城鄉大氣環境中重金屬的積累范文

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《生態學雜志》2015年第十二期

摘要

雪松和圓柏是華北地區廣泛種植的行道樹種。本文在大氣環境質量存在明顯差異的天津城區、郊區和山區選取了5個采樣點，用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP)測定了雪松和圓柏的枝條、未清洗針葉、清洗針葉及冠下表層土的重金屬(Cu、Mn、Zn和Pb)含量，對數據進行了回歸和Pearson相關系數分析。結果表明:城區雪松和圓柏的針葉、枝條及冠下表層土中重金屬的含量顯著高于山區;雪松針葉對重金屬的積累能力顯著高于圓柏，城區雪松針葉中Mn、Zn的含量分別高達2024、2397mg•kg－1，是山區雪松針葉的297、479倍，而雪松和圓柏枝條對重金屬的積累能力差別不顯著;城區和郊區雪松及圓柏未清洗針葉的重金屬含量顯著高于清洗針葉，說明針葉表層附著物中含有較多重金屬;植物組織中高濃度的Cu、Mn、Zn和Pb受城鄉環境中多重因素的影響，其中大氣沉降是影響植物對城鄉環境中重金屬積累的重要因素。

關鍵詞

雪松;圓柏;大氣環境;重金屬;積累

近年來霧霾現象已引起人們的強烈關注，霧霾中的大氣顆粒物(PM2．5和PM10)成為影響我國城市空氣質量的首要污染物(Tanetal．，2009;Guetal．，2011;Huangetal．，2012)。燃煤、燃油、汽車尾氣和其他工業污染產生的重金屬元素As、Hg、Cd、Mn、Pb、Zn、Cu等在這些顆粒物中有明顯的富集，尤其在PM2．5中的富集量最高(董海燕等，2012)。富集了重金屬的PM2．5由于粒徑小，可進入人體的下呼吸道，沉積到肺部甚至穿過肺泡進入血液，對人體的健康造成極大危害(魏復盛等，2001;Simonetal．，2011)。城鄉園林植物和行道樹能有效吸附和移除空氣中的顆粒物，加速顆粒物的沉降過程，有效地改善城市空氣質量(McDonaldetal．，2007;陳小平等，2014)。植物葉片是感受外界環境變化最敏感的器官之一，大氣中各種氣態分子、固體顆粒及重金屬可通過葉片的氣孔吸收并積累在植物體內(林舜華等，1989;莊樹宏等，2000;Celiketal．，2005)。尤其是長期置身于大氣環境中的常綠針葉植物，能從環境中持續吸收重金屬等污染物，使針葉植物對不同濃度的環境污染物產生個體間積累量的差異(Sawi-disetal．，2011)。因此，通過植物器官重金屬含量的分析，不僅可以對城鄉大氣污染物中的重金屬狀況進行科學評價(Aksoyetal．，1997;Hwangetal．，2011)，同時對研究城市大氣重金屬的吸收和凈化有重要意義(Mingoranceetal．，2007;Sunetal．，2010)。通過2013年對天津市空氣質量的觀測發現，霧霾天氣中不同區域空氣質量存在顯著差異。本研究以雪松(Cedrusdeodara)和圓柏(Sabinachinensis)為實驗材料，選取天津市PM2．5中元素濃度最高且常作為大氣重金屬污染評估的Cu、Mn、Zn和Pb為代表(陳培飛等，2013;魯紹偉等，2014)，研究城鄉大氣環境差異對行道樹重金屬積累的影響，為揭示園林植物在緩解和指示大氣污染中的作用提供參考。

1材料與方法

1.1采樣地點概況天津市位于華北平原的東北部(116°42'E—118°03'E，38°33'N—40°15'N)，中緯度亞歐大陸東岸;主要受季風環流的支配，屬暖溫帶半濕潤季風性氣候;臨近渤海灣，海洋氣候對天津的影響比較明顯。年平均氣溫為11～12．3℃，年平均降水量為560～690mm(劉家宜等，2004)。本實驗采樣地點的確定是根據2013年冬季天津市環境監測中心實時的PM2．5含量(圖1)，選擇霧霾天氣PM2．5含量有明顯差異的城區(591～618μg•m－3)、郊區(304μg•m－3)和山區3個區域，其中城區和郊區PM2．5的含量高于我國環境空氣質量標準(GB3095—2012)規定的濃度限值(75μg•m－3)。在城區設置3個取樣地點，即A樣點(復康路，市內主干道)、B樣點(海泰，新興工業區)、C樣點(普濟河，公路樞紐)，在距城區40km的郊區設置D樣點(武清)，在距城區150km的山區設置E樣點(薊縣八仙山保護區)作為對照(圖2)。對每個取樣地點共有的行道樹雪松和圓柏進行取樣，同時對緊鄰各樣點的道路車流量進行統計，其中E樣點附近沒有汽車通過(圖1)。

1.2樣品采集與處理在各樣點選擇長勢良好的雪松和圓柏各3～5株，株間距10～20m，采用多點隨機取樣的方法，在樹高約2m處于東西南北4個方位采集針葉、幼枝及對應林冠下表層土壤(0～5cm)各500g作為供試樣本，分別將其小心置于自封袋中帶回實驗室。針葉樣品分為2類處理:一類針葉為去除其上土跡和附著顆粒物，用自來水沖洗3次，去離子水沖洗2次，80℃烘干至恒重，將烘干后的樣品粉碎，用于測定已洗針葉重金屬含量;另一類不經清洗直接烘干粉碎，用于測定未洗針葉重金屬含量(Al-Alawietal．，2007)。枝條粉碎，土壤風干、研磨、過100目篩，80℃下烘至恒重(Celiketal．，2005)。稱取植物組織0．5g，土壤0．25g，用優級純的硝酸和鹽酸溶解樣品，進行微波消解(CEM)。用電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-AES)測定Cu、Mn、Zn和Pb的含量(PA，1996)。

1.3數據處理采用Excel和SPSS16．0對數據進行分析和作圖，用單因素方差分析(one-wayANOVA)及多重比較(LDS)對數據進行差異顯著性分析。未清洗與清洗針葉重金屬含量的差值作為大氣重金屬含量的相對值(莊樹宏等，2000)。采用Pearson相關系數、線性回歸等方法分析城鄉環境對植物重金屬積累的影響(Serbulaetal．，2013)。

2結果與分析

2.1各樣點表層土壤中重金屬的含量由表1可知，雪松和圓柏表層土壤中Cu、Mn、Zn和Pb的含量在城區和郊區4個樣點中差異較大，且都高于土壤元素背景值(中國環境監測總站，1990)，而E樣點重金屬元素的含量均在土壤元素背景值范圍內。同一樣點雪松林冠下表層土壤中重金屬的含量顯著高于圓柏。A、C兩樣點雪松表層土壤中Zn的含量分別為E樣點的2470倍、3123倍，Mn為E樣點的125倍、127倍，Pb為11倍左右，Cu為3倍左右。城區A樣點和C樣點可能存在嚴重的Zn、Mn和Pb污染，其中C樣點重金屬含量最高，其次為A、B、D和E，即隨著城區、郊區和山區的環境變化重金屬含量逐漸降低。

2.2雪松和圓柏未清洗與清洗針葉中重金屬的含量由表2可以看出，城區和郊區雪松和圓柏針葉中重金屬的含量顯著高于山區;未清洗針葉中Cu、Mn、Zn和Pb的含量顯著高于清洗針葉;同一樣點雪松針葉中Mn、Zn和Pb的積累量顯著高于圓柏。雪松清洗針葉中Cu的含量在城區和郊區變化不大(8．07～16．97mg•kg－1);城區A、C兩樣點雪松中Mn和Zn的含量極高，尤其是C樣點雪松未清洗與清洗針葉中Mn的含量分別達到16475．33和2024.77mg•kg－1;雪松未清洗針葉中Zn的含量為清洗針葉的9～15倍;城區C樣點雪松中Pb的含量最高，未清洗針葉中達到242mg•kg－1，其他樣點Pb的含量均小于50mg•kg－1。雪松中Mn、Zn和Pb的含量在各樣點間隨城區、郊區和山區的環境變化逐漸降低。圓柏針葉中Mn、Zn和Pb含量的最高值分別出現在城區的C、A和B樣點中;城區和郊區圓柏清洗針葉中Cu的變化范圍為8．03～12.77mg•kg－1，遠高于山區針葉中Cu的含量(1．40mg•kg－1)。

2.3雪松和圓柏枝條中重金屬的含量由圖3可知，同一樣點雪松和圓柏枝條中Cu和Pb的積累量差異不顯著;雪松和圓柏枝條中Cu、Zn和Pb含量的最高值均出現在城區A樣點;Mn含量的最高值僅出現在A樣點的雪松中;與表2雪松和圓柏針葉重金屬含量相比，枝條重金屬含量均較低;Cu、Mn、Zn和Pb在雪松和圓柏枝條中的積累量在各樣點間均呈現明顯的城區＞郊區＞山區的趨勢。

2.4清洗針葉中Cu、Mn、Zn和Pb的Pearson相關性Pearson相關系數可以用來分析植物組織中重金屬間的協同和拮抗作用，當植物體某部位各重金屬含量呈現明顯的正相關時，它們在被植物吸收時可能互為協同作用(Serbulaetal．，2013)。從表3各樣點針葉中重金屬的Pearson相關關系可以看出，Cu-Mn之間相關性不顯著(P＞0．5);Cu-Zn和Cu-Pb之間顯著正相關(P＜0．05);Mn-Zn，Mn-Pb以及Zn-Pb之間極顯著正相關(P＜0．01)。

2.5針葉與大氣、土壤中重金屬含量的相關性大氣重金屬含量的相對值取未清洗與清洗針葉重金屬含量的差值，大氣與針葉間重金屬含量的線性回歸分析可以用來研究大氣重金屬含量對針葉重金屬積累的影響(莊樹宏等，2000)。由表4可知，針葉與大氣中Mn、Zn和Pb的含量呈極極顯著的正相關(P＜0．001)，說明大氣中的重金屬污染物(Mn、Zn和Pb)對針葉重金屬的積累量有很大影響;針葉與大氣中Cu的相對含量相關性未達顯著水平(P＞0．05)。針葉與表層土壤中Cu、Zn和Pb的含量呈顯著正相關(P＜0．05)，而針葉與表層土壤中Mn的含量呈極顯著正相關(P＜0．01)，說明針葉中積累的Mn、Zn和Pb不僅受大氣中的重金屬污染物的影響，也受土壤中的重金屬含量的影響。

3討論

城區和郊區植物組織中Cu、Mn、Zn和Pb的積累量遠高于山區。城區B、C樣點和郊區D樣點，雪松和圓柏的枝條及清洗針葉中Cu的含量為8．97～16．90mg•kg－1，E樣點針葉中Cu的含量為1．40～1.63mg•kg－1，均低于Nouri等(2009)提出的Cu對植物的致毒濃度(＞20mg•kg－1)。劉玲等(2013)研究發現，葉片對重金屬的積累量與單位面積吸附的顆粒物量呈正相關，且交通污染產生的主要是細顆粒物。本實驗中，城區C樣點雪松針葉的Mn含量最高(2024．77mg•kg－1)，郊區和山區針葉和枝條中Mn的含量均小于40mg•kg－1，這可能與天津城區PM2．5含量高(591～618μg•m－3)，車流量大(3168～6768輛•h－1)等有關。Zn在城區和郊區雪松針葉中的含量分別高達2397、1795mg•kg－1，比闊葉植物Zn的致毒濃度(230mg•kg－1)高出數倍(Nourietal．，2009)。雪松在Zn濃度極高情況下仍能健康生長，沒有表現出中毒癥狀(劉玲等，2013;趙晨曦等，2013)，說明雪松對Zn的積累能力和耐受能力極強。實驗發現，城區C樣點雪松清洗針葉中Pb積累量高達130mg•kg－1，未清洗與清洗針葉Pb含量差異顯著，說明城區C樣點附近大氣污染物中含有一定濃度的Pb。有研究表明，Pb一般積累于植物的根部，很難轉移到地上部分，葉片中的Pb主要來源于交通造成的大氣顆粒物(阮宏華等，1999)。雪松針葉對重金屬的積累量顯著高于圓柏，主要由于雪松針葉在短枝上密集簇生，在長枝上互生，單位空間內較圓柏具有更大的生物量。王愛霞等(2009)研究發現，雪松對大氣中含Pb、Zn等的粉塵具有極強的吸附能力，且植物體會以凋落物的形式把重金屬回歸土壤(靳明華等，2014)。由于雪松生長迅速、生物量大、針葉表面吸附和吸收的重金屬多，針葉凋落后其中所含的重金屬回歸土壤，因此，造成雪松冠下表層土壤中Pb和Zn的含量高于圓柏。Serbula等(2013)發現，針葉和闊葉植物枝條對重金屬的積累量存在差異，本實驗中雪松與圓柏枝條對重金屬的積累量差異不大，這可能與重金屬在雪松和圓柏枝條內的轉運和積累方式有關(Sereginetal．，2008)。本實驗中，各樣地雪松和圓柏生長良好均未出現明顯的病理特征(劉玲等，2013)，說明其對環境中的污染物有很強的適應能力和耐受能力。然而仍需要進一步研究重金屬污染物對其針葉解剖結構特征和內部生理指標變化的影響。植物組織中重金屬的含量可以反映土壤和大氣的污染水平(Hardimanetal．，1984;Al-Alawietal．，2007)。本實驗發現，針葉與大氣中Mn、Zn和Pb的含量存在極顯著正相關(P＜0．001)，與土壤中Mn、Zn和Pb的含量顯著正相關(P＜0．05)，說明植物體中重金屬的來源并非單一，土壤中的重金屬在植物體中也有一定的積累，但大氣中的重金屬含量對植物體的影響更顯著。研究顯示，城區未清洗與清洗針葉重金屬含量高且差異顯著。研究表明，葉片對重金屬的積累量與單位面積吸附的顆粒物量呈正相關(劉玲等，2013)，且天津市主要大氣污染物PM2．5中Zn、Pb和Cu的濃度分別高達1．08、0．59和0．13μg•m－3(陳培飛等，2013)，說明針葉表層吸附的大氣沉降物中含有大量重金屬污染物。Pear-son相關分析表明，針葉中的Mn、Zn和Pb達到極顯著正相關(P＜0．01)，這些重金屬可能有共同的來源并且其在被植物吸收時可能互為協同作用(Ser-bulaetal．，2012;靳明華等，2014)。表明雪松作為園林和行道樹種可以吸附吸收空氣中大量重金屬污染物，比圓柏更適宜作為北方冬季的綠化樹種來改善空氣質量。

4結論

雪松和圓柏針葉、枝條及表層土中的重金屬含量均呈現明顯的城區＞郊區＞山區的趨勢;雪松針葉比圓柏有更強的重金屬富集能力，而兩者枝條對重金屬的富集能力差別不顯著;在城區有大量的大氣污染物沉降附著在雪松和圓柏的針葉表面，使得未清洗針葉的重金屬含量顯著高于清洗針葉的重金屬含量;植物組織中高濃度的Cu、Zn和Pb受城鄉環境中多重因素的影響。

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作者：趙瑞瑞 石福臣 周美利 陳國平 叢明旸 單位：南開大學生命科學學院