赵晓亮,郭猛,吕美婷,赵雪莹,姜瑰国,黄媛媛,王凡,姬亚芹
1. 辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院,辽宁 阜新 123000;2. 中国环境科学研究院,北京 100012;3. 南开大学环境科学与工程学院,天津 300350
随着现代城市建设和工业发展进程的加快,大气颗粒物污染问题受众多国家的关注(Shahid et al.,2017;Sun et al.,2018)。近些年国内民众的健康和生存也面临大气颗粒物污染的严峻威胁(雷文凯等,2021;刘新蕾等,2021),由于大气颗粒物中重金属的不可降解性,经呼吸系统或其他途径进入人体内,长期累积后诱发心肺疾病,危及生命(Zhang et al.,2016;Safifiur et al.,2019;Zhou et al.,2019;侯聪等,2016),且细微颗粒物难于沉降容易引发雾霾及加重温室效应(阴丽淑等,2017)。植物叶片借助其表面结构能够拦截、过滤及吸附大气颗粒物,同时起到绿化城市与净化空气的双重作用,是当前城市缓解大气污染的有效途径(李新宇等,2016;陈波等,2018)。
国内外学者在绿化树种对大气颗粒物及重金属滞留能力方面开展了一些研究,前期研究表明绿化树种单位叶面的滞尘能力存在显著差异,如常绿乔木滞尘效果大于落叶乔木,乔木则优于灌木(乔冠皓等,2017;马远等,2018;高海波,2019);部分学者发现不同绿化树种对不同粒径颗粒物的滞留能力差异显著,如鹅掌藤对粗颗粒物的滞尘能力较强,黄金榕则对粒径为3—10 μm的细微颗粒物滞尘能力较强(王琴等,2020;殷卓君等,2020)。国外深入研究表明植物叶片滞留颗粒物的能力与其表面粗糙度、绒毛数量、气孔大小、沟槽深度等特征密切相关(Barima et al.,2016;Xu et al.,2018;段嵩岚等,2018)。空间因素对植物滞尘也存在影响,相关学者研究发现重金属污染程度高的地区,叶面内的重金属含量相应增高,且与降尘中重金属之间呈现显著相关性,其来源也具有相似性(王会霞等,2012;段海静等,2019;魏海英等,2021)。
因地区气候条件、污染源等多方面影响,城市植物种类配置存在差异,目前研究多集中在南京、北京等国内大型城市(陈波等,2018;王书恒等,2021)。位于中国最大沙地——科尔沁沙地南部阜新地区的相关研究鲜见报道。因此,本文以阜新市6种绿化树种为研究对象,分析4个季节、4个城市功能区域绿化树种滞留大气颗粒物及重金属的能力,旨在筛选出滞尘能力高且重金属富集能力强的绿化树种,以期为同类中国北方寒旱区城市绿化树种筛选与优化提供科学依据。
阜新市位于辽宁省西北部(41°41′—42°56′N、121°01′—122°56′E),总面积为 10445 km2,北接通辽,西邻朝阳、内蒙古赤峰,南通锦州,属内蒙古高原与东北辽河平原的中间过渡带,低山丘陵地形。阜新气候属于北温带半干旱大陆季风气候区,四季分明且温差变化较大(冬季为11月至次年 3月,春季为4—5月,夏季为6—8月,秋季为9—10月),受内蒙古高压和副热带高压影响,局地大风、干旱等自然灾害时有发生,植被覆盖率低(森林植被少),农业开发强度大,耕地面积占全市总用地面积的 50.32%,水土流失土地面积较大,土地沙漠化严重,自然生态系统十分脆弱。
按照阜新市环境功能区划及城市工业布局现实情况,共布设4个采样区:辽宁工程技术大学中华路校区(简称主校区)、辽宁工程技术大学北校区(简称北校区)、阜新市环保局区(简称环保局)和阜新市海州区露天矿区(简称露天矿),具体采样点位详见图 1。采集 6种常见绿化树种叶片,6种绿化树种分别为云杉(Picea asperata)、油松(Pinus tabuliformis)、金叶榆(Ulmus pumila)、紫丁香(Syringa oblata)、紫叶李(Prunus cerasifera)和银杏(Ginkgo biloba)。
图1 阜新市绿化树种叶面滞尘采样点位Fig. 1 Sampling points of atmospheric dust particulates in Fuxin urban area
因各采样树种的生长习性不同,6种树种叶片的采摘时间有所差异。常青针叶类云杉、油松叶片采摘时间为2018年11月—2019年11月(除2019年2月,共12个月),涉及冬春夏秋4个季节;落叶阔叶类金叶榆、紫丁香、紫叶李和银杏叶片采集时间为2019年5—11月,只涉及夏秋两个季节。采样周期为一个月(每月中旬采样,如遇雨雪天气,则在降雨、雪后10 d左右采样)。在各采样点位选取生长状态良好的树种,同一树种的外形、高度、健康状态基本一致,在各采样点位对每个树种各采摘3株,每次采摘位置大致相同。乔木树种叶片采摘高度为2—3 m,灌木0.5—1 m,沿树冠外围多方向采样(常青类树种80—100片,落叶类树种40—50片),要求采摘叶片表观良好、完整、无病害,且采样过程尽量防止抖动,避免叶面滞尘损失;及时将采摘叶片样品放置于PE材质自封袋备用。
1.4.1 叶面滞尘量的测定
取适量植物叶片浸泡于去离子水2 h后,用毛刷轻轻刷洗叶面,保证叶面尘粒全部溶于水中,使用镊子取出叶片。将已烘干(65 ℃)并称质量的滤纸(m1)置于漏斗内过滤浸洗液,过滤完毕后,将滤纸再次置于烘箱内烘干至恒重,再次称质量(m2),滤纸两次质量之差即为叶片滞尘量,重复3次,取平均值。使用便携式叶面积仪Yaxin-1241分别测量各树种叶片总面积(S),则单位叶面积滞尘量:
式中:
Q——单位叶面积滞尘量;
m1——烘干至恒质量的滤纸质量;
m2——过滤浸洗液后烘干至恒质量的滤纸质量;
S——所测树种叶片的总面积(每个月按不同区域测定1次,每个采样点位所测叶片数量为常青类树种90片,落叶类树种45片)。
1.4.2 叶面重金属的测定
取1/4滤纸,用陶瓷剪刀剪碎置于编号消解罐,采用HNO3-HF-HClO4消解体系消解定容,作为试品溶液,使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb含量。质控(QC)使用国家标准土壤样品(GSS-3)校正,回收率介于 95.5%—110.5%,相对标准偏差(RSD)控制<10%;每测定10个样品,进行1次单点校准和空白测定,每批次实验中空白对照样品与质控样品进行同步测定。采用Origin 2018、SPSS 25.0软件进行数据处理与分析。
对阜新市4个功能区6种绿化树种在不同季节进行单位叶面积滞尘量测定,结果如表1所示。由表可知,在冬季和春季,针叶常青类树种云杉的单位叶面积滞尘量明显比油松的高,且云杉的年平均单位叶面积滞尘量(0.635 g·m−2)是油松的1.77倍,说明针叶常青类树种中云杉的滞尘效果优于油松;夏、秋两季,落叶阔叶类树种金叶榆的单位叶面积滞尘量最高,其次为紫丁香和云杉,然后为紫叶李和油松,最低为银杏;夏季金叶榆的单位叶面积滞尘量(0.749 g·m−2)是银杏的3.37倍,秋季前者是后者的 3.66倍,表明绿化树种之间的叶面滞尘能力差异很大。同时发现不论是2种常青类树种还是4种落叶类树种的单位叶面滞尘量均表现出明显的季节特征;冬春夏秋四季里,常青类树种云杉、油松的单位叶面滞尘量均呈现依次减少的趋势,且最大值与最小值差异显著(冬季云杉、油松的单位面积滞尘量分别是秋季的1.58、1.87倍。);夏、秋两季里,落叶类金叶榆等4种树种的单位叶面滞尘量均呈现秋高夏低的趋势。两大类绿化树种单位叶面滞尘量的季节特征明显不同,可能是由于针叶常青类和落叶阔叶类两大类树种叶面结构、绒毛等表面特征存在较大差异性,夏季降水对阔叶类树种叶面粉尘的冲刷作用更加强烈,造成夏季阔叶类树种叶面滞尘量相对较少。
表1 阜新市区树种叶片单位面积滞尘量时间变化Table 1 Time variation of dust retention per unit area in leaves of tree species in Fuxin urban area g·m−2
采样期内,6种树种单位叶面滞尘量由大到小排序为:金叶榆>云杉>紫丁香>紫叶李>油松>银杏,鉴于针叶常青类和落叶阔叶类两大类树种的采样时段长短不同,对表1中常青类树种云杉、油松的年平均单位叶面滞尘量作乘4处理,对金叶榆4种阔叶类树种年平均单位叶面滞尘量作乘2处理,根据处理结果排序得出阜新市绿化树种滞留粉尘能力由高到低顺序为:云杉>金叶榆>油松>紫丁香>紫叶李>银杏。
为了更加科学地筛出滞尘效果优良的绿化树种,将4个功能区6种常见树种进行再分类,调用软件SPSS 25.0中的类平均聚类模型,采用表2数据对各树种叶片滞尘量进行聚类分析,输出谱系聚类图(图2)。对4个采样区绿化树种按照单位叶面积滞尘量做聚类分析得出辽工大主校区绿化树种可分为三大类,第一类为金叶榆,其单位面积滞尘量最高(0.805 g·m−2);第二类为云杉、紫叶李和紫丁香,其单位面积滞尘量较高(0.576—0.654 g·m−2);第三类为油松和银杏,其单位面积滞尘量较低(0.194—0.314 g·m−2)。这三类树种平均单位叶面积滞尘量由大到小分别为 0.805、0.632、0.254 g·m−2。辽工大北校区绿化树种可分为两大类,第一类为金叶榆和云杉,其单位面积滞尘量较高(0.675—0.750 g·m−2);第二类为紫叶李、紫丁香、油松和银杏,其单位面积滞尘量较低(0.226—0.482 g·m−2)。这两类树种平均单位叶面积滞尘量由大到小分别为 0.713、0.364 g·m−2。环保局绿化树种可分为三大类,第一类为金叶榆,其单位面积滞尘量最高(0.775 g·m−2);第二类为云杉、紫叶李和紫丁香,其单位面积滞尘量较高(0.430—0.614 g·m−2);第三类为油松和银杏,其单位面积滞尘量较低(0.245—0.309 g·m−2)。这三类树种平均单位叶面积滞尘量由大到小分别为0.775、0.534、0.277 g·m−2。露天矿绿化树种可分为两大类,第一类为金叶榆、云杉和紫丁香,其单位面积滞尘量较高(0.559—0.789 g·m−2);第二类为紫叶李、油松和银杏,其单位面积滞尘量较低(0.199—0.347 g·m−2)。这两类树种平均单位叶面积滞尘量由大到小分别为 0.658、0.290 g·m−2。阜新市同树种单位叶面积滞尘量的平均值中,金叶榆滞尘量最高,次低为云杉,最低为银杏,其余树种依次为紫丁香、紫丁李和油松。
表2 阜新市不同采样区树种叶片单位面积滞尘量Table 2 Dust retention per unit area of leaves of tree species in different sampling areas in Fuxin city g·m−2
图2 阜新市不同采样区树种单位叶面积滞尘量聚类分析结果Fig. 2 Cluster analysis results of dust retention per unit leaf area of tree species in different sampling areas in Fuxin City
依据前期阜新市降尘、PM2.5等大气颗粒物中重金属元素污染及其健康风险的研究结果,结合重金属元素毒理特性,确定测试Cd、Cr、Cu、Ni及Pb 5种重金属元素,研究阜新市绿化树种滞留重金属的能力及时空分布特征。
2.2.1 叶面尘重金属元素时间变化特征
为了解阜新市绿化树种对重金属元素的滞留能力随时间的变化特征,本研究对叶片滞尘中Cd、Cr、Cu、Ni及Pb 5种重金属含量进行测量。由图3可知,不同季节,绿化树种对叶面滞尘中重金属的滞留能力差异显著。冬季,云杉对重金属 Cr、Cu、Ni及Pb的滞留量均大于油松,油松对Cd的滞留量则大于云杉;春季,云杉对 Cd、Cr、Cu、Ni及Pb的滞留量大于油松,其中油松对Cd的滞留效应降低,与冬季稍有不同;夏季,油松对Cd、Cr、Cu、Ni及Pb的滞留量大于云杉,其中油松对Cr和 Pb的滞留量增幅明显;秋季,油松对Cd、Ni及Pb的滞留量大于云杉,云杉对Cr、Cu的滞留量稍大于油松。采样期内,随四季的变化云杉、油松对滞尘中重金属的滞留量均呈先增(春季)后降的变化特征,云杉变化幅度大于油松。对于4种落叶阔叶类树种,由夏至秋,4种阔叶类树种叶面对滞尘中重金属的滞留能力均呈降低趋势,其中,紫叶李对于 5种重金属的滞留效果均优于其他树种,尤其对于Pb和Cr的滞留尤为显著;金叶榆对Cr的滞留能力相对较好,紫丁香和银杏在夏秋两季对叶面滞尘中重金属的整体滞留能力偏低。整体上,冬季和春季,云杉对重金属的滞留能力较强;夏季和秋季,金叶榆和紫叶李的滞留效果相对较好。
图3 不同季节树种叶片降尘重金属质量浓度Fig. 3 Heavy metal mass concentration of leaf dust fall of tree species in different seasons
2.2.2 叶面尘重金属空间分布分析
为探究不同功能区绿化树种对叶片滞尘中重金属的滞留能力差异,对辽工大主校区、辽工大北校区、环保局和露天矿4个功能区树种叶片滞尘中重金属元素进行测定。由图4可知,在辽工大主校区,云杉叶面滞尘中Cb、Cr、Cu和Pb的质量浓度高于其他树种,对Ni的滞留量则属紫丁香最大;在辽工大北校区,云杉对重金属元素Cb、Cr、Cu和Pb滞留量最大,主校区情况相同,紫叶李对Ni滞留效果最好;环保局区域6种绿化树种对5种重金属元素的滞留总量明显高于其他3个功能区,其中,油松、云杉、金叶榆分别对Cd、Cu、Ni的滞留量均高于其他功能区,紫叶李则对Cr、Pb的滞留量位于所有功能区之首;在露天矿,云杉对 Cd的滞留量大于本功能区内其他树种滞留量之和,紫叶李则滞留Cr、Cu、Ni和Pb的效果优异。不同功能区内绿化树种对叶片滞尘中重金属的滞留能力有所差异,总体上云杉对Cd、Cr和Cu的滞留能力较为突出,紫叶李对Ni和Pb的滞留具有优势。不同功能区叶片滞留重金属的种类与含量代表着不同的污染来源与污染水平。阜新市4个功能区叶片降尘中Pb的污染较为严重,均超过了该区域土壤背景值(中国环境监测总站,1990;辽宁地区土壤元素Pb背景值为21.4 μg·mg−1),其中环保局区域最高,是土壤背景值的2.5倍。对Cr、Cu滞留量最高的功能区分别为辽工大主校区、北校区,对Cd和Ni的滞留量最高的则是露天矿,这主要与各功能区与阜新市主要大气污染源之间的相对位置有关。
图4 不同采样区树种叶片降尘重金属质量浓度Fig. 4 Heavy metal mass concentrations of leaves dust in different sampling areas
2.3.1 相关性分析
重金属元素间的相关性一定程度上体现了重金属污染情况相似或重金属来源相似。本研究采用SPSS 25.0软件对阜新市绿化树种叶面滞尘中重金属元素进行相关性分析,由表3得,Ni-Pb、Cd-Ni、Cd-Pb之间相关系数分别为0.966、0.821、0.811,均在 0.01水平上呈现显著正相关性。说明阜新市绿化树种叶面滞尘中重金属Cd、Ni、Pb同源概率高,可能来源于相似的大气污染源。
表3 叶面尘各重金属的斯皮尔曼相关系数Table 3 Spearman correlation coefficient of heavy metals in foliar dust
2.3.2 主成分分析
为了明确阜新市绿化树种叶片滞尘中重金属的来源,采用凯撒正态化最大方差法对重金属进行主成分分析,由表4可得,分析提取的2个主成分因子的特征值分别为2.980、1.146,其主成分贡献率分别对应为 59.591%、22.912%,累计贡献率为82.503%。阜新市属于中国北方寒旱区煤炭资源型城市,煤炭是城市能源结构中的第一大能源,冬季采暖期为每年11月1日至次年3月30日,采暖期较长;第一主成分中 Cd、Ni、Pb载荷值分别为0.946、0.922、0.927,相对较高,表明阜新市绿化树种叶面尘中重金属的第一大来源为电厂、热电厂煤炭等化石燃料的燃烧排烟,同时,位于阜新城区南仅3 km处的阜新海州露天矿的残煤自燃排烟对大气颗粒物中重金属具有一定贡献。第二主成分中Cu、Cr载荷值分别为0.877、0.308,表明阜新市机动车交通及阜新市皮革工业园等重点工业排烟是此两种重金属的主要来源。
表4 叶面滞尘中重金属在主成分的载荷Table 4 Leaf dust heavy metal loads in principal components
绿化树种叶片滞尘能力受人类活动、环境及树种自身形态特征的影响(王磊等,2016)。植物通常以滞留或停着、附着和粘附的方式同时对大气颗粒物进行滞留(余海龙等,2012)。滞尘量的大小也能从侧面体现出城市大气颗粒物污染状况。本研究中,采样期内不同季节4个功能区6种绿化树种的单位叶面积滞尘量的平均值均高于波兰(Dzizanowski et al.,2011)与哈尔滨(周蕴薇等,2017),阜新市位于中国最大沙地-科尔沁沙地南缘,冬春季节主导风向为北风,相关前期研究(赵晓亮等,2017)表明本土风沙尘中Cd、Cr的含量较国内其他地区高,因此科尔沁沙地的季节性风沙尘可能对阜新绿化树种叶片的滞尘及重金属具贡献,侧面凸显强化了绿化树种的滞尘能力。本研究发现同一树种在不同季节的滞尘能力存在差异。云杉、油松在冬季的单位叶面积滞尘量分别为秋季的1.58、1.87倍,油松的差异更为明显。采样时段内,由冬季到次年秋季云杉与油松的单位叶面积滞尘量均呈递减趋势,由夏季到秋季金叶榆等其余4种树种单位叶面积滞尘量呈增加趋势,2种针叶类树种与 4种阔叶类树种叶片单位面积滞尘量存在显著性差异。这是由于阜新冬季采暖季燃煤排烟负荷比其他季节高,对2种针叶类树种叶片降尘量贡献较大;同时由于夏季降雨量多于秋季,雨水冲刷作用对金叶榆等 4种阔叶类树种叶片滞尘冲刷作用较大,导致其叶片滞尘量季节特征不同于针叶类树种。在相同季节,不同树种的滞尘能力也存在明显差异。其中差距最为显著的为金叶榆和银杏,夏季金叶榆的单位面积滞尘量(0.749 g·m−2)是银杏的3.37倍,秋季为 3.66倍,同相关研究结果基本一致(么旭阳等,2014),主要可能的原因是每种绿化树种的叶面特征、叶片密度、分泌物、树冠大小及高度等不同,导致不同植物叶片滞尘能力呈现明显差异(孙晓丹等,2017;李诗瑶等,2021)。研究还发现相同绿化树种在各个功能区的滞尘能力存在差异,这应该与采样点位的周围环境、交通流量及工业园位置等因素息息相关(张丹龙等,2016;段海静等,2019;魏海英等,2021)。阜新市绿化树种单位叶面积滞尘量以及聚类分析结果可知,云杉和金叶榆是6种绿化树种中滞尘效果最好的,具有明显的地域特异性,为使研究结果更加具体详实,可利用SEM电镜细观、界面化学测定等研究方法对各类树种叶片的表面物理结构、分泌物成分及粘度等因素进行深入研究,以得出更为全面的科学结论。
本研究中,冬季和春季,云杉对重金属的滞留能力较强;夏季和秋季,当属金叶榆和紫叶李的滞留效果最好。可知,不同季节绿化树种对重金属的滞留能力不同,这与有关的结果相似(李少宁等,2017)。这主要是因为云杉和油松为常绿树种,其它为落叶树种,而在冬季和春季,云杉比油松滞留重金属的效果好,故其滞留能力强;在夏季和秋季,推测金叶榆与紫叶李,因叶面宽大、叶表面粗糙、褶皱较多,较其它树种对重金属的滞留能力强。在不同功能区,叶面尘重金属的含量存在显著差异,同相关研究者的结论基本一致(顾家伟,2019)。同一树种在各功能区重金属浓度有所差异可能由于影响各功能区的大气污染来源不同造成的。阜新市4个功能区叶片降尘中Pb的含量均超过了土壤背景值(中国环境监测总站,1990),应引起相关部门及时关注,这不仅与阜新冬季供暖燃煤密切相关,可能与本地区车辆保有量快速增加的社会现状有关,重金属Pb是燃煤排烟、机动车尾气排放最主要的标识性元素(董世豪等,2019),同时机动车辆轮胎磨损和排放废气中也含有 Cd、Cr、Cu、Ni等金属元素(Wang et al.,2017;吕晓倩等,2020),富集大量金属元素的颗粒物以及地面扬尘很容易被植物叶片捕获(Wang et al.,2011)。阜新海州露天矿作为曾经的亚洲第一大煤矿,该区域植物叶片滞尘中中的Cd、Ni含量高于其他功能区,可能是由于目前露天矿内坡面仍然发生大面积的残煤自燃,释放了大量Cd、Ni(Hsu et al.,2017;Huang et al.,2017;周安琪等,2021),导致本区域植物对其滞留量较高。环保局邻近阜新交通枢纽,植物叶片滞尘中Pb含量较高,高负荷机动车尾气是其重要原因(符小晴等,2018)。大气颗粒物中的Cr主要来源于机械制造类等的三废排放(王洪涛等,2016)。辽工大主校区植物叶片滞尘中Cr含量较高,这与其西侧比邻阜新经济开发区、清河门皮革工业园(冶金生产、Cr类鞣制革剂使用等)有关。大气颗粒物中 Cu主要来源来自机动车制动块磨损和机动车尾气(Wang et al.,2017;张伯镇等,2015),辽工大北校区叶片滞尘中中 Cu含量比其他采样区稍高,主要是由于北校区北侧50、300 m处分别为阜新二环路、阜新市高铁站,制动块磨损和机动车尾气对大气颗粒物中的Cu存在贡献。
(1)采样期内,阜新市两大类6种绿化树种滞尘能力随季节变化呈现明显差异。冬春夏秋四季,常青类树种云杉、油松的单位叶面滞尘量均呈现依次减少的趋势,其中,冬季云杉、油松的单位面积滞尘量分别是秋季的1.58、1.87倍,季节差异很大。夏、秋两季,落叶类金叶榆等4种树种的单位叶面滞尘量均呈现秋高夏低的季节特征。阜新市绿化树种滞留粉尘能力由高到低顺序为:云杉>金叶榆>油松>紫丁香>紫叶李>银杏。
(2)阜新市绿化树种对叶面滞尘中重金属的滞留能力与季节、空间密切相关。随四季变化,云杉、油松对滞尘中重金属的滞留量均呈先增后降的变化特征;由夏至秋,4种阔叶类树种叶面对滞尘中重金属的滞留量均呈降低趋势。冬季和春季云杉对重金属的滞留能力较强;夏季和秋季金叶榆和紫叶李的滞留效果相对较好。阜新市4个功能区叶片降尘中Pb均超过了该区域土壤背景值,其中环保局区域最高,是土壤背景值的2.5倍,应引起关注。不同功能区绿化树种叶面滞尘中重金属的含量差异,主要与各功能区的大气污染来源不同有关。
(3)阜新市绿化树种叶面滞尘中重金属相关性分析结果表明Ni-Pb、Cd-Ni、Cd-Pb之间相关系数分别为 0.966、0.821、0.811,均在 0.01水平上呈现显著正相关,表明Cd、Ni、Pb同源性很高。主成分分析提取了 2个主成分因子,累计贡献率为82.503%,说明能够解释树种叶面滞尘中重金属。其中,第一主成分中 Cd、Ni、Pb载荷值分别为0.946、0.922、0.927,表明阜新市绿化树种叶面尘中Cd、Ni、Pb的主要来源于电厂、热电厂煤炭等化石燃料的燃烧排烟;阜新海州露天矿的残煤自燃排烟对重金属具有一定贡献。第二主成分中 Cu、Cr载荷值分别为0.877、0.308,表明阜新市机动车交通及皮革工业园等重点工业排烟是此两种重金属的主要来源。