不同寬度林帶對國道兩側(cè)農(nóng)田水稻葉片和糙米中重金屬含量的影響

楊奕如，殷云龍，徐和寶

〔1.江蘇省·中國科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園)，江蘇 南京 210014;2.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008〕

不同寬度林帶對國道兩側(cè)農(nóng)田水稻葉片和糙米中重金屬含量的影響

楊奕如1，2，殷云龍1，①，徐和寶1

〔1.江蘇省·中國科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園)，江蘇 南京 210014;2.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008〕

以205國道淮安段具有5 m和20 m寬林帶的路段為研究區(qū)域，對國道東西兩側(cè)200 m范圍內(nèi)農(nóng)田水稻(Oryza sativaL.)葉片和糙米中Al、Fe、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni和Pb含量及其與路側(cè)距離的相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:具5 m寬林帶路段兩側(cè)稻葉和糙米中大多數(shù)重金屬元素的含量呈現(xiàn)隨路側(cè)距離增加而減少的趨勢，且峰值多出現(xiàn)在距路側(cè)5～10 m或20 m附近;其中，東側(cè)稻葉中Cu、Cr和Ni含量及糙米中Al、Fe、Cu、Zn和Ni含量以及西側(cè)稻葉中Cu和Pb含量及糙米中Cd和Pb含量與路側(cè)距離呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。具20 m寬林帶路段兩側(cè)稻葉和糙米中大多數(shù)重金屬元素的含量并沒有呈現(xiàn)隨路側(cè)距離增加而減少的趨勢，且峰值多出現(xiàn)在距路側(cè)20 m以外;只有東側(cè)稻葉中Cr和Ni含量及糙米中Fe和Ni含量以及西側(cè)糙米中Al和Cu含量與路側(cè)距離呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。具5 m寬林帶路段兩側(cè)稻葉和糙米中的重金屬含量分布特征與無林帶路段十分相似，而具20 m寬林帶路段兩側(cè)稻葉和糙米中的重金屬含量較低，說明20 m寬林帶對公路大氣污染物有較明顯的阻滯作用。根據(jù)研究結(jié)果，建議在公路兩側(cè)10～20 m范圍內(nèi)設(shè)置喬灌草結(jié)構(gòu)模式的防護(hù)林帶，并適當(dāng)提高防護(hù)林中灌木的比例，保持喬木疏密適度。

公路兩側(cè);林帶;稻葉;糙米;重金屬;空間分布;相關(guān)性分析

公路林帶對汽車尾氣的擴(kuò)散沉降具有阻滯和吸收凈化作用，能有效減輕公路兩側(cè)農(nóng)田土壤和農(nóng)作物的重金屬污染、縮小污染范圍［1］。徐永榮等［2］的研究結(jié)果表明:路側(cè)150 m范圍內(nèi)土壤中3種重金屬含量均值由小至大依次為雙行綠帶區(qū)、單行綠帶區(qū)、無綠帶對照區(qū);阮宏華等［3］認(rèn)為:要想達(dá)到防止Pb污染的目的，公路兩側(cè)林帶寬度不應(yīng)小于40 m;王成等［4］認(rèn)為:40～60 m寬林帶對降低日流量5～8萬輛汽車的高速公路重金屬污染防治效果較好;唐乾若［5］的調(diào)查結(jié)果顯示:16 m寬林帶的防風(fēng)效果優(yōu)于24 m寬林帶;傅抱璞［6］根據(jù)林帶對亂流交換的減弱作用，得出最適林帶理論寬度為9～28 m，也得出“窄林帶的防護(hù)效益優(yōu)于寬林帶”的結(jié)果。然而，利用林帶外側(cè)農(nóng)作物中重金屬含量的空間分布特征評價(jià)公路防護(hù)效應(yīng)的系統(tǒng)研究卻少有報(bào)道。

作者對205國道兩側(cè)不同寬度林帶外側(cè)農(nóng)田水稻葉片和糙米中8種重金屬含量的空間分布特征進(jìn)行了分析，并探討了公路綠化林帶對外側(cè)農(nóng)田農(nóng)作物重金屬污染的防護(hù)作用，以期為確定公路林帶適宜寬度和優(yōu)化公路林帶的綠化結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣地選擇

在調(diào)查江蘇主要干線公路兩側(cè)農(nóng)業(yè)生態(tài)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以交通較繁忙的205國道淮安段具有5 m和20 m寬林帶的路段兩側(cè)200 m范圍內(nèi)成片水稻田為樣地，且周圍1 km以上范圍內(nèi)無工業(yè)源污染物排放。該路段的具體地理坐標(biāo)為北緯32°43'～34°06'、東經(jīng)118°12'～119°36'，南北走向，路基高約1.5 m。路側(cè)有不同寬度的意楊(Populus euramevicana‘I－214’)林帶分布;樹齡大多在10 a以上，株距和行距均為3 m，林相整齊，郁閉度約0.7;平均樹高15 m，胸徑20 cm左右，枝下高5 m，林下無灌叢。

1.2 方法

1.2.1 樣本的采集與預(yù)處理在選定的路段統(tǒng)一布點(diǎn)，在垂直于公路兩側(cè)200 m范圍內(nèi)間隔一定距離設(shè)置樣點(diǎn)。其中，5 m寬林帶路段的采樣點(diǎn)為距兩側(cè)路基5、10、20、40、60、80、100、150和200 m處，共18個(gè)采樣點(diǎn);20 m寬林帶路段的采樣點(diǎn)為距兩側(cè)路基20、40、60、80、100、150和200 m處，共14個(gè)采樣點(diǎn)。

于2007年10月中旬水稻(Oryza sativaL.)完熟期采集頂生1位和2位稻葉和成熟稻穗作為供試樣品，并在每個(gè)樣點(diǎn)與公路平行的地域以20 m左右的間距采集4個(gè)重復(fù)樣品。將稻葉和稻穗用表面活性劑(洗衣粉)快速浸泡10 s后，經(jīng)自來水清洗30 s，去離子水清洗30 s，瀝去余水后置于105℃烘箱內(nèi)殺青10 min，然后在80℃條件下烘干至恒質(zhì)量;將烘干的稻葉和糙米樣品用泰斯特FW100高速萬能粉碎機(jī)粉碎后裝入自封袋并于常溫下干燥保存。

1.2.2 重金屬含量分析參照文獻(xiàn)［7］的方法，將水稻葉片和糙米樣品分別用HNO3－HClO4混合酸消解并定容后，用等離子體發(fā)射光譜儀(ICP－ES，OPTIMA 4300DV)分析樣本中Al、Fe、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni和Pb含量。在每批試樣中抽取20%樣本進(jìn)行平行雙樣檢測，并插入空白試劑(僅加混合酸不加樣品)和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控樣品(美國SPEX CertiPrep公司混合標(biāo)樣)進(jìn)行監(jiān)控。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 5m寬林帶路段兩側(cè)水稻葉和糙米中重金屬含量的分布特征

205國道5 m寬林帶路段東西兩側(cè)農(nóng)田稻葉和糙米中重金屬含量的空間變化見表1。由表1可見:東側(cè)農(nóng)田稻葉中Cu、Cr和Ni含量以及糙米中Al、Fe、Cu、Zn和Ni含量變化與距路側(cè)的距離呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.05或P＜0.01)，而稻葉中Pb含量以及糙米中Cr含量分別與距路側(cè)的距離呈極顯著和顯著的正相關(guān)關(guān)系;稻葉中Al、Cu、Zn、Cr和Ni含量及糙米中Fe、Cu、Zn、Cd、Ni和Pb含量的峰值大多在距路側(cè)5～10 m或20 m附近。西側(cè)農(nóng)田稻葉中Cu和Pb含量及糙米中Cd和Pb含量與距路側(cè)的距離有顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)性(P＜0.05或P＜0.01)，而糙米中Zn和Ni含量與距路側(cè)的距離呈顯著或極顯著正相關(guān);稻葉中Cu、Zn和Pb含量及糙米中Al、Cu、Cd和Pb含量的峰值也在距路側(cè)5～10 m或20 m附近。

分析結(jié)果說明:在5 m寬林帶防護(hù)條件下，205國道兩側(cè)公路大氣污染物向道路兩側(cè)擴(kuò)散沉降，對外側(cè)農(nóng)田稻葉和糙米中的重金屬含量有明顯影響，且對路側(cè)附近農(nóng)田的影響更明顯。

表1205 國道5 m寬林帶路段東西兩側(cè)農(nóng)田中水稻葉片和糙米中重金屬含量的比較(±SD)1)Table 1 Comparison of heavy metal content in leaf of Oryza sativa L.and brown rice in crop field on eastern and western sides of No.205 national road with 5 m width forest belt(珚X±SD)1)

表1205 國道5 m寬林帶路段東西兩側(cè)農(nóng)田中水稻葉片和糙米中重金屬含量的比較(±SD)1)Table 1 Comparison of heavy metal content in leaf of Oryza sativa L.and brown rice in crop field on eastern and western sides of No.205 national road with 5 m width forest belt(珚X±SD)1)

1)R:重金屬含量與路側(cè)距離的相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient between heavy metal content and distance away from road edge;D:峰值區(qū)與路側(cè)的距離Distance of peak value scope away from road edge.*:P＜0.05;＊＊:P＜0.01.

元素Element葉片Leaf糙米Brown rice平均含量/μg·g－1Average contentRD 平均含量/μg·g－1Average contentRD路東側(cè)Eastern side of road Al106.76±10.69－0.2345 m1.31±0.30－0.804＊＊60 m Fe299.24±24.290.279不明顯Un-obvious11.50±2.96－0.834＊＊5－10 m Cu6.56±2.09－0.918＊＊5 m3.83±0.72－0.836＊＊5 m Zn32.28±12.28－0.35820－40 m19.00±5.60－0.873＊＊5 m Cd0.165±0.025－0.353不明顯Un-obvious0.057±0.017－0.27020－60 m Cr7.31±1.31－0.685*5－10 m0.09±0.130.791*100－200 m Ni3.51±2.10－0.724*5－10 m0.48±0.39－0.881＊＊5 m Pb3.97±0.670.882＊＊不明顯Un-obvious0.25±0.11－0.5215 m路西側(cè)Western side of road Al119.14±33.910.274不明顯Un-obvious2.44±1.100.2265 m Fe263.73±42.100.060不明顯Un-obvious12.61±7.100.100不明顯Un-obvious Cu2.33±1.96－0.871*5 m3.50±0.63－0.2045 m Zn35.86±23.42－0.38010 m16.31±3.100.747*不明顯Un-obvious Cd0.151±0.0370.387不明顯Un-obvious0.052±0.010－0.876＊＊20 m Cr7.52±2.39－0.153不明顯Un-obvious0.07±0.190.105不明顯Un-obvious Ni2.18±0.510.124不明顯Un-obvious0.25±0.410.802＊＊不明顯Un-obvious Pb3.54±0.86－0.730*10 m0.29±0.24－0.854＊＊5 m

2.2 20m寬林帶路段兩側(cè)水稻葉和糙米中重金屬含量的分布特征

205國道20 m寬林帶路段東西兩側(cè)農(nóng)田稻葉和糙米中重金屬含量的空間變化見表2。東側(cè)稻葉中Al、Fe、Cu、Zn和Pb含量及糙米中Al、Cu、Cd和Cr含量與距路側(cè)距離無顯著相關(guān)性，而稻葉中的Cr和Ni含量以及糙米中的Fe和Ni含量與距路側(cè)的距離呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，稻葉中的Cd含量及糙米中的Zn和Pb含量與距路側(cè)的距離呈極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系;在距路側(cè)附近(20 m內(nèi))沒有峰值出現(xiàn)，部分重金屬元素含量的峰值出現(xiàn)在距路側(cè)20～60 m或150～200 m處。西側(cè)稻葉中Al、Fe、Cu、Zn、Cd、Cr和Ni含量及糙米中Fe、Zn、Cd、Cr、Ni和Pb含量與距路側(cè)的距離也沒有顯著相關(guān)性，而稻葉中的Pb含量與距路側(cè)的距離呈顯著正相關(guān)關(guān)系，糙米中的Al和Cu含量與距路側(cè)的距離呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;在距路側(cè)附近(20 m內(nèi))各重金屬元素的含量也沒有峰值出現(xiàn)，部分重金屬元素含量的峰值出現(xiàn)在距路側(cè)20～60 m或150 m附近。

分析結(jié)果說明:20 m寬林帶已明顯干擾了205國道公路大氣污染物向路兩側(cè)擴(kuò)散沉降的規(guī)律性，使林帶外側(cè)附近農(nóng)田的大氣環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善，減小了稻葉或糙米中重金屬含量峰值在路側(cè)附近(20 m內(nèi))出現(xiàn)的機(jī)率。

表2 205國道20 m寬林帶路段東西兩側(cè)農(nóng)田中水稻葉片和糙米中重金屬含量的比較(珚X±SD)1)Table 2 Comparison of heavy metal content in leaf of Oryza sativa L.and brown rice in crop field on eastern and western sides of No.205 national road with 20 m width forest belt±SD)1)

表2 205國道20 m寬林帶路段東西兩側(cè)農(nóng)田中水稻葉片和糙米中重金屬含量的比較(珚X±SD)1)Table 2 Comparison of heavy metal content in leaf of Oryza sativa L.and brown rice in crop field on eastern and western sides of No.205 national road with 20 m width forest belt±SD)1)

1)R:重金屬含量與路側(cè)距離的相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient between heavy metal content and distance away from road edge;D:峰值區(qū)與路側(cè)的距離Distance of peak value scope away from road edge.*:P＜0.05;＊＊:P＜0.01.－:未檢出Undetected.

元素Element葉片Leaf 糙米Brown rice平均含量/μg·g－1Average contentRD 平均含量/μg·g－1Average contentRD路東側(cè)Eastern side of road Al48.15±12.890.086不明顯Un-obvious3.44±2.96－0.16340－60 m Fe151.61±24.80－0.203不明顯Un-obvious14.46±6.01－0.809*20－40 m Cu10.45±1.38－0.312不明顯Un-obvious4.49±0.64－0.051不明顯Un-obvious Zn19.92±1.500.067不明顯Un-obvious21.23±2.570.963＊＊150－200 m Cd0.142±0.0450.943＊＊150－200 m0.057±0.012－0.323不明顯Un-obvious Cr6.89±1.56－0.948＊＊20－60 m0.21±0.38－0.60220－40 m Ni1.96±0.41－0.969＊＊20 m0.88±1.12－0.775*20－40 m Pb1.98±0.36－0.037不明顯Un-obvious0.07±0.070.767*150－200 m路西側(cè)Western side of road Al41.50±8.94－0.69420 m6.52±3.06－0.808*40 m Fe123.03±13.20－0.052不明顯Un-obvious12.19±2.17－0.36020 m Cu7.38±3.51－0.40320 m3.17±0.83－0.831*20 m Zn19.46±4.88－0.28960 m23.41±3.830.564不明顯Un-obvious Cd0.181±0.054－0.30140 m0.035±0.0100.498不明顯Un-obvious Cr6.28±1.060.054不明顯Un-obvious－－－Ni1.73±0.23－0.372不明顯Un-obvious0.42±0.14－0.34960－80 m Pb1.49±0.320.764*150 m0.16±0.07－0.108不明顯Un-obvious

3 討論和結(jié)論

公路防護(hù)林帶對汽車尾氣有阻滯作用，植物通過葉片上的氣孔和枝條上的皮孔將大氣中的Pb、Cd等污染物吸入體內(nèi)，并通過氧化還原過程將其變成無毒形式，或通過根系排出體外，或積累于某一器官內(nèi)。植物對環(huán)境污染物的吸收、降解、積累和排出作用可有效地阻礙重金屬顆粒物，使顆粒物在樹木附近沉降，對公路旁土壤和環(huán)境的重金屬污染具有很好的防護(hù)作用，能有效降低污染程度、縮小污染范圍［8－9］。

205國道5 m寬林帶路段兩側(cè)農(nóng)田稻葉和糙米中大多數(shù)重金屬元素含量的空間分布具有隨距路側(cè)距離增加而遞減的趨勢，而且大部分重金屬元素的含量峰值也處在距路側(cè)5～10 m或20 m附近，這與該國道無林帶路段兩側(cè)農(nóng)田稻葉和糙米中的重金屬含量空間分布特征［10］十分相似。205國道兩側(cè)5 m寬林帶的樹木行數(shù)較少、帶幅較窄，加之林下無灌木，從而形成疏透和通風(fēng)結(jié)構(gòu)，由于樹冠層通透性較大、林帶結(jié)構(gòu)較差，致使公路大氣污染物向兩側(cè)擴(kuò)散沉降，對外側(cè)農(nóng)田稻葉和糙米中重金屬含量具有明顯影響，說明窄林帶對公路大氣污染的擴(kuò)散沉降沒有明顯的干擾、阻滯和凈化作用。本研究結(jié)果與陳建安等［11］的研究結(jié)果較為一致，即:作物中重金屬含量最高點(diǎn)在距離路側(cè)10～20 m處，表明公路大氣污染物的擴(kuò)散沉降對路側(cè)附近農(nóng)作物中重金屬含量的影響較明顯。鑒于此，建議在路側(cè)10～20 m地域設(shè)置防護(hù)林帶。

205國道20 m寬林帶兩側(cè)農(nóng)田水稻葉片和糙米中大部分重金屬元素的含量變化沒有呈現(xiàn)出隨路側(cè)距離增加而遞減的規(guī)律性，且大部分重金屬元素的含量峰值也不在路側(cè)附近(20 m內(nèi))，表明20 m寬林帶對205國道汽車尾氣的擴(kuò)散沉降有較明顯的防護(hù)作用。與無林帶路段［10］相比，205國道20 m林帶路段東側(cè)稻葉中Al、Fe、Zn、Cd、Ni和Pb含量以及西側(cè)稻葉中Al、Fe、Cr和Ni含量和糙米中Fe、Cu、Cd、Cr、Ni和Pb含量均較低，進(jìn)一步說明路側(cè)20 m寬林帶對公路大氣污染物的擴(kuò)散沉降有較好的防護(hù)作用。本研究中，205國道20 m寬林帶路段東側(cè)水稻葉片中Cr和Ni含量、糙米中Fe和Ni含量以及西側(cè)水稻糙米中Al和Cu含量均呈隨路側(cè)距離增加而遞減的趨勢，這一現(xiàn)象可能是由于該樣地樹種和冠層結(jié)構(gòu)單一，意楊種植密度較大，自然整枝明顯，植株向上徒長，冠層枝葉不茂密，枝下高較高(達(dá)5 m左右)，使下層形成小風(fēng)洞效應(yīng)，致使兩側(cè)農(nóng)田作物中的重金屬含量受到公路環(huán)境污染的影響。

綠化樹種單一是當(dāng)前園林綠化發(fā)展亟需解決的矛盾之一［12］，而灌喬比是反映綠化層次結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因子。殷云龍等［13］的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:江蘇全省公路綠化系統(tǒng)樹種結(jié)構(gòu)中灌喬比偏低，蘇北灌喬比明顯低于蘇南，因而，應(yīng)大力增加公路防護(hù)林帶中灌木的比重，使灌木量高于喬木量，以提高綠化系統(tǒng)的層次性和空間利用率。周軍莉等［14］也認(rèn)為林帶的防護(hù)效應(yīng)與林帶結(jié)構(gòu)特征緊密相連。因此，在公路林帶的結(jié)構(gòu)配置上，防護(hù)林帶應(yīng)采取喬灌草相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式，適當(dāng)提高灌木比例，使喬木疏密適度，從而形成穩(wěn)定的復(fù)層林帶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)林帶對汽車尾氣擴(kuò)散沉降的防護(hù)效果。

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(責(zé)任編輯:佟金鳳)

Effects of forest belts with different widths on heavy metal content in rice leaf and brown rice in crop field on both sides of national road

YANG Yi-ru1，2，YIN Yun-long1，①，XU He-bao1(1.Institute of Botany，Jiangsu Province and the Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210014，China;2.Institute of Soil Science，CAS，Nanjing 210008，China)，J.Plant Resour.＆Environ.2012，21(2): 84－88

Taking Huai’an section of No.205 national road with 5 m and 20 m width forest belts as the research region，contents of Al，F(xiàn)e，Cu，Zn，Cd，Cr，Ni and Pb in rice leaf and brown rice(Oryza sativaL.)in crop field of 200 m range away from eastern and western road sides and the correlation between heavy metal content and distance away from road edge were analyzed.The results show that contents of most heavy metal elements in rice leaf and brown rice on both sides of the section with 5 m width forest belt have the decreasing trend with increasing of distance away from road edge and most peak values of them appear at nearby 5－10 m or 20 m away from road edge.In which，contents of Cu，Cr and Ni in rice leaf and contents of Al，F(xiàn)e，Cu，Zn and Ni in brown rice on the eastern side，contents of Cu and Pb in rice leaf and contents of Cd and Pb in brown rice on the western side all have significantly or extremely significantly negative correlation with distance away from road edge.However，contents of most heavy metal elements in rice leaf and brown rice on both sides of the section with 20 m width forest belt have no decreasing trend with increasing of distance away from road edge and their peak values appear at over 20 m away from road edge.And only contents of Cr and Ni in rice leaf and contents of Fe and Ni in brown rice on the eastern side，contents of Al and Cu in brown rice on the western side have significantly or extremely significantly negative correlation with distance away from road edge.Comparing with thesection without forest belt，distribution characteristics of contents of heavy metals in rice leaf and brown rice on both sides of the section with 5 m width forest belt are similar，but contents of heavy metals on both sides of the section with 20 m width forest belt are lower.It means that 20 m width forest belt has an obvious detention effect to atmospheric pollutant of road.According to these results，it is suggested that the shelter belt with structure model of arbor-shrub-herb should be set at 10－20 m area on both road sides，properly increase shrub proportion in the belt and keep appropriate density of trees.

both sides of road;forest belt;rice leaf;brown rice;heavy metal;spatial distribution; correlation analysis

book=2012,ebook=39

S727.24;X171.5;X820.6

A

1674－7895(2012)02－0084－05

2011－05－23

江蘇省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(BK2006711－2)

楊奕如(1984—)，女，江蘇常州人，碩士，主要從事植物資源與生態(tài)環(huán)境方面的研究工作。

①通信作者E-mail:xhh3027@jlonline.com