行道灌木在城市交通环境下的生理响应

摘要：为筛选适宜的行道灌木，提高道路交通环境质量，选择连云港市区常见的7种行道灌木为研究对象，通过转盘处、交通主干道和相对清洁区的比较，监测了树叶中重金属（Cu、Pb、Zn、Cr、Cd）的含量，脯氨酸、丙二醛和可溶性蛋白等生理指标，同时研究了pH、电导率和树叶表面气孔的变化。结果表明：随着交通密度变大，重金属含量增大，pH变小，电导率变大；在环境污染的逆境下，植物通过增加脯氨酸和蛋白质含量，降低丙二醛浓度来适应逆境；树叶气孔数目和结构的变化随着树种的不一表现出不同的变化。不同的灌木对重金属的吸附能力和环境适应力不一，综合比较石楠（Photinia serrulata Lindl.）、冬青（Ilex chinensis Sims）、海桐（Pittosporum tobira （Thumb.） Ait.）都是较好的行道灌木。

关键词：交通环境；行道灌木；生理指标

中图分类号：S719 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）03-0552-06

行道树直接暴露于污染的交通环境下，树叶因其具有大的表面层和蜡质层，能有效地吸滞大气污染物，是极好的空气污染物积累器[1]。由此，可以通过研究树木叶片中重金属含量来监测道路交通环境。目前国内这方面的研究还比较零散，基于已有的工作基础，本研究着重于行道灌木树对交通道路环境的响应，筛选出对重金属有较强吸收能力和抵抗性能、且适于在连云港市区种植生长的交通行道灌木树。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试树种 选取连云港市区常见的7种灌木作为研究对象：海桐（Pittosporum tobira（Thumb.）Ait.）、火棘（Pyracantha fortuneana（Maxim）Li.）、冬青（Ilex chinensis Sims）、石楠（Photinia serrulata Lindl.）、黄杨（Buxus sinica Cheng.）、小女贞（Ligustrum lucidum Ait.）、千头柏（Platycladus orientalis cv. sieboldii）。

1.1.2 主要试验仪器 DDS-307型电导率仪（上海精密仪器有限公司）；HZQ-C型空气浴振荡器（哈尔滨市东明医疗仪器厂）；JSM-6390LV型钨丝灯扫描电镜（日本电子株式会社）；TAS-990型原子吸收分光光度计（北京普析通用仪器有限公司）；PHS-3C型精密pH 计（上海雷磁仪器厂）；WFJ2000型可见分光光度计（上海雷磁仪器厂）。

1.2 方法

1.2.1 样品的采集和预处理 选择连云港市区的苍梧路、瀛洲路、郁洲路、海连路、海宁转盘和华联转盘共6个交通高污染区和校园内（相对清洁区）作为采样地点。2011年10月在时间、树龄、光线、气温相对一致的情况下采集样品。主干道根据实际长度平均取4～6个采样点，相对清洁区取3个采样点。对于任意采样点，每个树种大约取5株树，每株在东南西北4个方向，高度尽量保持一致的情况下取5～10片树叶。各采样点采集对象的树龄、树高、生长状况，以及采样方法保持一致。将采集的样品置于保鲜袋中，写入标签记录采集的样品名称、时间、地点，带回实验室于4 ℃左右的保温箱内保存。将采集的灌木叶用自来水清洗干净，再用蒸馏水漂洗，新鲜叶片用于测定各项生理指标。取小部分于低温干燥箱内用于电镜扫描，剩余的在105 ℃的恒温干燥箱内烘干、粉碎，密封袋中保存用于重金属、pH及电导率等指标的分析。

1.2.2 重金属测定方法 取1.000 g的预处理样品于聚四氟乙烯烧杯里，分别加入HNO3 10 mL和HClO4 5 mL于电炉上加热至棕色烟雾冒尽。电炉加热温度应从从低到高慢慢上升。稍微冷却，再加入HNO3 5 mL，继续消解，冒白烟，直到溶液透明，大约剩3 mL为止。过滤并用蒸馏水定容于25 mL的容量瓶中，待测。采用火焰原子吸收法分别测定Pb、Zn、Cu、Cr、Cd 共5种重金属元素含量。

1.2.3 pH和电导率测定方法 称2 g树叶预处理样品于清洁干燥的硬质中，加入25 mL双蒸水，空气浴振荡器中速振荡48 h，用DDS307电导率仪测定电导率，用pHS-3C型精密pH计测定pH。

1.2.4 树叶生理指标测定方法 植物树叶脯氨酸含量采用磺基水杨酸法测定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定，可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250法（Bradford法）[2]测定。

1.2.5 叶片电镜扫描 将树叶表面用蒸馏水清洗干净，晾干。剪长和宽约1 cm的叶片，夹在两个载玻片之间，30 ℃的恒温干燥箱中干燥72 h，用JSM-6390LV型钨丝灯扫描电镜观察叶片气孔。

1.2.6 数据处理 数据处理分析使用SPSS 17.0软件，以均值±标准差的形式计量结果。组间和组内差异则采用ANVOA单因素方差分析，显著性水平为P

2 结果与分析

2.1 城市道路交通污染对灌木叶片中重金属含量的影响

城市行道树是保护道路交通环境的骨干，可以富集大气中的重金属。对连云港城市7种主要的行道灌木树叶中的5种重金属含量分别进行测定，结果见表1-表4。

由表1可知，灌木树叶Cu含量在转盘处最高，相对清洁区最低。除小女贞外，其余树种因采样点的不同，树叶中铜含量有显著性差异，说明灌木树叶中积累了汽车尾气排放的Cu。从相对差异ΔCu可以看出小女贞、石楠和海桐是吸附Cu较好的树种，黄杨的吸附性最差。

由表2可知，交通繁忙地段灌木树叶中的Pb含量都明显高于相对清洁区。转盘处、交通主干道和清洁区树叶Pb含量呈递减的趋势，说明树叶中Pb含量随着交通污染的加剧而增加。比较污染严重区与相对清洁区，黄杨是一种Pb低净化型植物，小女贞和千头柏对Pb的吸附能力相对较强。

通过表3和ANVOA单因素方差分析可知树叶Zn含量转盘处>交通主干道>相对清洁区，树叶中Zn含量也同样与交通车流密度相关。冬青对Zn吸收的相对差异大于100%，说明它对Zn的吸附性能极高。石楠，黄杨也是Zn高净化型灌木，海桐和千头柏等是Zn中等净化型植物。

从表4可看出同一树种在校园内、交通主干道和转盘处Cr的含量都呈现上升趋势。千头柏在3个不同采样区Cr含量差异显著；海桐在交通主干道和转盘处差异不显著，但与对照区之间有显著性差异。根据相对差异值，海桐和千头柏是Cr高净化型植物，小女贞对Cr的净化能力一般，石楠、冬青、火棘和黄杨都是低净化型植物。

对于重金属元素镉（Cd），所有树种树叶中Cd含量都几乎为0，这应该与汽车废气中Cd排放量少有关。

2.2 城市道路交通污染对灌木pH和电导率的影响

行道灌木树叶长期暴露于污染的交通环境下，极易被二氧化硫等气体所危害[3]。因此，本研究对树叶样品的pH和电导率进行了测定。结果见表5和表6。

由表5可知，转盘处的树叶pH最低，交通主干道处其次，对照区的pH最高，即随着交通车流量的减少pH呈上升趋势。由ANVOA单因素方差分析可知，小女贞受采样点间差异（即交通车流密度差异）的影响具有显著性差异，冬青和海桐等无显著性差异。

由表6可知电导率σ转盘>σ主干道>σ对照，且除了千头柏和冬青，其余树种在3个不同采样区都具有显著性差异。千头柏和冬青在主干道和转盘处显著性差异不明显，但两者与对照区仍存在显著性差异。

由此可知，随着交通流量的增大，树叶pH降低，电导率变大。但是电导率的变化差异较pH更加明显。这也许与大气中有部分的尾气排放的SO2有关，因为在SO2浓度比较低时，pH可能不会发生变化，但电导率会发生变化。对于交通污染的细微变化，电导率比pH更灵敏。

2.3 城市道路交通污染对灌木生理指标的影响

2.3.1 灌木树叶的脯氨酸含量 脯氨酸含量是反映植物抗性的生理指标之一。在逆境条件下，植物通过增加体内的脯氨酸含量提高植物的抗性[4-6]。由表7可知从对照区到转盘处，随着交通污染的加剧各个树种叶片中脯氨酸含量有明显升高的趋势。其中，石楠和冬青这两种灌木的脯氨酸含量相对增幅在100%以上，其余各树种相对增幅也都达到了50%以上。所有树种叶片中脯氨酸含量在交通繁忙处与交通稀疏处均存在显著性差异。

2.3.2 灌木树叶的MDA含量 MDA是植物在逆境条件下膜脂氧化的产物，反映植物对抗逆境能力的强弱[5]。由表8可知，灌木树叶中的MDA含量变化不一。小女贞、海桐、千头柏、火棘和黄杨树叶中的MDA含量随着交通车流密度的增加而增加。其中，小女贞、海桐、千头柏和黄杨的相对增幅都在50%之下，而火棘的相对增幅较大，达到了63.03%。但是，石楠和冬青这两个树种的MDA含量从交通繁忙区到交通稀疏区反而减少了，相对增幅呈现了负增长。

2.3.3 灌木树叶的可溶性蛋白含量 一些非正常的环境会影响蛋白质的正常代谢，使得植物体内的蛋白质含量发生变化，因此蛋白质也是反映植物抗性的生理指标[5]。由表9可知，石楠、海桐、千头柏和冬青随着交通污染的加重树叶中可溶性蛋白的含量增多。其中，冬青的相对增幅最大，在80%以上，石楠、海桐和千头柏3种灌木的相对增幅则都小于50%。而小女贞、火棘和黄杨这3种灌木树叶可溶性蛋白含量从对照区交通主干道到却呈下降趋势。

2.3.4 城市道路交通污染对灌木树叶表面气孔的影响 气孔是植物进行气体交换的门户，也是大气污染物质进入植物内部的主要通道[3]。图1分别为火棘、石楠和千头柏3种灌木的电镜扫描图。与对照相比，交通繁忙区的火棘气孔显得模糊，似乎有些关闭，且杂乱不规则，这可能是受到环境污染胁迫的结果。火棘在不利的环境下通过生理调节来保持自己的生长状况，但从吸收污染物的角度看，则不是适宜的交通行道树。从对照区和交通污染区石楠的扫描图发现污染区的气孔排列更加有序，紧密，气孔数目变多，出现了一些椭圆型气孔。虽然石楠出现了一些变形的气孔，但其气孔无明显大小上的变化，而且数量变多。因此，石楠是一种较合适的行道灌木树。从千头柏扫描图可以看出交通繁忙区的气孔变短变大，排列不整齐，角质层变厚。千头柏在污染的条件下增大气孔吸收污染物质的同时也通过增加角质层进行自我保护。

2.4 城市灌木树叶积累重金属与交通环境的关系

汽车尾气带来的重金属污染对人体健康和生态环境会造成严重的伤害。汽车尾气产生的交通污染主要在交通繁忙的主干道和交通转盘处，行道树可吸收重金属，能够直接降低人类和生态环境遭受重金属污染的危害。本研究的7种连云港城市行道灌木对Cu、Pb、Zn、Cr等重金属的吸收表现为交通转盘处的含量高于交通主干道，高于清洁的对照区。灌木树叶中的重金属含量随着交通车流密度的加大以及交通污染程度的加重而增加。植物吸收富集重金属的能力也因植物树种差异、树叶生长时间、植物的生理特性、季节和雨水等的变化而变化。对于Cu，石楠、海桐和小女贞叶片中含量的相对差异较大；小女贞和千头柏对Pb元素的吸收能力较强；对于Zn，冬青叶片中含量的相对差异在100%以上。而海桐和千头柏对Cr元素表现出了超强的吸附能力。综合比较，女贞、千头柏、海桐、石楠和冬青都能较好地吸收大气污染中的重金属，是较好的交通绿化植物。

由表1-表4可知，灌木树叶Zn和Pb的含量较高，Cu与Cr次之，Cd几乎不存在。Zn和Cu是植物生长的必要元素，所以在植物树叶中含量较多。然而Pb不是植物生长的必要元素，而是对植物有害的元素，其在叶片中含量高于Cu，接近于Zn含量，且在交通密集处与稀疏处存在显著性差异，说明汽车尾气中Pb造成了一定的交通环境污染。Cr和Cd的含量都相对较低，特别是Cd几乎不存在，原因可能是这两种元素在汽车尾气中的存在本来就很少，也可能是实验绿化树对它们的吸收能力较弱。

2.5 城市灌木树叶生理指标与交通环境的关系

脯氨酸在逆境（干旱、高温、紫外照射、冰冻以及重金属等）胁迫下会起到很大的调节作用，植物通过积累脯氨酸提高适应能力和对逆境的抵抗能力[6]。本研究的所有灌木树在交通密集处，其体内脯氨酸含量都明显增加，说明这些植物在交通污染胁迫的逆境下都能较好地适应。游离的脯氨酸可以作为细胞质调节物质，稳定生物大分子结构、降低细胞酸度、清除体内活性氧等[7]。石楠和冬青的脯氨酸含量相对增幅最高，在100%之上，所以它们对逆境抵抗能力和适应能力非常强。

当外界有毒物质大量进入细胞，破坏部分內酶活性后，自由基作用于脂质发生过氧化反应，氧化终产物为MDA[8-11]。MDA的积累会伤害植物[12]。石楠和冬青的MDA含量在交通密集处与稀疏处出现负增长现象，表明这两类树种在交通污染胁迫下表现较强的适应性。交通密集处的小女贞、火棘和黄杨树叶中可溶性蛋白含量比交通稀疏处的要小，其原因可能是交通污染环境下，大气中重金属与膜蛋白结合从而破坏膜的透性。石楠、海桐、千头柏和冬青的可溶性蛋白含量都有所增加，这可能是由于逆境蛋白产生的缘故。从该项指标来看，石楠、海桐、千头柏和冬青在逆境环境下能较好地抵抗污染和适应环境。

通过城市灌木树3个生理指标与交通环境的比较，在逆境条件下，大多数灌木的脯氨酸、MDA和可溶性蛋白的含量都会增加，其相对增幅因树种间差异有所不同。暴露在污染的交通环境下，抗性好、适应能力强的灌木会产生大量的脯氨酸和可溶性蛋白，同时相对地降低其MDA含量，减少受损伤程度。结合重金属增幅比较，行道灌木树首选石楠和冬青，其可用作交通污染净化以及交通污染变化情况监测，海桐和千头柏次之。

3 结论

1）行道灌木对重金属有不同的净化能力。小女贞和石楠对Cu有较强的净化吸收能力；千头柏和小女贞对Pb的净化吸收能力相对较强；冬青对Zn有极强的吸收能力；海桐和千头柏对Cr的净化能力极强。

2）交通密度影响交通环境。各重金属含量都明显地表现为：转盘处>交通主干道>对照区。交通车流量越大环境污染越严重，相对应道路环境中的重金属含量越高。

3）交通环境会影响行道灌木树叶的pH和电导率。随着交通流量的增大，树叶pH降低，电导率变大。

4）交通环境对植物的脯氨酸、丙二醛和可溶性蛋白含量这三个生理指标均产生影响。植物通过升高脯氨酸和蛋白质含量，降低丙二醛浓度来适应逆境。

5）交通环境对灌木树叶的气孔结构和气孔数目产生影响。气孔结构以及单位面积上的气孔数都与交通道路环境污染状况相关。

6）综合比较，石楠、冬青、海桐都是较好的行道灌木。

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