新乡绿化树种叶片与叶面降尘中的氯含量协同监测大气氯浓度研究

蔺 芳 张晓亚 朱亚军 王盟盟

(新乡学院生命科学技术学院，河南 新乡 453000)

随着我国现代化工业发展和城镇进程的推进，生态平衡被破坏、城市大气污染日趋加重，其中氯和氯化物是目前影响面比较广的一种污染物[1-2]。氯和氯化物的影响主要体现在对植物和人体两个方面。针对植物方面来说，氯和氯化物会对植物生长、发育和繁殖造成极大的阻碍，甚至导致植物死亡[3]；在人体方面，它会伴随着悬浮颗粒物进入人体的呼吸系统，通过这种方式，对人类的身体健康造成严重的伤害[4]。已有研究表明，植物表皮细胞与叶肉组织可以吸收和富集氯和氯化物在内的多种污染元素，因此，植物叶片作为一种有效的生物监测工具，能够有效反映出污染物的输出水平，近年来得到了广泛的应用[5-6]。

目前，大多数研究主要集中在单一的探讨植物叶片与叶面降尘污染元素之间的相关性，而在植物叶片、叶面降尘、大气污染物浓度三者之间的相关性研究较少[7-8]。为此，本研究选取了豫北地区5种典型的绿化树种：加拿大杨 (Populuscanadensis)、银杏 (Ginkgobiloba)、红叶石楠 (Photiniaserrulata)、枇杷 (Eriobotryajaponica) 和紫叶李 (Prunuscerasifera) 作为研究对象，对新乡市4个不同功能区植物叶片、叶面降尘、大气污染物氯浓度进行同步监测，用多元回归分析法进行探讨三者之间的相互关系，以期为该地区环境质量的监测和评价提供一定的理论依据。

1 研究区概况

新乡市地处河南省北部 (113°30′～115°01′ E，34°55′～35°50′ N)，是豫北地区重要的中心城市。该地区属暖温带大陆性季风气候，年均气温14.2 ℃，年均降水量573.4 mm，年均日照时数2 400 h，年均湿度68.0%，无霜期220 d。降雨年际间分配不均，主要集中在7、8月。新乡市绿化树种主要以加拿大杨、银杏、红叶石楠、枇杷和紫叶李为主，植物资源较为丰富。随着经济生产和人类活动的迅速发展，大气污染问题较为突出。其中，氯对大气的污染主要来自于工业生产 (化工、制药、造纸等) 和汽车尾气等人类活动向大气排放的氯和氯化氢等氯化物。

2 研究方法

2.1 样品采集

2.1.1采样点

根据新乡市大气污染程度的差异，选择4个不同的功能区进行布点采样 (如图1)。1) 工业区3个(化工厂、造纸厂、制药厂)，位于新乡工业园区，是主要的污染源所在地，污染程度高；2) 交通区3个 (劳动路、胜利路、解放路)，位于市中心繁华路段，污染程度较高；3) 居民区3个 (紫郡、常青藤、三英里)，毗邻市区，污染程度不高；4) 清洁区 (CK) 3个 (人民公园、牧野公园、森林公园)，位于郊区，空气清洁程度较高。

图1各功能区采样位置分布图
Fig.1 Sampling location map of each functional area

2.1.2采样树种

通过对新乡市内主要街道、公共绿地、公园和居民区进行调查，选择了加拿大杨、银杏、红叶石楠、枇杷和紫叶李这5种较为常见的绿化树种作为供试树种。采样树种的基本生长状况见表1。

表1 5种供试树种基本情况Table 1 Basic conditions of 5 species of tested trees

2.1.3采样方法

1) 片样品采集：于2017年9月，在不同采样点选择无病虫害的健康植株采集叶片。每个采样点每树种随机选取3～4株，采集树冠中部外围东西南北各方向同龄的功能叶 (500 g) 作为供试材料，封存于自封袋中，带回实验室。

2) 叶片样品制备：将采集的叶片先用自来水冲洗3～5遍后，洗净叶片上的滞尘等杂物，再用蒸馏水清洗2～3遍，放烘箱中105 ℃下杀青1 h，72 ℃下烘干至恒重，粉碎后过60目筛，放入干燥器内，备用。

3) 降尘采样：降雨 (降雨量 > 15 mm) 后每隔4 d采样1次，每个树种均采集同一高度的成熟健康叶片500 g，用微孔滤膜 (φ=0.45 μm) 抽滤收集植物叶片上的降尘。

4) 大气采样：在植物叶片和降尘采样的同时，用TH-150C 大气采样器 (武汉市天虹仪表有限责任公司，中国) 进行大气采样 (采样流量为0.5 L/min)，采气20 L，采样高度约距地面15 m，同步记录采样期间大气压、温度、天气状况等气象条件，每个功能区中的采样点重复3次。

2.1.4氯含量测定方法

采用氧化钙干灰化-硝酸银滴定法[9]测定叶片及降尘中氯元素含量大小。采用甲基橙分光光度比色法[10-11]测定大气氯和氯化氢浓度 (结果以Cl2mg/m3来表示)，每个功能区中的各采样点重复3次。

2.2 数据分析

利用LSD法分析不同采样点不同树种叶片和降尘中的氯含量的差异性；用多元回归分析法对因变量 (叶片的氯含量) 和自变量 (叶面降尘中的氯含量和大气氯浓度) 进行相关性分析，并分别建立加拿大杨、银杏、红叶石楠、枇杷和紫叶李5树种叶片氯含量、叶面降尘中氯含量和大气氯浓度三者之间的二元回归方程。数据经过Excel 2007整理后，采用 SPSS 19.0软件进行方差分析和回归分析。其中，各功能区5树种叶片氯含量及降尘中氯含量与大气氯含量浓度的差异采用单因素方差分析和最小显著差异法 (LSD) 进行分析比较，结果以3次重复的平均值 ± 标准误来表示，并对叶片、降尘中氯的质量分数与大气氯浓度的相互关系进行线性回归分析。

3 结果与分析

3.1 各功能区叶片及降尘中氯含量与大气氯含量的差异性分析

各功能区5个树种叶片氯含量及降尘中氯含量与大气氯含量浓度比较见表2。

表2 各功能区5个树种叶片氯含量及降尘中氯含量与大气氯含量浓度比较Table 2 Comparison of leaf chlorine content and chlorine content in dustfall with atmospheric chlorine concentration in 5 tree species in each functional area

功能区加拿大杨叶片氯含量降尘中氯含量(mg·g-1)银杏叶片氯含量降尘中氯含量(mg·g-1)红叶石楠叶片氯含量降尘中氯含量(mg·g-1)工业区化工厂2.5201±0.2366∗∗2.8505±0.3564∗∗0.5431±0.0457∗∗0.9842±0.0746∗∗0.3675±0.0455∗∗0.7688±0.0700∗∗造纸厂2.4467±0.2125∗∗2.7718±0.3551∗∗0.4734±0.0443∗∗0.9145±0.0732∗∗0.3584±0.0347∗∗0.7597±0.0687∗∗制药厂2.4238±0.2270∗∗2.7549±0.3521∗∗0.4354±0.0424∗∗0.8365±0.0716∗∗0.3198±0.0336∗∗0.7211±0.0655∗∗交通区劳动路1.9634±0.1265∗∗2.2555±0.2164∗∗0.3797±0.0377∗∗0.6808±0.0641∗0.2641±0.0347∗∗0.5654±0.0522∗胜利路1.8406±0.1067∗∗2.1727±0.2066∗∗0.3556±0.0356∗∗0.6567±0.0605∗0.2654±0.0350∗∗0.5667±0.0504∗解放路1.8871±0.1123∗∗2.2192±0.2102∗∗0.3578±0.0348∗∗0.6589±0.0570∗0.2422±0.0340∗∗0.5435±0.0510∗居民区紫郡1.3455±0.1002∗∗1.6776±0.1432∗∗0.3043±0.0317∗0.5756±0.0562∗0.1874±0.02500.4887±0.0494常青藤1.3980±0.1022∗∗1.7311±0.1558∗∗0.3177±0.0333∗0.5888±0.0561∗0.1721±0.02550.4734±0.0500三英里1.3812±0.1016∗∗1.7133±0.1463∗∗0.3093±0.0300∗0.6104±0.0540∗0.1537±0.02460.4953±0.0476清洁区牧野公园0.5023±0.09420.7304±0.11950.2399±0.02700.4513±0.04660.1443±0.02500.4156±0.0460和谐公园0.5245±0.09060.7216±0.12070.2007±0.02860.4418±0.04560.1251±0.02250.4064±0.0450森林公园0.4770±0.08030.6091±0.10640.1703±0.02670.4214±0.04400.1244±0.02210.3857±0.0449

续表2

注：*表示差异显著 (P< 0.05)，**表示差异极显著 (P< 0.01)。

由表2可知，5种树种叶片氯含量和降尘中的氯含量均随大气氯浓度的增加而增加，增加幅度由大至小依次是加拿大杨、银杏、红叶石楠、枇杷和紫叶李，且均在工业区 (化工厂) 达到最大值，在清洁区 (森林公园) 达到最小值。其中，在化工厂加拿大杨叶片和叶面降尘中的氯含量分别是森林公园的5.28 倍和4.68倍，银杏为3.19倍和2.34倍，红叶石楠为2.95倍和1.99倍，枇杷为2.79倍和1.58倍，紫叶李为2.35倍和1.41倍。可见，由于物种差异性的存在，加拿大杨吸收与积累污染元素的能力最强，其次是银杏，最后为红叶石楠、枇杷和紫叶李。在同一功能区同一采样点内，5种绿化树种叶面降尘中的氯含量均高于叶片氯含量，变化倍数由小至大依次是加拿大杨、银杏、红叶石楠、枇杷和紫叶李。其中，加拿大杨降尘氯含量是其叶片氯含量的1.13～1.45倍，银杏为1.79～1.97倍，红叶石楠为2.11～3.22倍，枇杷为2.12～3.56倍，紫叶李2.20～3.58倍。

在4个功能区中，工业区的植物叶片及叶面降尘中的氯含量最高，其次依次为交通区、居民区和清洁区。与清洁区相比，工业区5种绿化树种叶片及叶面降尘的氯含量均呈现极显著 (P< 0.01) 差异；与清洁区相比，交通区呈现极显著 (P< 0.01) 或显著 (P< 0.05) 差异；与清洁区相比，除加拿大杨和银杏外，居民区其他3种绿化树种叶片氯含量与清洁区相比则差异不显著。

3.2 叶片、降尘中氯的质量分数与大气氯浓度的回归分析

叶片、降尘中氯的质量分数与大气氯浓度的回归分析见表3。

表3 叶片、降尘中氯的质量分数与大气氯浓度的回归分析Table 3 Regression analysis of chlorine mass fraction and atmospheric chlorine concentration in blades and dustfall

续表3

注：**表示F检验极显著(P< 0.01)。Cysy、Cyxy、Csny、Cppy、Czyy、Cysj、Cyxj、Csnj、Cppj、Czyj、Cair分别代表加拿大杨叶片氯含量、银杏叶片氯含量、红叶石楠叶片氯含量、枇杷叶片氯含量、紫叶李叶片氯含量、加拿大杨降尘氯含量、银杏降尘氯含量、红叶石楠降尘氯含量、枇杷降尘氯含量和紫叶李降尘氯含量和大气氯浓度。

表3可知， 5种绿化树种叶片氯含量与叶面降尘中氯含量拟合的一元回归方程 (方程1～5号)、叶片氯含量与大气氯浓度拟合的一元回归方程 (方程编号6～10) 和叶片氯含量、叶面降尘中的氯含量、大气氯浓度三者拟合的二元回归方程 (方程11～15号) 的决定系数 (R2) 均在0.900以上， 且F检验均达到极显著水平 (P< 0.01)，说明所有回归效果好。可见，加拿大杨、银杏、红叶石楠、枇杷和紫叶李这5种植物叶片中的大部分氯元素源自大气和叶面降尘，它们三者的关系十分密切。

4 结论与讨论

植物在生长过程中受到多种外界因素的综合影响。绿化植物叶片污染元素的吸收和积累除了从大气中获得之外，还可以通过植物的根系吸收来自于土壤中的污染元素。由于这二者会在一定时间、同一较小的采样区域内保持一个相对比较稳定的比例关系，因而可以通过测定不同绿化树种叶片污染元素含量的方法对其吸收积累大气污染元素的能力进行分析判断，从而对绿化树种的抗污吸污能力进行评价。

本研究对新乡市4个不同功能区常见的 5种绿化树种叶片、叶面降尘中的氯含量与大气氯浓度进行了同步监测与回归分析。结论表明， 不同功能区植物叶面降尘与叶片氯含量表现为工业区 > 交通区 > 居民区 > 清洁区。与清洁区相比，工业区 5 种绿化树种叶片及叶面降尘的氯含量均呈现极显著差异，并可观察到在工业区内生长的部分植物出现了诸如叶片发黄枯干、生长变缓等植株损伤症状；与清洁区相比，交通区呈现极显著或显著差异，且随着车流量的减少，交通区的叶片及叶面降尘的氯含量随之降低，其中以车流量最大的劳动路含量最高；与清洁区相比，除加拿大杨和银杏外，居民区其他3种绿化树种叶片氯含量与清洁区相比则差异不显著。由此可见，绿化树种叶片、叶面降尘中的氯含量与大气氯浓度均随着大气污染程度的增加而增加。

植物叶面降尘主要来源于工业污染物、土壤扬尘和汽车尾气等颗粒物的沉降作用，其中携带大量氯和氯化物，且多数难于分解并可进入植物叶片叶肉组织[12-13]。本研究表明，同一功能区内，5种绿化树种叶面降尘的氯含量均高于叶片氯含量 (叶面降尘的氯含量是叶片氯含量的 1.13～3.58倍)。其中，加拿大杨降尘氯含量是其叶片氯含量的1.13～1.45倍，银杏为1.79～1.97倍，红叶石楠为2.11～3.22倍，枇杷为2.12～3.56倍，紫叶李2.20～3.58倍。可以看出，5种绿化树种叶片并未完全吸收掉叶面降尘中的氯，即植物叶片对有效态氯的吸收存在一定阈值，这与李艳梅等[14]的研究结论相吻合。同时本研究还进一步表明植物叶片对于叶面降尘氯的吸收量由大到少分别是加拿大杨、银杏、红叶石楠、枇杷和紫叶李。由此可见，在这5种绿化树种中，加拿大杨对于降尘中的氯化物吸收量最多，银杏次之，吸收量最少的是红叶石楠，枇杷和紫叶李，这与本研究中5种绿化树种对大气氯的吸收高低排序情况相一致。

绿化树种类型不同，其叶片表面形态与结构也有所不同，对于污染元素的吸收能力也不同。通常来说，相对于表面光滑的植物，叶片表面着生绒毛或具有密集沟状组织的植物比较容易附着大气污染物颗粒[15-16]。本研究中，加拿大杨吸收大气氯的效果最好，银杏次之，张家洋[17]和鲜靖苹等[18]研究与本研究基本一致，这可能与加拿大杨叶片表面较为粗糙并具有大量绒毛突起，银杏叶片表面具有较多叉状细脉形成的浅沟组织有着密切的关系，因此在后期研究中应结合扫描电镜对各树种叶片显微结构进行观察，进一步从组织形态学角度印证本研究结论。另外，本研究仅仅对豫北地区常见的 5种绿化树种叶片及叶面降尘的氯含量进行了研究，更多范围的树种 (如针叶树种) 对大气氯的吸收能力还有待于进一步研究。

F检验结果表明，回归方程 (方程1～15号) 的F检验均达到极显著水平表明，加拿大杨、银杏、红叶石楠、枇杷和紫叶李5种豫北地区常见的绿化树种叶片及叶面降尘均可作为区域环境污染的有效指示剂，且与二元回归方程 (方程11～15号) 相比，由于一元回归方程 (方程1～10号) 涉及的参数较少，因此从某种角度上来说，一元回归方程更为简单易用，可为豫北地区开展绿化树种的环境效益监测与计量提供一定的参考依据，具有较好的应用价值。