城市綠化樹種葉片多環(huán)芳烴含量水平與葉片特征的關(guān)系

馮 馳， 賴 政， 查 燕， 李佳熙， 張銀龍

(南京林業(yè)大學(xué)/江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210037)

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是一種極具生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)的碳?xì)浠衔颷1]，具有長(zhǎng)期殘留性、生物蓄積性和很強(qiáng)的三致效應(yīng)[2]。美國環(huán)境保護(hù)局已將16種PAHs作為優(yōu)先污染物質(zhì)[3]，其中7種PAHs被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)認(rèn)定為2B類以上致癌物質(zhì)[4]。PAHs在大氣環(huán)境中廣泛分布[5-7]，而植物能有效減輕大氣中PAHs污染程度[8-9]，植物葉片更是一種有潛力的自然環(huán)境凈化器[10]。植物葉片能通過氣體擴(kuò)散和干濕沉降等作用有效累積大氣中的PAHs[11]，且采集樣品省時(shí)省力，使大氣污染監(jiān)測(cè)更加經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片特征對(duì)葉片吸收PAHs起重要作用。氣態(tài)PAHs通過氣孔和角質(zhì)層進(jìn)入葉片[12-13]，葉表面顆粒態(tài)PAHs也會(huì)解吸進(jìn)入角質(zhì)層[14]；同時(shí)比葉面積和葉蠟含量對(duì)PAHs的吸收也會(huì)產(chǎn)生顯著影響[15-16]；由于不同種植物葉片特征各不相同，導(dǎo)致葉片PAHs含量存在種間差異[17]，也影響了不同環(huán)數(shù)PAHs在植物葉片的分布[18]。近年來，以植物葉片PAHs含量作為污染檢測(cè)指標(biāo)已經(jīng)成為大氣環(huán)境方面研究的熱點(diǎn)[19-20]，但是有關(guān)于城市綠化樹種葉片PAHs含量特征研究不多，葉片特征與葉片PAHs含量之間的具體關(guān)系也少有探討。因此，本研究通過測(cè)定江蘇省南京市9種常見綠化樹種葉片16種PAHs含量，分析部分樹種葉片PAHs含量與葉蠟含量、氣孔密度、比葉面積之間的關(guān)系，篩選出累積PAHs能力強(qiáng)的樹種，為探討PAHs在大氣和植物葉片之間的傳輸機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置與樣品采集

經(jīng)過實(shí)地勘探及樹種考察，在南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)設(shè)置7個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。各采樣點(diǎn)距城市交通樞紐新莊立交橋300 m以上，以確保外界環(huán)境因素基本一致；確保每個(gè)采樣點(diǎn)均生長(zhǎng)一定數(shù)量且具有1年以上生長(zhǎng)周期的9種待測(cè)樹種(八角金盤Fatsiajaponica、黃楊Buxussinica、海桐Pittosporumtobira、紅葉石楠Photinia×fraseri、灑金桃葉珊瑚Aucubajaponicavar.variegata、桂花Osmanthusfragrans、女貞Ligustrumlucidum、香樟Cinnamomumcamphora和冬青IlexchinensisSims)。采樣時(shí)間為2016年11月1—3日，采樣期間和采樣前1周均為晴天，氣溫?zé)o較大變化。在每個(gè)采樣點(diǎn)每種樹種選擇3棵生長(zhǎng)狀況一致的樹木，每棵樣樹保持一定間距。每棵樹按樹冠東、南、西、北4個(gè)方向和上、中、下3層進(jìn)行采樣，每種樹種選擇大小及生長(zhǎng)狀況一致的葉片，采集后用塑封袋封裝。另在每棵樣樹上采集數(shù)張樹葉，用于測(cè)定葉蠟含量、比葉面積、氣孔密度。

1.2 葉片PAHs測(cè)定

1.2.1 預(yù)處理 將葉片用蒸餾水浸泡10 min，清洗干凈后晾干封存于塑封袋中，放置于低溫冷凍干燥器中進(jìn)行冷凍干燥處理，再進(jìn)行研磨，將干燥粉末樣品存于密封的棕色玻璃瓶中，-18 ℃保存。用千分之一天平稱取0.50 g樣品置于 10 mL 玻璃離心管中，用5 mL丙酮-二氯甲烷溶液(體積比1 ∶1)萃取20 min；超聲波清洗機(jī)溫度控制在30 ℃以下，低速冷凍離心10 min，重復(fù)操作3次，收集萃取液；40 ℃條件下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將萃取液濃縮至1 mL左右；轉(zhuǎn)移萃取液，通過層析柱進(jìn)行樣品凈化；凈化后的萃取液再一次進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至微干狀態(tài)，用2 mL乙腈進(jìn)行定容封存，并置于-18 ℃保存，以備氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)測(cè)定分析。

1.3 葉蠟含量測(cè)定

每個(gè)樹種稱取新鮮葉片0.20 g，用蒸餾水浸泡10 min晾干后置于已知質(zhì)量m1(g)的培養(yǎng)皿中，加入30 mL三氯甲烷浸泡1 min，夾出葉片，待三氯甲烷完全揮發(fā)，再次稱量培養(yǎng)皿質(zhì)量m2(g)，利用差值法，測(cè)算葉蠟含量[21]。每個(gè)樹種重復(fù)操作5次。

1.4 比葉面積測(cè)定

每個(gè)樹種選取5張生長(zhǎng)狀況一致的正常葉片，采用葉面積儀測(cè)定植物葉片面積(S)；然后在65 ℃條件下烘干48 h至恒質(zhì)量，用天平稱量葉片干質(zhì)量(DW)，通過計(jì)算公式獲得比葉面積(SLA)。

式中：SLA表示比葉面積，cm2/g；S表示雙面葉面積，cm2；DW表示植物干質(zhì)量，g。

1.5 氣孔密度測(cè)定

每個(gè)樹種選擇5張生長(zhǎng)狀況一致的正常葉片，不進(jìn)行清洗，通過冷凍干燥預(yù)處理，切取1 cm×1 cm方形葉片，噴金處理后，利用SEM掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。每張葉片樣品選擇5個(gè)視野進(jìn)行拍照。通過計(jì)數(shù)法獲取氣孔數(shù)量，從而計(jì)算氣孔密度。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，變量之間的相關(guān)性用Pearson檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為0.05，葉片特征與PAHs含量間的相關(guān)關(guān)系用回歸方程分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型樹種葉片總PAHs含量

由圖2可知，9種樹種葉片總PAHs含量在0.22～1.10 mg/kg，灑金桃葉珊瑚含量最高，總體而言，常綠喬木樹種如香樟、女貞、冬青葉片總PAHs含量低于八角金盤、紅葉石楠、灑金桃葉珊瑚、黃楊等灌木植物。這可能是因?yàn)槌＞G闊葉灌木植株矮小，葉片密度高，貼近地面簇狀生長(zhǎng)，受地面揚(yáng)塵影響較大[22-23]，更易截留大氣顆粒物，導(dǎo)致葉片檢測(cè)出較多的PAHs含量。桂花葉片總PAHs含量相對(duì)較高，一則桂花是小喬木或灌木，同時(shí)因?yàn)楣鸹ㄈ~片表面角質(zhì)層相較于其他樹種更厚，而角質(zhì)層能夠很好地吸附PAHs[24]。

2.2 典型樹種葉片PAHs單體含量

由表1和圖3可知，植物葉片吸收PAHs單體的能力存在種間差異。其中NaP(4.38×10-2～0.25 mg/kg)、Phe(3.26×10-2～0.18 mg/kg)、Fla(2.93×10-2～0.17 mg/kg)、B(b)F(5.20×10-3～0.16 mg/kg)含量占總PAHs含量的平均百分比分別為23.76%、15.70%、10.36%、12.13%，共占總PAHs含量的61.95%，說明NaP、Phe、Fla、B(b)F是南京市綠化樹種葉片主要PAHs組分。其余PAHs組分含量較低。Ace和Acy(兩者為同分異構(gòu)體，聯(lián)合測(cè)定為 9.00×10-4～7.13×10-2mg/kg)、Flo(9.47×10-3～4.48×10-2mg/kg)、Ant(1.49×10-2～5.52×10-2mg/kg)、BaA(5.04×10-3～0.19 mg/kg)含量占總PAHs含量的平均百分比分別為1.43%、5.31%、5.83%、5.98%，可能是因?yàn)榈头肿恿康腜AHs穩(wěn)定性差，在環(huán)境中易被降解[25]。Chr(8.39×10-3～0.11 mg/kg)、Pyr(3.24×10-3～5.62×10-2mg/kg)、B(k)F(3.26×10-3～3.51×10-2mg/kg)、BaP(4.00×10-3～1.85×10-2mg/kg)、DahA(3.43×10-3～7.18×10-2mg/kg)、B(ghi)P(2.79×10-3～5.27×10-2mg/kg)和IcdP(3.78×10-3～0.10 mg/kg)含量占總PAHs含量的平均百分比分別3.70%、3.04%、1.35%、1.21%、2.70%、3.05%、4.45%，可能是因?yàn)楦攮h(huán)PAHs主要附著在顆粒物上，很難被葉片吸收[26]。

2.3 典型樹種葉片不同環(huán)數(shù)PAHs含量

由表2和圖4可知，不同環(huán)數(shù)PAHs在9種綠化樹種葉片中所占比例不同，因此葉片對(duì)不同環(huán)數(shù)PAHs的吸收存在種間差異。二環(huán)(4.38×10-2～0.25 mg/kg)、三環(huán)(6.71×10-2～0.28 mg/kg)、四環(huán)(5.03×10-2～0.34 mg/kg)、五環(huán)(4.75×10-2～0.22 mg/kg)、六環(huán)(1.47×10-2～0.16 mg/kg)PAHs占總PAHs含量的平均百分比分別為 23.76%、28.27%、23.09%、17.38%、7.50%，9種綠化樹種葉片中以二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)PAHs為主，占總量的75.12%，五環(huán)、六環(huán)PAHs占總PAHs含量的24.88%。

表1 9種樹種葉片中PAHs單體含量

注：相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均低于15%。下同。

表2 9種樹種葉片各環(huán)PAHs含量

2.4 葉片PAHs含量與葉片特征的關(guān)系

2.4.1 葉片PAHs含量與葉蠟含量的關(guān)系 由圖5可知，6種綠化樹種(海桐、八角金盤、黃楊、桂花、紅葉石楠和灑金桃葉珊瑚)葉片總PAHs含量與葉蠟含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。隨著葉蠟含量的變大，樹種葉片總PAHs含量也變大，相關(guān)回歸方程為y=0.063 3x+0.592 6。葉蠟是覆蓋在葉表面的一層疏水性脂類物質(zhì)，因此研究結(jié)果與Simonich等認(rèn)為的植物PAHs含量與脂含量顯著正相關(guān)的結(jié)論[27]一致。

采用Pearson相關(guān)性分析分析葉蠟含量與不同環(huán)數(shù)PAHs含量、PAHs單體含量的關(guān)系。結(jié)果(表3)表明，6種樹種葉片葉蠟含量與不同環(huán)數(shù)PAHs含量無顯著相關(guān)性，這與葉蠟含量同總PAHs含量呈正相關(guān)的結(jié)論不一致。葉蠟含量與Pyr含量相關(guān)性系數(shù)為0.977，呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其他PAHs組分無顯著相關(guān)性。這可能是因?yàn)椴煌琍AHs具有的親脂性大小不同以及外界因素的干擾。

2.4.2 葉片PAHs含量與比葉面積的關(guān)系 5種綠化樹種(八角金盤葉面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他樹種，不利于比較分析，因此未計(jì)入其數(shù)據(jù))葉片PAHs含量同比葉面積呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)(圖6)，相關(guān)回歸方程為y=-0.029 5x+1.490 1。隨著比葉面積的增加，植物葉片對(duì)PAHs的吸收量逐漸下降。比葉面積值越小，相同葉面積下葉片可能越厚。有研究表明，葉片越厚，葉蠟含量越高，親脂性PAHs更易被吸收[28]。

由表3可知，比葉面積與各環(huán)PAHs無顯著相關(guān)性，與 B(b)F 含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其他單體含量與比葉面積沒有顯著相關(guān)性。這與總PAHs含量與比葉面積呈負(fù)相關(guān)正好相反，可能是由B(b)F本身的物理化學(xué)性質(zhì)所致。

表3 葉片特征與葉片PAHs相關(guān)性分析

注：“*”表示在0.05水平顯著相關(guān)。

2.4.3 葉片PAHs含量與氣孔密度的關(guān)系 由圖7可知，葉片總PAHs含量與氣孔密度之間無顯著線性相關(guān)關(guān)系(r2=0.348 6)。無顯著相關(guān)性可能是因?yàn)闅饪组_合度受氣孔的長(zhǎng)寬比及外界條件影響較大，合適的長(zhǎng)寬比有利于氣孔在氣體交換時(shí)對(duì)PAHs的吸附[10]；溫度、表面異物、濕度等也會(huì)影響氣孔的開合，特別是葉片表面顆粒物的存在，會(huì)導(dǎo)致葉片氣孔受到不同程度的堵塞[29]。

葉面結(jié)構(gòu)SEM影像顯示，被測(cè)樹種葉片表面覆蓋有大量顆粒物堵塞氣孔，極大地影響了葉片PAHs的吸收。

6種樹種葉片氣孔密度與葉片各環(huán)PAHs含量無顯著相關(guān)性(表3)。不同環(huán)數(shù)PAHs相關(guān)性系數(shù)有正有負(fù)，表明氣孔密度對(duì)不同環(huán)數(shù)PAHs影響不同。氣孔密度與Pyr含量相關(guān)系數(shù)為0.955，在0.05水平下呈顯著正相關(guān)性，可能因?yàn)镻yr是四環(huán)PAHs，四環(huán)PAHs可在氣態(tài)-固態(tài)間相互轉(zhuǎn)化[30]，當(dāng)顆粒物堵塞氣孔時(shí)，Pyr較容易脫離顆粒物，以氣態(tài)的形式被葉片從氣孔吸收。

3 結(jié)論與討論

3.1 綠化樹種葉片PAHs的含量特征

從9種樹種葉片總PAHs含量可知，香樟、女貞、冬青葉片總PAHs含量低于八角金盤、海桐、紅葉石楠、灑金桃葉珊瑚、黃楊，其中灑金桃葉珊瑚對(duì)總PAHs累積能力最強(qiáng)。9種樹種葉片總PAHs含量范圍基本上與董瑞斌等研究的植物體內(nèi)PAHs濃度范圍(0.02～1.00 mg/kg)一致[31]。這可能原因是采樣點(diǎn)距交通樞紐新莊立交橋均超過300 m，受到機(jī)動(dòng)車尾氣污染程度相對(duì)較低，植物葉片能在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下積累大氣中的PAHs。

9種樹種葉片中各PAHs組分的含量不同，NaP、Phe、Fla、B(b)F是葉片主要PAHs組分。劉營等也研究發(fā)現(xiàn)，在樟樹葉片中，低環(huán)數(shù)的Acy、Ace、Ant和高環(huán)數(shù)的BaA、BaP、IcdP、B(ghi)P、DahA等都處于低含量水平[32]。9種樹種葉片中PAHs單體含量存在不同程度的差異，可能是因?yàn)槊糠NPAHs單體物理化學(xué)性質(zhì)不相同，每種樹種葉片組成及結(jié)構(gòu)特征也不同。

9種樹種葉片對(duì)不同環(huán)數(shù)PAHs的吸收量也不同。總體來看，樹種葉片對(duì)二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)PAHs的吸收量高于五環(huán)、六環(huán)PAHs。9種綠化樹種葉片中以二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)PAHs為主，占總量的70%以上。這是因?yàn)樵诖髿庵校h(huán)、三環(huán)PAHs呈氣態(tài)，四環(huán)PAHs介于氣態(tài)-固態(tài)平衡之間，五環(huán)、六環(huán)PAHs常吸附于顆粒物上，氣態(tài)PAHs更容易被葉片吸收[10，33]。

3.2 綠化樹種葉片PAHs含量與葉片特征的關(guān)系

6種綠化樹種葉片總PAHs含量與葉蠟含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。葉蠟是覆蓋在葉表面的一層疏水性脂類物質(zhì)，有機(jī)脂類的組成決定了蠟質(zhì)對(duì)PAHs較強(qiáng)的吸附能力。因此本研究與Simonich等的植物PAHs含量與脂含量顯著正相關(guān)結(jié)論[27]一致。

5種綠化樹種葉片PAHs含量同比葉面積存在顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)。比葉面積值越小，相同葉面積下葉片可能越厚。有研究表明，葉片越厚，葉蠟含量越高。當(dāng)葉蠟含量增加時(shí)，親脂性PAHs更易被葉蠟吸收[28]。

葉片總PAHs含量與氣孔密度無顯著相關(guān)性。這與Cornejo等研究發(fā)現(xiàn)氣孔密度同葉片PAHs含量存在一定的正相關(guān)性的結(jié)論[34]不一致。這可能是因?yàn)槿狈?duì)環(huán)境溫度、濕度、表面異物和氣孔寬長(zhǎng)比等因素的進(jìn)一步控制，在以后的研究中可以深入探討。