南京市行道树树木轮重金属元素含量的变化与城市环境污染的关系

南京市行道树树木轮重金属元素含量的变化与城市环境污染的关系

树木累积的化学元素含量与当年环境中的化学元素含量密切相关[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。南京作为华东地区重要的交通枢纽,工业化正处于中期发展阶段,因此环境污染状况研究意义重大。通过对南京市城区主干道行道树不同树种树木年轮中重金属元素含量的测试分析,研究南京市区近50年来重金属元素污染的动态变化规律,可以为南京市重金属环境污染的控制提供理论依据。1材料和方法1.1树高、直径生长规律样点布置在南京市主城区3条主要干道上,分别为中山东路—汉中路、北京东路—北京西路、中山路—中山北路,选择分布较广、生长状况正常、有代表性的3个树种:法国梧桐(二球悬铃木)(Platanushispanica)、雪松(Cedrusdeodara(Roxb.)G.Don.)和水杉(MetasequoiaglyptostroboidesHuetW.C.Cheng),树龄都在45a以上。3个树种中,选择雪松5棵、法国梧桐8棵、水杉3棵作为标准木。其平均直径和树高分别为:法国梧桐51cm,21m;雪松45cm,15m;水杉36cm,25m。采用直径1.8cm的生长锥在样树距地面1m处水平向钻取,钻取深度为钻芯处树木直径的1/2以上,每棵树钻取2个芯样,将钻取的芯样分别放入直径2cm的塑料自制样管中,编号存放。在实验室内将钻取的树木芯样风干,为便于测试和分析,根据年轮线每3年截取一段并编号:1.1963—1965;2.1966—1968;3.1969—1971;4.1972—1974;5.1975—1977;6.1978—1980;7.1981—1983;8.1984—1986;9.1987—1989;10.1990—1992;11.1993—1995;12.1996—1998;13.1999—2001;14.2002—2004;15.2005—2007,然后将各采样点同一样树的2个芯样同一年轮段样品用植物粉碎机粉碎并编号,经105℃烘干恒定质量至干燥器中保存。1.2热板温度及重金属元素含量测定对每个编号的待测样品采用湿消解法进行处理:称取烘干样约0.5g(精确至0.0001g),放入50mL三角瓶中,加10mL体积比为5∶1的硝酸-高氯酸(ρ(HNO3)≈1.42g/cm3,ρ(HCLO4)≈1.60g/cm3,优级纯)混合酸,放至电热板上低温过夜(约65℃),次日将温度提升以样液微沸为宜,直到溶液无色透明,待白烟冒尽后取下冷却,加2mL体积比为1∶1的硝酸充分溶解、加热10min左右,取下冷却定容至25mL容量瓶中,定容液移至塑料瓶中冷藏待测。在消解样品过程中,每批样均采用茶叶标样GSS-4进行质控。采用美国PE公司生产的OPTIMA-4300DV等离子体发射光谱仪(ICP)对待测液进行重金属元素含量测试。将测试得到的数据根据公式计算出各元素含量:C=P×V×kTS/m。式中:C为年轮中重金属元素含量(μg/g);P为ICP样品测试浓度(mg/L);V为待测溶液定容体积(25mL);kTS为分取倍数;m为烘干样质量(g)。为消除采样路段差异对测试结果的影响,首先对各路段同一树种多棵样树同一年轮段各重金属元素的测试数据取均值进行动态分析。各元素含量的相关性分析及显著性检验均采用SPSS软件进行。2结果与分析2.1重金属元素含量的动态变化特征雪松各年轮中Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn含量在1989年前变化不大,从1990年开始含量逐年上升,且上升的速度有逐渐加快的趋势,这种逐渐加快的趋势在2000年前后尤其明显,如2005—2007年轮段Mn、Ni平均含量较2002—2004年轮段分别上升了60.8%和54.5%(图1E,1F)。Fe、Ti含量1998年前变化轻微,2000年开始含量快速增加,且上升速度有逐渐加快的趋势(图1D,1H)。法国梧桐各年轮中Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Pb1989年前含量变化轻微,1990年后含量显著上升,且上升速度呈现逐渐增快的趋势,如2005—2007年轮段Cr、Fe平均含量分别较2002—2004年轮段上升了50.3%和75.0%(图1B,1D)。Ni、Ti、Zn在2000年前含量基本不变,2000年后含量开始增长,且增长速度逐渐加快,如2005—2007年轮段Zn平均含量较2002—2004年轮段上升了49.0%(图1I)。水杉各年轮中Cd、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn含量在1989年前基本保持不变,1990年后含量升高,且上升速度有逐渐加快的趋势,如1990—1992年轮段Cd平均含量较1987—1989年轮段上升了82.0%(图1A)。Cr、Fe、Ti在2000年前含量变化轻微,2001年后含量明显上升,如2005—2007年轮段Fe含量较2002—2004年轮段升高了65.0%,2005—2007年轮段Ti含量较2002—2004年轮段上升幅度高达98.0%(图1H)。通过上述分析可知,各树种重金属元素含量显著增长主要出现在1990年前后,并且近几个年轮段时期内增长速度有逐渐加快的趋势。为此,对3个树种1990年前后元素含量的动态变化特征进行增长幅度差异的显著性检验。结果说明,在所研究的3个树种中,雪松中的Cd、Cr、Fe、Pb含量在1990年后的增长幅度相对1990年前均呈显著增长,元素Cu、Mn、Ni、Ti、Zn含量在1990年后相对1990年前均有极其显著增长;在法国梧桐中,Cd、Cr、Ni、Pb、Zn含量在1990年后相对1990年前均有极其显著增长,Cu、Fe、Mn、Ti各元素在1990年后相对1990年前增长幅度无显著差异,但从动态变化图中可以看出2002年以后的增长幅度较大,其增长值分别是相应平均值的1.7、2.3、1.4、2.0倍;在水杉中,Cd、Cu、Mn在1990年后相对1990年前均有极显著增长,Ni、Pb、Ti、Zn在1990年后的增长幅度相对1990年前均呈显著增长,Cr、Fe在1990年后相对1990年前增长幅度无显著增长,同样从动态变化图中可以看出2002年以后的增长幅度较大,其增长值分别是相应平均值的1.40、1.86倍。综合3个树种的重金属元素在1990年前后增长幅度的显著程度可知,元素Cd、Ni、Pb、Zn增长幅度最为显著,表明该类元素对环境有更好的响应,用于重金属环境监测应有相对理想的效果。2.2种重金属元素间的相关性分析因3个树种中水杉重金属元素含量最高,故采用Pearson相关分析法对南京主干道水杉各年轮段重金属含量间分别进行了相关性分析,获得了9种重金属元素含量间的相关系数(表1)。分析表明,所分析的9种重金属元素中任一元素与其他8种元素间均存在极其显著的正相关关系,但相关程度略有不同。根据各重金属元素与其他8种重金属元素间的相关系数平均值的大小,各元素与其他元素的正相关显著程度从高至低依次为:Pb、Cu、Ni、Ti、Mn、Zn、Fe、Cd、Cr,其中Pb元素与其他8种重金属元素正相关程度最高,平均相关系数为0.872,Cr元素与其他8种重金属元素正相关程度最低,平均相关系数为0.653。Cd含量与Cu、Ni、Zn、Mn呈极显著相关,与Fe、Ti相关显著性较低,与Cr相关性不显著;Cr除与Cd相关性不显著外,与Cu、Mn、Ni、Zn相关显著性较低,与Fe、Pb、Ti呈极显著性相关;Cu与Cr显著性较低,与其他元素间均呈极显著相关,且相关系数较高;Fe与Cd间为显著相关,与其他元素间呈极显著性相关;Mn与Cr相关系数较低,与其他元素间均呈极显著相关,与Cu相关性最显著;Ni与Cr相关性较低,与其他元素间相关性均极显著,其中与Cu相关性最显著;Pb与各元素间均呈极显著相关,其中与Zn相关性最显著;Ti与Cd呈显著相关,与其他元素间均呈极显著相关;Zn与Cr显著相关,与其他元素间呈极显著相关。2.3在树木编年史中，重金属元素含量的动态变化与汽车负荷之间的相关性分析有关3法国环境和土壤重金属污染状况(1)南京市行道树各树种年轮中重金属元素含量随时间的推移表现出逐渐上升的趋势,特别是1990年后,上升速度普遍呈随时间逐渐加大的趋势。(2)雪松中的Cu、Mn、Ni、Ti、Zn,法国梧桐中的Cd、Cr、Ni、Pb、Zn和水杉中的Cd、Cu、Mn在1990年后相