Accumulation of heavy metals in inhalable particulate matter on the leaf surface of road green plants and pollution evaluation

WANG Hui; LIU Changwei; SHI Ning; SUN Dan; SUN Buxu

doi:10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.19.015

2025 , Vol. 31 >Issue 19: 62 - 66

DOI: https://doi.org/10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.19.015

Accumulation of heavy metals in inhalable particulate matter on the leaf surface of road green plants and pollution evaluation

WANG Hui ,
LIU Changwei ,
SHI Ning ,
SUN Dan ,
SUN Buxu

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Jiangsu Suqian Environmental Monitoring Center, Suqian 223800, China

Received date: 2024-10-31

Online published: 2025-10-14

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Abstract

Taking the road green spaces in the SQ City (SC District, SS District, SY District, JK District, and HB District) as the research object, leaves of 6 plants species including Ligustrum compactum and Ligustrum japonicum were collected. The contents of 6 heavy metals (Cd, Pb, Cr, Cu, Ni, and Zn) in the inhalable particles on leaf surfaces were determined. The pollution load index (PLI) and the single-factor and comprehensive potential ecological risk indices (RI and $E r i$ ) were used to analyze the accumulation status and pollution assessment of heavy metals. The results showed that the accumulation capacities for different heavy metals in the inhalable particles on the leaves of the 6 plants varied. Among them, Pittosporum tobira leaves had high Zn; Ligustrum lucidum leaves had high Cr, Cu, and Cd; and Magnolia grandiflora leaves had high Ni and Pb contents, with values of 65.41, 34.42, 18.54, 0.40, 9.29, and 4.63 mg/kg, respectively. By geographical district, plants in SC District had high Cu on leaves; those in SY District had high Ni; those in JK District had high Cd and Pb; and those in HB District had high Cr and Zn, with contents of 19.65, 11.14, 0.31, 3.67, 38.96, and 67.90 mg/kg, respectively. Regarding pollution assessment, the PLI for Cr, Ni, Cu, and Pb on the leaves of all greening tree species was <1, indicating no pollution. The PLI for Cd on the leaves of Magnolia grandiflora, Ligustrum japonicum, and Photinia serratifolia ranged from 1 to 2, indicating mild pollution. The PLI for Cd on the leaves of Pittosporum tobira and Ligustrum lucidum was >3, indicating severe pollution. The $E r i$ values for Cr, Ni, Cu, Zn, and Pb on the leaves of the 6 plants were all below 40, and the RI was below 150, suggesting a light ecological risk. In contrast, the $E r i$ for Cd ranged from 14.508 to 144.231, and the RI reached 371.295, indicating a relatively strong ecological risk. In summary, priority should be given to the prevention and control of Cd pollution in practical applications.

Key words： road green space; inhalable particulate matter; heavy metals; pollution evaluation

Cite this article

WANG Hui , LIU Changwei , SHI Ning , SUN Dan , SUN Buxu . Accumulation of heavy metals in inhalable particulate matter on the leaf surface of road green plants and pollution evaluation[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2025 , 31(19) : 62 -66 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.19.015

源自汽车尾气排放及轮胎、刹车片磨损的重金属，因其强烈的毒性、不可降解性和生物富集效应，对生态系统与人体健康构成严重威胁^[1-2]。道路绿地中的植物通过庞大的冠层结构和复杂的叶面特征可以不断累积重金属污染物，是吸滞交通污染源的主要载体^[3]，其巨大的生物富集潜力对改善环境质量具有重要意义。通用地车流密集的地方，其排放的重金属颗粒是城市中污染物中重要的来源，而绿化树种多栽植于道路两侧，对消减重金属污染起到重要的作用。近些年，相关学者对植物体吸收重金属污染研究较多，主要集中在不同生活型植物^[4-5]、土地利用类型^[6-7]和地理差异^[8-9]等方面，但对道路绿地内叶面颗粒物中重金属富集状况及污染评价研究较少。基于此，本文以苏北SQ市常见行道树为研究对象，通过测定道路绿化树种叶面可吸入颗粒物中重金属含量，分析不同树种对重金属的累积能力和污染等级，研究不同绿化植物叶面对不同重金属的吸滞差异，为筛选抗污能力强的城市道路行道树提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区基本情况

研究区地处长三角北部地区（33°58′ N，118°16′ E），以平原为主，受周边水体影响，无霜期较长，河流纵横交错，水网纵横，是典型水乡城市；全年光照充足，气候温和，雨热同期，降水年际间变化较小，但年内变化明显，春夏两季降水量大，而秋冬季节相对干燥，一般在12月中上旬会出现降雪天气。

1.2 试验材料及样品采集

以研究区主要道路（SC区、SS区、SY区、JK区和HB区）为采样点，采摘大叶女贞（Ligustrum compactum）、金森女贞（Ligustrum japonicum）、广玉兰（Magnolia Grandiflora）、石楠（Photinia serratifolia）、大叶黄杨（Buxus megistophylla）和海桐（Pittosporum tobira）等常见绿化树种，选取无病虫害、无明显污染且生长良好的叶片，采摘每种绿化树种叶片20片左右，整理好放入事先准备好的采样袋中做好记录，并在袋子外表面用黑色标记笔及标签纸做好标记。

1.3 样品处理

参考赵晓亮等^[6]的方法，采用重量差值法测定植物叶片滞留颗粒物量。选取叶表完整无缺刻，无腐烂黑斑的鲜叶片各20 g浸泡于纯水中20 min，然后用小毛刷对其进行充分浸洗，洗下叶片附着物，用镊子小心夹出叶片，置于卫生纸上轻轻擦拭后使其自然风干，再使用叶面积仪测量叶面积。将孔径为10 μm的滤膜置于60 ℃鼓风干燥机中烘干至恒重，采用天平称量滤膜初始质量。将烘干称重后的滤膜进行3次抽滤，滤完后的滤膜再次置于60 ℃鼓风干燥机中烘干至恒重并称重，记录载尘滤膜质量，依次得到叶面的颗粒物吸附量。

1.4 重金属测定

参考潘华华等^[2]和赵晓亮等^[6]的方法，将烘干后的滤膜倒入消解罐中，用移液枪滴入0.2 mL的HNO₃，静置20 min后，再依次加入0.2 mL的HNO₃和0.1 mL的H₂O₂，放入微波消解仪消解3 h后再冷却。消解完成后，快速将消解罐转移至通风柜中，以免造成气体扩散。打开消解罐，静置一段时间，待黄色气体消散完毕后，将消解制得的液体缓慢倒入试剂管中，用纯水定容至10 mL。采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-MS）测量镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）和锌（Zn） 6种重金属的含量。

1.5 分析评价方法

1.5.1 污染负荷指数

重金属污染水平采用Tomlinson等^[10]提出的污染负荷指数进行分析评价，计算如式（1）。

P L I = Π i n C i / C n i n

（1）

式中，PLI为污染负荷指数；n为重金属元素个数；C_i 和

C n i

分别表示重金属i的实测值和土壤环境背景值^[11]，单位mg/kg。

1.5.2 潜在生态风险指数法

采用潜在生态风险指数法^[12]进行生态风险评价分级。计算如式（2）。

R I = ∑ E r i = T r i × C i ∕ C n i

（2）

式中，RI为综合潜在生态风险指数；

E r i

为单因子潜在生态风险指数；

T r i

为重金属的毒性系数^[13]（各元素毒性系数为Pb=Cu=Ni=5，Zn=1，Cr=2，Cd=30）；

C i

和

C n i

分别表示重金属i的实测值和背景值^[11]；n为重金属元素个数。各指数的分级标准见表1。

表1 分级标准

PLI	污染等级	RI	污染等级	$E r i$	风险等级
PLI<1	Ⅰ无污染	RI<150	Ⅰ轻度	$E r i$ <40	Ⅰ轻度
1≤PLI<2	Ⅱ轻度	150≤RI<300	Ⅱ中等	40≤ $E r i$ <80	Ⅱ中度
2≤PLI<3	Ⅲ中度	300≤RI<600	Ⅲ较强	80≤ $E r i$ <160	Ⅲ较强
PLI≥3	Ⅳ重度	RI≥600	Ⅳ很强	160≤ $E r i$ <320	Ⅳ很强
				$E r i$ ≥320	Ⅴ极强

1.6 数据处理

采用SPSS 21.0软件进行数据分析，并用最小显著性差异法（LSD）检测数据之间的差异性，采用Excel 2018软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同植物种类叶面可吸入颗粒物中重金属含量

由表2可知，不同植物品种植物叶面可吸入颗粒物中重金属含量存在差异。其中，6种植物叶面Cr含量由高到低依次为大叶女贞>石楠>广玉兰>大叶黄杨>金森女贞>海桐，大叶女贞含量最高，为34.42 mg/kg，与石楠、广玉兰差异无统计学意义（P>0.05），与其余植物差异具有统计学意义（P<0.05）。Ni在大叶黄杨、金森女贞和海桐中含量较接近（P>0.05），依次为7.14、6.53、7.00 mg/kg。Cu在大叶女贞叶面中含量较高，为18.54 mg/kg，广玉兰、金森女贞次之，大叶黄杨、石楠和海桐略低。6种植物叶面Zn含量由高到低依次为海桐>大叶女贞>金森女贞>广玉兰>石楠>大叶黄杨。Cd的毒性当量较大，6种植物叶面吸入含量均<1 mg/kg。Pb在广玉兰叶面中含量较高，为4.63 mg/kg，大叶女贞次之。此外，所有植物叶片中重金属含量由高到低依次为Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd。

表2 叶面可吸入颗粒物中重金属含量 (mg/kg)

植物种类	Cr	Ni	Cu	Zn	Cd	Pb
石楠	30.50±16.59 a	7.96±2.88 ab	12.39±3.14 c	41.71±8.82 c	0.20±0.17 b	3.32±1.13 b
金森女贞	27.42±17.34 b	6.53±2.93 bc	15.84±4.11 b	56.17±19.67 ab	0.08±0.04 e	2.78±1.06 bc
海桐	27.25±15.03 b	7.00±1.73 c	11.82±3.96 c	65.41±18.33 a	0.35±0.04 c	2.72±0.63 c
大叶女贞	34.42±21.28 a	7.76±2.52 b	18.54±11.40 a	62.67±21.16 a	0.40±0.12 a	4.24±1.43 ab
广玉兰	30.30±16.99 ab	9.29±4.21 a	15.86±4.94 ab	51.00±17.02 b	0.14±0.07 cd	4.63±1.80 a
大叶黄杨	29.28±15.08 c	7.14±1.83 bc	12.40±4.10 d	31.98±9.28 d	0.06±0.05 e	3.61±1.77 b

注：同列不同小写字母表示差异在0.05水平具有统计学意义。

2.2 不同区域植物叶面可吸入颗粒物中重金属含量

由表3可知，SC区植物叶面Cu含量、SY区植物叶面Ni含量，JK区植物叶面Cd和Pb含量，HB区植物叶面Cr和Zn含量较高，分别为19.65、11.14、0.31、3.67、38.96和67.90 mg/kg，分别是SQ土壤背景值^[11]的0.82、0.33、2.38、0.14、0.52、1.07倍。SC区植物叶面Zn含量，SS区植物叶面Cu和Pb含量，JK区植物叶面Cr含量，HB区植物叶面Ni和Cd含量较低。其中，SS区属于工业园区，内部有多个工厂，其排放的可吸入颗粒物含有大量重金属，易附着在植物表面，导致该区的重金属含量较高。但本研究中的该区域的厂房多属于纺织、食品等轻工业以及大数据等高新企业，化工及重污染企业多设在远郊，因而中心城区内的SS区污染相对较少。

表3 不同区域道路绿地叶面可吸入颗粒物中重金属含量 (mg/kg)

区域	Cr	Ni	Cu	Zn	Cd	Pb
SC区	36.51 ab	10.34 ab	19.65 a	49.48 b	0.29 a	3.11 ab
SS区	30.84 b	8.03 b	16.25 b	65.28 a	0.30 a	2.77 b
SY区	38.20 a	11.14 a	18.47 ab	57.62 ab	0.24 a	3.39 ab
JK区	28.89 b	9.86 ab	18.72 ab	52.90 b	0.31 a	3.67 a
HB区	38.96 a	7.23 c	19.55 a	67.90 a	0.22 b	3.46 a
SQ土壤背景值	74.90	33.30	24.10	63.20	0.13	25.90

2.3 道路绿地叶面可吸入颗粒物中重金属污染水平

由表4可知，各绿化树种叶面中Cr、Ni、Cu和Pb的PLI<1，按大小依次为Cu>Cr>Ni>Pb，均为无污染水平。海桐叶面中Zn的PLI为1.035，为轻度污染水平。而Cd的PLI范围较广，大叶黄杨叶面中PLI<1，仅为0.484，属于无污染水平；广玉兰、金森女贞和石楠叶面中Cd的PLI在1~2，为轻度污染水平；海桐和大叶女贞叶面中Cd的PLI>3，为重度污染水平。石楠、海桐、广玉兰、大叶女贞和金森女贞的叶面中重金属PLI的由高到低依次为Cd>Zn>Cu>Cr>Ni>Pb，大叶黄杨表现为Cu>Zn>Cd>Cr>Ni>Pb。总体看来，研究区主要道路绿化树种叶面可吸入颗粒物中重金属，除Cd部分呈重度污染外，其他多为无污染水平或轻度污染水平。

表4 重金属污染负荷指数

植物种类	Cr	Ni	Cu	Zn	Cd	Pb
石楠	0.407	0.239	0.514	0.660	1.978	0.128
金森女贞	0.366	0.196	0.657	0.889	1.039	0.107
海桐	0.364	0.210	0.491	1.035	3.021	0.105
大叶女贞	0.460	0.233	0.769	0.992	4.808	0.164
广玉兰	0.405	0.279	0.658	0.807	1.048	0.179
大叶黄杨	0.391	0.215	0.514	0.506	0.484	0.139

2.4 SS区道路绿地叶可吸入颗粒物中重金属生态风险

由表5可知，大叶女贞叶面Cr、Cu、Cd，海桐叶面Zn、广玉兰叶面Ni和Pb的

E r i

值较高，分别为0.919 、3.847、144.231、1.035、1.396和0.894。金森女贞叶面Ni，海桐叶面Cr、Cu和Pb，大叶黄杨叶面Zn和Cd的

E r i

最低，分别为0.980、0.728、2.453、0.524、0.506、14.508。在各道路绿化树种中，石楠叶面Cd的

E r i

为59.326，为中度生态风险等级；海桐、大叶女贞叶面Cd的

E r i

分别为90.617、144.231，均属于较强生态风险等级。除Cd有潜在生态风险外，其余植物叶面中的重金属

E r i

均小于40，属于轻度生态风险等级。从RI来看，6种重金属的RI在4.110~371.295，从大到小依次为Cd>Cu>Ni>Zn>Cr>Pb，综合来看，重金属Cd风险较高。

表5 重金属潜在生态风险评价

评价指数	植物种类	Cr	Ni	Cu	Zn	Cd	Pb
$E r i$	石楠	0.814	1.195	2.570	0.660	59.326	0.640
	金森女贞	0.732	0.980	3.286	0.889	31.168	0.537
	海桐	0.728	1.050	2.453	1.035	90.617	0.524
	大叶女贞	0.919	1.166	3.847	0.992	144.231	0.818
	广玉兰	0.809	1.396	3.291	0.807	31.445	0.894
	大叶黄杨	0.782	1.073	2.572	0.506	14.508	0.697
RI		4.784	6.860	18.018	4.889	371.295	4.110

3 结论与讨论

3.1 城市道路绿地叶面可吸入颗粒物重金属含量

作为城市环境中广泛存在的污染物之一，重金属对环境质量及城市生态的可持续发展构成了严重威胁^[14]。由于大气重金属污染程度的不断加剧，社会各界对大气环境质量的关注程度也不断提高。利用植物对大气重金属的累积吸收已成为大气颗粒物治理与生态恢复的一种重要手段^[15]。其中超富集植物抗污能力较强、生长周期较短，处于地上部的生物量大并能富集多种重金属。从研究区道路绿化树种叶面颗粒物的污染程度来看，不同植物对叶面可吸入颗粒物中重金属的累积能力有所不同，6种植物叶面Cr含量由高到低依次为大叶女贞>石楠>广玉兰>大叶黄杨>金森女贞>海桐，6种植物叶面Zn含量由高到低依次为海桐>大叶女贞>金森女贞>广玉兰>石楠>大叶黄杨。产生这种差异可能与树龄、植物习性以及生长情况有关^[16]，处于生长期和根系较为发达的植物重金属吸收能力强。同时，不同植物叶片的形态特征会造成吸收差异，如植物叶面叶脉褶皱程度，叶面光滑或有分泌物，使可吸入颗粒物在沉降过程或受风迁移过程中，随着时间推移^[17]，植物叶面可吸入颗粒物不断积累，造成了不同植物叶面可吸入颗粒物中重金属含量的差异。此外，植物的滞留大气颗粒物能力也受到叶片自身特征的影响，如针叶树种的叶片具有较大的表面积和分泌油脂的特性，使其能吸附更多的颗粒物且不易脱落^[18]。

3.2 叶面颗粒物中重金属污染来源

本研究中，海桐和大叶女贞叶面中的Cd属于重度污染，广玉兰、金森女贞和石楠叶面中的Cd属于轻度污染；海桐叶面中的Zn属于轻度污染。造成这种差异的原因，一方面是植物吸滞能力不同，另一方面可能是重金属的来源差异^[19]。大气重金属污染的来源有工业废弃物、生活污水、农药化肥等；颗粒物中有的特异性微生物能够参与重金属的矿物分解，对重金属进行积累和转化，导致土壤中各种重金属含量差异大；此外，还与周围交通环境、车流量、汽车尾气等有关^[7]。

综上，本研究测定了大叶女贞等6种植物叶面吸收颗粒物中重金属的含量并对其进行污染评价，结果表明，海桐叶片对Zn、石楠叶片对Cd、广玉兰叶片对Ni和Pb、大叶女贞叶片对Cr和Cu的吸收累积能力较强。Pb、Cr、Cu和Ni均属于无污染等级，且生态风险较轻；Zn在海桐叶片中属于轻度污染；Cd在大叶女贞和海桐叶片中属于重度污染，在广玉兰、金森女贞和石楠叶片中属于轻度污染，其生态风险较高针对重金属Cd的污染，应引起高度关注。

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