【类型】期刊

【作者】赵云阁，徐萍，鲁绍伟，谷建才，陈波，李少宁（河北农业大学林学院；北京市延庆区园林绿化局；北京市农林科学院林业果树研究所；北京林果业生态环境功能提升协同创新中心）

【作者单位】河北农业大学林学院；北京市延庆区园林绿化局；北京市农林科学院林业果树研究所；北京林果业生态环境功能提升协同创新中心

【刊名】西南林业大学学报

【关键词】 绿化树种；重金属；生态转化率；吸滞量

【资助项】北京市农林科学院科技创新能力建设专项(kjcx20160301)资助；林木生态功能监测与资源评价创新团队(jwkst201609)资助；科技创新服务能力建设-协同创新中心-林果业生...

【ISSN号】2095-1914

【页码】P116-122

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7

【摘要】以4种盆栽树种桧柏、白皮松、国槐和白蜡为研究对象,利用微波消解仪进行样品处理,并用感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定植物叶片中重金属含量,测算放置在不同地点的4种盆栽树叶片吸滞Cr和Pb的生态转化率。结果表明:不同树种吸滞Cr和Pb的生态转化率存在显著差异。其中,北京植物园内吸滞Cr和Pb生态转化率最高的树种分别为白蜡(99.4%)和白皮松(98.3%);西山国家森林公园中,生态转化率最高的树种分别是桧柏和白皮松,转化率分别为96.4%和94.9%;松山国家级自然保护区对Cr转化率最高的为桧柏(89.0%),对Pb转化率最高的则是2种阔叶树国槐和白蜡,转化率均为79.1%。各树种在不同地点的生态转化率基本规律为高污染区>低污染区。树种对某一元素吸滞量大其生态转化率不一定大。

【全文】 文献传递

北京部分树种吸滞重金属Cr、Pb生态转化率研究

赵云阁1 徐 萍2 鲁绍伟3,4 谷建才1 陈 波3,4 李少宁3,4

(1. 河北农业大学林学院，河北 保定 071000；2. 北京市延庆区园林绿化局，北京 102100；3. 北京市农林科学院林业果树研究所，北京 100093；4. 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京 100093)

摘要：以4种盆栽树种桧柏、白皮松、国槐和白蜡为研究对象，利用微波消解仪进行样品处理，并用感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS) 测定植物叶片中重金属含量，测算放置在不同地点的4种盆栽树叶片吸滞Cr和Pb的生态转化率。结果表明：不同树种吸滞Cr和Pb的生态转化率存在显著差异。其中，北京植物园内吸滞Cr和Pb生态转化率最高的树种分别为白蜡 (99.4%) 和白皮松 (98.3%)；西山国家森林公园中，生态转化率最高的树种分别是桧柏和白皮松，转化率分别为96.4%和94.9%；松山国家级自然保护区对Cr转化率最高的为桧柏 (89.0%)，对Pb转化率最高的则是2种阔叶树国槐和白蜡，转化率均为79.1%。各树种在不同地点的生态转化率基本规律为高污染区 > 低污染区。树种对某一元素吸滞量大其生态转化率不一定大。

关键词：绿化树种；重金属；生态转化率；吸滞量

随着社会的不断发展，我国的城市化、工业化及现代化进程逐渐加快，城市生态环境遭到严重破坏，尤其是重金属污染问题已威胁到人类的身体健康，阻碍了城市的可持续发展。因此，对其进行治理变得迫在眉睫，而植物修复以其经济、清洁和生态等优势，受到国内外学术界的高度关注[1]。目前，国内外学者已在这方面开展了大量研究。如Alfani等[2]研究表明，植物叶片对大气重金属具有一定的吸滞能力。黄会一等[3]的研究发现，木本植物叶片能够有效吸收积累大气中的Pb、Cd。王崇臣等[4]分析了北京城区道路两侧国槐 (Sophora japonica) 叶片中的Pb、Cd含量，结果表明，植物叶片中的重金属可以有效评价空气质量。杨震[5]的研究发现，园林绿化树种对大气Pb、Zn污染物具有一定的吸收净化能力, 并因污染物和树种的不同具有明显差异。尽管利用植物吸滞大气中重金属污染物的研究已经取得了一定成果，但植物吸滞重金属的生态功能服务转化率研究鲜见报道。

为此，本研究提出生态系统服务功能转化率的概念。并在北京市不同的园林绿化区，以盆栽树种为研究对象，重点探究不同树种吸滞重金属污染元素Cr和Pb的生态转化率规律，为城市森林生态服务价值的确切评估提供依据。

1 研究地概况

分别选取位于北京市的南海子郊野公园、北京植物园、西山国家森林公园和松山国家级自然保护区4个典型园林绿化区，以南海子郊野公园作为对照。其中，南海子郊野公园是北京市最大的人工湿地郊野公园，位于五环大兴区、大兴新城与亦庄新城之间，人流与车流交汇；北京植物园位于西北近郊的香山脚下，是北方最大的植物园，游客众多；西山国家森林公园位于北京西郊小西山，距城区20 km，园内森林覆盖率90%以上；松山国家级自然保护区位于北京延庆海坨山南麓，距北京市区约90 km，年均温相对较低，仅8.5 ℃，具有山地气候特征，是北京西北方向保存完好的山地森林生态系统。4个园林区均属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，园内植物种类丰富，常见的绿化乔木有油松 (Pinus tabuliformis)、银杏 (Ginkgo biloba)、白蜡 (Fraxinus chinensis)、国槐、白皮松 (Pinus bungeana)、侧柏 (Platycladus orientalis)、杨树 (Populus spp.) 等。

2 材料与方法

2.1 树种选择与样品采集

以北京市园林绿化树种调查为基础，在研究地放置林龄相同且长势良好的针、阔叶盆栽树种各2种：桧柏 (Sabina chinensis)、白皮松、国槐和白蜡 (基本情况见表1)，且各盆栽树种的栽培土壤一致。于2014年4、8、10、11月 (分别代表春、夏、秋、冬4个季节)，每个季节在各研究地的待测盆栽进行植物样品采集，且每个树种设置3个重复。采样时分别在其东、南、西、北4个方向的上、中、下3个层次均匀采样，每树种共采集50个左右功能叶片即可，封存于塑料袋中带回实验室。

表1 试验盆栽树种基本情况
Table 1 Basic situation of experimental tree species

2.2 重金属含量测定

植物样品测定：1) 样品处理：将带回实验室的样品用去离子水清洗、晾干，在105 ℃下杀青后，65 ℃烘干至恒质量，粉碎标记。之后精密天平 (精度0.000 1 g) 称取2 g植物样品加水50 mL震荡1 h、过滤、离心 (13 000 r/min) 取上清液1 mL稀释10倍，再过0.45 μm滤膜进样分析。2) 样品测定：利用感耦合等离子体质谱仪 (型号为Agilent 7700x) 测定叶片中有毒重金属Pb和Cr的含量。

2.3 生态转化率计算

生态系统功能是指生境、生物学性质或生态系统过程，包括物质循环、能量流动、信息传递以及生态系统本身的动态演化等，是生态系统的基本性质，不依人的存在而存在。生态系统服务指人类从生态系统中获得的各种惠益。生态系统功能与生态系统服务是2个不同的概念[6-7]。生态功能是客观存在的，而生态系统服务则是为人类提供的服务，即有人就有服务。因此，生态系统服务功能转化率是指与人类福祉有关的生态系统功能向生态系统服务转化的效率 (简称生态转化率)。研究中以南海子郊野公园测定值作为饱和吸滞量，这是因为南海子公园接近市中心，其周围环境污染程度大，主要以PM2.5浓度划分空气污染程度 (表2)，相比其他地点，此处林木吸滞量最大，因此，在理论上视其为相对最大饱和量。由此可得，林木吸滞重金属的生态转化率(即相对转化比率)计算公式为：

吸滞重金属生态转化率=各地区吸滞重金属量/市中心吸滞重金属量 (饱和吸滞量)

(1)

2.4 数据处理

通过公式 (1) 计算生态转化率，并利用Excel软件对数据进行处理分析和制图，运用SPSS 17.0软件对不同树种吸滞重金属的生态转化率进行单因素方差分析 (one-way ANOVA)。

3 结果与分析

3.1 不同树种吸滞Cr、Pb的生态转化率特征

3.1.1 北京植物园不同树种吸滞重金属生态转化率变化

由图1可知，北京植物园内不同树种对不同重金属元素 (Cr、Pb) 的吸滞生态转化率存在显著差异 (α=0.05, Sig=0.030 < 0.050)。其中，对Pb吸滞生态转化率最高的树种是白皮松，转化率高达98.3%；其次是国槐和白蜡，生态转化率分别为97.9%和93.9%，仅低于白皮松0.4%、4.4%；生态转化率最低的树种则是桧柏，转化率不到50.0%；生态转化率最大值是最小值的2.3倍。对Cr吸滞生态转化率最大的树种是白蜡，其生态转化率接近100.0%；最小生态转化率树种则为白皮松，仅为17.4%，还不到最大生态转化率的1/5；各树种对Cr的生态转化率排序为白蜡 (99.4%)>桧柏 (98.9%)>国槐 (93.4%)>白皮松 (17.4%)。

图1 北京植物园不同树种吸滞Cr、Pb生态转化率
Fig.1 The ecological conversion rate of Cr and Pb of different species in Beijing Botanical Garden

综上可知，各树种吸滞Cr、Pb的生态转化率表现出的规律为：2种针叶树种 (桧柏和白皮松) 分别只对1种重金属元素具有较高的生态转化率，而2种阔叶树 (国槐和白蜡) 则对Cr和Pb这2种重金属污染元素均有较强的生态转化率。这可能是由于针、阔叶树种的生理特征及叶片结构不同引起的。

3.1.2 西山国家森林公园不同树种吸滞重金属生态转化率变化

由西山国家森林公园不同树种吸滞重金属污染元素Cr和Pb的生态转化率可见 (图2)，不同树种吸滞Cr和Pb的生态转化率差异显著 (α=0.05，

Sig=0.039 < 0.050)。其中，吸滞Cr生态转化率最大的树种是桧柏，生态转化率为96.4%，是最小生态转化率树种白皮松的4.8倍，其余2种阔叶树国槐和白蜡的生态转化率分别为70.6%和80.3%；相比之下，4个参试树种对Pb的生态转化率最大的则是白皮松 (94.9%)，最小的是桧柏 (36.2%)，恰与Cr相反，但其余2种阔叶树国槐和白蜡则是白蜡高于国槐。

图2 西山国家森林公园不同树种吸滞Cr、Pb生态转化率
Fig.2 The ecological conversion rate of Cr and Pb of different species in Xishan National Forest Park

综上所述，在西山国家森林公园参试的4个树种吸滞Cr、Pb的生态转化率表现出的规律与北京植物园极为相似，同样表现为：1) 2种针叶树桧柏与白皮松分别只对1种元素具有较高生态转化率，即桧柏对Cr具有较高的生态转化率，白皮松则是对Pb的生态转化率较高；2) 2种阔叶树吸滞Cr、Pb的生态转化率均较高，生态转化率达到90%以上。但西山森林公园各树种生态转化率与植物园的不同点是：国槐在植物园对2种元素的转化率表现出的规律是Pb (97.9%)> Cr (93.4%)，西山森林公园则刚好相反，白蜡同样在两个地点对2种元素的转化率表现出刚好相反的结果。这说明树种吸滞Cr、Pb的生态转化率可能与其生长的环境条件有关。

3.1.3 松山国家级自然保护区不同树种吸滞重金属生态转化率变化

如图3所示，松山国家级自然保护区内不同树种对重金属污染元素的生态转化率存在一定差异 (α=0.05，Sig=0.020 < 0.050)。整体来看，4个参试盆栽树种吸滞Cr、Pb的生态转化率均较高。其中，各树种吸滞Cr的生态转化率排序为桧柏 (89.0%)> 国槐 (87.3%)> 白皮松 (74.0%)> 白蜡 (53.6%)，最大生态转化率高出最小的35.4%；各树种吸滞Pb的生态转化率差异不大，尤其2种阔叶树的转化率均为79.1%，是吸滞Pb的生态转化率最大的树种，其次是桧柏，最小的则为白皮松，转化率也超过60.0%，与最大转化率仅相差19.0%。松山自然保护区内4种参试盆栽树种 (白皮松除外) 吸滞Cr、Pb的生态转化率规律与西山森林公园基本一致， 均为国槐、桧柏吸滞2种元素的生态转化率为Cr > Pb，白蜡为Pb > Cr。这可能是因为西山森林公园与松山自然保护区内的环境条件相近造成的。

图3 松山自然保护区不同树种吸滞Cr、Pb生态转化率
Fig.3 The ecological conversion rate of Cr and Pb of different species in Songshan Nature Reserve

综上分析发现，同一地点不同树种吸滞不同重金属的生态转化率具有显著性差异 (α=0.05，Sig=0.020 < 0.050)，对比各树种叶片对2种重金属元素的吸滞量 (表3) 可知，树种对某一污染元素的实际吸滞量大不一定其生态转化率就一定高。如北京植物园中，桧柏对Cr的吸滞量仅为 (0.976 ± 0.221) mg/kg，生态转化率却高达98.9%，对Pb的吸滞量为 (2.455 ± 1.013) mg/kg，生态转化率仅为42.3%；松山自然保护区中，国槐、桧柏和白皮松对Cr和Pb的吸滞量分别为 (0.864 ± 0.331) mg/kg和 (2.639 ± 0.885) mg/kg、(0.879 ± 0.269) mg/kg和 (4.413 ± 1.638) mg/kg、(0.650 ± 0.192) mg/kg和 (1.281 ± 0.523) mg/kg，但其生态转化率却分别为87.3%和79.1%、89.0%和76.0%、74.0%和61.5%。

3.2 同一树种在不同地点对Cr、Pb的吸滞生态转化率特征

图4为各树种在不同地点吸滞Cr和Pb的生态转化率变化情况。由图4a、图4b可知，两种阔叶树种对Cr和Pb的生态转化率在不同地点的变化趋势一致。其规律为：1) 白蜡对Cr和Pb的生态转化率均表现为由 “城区—近郊—远郊” 呈逐渐下降趋势，即南海子郊野公园 > 北京植物园 > 西山国家森林公园 > 松山国家级自然保护区；2) 国槐对2种重金属污染元素 (Cr、Pb) 的生态转化率变化规律相同：呈现为先下降后上升，即在南海子郊野公园生态转化率最高，其次是北京植物园，在西山森林公园生态转化率降至最低值 (70.6%和63.6%)，到松山自然保护区生态转化率又再次升高为87.3%和79.1%。

表3 不同树种对Cr、Pb的吸滞量
Table 3 The absorption and lag of Cr and Pb of different tree species

图4 各树种在不同地点对Cr、Pb吸滞生态转化率
Fig.4 The ecological conversion rate of Cr and Pb of different species in different sites

由图4c、图4d可以发现，2种针叶树种 (白皮松和桧柏) 对Cr和Pb的生态转化率变化趋势有所不同。其规律为：1) 白皮松吸滞Pb、Cr的生态转化率变化趋势依次与桧柏吸滞Cr、Pb的生态转化率变化趋势相同。即白皮松吸滞Pb的生态转化率变化趋势与桧柏吸滞Cr的生态转化率变化规律相同，均为从 “南海子郊野公园—北京植物园—西山国家森林公园—松山国家级自然保护区” 生态转化率逐渐减弱；2) 白皮松吸滞Cr的生态转化率和桧柏吸滞Pb的生态转化率则表现为在南海子生态转化率最高，松山自然保护区内树种生态转化率高于植物园和西山森林公园。出现这种反差现象的原因可能有2点：一是不同的环境条件会对不同树种的生理特征产生或多或少的影响；二是重金属元素在进入植物体内会对植物的生理机能产生影响，且植物体内1种元素含量的增加会影响其他金属元素的吸收[8]。

综上可知，除松山自然保护区外，各树种在不同地点对两种重金属污染元素Pb和Cr的吸滞生态转化率基本表现为由 “城区—郊区” 逐渐下降的趋势。这是因为Pb和Cr的主要来源是汽车尾气的排放、汽车轮胎磨损及工业生产废气排放等，城区与郊区相比，人口密集，车流量和工业废气排放量较大，因此，大气中Cr和Pb含量增加，随之城区内树种表现的生态转化率相应较高。造成两种针叶树种对Cr和Pb的吸滞生态转化率恰好相反的原因可能与2种针叶树种的生理特征、叶片结构以及2种重金属元素在不同树种中的相互作用有关。

4 结论与讨论

4.1 讨 论

4.1.1 不同树种吸滞Cr、Pb的生态转化率差异

林木可以通过其呼吸作用吸收大气中的重金属污染物，被称为空气中重金属的有效清洁器[9]。很多研究表明，同一地点不同植物种类对不同重金属污染物的吸收净化能力不同，这主要受叶片外部结构、内部生理生化特征和基因差异等内在因素的影响[10-11]。本研究中采用盆栽树种作为研究对象，在各树种土壤条件及林龄等生长条件基本一致的情况下对其吸滞重金属 (Cr、Pb) 的生态转化率进行研究，结果显示：1) 在土壤等条件一致的情况下，不同树种吸滞Cr和Pb的生态转化率存在显著差异 (α=0.05，Sig=0.020 < 0.050)，说明叶片的外部结构和内部生理特征影响树种对重金属污染物的吸滞生态转化率，这与前人对不同林木对重金属吸滞量的研究结果一致。2) 由于研究中土壤条件相同，可推测各树种吸滞Cr、Pb的生态转化率与土壤中重金属元素含量的相关性不大，可能主要来源于大气环境中的重金属污染物，这一结果又与庄树宏等[12]得出的重金属在植物叶片中的累积量与其生长的土壤重金属含量无大的相关性 (ρ < 0.05)的结果相似。当然，生态系统服务功能的转化率不只与环境污染有关，还与植物生长状况有关。此外，前人的研究多集中在林木对重金属污染的吸滞量上，并未进一步探讨其发挥出的净化效率，本研究提出了生态转化率概念，用生态转化率来反应林木发挥在净化重金属污染上的效率，研究结果表明，同一地点某树种对某一元素的吸滞量大不一定其生态转化率就高，如北京植物园中，桧柏对Cr和Pb的吸滞量为Cr (0.976 mg/kg)> Pb (2.455 mg/kg)，但生态转化率则为Cr (98.9%)< Pb (42.3%)；西山森林公园中，桧柏对Cr和Pb的吸滞量分别为0.952 mg/kg和2.105 mg/kg，但其生态转化率却依次为96.4%和63.2%；松山自然保护区中，桧柏对两种元素的吸滞量为0.879 mg/kg和4.413 mg/kg，转化率却分别为89.0%和76.0%。4.1.2 不同地点各树种吸滞Cr、Pb的生态转化率差异

植物叶片具有吸收累积大气环境中的重金属气溶胶的能力，因此，可以利用植物对大气污染进行监测[13-15]。大量研究表明，植物叶片中污染物的积累通常与不同地点的大气污染物浓度成正比[16]。研究中同一树种对重金属 (Cr、Pb) 的吸滞生态转化率基本表现为位于城区公园 (南海子郊野公园) 中各树种的生态转化率均高于近、远郊区，即高污染区 > 低污染区，这与Temmerman L等[17]在高污染区测得蔬菜铅含量超标率较高的结果相近。但研究中在松山自然保护区部分树种的生态转化率高于近郊的北京植物园和西山森林公园，如国槐吸滞Cr的生态转化率为松山自然保护区 (87.0%)> 西山森林公园 (71.0%)，吸滞Pb的生态转化率同样为松山 (79.0%) 高于西山 (64.0%)；白皮松在松山保护区吸滞Cr的生态转化率分别比北京植物园和西山森林公园高出57.0%和54.0%；以上这些情况均与各公园所处环境的实际污染程度不符，这可能是由于松山国家级自然保护区是国家景区，区内游客较多，导致颗粒物浓度增加，同时，由于细颗粒物的远距离输送，以及景区所在县城情况等原因也增加了颗粒物浓度，致使树木滞留大量颗粒物，并对颗粒物中的重金属进行吸收，增加了叶片中重金属含量，因此使树木对重金属污染物的生态转化率增大。

4.2 结 论

不同树种吸滞Cr和Pb的生态转化率因树种的生理特征及外部结构不同差异显著；同一树种在不同地点吸滞两种重金属元素 (Cr、Pb) 的生态转化率基本表现为高污染区 > 低污染区，且不同元素间的生态转化率也存在一定差异。这说明不同绿化树种在不同地点对重金属元素Cr和Pb发挥出的净化效率不同。依据研究结果可以推测出不同树种净化重金属污染的生态服务差异，为测算树种净化大气环境的生态服务价值提供了基础参考数据，并为今后城市绿化树种的选择与配置能够最大限度的发挥其净化作用提供了科学依据。

[参 考 文 献]

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(责任编辑 赵粉侠)

Study on Ecological Conversion Rate of Heavy Metal (Cr, Pb) by Some Trees in Beijing

Zhao Yunge1, Xu Ping2, Lu Shaowei3,4, Gu Jiancai1, Chen Bo3,4, Li Shaoning3,4

(1. College of Forestry, Agricultural University of Hebei, Baoding Heibei 071000, China; 2. Landscaping Bureau of Yanqing District,Beijing 102100, China; 3. Forestry and Pomology Institute, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Beijing 100093, China;4. Beijing Collaborative Innovation Center for Eco-environmental Improvement with Forestry and Fruit Trees, Beijing 100093, China)

Abstract：Take 4 different kinds of potted trees includingSabina chinensis, Pinus bungeana, Sophora japonica and Fraxinus chinensis as the research objects. We have processed the sample by apparatus of microwave and have measured the content of heavy metal by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Then we calculated the ecological conversion rate of Cr and Pb of leaves of 4 kinds potted trees in different site. The results showed that there were significant differences among the ecological conversion rate of Cr and Pb of different tree species. Among them, the highest ecological conversion rate of Cr and Pb were respectively F.chinensis (99.4%) and P.bungeana (98.3%) in Beijing botanical garden. The highest ecological conversion rate of Cr and Pb were respectively S.chinensis and P.bungeana in Xishan National Forest Park, ecological conversion rate were 96.4% and 94.9% respectively. In Songshan National Nature Reserve, the highest ecological conversion rate of Cr was S.chinensis (89.0%), while the highest ecological conversion rate of Pb were 2 kinds of hardwood including S.japonica and F.chinensis, both of which were 79.1%. The basic regularity of tree species′ ecological conversion was high pollutants area > low pollution area in different locations. Adsorption and purification quantity of tree species to some element is strong, of which ecological conversion rates may be weak.

Key words：greening tree species, heavy metals, ecological conversion rate, absorption

doi：10. 11929/j. issn. 2095-1914. 2017. 01. 019

收稿日期：2016-06-06；

修回日期：2016-11-09

基金项目：北京市农林科学院科技创新能力建设专项 (KJCX20160301) 资助; 林木生态功能监测与资源评价创新团队 (JWKST201609) 资助; 科技创新服务能力建设-协同创新中心-林果业生态环境功能提升协同创新中心 (2011协同创新中心) (市级) (PXM2016_014207_ 000038)资助。

第1作者：赵云阁 (1990—)，女，硕士生。研究方向：森林经理。Email: 675420514@qq.com。

通信作者：李少宁 (1975—)，男，博士，副研究员。研究方向：城市森林生态功能。Email: lishaoning@126.com。

中图分类号：S718.52; S731.2

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