长春城市大气重金属污染的生态监测研究

孙 强， 王 越， 谢立斐， 冯 璐

(1. 吉林省环境监测中心站，吉林 长春 130011； 2. 哈尔滨市环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150000；3. 长春市环境保护局，吉林 长春 130022； 4. 东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024)

长春城市大气重金属污染的生态监测研究

孙 强1， 王 越2， 谢立斐3， 冯 璐4

(1. 吉林省环境监测中心站，吉林 长春 130011； 2. 哈尔滨市环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150000；3. 长春市环境保护局，吉林 长春 130022； 4. 东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024)

开展植物生态监测是防治城市大气重金属污染的有效手段.从长白山区湿地采集3种苔藓植物材料，在长春市通过控制水位和养分条件，进行室外培养，比较研究不同水位和物种条件下苔藓植物生长状况及其Cu、Ni、Zn、Pb和Cd的富集情况.在3 cm水位条件下，实验植物的生长状况最佳，但其中锈色泥炭藓的生物量增长明显较低.3种苔藓植物均呈现良好的大气重金属富集效果，Cu、Ni、Zn、Pb和Cd富集量均值分别为26、12、180、19和1 μg/g.富集能力以泥炭藓最高，其次为中位泥炭藓，锈色泥炭藓最低.研究表明通过提供适当的培养条件，移植泥炭藓用于城市大气重金属污染监测是可行的.

泥炭藓；重金属污染；生态监测

随着城市化进程的加快，大气重金属污染成为威胁城市人类健康的重要环境问题之一.自20世纪60年代后期，陆生苔藓植物就开始用于大气重金属污染生物生态监测[1]，因其分布广泛，表面积/体积比高，重金属富集能力强，且成本低廉，到20世纪80年代，已经逐渐成为大气污染监测的重要材料[2-4].

国内外应用苔藓植物监测城市大气重金属污染的研究众多.在初期的研究中，大多就地取材.例如，Goodman等[5]以灰藓(Hypnumcupressiforme)为材料测定威尔士西南工业区重金属Cu、Cd、Ni、Pb和Zn的含量；Markert等[6]应用采自近600处的苔藓样品，研究德国重金属污染情况；Fernández等[7]应用采自134个地点的苔藓植物监测西班牙北部地区的重金属沉降.

在人口密集和污染严重的城市区域，自然分布的苔藓植物往往较少，利用外源的苔藓植物开展苔藓监测势在必行，因此藓袋法应运而生，成为有效的大气重金属污染监测手段.例如，Gailey和Lloyd[8]使用泥炭藓(Sphagnumpalustre)藓袋监测了苏格兰一小城的大气污染情况，并分析出了污染源；梅娟等[9]使用城郊自然保护区内的2种弯叶灰藓(Hypnumrervolatum)和大羽藓(Thidiumcymbifolium)，应用藓袋法研究了南京大气重金属污染情况.比较而言，泥炭藓(Sphagnum)体内富含质子化阴离子功能组团，具有强大的阳离子吸附能力，重金属污染物的吸收能力更强，近年在欧美国家的城市大气污染监测中发挥了更重要的作用，如意大利那不勒斯[10]、塞尔维亚贝尔格莱德[11]、芬兰Harjavalta[12]的监测工作均取得了良好效果.

迄今为止，我国尚无使用泥炭藓开展大气重金属污染监测的研究报道.本文尝试通过移植培养，对比研究3种泥炭藓对重金属污染物的吸收能力，旨在探索城市大气重金属污染生物生态学监测的有效途径.

1 材料与方法

1.1 材料采集

在长白山哈泥湿地采集实验材料.哈泥湿地(42°12′N，126°31′E)处于中温带大陆性山地季风气候区，年平均气温5 ℃，全年≥10 ℃活动积温在2 600 ℃左右，年降水量743.3 mm，降水集中在夏季，土壤为泥炭土，泥炭层平均厚4.6 m.2010年5月，在哈泥湿地，选择生境条件相似地段，采集泥炭藓(S.palustre)、中位泥炭藓(Sphagnummagellanicum)和锈色泥炭藓(S.fuscum)材料，装袋取回，用去离子水清洗，风干，于40 ℃烘干48 h，制备实验材料.

1.2 实验方法

取300 mg的泥炭藓，按其自然生长状态置入直径5.3 cm高9 cm的聚乙烯杯中，外罩高于杯子3 cm的尼龙网(2 mm×2 mm).每杯内标记植入10 cm无分枝的泥炭藓，由皮筋包扎，用来监测植株的分枝数变化.在东北师范大学校园内随机选择5株高逾10 m的松杉冷杉(Abiesholophylla)树木，将泥炭藓样品用尼龙带悬挂于距地3 m树木枝桠处，每个样品每半月喷洒5 mL Rudolph营养液[13]，每周喷洒蒸馏水保持水位，实验持续2个月.实验采用析因设计，即实验包括3个物种(中位泥炭藓、大泥炭藓和锈色泥炭藓)、3个水位(1 cm、3 cm和5 cm)，5次重复，共计45个样品.

实验结束后，轻轻掸去藓袋上的灰尘后，取下样品，倒掉液体后带回，室内仔细取出泥炭藓样品，测量植株的平均增长高度，记数标记株的分枝数.烘箱内60 ℃烘干至48 h，加液氮研磨，每样品称0.3 g，装入100 mL烧杯，加入10 mL HNO3，摇匀，盖上表面皿，静止12 h，加0.5 mL浓H2SO4和5 mL浓HNO3,电热板上消煮，然后用50 mL容量瓶定容待测，使用原子吸收分光光度计测定Pb、Cu、Ni、Zn和Cd.

1.3 统计分析

数据处理采用SPSS 16.0完成.运用双因素方差分析(two-way ANOVA)统计物种和水位对3种泥炭藓形态特征(生物量生产、高增长和分枝数)以及重金属含量的影响, 经Tukey检验进行多重比较.显著性水平设定为α=0.05.

2 结 果

2.1 物种和水位对泥炭藓生长的影响

在3种水位条件下，3种苔藓植物在生物量、高度和分枝3个方面均有明显生长.统计分析表明，泥炭藓生物量增长(P<0.001)与高度增长(P<0.01)均受物种显著影响，而泥炭藓的生物量增长(P<0.01)、高度增长(P<0.001)和分枝增长(P<0.05)亦均显著受控于水位(表1).在生物量增长方面，中位泥炭藓和大泥炭藓均高于锈色泥炭藓(均P<0.001)(图1A)；在高度和分指数方面，大泥炭藓均优于中位泥炭藓和锈色泥炭藓(均P<0.05)(图1B和1C).如图1所示，中位泥炭藓和大泥炭藓3 cm水位的生物量增长最高，高度增长与分枝数增长亦高于1 cm水位.

表1 物种和水位对泥炭藓生长影响的双因素方差分析Tab. 1 Two-way ANOVA of the effect of species and water level on the growth of Sphagnum

注：不同小写字母表示处理间差异具有统计学意义(P<0.05).图1 水位对3种泥炭藓生物量增长(A)、高度增长(B)和分枝增长(C)的影响 (均值±标准误)Fig. 1 Effect of water level on biomass growth (A), height increment (B) and branching(C) in three Sphagnum species

注：不同小写字母表示处理间差异具有统计学意义(P<0.05),无显著差异的未做标注.图2 水位对3种泥炭藓Cu、Ni、Zn、Pb和Cd富集量的影响(均值±标准误)Fig. 2 Effect of water level on the enrichment of the heavy metals, Cu, Ni, Zn, Pb andCd in three Sphagnum species

2.2 物种与水位对泥炭藓重金属富集能力的影响

分析测试植物体内5种重金属Cu、Ni、Zn、Pb和Cd含量分别为(25.6±5.6)、(11.8±2.7)、(180.4±23.3)、(18.8±5.3)和(1.0±0.2)μg/g.Pb和Cd的富集对物种和水位均无显著影响(表2).Cu(P<0.01)、Ni(P<0.01)和Zn(P<0.001)3种重金属含量在物种间存在显著差异，大泥炭藓的3种重金属的富集量(28.5±1.5)、(13.4±0.8)和(201.1±4.9)μg/g，高于中位泥炭藓(25.7±1.4)、(11.8±0.6)和(182.7±3.9) μg/g和锈色泥炭藓(22.5±1.0)、(10.3±0.5)和(157.4±2.5)μg/g(图2).与植物生长反映的规律不同，水位仅对Zn富集量产生显著影响(P<0.001).多重比较分析表明，3 cm水位Zn富集量显著高于1 cm(P<0.05)和5 cm(P<0.001).

表2 物种和水位对泥炭藓重金属富集量影响的双因素方差分析Tab. 2 Two-way ANOVA of species and water level on heavy metal enrichment in Sphagnum

3 讨 论

湿地植物因具备突出的富集能力，在城市环境的重金属污染监测中发挥着重要作用[14].本研究的3种受试材料均为典型的湿地植物，对5种重金属污染物的富集量以Zn最高，富集量介于150～220 μg/g之间，高出其他污染物1～2个数量级.受试植物Cd富集量最低，介于0.9～1.1 μg/g之间.若不考虑重金属污染物富集的物种特异性，与国外意大利[10]、塞尔维亚[11]、芬兰[12]、西班牙Girona和Salt[15](以下称GS)监测研究对比来看，长春市大气中Zn污染水平(180 μg/g)远高于意大利的那不勒斯(83)、塞尔维亚的贝尔格莱德(76)、芬兰的Harjavalta(43)和西班牙的GS(23)；Pb污染水平(19 μg/g)与那不勒斯(19)相同，高于贝尔格莱德(8)、GS(0.9)和Harjavalta(12)；Cu污染水平(26 μg/g)高于那不勒斯(6)、贝尔格莱德(16)和GS(4)，但远低于Harjavalta(299)；Cd污染水平(1.0 μg/g)高于那不勒斯(0.4)和GS(0)，但远低于Harjavalta(1.7)，贝尔格莱德因未监测此指标，故无法比较；Ni富集量(12 μg/g)高于那不勒斯(2.4)和贝尔格莱德(2.2)，与Cu相似，亦远远低于Harjavalta(108)，GS未监测Ni，故未做比较.总体比较看来，长春市比欧洲国家的Zn、Pb、Cu和Cd污染水平高出约1倍，但个别指标如Cu和Ni水平远低于芬兰Harjavalta，这应与该市大型的Cu矿生产有关.

将监测结果与国内重庆[16]、上海[17]、青岛[18]等城市对比来看，长春市大气的Zn污染水平(180 μg/g)远低于上海(432)，略低于青岛(236)，远高于重庆(约20)；Pb污染水平(19 μg/g)远低于上海(47)、与青岛(18)接近，高于重庆(小于10)；Cu污染水平(26 μg/g)略低于上海(34)，远高于青岛(8)和重庆(约1)；Cd污染水平与其他三地差异不大；Ni污染因无研究报道，故未比较.通过上述比较来看，总体上长春市大气重金属污染在国内大型城市中尚属中等水平.

与烟台[19]维管植物大气重金属污染监测研究对比看，本研究的各个污染物含量均较其高出一个数量级，反映出苔藓植物在大气重金属污染监测的敏感性和优越性.

本研究所采用的苔藓植物材料均为泥炭地藓丘种，具备一定的耐寒能力.然而，藓丘种的净初级生产力一般较低，因此对重金属的富集能力有一定限度.实验中，3种苔藓植物均生长良好，表明它们均能耐受城市大气环境.对比来看，锈色泥炭藓对重金属污染物的富集能力有限，这可能与其净生产力最低有关.丘间种虽然净初级生产能力强，但因人为移植时成活率低，本实验未将其作受试材料，考虑到其弱耐旱能力，利用丘间泥炭藓种监测城市大气重金属的可行性可能较低.实验中，3 cm水位最利于泥炭藓生长，一定程度上也反映出，藓丘物种对水分条件的需求和对周期性干旱具有一定的耐受能力[20].

城市大气重金属污染受汽车尾气排放的污染物影响大.近年来，雾霾天气在北方城市的冬季频发，雾霾发生时的气象条件不利大气污染物扩散，加重城市大气重金属污染，未来应关注该时期大气重金属监测.本研究的苔藓监测主要局限于夏季，对比国外的同类研究，亦主要集中于春季和夏季，秋冬特别是冬季开展很少.由于冬季低温，苔藓植物活体的移植监测显然无法开展，未来监测中，应辅助传统的藓袋法进行长期如半年以上的监测工作，或者仅仅局限于冬季用于雾霾多发期的短期大气监测.

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On Ecological Monitoring of Atmospheric Heavy Metal Pollution in Changchun

SUN Qiang1, WANG Yue2, XIE Lifei3, FENG Lu4

(1. Environmental Monitoring Central Station of Jilin Province, Changchun 130011, China; 2. Environmental Monitoring Central Station of Harbin, Harbin 150000, China; 3. Environmental Protection Bureau of Changchun, Changchun 130022, China;4. School of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun 130024, China)

Ecological monitoring with plants is one of the effective means to prevent and control heavy metal pollution in urban air. Plant materials of three bryophyte species were collected from a wetland in the Changbai Mountains,, and by outdoor cultivation under different conditions of water levels and nutrients, the effects of species and water level on bryophyte growth and the enrichment of atmospheric heavy metals including Cu, Ni, Zn, Pb and Cd in Changchun city are studied. The bryophytes grow the best under the conditions of 3 cm water level butSphagnumfuscumshows obvious lower biomass growth. All the three bryophytes showed good capacity in atmospheric heavy metal enrichment and the average concentrations of Cu, Ni, Zn, Pb and Cd are 26, 12, 180, 19 and 1 μg/g, respectively.SphagnumPalustreshowed greatest enrich ability of heavy metal while it is the lowest inS.fuscum. The study shows that it is feasible to monitor atmospheric heavy metal pollution in cities by transplantingSphagnumwhen suitable culture conditions are guaranteed.

Sphagnum; heavy metal pollution; ecological monitoring

2016-08-25

国家自然科学基金项目(41471043)；吉林省环保局科研项目(2007-25).

孙 强(1971—),女，高级工程师，主要从事生态环境监测研究.E-mail：sunqiang.jlemc@163.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2017.01.016

X835

A

1674-232X(2017)01-0064-05