黑龍江呼中自然保護(hù)區(qū)高山珊瑚枝假果柄不同部位的元素組成

吳園園,高 靜,趙潤康,陳慶芝,柳燕云,張佳林,劉曉迪,康志娟,劉愛琴*,劉華杰*

(1.河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,中國河北 保定 071002; 2.河北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心,中國河北 保定 071051)

大氣污染的地衣監(jiān)測(cè)(lichen biomonitoring)是指通過地衣體內(nèi)元素組成變異來評(píng)估大氣元素沉降程度及其時(shí)空格局并解析污染物的源匯關(guān)系,該方法的有效性和可靠性已獲大量研究證實(shí)[1～3]。地衣對(duì)大氣沉降元素具有較高的生物積累(bioaccumulation)能力,且其元素含量與環(huán)境元素有效性特別是大氣沉降之間也存在良好的正相關(guān)關(guān)系[1,3]。但是,地衣對(duì)某種元素的積累量,除與環(huán)境輸入有關(guān)外,還受以下因素的影響：地衣種類[4]、地衣體大小和年齡[5]、地衣的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)特征[6～7]以及地衣與基物的交互作用等[8～9]。

不同年齡的地衣體其大小、形態(tài)學(xué)和生理學(xué)特征不同,從而導(dǎo)致地衣體內(nèi)元素積累水平的變化。已有研究發(fā)現(xiàn)了元素積累水平隨地衣年齡增長而增高的直接證據(jù)：樹生枝狀地衣Evernia prunastri 的地衣體越大,其地衣體內(nèi)元素含量就越高[5]。地衣元素組成的年齡效應(yīng)(age effect)與元素種類有關(guān)：生理活性元素常從代謝活性較低的年老組織轉(zhuǎn)運(yùn)至生理活性更高的年輕組織[10],從而使其在后者中呈現(xiàn)更大的積累量[11～12];年老組織年齡更長,往往因暴露于環(huán)境輸入的時(shí)間更長而積累更高含量的生理代謝意義不大的元素[12～14]。

地衣年齡效應(yīng)在大氣元素沉降的地衣監(jiān)測(cè)中非常重要,因?yàn)椴煌课坏倪x擇會(huì)影響不同監(jiān)測(cè)研究之間的結(jié)果可比性。但是,此類研究較少,可大致分為兩類：1) 主要以殼狀或葉狀地衣為材料,關(guān)注礦質(zhì)元素沿地衣橫切面在不同組織(自皮層至髓層)中的分布格局,其目的是闡明元素吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制[15～17]; 2) 主要以樹生葉狀地衣為材料[2,11～14],關(guān)注化學(xué)元素組成的分布格局與地衣年齡的關(guān)系,但該關(guān)系在樹生枝狀地衣[12]和土生枝狀地衣[18]中所知甚少。我國大氣污染的地衣監(jiān)測(cè)研究所用物種多為石生和樹生葉狀地衣[19～21],并未涉及地衣元素組成的年齡效應(yīng)。

本研究以無污染生境中的土生枝狀地衣高山珊瑚枝(Stereocaulon alpinum)為材料,比較了高山珊瑚枝中 55 種化學(xué)元素(Ag、Al、As、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、P、Pb、Pr、Rb、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Yb 和 Zn)在次生地衣體假果柄的頂部、中部和基部的含量差異,以檢驗(yàn)以下假設(shè)：地衣體內(nèi)元素積累量與地衣體部位有關(guān),代謝意義重大的元素在頂部積累水平較高,代謝意義甚小的元素在地衣體基部積累水平最高。本研究是相關(guān)研究中檢測(cè)元素種類最多的研究之一,也是我國地衣元素組成在不同部位分布格局的首次研究。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

黑龍江呼中國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于大興安嶺腹地,屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均降水量497.7 mm,平均氣溫-4.4 ℃,為典型的中國北方寒溫帶針葉林生態(tài)系統(tǒng)。保護(hù)區(qū)內(nèi)無明顯的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和礦業(yè)活動(dòng),大氣污染水平低,地衣物種豐富。

2017年8 月8 日,在保護(hù)區(qū)內(nèi)的一個(gè)典型山地森林生態(tài)系統(tǒng)中采集樣品。采樣點(diǎn)(51°47＇03＇＇N,123°00＇48＇＇E)海拔 773 m,植被以落葉松 Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.,林下灌木杜香Ledum palustre L.、越桔 Vaccinium vitis-idaea L.、興安杜鵑 Rhododendron dauricum L.,以及東北榿木Alnus mandshurica (Callier ex C.K.Schneider) Handel-Mazzetti 為主。于面積約為 (100×100) m2的地上,隨機(jī)徒手采集高山珊瑚枝地衣體＞50 個(gè)。樣品置于密封的紙袋中,風(fēng)干后待測(cè)。由于生境異質(zhì)性會(huì)對(duì)地衣元素含量產(chǎn)生影響,為了盡可能減少這種影響,我們限制了采樣面積。事實(shí)上,歐洲聯(lián)合經(jīng)濟(jì)委員的《大氣污染對(duì)自然植被和農(nóng)作物影響的國際合作項(xiàng)目》(UNECE ICP Vegetation)規(guī)定了大氣污染的蘚類植物監(jiān)測(cè)法的若干原則,其中推薦蘚類樣品的采集面積應(yīng)限制在(50×50) m2內(nèi),并采集5～10 個(gè)子樣品混合成1 個(gè)綜合樣品[22]。這一采樣原則在地衣生物監(jiān)測(cè)中也有應(yīng)用,如在多個(gè)地點(diǎn)的比較中,每個(gè)地點(diǎn)的土生地衣Cladonia rangiformis 采樣面積為(50×50) m2[23],Cladonia stellaris的采樣面積為100 m2[24]。

高山珊瑚枝常見于灌木間地上,其初生地衣體極度退化,次生地衣體為枝狀的假果柄,一般高約5 cm。本研究之所以選擇該地衣,一方面是其分布較廣,對(duì)我國東北山地森林生態(tài)系統(tǒng)中的土生枝狀地衣的元素組成具有較強(qiáng)的代表性; 另一方面是該屬地衣曾用于環(huán)境元素污染監(jiān)測(cè)[25～26],其數(shù)據(jù)可供比較。

1.2 樣品處理與地衣元素分析

于解剖顯微鏡下,小心去除地衣表面雜物和可見土壤/巖屑顆粒物。選取高度約5 cm 的假果柄,隨機(jī)分為6 組,每組由4～5 個(gè)假果柄組成。每個(gè)假果柄用塑料刀片切分為頂部(0～1 cm)、中部(1～3 cm)和基部(3～5 cm)。將 18 個(gè)樣品(6 重復(fù)×3 部位)置于70 °C 烘箱中干燥72 h,用研磨儀(Retsch MM400; Retsch GmbH,Haan,Germany)研磨和混勻樣品,密封待測(cè)。

取 200～300 mg 樣品,用 HNO3-H2O2進(jìn)行微波消解。用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS;Agilent 7700X; Agilent Technologies,Tokyo,Japan)測(cè)試 55 種元素(Ag、Al、As、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、P、Pb、Pr、Rb、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Yb 和Zn)的含量。元素含量以μg/g 干重表示。測(cè)試中,用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IAEA-336 (地衣)、GBW10014(圓白菜)、GBW10015 (菠菜)和 GBW10052 (綠茶)進(jìn)行質(zhì)量控制。質(zhì)量控制結(jié)果表明,分析精度一般＜10%,測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值和/或建議值一致。樣品消解和元素測(cè)試于河北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

用Shapiro-Wilk test 檢驗(yàn)每個(gè)元素的含量數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布(α=0.05)。對(duì)含量數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的元素,以變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)表示數(shù)據(jù)的離散程度,即CV=SD/mean×100%,其中SD 為標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviation)。若數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布,則使用CV＇表示數(shù)據(jù)的離散程度。CV＇=(Q3-Q1)/(2×median)×100%,其中 Q3 為上四分位數(shù),Q1 為下四分位數(shù)。

用重復(fù)測(cè)量的單因素方差分析(repeated measures one-way analysis of variance)檢驗(yàn)每個(gè)元素的含量在地衣體不同部位之間的差異顯著性。分析中,用Levene’s 檢驗(yàn)確認(rèn)方差齊性。如果數(shù)據(jù)不能通過Mauchly’s 球形檢驗(yàn),則用 Greenhouse-Geisser 校正。采用Bonferroni 校正法進(jìn)行多重比較。所有統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 13.0 (IBM Corp,Armonk,NY,USA)中完成。

2 結(jié)果

2.1 元素含量和變異

部位混合數(shù)據(jù)(combined data of all parts)中55 種元素的含量統(tǒng)計(jì)值見表1,僅7 種元素(Ag、Cd、Cs、K、P、S 和 Zn)的含量為正態(tài)分布,8 種元素(Al、Mo、Nb、Rb、Se、Ti、Tl 和 Tm)的含量為對(duì)數(shù)正態(tài)分布,其他元素(40/55)的含量既非正態(tài)分布也非對(duì)數(shù)正態(tài)分布,故給出各元素含量的中值Med、最小值 Min 和最大值 Max。

圖1 顯示了高山珊瑚枝中55 種元素的含量變異。在部位混合數(shù)據(jù)中,高山珊瑚枝45% (25/55)的元素(Al、Ba、Be、Ce、Cr、Dy、Eu、Fe、Gd、Ge、Ho、La、Li、Lu、Nd、Pr、Sc、Si、Sm、Sn、Th、U、V、Y 和Yb)含量變異較大(CV＇：70%～102%),31% (17/55)的元素(As、B、Bi、Co、Er、Mg、Na、Nb、Ni、Pb、Rb、Sb、Sr、Tb、Ti、Tl 和 Tm)含量變異適中(41%～69%),13%(7/55)的元素(Ag、Ca、Cs、Hg、Mn、Mo 和 Se)含量變異較小(24%～39%),11% (6/55)的元素(Cd、Cu、K、P、S 和 Zn)含量變異極小(10%～20%)。當(dāng)將數(shù)據(jù)按部位分別統(tǒng)計(jì)時(shí),除中部的2 個(gè)元素(Dy 和U)之外,3 個(gè)部位的所有元素均呈正態(tài)分布; 絕大多數(shù)元素的含量變異很小(CV＜25%),遠(yuǎn)低于部位混合數(shù)據(jù)的變異。

表1 高山珊瑚枝的元素含量Table 1 Element concentrations in S.alpinum /(μg·g-1)

圖1 高山珊瑚枝中55 種元素含量的變異分析(a) 部位混合數(shù)據(jù)(n=18); (b) 各部位數(shù)據(jù),其中各元素的3個(gè)條形從上至下分別代表頂部、中部和基部的CV (n=6)。Fig.1 Concentration variations of 55 elements in S.alpinum(a) Combined data of all parts (n=18); (b) Data of each part,and the three bars from top to bottom for each element denote CVs of the apical,middle and base parts(n=6),respectively.

2.2 重復(fù)測(cè)量的單因素方差分析

圖2 給出了高山珊瑚枝中55 種元素在3 個(gè)部位的含量差異的分析結(jié)果。該結(jié)果表明,47 種元素(Al、As、B、Ba、Be、Bi、Ce、Co、Cr、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、Pb、Pr、Rb、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y 和 Yb)的含量在基部最高,在頂部和中部的差異通常不大,基部元素含量一般為頂部和中部的2～3 倍。Cd 和Cs 在頂部的含量低于基部。另外,Ag、Cu 和Zn 3 種元素的含量在中部較低,Ca、P 和S 3 種元素的含量在3 個(gè)部位之間差異不顯著。

3 討論

3.1 大氣沉降程度

本研究數(shù)據(jù)(表1)與相關(guān)研究的比較結(jié)果表明研究區(qū)域的大氣元素沉降水平較低。高山珊瑚枝頂部的元素含量低于相關(guān)研究中地衣元素含量的“背景值”或者“基線值”或在其變化范圍內(nèi)。與土耳其的土生枝狀地衣C.rangiformis 的元素含量平均值[23]相比,本研究的頂部元素含量較低,如Cd (本研究 0.053 μg/g vs.土耳其 0.313 μg/g)、Cr(1.280 vs.5.513)、Cu (2.266 vs.3.091)、Pb (1.944 vs.6.947)、Zn (17.68 vs.30.47)。與喜馬拉雅山區(qū)域的多種地衣的元素含量平均值[27～28]相比,本研究中頂部的多種元素的含量較低,如As (本研究0.430 vs.喜馬拉雅 0.575)、Cd (0.053 vs.0.067)、Ce (1.761 vs.3.553)、Co (0.336 vs.0.736)、Cr (1.280 vs.2.927)、Cs (0.501 vs.0.971)、Cu (2.266 vs.6.856)、Fe (852.9 vs.1 347)、K (3 174 vs.4 561)、La (0.921 vs.1.587)、Mg (372.8 vs.2 636)、Pb(1.944 vs.14.49)、Rb (5.660 vs.14.13)、Sb (0.040 vs.1.240)、Sc (0.204 vs.0.492)、Se (0.154 vs.0.442)、Sm (0.131 vs.0.353)、Th (0.452 vs.0.813)、U (0.089 vs.0.780)、V (2.036 vs.2.253)和Zn (17.68 vs.35.77)。與北極地區(qū)的多種地衣的元素含量平均值[29]相比,本研究中頂部的元素含量也較低,如As (本研究0.430 μg/g vs.北極地區(qū)0.620 μg/g)、Cd(0.053 vs.0.298)、Co(0.336 vs.1.150)、Cr (1.280 vs.4.761)、Cs (0.501 vs.7.051)、Cu (2.266 vs.7.536)、Ni (0.719 vs.3.563)、Pb(1.944 vs.16.29)、Zn (17.68 vs.47.51)。此外,本研究的頂部元素含量也低于意大利偏遠(yuǎn)地區(qū)的樹生枝狀地衣(Pseudevernia furfuracea、E.prunastri、Usnea gr.hirta)[30～34]、加拿大北部偏遠(yuǎn)地區(qū)的多種地衣[35]、西西伯利亞北部偏遠(yuǎn)地區(qū)的C.stellaris 和C.rangiformis[24]的研究結(jié)果。

與頂部元素含量的比較結(jié)果不同,高山珊瑚枝基部的元素含量一般高于上述文獻(xiàn)中的“背景值”或“基線值”或在其高數(shù)值范圍內(nèi); 但除部分元素(Al、As、Cr、Fe、Mn、Ti 和 V)之外,多數(shù)元素的含量低于“污染區(qū)”的相關(guān)數(shù)據(jù)。例如：與日本礦區(qū) Stereocaulon exutum 的元素含量[25]相比,本研究的基部元素含量較低,其中Zn、Cu、Pb 在本研究高山珊瑚枝基部的含量依次為25.11 μg/g、3.316 μg/g 和 6.091 μg/g,而在日本礦區(qū) S.exutum 中的含量依次為 33.60 μg/g、6.510 μg/g 和12.00 μg/g。進(jìn)一步將本文的檢測(cè)數(shù)據(jù)與意大利污染區(qū)[31,33,36]的元素含量數(shù)據(jù)比較,也得出相同的結(jié)果,如 Cd(本研究 0.055 μg/g vs.意大利 0.120 μg/g)、Cr (4.349 vs.8.700)、Cu (3.316 vs.9.400)、Ni (2.291 vs.3.500)、Pb(6.091 vs.9.700)、Sb(0.133 vs.0.440)、Zn (25.11 vs.52.90)。此外,本研究的基部元素含量也普遍低于法國[37～38]、土耳其[23]和我國燕山-太行山區(qū)[19～21]的報(bào)道結(jié)果。

圖2 高山珊瑚枝元素含量的垂直格局不同大寫字母表示特定元素的含量在不同部位之間差異顯著(P＜0.05; 重復(fù)測(cè)量的單因素方差分析; Bonferroni 校正;n=18)。實(shí)線表示頂部/基部的比率,點(diǎn)線表示中部/基部的比率,斷線表示基部/基部的比率。Fig.2 Vertical distribution patterns of concentrations for 55 elements in S.alpinumDifferent capital letters indicate significant concentration differences among 3 parts for an element (P＜0.05; repeated measures one-way ANOVA; Bonferroni correction; n=18).The solid line denotes concentration ratios of apical/base parts,the dotted one denotes concentration ratios of middle/base parts and the broken one denotes concentration ratios of base/base parts.

3.2 垂直分布格局

表1 和圖1 的數(shù)據(jù)清晰地表明各元素含量的變異程度在部位混合數(shù)據(jù)中高于各部位數(shù)據(jù),提示元素含量在部位之間具有較大差異。而且,重復(fù)測(cè)量的單因素方差分析結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)：52 種元素的含量在部位之間具有顯著差異(圖 2)。

在含量及變異均具有部位差異的Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、Pb、Pr、Rb、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y 和 Yb 49 種元素中,絕大多數(shù)元素在地衣生理代謝上意義不大,如 Al、As、Cr、Fe、Pb、Si、Ti 和16 種稀土元素。它們的含量在基部一般是頂部和中部的2～3 倍(圖2)。需要注意的是,在這些元素中,雖然絕大多數(shù)元素的含量變異在3個(gè)部位中一般較小(CV＜25%;圖1),但中部多數(shù)元素含量的變異幅度明顯高于其他部位,這表明地衣體中部可能不太適合大氣元素沉降的地衣監(jiān)測(cè)法研究。

此外,49 種元素含量的年齡效應(yīng)與以往相關(guān)研究的結(jié)果相似。Cladonia arbuscula 地衣的果柄中,Fe 和Pb 在基部的含量較高[39]。葉狀地衣中,大部分元素的積累量在年老部位高于年輕部位[12～14]。樹生葉狀地衣Flavoparmelia caperata年老部位的Al、Br、Cl 和 V 含量比年輕部位更高[12]。這些研究將元素含量的這種部位格局歸因于：1) 人類活動(dòng)源元素在地衣體內(nèi)積累量隨暴露時(shí)間延長而增高; 2)年老部位的離子交換能力較強(qiáng),具有更強(qiáng)的元素持留能力[11]。

除上述 49 種元素外,Ag、Cu 和 Zn 3 種元素的含量在中部最低,Ca、P 和S 3 種元素的含量在3 個(gè)部位之間差異不顯著。而在這6 種元素中,除Ag 之外,其余均為地衣生長所必需的營養(yǎng)元素。以上信息表明地衣體內(nèi)的營養(yǎng)元素存在向生長旺盛的頂端轉(zhuǎn)運(yùn)的行為。這種格局與其他研究基本一致。比如：在C.arbuscula 地衣的果柄中,營養(yǎng)元素 Zn、N、P、K 和 Mg 在頂部的含量較高[39]; 在F.caperata 和 E.prunastri 中,K 和 Mg 在年輕部位的積累量更高[12]; 在Physcia biziana 中,K 和Mg含量在部位之間無明顯差異[11]。這些研究均將這種垂直格局歸因于營養(yǎng)元素在地衣體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)行為。

元素的垂直分布格局不應(yīng)歸因于局域生境條件的變化和地衣個(gè)體之間的變異,因?yàn)楸狙芯坎捎玫男∶娣e隨機(jī)采樣方法已將局域內(nèi)部變異控制至較低水平：大部分元素的變異系數(shù)在3 個(gè)部位均＜25%(表1)。其實(shí),無論地衣體內(nèi)的元素呈何種分布格局,在地衣樣品處理中均需重視取樣部位的選擇,而較早期的研究對(duì)此問題常重視不夠[40]。雖然有的研究認(rèn)為年輕部位的結(jié)果與全地衣體相比會(huì)低估元素含量[41],但近期的研究多數(shù)以年輕組織為材料[6,31]。本文結(jié)果表明,高山珊瑚枝中的元素含量及其變異存在部位差異,元素含量在各部位間的變異幅度小,遠(yuǎn)小于部位混合數(shù)據(jù)的變異。因此,在大氣元素沉降的地衣監(jiān)測(cè)中需選擇相同的地衣體部位以降低地衣年齡的影響。

4 結(jié)論

高山珊瑚枝S.alpinum 假果柄不同部位的55 種元素組成結(jié)果表明,研究區(qū)域?qū)俅髿庠氐统两祬^(qū),元素組成在地衣體不同部位間存在差異。地衣基部與頂部和中部相比,積累了更多的代謝意義較小的元素,反映了元素的積累量隨暴露時(shí)間延長而增高的趨勢(shì)。部分營養(yǎng)元素在部位間差異不大或在中部最低,是營養(yǎng)元素向生長旺盛的頂端轉(zhuǎn)運(yùn)的行為反映。