惠州绿化乔木叶片及其叶面降尘对大气SO2污染的生物监测

1、惠州绿化乔木叶片及其叶面降尘对大气SO2污染的生物监测邱 媛1，管东生1 *，陈 华1，李小燕1，黄 辉2，朱永中2，曾艳芳2，叶新广21. 中山大学环境科学与工程学院/广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，广东 广州 510275；2. 广东省惠州市环境保护监测站，广东 惠州 516000摘要：采用常规采样及碱片挂片法同步监测广东省惠州市大气SO2体积分数，用ICP-AES测定了惠州市不同功能区的2种主要绿化树种大叶榕（Ficus virens Ait var. sublanceolata (Miq.) Corner）、紫荆(Bauhinia blakeana )叶片及其叶面降尘的硫质量分

2、数。结果表明，不同功能区植物叶片和降尘的硫质量分数差异显著，其综合污染指数(PI)以商业交通区、工业区、居住区、清洁区的趋势递减。叶片中硫的质量分数随春、夏、秋季而增长，季节差异显著。植物叶片、降尘中硫质量分数随交通流量的减少而降低。叶片和叶面降尘中硫的质量分数与大气硫酸盐化速率三者显著相关，大叶榕和紫荆与降尘协同生物监测大气SO2的二元数学模型的相关系数分别为R R = 0.990，明显优于植物与硫酸盐化速率监测SO2的常规一元数学模型。表明大叶榕、紫荆叶片及其叶面降尘均可作为城市区域大气SO2污染的有效指示剂，叶片的长期效益和季节效益显著，降尘则短期效益显著；两者协同监测，可靠性和灵敏度更

3、高，应用前景广阔，可为地方和区域环境监测和评价提供参考。关键词：叶片；叶面降尘；硫质量分数；植物监测中图分类号：X173 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）02-0317-06植物组织可吸收富集S等多种污染元素，反应排放源附近元素的输入特征及污染水平1-2。利用植物器官的生物监测作为一种经济可靠的常规监测补充手段，已被国内外广泛运用3-6。许多学者对分布在冶炼厂等污染源附近的苔藓、地衣、蕨类等敏感种，及城市常见行道树的树皮、树叶、枝条等的监测作用都做了大量报道7-10。常规自动监测SO2因造价昂贵，难以普及；碱片挂片静态法测定硫酸盐化速率，因设备简单，投入少，不受气象条件

4、限制，而被推广应用。然而多数研究集中在植物体本身吸收净化能力和大气SO2等的相关关系，缺乏与实际大气污染同步监测的相互验证，其准确性及相关性仍存有争议11。另一方面对植物叶面降尘、植物、大气SO2三者硫质量分数的相关关系，及植物和植物叶面降尘的协同生物监测作用较少报道。植物叶面降尘由于对大风大雨等气象条件的敏感性，可作为区域污染的短期监测指示剂，植物叶片依其生命周期，可作为较长期的污染指示剂。本研究以经济快速发展的惠州为例，选择了亚热带地区常见的绿化乔木，运用碱片挂片野外同步监测，分析了植物叶片、叶面降尘的对S富集作用和硫酸盐化速率，建立了三者关系的生物监测模型，探讨了城市植被叶片、叶面降尘的

5、含硫特征及与大气SO2相互关系；为大气SO2与降尘污染的植物监测提供科学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况惠州市位于东经113°49115°25，北纬22°3328°57之间，广东省东南部，珠江三角洲东北端，与深圳、香港毗邻。境内属南亚热带季风海洋性气候，年平均降雨量1 700 mm，年日照总数2000 h，年平均气温为22 ，全年无霜期达350 d左右。1.2 样品采集（1）采样点(9个)。根据分层随机抽样调查法，按土地利用性质对惠州市进行功能分区布点采样。分别为工业区（IA）3个（寿华科技园、古塘坳工业园、惠城热电厂）；商业交通区（CTA）3个（

6、东平广汕路段、环城西二路、下角中路），居民区（RA）2个（东湖花园四区、紫荆苑），清洁对照区（CA）1个（体育公园），见图1。（2）采样树种（2种）。大叶榕（Ficus virens Ait var. sublanceolata (Miq.) Corner）、紫荆( Bauhinia blakeana )是惠州市较常见的绿化树种。对惠州市内30条主要街道、3个公园、5处公共绿地、5个居住区的绿化树种进行调查统计，结果表明：大叶榕、紫荆两种乔木占全市绿化树种的24.6%，故选取这二类较有代表性树种作为供试树种。图1 惠州市植物叶片与降尘采样点示意图Fig. 1 Sketch map of Sam

7、pling sites in HuiZhou（3）采样方法。叶片采样：2005年7月、10月及2006年4月进行采样。植物体采用梅花型布点，每树种约采集同一高度的成熟健康叶片500 g，样品经纯净水清洗，收集洗净叶片。降尘采样：2005年10月，雨后（降雨量>15 mm ）每隔4 d，共进行5次采样，每树种约采集同一高度的成熟健康叶片500 g，样品经纯净水清洗，用微孔滤膜（f = m）抽滤收集降尘，并收集洗净叶片。（4）同时于2005年9月10月和2006年3月4月在工业区（寿华科技园、古塘坳工业园、惠城热电厂），居民区（东湖花园四区、紫荆苑），清洁对照区（体育公园）进行碱片挂片测定硫

8、酸盐化速率，碱片离地高度5 m。（5）调查各主干道的交通流量。1.3 样品测定（1）清洗干净所采集植物叶样品，于烘箱内70 烘干至恒质量，粉碎过60目筛，称取 g，用HNO3-HClO4法消解。（2）所收集降尘样品于烘箱70 烘干至恒质量，样品过60目筛，称取 g，用HNO3-HClO4法消解，与植物叶片一道用ICP-AES（IRIS Advantage(HR)（美国）Thermo Jarrell Ash Corporation） nm测定硫质量分数，所测结果均为干质量。 （3）碱片挂片采用质量法测定硫酸盐化速率12。测定结果以100 cm2碱片上含SO3质量表示，为计算方便，转化为g

9、3;cm-2·d-1。2 结果与分析 大叶榕与紫荆叶片S 质量分数表1 大叶榕和紫荆叶片S 质量分数Table 1 Sulfur content in leaves of F. virens Ait var. sublanceolata (Miq.) Corner and B. blakeana mg·g-1功能区采样点大叶榕紫荆4月7月10月4月7月10月CTA平均值2.56*3.04*3.66*2.18*2.55*3.12*n=9范围标准差IA平均值2.91*3.13*3.70*2.47*2.80*3.40*n=6范围标准差EP平均值3.24*3.75*4.13*2.8

10、6*3.18*3.87*范围标准差RA平均值2.14*2.70*3.24*1.70*2.03*2.82*n=6范围标准差CA平均值n=3范围标准差*表示P由表1可见，不同功能区大叶榕和紫荆中硫的质量分数差异显著（P < 0.05），除工业区外，同一功能区内各采样点差异不显著。以体育公园为对照，计算其综合污染指数PI，PI=1/n，PI递减趋势为工业区、商业交通区、居住区、对照区。电厂的S质量分数显著高于其他采样点（P < 0.05），两树种叶片全S量均是对照区9倍。而位于商业繁华、交通便利的紫荆苑居住区，也高于车流量较少的东湖花园，其值分别是对照区的倍倍。2种植物叶片S质量分数均随

11、春、夏、秋季节呈递增趋势，在秋季达极大值，且季节差异显著（P < 0.05）。同一采样点内，大叶榕中硫的质量分数显著高于紫荆（P<0.05），即由于个体差异，大叶榕吸收积累SO2污染物的能力较强。表3 植物叶片、降尘中S的质量分数与硫酸盐化速率测定空气SO2的数学模型Table 3 Sulfur content mathematical models between leaf and dust, atmospheric sulfation rate关系树种数学模型模型编号RR2叶-大气-尘大叶榕CFCair Cdustn=6紫荆CBCairdust叶-大气大叶榕CF-l =1.75

12、4+11.985 Cairn=11紫荆CB-l =1.431+11.778 Cair注：Cf、Cb分别表示大叶榕、紫荆叶片含S量，Cair为空气中SO2浓度，Cdust为降尘含S量。2.2 降尘中S及硫酸盐化速率由表2可见，不同功能区叶面降尘的S质量分数差异显著（P < 0.05），同一功能区中，不同采样点差异不明显。以体育公园为参照，计算综合污染指数（PI），结果表明PI随工业区、商业交通区、居住区、对照区的趋势递减。大气硫酸盐化速率测定3个不同功能区的SO2体积分数有显著性差异，其综合指数从大到小为：工业区>居住区>对照区。且同一功能区内，工业区中以古塘坳为最高。居住区内

13、，也以位于闹市的紫荆苑较高。两次挂片测定中，10月质量分数显著高于4月（P < 0.05），说明秋季大气中SO2等硫化物浓度大于夏季。这与夏季多雨、大风等气象条件相关，使大气SO2易于被稀释扩散。秋季干旱少雨，气象条件不利于SO2扩散，从而导致秋季吸收量增多。同时也说明降尘和碱片对大气中SO2体积分数变化反应敏感，均可作为大气SO2污染的指示剂。2.3 植物叶片中S和大气SO2及降尘的数学模型由表3可见，由大叶榕和紫荆叶片与大气、降尘中S质量分数三者拟合的二元生物监测数学模型、（表3）相关性显著（P < ，可认为大气中硫酸盐化速率测定的SO2和降尘中S可解释98.9%和98.0%的

14、大叶榕树和紫荆叶片的S质量分数的变异，说明植物叶中硫大部分来自对大气和降尘的吸收。植物叶片的总硫质量分数与硫酸盐化速率测定大气SO2等硫化物浓度拟合的一元生物监测数学模型 、 相关性也较显著（表3），相关系数达与，表明大气中硫酸盐化速率测的SO2可解释59.2%和60.0%的大叶榕和紫荆叶片硫质量分数的变异，即叶片中大部分硫源于气孔对大气SO2等硫化物的直接吸收。显然，植物和降尘生物监测大气SO2 的模型有很高的相关性，明显优于植物与硫酸盐化速率的一元监测模型，说明植物与降尘的协同监测具有更高的灵敏度与可靠性。2.4 植物叶片、降尘硫质量分数与车流量关系表4 惠州商业交通区采样路口车流量Tab

15、le 4 Traffic density of roads around CTA and CA sampling sites采样路段CTA体育公园广汕路下角中路环西二路高峰车流量（辆·h-1）3173333535741828表2 降尘中硫的质量分数与硫酸盐化速率Table 2 Sulfur content（mg.g -1）in foliar dusts and atmospheric sulfation rate g·cm-2·d-1功能区采样点降尘(n=3)mean±S.D.PId硫酸盐化速率4月10月CTA广汕*下角*环西*IA寿华*c古坳*电厂*R

16、A东湖*紫荆*CA公园注：*为与清洁区比较, 平均值差异显著（P < 0.05）；“”表示因样片破损，无测定结果由表4可知，在商业交通区各交通流量不同的路段及对照区，植物叶片、降尘S质量分数随车流量的减少而降低，车流量最大的环西路植物叶片、降尘S质量分数也最大，但3个路段差异不显著（P > 0.05）。体育公园对照区，车流量和植物叶片、降尘中S的质量分数最小。说明行道树叶片、叶面降尘均可表征交通强度对大气环境的影响。3 讨论许多研究表明，污染地区植物的叶片、年轮、树皮等器官的含S量与大气SO2等污染物浓度显著相关13-14，其中细叶榕叶片中硫的质量分数与大气硫酸盐化速率极显著相关,

17、相关系数R15；夏季、冬季植物叶片与大气硫酸盐化速率的R13。蒋高明也拟合了多种植物的不同器官单相和多器官的复相回归模型，结果表明多器官的模型灵敏度更高16。承德市油松针叶中硫的质量分数与大气SO2的相关系数也达0.784117，荔枝叶片与大气硫酸盐化速率也显著相关，R12。本研究中，植物叶片总硫与硫酸盐化速率测定的大气SO2体积分数相关，大叶榕和紫荆的相关系数分别达0.769与0.775。同时植物叶片、大气降尘的数学模型也显著相关，R为和，说明大气、降尘中S可解释98% 以上的植物叶中S的变异。叶中90% 以上的S来源于叶面对大气S化物和叶面降尘的直接吸收。说明植物叶片和叶面降尘均可作为有效

18、的生物指示剂，二者协同监测，灵敏度更高。沈海等研究表明，我国西南地区大气颗粒物约有74% 的SO42-，15% 的S4+（包括SO32-和颗粒物上吸附的SO2）18，而植物叶面降尘主要来源于交通、土壤扬尘和工业排放等颗粒物沉降19，其中携带大量S化物。据惠州市环境环境保护局编制的20012005年度环境质量报告书显示，2004年惠州酸雨频率为64.95%，2005年为62.0%。与西南地区气候条件相似，惠州大气颗粒中也含70%以上的SO42- 和约10% S4+，SO42-多数与Ca、Fe、Al、Ti等金属结合,难于释放而进入叶肉组织，而S4+ 可直接增加叶面的吸收。本研究结果显示，降尘中S是

19、叶片含S量的1.8倍，降尘上富集的S大部分并未被叶吸收，表明可被吸收的有效态S质量分数较低；另一方面也证明了沈海等的结论，颗粒物中仅有约10%的S化物以S4+的有效态存在，可增加叶肉组织的吸收。且挂片法与植物吸收机制相似，均为测定一段时间吸收积累量，可反映当地大气SO2的污染水平，较自动监测更符合实际。故以植物叶片和降尘及硫酸盐化速率测定结果为基础的生物监测二元数学模型和有很高的可信度，有一定的实用价值，也较叶片与大气的一元模型、有更高的灵敏度与可靠性。植物叶片与叶面降尘的含S特征与其生活环境密切相关，随城市不同功能区表现出不同的敏感性。生活在燃煤电厂周围的植物叶片及叶面降尘含硫量高，并可观察

20、到电厂附近一些植物的可见叶面伤害症状，如叶片失绿，发黄，有虫斑、脱落早等。远离污染源的区域，S质量分数低，如对照区，其叶片和降尘含S量只有电厂的左右。市内行道树及叶面降尘S质量分数随交通流量减少而降低 mg·g-1和3.30 mg·g-1，较工业化程度和交通流量都较高的广东佛山主干道上的大叶榕和紫荆质量分数 mg·g-1与3.53 mg·g-1 20，但比相对清洁的深圳南山区小叶榕的冬季吸S量高（1.282 mg·g-11.442 mg·g-1）12，其值差异与城市的城市化程度及工业化强度趋势一致。说明植物对城市不同功能区及不同交通流

21、量反应敏感，因此植物叶片和叶面降尘均可作为有效的生物指示剂。此外，一定条件下，SO2可进行大尺度迁移21，降尘的传输距离相对较小，因此降尘更能表达该气象条件下的污染状况，具有可靠的区域特征。由于植物叶片的生长周期较长，可表达不同生长季节的环境状况；降尘受大风(风速>17 m·s-1)、大雨(降雨量>15 mm)22气象条件影响较显著，以两次大风大雨为时间间隔，可指示较短期间的污染特征。植物叶片和降尘依其不同的时间和空间差异，有不同的指示特性与优点。并且大叶榕和紫荆都是华南亚热带区域常见的绿化乔木，极易获得，有着广泛的应用前景。4 结论 惠州市不同功能区的绿化树种大叶榕和紫

22、荆叶片和叶面降尘的硫质量分数差异显著，其综合污染指数PI基本表现为以商业交通区>工业区>居住区>清洁区；但同一功能区内各采样点无显著性差异。植物叶片S质量分数季节差异显著，秋季最高，大叶榕硫质量分数显著高于紫荆。植物叶片、叶面降尘和硫酸盐化速率三者相关性显著，植物与降尘协同监测大气SO2的二元数学模型为，大叶榕：CFCair Cdust（R=0.995，n=6），紫荆：CBCairCdust （R=0.990，n=6）；植物叶片与大气硫酸盐化速率的常规一元数学模型分别为，大叶榕：CF-l =1.754+11.985 Cair（R=0.769，n=11），紫荆：CB-l =1.

23、431+11.778 Cair（R=0.775，n=11）；二元模型明显优于一元模型，相关性更高。大叶榕、紫荆叶片和叶面降尘均可作为城市区域污染的有效指示剂，叶片的长期效益和季节效益显著，降尘则以两次大风和大雨间隔为期间的短期效益显著；二者协同作用具有更高的灵敏度度和可靠性。参考文献：1 LAU O W, LUK S F.Leaves of Bauhinia blakeana as indicators of atmospheric pollution in Hong KongJ. Atmospheric Environment, 2001, 35: 3113-3120.2 TURUNEN M

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41、nal methods, sampling and static suspending piece absorption, to biomonitor the sulfur contents in atmosphere and foliage of Ficus virens Ait var. sublanceolata ( Miq. ) Corner. and Bauhinia blakeana in Huizhou city, Guangdong province. The foliar dust of the two plants was determined by ICP-AES. The sulfation rate was measured by the weight of sulfate from differe