蘇北沿?；セ撞萑肭蛀}沼自然移除外源苯乙烯的特征研究

王進(jìn)欣, 李 超, 郭 楠, 張 威, 王今殊

(江蘇師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

0 引言

苯乙烯是一種低毒有機(jī)化學(xué)品,具有揮發(fā)性,其在環(huán)境中長期暴露可致人體產(chǎn)生黏膜和眼睛刺激,腸胃功能紊亂,甚至產(chǎn)生疼痛、疲勞、乏力、抑郁和神經(jīng)病變,嚴(yán)重危害人體健康,已于1990年被美國“清潔空氣修正案”認(rèn)定為有毒氣體[1]．中國《GB 14554—93 惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]將其認(rèn)定為8種惡臭物質(zhì)之一,并規(guī)定廠界大氣中苯乙烯的排放限值為3.0 mg/m3(折算為體積分?jǐn)?shù)約為6.46×10-7)．大氣中苯乙烯主要來自化學(xué)和石化工業(yè)在聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯橡膠、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和樹脂的生產(chǎn)、應(yīng)用、運(yùn)輸和儲藏過程中的大量排放[3-4],其自然來源來自微生物和真菌代謝[1]．

為了有效降低苯乙烯在環(huán)境中的濃度和暴露風(fēng)險(xiǎn),減排措施和增匯技術(shù)被廣泛研究和使用,并已成為大氣控制領(lǐng)域重要的研究課題,常用的處理方法有吸附、吸收、化學(xué)氧化和催化燃燒[5-6].相對于這些工業(yè)去除苯乙烯技術(shù),苯乙烯的生物修復(fù)技術(shù)具有應(yīng)用成本低、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小和對環(huán)境副作用小等優(yōu)點(diǎn),在修復(fù)揮發(fā)性有機(jī)氣體污染方面具有巨大的潛力和顯著的優(yōu)勢．但是,目前對苯乙烯的去除技術(shù)和生物修復(fù)實(shí)踐主要集中在高濃度和大批量生產(chǎn)流程中,很少有人關(guān)注自然環(huán)境中低濃度、長期暴露的苯乙烯的環(huán)境歸趨,導(dǎo)致大氣、水體和土壤環(huán)境中苯乙烯的環(huán)境命運(yùn)仍然是一個(gè)盲點(diǎn)[7-8].對苯乙烯環(huán)境命運(yùn)信息的缺失大大影響了苯乙烯環(huán)境暴露風(fēng)險(xiǎn)的有效評估．

海岸帶鹽沼受海陸的共同作用,接受來自海洋和陸地的物質(zhì)輸入[9],是各種污染物重要的天然匯,在苯乙烯等污染物的環(huán)境歸趨上具有重要的生態(tài)和環(huán)境功能．因此,深入研究海岸帶鹽沼對外源惡臭氣體苯乙烯污染物的自然移除能力及影響因素,對認(rèn)識和探討海岸帶大氣、水體和土壤環(huán)境中苯乙烯等污染物的環(huán)境歸趨是非常重要和必要的．

基于此,本文旨在研究互花米草(Spartinaalterniflora)入侵鹽沼對外源苯乙烯自然移除能力的時(shí)空變化特征,以及鹽沼對苯乙烯的自然移除能力是否存在物種依賴性．

1 采樣與研究方法

研究樣地位于江蘇省鹽城國家珍禽自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)內(nèi)(圖1),分別于2004年7月(生長季)和2005年1月(非生長季)在固定點(diǎn)采用靜態(tài)箱法采集氣體樣品,樣地基本情況、采樣方法及氣體分析方法等詳見文獻(xiàn)[10]．利用二元方差分析苯乙烯的季節(jié)變化、空間分布以及收獲前后的差異．

A: 光灘 B: 互花米草鹽沼 C: 鹽地堿蓬鹽沼 D:獐茅鹽沼 E: 蘆葦鹽沼

2 結(jié)果分析與討論

2.1 大氣中苯乙烯的濃度變化特征及輸入途徑

圖2 鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中苯乙烯濃度的時(shí)空變化

* p<0.05 ** p<0.01 *** p<0.001 nsp>0.5 n=30

鹽沼生態(tài)系統(tǒng)大氣中苯乙烯的年平均體積分?jǐn)?shù)為204.24×10-9,其中生長季和非生長季平均體積分?jǐn)?shù)分別為292.4×10-9和116.1×10-9(圖2).自然生態(tài)系統(tǒng)中苯乙烯的平均體積分?jǐn)?shù)接近于國家《GB 14554—93 惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的廠界排放源的排放限值，尤其是光灘，其自然大氣中苯乙烯的體積分?jǐn)?shù)在生長季高達(dá)544.37×10-9，非常接近于國家規(guī)定的排放限值[2]．大量研究表明,大氣中苯乙烯主要源自化學(xué)和石化工業(yè)排放[3-4],而研究區(qū)位于自然保護(hù)區(qū),大氣中濃度如此高的苯乙烯主要來自那里?

在由陸向海的空間剖線上,大氣中苯乙烯的濃度變化表現(xiàn)為兩側(cè)高中間低,即在距海陸較近的一側(cè)濃度高,遠(yuǎn)離海陸的鹽地堿蓬帶濃度最低(圖2)．在季節(jié)變化上,具有顯著的季節(jié)變化性,生長季顯著地高于非生長季(圖2)．因此,可以推斷本區(qū)大氣中苯乙烯主要來源于沿海化學(xué)和石化工業(yè)排放的橫向輸送(可能包括污染源的大氣擴(kuò)散和輸送作用、潮流的水平攜帶作用)以及外海運(yùn)輸泄漏苯乙烯的橫向輸送(主要包括大氣、海流和潮流的橫向輸送作用)．

2.2 苯乙烯自然移除能力的變化及影響因素

高等植物地上部分去除前,鹽沼生態(tài)系統(tǒng)對苯乙烯的自然吸收能力具有顯著的時(shí)空變異性(p<0.001)和明顯的物種依賴性,生長季顯著大于非生長季．具體表現(xiàn)為:生長季蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬和互花米草鹽沼對苯乙烯的自然移除能力分別為-19.1, -20.9, -18.7, -12.8 mg·m-2·d-1,分別是光灘的3.6, 3.9, 3.5和2.4倍;非生長季蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬和互花米草鹽沼對苯乙烯的自然移除能力分別為-15.9, -3.7, -2.2, -2.5 mg·m-2·d-1,分別是光灘的3.9, 0.9, 0.5和0.6倍(圖3-a)．

與其他鹽沼相比,互花米草鹽沼對苯乙烯自然去除能力并不具有明顯的優(yōu)勢.其生長季對苯乙烯自然去除能力分別為蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬和光灘的0.7, 0.6, 0.7和2.4倍,非生長季分別為0.2, 0.7, 1.1和0.6倍(圖3-a).綜合看來,互花米草入侵替代其他植物并不具有增匯作用,其增匯作用可能體現(xiàn)在向光灘的擴(kuò)張?zhí)娲饔茫纱丝梢?盡管互花米草鹽沼表現(xiàn)出很好的自然去除能力,但是相對于其他鹽沼,互花米草的入侵對苯乙烯并沒有起到顯著的增匯作用．造成鹽沼生態(tài)系統(tǒng)自然去除苯乙烯能力時(shí)空差異性的主要原因可能有3個(gè):鹽沼生態(tài)系統(tǒng)組分植物和生理活性,土壤理化性質(zhì)的異質(zhì)性和大氣中苯乙烯的初始濃度．

首先,高等植物是鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,其在鹽沼苯乙烯自然去除能力上的作用可能主要體現(xiàn)在3個(gè)方面.第一,鹽沼高等植物具有豐富的葉片蠟質(zhì)和氣孔等導(dǎo)氣組織,已有研究表明,植物葉片蠟質(zhì)和氣孔在植物吸附揮發(fā)性有機(jī)氣體的過程中發(fā)揮著重要的作用[11],而且,不同的植物,蠟質(zhì)成分和氣孔數(shù)量是不同的,因此,苯乙烯氣體的吸附能力必然存在種間差異.第二,植物的光合和呼吸作用等生態(tài)過程也會影響其對苯乙烯的自然去除能力,與植物生態(tài)過程相關(guān)的生態(tài)因子也可能通過影響植物生態(tài)過程而影響其對苯乙烯的自然去除,這一點(diǎn)在自然移除能力與生態(tài)因子的相關(guān)程度上具有很好的體現(xiàn).比如,與植物生長具有直接關(guān)系的生物量和光照強(qiáng)度等生態(tài)因子與自然去除能力具有顯著的正相關(guān)作用,這些生態(tài)因子對自然移除能力具有正向影響(表1).生態(tài)因子的季節(jié)變化性和空間分布差異性(圖4)也是高等植物對苯乙烯自然移除能力時(shí)空差異的重要原因.第三,高等植物的導(dǎo)氣作用,可將大氣中的苯乙烯輸送至植物的根際,為根際土壤吸收和吸附以及以苯乙烯為代謝碳源的共生微生物降解作用創(chuàng)造了有利條件(圖3),而且已有研究表明,土壤對苯乙烯的吸附作用非常有利于根際共生微生物的生物分解[7-8]．

表1 大氣中苯乙烯被自然移除的能力與影響因子的關(guān)系

其次,土壤和植物根際微環(huán)境同樣是鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的重要部分,他們對苯乙烯的自然移除能力的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在:第一,土壤的孔隙和土壤膠體對苯乙烯具有重要的吸收和吸附作用,土壤孔隙的豐富度和土壤膠體的交換吸附能力的大小將直接影響土壤對苯乙烯的吸收和吸附能力;第二,植物根際微環(huán)境的綜合作用,可能包括根際土壤的吸附作用,植物的吸收、吸附和傳導(dǎo)作用,根際微生物對苯乙烯的生物降解作用等．高等植物地上部分去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高等植物地上部分去除后鹽沼仍然具有很強(qiáng)的自然移除能力(圖3-b),這表明鹽沼土壤也是苯乙烯被自然去除的主要貢獻(xiàn)者．因此,土壤溫度、濕度、孔隙率、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、鹽分含量、硝酸鹽含量等土壤理化性質(zhì)以及生長在其上的植物和微生物的生物活性將很大程度上影響鹽沼對苯乙烯的自然移除能力．它們與鹽沼對苯乙烯自然去除能力間的正相關(guān)關(guān)系可以很好地說明他們之間的關(guān)系(表1),因此鹽沼土壤理化性質(zhì)的時(shí)空差異性也是導(dǎo)致鹽沼自然移除苯乙烯能力時(shí)空差異的重要因素(圖4-b,c,d)．

* p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.001, nsp>0.5, n=30

第三,大氣中苯乙烯的濃度將直接影響其在大氣-土壤-植物連續(xù)體中的界面行為,尤其是植物內(nèi)的傳導(dǎo)作用和土壤的吸附作用．另外,大氣中苯乙烯濃度高本身就是外源輸入和局地自然去除綜合作用的結(jié)果．

2.3 土壤對苯乙烯自然移除能力的時(shí)空變化

去除地上植物后,植物根際土壤自然移除苯乙烯的能力仍然表現(xiàn)為很強(qiáng)的自然吸收能力和顯著的空間差異性(圖3-b),具體表現(xiàn)為:生長季蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬和互花米草鹽沼對苯乙烯的自然移除能力分別為-3.3, -14.5, -9.2, -8.7 mg·m-2·d-1,分別是光灘的0.62, 2.71, 1.72, 1.63倍;非生長季蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬和互花米草鹽沼對苯乙烯的自然移除能力分別為-15.9, -3.7, -2.2, -2.5 mg·m-2·d-1,分別是光灘的3.9, 0.9, 0.5, 0.6倍(圖3-b)．去除高等植物地上生物量后,蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬和互花米草鹽沼對苯乙烯的去除能力仍然能夠保留原來的17.5%,69.4%,49.1%和68.1%．這進(jìn)一步表明,鹽沼土壤是鹽沼對苯乙烯自然去除的重要貢獻(xiàn)者,鹽沼土壤的時(shí)空變化也是鹽沼自然去除能力產(chǎn)生時(shí)空變異性的重要因素．與其他鹽沼相比,互花米草鹽沼生長季對苯乙烯的自然移除能力分別為蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬鹽沼和光灘的2.6, 0.6, 1.0和1.6倍,非生長季自然去除能力分別為蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬鹽沼和光灘的1.1, 2.0, 1.4和0.8倍(圖3-b).去除高等植物地上部分貢獻(xiàn)后,互花米草鹽沼的貢獻(xiàn)率卻明顯提高.這從另一個(gè)側(cè)面表明,互花米草的入侵并沒有起到增匯的作用．

2.4 地上生物量對苯乙烯自然移除能力的時(shí)空變化

高等植物地上部分去除后,鹽沼生態(tài)系統(tǒng)自然移除苯乙烯的能力在生長季顯著降低(圖3-a,b),由植物地上部分去除造成的自然移除能力差值具有顯著的時(shí)空差異性(圖3)．具體表現(xiàn)為:去除地上植物后,生長季蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬和互花米草鹽沼對苯乙烯的自然移除能力分別為-15.7, -6.4, -9.5, -4.1 mg·m-2·d-1,分別是去除前自然移除能力的82.5%, 30.6%, 50.9%和31.9%;非生長季蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬和互花米草鹽沼對苯乙烯的自然移除能力分別為-12.8, -2.0, -0.2, -0.9 mg·m-2·d-1,分別是去除前自然移除能力的80.4%, 54.4%, 7.1%和36.9%(圖3)．與其他鹽沼相比,互花米草鹽沼生長季對苯乙烯的自然移除能力分別為蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬鹽沼和光灘的26.0%, 64.0%, 42.9%和76.5%,非生長季自然去除能力分別為蘆葦、獐茅、鹽地堿蓬鹽沼和光灘的7.2%, 45.7%, 587.9%和22.3%(圖3-c).即使是在高等植物地上部分的直接影響上,互花米草的入侵對大氣中的外源苯乙烯也沒有起到增匯的作用．

3 結(jié)論與建議

研究區(qū)大氣中苯乙烯的濃度非常接近國家規(guī)定的廠界排放源排放的最大允許值,在海-陸變化梯度上,大氣中苯乙烯濃度呈現(xiàn)海陸兩側(cè)高和遠(yuǎn)離海陸中間低的空間變化趨勢,由此推斷,本區(qū)大氣中苯乙烯主要來源于沿?；瘜W(xué)和石化工業(yè)排放的橫向輸送以及外海苯乙烯的大氣、潮水和潮流的橫向輸送．

海岸帶鹽沼生態(tài)系統(tǒng)本身及其組成部分(鹽沼植物和土壤)對外源輸入的苯乙烯的自然移除是海岸帶大氣中苯乙烯的重要匯,海岸帶鹽沼對外源輸入的苯乙烯的自然移除能力具有顯著的季節(jié)和空間變化性,具有顯著的物種依賴性,鹽沼土壤對苯乙烯的自然吸收強(qiáng)度大于鹽沼植物,高等植物對苯乙烯自然移除能力可能與高等植物生物量、葉面蠟質(zhì)含量以及氣孔豐度有關(guān)．而土壤對苯乙烯的自然移除能力可能取決于土壤溫度、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量以及可溶性鹽總量．

互花米草的入侵并沒有增加海岸帶鹽沼對苯乙烯氣體的自然移除能力,沒有表現(xiàn)出明顯的增匯作用．

綜上所述,海岸帶鹽沼對外源輸入的苯乙烯具有重要的移除作用,對外源輸入的苯乙烯在鹽沼的歸趨具有重要的指示作用,可以用來解釋與之相關(guān)的揮發(fā)性有機(jī)氣體和惡臭氣體等污染物的源匯特點(diǎn)和分布.因此,在海岸帶管理和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中,應(yīng)該將鹽沼生態(tài)系統(tǒng)植物和土壤組分在自然移除苯乙烯污染物的能力作為重要的評估指標(biāo)．

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