黑龙江呼中自然保护区高山珊瑚枝假果柄不同部位的元素组成

吴园园,高 静,赵润康,陈庆芝,柳燕云,张佳林,刘晓迪,康志娟,刘爱琴*,刘华杰*

(1.河北大学生命科学学院,中国河北 保定 071002; 2.河北省地质实验测试中心,中国河北 保定 071051)

大气污染的地衣监测(lichen biomonitoring)是指通过地衣体内元素组成变异来评估大气元素沉降程度及其时空格局并解析污染物的源汇关系,该方法的有效性和可靠性已获大量研究证实[1～3]。地衣对大气沉降元素具有较高的生物积累(bioaccumulation)能力,且其元素含量与环境元素有效性特别是大气沉降之间也存在良好的正相关关系[1,3]。但是,地衣对某种元素的积累量,除与环境输入有关外,还受以下因素的影响：地衣种类[4]、地衣体大小和年龄[5]、地衣的形态学和生理学特征[6～7]以及地衣与基物的交互作用等[8～9]。

不同年龄的地衣体其大小、形态学和生理学特征不同,从而导致地衣体内元素积累水平的变化。已有研究发现了元素积累水平随地衣年龄增长而增高的直接证据：树生枝状地衣Evernia prunastri 的地衣体越大,其地衣体内元素含量就越高[5]。地衣元素组成的年龄效应(age effect)与元素种类有关：生理活性元素常从代谢活性较低的年老组织转运至生理活性更高的年轻组织[10],从而使其在后者中呈现更大的积累量[11～12];年老组织年龄更长,往往因暴露于环境输入的时间更长而积累更高含量的生理代谢意义不大的元素[12～14]。

地衣年龄效应在大气元素沉降的地衣监测中非常重要,因为不同部位的选择会影响不同监测研究之间的结果可比性。但是,此类研究较少,可大致分为两类：1) 主要以壳状或叶状地衣为材料,关注矿质元素沿地衣横切面在不同组织(自皮层至髓层)中的分布格局,其目的是阐明元素吸收和转运机制[15～17]; 2) 主要以树生叶状地衣为材料[2,11～14],关注化学元素组成的分布格局与地衣年龄的关系,但该关系在树生枝状地衣[12]和土生枝状地衣[18]中所知甚少。我国大气污染的地衣监测研究所用物种多为石生和树生叶状地衣[19～21],并未涉及地衣元素组成的年龄效应。

本研究以无污染生境中的土生枝状地衣高山珊瑚枝(Stereocaulon alpinum)为材料,比较了高山珊瑚枝中 55 种化学元素(Ag、Al、As、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、P、Pb、Pr、Rb、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Yb 和 Zn)在次生地衣体假果柄的顶部、中部和基部的含量差异,以检验以下假设：地衣体内元素积累量与地衣体部位有关,代谢意义重大的元素在顶部积累水平较高,代谢意义甚小的元素在地衣体基部积累水平最高。本研究是相关研究中检测元素种类最多的研究之一,也是我国地衣元素组成在不同部位分布格局的首次研究。

1 材料和方法

1.1 样品采集

黑龙江呼中国家级自然保护区位于大兴安岭腹地,属寒温带大陆性季风气候,年均降水量497.7 mm,平均气温-4.4 ℃,为典型的中国北方寒温带针叶林生态系统。保护区内无明显的工业、农业和矿业活动,大气污染水平低,地衣物种丰富。

2017年8 月8 日,在保护区内的一个典型山地森林生态系统中采集样品。采样点(51°47＇03＇＇N,123°00＇48＇＇E)海拔 773 m,植被以落叶松 Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.,林下灌木杜香Ledum palustre L.、越桔 Vaccinium vitis-idaea L.、兴安杜鹃 Rhododendron dauricum L.,以及东北桤木Alnus mandshurica (Callier ex C.K.Schneider) Handel-Mazzetti 为主。于面积约为 (100×100) m2的地上,随机徒手采集高山珊瑚枝地衣体＞50 个。样品置于密封的纸袋中,风干后待测。由于生境异质性会对地衣元素含量产生影响,为了尽可能减少这种影响,我们限制了采样面积。事实上,欧洲联合经济委员的《大气污染对自然植被和农作物影响的国际合作项目》(UNECE ICP Vegetation)规定了大气污染的藓类植物监测法的若干原则,其中推荐藓类样品的采集面积应限制在(50×50) m2内,并采集5～10 个子样品混合成1 个综合样品[22]。这一采样原则在地衣生物监测中也有应用,如在多个地点的比较中,每个地点的土生地衣Cladonia rangiformis 采样面积为(50×50) m2[23],Cladonia stellaris的采样面积为100 m2[24]。

高山珊瑚枝常见于灌木间地上,其初生地衣体极度退化,次生地衣体为枝状的假果柄,一般高约5 cm。本研究之所以选择该地衣,一方面是其分布较广,对我国东北山地森林生态系统中的土生枝状地衣的元素组成具有较强的代表性; 另一方面是该属地衣曾用于环境元素污染监测[25～26],其数据可供比较。

1.2 样品处理与地衣元素分析

于解剖显微镜下,小心去除地衣表面杂物和可见土壤/岩屑颗粒物。选取高度约5 cm 的假果柄,随机分为6 组,每组由4～5 个假果柄组成。每个假果柄用塑料刀片切分为顶部(0～1 cm)、中部(1～3 cm)和基部(3～5 cm)。将 18 个样品(6 重复×3 部位)置于70 °C 烘箱中干燥72 h,用研磨仪(Retsch MM400; Retsch GmbH,Haan,Germany)研磨和混匀样品,密封待测。

取 200～300 mg 样品,用 HNO3-H2O2进行微波消解。用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS;Agilent 7700X; Agilent Technologies,Tokyo,Japan)测试 55 种元素(Ag、Al、As、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、P、Pb、Pr、Rb、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Yb 和Zn)的含量。元素含量以μg/g 干重表示。测试中,用标准物质IAEA-336 (地衣)、GBW10014(圆白菜)、GBW10015 (菠菜)和 GBW10052 (绿茶)进行质量控制。质量控制结果表明,分析精度一般＜10%,测试结果与标准值和/或建议值一致。样品消解和元素测试于河北省地质实验测试中心进行。

1.3 统计分析

用Shapiro-Wilk test 检验每个元素的含量数据是否符合正态分布(α=0.05)。对含量数据符合正态分布的元素,以变异系数(coefficient of variation,CV)表示数据的离散程度,即CV=SD/mean×100%,其中SD 为标准偏差(standard deviation)。若数据不符合正态分布,则使用CV＇表示数据的离散程度。CV＇=(Q3-Q1)/(2×median)×100%,其中 Q3 为上四分位数,Q1 为下四分位数。

用重复测量的单因素方差分析(repeated measures one-way analysis of variance)检验每个元素的含量在地衣体不同部位之间的差异显著性。分析中,用Levene’s 检验确认方差齐性。如果数据不能通过Mauchly’s 球形检验,则用 Greenhouse-Geisser 校正。采用Bonferroni 校正法进行多重比较。所有统计分析在SPSS 13.0 (IBM Corp,Armonk,NY,USA)中完成。

2 结果

2.1 元素含量和变异

部位混合数据(combined data of all parts)中55 种元素的含量统计值见表1,仅7 种元素(Ag、Cd、Cs、K、P、S 和 Zn)的含量为正态分布,8 种元素(Al、Mo、Nb、Rb、Se、Ti、Tl 和 Tm)的含量为对数正态分布,其他元素(40/55)的含量既非正态分布也非对数正态分布,故给出各元素含量的中值Med、最小值 Min 和最大值 Max。

图1 显示了高山珊瑚枝中55 种元素的含量变异。在部位混合数据中,高山珊瑚枝45% (25/55)的元素(Al、Ba、Be、Ce、Cr、Dy、Eu、Fe、Gd、Ge、Ho、La、Li、Lu、Nd、Pr、Sc、Si、Sm、Sn、Th、U、V、Y 和Yb)含量变异较大(CV＇：70%～102%),31% (17/55)的元素(As、B、Bi、Co、Er、Mg、Na、Nb、Ni、Pb、Rb、Sb、Sr、Tb、Ti、Tl 和 Tm)含量变异适中(41%～69%),13%(7/55)的元素(Ag、Ca、Cs、Hg、Mn、Mo 和 Se)含量变异较小(24%～39%),11% (6/55)的元素(Cd、Cu、K、P、S 和 Zn)含量变异极小(10%～20%)。当将数据按部位分别统计时,除中部的2 个元素(Dy 和U)之外,3 个部位的所有元素均呈正态分布; 绝大多数元素的含量变异很小(CV＜25%),远低于部位混合数据的变异。

表1 高山珊瑚枝的元素含量Table 1 Element concentrations in S.alpinum /(μg·g-1)

图1 高山珊瑚枝中55 种元素含量的变异分析(a) 部位混合数据(n=18); (b) 各部位数据,其中各元素的3个条形从上至下分别代表顶部、中部和基部的CV (n=6)。Fig.1 Concentration variations of 55 elements in S.alpinum(a) Combined data of all parts (n=18); (b) Data of each part,and the three bars from top to bottom for each element denote CVs of the apical,middle and base parts(n=6),respectively.

2.2 重复测量的单因素方差分析

图2 给出了高山珊瑚枝中55 种元素在3 个部位的含量差异的分析结果。该结果表明,47 种元素(Al、As、B、Ba、Be、Bi、Ce、Co、Cr、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、Pb、Pr、Rb、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y 和 Yb)的含量在基部最高,在顶部和中部的差异通常不大,基部元素含量一般为顶部和中部的2～3 倍。Cd 和Cs 在顶部的含量低于基部。另外,Ag、Cu 和Zn 3 种元素的含量在中部较低,Ca、P 和S 3 种元素的含量在3 个部位之间差异不显著。

3 讨论

3.1 大气沉降程度

本研究数据(表1)与相关研究的比较结果表明研究区域的大气元素沉降水平较低。高山珊瑚枝顶部的元素含量低于相关研究中地衣元素含量的“背景值”或者“基线值”或在其变化范围内。与土耳其的土生枝状地衣C.rangiformis 的元素含量平均值[23]相比,本研究的顶部元素含量较低,如Cd (本研究 0.053 μg/g vs.土耳其 0.313 μg/g)、Cr(1.280 vs.5.513)、Cu (2.266 vs.3.091)、Pb (1.944 vs.6.947)、Zn (17.68 vs.30.47)。与喜马拉雅山区域的多种地衣的元素含量平均值[27～28]相比,本研究中顶部的多种元素的含量较低,如As (本研究0.430 vs.喜马拉雅 0.575)、Cd (0.053 vs.0.067)、Ce (1.761 vs.3.553)、Co (0.336 vs.0.736)、Cr (1.280 vs.2.927)、Cs (0.501 vs.0.971)、Cu (2.266 vs.6.856)、Fe (852.9 vs.1 347)、K (3 174 vs.4 561)、La (0.921 vs.1.587)、Mg (372.8 vs.2 636)、Pb(1.944 vs.14.49)、Rb (5.660 vs.14.13)、Sb (0.040 vs.1.240)、Sc (0.204 vs.0.492)、Se (0.154 vs.0.442)、Sm (0.131 vs.0.353)、Th (0.452 vs.0.813)、U (0.089 vs.0.780)、V (2.036 vs.2.253)和Zn (17.68 vs.35.77)。与北极地区的多种地衣的元素含量平均值[29]相比,本研究中顶部的元素含量也较低,如As (本研究0.430 μg/g vs.北极地区0.620 μg/g)、Cd(0.053 vs.0.298)、Co(0.336 vs.1.150)、Cr (1.280 vs.4.761)、Cs (0.501 vs.7.051)、Cu (2.266 vs.7.536)、Ni (0.719 vs.3.563)、Pb(1.944 vs.16.29)、Zn (17.68 vs.47.51)。此外,本研究的顶部元素含量也低于意大利偏远地区的树生枝状地衣(Pseudevernia furfuracea、E.prunastri、Usnea gr.hirta)[30～34]、加拿大北部偏远地区的多种地衣[35]、西西伯利亚北部偏远地区的C.stellaris 和C.rangiformis[24]的研究结果。

与顶部元素含量的比较结果不同,高山珊瑚枝基部的元素含量一般高于上述文献中的“背景值”或“基线值”或在其高数值范围内; 但除部分元素(Al、As、Cr、Fe、Mn、Ti 和 V)之外,多数元素的含量低于“污染区”的相关数据。例如：与日本矿区 Stereocaulon exutum 的元素含量[25]相比,本研究的基部元素含量较低,其中Zn、Cu、Pb 在本研究高山珊瑚枝基部的含量依次为25.11 μg/g、3.316 μg/g 和 6.091 μg/g,而在日本矿区 S.exutum 中的含量依次为 33.60 μg/g、6.510 μg/g 和12.00 μg/g。进一步将本文的检测数据与意大利污染区[31,33,36]的元素含量数据比较,也得出相同的结果,如 Cd(本研究 0.055 μg/g vs.意大利 0.120 μg/g)、Cr (4.349 vs.8.700)、Cu (3.316 vs.9.400)、Ni (2.291 vs.3.500)、Pb(6.091 vs.9.700)、Sb(0.133 vs.0.440)、Zn (25.11 vs.52.90)。此外,本研究的基部元素含量也普遍低于法国[37～38]、土耳其[23]和我国燕山-太行山区[19～21]的报道结果。

图2 高山珊瑚枝元素含量的垂直格局不同大写字母表示特定元素的含量在不同部位之间差异显著(P＜0.05; 重复测量的单因素方差分析; Bonferroni 校正;n=18)。实线表示顶部/基部的比率,点线表示中部/基部的比率,断线表示基部/基部的比率。Fig.2 Vertical distribution patterns of concentrations for 55 elements in S.alpinumDifferent capital letters indicate significant concentration differences among 3 parts for an element (P＜0.05; repeated measures one-way ANOVA; Bonferroni correction; n=18).The solid line denotes concentration ratios of apical/base parts,the dotted one denotes concentration ratios of middle/base parts and the broken one denotes concentration ratios of base/base parts.

3.2 垂直分布格局

表1 和图1 的数据清晰地表明各元素含量的变异程度在部位混合数据中高于各部位数据,提示元素含量在部位之间具有较大差异。而且,重复测量的单因素方差分析结果也证实了这一点：52 种元素的含量在部位之间具有显著差异(图 2)。

在含量及变异均具有部位差异的Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、Pb、Pr、Rb、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y 和 Yb 49 种元素中,绝大多数元素在地衣生理代谢上意义不大,如 Al、As、Cr、Fe、Pb、Si、Ti 和16 种稀土元素。它们的含量在基部一般是顶部和中部的2～3 倍(图2)。需要注意的是,在这些元素中,虽然绝大多数元素的含量变异在3个部位中一般较小(CV＜25%;图1),但中部多数元素含量的变异幅度明显高于其他部位,这表明地衣体中部可能不太适合大气元素沉降的地衣监测法研究。

此外,49 种元素含量的年龄效应与以往相关研究的结果相似。Cladonia arbuscula 地衣的果柄中,Fe 和Pb 在基部的含量较高[39]。叶状地衣中,大部分元素的积累量在年老部位高于年轻部位[12～14]。树生叶状地衣Flavoparmelia caperata年老部位的Al、Br、Cl 和 V 含量比年轻部位更高[12]。这些研究将元素含量的这种部位格局归因于：1) 人类活动源元素在地衣体内积累量随暴露时间延长而增高; 2)年老部位的离子交换能力较强,具有更强的元素持留能力[11]。

除上述 49 种元素外,Ag、Cu 和 Zn 3 种元素的含量在中部最低,Ca、P 和S 3 种元素的含量在3 个部位之间差异不显著。而在这6 种元素中,除Ag 之外,其余均为地衣生长所必需的营养元素。以上信息表明地衣体内的营养元素存在向生长旺盛的顶端转运的行为。这种格局与其他研究基本一致。比如：在C.arbuscula 地衣的果柄中,营养元素 Zn、N、P、K 和 Mg 在顶部的含量较高[39]; 在F.caperata 和 E.prunastri 中,K 和 Mg 在年轻部位的积累量更高[12]; 在Physcia biziana 中,K 和Mg含量在部位之间无明显差异[11]。这些研究均将这种垂直格局归因于营养元素在地衣体内的转运行为。

元素的垂直分布格局不应归因于局域生境条件的变化和地衣个体之间的变异,因为本研究采用的小面积随机采样方法已将局域内部变异控制至较低水平：大部分元素的变异系数在3 个部位均＜25%(表1)。其实,无论地衣体内的元素呈何种分布格局,在地衣样品处理中均需重视取样部位的选择,而较早期的研究对此问题常重视不够[40]。虽然有的研究认为年轻部位的结果与全地衣体相比会低估元素含量[41],但近期的研究多数以年轻组织为材料[6,31]。本文结果表明,高山珊瑚枝中的元素含量及其变异存在部位差异,元素含量在各部位间的变异幅度小,远小于部位混合数据的变异。因此,在大气元素沉降的地衣监测中需选择相同的地衣体部位以降低地衣年龄的影响。

4 结论

高山珊瑚枝S.alpinum 假果柄不同部位的55 种元素组成结果表明,研究区域属大气元素低沉降区,元素组成在地衣体不同部位间存在差异。地衣基部与顶部和中部相比,积累了更多的代谢意义较小的元素,反映了元素的积累量随暴露时间延长而增高的趋势。部分营养元素在部位间差异不大或在中部最低,是营养元素向生长旺盛的顶端转运的行为反映。