大气降尘污染对典型农作物生长发育及重金属含量的影响

索 晨，罗小三，赵 朕，孙 雪，张 丹，陈 燕

(南京信息工程大学 应用气象学院，江苏省农业气象重点实验室，大气环境与装备技术协同创新中心， 江苏 南京 210044)

大气环境中粒径较大(空气动力学直径>10 μm)的颗粒物因自身重力或风力搬运等形式自然沉降到地表而形成的沉积物被称为大气降尘[1]。它是地球表层“地-气”系统物质交换的一种形式，可反映大气颗粒物的自然沉降量，具有重要的环境指示意义[2-3]。近年来，随着工业化与城市化的迅猛发展，大气颗粒物污染在我国已经成为突出的环境问题[4-5]。大气降尘污染作为大气颗粒物污染的重要表现形式，对环境和生态系统都有重要影响。

植物叶片的表面特征，如叶表绒毛、叶表蜡质层和吸湿性等，对大气降尘具有很强的吸附滞留能力。长期暴露于大气环境中的植物叶片会对大气降尘进行阻滞和吸收[6-10]，形成叶表滞尘。由于植物叶片是植物进行新陈代谢和多种生理生化反应的载体器官，叶表沉积的大气降尘会通过阻塞气孔等方式影响植物的光合作用等一系列重要的生理生化反应，从而造成农作物生产力下降，进而导致农田减产[11-12]。同时，大气降尘中的重金属易沉积在农作物、土壤和水环境中，通过食物链的传递和累积，对农产品安全品质和人类健康造成严重危害[13-17]，是大气污染效应的重要形式之一。大气降尘中的重金属成分对农作物体内重金属含量产生影响主要通过2种途径：一是通过沉降到农作物茎叶表面，直接被吸收进入植物体内；二是通过污染农作物周围的土壤和水体，被根系吸收而进入农作物体内[18-19]。农作物体内的重金属会通过食物链传递和积累，最终进入人体。

青菜和水稻是我国居民的主要蔬菜和粮食作物，其重金属含量直接关系作物品质和人体健康。研究大气降尘污染对青菜和水稻重金属含量的影响，对保障农产品品质安全和人体健康具有积极意义。本研究以3种来源的大气降尘，和青菜、水稻这2种典型农作物为研究对象，通过室内盆栽试验，人工模拟不同程度的大气降尘污染，通过监测分析农作物光合与呼吸特性、叶绿素含量、干物质质量，以及地上部分重金属含量等各项指标，探究大气降尘对青菜和水稻生长发育和重金属积累的影响，旨在为大气降尘污染背景下的农作物安全生产提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及水培营养液

供试土壤取自江苏省南京信息工程大学校内农业气象试验站(118.70°E，32.2°N)，土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属。耕层土壤的质地为壤质黏土，全氮和有机碳的含量分别为1.5 g·kg-1和19.4 g·kg-1，土壤pH值为6.2，黏粒含量26.1%，供试土壤中重金属含量如表1所示，均未超过江苏省土壤元素背景值[20]。土样经风干、粉碎、去除植物残体后，过5目筛混匀备用。

水培营养液根据木村B水稻营养液配方配置，配置完成后充分摇匀备用。

1.2 作物品种及种植方式

青菜(Brassicachinensis)品种为丰邦四月白，种植方式为土壤盆栽。将内径15 cm、高12 cm的试验盆钵按每盆1.5 kg土样与2.0 g复合肥(N-P-K，5%-2%-4%)的比例充分拌匀后装盆，保持各盆土壤肥力基本一致。浇水沉实后，每盆播撒经20% H2O2浸泡24 h的种子15粒，两叶期定苗，选择长势均一的植株，每盆留苗5株，共30盆。定苗后放置于透光、防雨、有通风口的玻璃温室中，试验期间每天每盆浇去离子水10 mL，保持试验期间各盆土壤水分一致。

水稻(Oryzasativa)品种为荃两优123，该品种为籼型三系杂交水稻，种植方式为水培盆栽。水稻种子经20% H2O2浸泡24 h后置于海绵育苗盘上育苗，两叶期后，选择长势均一的植株用定植棉将其移栽至注满营养液的锥形瓶中，共21瓶。锥形瓶高8 cm，底部直径5 cm，营养液每3 d更换一次。所有水培水稻植株均放置于培养箱中，环境设定与外界条件保持一致。

1.3 降尘采集

为研究不同来源的大气降尘对农作物的影响，考虑到风力搬运和雨水冲刷，为确保大气降尘有足够的沉积量，本研究在采集降尘时已经历一个月左右的晴朗天气。用洗净烘干的塑料软毛刷和簸箕分别于十字路口各方向的道路两侧、建筑工地扬尘下风向的僻静处和工业区附近校园的僻静处(楼顶、窗台等)采集降尘，分别代表交通源、工地源和综合源3种来源的大气降尘类型。降尘采集完毕、去除动植物残体等杂质后，过100目筛备用。本研究过程中使用的所有试验器材均为塑料和尼龙制品，用以排除金属元素的污染问题。

表1 供试土壤的重金属元素含量及其土壤背景值

Table1Contents of heavy metal elements in test soil and according background values

mg·kg-1

1.4 试验处理

本研究利用湿法滞尘进行不同降尘量的人工模拟自然降尘。分别称量2.5、5.0、10.0 g处理后的降尘置于烧杯内，注入1 L去离子水，充分摇匀，制备成浓度分别为2.5 g·L-1(Ⅰ)、5.0 g·L-1(Ⅱ)和10.0 g·L-1(Ⅲ)的降尘处理液。根据《2017年南京市环境状况公报》，试验地月平均降尘量为5 t·km-2。因此，对于单个盆栽，施加10 mL不同试验浓度的降尘处理液，按浓度由低到高分别代表实际月降尘量的50%、100%和200%。使用注射器吸取10 mL降尘处理液滴润于作物叶片表面，确保降尘处理液全部或大部留滞在作物叶片或茎秆上。青菜和水稻三叶期后进行第一次降尘处理。每3 d进行一次降尘处理，共10次。每组处理重复3次，并设置空白对照组CK(不含降尘去离子水)。

1.5 指标测定

将降尘样品放入聚四氟乙烯塑料消解管内，采用HNO3-HClO4-HF湿法电热消解，消解至近干，使用5%(体积分数)硝酸定容至10 mL，过滤后置于15 mL离心管中待测。消解后样品使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，PerkinElmer公司，美国)测定Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Zn等重金属元素含量，为确保分析准确性，质量控制中引入重复、空白和标准样品(美国，NIST SRM 1648a，城市颗粒物)。

对2种作物，均从第1次降尘处理后每10 d进行1次光合指标的测定，各测定3次。对每株作物挑选1片完整、滞尘较为均匀的叶片，使用便携式光合仪( Li-6400，LI-COR公司，美国)观测叶片的光合和呼吸特性。样品收获前使用手持式叶绿素仪(SPAD-502，KONICA MINOLTA公司，日本)测定叶片叶绿素含量。

降尘处理30 d后收获作物样品。取作物地上部分别依次使用自来水、超纯水清洗，在105 ℃条件下杀青15 min，然后在60～65 ℃烘箱内烘至恒重。称量后，使用粉碎机将其粉碎，贮存备用分析。植株样品采用HNO3微波消解处理后，ICP-OES测定Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Zn等重金属元素含量，为确保分析准确性，质量控制引入重复、空白和标准样品(大米 GBW10043、芹菜 GBW10048)。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2016制作图表，在SPSS 17.0软件上进行单因素方差分析，对有显著差异(P<0.05)的处理，使用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同来源的大气降尘中重金属元素含量

为了探究不同来源的大气降尘对农作物生长发育和重金属元素含量的影响，采集了3种来源的大气降尘，并分别测定其中的重金属元素含量，结果如表2所示。元素Fe、Mn在交通源降尘中的含量最高，元素Co在工地源降尘中的含量最高，元素Cd、Cu、Zn在综合源降尘中的含量最高。元素Cd、Co、Cu、Zn在3种来源的大气降尘中的含量均超过了江苏省表层土壤背景值[20]。

表2 不同来源的大气降尘中重金属元素含量

Table2Contents of heavy metal elements in atmospheric dust-fall from different sources

mg·kg-1

综合源大气降尘采样点周围虽无明显点源污染，但由于长期的工业排放沉降，依然表现出较高的重金属含量特征。

2.2 不同来源的大气降尘对青菜和水稻幼苗光合速率的影响

作物净光合速率采用1 200 μmol·m-2·s-1光照强度下测得的净光合速率表示。两种作物受降尘处理后，在不同时期测定的叶片净光合速率结果如图1所示。经大气降尘处理后，2种作物叶片的光合作用均受到抑制，不同处理的作物叶片的净光合速率较未经降尘处理的叶片均显著降低(P<0.05)，青菜叶片净光合速率的下降程度为26.4%～50.7%，水稻叶片净光合速率的下降程度为20.9%～48.4%。随着降尘处理液浓度提升，作物叶片净光合速率呈下降趋势。不同来源的降尘对青菜叶片净光合速率的抑制情况从高到低总体表现为工地源>综合源>交通源，对水稻叶片净光合速率的抑制情况从高到低总体表现为综合源>工地源>交通源。

2.3 不同来源的大气降尘对青菜和水稻幼苗呼吸速率的影响

本研究以光强为0时净光合速率的绝对值代表作物叶片的呼吸速率。降尘处理后，在不同时期测定叶片呼吸速率，结果如图2所示。经大气降尘处理后，2种作物叶片的呼吸速率均得到促进，不同处理的作物叶片的呼吸速率较未经降尘处理的叶片均显著(P<0.05)提升。总体来看，不同来源降尘对青菜叶片呼吸速率的促进程度从高到低表现为工地源>交通源>综合源，对水稻叶片呼吸速率的促进程度从高到低表现为工地源>交通源>综合源。

2.4 不同来源的大气降尘对青菜和水稻幼苗叶片叶绿素相对含量的影响

大气降尘处理后，2种作物叶片的叶绿素相对含量均显著(P<0.05)下降(表3)，且随着处理液降尘浓度的提升，两种作物叶片的叶绿素相对含量均呈下降趋势，青菜叶片叶绿素相对含量的下降程度为30.0%～36.6%，水稻叶片叶绿素相对含量的下降程度为13.2%～19.4%。不同来源降尘对青菜叶片叶绿素相对含量的负面影响从高到低总体表现为工地源>交通源>综合源，对水稻叶片叶绿素相对含量的负面影响从高到低总体表现为综合源>交通源>工地源。

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.图1 不同大气降尘处理下青菜(a)和水稻幼苗(b)叶片净光合速率Fig.1 Photosynthetic rate of pakchoi (a) and rice seedling (b) leaves under different atmospheric dust-fall treatments

图2 不同大气降尘处理下青菜(a)和水稻幼苗(b)叶片呼吸速率Fig.2 Respiration rate of pakchoi (a) and rice seedling(b) leaves under different atmospheric dust-fall treatments

2.5 不同来源的大气降尘对作物地上部分生物量的影响

大气降尘处理后，2种作物地上部分的干物质质量均显著(P<0.05)下降(表4)，且随着处理液降尘浓度的提升，2种作物地上部分的干物质质量均呈下降趋势，青菜地上部分干物质质量的下降程度为11.8%～51.3%，水稻叶片地上部分干物质质量的下降程度为12.7%～35.5%。不同来源降尘对青菜地上部分生物量的负面影响从高到低总体表现为工地源>综合源>交通源，对水稻地上部分生物量的负面影响从高到低总体表现为综合源>工地源>交通源。

2.6 不同来源的大气降尘对作物地上部分重金属元素积累的影响

不同来源的大气降尘处理后，青菜地上部的重金属含量见表5，水稻地上部的重金属含量见表6。大气降尘处理后，作物地上部的重金属元素Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Zn含量均呈上升趋势，且元素含量随着处理液降尘浓度的增加而增加。降尘处理下，除高浓度的交通源处理(交通-Ⅲ)外，其他处理对青菜地上部Cd含量的影响不显著。综合源降尘处理显著(P<0.05)影响了青菜地上部分元素Co、Cu的含量，工地源降尘处理显著(P<0.05)影响了青菜地上部分Fe元素的含量，工地源和综合源降尘处理均显著影响了青菜地上部分元素Mn、Zn的含量。降尘处理对水稻地上部Cd含量影响不显著，综合源降尘处理显著(P<0.05)影响了水稻地上部Cu的含量，工地源和综合源降尘处理均显著(P<0.05)影响了水稻地上部Zn含量，3种来源的降尘处理均显著(P<0.05)影响水稻地上部Co、Fe、Mn含量。

表3 不同大气降尘处理下作物叶片的叶绿素相对含量

Table3Relative chlorophyll content of crop leaves under different atmospheric dust-fall treatments

降尘来源Sources of dust-fall青菜叶片SPAD值 SPAD value of pakchoi leavesCKⅠⅡⅢ水稻叶片SPAD值SPAD value of rice leavesCKⅠⅡ交通Traffic source42.4±1.79 a32.0±0.74 b28.6±1.23 c23.6±0.62 d37.9±0.67 a32.9±1.40 b30.8±0.98 b工地Construction source42.4±1.79 a30.0±0.78 b26.4±1.53 c24.2±1.83 c37.9±0.67 a34.2±1.32 b31.6±1.60 b综合Complex source42.4±1.79 a31.6±0.34 b30.7±0.85 b26.7±0.88 c37.9±0.67 a32.8±0.94 b28.3±0.98 c

同行数据后无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。青菜、水稻分开比较。下同。

Data marked without the same letters indicated significant difference within the same row atP<0.05. Data were compared within pakchoi cabbage and rice， respectively. The same as below.

表4 不同大气降尘处理下作物地上部分的干物质质量

Table4Dry weight of aboveground part of crops under different atmospheric dust-fall treatments

g

表5 不同大气降尘处理下青菜成熟期地上部的重金属含量

Table5Heavy metal contents in aboveground part of pakchoi under different atmospheric dust-fall treatments

mg·kg-1

表6 不同大气降尘处理下水稻幼苗地上部的重金属含量

Table 6Heavymetalcontentsinabovegroundpartofriceseedlingunderdifferentatmosphericdust-falltreatments

mg·kg-1

3 讨论

叶绿素含量是影响植物进行光合作用的主要因素，植物光合作用与呼吸作用是影响农作物干物质积累的关键过程。本研究基于大气降尘的模拟盆栽试验，检测了大气降尘影响下2种农作物的叶绿素含量、光合作用、呼吸作用和地上部干物质质量这4项生理指标，统计分析了2种农作物在不同来源不同程度大气降尘处理下上述4项指标的变化。结果表明，大气降尘处理使农作物净光合速率显著下降，呼吸速率显著上升，叶绿素相对含量显著下降，最终导致地上部分生物量显著下降，但不同来源降尘的影响不同。前人研究表明：大气降尘沉积于作物表面可直接损伤叶表，也可堵塞叶片气孔，干扰作物光合、蒸腾和呼吸作用的正常进行[21]。不同来源大气降尘对植物光合作用的抑制程度不同，与降尘的粒径和植物体叶表的微观形态有关[22]。大气颗粒物中携带的有毒有害物质被植物吸收后会影响叶片蛋白质含量[23]，进而降低叶绿素浓度及其活性[24]。大气降尘对植物呼吸作用的促进效果则可能是由植物叶表滞尘引起的叶温升高所导致的[25]。本研究中，在受到降尘影响后，2种作物的呼吸作用强度呈上升趋势，该结果导致作物在整个试验过程中消耗更多的有机质，不利于干物质的积累。最终在光合作用减弱、呼吸作用增强的共同影响下，2种作物地上部分的干物质质量呈下降趋势。

Zn、Mn等金属元素是人类进行正常生理活动所必需的微量元素，但当其在人体内浓度过高时，与Pb、Cd等重金属元素一样会对人体健康产生不良影响[26]。农作物生长发育过程中从外界环境吸收的重金属元素最终都将通过食物链富集到人体。近年来众多研究表明，大气降尘是农作物重金属污染的重要来源[27-30]。本研究通过对不同来源不同浓度的大气降尘处理后农作物体内重金属元素含量的检测分析表明，大气降尘污染使农作物体内Co、Cr、Cu、Mn、Zn含量呈现不同程度的上升趋势，但不同来源的大气降尘对农作物体内各种元素含量的影响程度不同。深入开展相关源解析研究，探究降尘来源与元素含量的具体关系对保障农产品安全生产具有重要意义。青菜地上部分是其主要食用部分，重金属含量的上升必将对其品质造成不良影响；水稻幼苗地上部分主要为秸秆，并不直接被人体食用，关于不同来源降尘对水稻籽粒中重金属积累的影响还有待进一步研究。