38″至29°31′42″、东经110°43′02″至112°55′48″，东西最长距离217 km，南北最宽距离173 km，属亚热带大陆性季风湿润气候.樟树和桂树为该市主城区主要行道绿化树种，对城市环境的美化起着非常重要的作用.

1.2 样品采集及预处理

以益阳市主干街道且车辆流量较大的益阳大道、银城大道、迎宾东路和康复路4 条街道为本研究的采样区；每条街道上选择3 个采样点，且分别选择每条街道的前、中、后3 个路段，尽量遵循周围没有大型污染源(如化工厂)的原则，采集街道生长状况良好的优势植物叶片及其根际土壤(0～20 cm)；同时，以相对清洁的湖南城市学院校园区作为对照点.

将所采集的植物叶片样品用自来水清洗其表层污泥，再用蒸馏水浸泡并冲洗2～3 次，在70 ℃下烘干至恒重；然后利用高速多功能粉碎机粉碎，过100 目筛筛选并装入塑料样品袋中，贴好标签，备用.将所采集根际土壤平铺于阳光下晒干，取少许用研钵磨细，过100 目筛，装入塑料样品袋中，贴好标签，备用.

1.3 样品消解与测定

称取0.500 g 叶片样品和0.200 g 土壤样品粉末分置于100 mL 锥形瓶中，加入体积比为3∶1的HNO3-H2SO4混合液15 mL，静置过夜；于电热炉上加热至各样品消解完成(锥形瓶口白烟冒尽，样品溶液呈白色或者透明，底物呈粘稠状)即可，关闭电热炉；取下锥形瓶冷却至室温，经过滤后转移至25 mL 容量瓶中，加入2% HNO3溶液稀释至刻度线，盖紧瓶塞，摇匀待测.每个样品重复测试3 次，其重金属含量采用石墨炉原子吸收法测定，记录好数据.

2 结果与分析

2.1 植物叶片及其根际土壤重金属含量

植物叶片及其根际土壤重金属(Cr、Cu、Pb)的含量分别见表1～表3.

由表1 可知，除银城大道的红檵木和康复路的樟树外，各街道区植物叶片Cr 含量均比湖南城市学院校园区的高，且其植物根际土壤Cr 含量也高于湖南城市学院校园区；根际土壤Cr 含量高于叶片Cr 含量，街道区土壤中Cr 含量最大为99.100 mg/kg，植物叶片中Cr 含量最大为5.559 mg/kg.

表1 各区域行道树叶片及其根际土壤Cr 含量 mg/kg

由表2 可知，除益阳大道的樟树、桂树和康复路的樱树叶片Cu 含量低于湖南城市学院校园区外，其他街道区植物叶片Cu 含量均高于湖南城市学院校园区，且迎宾东路的红檵木叶片Cu含量与湖南城市学院校园区接近；在根际土壤Cu含量方面，除湖南城市学院校园区的红檵木Cu含量高于银城大道红檵木外，其他植物根际土壤Cu 含量都远低于街道区；街道区植物叶片Cu 含量并不都比对应的根际土壤Cu 含量低，如银城大道桂树叶片Cu 含量为25.417 mg/kg，而其根际土壤Cu 含量为17.092 mg/kg，这可能是因不同植物对不同重金属元素的富集差异引起的.

表2 各区域行道树叶片及其根际土壤Cu 含量 mg/kg

表3 各区域行道树叶片及其根际土壤Pb 含量 mg/kg

由表3 可知，街道区植物叶片的Pb 含量均高于湖南城市学院校园区，这表明益阳市的汽车尾气排放影响了植物生态；街道区根际土壤Pb 含量范围为13.132～48.456 mg/kg，其中康复路红檵木根际土壤Pb 含量最高，达48.456 mg/kg；街道区植物的根际土壤Pb 含量均高于对应的植物叶片Pb 含量.

综上所述，同种植物叶片在不同区域的重金属含量不同，如银城大道樟树叶片Cu 含量是益阳大道樟树叶片Cu含量的8.6 倍.重金属对植物的危害是在各种外界环境因素和植物自身特点共同作用下进行的[11].在不同的环境条件下，重金属对植物的危害呈现出不同状况.不同植物的叶片结构与叶片细胞的生理生化特性不同，导致植物对重金属元素的吸收性、反应性和抗性也各不同[12]，如银城大道红檵木(16.314 mg/kg)比益阳大道樟树叶片Cu 含量(2.986 mg/kg)高4.47 倍.

2.2 植物根际土壤污染评价

土壤污染评价一般采用单因子指数法和地积累指数法.本文分别采用这2 种方法对各区域行道树的根际土壤进行污染评价.

单因子指数法是一种分别计算各污染物的污染指数的方法，即以土壤污染物的实测值与评价标准之比表示土壤污染指数.

其中，Pi为土壤污染物i的污染指数；Ci为土壤污染物i的实测值，mg/kg；Si为土壤污染物i的评价标准，mg/kg.

土壤重金属单项污染指数分级标准和污染等级分别见表4～表5.综合分析表4～表5，其单因子指数显示出街道区和湖南城市学院校园区Cr、Pb 污染等级均为清洁；银城大道樟树的根际土壤Cu 污染等级为中度污染；其他采样点的污染等级均为清洁～轻度污染.

表4 土壤重金属单项污染指数分级标准

表5 土壤重金属单项污染等级

地积累指数法(index of geoaccumulation)是由德国科学家Muller 提出的[12].该方法是20 世纪70 年代晚期从欧洲发展起来的最先用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标，如今在土壤重金属污染评价方面也被广泛应用.Igeo值与重金属污染程度分为7 个等级，不同等级代表不同的污染程度，见表6.Igeo计算公式为

表6 土壤重金属污染地积累指数分级标准

其中，Cn为某重金属元素实测含量，mg/kg；Bn为该重金属元素在标准中的背景值，mg/kg；Igeo为地积累指数.

采用《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)[13]中所规定的土壤质量二级标准值对土壤重金属含量进行判断，具体见表7.

表7 土壤重金属环境质量 mg/kg

各采样区域土壤的地积累指数计算结果见表8.由表8 可知，Cr 污染等级均为无污染；Pb 污染级别为0～Ⅰ，即污染等级为无污染～轻度污染；Cu 污染级别为0～Ⅲ，其Igeo值为-2.02～2.89，污染等级为无污染～中度污染.

表8 土壤重金属污染地积累指数及其污染等级

2.3 大气质量评价

大气污染物含量与其质量评价有很大的相关性，人们可以利用植物中重金属含量的监测数据来计算大气污染指数，并据此对空气质量等级进行客观评价.

本文运用综合控制污染(integrated pollution control, IPC)法，通过单项污染指数求出IPCi，其计算公式为

其中，Ci和Si分别为采样区和对照区植物重金属含量的测定值，mg/kg.

依据Mielke 等[14]提出的重金属污染评价指标，将植物中重金属的潜在生态危害状况进行分级：①无污染(I)，平均污染指数≤1.2；②轻度污染(Ⅱ)，平均污染指数为1.3～2.2；③中度污染(Ⅲ)，平均污染指数为2.3～3.2；④重污染(Ⅳ)，平均污染指数为3.3～4.2；⑤严重污染(Ⅴ)，平均污染指数≥4.3.各采样区大气质量评价结果见表9.

表9 采样区大气质量评价

由表9 中可以看出，除银城大道的桂树为无污染外，其他街道区植物叶片均为轻度污染.

已有研究表明，城市大气重金属的相对含量与园林植物叶片重金属的富积量呈显著线性正相关[15].本研究通过测定益阳市主要行道树叶片中的重金属含量发现，该市大气重金属污染状态基本为无污染～轻度污染.这说明益阳市作为生态宜居城市，其主要植物受到大气重金属污染的程度较小，且与市区工业相对较少有关.

3 结论

1)对益阳市主要街道行道树叶片及其根际土壤重金属含量的研究表明，除银城大道、迎宾东路、康复路的红檵木和迎宾东路的樱树外，街道区植物叶片Cr 含量均比清洁对照区湖南城市学院校园区的高，且街道区植物根际土壤Cr 含量都高于湖南城市学院校园区；益阳大道的樟树和康复路的樱树、红檵木叶片Cu 含量低于湖南城市学院校园区，其他街道区植物叶片Cu 含量均高于湖南城市学院校园区；街道区植物叶片Pb 含量均高于湖南城市学院校园区.

2)利用单因子指数法和地积累指数法对土壤质量进行了评价.单因子指数显示街道区和湖南城市学院校园区Cr、Pb 污染等级均为清洁，Cu污染等级为清洁～中度污染；地积累指数显示Cr污染等级均为无污染，Pb 污染等级为无污染～轻度污染，Cu 污染等级为无污染～中度污染.

3)通过平均污染指数法对益阳市空气质量进行了评价.结果表明，除银城大道的桂树为无污染外，其他街道区植物叶片均为轻度污染.总体来说，益阳市区的街道植物叶片受重金属污染较小，表明其大气重金属污染不严重.