天津市常見針葉樹吸滯重金屬及硫能力分析

李少寧，魯紹偉*，丁 杰，魯少波，陳 波，石 媛

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所，北京 100093；2.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100093；3.北京燕山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，北京 100093；4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；5.河北省林業(yè)廳，河北 石家莊 050081)

【研究意義】中國城市隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快已經(jīng)遭受到了鮮見的重金屬污染[1]，空氣污染也受到了越來越多人的關(guān)注。大氣污染源主要來自于城市工業(yè)計(jì)劃，車輛交通，家庭取暖等，它們的所產(chǎn)生的污染物主要由三部分構(gòu)成，分別為粉塵、有機(jī)污染物、無機(jī)污染物以及重金屬[2]。作為傳統(tǒng)的工業(yè)城市，天津市重金屬的外源輸入速率隨著城市化進(jìn)程的加快而加重，據(jù)天津市環(huán)保統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)分析，天津市2007年煙塵排放總量為7.38萬噸，其中工業(yè)排放量為6.27萬噸，工業(yè)粉塵排放量為0.94萬噸，在1999-2007年間，天津市的煙塵及工業(yè)粉塵排放量雖然從總體上看屬于下降趨勢，但是其排放量缺一直屬于較高水平[3]。甚至在2013年11月，天津南疆港區(qū)一散貨場的TSP指數(shù)已經(jīng)超過了二級標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)滿足不了區(qū)域功能的要求[4]，城市降塵已經(jīng)成為了天津市重金屬污染的主要原因之一，煙塵的大量排放，不僅影響了天津市民的日常生活，更影響了港口城市的對外形象，尋求治理重金屬及硫化污染物等污染物的方法已經(jīng)迫在眉睫?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植物對一定濃度范圍內(nèi)的污染物，不僅具有一定的抵抗力，而且還具有一定的調(diào)節(jié)能力。在污染的環(huán)境下，許多植物經(jīng)過了一段時間的適應(yīng)后，已經(jīng)初步具備了抵抗和吸收凈化的能力，最典型的就是相關(guān)植物可以吸收大氣中的SO2、Cl2、HF以及重金屬等污染物[5]，治理重金屬污染具有極其重要的意義[6-10]。蔣高明[11]發(fā)現(xiàn)了油松針葉中的硫元素含量與大氣污染物中的硫元素含量具有顯著的相關(guān)性，張穎[12]等人更是證實(shí)了植物對大氣污染物中的硫、氟、氯等具有一定的吸收能力?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以上研究分別在宏觀上發(fā)現(xiàn)了植物富集重金屬的能力和重金屬污染物對植物的危害，缺乏對不同污染條件下植物吸滯重金屬污染物和硫的能力的定量對比和樹種的研究篩選?！緮M解決的關(guān)鍵問題】篩選出不同污染條件下對重金屬及S吸滯較強(qiáng)的樹種，為天津城市生態(tài)文明建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究地概況

本研究地點(diǎn)選擇在天津昆侖橋(市中心)、水上公園(近郊公園)、楊柳青莊園(近郊園林區(qū))和薊縣盤山風(fēng)景區(qū)(遠(yuǎn)郊山區(qū))，分別代表重金屬和S污染由重及輕的污染程度變化，各取樣點(diǎn)分布如圖1所示。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樹種選擇

依據(jù)對天津市常見綠化樹種的統(tǒng)計(jì)資料和野外調(diào)查結(jié)果，此次研究主要選擇了長勢中等，樹種年齡為10年左右的3個針葉樹種。他們分別是龍柏，檜柏和雪松。

2.2 樣品采集

分別在2016年5月16日、7月27日、9月24日、11月14日采集葉片，依次代表春、夏秋、冬四個季節(jié)，為了使實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的代表性，在每個季節(jié)時期每個樹種選取長勢良好，樹齡相近的3顆樣樹，并且分別取其東、西、南、北方向上、中、下3個層次各50個葉片，將其保存好以用于實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of sampling points

2.3 樣品處理

進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測定，將用于實(shí)驗(yàn)研究的葉片均勻混合后取樣，葉片用離子水清洗、晾干，之后在105 ℃條件下殺青，65 ℃條件下烘干至恒重、粉碎，過100目篩，備用。精密稱取2 g樣品加水50 mL，震蕩1 h、過濾、離心。取上清液1 mL稀釋10倍，過0.45 μm濾膜選樣分析。

2.4 樣品測定

Cd、As、Cu、Pb、Cr幾種元素含量測定，稱取0.5 g樣品，用16 mL HNO3+4MIHCLO4消融，使用ICP-OES等離子發(fā)射光譜法;S的測定，使用Elementa Vario EL CHNOS元素分析儀測定 。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地點(diǎn)檜柏吸滯能力分析

3.1.1 吸滯As能力分析 由圖2A可見，葉片中As含量全年平均值排序是：楊柳青莊園(141.96 mg/kg)>薊縣(141.49 mg/kg)>水上公園(130.49 mg/kg)>昆侖橋(112.90 mg/kg)，含量最高的楊柳青莊園(遠(yuǎn)郊園林區(qū))是含量最低的昆侖橋(市區(qū))的1.26倍。檜柏葉片中As含量在昆侖橋和楊柳青莊園是春季最低，冬季最高；在水上公園是夏季最高，秋季最低；在薊縣是秋季最高，春季最低。

3.1.2 吸滯Cd能力分析 由圖2B分析表明，葉片中Cd含量全年平均值排序是：水上公園(2.12 mg/kg)>楊柳青莊園(1.24 mg/kg)>薊縣(0.60 mg/kg)>昆侖橋(0.24 mg/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的昆侖橋的8.83倍。檜柏葉片中Cd含量在4個地點(diǎn)均是春季最高，在水上公園和昆侖橋秋季最低，在楊柳青莊園和薊縣夏季最低。

3.1.3 吸滯Cr能力分析 葉片中Cr含量全年平均值排序是：水上公園(23.88 mg/kg)>楊柳青莊園(14.90 mg/kg)>薊縣(12.58 mg/kg)>昆侖橋(11.32 mg/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的昆侖橋的2.11倍(圖2C)。檜柏葉片中Cr含量在昆侖橋冬季最高，春季最低；在水上公園和薊縣春季最高，秋季最低。全年平均值水上公園含量最高。

3.1.4 吸滯Cu能力分析 由圖2D可見，葉片中Cu含量全年平均值排序是：水上公園(35.31 mg/kg)>昆侖橋(25.10 mg/kg)>薊縣(24.14 mg/kg)>楊柳青莊園(23.06 mg/kg),含量最高的水上公園(近郊)是含量最低的楊柳青莊園(遠(yuǎn)郊)的1.53倍。不同地點(diǎn)檜柏葉片中Cu含量基本是夏季最高(除水上公園外)，春季最低。

圖2 不同地點(diǎn)檜柏葉片吸滯重金屬及S含量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of leaves absorption heavy metals and S content for Sabina chinensis in different sites

3.1.5 吸滯Pb能力分析 由圖2E可知，葉片中Pb含量全年平均值排序是：昆侖橋(39.55 mg/kg)>水上公園(38.06 mg/kg)>薊縣(37.51 mg/kg)>楊柳青莊園(35.85 mg/kg)。檜柏葉片中Pb含量在四個地點(diǎn)都是冬季最高，夏季最低。不同地點(diǎn)之間差異性不顯著，市區(qū)高于遠(yuǎn)郊，不同季節(jié)之間存在顯著性差異。

3.1.6 吸滯S能力分析 葉片中S含量全年平均值排序是：水上公園(2.15 g/kg)>楊柳青莊園(1.83 g/kg)>薊縣(1.53 g/kg)>昆侖橋(1.43 g/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的昆侖橋的1.41倍(圖2F)。季節(jié)不同，各地點(diǎn)檜柏葉片中S含量變化趨勢相一致，季節(jié)差異性不大。

3.2 不同地點(diǎn)龍柏吸滯能力分析

3.2.1 吸滯As能力分析 由圖3A可見，葉片中As含量全年平均值排序是：水上公園(154.96 mg/kg)>楊柳青莊園(133.51 mg/kg)>昆侖橋(126.35 mg/kg)>薊縣(105.72 mg/kg)，含量最高的水上公園(近郊)是含量最低的薊縣(遠(yuǎn)郊)的1.47倍。4個地點(diǎn)龍柏葉片中As含量隨著季節(jié)變化均呈現(xiàn)不同的變化趨勢，夏季的含量高于春季，不同地點(diǎn)之間變化不大。

3.2.2 吸滯Cd能力分析 葉片中Cd含量全年平均值排序與檜柏相一致，為：水上公園(1.56 mg/kg)>薊縣(0.45 mg/kg)>楊柳青莊園(0.43 mg/kg)>昆侖橋(0.28 mg/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的昆侖橋的5.57倍(圖3B)。各地區(qū)龍柏葉片中Cd含量變化趨勢相同，均是在春季最高，之后下降，秋季再升高，然后再下降。

3.2.3 吸滯Cr能力分析 由圖3C可見，葉片中Cr含量全年平均值排序是：水上公園(18.78 mg/kg)>昆侖橋(11.31 mg/kg)>楊柳青莊園(8.39 mg/kg)>薊縣(8.11 mg/kg)，含量最高的水上公園(近郊)是含量最低的薊縣(遠(yuǎn)郊)的2.32倍，其排序與Cr的排序相近。龍柏葉片中Cr含量在昆侖橋(市區(qū))和水上公園(近郊)均是冬季達(dá)到最高值，在楊柳青莊園和薊縣(遠(yuǎn)郊)均為春季時最高。

3.2.4 吸滯Cu能力分析 經(jīng)圖3D分析，葉片中Cu含量全年平均值排序是：昆侖橋(28.46 mg/kg)>薊縣(22.77 mg/kg)>水上公園(15.91 mg/kg)>楊柳青莊園(13.68 mg/kg)，含量最高的昆侖橋(市區(qū))是含量最低的楊柳青莊園(遠(yuǎn)郊)的2.08倍。隨季節(jié)變化，不同地點(diǎn)龍柏葉片中Cu含量季節(jié)變化不穩(wěn)定。

3.2.5 吸滯Pb能力分析 由圖3E可見，葉片中Pb含量全年平均值排序是：楊柳青莊園(53.64 mg/kg)>薊縣(48.78 mg/kg)>水上公園(37.63 mg/kg)>昆侖橋(21.33 mg/kg)。含量最高的楊柳青莊園是含量最低的昆侖橋的2.51倍。其排序與Cu含量排序正相反。除昆侖橋外，其他地點(diǎn)龍柏葉片中Pb含量差異性不大，季節(jié)之間差異性顯著。

3.2.6 吸滯S能力分析 葉片中Pb含量全年平均值排序是：水上公園(1.71 g/kg)>楊柳青莊園(1.43 g/kg)>昆侖橋(1.40 g/kg)>薊縣(1.23 g/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的薊縣(遠(yuǎn)郊)的1.39倍(圖3F)。

3.2.7 綜合分析 由以上分析可知，不同地點(diǎn)龍柏林木葉片吸滯污染元素綜合排序?yàn)椋篠>As>Pb>Cu>Cr>Cd。在不同地點(diǎn)龍柏吸滯能力在不同地點(diǎn)差異顯著，大致為水上公園—昆侖橋—楊柳青莊園—薊縣逐漸顯著減弱，每種元素含量的最高值與最低值相差在1～5倍左右，排序基本為：Cd>Pb> Cr> Cu>As>S(表1)，其中龍柏對Cd的吸滯能力相差最大，為5.57倍。

表1 不同地點(diǎn)龍柏林木葉片吸滯能力排序匯總

圖3 不同地點(diǎn)龍柏葉片吸滯重金屬及S含量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of leaves absorption heavy metals and S content for Juniperus chinensis in different sites

3.3 不同地點(diǎn)雪松吸滯能力分析

3.3.1 吸滯As能力分析 由圖4A可見，葉片中As含量全年平均值排序是：水上公園(171.20 mg/kg)>楊柳青莊園(156.22 mg/kg)>昆侖橋(103.22 mg/kg)>薊縣(76.57 mg/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的薊縣(遠(yuǎn)郊)的2.24倍。雪松葉片中As含量在昆侖橋、楊柳青莊園和薊縣都是秋季最高。

3.3.2 吸滯Cd能力分析 葉片中Cd含量全年平均值排序是：水上公園(1.22 mg/kg)>薊縣(0.88 mg/kg)>楊柳青莊園(0.43 mg/kg)>昆侖橋(0.26 mg/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的昆侖橋的4.69倍(圖4B)。雪松葉片中Cd含量在水上公園和昆侖橋的變化趨勢一致，為先降低，在冬季突然升高。楊柳青莊園和薊縣的變化趨勢一致，為春季最高，夏季最低，再逐漸升高。

3.3.3 吸滯Cr能力分析 由圖4C可見，葉片中Cr含量全年平均值排序是：水上公園(18.88 mg/kg)>昆侖橋(17.69 mg/kg)>薊縣(17.28 mg/kg)>楊柳青莊園(8.83 mg/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的楊柳青莊園(遠(yuǎn)郊)的2.14倍。雪松葉片中Cr含量在昆侖橋、水上公園和薊縣均為冬季最高，秋季最低。全年平均值水上公園含量最高。

3.3.4 吸滯Cu能力分析 經(jīng)圖4D分析表明，葉片中Cu含量全年平均值排序是：水上公園(18.88 mg/kg)>昆侖橋(17.69 mg/kg)>薊縣(17.28 mg/kg)>楊柳青莊園(8.83 mg/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的楊柳青莊園(遠(yuǎn)郊)的1.53倍，其排序與Cr含量排序相一致。不同地點(diǎn)雪松葉片中Cu含量基本是夏季最高，春季最低，只有在楊柳青莊園是逐漸升高的。

3.3.5 吸滯Pb能力分析 由圖4E可見，葉片中Pb含量全年平均值排序是：楊柳青莊園(55.28 mg/kg)>昆侖橋(44.96 mg/kg)>水上公園(41.06 mg/kg)>薊縣(39.93 mg/kg)，含量最高的楊柳青莊園是含量最低的薊縣的1.38倍。雪松葉片中Pb含量在昆侖橋、水上公園、楊柳青莊園和薊縣都是冬季最高，次高值是秋季(水上公園除外)。

3.3.6 吸滯S能力分析 葉片中S含量全年平均值排序是：水上公園(2.03 g/kg)>昆侖橋(1.85 g/kg)>楊柳青莊園(1.77 g/kg)>薊縣(1.46 g/kg)，含量最高的水上公園是含量最低的薊縣的1.39倍(圖4F)。在不同季節(jié)，雪松葉片中S含量隨地點(diǎn)變化趨勢相一致，從近郊到遠(yuǎn)郊逐漸下降，薊縣含量最低。

圖4 不同地點(diǎn)雪松葉片吸滯重金屬及S量動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of leaves absorption heavy metals and S content for Pins cedrus in different sites

4 討 論

4.1 不同地點(diǎn)檜柏吸滯能力

由以上分析可知，不同地點(diǎn)檜柏林木葉片吸滯污染元素綜合排序?yàn)椋篠>As>Pb>Cu>Cr>Cd。在不同地點(diǎn)檜柏吸滯能力相差顯著，與污染程度密切相關(guān)，從遠(yuǎn)郊—近郊—市區(qū)逐漸顯著增強(qiáng)，每種元素含量的最高值與最低值相差在1～2倍左右(Cd除外)，排序基本為：Cd>Cr>Cu>S>As>Pb。其中對Cd的吸滯能力相差最大，水上公園中人流密集區(qū)的檜柏吸滯各種元素的能力最強(qiáng)。

4.2 不同地點(diǎn)龍柏吸滯能力

由以上分析可知，不同地點(diǎn)龍柏林木葉片吸滯污染元素綜合排序?yàn)椋篠>As>Pb>Cu>Cr>Cd。在不同地點(diǎn)龍柏吸滯能力在不同地點(diǎn)差異顯著，大致為水上公園—昆侖橋—楊柳青莊園—薊縣逐漸顯著減弱，每種元素含量的最高值與最低值相差在1～5倍左右，排序基本為：Cd>Pb> Cr> Cu>As>S，其中龍柏對Cd的吸滯能力相差最大，為5.57倍。

4.3 不同地點(diǎn)雪松吸滯能力

由以上分析可知，不同地點(diǎn)雪松林木葉片吸滯污染元素綜合排序?yàn)椋篠> As> Pb>Cu>Cr>Cd。在不同地點(diǎn)雪松吸滯能力相差顯著，與污染程度密切相關(guān)，從遠(yuǎn)郊—近郊逐漸顯著增強(qiáng)，每種元素含量的最高值與最低值相差在1～5倍左右，排序基本為：Cd>As> Cr> Cu>S>Pb。其中對Cd的吸滯能力相差最大，水上公園的雪松吸滯各種元素的能力最強(qiáng)。

5 結(jié) 論

不同地點(diǎn)相同樹木葉片中吸滯重金屬和S的能力差異較小，但季節(jié)差異性較大。各元素在樹木體內(nèi)隨著時間的推移不斷積累，檜柏中的As和Pb元素在冬季達(dá)到最高值，Cd元素則是春季最高，夏季和秋季不斷減少，所有樹種的Cu元素些在夏季具有最高值。

不同地點(diǎn)檜柏吸滯能力由遠(yuǎn)郊-近郊-市區(qū)逐漸顯著增強(qiáng)，不同地點(diǎn)龍柏吸滯能力為近郊-市區(qū)-遠(yuǎn)郊風(fēng)景區(qū)-遠(yuǎn)郊園林區(qū)逐漸減弱，不同地點(diǎn)雪松從遠(yuǎn)郊-近郊逐漸顯著增強(qiáng)。不同地點(diǎn)相同樹種的變化規(guī)律并不完全相同，不同林木葉片中吸滯各元素量的總體排序基本一致。大多為：S> As> Pb>Cu>Cr>Cd。

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