城市绿化树种叶片多环芳烃含量水平与叶片特征的关系

冯 驰， 赖 政， 查 燕， 李佳熙， 张银龙

(南京林业大学/江苏省南方现代林业协同创新中心，江苏南京 210037)

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是一种极具生态和健康风险的碳氢化合物[1]，具有长期残留性、生物蓄积性和很强的三致效应[2]。美国环境保护局已将16种PAHs作为优先污染物质[3]，其中7种PAHs被国际癌症研究机构认定为2B类以上致癌物质[4]。PAHs在大气环境中广泛分布[5-7]，而植物能有效减轻大气中PAHs污染程度[8-9]，植物叶片更是一种有潜力的自然环境净化器[10]。植物叶片能通过气体扩散和干湿沉降等作用有效累积大气中的PAHs[11]，且采集样品省时省力，使大气污染监测更加经济简便。国内外学者研究发现，植物叶片特征对叶片吸收PAHs起重要作用。气态PAHs通过气孔和角质层进入叶片[12-13]，叶表面颗粒态PAHs也会解吸进入角质层[14]；同时比叶面积和叶蜡含量对PAHs的吸收也会产生显著影响[15-16]；由于不同种植物叶片特征各不相同，导致叶片PAHs含量存在种间差异[17]，也影响了不同环数PAHs在植物叶片的分布[18]。近年来，以植物叶片PAHs含量作为污染检测指标已经成为大气环境方面研究的热点[19-20]，但是有关于城市绿化树种叶片PAHs含量特征研究不多，叶片特征与叶片PAHs含量之间的具体关系也少有探讨。因此，本研究通过测定江苏省南京市9种常见绿化树种叶片16种PAHs含量，分析部分树种叶片PAHs含量与叶蜡含量、气孔密度、比叶面积之间的关系，筛选出累积PAHs能力强的树种，为探讨PAHs在大气和植物叶片之间的传输机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样点设置与样品采集

经过实地勘探及树种考察，在南京林业大学校园内设置7个采样点(图1)。各采样点距城市交通枢纽新庄立交桥300 m以上，以确保外界环境因素基本一致；确保每个采样点均生长一定数量且具有1年以上生长周期的9种待测树种(八角金盘Fatsiajaponica、黄杨Buxussinica、海桐Pittosporumtobira、红叶石楠Photinia×fraseri、洒金桃叶珊瑚Aucubajaponicavar.variegata、桂花Osmanthusfragrans、女贞Ligustrumlucidum、香樟Cinnamomumcamphora和冬青IlexchinensisSims)。采样时间为2016年11月1—3日，采样期间和采样前1周均为晴天，气温无较大变化。在每个采样点每种树种选择3棵生长状况一致的树木，每棵样树保持一定间距。每棵树按树冠东、南、西、北4个方向和上、中、下3层进行采样，每种树种选择大小及生长状况一致的叶片，采集后用塑封袋封装。另在每棵样树上采集数张树叶，用于测定叶蜡含量、比叶面积、气孔密度。

1.2 叶片PAHs测定

1.2.1 预处理 将叶片用蒸馏水浸泡10 min，清洗干净后晾干封存于塑封袋中，放置于低温冷冻干燥器中进行冷冻干燥处理，再进行研磨，将干燥粉末样品存于密封的棕色玻璃瓶中，-18 ℃保存。用千分之一天平称取0.50 g样品置于 10 mL 玻璃离心管中，用5 mL丙酮-二氯甲烷溶液(体积比1 ∶1)萃取20 min；超声波清洗机温度控制在30 ℃以下，低速冷冻离心10 min，重复操作3次，收集萃取液；40 ℃条件下，用旋转蒸发仪将萃取液浓缩至1 mL左右；转移萃取液，通过层析柱进行样品净化；净化后的萃取液再一次进行旋转蒸发浓缩至微干状态，用2 mL乙腈进行定容封存，并置于-18 ℃保存，以备气相色谱-质谱(GC-MS)测定分析。

1.3 叶蜡含量测定

每个树种称取新鲜叶片0.20 g，用蒸馏水浸泡10 min晾干后置于已知质量m1(g)的培养皿中，加入30 mL三氯甲烷浸泡1 min，夹出叶片，待三氯甲烷完全挥发，再次称量培养皿质量m2(g)，利用差值法，测算叶蜡含量[21]。每个树种重复操作5次。

1.4 比叶面积测定

每个树种选取5张生长状况一致的正常叶片，采用叶面积仪测定植物叶片面积(S)；然后在65 ℃条件下烘干48 h至恒质量，用天平称量叶片干质量(DW)，通过计算公式获得比叶面积(SLA)。

式中：SLA表示比叶面积，cm2/g；S表示双面叶面积，cm2；DW表示植物干质量，g。

1.5 气孔密度测定

每个树种选择5张生长状况一致的正常叶片，不进行清洗，通过冷冻干燥预处理，切取1 cm×1 cm方形叶片，喷金处理后，利用SEM扫描电子显微镜进行观察。每张叶片样品选择5个视野进行拍照。通过计数法获取气孔数量，从而计算气孔密度。

1.6 数据处理方法

采用SPSS 16.0软件进行数据分析，变量之间的相关性用Pearson检验，显著性水平设定为0.05，叶片特征与PAHs含量间的相关关系用回归方程分析。

2 结果与分析

2.1 典型树种叶片总PAHs含量

由图2可知，9种树种叶片总PAHs含量在0.22～1.10 mg/kg，洒金桃叶珊瑚含量最高，总体而言，常绿乔木树种如香樟、女贞、冬青叶片总PAHs含量低于八角金盘、红叶石楠、洒金桃叶珊瑚、黄杨等灌木植物。这可能是因为常绿阔叶灌木植株矮小，叶片密度高，贴近地面簇状生长，受地面扬尘影响较大[22-23]，更易截留大气颗粒物，导致叶片检测出较多的PAHs含量。桂花叶片总PAHs含量相对较高，一则桂花是小乔木或灌木，同时因为桂花叶片表面角质层相较于其他树种更厚，而角质层能够很好地吸附PAHs[24]。

2.2 典型树种叶片PAHs单体含量

由表1和图3可知，植物叶片吸收PAHs单体的能力存在种间差异。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)含量占总PAHs含量的平均百分比分别为23.76%、15.70%、10.36%、12.13%，共占总PAHs含量的61.95%，说明NaP、Phe、Fla、B(b)F是南京市绿化树种叶片主要PAHs组分。其余PAHs组分含量较低。Ace和Acy(两者为同分异构体，联合测定为 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)含量占总PAHs含量的平均百分比分别为1.43%、5.31%、5.83%、5.98%，可能是因为低分子量的PAHs稳定性差，在环境中易被降解[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)含量占总PAHs含量的平均百分比分别3.70%、3.04%、1.35%、1.21%、2.70%、3.05%、4.45%，可能是因为高环PAHs主要附着在颗粒物上，很难被叶片吸收[26]。

2.3 典型树种叶片不同环数PAHs含量

由表2和图4可知，不同环数PAHs在9种绿化树种叶片中所占比例不同，因此叶片对不同环数PAHs的吸收存在种间差异。二环(4.38×10-2～0.25 mg/kg)、三环(6.71×10-2～0.28 mg/kg)、四环(5.03×10-2～0.34 mg/kg)、五环(4.75×10-2～0.22 mg/kg)、六环(1.47×10-2～0.16 mg/kg)PAHs占总PAHs含量的平均百分比分别为 23.76%、28.27%、23.09%、17.38%、7.50%，9种绿化树种叶片中以二环、三环、四环PAHs为主，占总量的75.12%，五环、六环PAHs占总PAHs含量的24.88%。

表1 9种树种叶片中PAHs单体含量

注：相对标准偏差(RSD)均低于15%。下同。

表2 9种树种叶片各环PAHs含量

2.4 叶片PAHs含量与叶片特征的关系

2.4.1 叶片PAHs含量与叶蜡含量的关系 由图5可知，6种绿化树种(海桐、八角金盘、黄杨、桂花、红叶石楠和洒金桃叶珊瑚)叶片总PAHs含量与叶蜡含量之间呈显著正相关关系(P<0.05)。随着叶蜡含量的变大，树种叶片总PAHs含量也变大，相关回归方程为y=0.063 3x+0.592 6。叶蜡是覆盖在叶表面的一层疏水性脂类物质，因此研究结果与Simonich等认为的植物PAHs含量与脂含量显著正相关的结论[27]一致。

采用Pearson相关性分析分析叶蜡含量与不同环数PAHs含量、PAHs单体含量的关系。结果(表3)表明，6种树种叶片叶蜡含量与不同环数PAHs含量无显著相关性，这与叶蜡含量同总PAHs含量呈正相关的结论不一致。叶蜡含量与Pyr含量相关性系数为0.977，呈显著正相关(P<0.05)，与其他PAHs组分无显著相关性。这可能是因为不同PAHs具有的亲脂性大小不同以及外界因素的干扰。

2.4.2 叶片PAHs含量与比叶面积的关系 5种绿化树种(八角金盘叶面积远远大于其他树种，不利于比较分析，因此未计入其数据)叶片PAHs含量同比叶面积呈显著负相关(P<0.05)(图6)，相关回归方程为y=-0.029 5x+1.490 1。随着比叶面积的增加，植物叶片对PAHs的吸收量逐渐下降。比叶面积值越小，相同叶面积下叶片可能越厚。有研究表明，叶片越厚，叶蜡含量越高，亲脂性PAHs更易被吸收[28]。

由表3可知，比叶面积与各环PAHs无显著相关性，与 B(b)F 含量呈显著正相关(P<0.05)，其他单体含量与比叶面积没有显著相关性。这与总PAHs含量与比叶面积呈负相关正好相反，可能是由B(b)F本身的物理化学性质所致。

表3 叶片特征与叶片PAHs相关性分析

注：“*”表示在0.05水平显著相关。

2.4.3 叶片PAHs含量与气孔密度的关系 由图7可知，叶片总PAHs含量与气孔密度之间无显著线性相关关系(r2=0.348 6)。无显著相关性可能是因为气孔开合度受气孔的长宽比及外界条件影响较大，合适的长宽比有利于气孔在气体交换时对PAHs的吸附[10]；温度、表面异物、湿度等也会影响气孔的开合，特别是叶片表面颗粒物的存在，会导致叶片气孔受到不同程度的堵塞[29]。

叶面结构SEM影像显示，被测树种叶片表面覆盖有大量颗粒物堵塞气孔，极大地影响了叶片PAHs的吸收。

6种树种叶片气孔密度与叶片各环PAHs含量无显著相关性(表3)。不同环数PAHs相关性系数有正有负，表明气孔密度对不同环数PAHs影响不同。气孔密度与Pyr含量相关系数为0.955，在0.05水平下呈显著正相关性，可能因为Pyr是四环PAHs，四环PAHs可在气态-固态间相互转化[30]，当颗粒物堵塞气孔时，Pyr较容易脱离颗粒物，以气态的形式被叶片从气孔吸收。

3 结论与讨论

3.1 绿化树种叶片PAHs的含量特征

从9种树种叶片总PAHs含量可知，香樟、女贞、冬青叶片总PAHs含量低于八角金盘、海桐、红叶石楠、洒金桃叶珊瑚、黄杨，其中洒金桃叶珊瑚对总PAHs累积能力最强。9种树种叶片总PAHs含量范围基本上与董瑞斌等研究的植物体内PAHs浓度范围(0.02～1.00 mg/kg)一致[31]。这可能原因是采样点距交通枢纽新庄立交桥均超过300 m，受到机动车尾气污染程度相对较低，植物叶片能在一个相对稳定的环境下积累大气中的PAHs。

9种树种叶片中各PAHs组分的含量不同，NaP、Phe、Fla、B(b)F是叶片主要PAHs组分。刘营等也研究发现，在樟树叶片中，低环数的Acy、Ace、Ant和高环数的BaA、BaP、IcdP、B(ghi)P、DahA等都处于低含量水平[32]。9种树种叶片中PAHs单体含量存在不同程度的差异，可能是因为每种PAHs单体物理化学性质不相同，每种树种叶片组成及结构特征也不同。

9种树种叶片对不同环数PAHs的吸收量也不同。总体来看，树种叶片对二环、三环、四环PAHs的吸收量高于五环、六环PAHs。9种绿化树种叶片中以二环、三环、四环PAHs为主，占总量的70%以上。这是因为在大气中，二环、三环PAHs呈气态，四环PAHs介于气态-固态平衡之间，五环、六环PAHs常吸附于颗粒物上，气态PAHs更容易被叶片吸收[10，33]。

3.2 绿化树种叶片PAHs含量与叶片特征的关系

6种绿化树种叶片总PAHs含量与叶蜡含量之间存在显著正相关关系(P<0.05)。叶蜡是覆盖在叶表面的一层疏水性脂类物质，有机脂类的组成决定了蜡质对PAHs较强的吸附能力。因此本研究与Simonich等的植物PAHs含量与脂含量显著正相关结论[27]一致。

5种绿化树种叶片PAHs含量同比叶面积存在显著负相关性(P<0.05)。比叶面积值越小，相同叶面积下叶片可能越厚。有研究表明，叶片越厚，叶蜡含量越高。当叶蜡含量增加时，亲脂性PAHs更易被叶蜡吸收[28]。

叶片总PAHs含量与气孔密度无显著相关性。这与Cornejo等研究发现气孔密度同叶片PAHs含量存在一定的正相关性的结论[34]不一致。这可能是因为缺乏对环境温度、湿度、表面异物和气孔宽长比等因素的进一步控制，在以后的研究中可以深入探讨。