惠州綠化喬木葉片及其葉面降塵對大氣SO2污染的生物監(jiān)測

1、惠州綠化喬木葉片及其葉面降塵對大氣SO2污染的生物監(jiān)測邱 媛1，管東生1 *，陳 華1，李小燕1，黃 輝2，朱永中2，曾艷芳2，葉新廣21. 中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510275；2. 廣東省惠州市環(huán)境保護監(jiān)測站，廣東 惠州 516000摘要：采用常規(guī)采樣及堿片掛片法同步監(jiān)測廣東省惠州市大氣SO2體積分數(shù)，用ICP-AES測定了惠州市不同功能區(qū)的2種主要綠化樹種大葉榕（Ficus virens Ait var. sublanceolata (Miq.) Corner）、紫荊(Bauhinia blakeana )葉片及其葉面降塵的硫質(zhì)量分

2、數(shù)。結(jié)果表明，不同功能區(qū)植物葉片和降塵的硫質(zhì)量分數(shù)差異顯著，其綜合污染指數(shù)(PI)以商業(yè)交通區(qū)、工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、清潔區(qū)的趨勢遞減。葉片中硫的質(zhì)量分數(shù)隨春、夏、秋季而增長，季節(jié)差異顯著。植物葉片、降塵中硫質(zhì)量分數(shù)隨交通流量的減少而降低。葉片和葉面降塵中硫的質(zhì)量分數(shù)與大氣硫酸鹽化速率三者顯著相關(guān)，大葉榕和紫荊與降塵協(xié)同生物監(jiān)測大氣SO2的二元數(shù)學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)分別為R = 0.995和R = 0.990，明顯優(yōu)于植物與硫酸鹽化速率監(jiān)測SO2的常規(guī)一元數(shù)學(xué)模型。表明大葉榕、紫荊葉片及其葉面降塵均可作為城市區(qū)域大氣SO2污染的有效指示劑，葉片的長期效益和季節(jié)效益顯著，降塵則短期效益顯著；兩者協(xié)同監(jiān)測，

3、可靠性和靈敏度更高，應(yīng)用前景廣闊，可為地方和區(qū)域環(huán)境監(jiān)測和評價提供參考。關(guān)鍵詞：葉片；葉面降塵；硫質(zhì)量分數(shù)；植物監(jiān)測中圖分類號：X173 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2007）02-0317-06植物組織可吸收富集S等多種污染元素，反應(yīng)排放源附近元素的輸入特征及污染水平1-2。利用植物器官的生物監(jiān)測作為一種經(jīng)濟可靠的常規(guī)監(jiān)測補充手段，已被國內(nèi)外廣泛運用3-6。許多學(xué)者對分布在冶煉廠等污染源附近的苔蘚、地衣、蕨類等敏感種，及城市常見行道樹的樹皮、樹葉、枝條等的監(jiān)測作用都做了大量報道7-10。常規(guī)自動監(jiān)測SO2因造價昂貴，難以普及；堿片掛片靜態(tài)法測定硫酸鹽化速率，因設(shè)備簡單，投入

4、少，不受氣象條件限制，而被推廣應(yīng)用。然而多數(shù)研究集中在植物體本身吸收凈化能力和大氣SO2等的相關(guān)關(guān)系，缺乏與實際大氣污染同步監(jiān)測的相互驗證，其準確性及相關(guān)性仍存有爭議11。另一方面對植物葉面降塵、植物、大氣SO2三者硫質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)關(guān)系，及植物和植物葉面降塵的協(xié)同生物監(jiān)測作用較少報道。植物葉面降塵由于對大風(fēng)大雨等氣象條件的敏感性，可作為區(qū)域污染的短期監(jiān)測指示劑，植物葉片依其生命周期，可作為較長期的污染指示劑。本研究以經(jīng)濟快速發(fā)展的惠州為例，選擇了亞熱帶地區(qū)常見的綠化喬木，運用堿片掛片野外同步監(jiān)測，分析了植物葉片、葉面降塵的對S富集作用和硫酸鹽化速率，建立了三者關(guān)系的生物監(jiān)測模型，探討了城市植被

5、葉片、葉面降塵的含硫特征及與大氣SO2相互關(guān)系；為大氣SO2與降塵污染的植物監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。1 材料與方法1.1 研究區(qū)概況惠州市位于東經(jīng)1134911525，北緯22332857之間，廣東省東南部，珠江三角洲東北端，與深圳、香港毗鄰。境內(nèi)屬南亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，年平均降雨量1 700 mm，年日照總數(shù)2000 h，年平均氣溫為22 ，全年無霜期達350 d左右。1.2 樣品采集（1）采樣點(9個)。根據(jù)分層隨機抽樣調(diào)查法，按土地利用性質(zhì)對惠州市進行功能分區(qū)布點采樣。分別為工業(yè)區(qū)（IA）3個（壽華科技園、古塘坳工業(yè)園、惠城熱電廠）；商業(yè)交通區(qū)（CTA）3個（東平廣汕路段、環(huán)城西二路、下角中

6、路），居民區(qū)（RA）2個（東湖花園四區(qū)、紫荊苑），清潔對照區(qū)（CA）1個（體育公園），見圖1。（2）采樣樹種（2種）。大葉榕（Ficus virens Ait var. sublanceolata (Miq.) Corner）、紫荊( Bauhinia blakeana )是惠州市較常見的綠化樹種。對惠州市內(nèi)30條主要街道、3個公園、5處公共綠地、5個居住區(qū)的綠化樹種進行調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)果表明：大葉榕、紫荊兩種喬木占全市綠化樹種的24.6%，故選取這二類較有代表性樹種作為供試樹種。圖1 惠州市植物葉片與降塵采樣點示意圖Fig. 1 Sketch map of Sampling sites in H

7、uiZhou（3）采樣方法。葉片采樣：2005年7月、10月及2006年4月進行采樣。植物體采用梅花型布點，每樹種約采集同一高度的成熟健康葉片500 g，樣品經(jīng)純凈水清洗，收集洗凈葉片。降塵采樣：2005年10月，雨后（降雨量15 mm ）每隔4 d，共進行5次采樣，每樹種約采集同一高度的成熟健康葉片500 g，樣品經(jīng)純凈水清洗，用微孔濾膜（f = 0.45 m）抽濾收集降塵，并收集洗凈葉片。（4）同時于2005年9月10月和2006年3月4月在工業(yè)區(qū)（壽華科技園、古塘坳工業(yè)園、惠城熱電廠），居民區(qū)（東湖花園四區(qū)、紫荊苑），清潔對照區(qū)（體育公園）進行堿片掛片測定硫酸鹽化速率，堿片離地高度5 m

8、。（5）調(diào)查各主干道的交通流量。1.3 樣品測定（1）清洗干凈所采集植物葉樣品，于烘箱內(nèi)70 烘干至恒質(zhì)量，粉碎過60目篩，稱取0.5 g，用HNO3-HClO4法消解。（2）所收集降塵樣品于烘箱70 烘干至恒質(zhì)量，樣品過60目篩，稱取0.5 g，用HNO3-HClO4法消解，與植物葉片一道用ICP-AES（IRIS Advantage(HR)（美國）Thermo Jarrell Ash Corporation），在波長180.731 nm測定硫質(zhì)量分數(shù)，所測結(jié)果均為干質(zhì)量。 （3）堿片掛片采用質(zhì)量法測定硫酸鹽化速率12。測定結(jié)果以100 cm2堿片上含SO3質(zhì)量表示，為計算方便，轉(zhuǎn)化為gcm

9、-2d-1。2 結(jié)果與分析2.1 大葉榕與紫荊葉片S 質(zhì)量分數(shù)表1 大葉榕和紫荊葉片S 質(zhì)量分數(shù)Table 1 Sulfur content in leaves of F. virens Ait var. sublanceolata (Miq.) Corner and B. blakeana mgg-1功能區(qū)采樣點大葉榕紫荊4月7月10月4月7月10月CTA平均值2.56*3.04*3.66*2.18*2.55*3.12*n=9范圍2.282.802.723.433.084.441.842.602.242.972.473.79標準差0.150.250.520.230.240.42IA平均值2.

10、91*3.13*3.70*2.47*2.80*3.40*n=6范圍2.683.102.843.443.044.222.162.802.483.172.884.07標準差0.170.210.420.240.240.43EP平均值3.24*3.75*4.13*2.86*3.18*3.87*范圍2.983.463.563.953.754.612.583.123.933.833.234.55標準差0.240.200.440.270.230.66RA平均值2.14*2.70*3.24*1.70*2.03*2.82*n=6范圍1.872.402.333.012.543.761.302.051.552.37

11、2.313.32標準差0.180.240.490.270.280.44CA平均值1.531.772.031.331.651.78n=3范圍1.383.461.551.981.732.341.111.501.531.821.312.21標準差0.150.220.310.200.150.45*表示P0.05顯著相關(guān)由表1可見，不同功能區(qū)大葉榕和紫荊中硫的質(zhì)量分數(shù)差異顯著（P 0.05），除工業(yè)區(qū)外，同一功能區(qū)內(nèi)各采樣點差異不顯著。以體育公園為對照，計算其綜合污染指數(shù)PI，PI=1/n，PI遞減趨勢為工業(yè)區(qū)、商業(yè)交通區(qū)、居住區(qū)、對照區(qū)。電廠的S質(zhì)量分數(shù)顯著高于其他采樣點（P 0.05），兩樹種葉片全

12、S量均是對照區(qū)的2.09倍。而位于商業(yè)繁華、交通便利的紫荊苑居住區(qū)，也高于車流量較少的東湖花園，其值分別是對照區(qū)的1.57和1.45倍，1.45和1.27倍。2種植物葉片S質(zhì)量分數(shù)均隨春、夏、秋季節(jié)呈遞增趨勢，在秋季達極大值，且季節(jié)差異顯著（P 0.05）。同一采樣點內(nèi)，大葉榕中硫的質(zhì)量分數(shù)顯著高于紫荊（P0.05），即由于個體差異，大葉榕吸收積累SO2污染物的能力較強。表3 植物葉片、降塵中S的質(zhì)量分數(shù)與硫酸鹽化速率測定空氣SO2的數(shù)學(xué)模型Table 3 Sulfur content mathematical models between leaf and dust, atmospheric

13、 sulfation rate關(guān)系樹種數(shù)學(xué)模型模型編號RR2葉-大氣-塵大葉榕CF=-1.026+5.068Cair +0.865Cdust0.9950.989n=6紫荊CB=-1.374+4.619Cair +0.882Cdust0.9900.980葉-大氣大葉榕CF-l =1.754+11.985 Cair0.7690.592n=11紫荊CB-l =1.431+11.778 Cair0.7750.600注：Cf、Cb分別表示大葉榕、紫荊葉片含S量，Cair為空氣中SO2濃度，Cdust為降塵含S量。2.2 降塵中S及硫酸鹽化速率由表2可見，不同功能區(qū)葉面降塵的S質(zhì)量分數(shù)差異顯著（P 居住區(qū)

14、對照區(qū)。且同一功能區(qū)內(nèi)，工業(yè)區(qū)中以古塘坳為最高。居住區(qū)內(nèi)，也以位于鬧市的紫荊苑較高。兩次掛片測定中，10月質(zhì)量分數(shù)顯著高于4月（P 0.05），說明秋季大氣中SO2等硫化物濃度大于夏季。這與夏季多雨、大風(fēng)等氣象條件相關(guān)，使大氣SO2易于被稀釋擴散。秋季干旱少雨，氣象條件不利于SO2擴散，從而導(dǎo)致秋季吸收量增多。同時也說明降塵和堿片對大氣中SO2體積分數(shù)變化反應(yīng)敏感，均可作為大氣SO2污染的指示劑。2.3 植物葉片中S和大氣SO2及降塵的數(shù)學(xué)模型由表3可見，由大葉榕和紫荊葉片與大氣、降塵中S質(zhì)量分數(shù)三者擬合的二元生物監(jiān)測數(shù)學(xué)模型、（表3）相關(guān)性顯著（P 0.05），相關(guān)系數(shù)達0.995和0.99

15、0，可認為大氣中硫酸鹽化速率測定的SO2和降塵中S可解釋98.9%和98.0%的大葉榕樹和紫荊葉片的S質(zhì)量分數(shù)的變異，說明植物葉中硫大部分來自對大氣和降塵的吸收。植物葉片的總硫質(zhì)量分數(shù)與硫酸鹽化速率測定大氣SO2等硫化物濃度擬合的一元生物監(jiān)測數(shù)學(xué)模型 、 相關(guān)性也較顯著（表3），相關(guān)系數(shù)達0.769與0.775，表明大氣中硫酸鹽化速率測的SO2可解釋59.2%和60.0%的大葉榕和紫荊葉片硫質(zhì)量分數(shù)的變異，即葉片中大部分硫源于氣孔對大氣SO2等硫化物的直接吸收。顯然，植物和降塵生物監(jiān)測大氣SO2 的模型有很高的相關(guān)性，明顯優(yōu)于植物與硫酸鹽化速率的一元監(jiān)測模型，說明植物與降塵的協(xié)同監(jiān)測具有更高的

16、靈敏度與可靠性。2.4 植物葉片、降塵硫質(zhì)量分數(shù)與車流量關(guān)系表4 惠州商業(yè)交通區(qū)采樣路口車流量Table 4 Traffic density of roads around CTA and CA sampling sites采樣路段CTA體育公園廣汕路下角中路環(huán)西二路高峰車流量（輛h-1）3173333535741828表2 降塵中硫的質(zhì)量分數(shù)與硫酸鹽化速率Table 2 Sulfur content（mg.g -1）in foliar dusts and atmospheric sulfation rate gcm-2d-1功能區(qū)采樣點降塵(n=3)meanS.D.PId硫酸鹽化速率4月10

17、月CTA廣汕4.380.45*1.41下角4.620.55*環(huán)西4.880.44*IA壽華4.320.53*1.44c1.75古坳4.520.50*1.41.81電廠5.260.41*0.81.22RA東湖4.110.51*1.301.02紫荊4.360.52*0.51.33CA公園3.270.591.000.50.5注：*為與清潔區(qū)比較, 平均值差異顯著（P 0.05）。體育公園對照區(qū)，車流量和植物葉片、降塵中S的質(zhì)量分數(shù)最小。說明行道樹葉片、葉面降塵均可表征交通強度對大氣環(huán)境的影響。3 討論許多研究表明，污染地區(qū)植物的葉片、年輪、樹皮等器官的含S量與大氣SO2等污染物濃度顯著相關(guān)13-14

18、，其中細葉榕葉片中硫的質(zhì)量分數(shù)與大氣硫酸鹽化速率極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)R=0.95215；夏季、冬季植物葉片與大氣硫酸鹽化速率的R=0.9940.99513。蔣高明也擬合了多種植物的不同器官單相和多器官的復(fù)相回歸模型，結(jié)果表明多器官的模型靈敏度更高16。承德市油松針葉中硫的質(zhì)量分數(shù)與大氣SO2的相關(guān)系數(shù)也達0.784117，荔枝葉片與大氣硫酸鹽化速率也顯著相關(guān)，R=0.95512。本研究中，植物葉片總硫與硫酸鹽化速率測定的大氣SO2體積分數(shù)相關(guān)，大葉榕和紫荊的相關(guān)系數(shù)分別達0.769與0.775。同時植物葉片、大氣降塵的數(shù)學(xué)模型也顯著相關(guān)，R為0.990和0.995，說明大氣、降塵中S可解釋98

19、% 以上的植物葉中S的變異。葉中90% 以上的S來源于葉面對大氣S化物和葉面降塵的直接吸收。說明植物葉片和葉面降塵均可作為有效的生物指示劑，二者協(xié)同監(jiān)測，靈敏度更高。沈海等研究表明，我國西南地區(qū)大氣顆粒物約有74% 的SO42-，15% 的S4+（包括SO32-和顆粒物上吸附的SO2）18，而植物葉面降塵主要來源于交通、土壤揚塵和工業(yè)排放等顆粒物沉降19，其中攜帶大量S化物。據(jù)惠州市環(huán)境環(huán)境保護局編制的20012005年度環(huán)境質(zhì)量報告書顯示，2004年惠州酸雨頻率為64.95%，2005年為62.0%。與西南地區(qū)氣候條件相似，惠州大氣顆粒中也含70%以上的SO42- 和約10% S4+，SO4

20、2-多數(shù)與Ca、Fe、Al、Ti等金屬結(jié)合,難于釋放而進入葉肉組織，而S4+ 可直接增加葉面的吸收。本研究結(jié)果顯示，降塵中S是葉片含S量的1.21.8倍，降塵上富集的S大部分并未被葉吸收，表明可被吸收的有效態(tài)S質(zhì)量分數(shù)較低；另一方面也證明了沈海等的結(jié)論，顆粒物中僅有約10%的S化物以S4+的有效態(tài)存在，可增加葉肉組織的吸收。且掛片法與植物吸收機制相似，均為測定一段時間吸收積累量，可反映當(dāng)?shù)卮髿釹O2的污染水平，較自動監(jiān)測更符合實際。故以植物葉片和降塵及硫酸鹽化速率測定結(jié)果為基礎(chǔ)的生物監(jiān)測二元數(shù)學(xué)模型和有很高的可信度，有一定的實用價值，也較葉片與大氣的一元模型、有更高的靈敏度與可靠性。植物葉片與

21、葉面降塵的含S特征與其生活環(huán)境密切相關(guān)，隨城市不同功能區(qū)表現(xiàn)出不同的敏感性。生活在燃煤電廠周圍的植物葉片及葉面降塵含硫量高，并可觀察到電廠附近一些植物的可見葉面?zhèn)ΠY狀，如葉片失綠，發(fā)黃，有蟲斑、脫落早等。遠離污染源的區(qū)域，S質(zhì)量分數(shù)低，如對照區(qū)，其葉片和降塵含S量只有電廠的0.50.6左右。市內(nèi)行道樹及葉面降塵S質(zhì)量分數(shù)隨交通流量減少而降低，商業(yè)交通區(qū)中大葉榕和紫荊葉的含S量以車流量最大的環(huán)西路最高，分別為3.85 mgg-1和3.30 mgg-1，較工業(yè)化程度和交通流量都較高的廣東佛山主干道上的大葉榕和紫荊質(zhì)量分數(shù)低，其值分別為4.26 mgg-1與3.53 mgg-1 20，但比相對清潔

22、的深圳南山區(qū)小葉榕的冬季吸S量高（1.282 mgg-11.442 mgg-1）12，其值差異與城市的城市化程度及工業(yè)化強度趨勢一致。說明植物對城市不同功能區(qū)及不同交通流量反應(yīng)敏感，因此植物葉片和葉面降塵均可作為有效的生物指示劑。此外，一定條件下，SO2可進行大尺度遷移21，降塵的傳輸距離相對較小，因此降塵更能表達該氣象條件下的污染狀況，具有可靠的區(qū)域特征。由于植物葉片的生長周期較長，可表達不同生長季節(jié)的環(huán)境狀況；降塵受大風(fēng)(風(fēng)速17 ms-1)、大雨(降雨量15 mm)22氣象條件影響較顯著，以兩次大風(fēng)大雨為時間間隔，可指示較短期間的污染特征。植物葉片和降塵依其不同的時間和空間差異，有不同的

23、指示特性與優(yōu)點。并且大葉榕和紫荊都是華南亞熱帶區(qū)域常見的綠化喬木，極易獲得，有著廣泛的應(yīng)用前景。4 結(jié)論 惠州市不同功能區(qū)的綠化樹種大葉榕和紫荊葉片和葉面降塵的硫質(zhì)量分數(shù)差異顯著，其綜合污染指數(shù)PI基本表現(xiàn)為以商業(yè)交通區(qū)工業(yè)區(qū)居住區(qū)清潔區(qū)；但同一功能區(qū)內(nèi)各采樣點無顯著性差異。植物葉片S質(zhì)量分數(shù)季節(jié)差異顯著，秋季最高，大葉榕硫質(zhì)量分數(shù)顯著高于紫荊。植物葉片、葉面降塵和硫酸鹽化速率三者相關(guān)性顯著，植物與降塵協(xié)同監(jiān)測大氣SO2的二元數(shù)學(xué)模型為，大葉榕：CF=-1.026+5.068Cair +0.865Cdust（R=0.995，n=6），紫荊：CB=-1.374+4.619Cair +0.882C

24、dust （R=0.990，n=6）；植物葉片與大氣硫酸鹽化速率的常規(guī)一元數(shù)學(xué)模型分別為，大葉榕：CF-l =1.754+11.985 Cair（R=0.769，n=11），紫荊：CB-l =1.431+11.778 Cair（R=0.775，n=11）；二元模型明顯優(yōu)于一元模型，相關(guān)性更高。大葉榕、紫荊葉片和葉面降塵均可作為城市區(qū)域污染的有效指示劑，葉片的長期效益和季節(jié)效益顯著，降塵則以兩次大風(fēng)和大雨間隔為期間的短期效益顯著；二者協(xié)同作用具有更高的靈敏度度和可靠性。參考文獻：1 LAU O W, LUK S F.Leaves of Bauhinia blakeana as indicator

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38、 139-145.19 賀克斌,余學(xué)春,陸永祺,等.城市大氣污染物來源特征J.城市環(huán)境與城市生態(tài),2003,6:269-270.HE Kebin,YU Xuechun, LU Yongqi, et al. Characterization of Urban Air Pollution SourcesJ. Urban Environment Urban Ecology, 2003,6:269-270.20 李寒娥,李秉滔,藍盛芳. 城市行道樹對交通環(huán)境的響應(yīng)J.生態(tài)學(xué)報,2005,25(9):2180-2187. LI Haner, LI Bingtao,LAN Shengfang. Respo

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40、n, 2003, 126 :313-321. 22 趙勇,李樹人,閻志平.城市綠地的滯塵效應(yīng)及評價方法J. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,21(6):582-586.ZHAO Yong, LI Shuren, YAN Zhiping. The Effect of Greenland on Absorbed Dust and its assessment method J. Journal of Huazhong Agricultural University, 2002,21(6):582-586.Biomonitoring atmospheric sulfur dioxide using ur

41、ban tree leaves and foliar dusts in Huizhou, Gongdong provinceQIU Yuan1, GUAN Dongsheng1, CHEN Huan, 1 LI Xiaoyan1, HUANG Hui2, ZHU Yongzhong2, ZEN Yanfang2, YE Xingguang21. School of Environmental Science and Engineering, SunYat-sen University/Guangdong Province Key Laboratory of Environmental Poll

42、ution and Remediation Technology, Guangzhou 510275, China; 2. Huizhou Environmental Monitoring Station of Guangdong, Huizhou 516000, ChinaAbstract: Using conventional methods, sampling and static suspending piece absorption, to biomonitor the sulfur contents in atmosphere and foliage of Ficus virens Ait var. sublanceolata ( Miq. ) Corner. and Bauhinia blakeana in Huizhou city, Guangdong province. The foliar dust of the two plants was determined by ICP-AES. The sulfat