（生态学专业论文）三种垂直绿化植物叶片对重金属富集能力的研究.pdf

摘要 本研究以南京市常见的爬山虎、野蔷薇和云南黄馨等三种垂直绿化植物的叶片为研 究对象，通过测定三种植物叶片中的重金属含量，了解其对重金属的富集能力。结论如下： 1 三种植物对5 种重金属元素的富集能力如下： ( 1 ) 爬山虎叶片对z n 元素的富集量在9 5 3 9 2 - 2 6 5 3 6 3m g k g ，对c u 元素的富集范围 在5 6 9 1 8 1 6 6 0 1 4m g km g k g ，对p b 元素的富集范围在0 8 5 9 4 1 0 4 8 9 1 m g k g ，对c d 元素的 富集范围在0 0 2 5 2 , 4 ) 0 4 8 6 m g k g ，对c r 元素的富集范围在0 0 2 1 1 1 4 5 9 7m g k g ； ( 2 ) 野蔷薇叶片对z n 元素的富集量在1 1 3 0 5 8 3 1 0 9 5 8 m g k g ，对c u 元素的富集范围 在5 2 4 9 2 7 4 1 2 5 m g k g ，对p b 元素的富集范围在0 8 5 9 7 - - 4 1 9 3 l m g k g ，对c d 元素的富集范 围在0 0 0 1 4 , - - 0 1 3 6 8 m g k g ，对c r 元素的富集范围在0 0 4 4 6 - , 0 5 3 3 9 m g k g ； ( 3 ) 云南黄馨叶片对z n 元素的富集量在1 1 1 9 7 4 2 1 7 8 9 4 m g k g ，对c u 元素的富集范 围在7 1 0 7 5 8 4 0 4 2 m g k g ，对p b 元素的富集范围在0 5 8 7 6 - 2 3 6 6 2 m g k g ，对c d 元素的富集 范围在0 0 0 0 0 - - , 0 0 9 0 0 m g k g ，对c r 元素的富集范围在0 0 4 1 7 , 0 8 1 3 9 m g k g 。 2 三种植物叶片中五种重金属元素含量大小依次均为z n c u p b c r c d 。 3 三种植物叶片富集z n ，c r 元素的月变化规律基本一致，即z n 和c r 含量从4 月到 6 月减少，6 月到8 月增加，8 月后开始减少；三种植物叶片富集c u 元素的月变化规律基 本一致，即c u 含量从4 月开始一直有减少趋势；爬山虎和云南黄馨叶片富集p b 和c d 元素的月变化规律基本一致，p b 和c d 含量从8 月后开始逐渐趋于一个恒值。 关键词：叶片；重金属；富集能力；月动态 s t u d i e so na c c u m u l a t i o na b i l i t yo ft h r e ev e r t i c a lp l a n t s l e a v e st oh e a v ym e t a l s a b s t r a c t s p a r t h e n o c i s s u st r i c u s p i d a t a ，r o s am u l t i f l o r at h u n b a n dj a s m i n um e s n y ia r et h r e es p e c i e s w h i c ha r ec o m m o nv e r t i c a lp l a n t si nn a n j i n g t h i ss t u d ys u m m a r i z e dt h eh e a v ym e t a l s a c c u m u l a t i o na b i l i t yo ft h et h r e ep l a n t s l e a v e st h r o u g hd e t e r m i n i n gt h ef i v ee l e m e n t s c o n t e n t s o f t h r e ep l a n t s l e a v e s t h er e s u l t si sa sf o l l o w s ： 1 t h ea c c u m u l a t i o na b i l i t i e so f t h et h r e ep l a n t st of i v ee l e m e n t sa r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) p a r t h e n o c i s s u st r i c u s p i d a t a ：t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fz ni s9 5 3 9 2 - 2 6 5 3 6 3m g k g ； t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fc ui s5 6 9 1 8 1 6 6 0 1 4 m g k g ；t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fp bi s 0 8 5 9 4 1 0 4 8 9 1 m g k g ；t h ea c c u m u l a t i n g e x t e n to fc di s0 0 2 5 2 - 4 ) 0 4 8 6m g k g ；t h e a c c u m u l a t i n ge x t e n to f c r i s0 0 211 1 4 5 9 7m g k g ( 2 ) r o s am u l t i f l o r at h u n b ：t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fz ni s 11 3 0 5 8 31 0 9 5 8 m g k g ； t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fc ui s 5 2 4 9 2 - 7 4 1 2 5 m g k g ；t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fp bi s 0 8 5 9 7 - 4 1 9 3 1 m g k g ；t h ea c c u m u l a t i n g e x t e n to fc di s 0 0 0 1 4 - 4 ) 1 3 6 8 m g k g ；t h e a c c u m u l a t i n ge x t e n to fc r i s0 0 4 4 6 - - 0 5 3 3 9m g k g ( 3 ) j a s m i n um e s n y i ：t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fz ni si i 1 9 7 4 - 2 1 7 8 9 4 m g k g ；t h e a c c u m u l a t i n ge x t e n to fc ui s7 10 7 5 8 4 0 4 2 m g k g ；t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fp bi s0 5 8 7 6 - 2 3 6 6 2 m g k g ；t h ea c c u m u l a t i n ge x t e n to fc di s0 0 0 0 0 - 4 ) 0 9 0 0 m g k g ；t h ea c c u m u l a t i n g e x t e n to f c ri s0 0 4 1 7 - 4 ) 8 1 3 9 m g k g 2 t h eo r d e ro ff i v ee l e m e n t s c o n t e n t si nt h et h r e ep l a n t si sz n c u p b c r c d 。 3 t h em o n t hd y n a m i c s l a w so fz na n dc ri nt h et h r e ep l a n t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n t ， w h i c hi st h ec o n t e n to fz no rc ri sr e d u c e df r o ma p r i lt oj u n e ，a n di n c r e a s e df r o mj u n et o a u g u s t ，t h e nr e d u c e dl a t e r ；t h em o n t hd y n a m i c s l a w so fc ui nt h et h r e ep l a n t sa r eb a s i c a l l y c o n s i s t e n t , w h i c hi st h ec o n t e n to fc ui sg r a d u a l l yr e d u c e df r o ma p r i lt ot h ee n do fay e a r ；t h e m o n t hd y n a m i c s l a w so fp ba n dc di np a r t h e n o c i s s u st r i c u s p i d a t aa n dj a s m i n um e s n y ia r e b a s i c a l l yc o n s i s t e n t ，w h i c hi st h ec o n t e n t so fp b o rc di sg r a d u l l yi n c r e a s e dt oac o n s t a n tf r o m a u g u s t k e yw o r d s ：l e a v e s ；h e a v ym e t a l s ；a c c u m u l a t i o na b i l i t y ；m o n t hd y n a m i c s 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ： 万砍哆年衫月厅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密彰 ( 请在以上方框内打“” ) 学位论文储( 本人签名) 万磬 僻咖舯 指导教师c 枞圳：夭岛午 c ) 7 年加f 7 日 致谢 本次试验研究和论文的写作是在导师关庆伟教授的精心指导下完成的，。从论文的选 题、方案论证、实验设计直到最后论文的完成，都凝聚着关老师的心血。关老师渊博的知 识、严谨的科学态度、敏锐的科学洞察力、忘我的工作精神、乐观进取的工作态度都使我 受益终身。在论文完成之际，谨向关老师表示最衷心的感谢和崇高的敬意! 同时，试验得以顺利完成，还要感谢江苏省林科院提供给我们大量的试验材料，特别 感谢实验室栾以玲老师在实验布置和实验数据的大力协助，更要感谢南京市善良的人民在 我们采样过程中的热情帮助。 感谢我的父母多年来对我含辛茹苦地养育与关心，使我能够毫无顾虑地学习、探索新 知。没有他们的支持和理解，我是不可能完成我的学业的。谨以论文对他们表示最诚挚的 谢意。 另外，特别感谢同学邱静、郭雪艳、徐珊珊在试验过程中的无私帮助，同时感谢同学 王子风在试验数据处理过程中的帮助，感谢师兄陶宝先，同学邱坤元、陈春芳，师妹刘海 燕、刘红梅，师弟李昭等人在试验过程中的大力帮助。 最后感谢男友袁常洪对我学习和人生活上的默默支持，聆听我困惑时的倾诉，鼓励我 克服种种困难，顺利完成学业。 回首过往，展望未来。期待明天会更好! 作者：万欣 二零零九年六月于南京林业大学 引言 随着城市的快速发展，人们可利用的平面绿化空间逐渐减少，而垂直绿化则 不需要占用专门的土地，能够弥补城市范围内平面绿化的不足，可以利用城市巨 大的柱体、墙面面积，在不增加绿化用地的情况下，极大的增加人均绿地占有量， 丰富了城市园林绿化的空间结构层次。此外，城市工业化的加速发展带来了城市 大气环境的不断恶化。由于重金属具有生物富集能力和潜在的危险性，大气重金 属污染问题一直倍受人们关注。而城市绿化植物对一定浓度范围内的大气污染物 ( 包括重金属) 具有一定的富集净化能力和抵抗能力。因此，此相关研究成为当 今国内外生态学和环境科学的研究热点之一。 目前国内外对植物重金属富集能力的研究颇多。有研究表明，通过不同植物 重金属元素富积能力比较认为，同一种植物对不同类型污染物富积净化能力不 同。不同种植物对同一类型污染物的富积净化能力也不同。随采样地点环境条件 的综合效应不同而有差异。杨志敏、陈玉成等通过对重庆市十种城市绿化植物进 行的重金属富集与净化研究表明：不同植物种类之间，对土壤和街道地表物( 灰 尘) 中重金属的富集系数无明显差异，但不同重金属之间则达到了极显著水平差 异，h g 的富集系数最高；不同植物种类之间，对大气重金属的净化效果无明显 差异，但不同重金属之间则达到了极显著水平差异，c u 的净化效果最好。他们 还并这几种植物划分为，即汞铜污染净化型、镉铅锌污染净化型、镉铜污染净化 型和一般净化型等4 种类型【l 】。此外，还有学者通过野外调查与采样分析的结果 表明，相同条件下，垂柳、紫穗槐和女贞对m n 的吸收量较大，臭椿和紫穗槐对 c r 和z n 、爬山虎对c u 、臭椿对c d 和p b 的吸收能力均较强，而悬铃木、油松、 芙蓉等相同条件下叶内浓度却很低。 然而，目前国内外对该领域的研究多集中在城市平面绿化树种 2 - 6 】，忽视了 对城市垂直绿化植物的研究与应用。而植物叶片是大气重金属进入植物体内的主 要器官，这些重金属进入植物叶片后很难向其他部位转移，并在叶片中积累【_ 7 1 。 已有研究表明，积累在叶片中的重金属含量与大气重金属含量成显著正相关i s 】。 爬山虎( p a r t h e n o c i s s u st r i c u s p i d a t a ) 、野蔷薇( r o s am u l t i f l o r ( 1t h u n b ) 、云南黄 馨( j a s m i n um e s n y i ) 是三种分布较为广泛的垂直绿化植物，因此，笔者以这三 种植物为研究对象，拟在南京不同地点盆栽一定数量的三种植物，以其叶片为研 究对象，分别在4 月、6 月、8 月、10 月测定植物叶片的重金属含量，探索和分 析每种植物叶片对大气重金属的富集能力和其叶片中重金属含量的月变化规律， 并比较三种植物对大气重金属的富集能力，为其在城市中的推广应用提供科学依 据。 第一章文献综述 1 1 植物富集的重金属形态及其迁移、转化与积累 1 1 1 植物富集的重金属形态 根据传统理论，生物体中的重金属形态多与生理学研究联系在一起，主要有 水溶态、有机结合态等。目前普遍认为，植物体内的重金属形态与其在植物体中 的迁移、转化密切相关【l ，2 】。如许嘉林在19 9 1 年的研究结果表明，c d 在植物中 的化学形态与c d 在植物体内的迁移大小有联系，其中以乙醇可提取态和水溶态 c d 迁移活性最强，氯化钠提取态次之，醋酸和盐酸提取态迁移活性最弱【3j 。此 外，杨居荣认为，植物中c d 的化学形态与植物的耐性之间也存在某种联系【4 】。 当然，植物体内的重金属形态不是一成不变的。普遍认为，重金属在植物体 内的迁移、转化最终将表现在重金属的形态转化，改变其生物有效性，有助于植 物的富集，而其有效性降低则减少重金属在土壤一植物系统中的传递。此外，在 超量积累植物研究方面，h a m m e r 和k e l l e r 就曾认为，超量积累植物能超量富集 重金属的原因可能就是由于它能改变重金属的分布和存在形态【5 j 。 1 1 2 植物体内重金属迁移、转化与积累 目前大量研究已证实，吸附在植物表层尤其根表或根毛皮层上的重金属离子 通过质外体或共质体途径进入根细胞，大部分金属离子通过专一或通用的离子载 体或通道蛋白进入根细胞，该过程为一个消耗能量的主动过程，非必需的重金属 可与必需金属竞争膜转运蛋白，以离子形式或金属鳌合态进入植物细胞【6 1 。 1 1 2 1 植物体内重金属迁移与转化 重金属一旦通过被动或主动运输进入植物体内后，开始进行一系列的迁移、 转化。刘素纯，萧浪涛等人认为植物从根际富集重金属并将其转移和积累到地上 部的过程包括许多环节和调控位点：跨根细胞质膜运输；根皮层细胞中横向运输； 从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管；木质部中长距离运输；从木质部卸载 到叶细胞；跨叶细胞膜运输等【7 1 。国外植物生理生态学者对该方面的研究也颇多 g - l l 】。大多学者认为金属可能与细胞质中的有机酸、氨基酸、多肽和无机盐结合， 通过液泡膜上的运输体或通道蛋白运入液泡中。 此外，研究也表明，不同重金属在植物体内的迁移能力各不相同。如我国的 吕开云等人通过多次对水稻体内c d 与z n 的迁移能力的比较实验验证了该理论 【l2 1 。总之，目前植物体内重金属迁移与转化这方面的研究还比较粗糙，有待进 一步细化和深入。 1 1 2 2 植物重金属积累的研究 在植物重金属积累的机制研究方面，国外研究较多 1 3 , 1 4 】。大量实验证明， 在一般条件下，大多数植物富集的重金属主要积累在根系，在地上部的含量较低。 在根系中，重金属主要分布在质外体或形成磷酸盐、碳酸盐沉淀，或与细胞壁结 合【l5 1 。罗春玲、沈振国等人曾将植物积累重金属的机理归纳为区域化分布、有 机化合物的螯合作用及细胞壁结合等三种可能【l6 1 。 大量研究表明，植物的不同部位积累不同重金属的能力不同【l7 1 ，而且不同 植物对重金属的积累效应也大不相同，通常用富集系数来说明某种植物或某部位 对某重金属的累积能力。由此引发出人们对超积累植物的探索和其重金属积累机 制的研究。在普通植物地上部，各组织中的重金属含量一般比较低。但在一些重 金属超量积累植物中，其地上部重金属含量是普通植物的1 0 0 倍到1 0 0 0 倍【l 引。 此外，超积累植物对重金属的富集具有很强的选择性，解释这种选择性积累的可 能机制是：在金属跨根细胞膜进入根细胞共质体或木质部薄壁细胞的质膜装载进 入木质部导管时由专一性运输蛋白或通道蛋白调控【l9 1 。目前该方面的研究还未 成熟，有待进一步探索。 1 2 城市绿化植物富集重金属能力及其测定方法的研究 鉴于城市绿化植物对控制城市大气重金属污染的重要作用，国内外学者对城 市绿化植物富集重金属能力及其重金属含量测定方法的研究尤为重视。在该方面 的研究也日趋成熟，报道也较多。 1 2 1 城市绿化植物对重金属富集能力的研究 目前，有关城市绿化植物对重金属富集能力的研究有两个趋势： 一是研究某绿化植物不同部位的富集能力大小，以验证重金属在植物体内的 分布。l9 9 6 年，蒋高明曾对承德几种木本植物不同部位重金属含量进行分析， 通过对不同植物器官部位污染物含量的排序表明，城市木本植物的污染物以树皮 为最高，其次是枝条，叶最低【2 0 1 。2 0 0 3 年，达良俊等人在研究凤眼莲对重金属 的富集作用中得出其根部的贡献远大于茎叶部根部，而且根对重金属的富集量是 茎叶部的几十至几百倍1 2 1 1 。同年，代剑平等人通过试验揭示了苎麻具有很强的 富集镉的能力，同时不同品种以及植株不同部位富集镉的能力相差很大，各部分 平均含镉量的总趋势为：麻壳 原麻 根 胃 叶【2 2 】。总之，该方向的研究属于基础 科学研究，为进一步探索重金属在植物体内的微观运动提供实验基础。 另一大趋势是研究某种或多种绿化植物对重金属的富集能力，为控制城市重 金属污染而选择具有富集力强的绿化植物。该方面的研究，应用性较强，国内研 究颇多。任乃林等人通过不同植物重金属元素富积能力比较认为，同一种植物对 不同类型污染物富积净化能力不同。不同种植物对同一类型污染物的富积净化能 力也不同。随采样地点环境条件的综合效应不同而有差异。他们还通过实验证明， 对铅、镉、铜、锌的富积能力最强的植物分别是银合欢、蟛蜞菊、大花紫薇、银 合欢【2 3 1 。杨志敏、陈玉成等通过对重庆市的刺桐( e r y t h r i n av a r i e g a t av a r o r i e n t a l i s ) 、小叶榕( f i c u sm i c r o c a r p a ) ；海桐俾i t t o s p o r u mt o b i r a ) 、杜鹃 ( r h o d o d e n d r o ns i m s i ip l a n c h ) 、夹竹桃( n e r i u mi n d i c u m ) 、山茶( c a m e l l i a a p o n i c a 三) 、蚊母树( d i s t y l i u mr a c e m o s u ms i e b ) ；麦冬( o p h i o p o g o n j a p o n i c u s 三) 等十种城市 绿化植物进行的重金属富集与净化研究表明：不同植物种类之间，对土壤和街道 地表物( 灰尘) 中重金属的富集系数无明显差异，但不同重金属之间则达到了极显 著水平差异，h g 的富集系数最高；不同植物种类之间，对大气重金属的净化效 果无明显差异，但不同重金属之间则达到了极显著水平差异，c u 的净化效果最 好。他们还并这几种植物划分为，即汞铜污染净化型、镉铅锌污染净化型、镉铜 污染净化型和一般净化型等4 种类型【24 1 。此外，还有学者通过野外调查与采样 分析的结果表明，相同条件下，垂柳、紫穗槐和女贞对m n 的富集量较大，臭椿 和紫穗槐对c r 和z n 、爬墙虎对c u 、臭椿对c d 和p b 的富集能力均较强，而悬 铃木、油松、芙蓉等相同条件下叶内浓度却很低。湿地植物对z n 的富集累积能 力接近或已经达到对重金属的“超富集水平( 1 0 0 0 m g k g 1 ) ，风眼莲对c r 和c u 的富集量分别是其它水生与湿地植物平均值的12 与4 倍，湿地植物水芹对n i 和c d 的富集累积明显高于水生植物【25 1 。 大量实验验证，不同植物种类因其生态功能上的差异，其环保功能有显著不 同。在环境污染区选择抗性强和富集净化能力强的绿化植物，构建不同类型的人 工绿化生态工程体系，可有效改善生态环境，对缓解城市环境污染有重要意义。 1 2 2 城市绿化植物体中重金属含量的测定方法 由于植物富集的重金属元素具有结构复杂、含量低等特点，因而其重金属含 量的测定，灵敏度和选择性是选择测定方法的首要条件。目前已报道的方法归纳 起来有：原子富集光谱法( a a s ) 【2 6 。3 5 】、电感耦合等离子体原子发射光谱【3 6 。4 7 1 质谱 法【4 8 ，4 9 ( i c p a e s m s ) 、原子荧光光谱法【5 0 ，5 1 1 、紫外分光光度法【52 1 、螯合离子色 谱法【53 1 、高效液相色谱法【5 4 1 、示波极谱仪法等【5 5 1 。 每种分析方法原理不同，通用性和灵敏度也各不相同，而各种元素据其本身 性质及仪器检出限度的不同测定方法又各不相同。在诸多的方法中，电感耦合等 离子体原子发射光谱法( i c p a e s ) 由于具有检出限低、精密度高、基体效应小、 线性范围宽和多元素同时测定等优点而被国内外普遍应用。此外，原子富集光谱 法的应用也较广泛，但唯一的不足就是不能同时测定多种元素。其余的测定方法 如原子荧光光谱法、紫外分光光度法、螯合离子色谱法、高效液相色谱法、示 波极谱仪法等很少有报道。 4 1 3 重金属对城市绿化植物的胁迫与响应的研究 城市绿化植物对一定浓度范围内的大气污染物( 包括重金属) 具有一定的富 集净化能力，而且许多重金属( 如c u ，z n 等) 都是植物必需的微量元素，对植物的 生长发育起着十分重要的作用。但如果吸入的重金属过多，将会给植物带来不同 程度地伤害。因此，有关重金属对城市绿化植物的伤害效应以及城市绿化植物对 重金属的抗性机制的研究成为城市绿化植物富集重金属研究领域的另一重大热 点。 1 3 1 重金属植物生长发育和生理生化的影响 1 3 1 1 重金属对植物生长发育的影响 根据目前国内外报道，重金属对城市绿化植物生长发育的影响主要体现在对 种子萌发、营养生长和生殖生长的影响等几个方面。 重金属对种子萌发的影响主要是抑制植物种子的萌发。曾有研究表明，不同 重金属均能抑制种子萌发，并且浓度越大，作用时间越长，抑制效应越强1 5 6 1 。 重金属对营养生长的影响主要是阻止生长。其原因是体内生理生化过程紊 乱，光合作用降低，营养富集受到抑制，导致供给植物生长的物质和能量减少， 相应地生长受到抑制。症状主要体现在植株的大小和叶片、枝干的异常变化。比 如c d 是植物非必须元素，c d 进入植物并积累到一定程度，就会表现出毒害症状， 通常会出现生长迟缓、植株矮小、退绿、产降等症状1 5 7 1 ；c u 能抑制植物根系生 长和营养富集，地上部生长缓慢并偶有失绿现象【5 引；c r 能叶片退绿发黄，出现 褐斑，并逐渐扩散到整片叶子，表现为缺铁症状 5 9 , 6 0 j 。此外，重金属对植物生殖 生长也有影响。如a s 能使四季显的生殖生长停止，不开花，不结实等1 6 1 1 。 1 3 1 2 重金属对植物生理生化的影响 目前，有关重金属对植物生理生化影响的研究颇多，并且日趋成熟。重金属 对植物生理生化方面最直接的危害是对质膜的损伤。植物细胞膜系统是植物细胞 和外界环境进行物质交换和信息交流的界面和屏障，其稳定性是细胞进行正常生 理功能的基础。质膜一旦损伤，植物体内几乎一切生理活动都要受到影响。其中 影响最大的是光合作用，因为重金属能破坏叶绿体的内部结构，并且通过拮抗作 用干扰植物对营养元素的富集和转移，阻断营养元素向叶片的输送，阻碍叶绿素 的合成【6 2 1 。此外，研究表明，重金属还间接影响糖类、蛋白质、脂肪的合成与 分解，对植物的水分代谢和营养代谢也有影响 6 3 - 6 5 。 1 3 2 城市绿化植物对重金属抗性机制的研究 环境中过量的重金属对植物是一种不利因素。它们会限制植物的正常生长、 发育。尽管如此，不少种类的植物仍能在高浓度的重金属环境中生长、繁殖以完 成生活史，表明在长期的进化过程中植物也相应地产生了对重金属的抗性。国外 对该方面的研究很多 6 6 - 6 8 。普遍认为，认为植物对重金属抗性的获得可通过两 种途径：避性和耐性，即抗性= 避性+ 耐性。这两条途径并不排斥往往能统一作用 于一个植物上。我国的陈景明在2 0 0 5 年总结了植物对c d ，c u ，p b ，z n 和n i 的抗性 机制，并提出对植物抗重金属逆性的应用，即指示植物的应用和植物补救【69 1 。 彭少麟等人曾对不同生态型植物耐重金属机制进行总结，主要包括遗传机制、酶 系统的作用、对重金属的避性和对进入植物的重金属通过区域化及鳌合方式解毒 蹩【7 0 】 口o 综上所述，城市绿化植物富集重金属的相关研究在近年来取得了较大的成 就，特别是植物体中重金属的积累、转化过程及其机理的研究倍受国内外学者重 视，重金属污染问题正越来越为人们所关注、了解。目前，我国对该领域的研究 多集中在城市平面绿化树种，而且大多城市绿化的重点也多集中在平面绿化上， 忽视了对城市立体绿化植物的研究与应用，从而限制了城市绿量，降低了植物对 城市生态环境的净化效率。因此，笔者希望今后应对城市立体绿化植物进行深入 的研究与应用，同时也相信该领域的研究将日臻完善，城市绿化植物对城市生态 环境将发挥重要的作用。 6 第二章研究目的和意义、技术路线及研究内容 2 1 研究目的与意义 爬山虎、野蔷薇和云南黄馨是三种分布较为广泛的垂直绿化植物，而目前有 关这三种植物对大气重金属富集能力的研究尚属空白。故本研究在综合分析其主 要受限制环境因子的基础上，结合大量的相关文献记载，在南京不同地点盆栽一 定数量的三种植物，以其叶片为研究对象，分别在4 月、6 月、8 月、10 月测定 植物叶片的重金属含量，探索和分析每种植物叶片对大气重金属的富集能力和其 叶片中重金属含量的月变化规律，并比较三种植物对大气重金属的富集能力，为 其在城市中的推广应用提供科学依据。 2 2 技术路线 本研究以三种垂直绿化植物的实地调查情况和数据资料为基础，密切关注国 内外植物重金属研究的进展，同时采用成熟可靠的研究方法，严格选择试验样品， 严格控制实验条件，测定其五个重金属( z n 、c u 、p b 、c r 、c d ) 含量，探讨这 三种植物对元素的富集能力并初步测定南京市各地点的重金属污染情况。技术路 线如下页所示。 2 3 研究内容 有研究表明，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 7 1 】，有林地与无林地在表层土壤以下重金属含量均无显著差异【7 2 1 ，植物 叶片的重金属含量主要来源于大气【2 3 ，2 6 ，7 1 ，7 3 ，7 4 1 。故本研究通过这三种植物叶片 的重金属含量的测定来研究他们对大气重金属的富集能力的规律，进而监测采样 地环境重金属概况。具体研究内容如下： ( 1 ) 爬山虎叶片重金属含量的月变化规律及显著性分析 ( 2 ) 野蔷薇叶片重金属含量的月变化规律及显著性分析 ( 3 ) 云南黄馨叶片重金属含量的月变化规律及显著性分析 ( 4 ) 三种植物叶片重金属富集能力的比较及显著性分析 8 3 1 采样地概况 第三章材料与方法弟二早俐科与力法 通过对南京市垂直绿化植物应用现状的调查，选定应用最广的爬山虎、野蔷 薇和云南黄馨为为试验材料。参考南京环境监测站确定的环境监测地点，以及不 同城市功能区大气污染状况的实地调查，选取雨花台等6 个试验点，其中南林大 树木园为空白对照区。具体概况如下： 表3 1 试验地点概况 t a b l e3 1g e n e r a ls i t u a t i o no fs a m p l i n gs i t e s 试验地点采样地点概况 南林大树木园 ( 对照区) 雨花台 新庄 草场门 二桥 瑞金路 位于南京紫金山附近，南林大校园内。环境优美，大气污染少。 位于南京市南郊，是一个纪念性风景名胜区。 位于南京市东郊，新庄立交桥，车辆来往频繁，机动车尾气排放 多，作为交通枢纽区。 位于南京市中心，车辆来往较多，大气污染较严重。 位于南京市北郊，直接面对公路，车辆来往较多，其内是大型石 油化工厂，排放工业废气较多，作为工业区。 位于南京市中心，车辆来往多，但是该地区绿化较好，作为居民 生活区。 3 2 材料与方法 3 2 1 样品采集 为排除各不同试验地点的土质差异，本研究在各试验地点盆栽二年生的爬山 虎、野蔷薇和云南黄馨各2 5 株，分别于2 0 0 8 年4 月、6 月、8 月、1 0 月在植株 不同的方向进行采集。采集时不能用高枝剪等金属仪器，以避免仪器本身金属元 素对测定结果的干扰，因此须用手直接掐断叶柄，每次在每个采样点都要采集一 定数量的样品，以保证叶片烘干至恒重后研磨得到1 0 0 0 9 样品，以进行实验分 析。最后装入聚乙烯塑料袋密封保存，带回实验室后立即进行预处理。 9 3 2 2 样品预处理 植物样品用蒸馏水反复清洗，再用去离子水冲洗几次，晾干，放置在烘箱中 10 5 干燥一小时后，再保持8 0 。c 干燥约4 h ，取出放入研钵中研细成粉状，过 1 2 0 目筛，备用。 3 2 3 样品消解 准确称取样品1 0 0 0 9 ，置于2 5 m l 三角瓶中，加入10 m l 硝酸，2 m l 高氯酸， 放置过夜。第二天，在电热板上于低温消化约2 h ，待n 0 2 黄烟冒尽后( 此时溶液 颜色为黄棕色) ，升高温度加热至溶液呈无色透明，约1 2 m l 。根据溶液表面是否 有油脂小珠漂浮在上面，如有油脂小珠则应补加h n 0 3 分解，加入少量去离子水 继续加热至白烟冒尽，溶液为无色透明，加去离子水，溶解，转移到2 5 m 1 容量 瓶中，用去离子水定容。同时平行做一份空白试液。 3 2 4 测定与数据分析 采用电感耦合等离子体发射光谱仪( i c p ) 法测定植物样品中p b 、c u 、c r 、c d 、 z n 的含量1 9 - 2 0 】。得出数据。 3 3 数据统计分析方法 用m i c r o s o f te x c e l 和d p s 7 0 以及s p s s l l 5 等软件对数据进行计算和方差 分析，最后得出结论。 1 0 第四章结果与分析 4 1 爬山虎叶片重金属富集能力的研究结果与分析 4 1 1 爬山虎叶片对不同重金属元素富集能力的研究 4 1 1 1 爬山虎叶片对z n 元素富集能力的研究 通过2 0 0 8 年4 月、6 月、8 月、1 0 月对爬山虎叶片z n 含量的测定，其对z n 元素的富集范围在9 5 3 9 2 2 6 5 3 6 3m g k g 之间，平均含量为l8 0 3 7 8m g k g 。 孙向阳等人在2 0 0 6 年研究的泡桐叶片富集z n 元素的平均含量为2 3 5 5 0 0 m g k g t 75 1 ，故爬山虎叶片对z n 的富集能力比泡桐叶片对z n 富集能力稍弱。 该植物叶片中z n 元素含量的月变化如4 1 - 1 所示。z n 元素含量从4 月到6 月减少，6 月到8 月增加，8 月后开始减少。究其原因，是由于z n 元素是植物体 内的必需元素之一，植物缺z n 会导致叶绿素含量及光合速率明显降低，蛋白质 合成受阻而且植物叶片中r n a s e 活性与z n 营养状况密切相关【7 引，初春到6 月 是爬山虎代谢最旺盛的时期，故该植物叶片富集了大量的z n 元素运输到植物其 他部位用于叶绿素合成和光合作用，含量急剧减少；从6 月到8 月，植物代谢开 始缓慢下来，同时从环境中富集了大量z n 元素，z n 含量开始增加，入秋后代谢 几乎停止，一部分z n 元素被转移掉，含量有所下降。 - o - - g i z 4 月6 月8 月1 0 月 图4 - 1 - 1 爬山虎叶片z n 元素含量在不同地点的月变化图 f i 9 4 _ 1 。1m o n t hd y n a m i c so f z no fp a r t h e n o c y s s u s t r i c u s p i d a t a sl e a v e si nd i f f e r e n tp l a c e s ( 对照区) 门 路 厶 口 通过不同地点和时间下爬山虎叶片z n 含量方差分析，如表4 - 1 - 1 所示，测 定的六个地点之间差异极其显著( s ig = 0 0 0 0 1 瑞金路 雨花台 新庄 南林大。各地 点之间，在a = o 0 1 的显著水平上两两地点的富集量之间差异极其显著；在 a = 0 0 5 的显著水平上，草场门和二桥两地点间富集量差异不显著，新庄和南林 大两地点间富集量差异也不显著。 表4 1 2 不同地点的爬山虎叶片z n 含量多重比较 t a b 4 - 1 2 t h em u l t i - c o m p a r i s o no nz nc o n t e n to fp a r t h e n o c i s s u st r i c u s p i d a t a s l e a v e su n d e rd i f f e r e n tp l a c e s 通过不同月的爬山虎叶片z n 含量多重比较，如表4 1 - 3 所示，不同时期的 富集量在a = 0 0 5 和q = 0 0 1 的显著水平上差异显著，8 月份富集量最多，高达 2 6 5 3 6 3m g k g ，6 月份的富集量最少，为9 5 3 9 2m g k g 1 2 表4 1 3 不同月的爬山虎叶片z n 含量多重比较 t a b 4 - 1 - - 3t h e m u l t i - c o m p a r i s o n o nz nc o n t e n t t r i c u s p i d a t a sl e a v e su n d e rd i f f e r e n ts e a s o n s 4 1 1 2 爬山虎叶片对c u 元素富集能力的研究 通过2 0 0 8 年4 月、6 月、8 月、1 0 月对爬山虎叶片c u 含量的测定，其对c u 元素的富集范围在5 6 9 1 8 16 6 0 1 4m g k g 之间，平均含量为1 1 1 4 6 6 m g k g 。 孙向阳等人在2 0 0 6 年研究的泡桐叶片富集c u 元素的平均含量为17 7 3 0 0 m s k s i 7 5 】，故爬山虎叶片对c u 的富集能力比泡桐叶片对c u 富集能力稍弱。 该植物叶片中c u 元素含量的月变化如4 - 1 - 2 所示。c u 元素含量在一年内有 逐渐减少的趋势。究其原因，可能是由于c u 是植物体内的必需元素之一，抗氧 化酶活性随c u 浓度增加而上升，且与c u 浓度呈极显著正相关。p o d 的活性随c u 浓度的增加而呈先升后降的趋势【76 。从初春到6 月是植物抗氧化酶和p o d 活性 最高的时期，植物叶片富集了大量的c u 元素用于自身代谢，c u 含量急剧减少； 从6 月到8 月，抗氧化酶和p o d 活性开始降低，植物从环境中富集c u 元素含量 减少趋势比较缓慢，直到入秋后抗氧化酶和p o d 活性几乎停止，部分c u 元素继 续被转移掉而同时植物富集c u 能力减弱，c u 含量继续减少。 - o - - - 4 月6 月8 月1 0 月 图4 - 1 - 2 爬山虎叶片c u 元素含量在不同地点的月变化图 f i9 4 一l 一2m o n t hd y n a m ic so fc uo f 尼玎t h e n o c j s s u s t r i c u s p i d a c a sl e a v e si nd i f f e r e n tp l a c e s 校( 对照区) 庄 场门 金路 桥 花台 通过不同地点和时间下爬山虎叶片c u 含量方差分析，如表4 1 - 4 所示，测 定的六个地点之间差异显著( s ig = o 0 0 0 7 - - 桥 雨花台 南林大 草场门。各地 点之间，在q = 0 0 1 的显著水平上瑞金路与新庄，二桥与雨花台以及雨花台与南 林大差异极其显著，其他地点差异不显著；在q = 0 0 5 的显著水平上，瑞金路与 新庄，二桥与雨花台差异极其显著，而新庄和二桥两地点间富集量差异不显著， 新庄和南林大两地点间富集量差异也不显著。 1 4 筋 加 垢 加 5 o 巧 一)i昌一一cpcoo 表4 1 5不同地点的爬山虎叶片c u 含量多重比较 t a b 4 - i 一5t h em u l t i c o m p a r i s o no nc uc o n t e n to fp a r t h e n o c i s s u st r i c u s p i d a t a s l e a v e su n d e rd i f f e r e n tp l a c e s 通过不同月的爬山虎叶片c u 含量多重比较，如表4 - 1 6 所示，不同时期的 富集量在a = 0 0 5 和a = 0 0 1 的显著水平上差异显著，4 月份富集量最多，高达 1 6 6 0 1 4 m g k g ，1 0 月份的富集量最少，为5 6 9 1 8m g k g 。 表4 1 6 不同月的爬山虎叶片c u 含量多重比较 t a b 4 - l 一6t h em u l t i - c o m p a r i s o no nc uc o n t e n to fp a r t h e n o c i s s u st r i c u s p i d a t a sl e a v e s u n d e rd if ie r e n ts e a s o n s 4 1 1 3 爬山虎叶片对p b 元素富集能力的研究 研究表明，城市p b 的最大污染源是机动车排放的尾气，占城市大气污染总排 放量的8 8 ，其次为含p b 固体废弃物的焚烧和工业生产【_ ”】。市区植物叶片p b 累 积量的高低与p b 含量密切相关，其叶片重金属累积量与大气污染物的相对质量 分数呈显著正相关【2 3 ，7 l 73 1 。通过2 0 0 8 年4 月、6 月、8 月、10 月对爬山虎叶片 p b 含量的测定，其对p b 元素的富集范围在o 8 5 9 4 10 4 8 9l m g k g 之间。 该植物叶片中p b 元素含量的月变化如4 1 - 3 所示。p b 含量随时间的推移， 富集量越多，而且含量逐渐趋于一个恒值。究其原