城乡大气环境中重金属的积累范文

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《生态学杂志》2015年第十二期

摘要

雪松和圆柏是华北地区广泛种植的行道树种。本文在大气环境质量存在明显差异的天津城区、郊区和山区选取了5个采样点，用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP)测定了雪松和圆柏的枝条、未清洗针叶、清洗针叶及冠下表层土的重金属(Cu、Mn、Zn和Pb)含量，对数据进行了回归和Pearson相关系数分析。结果表明:城区雪松和圆柏的针叶、枝条及冠下表层土中重金属的含量显著高于山区;雪松针叶对重金属的积累能力显著高于圆柏，城区雪松针叶中Mn、Zn的含量分别高达2024、2397mg•kg－1，是山区雪松针叶的297、479倍，而雪松和圆柏枝条对重金属的积累能力差别不显著;城区和郊区雪松及圆柏未清洗针叶的重金属含量显著高于清洗针叶，说明针叶表层附着物中含有较多重金属;植物组织中高浓度的Cu、Mn、Zn和Pb受城乡环境中多重因素的影响，其中大气沉降是影响植物对城乡环境中重金属积累的重要因素。

关键词

雪松;圆柏;大气环境;重金属;积累

近年来雾霾现象已引起人们的强烈关注，雾霾中的大气颗粒物(PM2．5和PM10)成为影响我国城市空气质量的首要污染物(Tanetal．，2009;Guetal．，2011;Huangetal．，2012)。燃煤、燃油、汽车尾气和其他工业污染产生的重金属元素As、Hg、Cd、Mn、Pb、Zn、Cu等在这些颗粒物中有明显的富集，尤其在PM2．5中的富集量最高(董海燕等，2012)。富集了重金属的PM2．5由于粒径小，可进入人体的下呼吸道，沉积到肺部甚至穿过肺泡进入血液，对人体的健康造成极大危害(魏复盛等，2001;Simonetal．，2011)。城乡园林植物和行道树能有效吸附和移除空气中的颗粒物，加速颗粒物的沉降过程，有效地改善城市空气质量(McDonaldetal．，2007;陈小平等，2014)。植物叶片是感受外界环境变化最敏感的器官之一，大气中各种气态分子、固体颗粒及重金属可通过叶片的气孔吸收并积累在植物体内(林舜华等，1989;庄树宏等，2000;Celiketal．，2005)。尤其是长期置身于大气环境中的常绿针叶植物，能从环境中持续吸收重金属等污染物，使针叶植物对不同浓度的环境污染物产生个体间积累量的差异(Sawi-disetal．，2011)。因此，通过植物器官重金属含量的分析，不仅可以对城乡大气污染物中的重金属状况进行科学评价(Aksoyetal．，1997;Hwangetal．，2011)，同时对研究城市大气重金属的吸收和净化有重要意义(Mingoranceetal．，2007;Sunetal．，2010)。通过2013年对天津市空气质量的观测发现，雾霾天气中不同区域空气质量存在显著差异。本研究以雪松(Cedrusdeodara)和圆柏(Sabinachinensis)为实验材料，选取天津市PM2．5中元素浓度最高且常作为大气重金属污染评估的Cu、Mn、Zn和Pb为代表(陈培飞等，2013;鲁绍伟等，2014)，研究城乡大气环境差异对行道树重金属积累的影响，为揭示园林植物在缓解和指示大气污染中的作用提供参考。

1材料与方法

1.1采样地点概况天津市位于华北平原的东北部(116°42'E—118°03'E，38°33'N—40°15'N)，中纬度亚欧大陆东岸;主要受季风环流的支配，属暖温带半湿润季风性气候;临近渤海湾，海洋气候对天津的影响比较明显。年平均气温为11～12．3℃，年平均降水量为560～690mm(刘家宜等，2004)。本实验采样地点的确定是根据2013年冬季天津市环境监测中心实时的PM2．5含量(图1)，选择雾霾天气PM2．5含量有明显差异的城区(591～618μg•m－3)、郊区(304μg•m－3)和山区3个区域，其中城区和郊区PM2．5的含量高于我国环境空气质量标准(GB3095—2012)规定的浓度限值(75μg•m－3)。在城区设置3个取样地点，即A样点(复康路，市内主干道)、B样点(海泰，新兴工业区)、C样点(普济河，公路枢纽)，在距城区40km的郊区设置D样点(武清)，在距城区150km的山区设置E样点(蓟县八仙山保护区)作为对照(图2)。对每个取样地点共有的行道树雪松和圆柏进行取样，同时对紧邻各样点的道路车流量进行统计，其中E样点附近没有汽车通过(图1)。

1.2样品采集与处理在各样点选择长势良好的雪松和圆柏各3～5株，株间距10～20m，采用多点随机取样的方法，在树高约2m处于东西南北4个方位采集针叶、幼枝及对应林冠下表层土壤(0～5cm)各500g作为供试样本，分别将其小心置于自封袋中带回实验室。针叶样品分为2类处理:一类针叶为去除其上土迹和附着颗粒物，用自来水冲洗3次，去离子水冲洗2次，80℃烘干至恒重，将烘干后的样品粉碎，用于测定已洗针叶重金属含量;另一类不经清洗直接烘干粉碎，用于测定未洗针叶重金属含量(Al-Alawietal．，2007)。枝条粉碎，土壤风干、研磨、过100目筛，80℃下烘至恒重(Celiketal．，2005)。称取植物组织0．5g，土壤0．25g，用优级纯的硝酸和盐酸溶解样品，进行微波消解(CEM)。用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定Cu、Mn、Zn和Pb的含量(PA，1996)。

1.3数据处理采用Excel和SPSS16．0对数据进行分析和作图，用单因素方差分析(one-wayANOVA)及多重比较(LDS)对数据进行差异显著性分析。未清洗与清洗针叶重金属含量的差值作为大气重金属含量的相对值(庄树宏等，2000)。采用Pearson相关系数、线性回归等方法分析城乡环境对植物重金属积累的影响(Serbulaetal．，2013)。

2结果与分析

2.1各样点表层土壤中重金属的含量由表1可知，雪松和圆柏表层土壤中Cu、Mn、Zn和Pb的含量在城区和郊区4个样点中差异较大，且都高于土壤元素背景值(中国环境监测总站，1990)，而E样点重金属元素的含量均在土壤元素背景值范围内。同一样点雪松林冠下表层土壤中重金属的含量显著高于圆柏。A、C两样点雪松表层土壤中Zn的含量分别为E样点的2470倍、3123倍，Mn为E样点的125倍、127倍，Pb为11倍左右，Cu为3倍左右。城区A样点和C样点可能存在严重的Zn、Mn和Pb污染，其中C样点重金属含量最高，其次为A、B、D和E，即随着城区、郊区和山区的环境变化重金属含量逐渐降低。

2.2雪松和圆柏未清洗与清洗针叶中重金属的含量由表2可以看出，城区和郊区雪松和圆柏针叶中重金属的含量显著高于山区;未清洗针叶中Cu、Mn、Zn和Pb的含量显著高于清洗针叶;同一样点雪松针叶中Mn、Zn和Pb的积累量显著高于圆柏。雪松清洗针叶中Cu的含量在城区和郊区变化不大(8．07～16．97mg•kg－1);城区A、C两样点雪松中Mn和Zn的含量极高，尤其是C样点雪松未清洗与清洗针叶中Mn的含量分别达到16475．33和2024.77mg•kg－1;雪松未清洗针叶中Zn的含量为清洗针叶的9～15倍;城区C样点雪松中Pb的含量最高，未清洗针叶中达到242mg•kg－1，其他样点Pb的含量均小于50mg•kg－1。雪松中Mn、Zn和Pb的含量在各样点间随城区、郊区和山区的环境变化逐渐降低。圆柏针叶中Mn、Zn和Pb含量的最高值分别出现在城区的C、A和B样点中;城区和郊区圆柏清洗针叶中Cu的变化范围为8．03～12.77mg•kg－1，远高于山区针叶中Cu的含量(1．40mg•kg－1)。

2.3雪松和圆柏枝条中重金属的含量由图3可知，同一样点雪松和圆柏枝条中Cu和Pb的积累量差异不显著;雪松和圆柏枝条中Cu、Zn和Pb含量的最高值均出现在城区A样点;Mn含量的最高值仅出现在A样点的雪松中;与表2雪松和圆柏针叶重金属含量相比，枝条重金属含量均较低;Cu、Mn、Zn和Pb在雪松和圆柏枝条中的积累量在各样点间均呈现明显的城区＞郊区＞山区的趋势。

2.4清洗针叶中Cu、Mn、Zn和Pb的Pearson相关性Pearson相关系数可以用来分析植物组织中重金属间的协同和拮抗作用，当植物体某部位各重金属含量呈现明显的正相关时，它们在被植物吸收时可能互为协同作用(Serbulaetal．，2013)。从表3各样点针叶中重金属的Pearson相关关系可以看出，Cu-Mn之间相关性不显著(P＞0．5);Cu-Zn和Cu-Pb之间显著正相关(P＜0．05);Mn-Zn，Mn-Pb以及Zn-Pb之间极显著正相关(P＜0．01)。

2.5针叶与大气、土壤中重金属含量的相关性大气重金属含量的相对值取未清洗与清洗针叶重金属含量的差值，大气与针叶间重金属含量的线性回归分析可以用来研究大气重金属含量对针叶重金属积累的影响(庄树宏等，2000)。由表4可知，针叶与大气中Mn、Zn和Pb的含量呈极极显著的正相关(P＜0．001)，说明大气中的重金属污染物(Mn、Zn和Pb)对针叶重金属的积累量有很大影响;针叶与大气中Cu的相对含量相关性未达显著水平(P＞0．05)。针叶与表层土壤中Cu、Zn和Pb的含量呈显著正相关(P＜0．05)，而针叶与表层土壤中Mn的含量呈极显著正相关(P＜0．01)，说明针叶中积累的Mn、Zn和Pb不仅受大气中的重金属污染物的影响，也受土壤中的重金属含量的影响。

3讨论

城区和郊区植物组织中Cu、Mn、Zn和Pb的积累量远高于山区。城区B、C样点和郊区D样点，雪松和圆柏的枝条及清洗针叶中Cu的含量为8．97～16．90mg•kg－1，E样点针叶中Cu的含量为1．40～1.63mg•kg－1，均低于Nouri等(2009)提出的Cu对植物的致毒浓度(＞20mg•kg－1)。刘玲等(2013)研究发现，叶片对重金属的积累量与单位面积吸附的颗粒物量呈正相关，且交通污染产生的主要是细颗粒物。本实验中，城区C样点雪松针叶的Mn含量最高(2024．77mg•kg－1)，郊区和山区针叶和枝条中Mn的含量均小于40mg•kg－1，这可能与天津城区PM2．5含量高(591～618μg•m－3)，车流量大(3168～6768辆•h－1)等有关。Zn在城区和郊区雪松针叶中的含量分别高达2397、1795mg•kg－1，比阔叶植物Zn的致毒浓度(230mg•kg－1)高出数倍(Nourietal．，2009)。雪松在Zn浓度极高情况下仍能健康生长，没有表现出中毒症状(刘玲等，2013;赵晨曦等，2013)，说明雪松对Zn的积累能力和耐受能力极强。实验发现，城区C样点雪松清洗针叶中Pb积累量高达130mg•kg－1，未清洗与清洗针叶Pb含量差异显著，说明城区C样点附近大气污染物中含有一定浓度的Pb。有研究表明，Pb一般积累于植物的根部，很难转移到地上部分，叶片中的Pb主要来源于交通造成的大气颗粒物(阮宏华等，1999)。雪松针叶对重金属的积累量显著高于圆柏，主要由于雪松针叶在短枝上密集簇生，在长枝上互生，单位空间内较圆柏具有更大的生物量。王爱霞等(2009)研究发现，雪松对大气中含Pb、Zn等的粉尘具有极强的吸附能力，且植物体会以凋落物的形式把重金属回归土壤(靳明华等，2014)。由于雪松生长迅速、生物量大、针叶表面吸附和吸收的重金属多，针叶凋落后其中所含的重金属回归土壤，因此，造成雪松冠下表层土壤中Pb和Zn的含量高于圆柏。Serbula等(2013)发现，针叶和阔叶植物枝条对重金属的积累量存在差异，本实验中雪松与圆柏枝条对重金属的积累量差异不大，这可能与重金属在雪松和圆柏枝条内的转运和积累方式有关(Sereginetal．，2008)。本实验中，各样地雪松和圆柏生长良好均未出现明显的病理特征(刘玲等，2013)，说明其对环境中的污染物有很强的适应能力和耐受能力。然而仍需要进一步研究重金属污染物对其针叶解剖结构特征和内部生理指标变化的影响。植物组织中重金属的含量可以反映土壤和大气的污染水平(Hardimanetal．，1984;Al-Alawietal．，2007)。本实验发现，针叶与大气中Mn、Zn和Pb的含量存在极显著正相关(P＜0．001)，与土壤中Mn、Zn和Pb的含量显著正相关(P＜0．05)，说明植物体中重金属的来源并非单一，土壤中的重金属在植物体中也有一定的积累，但大气中的重金属含量对植物体的影响更显著。研究显示，城区未清洗与清洗针叶重金属含量高且差异显著。研究表明，叶片对重金属的积累量与单位面积吸附的颗粒物量呈正相关(刘玲等，2013)，且天津市主要大气污染物PM2．5中Zn、Pb和Cu的浓度分别高达1．08、0．59和0．13μg•m－3(陈培飞等，2013)，说明针叶表层吸附的大气沉降物中含有大量重金属污染物。Pear-son相关分析表明，针叶中的Mn、Zn和Pb达到极显著正相关(P＜0．01)，这些重金属可能有共同的来源并且其在被植物吸收时可能互为协同作用(Ser-bulaetal．，2012;靳明华等，2014)。表明雪松作为园林和行道树种可以吸附吸收空气中大量重金属污染物，比圆柏更适宜作为北方冬季的绿化树种来改善空气质量。

4结论

雪松和圆柏针叶、枝条及表层土中的重金属含量均呈现明显的城区＞郊区＞山区的趋势;雪松针叶比圆柏有更强的重金属富集能力，而两者枝条对重金属的富集能力差别不显著;在城区有大量的大气污染物沉降附着在雪松和圆柏的针叶表面，使得未清洗针叶的重金属含量显著高于清洗针叶的重金属含量;植物组织中高浓度的Cu、Zn和Pb受城乡环境中多重因素的影响。

参考文献

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作者：赵瑞瑞 石福臣 周美利 陈国平 丛明旸 单位：南开大学生命科学学院