孫 強(qiáng)， 王 越， 謝立斐， 馮 璐

(1. 吉林省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，吉林 長(zhǎng)春 130011； 2. 哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，黑龍江 哈爾濱 150000；3. 長(zhǎng)春市環(huán)境保護(hù)局，吉林 長(zhǎng)春 130022； 4. 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

長(zhǎng)春城市大氣重金屬污染的生態(tài)監(jiān)測(cè)研究

孫 強(qiáng)1， 王 越2， 謝立斐3， 馮 璐4

(1. 吉林省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，吉林 長(zhǎng)春 130011； 2. 哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，黑龍江 哈爾濱 150000；3. 長(zhǎng)春市環(huán)境保護(hù)局，吉林 長(zhǎng)春 130022； 4. 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

開展植物生態(tài)監(jiān)測(cè)是防治城市大氣重金屬污染的有效手段.從長(zhǎng)白山區(qū)濕地采集3種苔蘚植物材料，在長(zhǎng)春市通過控制水位和養(yǎng)分條件，進(jìn)行室外培養(yǎng)，比較研究不同水位和物種條件下苔蘚植物生長(zhǎng)狀況及其Cu、Ni、Zn、Pb和Cd的富集情況.在3 cm水位條件下，實(shí)驗(yàn)植物的生長(zhǎng)狀況最佳，但其中銹色泥炭蘚的生物量增長(zhǎng)明顯較低.3種苔蘚植物均呈現(xiàn)良好的大氣重金屬富集效果，Cu、Ni、Zn、Pb和Cd富集量均值分別為26、12、180、19和1 μg/g.富集能力以泥炭蘚最高，其次為中位泥炭蘚，銹色泥炭蘚最低.研究表明通過提供適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)條件，移植泥炭蘚用于城市大氣重金屬污染監(jiān)測(cè)是可行的.

泥炭蘚；重金屬污染；生態(tài)監(jiān)測(cè)

隨著城市化進(jìn)程的加快，大氣重金屬污染成為威脅城市人類健康的重要環(huán)境問題之一.自20世紀(jì)60年代后期，陸生苔蘚植物就開始用于大氣重金屬污染生物生態(tài)監(jiān)測(cè)[1]，因其分布廣泛，表面積/體積比高，重金屬富集能力強(qiáng)，且成本低廉，到20世紀(jì)80年代，已經(jīng)逐漸成為大氣污染監(jiān)測(cè)的重要材料[2-4].

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用苔蘚植物監(jiān)測(cè)城市大氣重金屬污染的研究眾多.在初期的研究中，大多就地取材.例如，Goodman等[5]以灰蘚(Hypnumcupressiforme)為材料測(cè)定威爾士西南工業(yè)區(qū)重金屬Cu、Cd、Ni、Pb和Zn的含量；Markert等[6]應(yīng)用采自近600處的苔蘚樣品，研究德國(guó)重金屬污染情況；Fernández等[7]應(yīng)用采自134個(gè)地點(diǎn)的苔蘚植物監(jiān)測(cè)西班牙北部地區(qū)的重金屬沉降.

在人口密集和污染嚴(yán)重的城市區(qū)域，自然分布的苔蘚植物往往較少，利用外源的苔蘚植物開展苔蘚監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行，因此蘚袋法應(yīng)運(yùn)而生，成為有效的大氣重金屬污染監(jiān)測(cè)手段.例如，Gailey和Lloyd[8]使用泥炭蘚(Sphagnumpalustre)蘚袋監(jiān)測(cè)了蘇格蘭一小城的大氣污染情況，并分析出了污染源；梅娟等[9]使用城郊自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的2種彎葉灰蘚(Hypnumrervolatum)和大羽蘚(Thidiumcymbifolium)，應(yīng)用蘚袋法研究了南京大氣重金屬污染情況.比較而言，泥炭蘚(Sphagnum)體內(nèi)富含質(zhì)子化陰離子功能組團(tuán)，具有強(qiáng)大的陽離子吸附能力，重金屬污染物的吸收能力更強(qiáng)，近年在歐美國(guó)家的城市大氣污染監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了更重要的作用，如意大利那不勒斯[10]、塞爾維亞貝爾格萊德[11]、芬蘭Harjavalta[12]的監(jiān)測(cè)工作均取得了良好效果.

迄今為止，我國(guó)尚無使用泥炭蘚開展大氣重金屬污染監(jiān)測(cè)的研究報(bào)道.本文嘗試通過移植培養(yǎng)，對(duì)比研究3種泥炭蘚對(duì)重金屬污染物的吸收能力，旨在探索城市大氣重金屬污染生物生態(tài)學(xué)監(jiān)測(cè)的有效途徑.

1 材料與方法

1.1 材料采集

在長(zhǎng)白山哈泥濕地采集實(shí)驗(yàn)材料.哈泥濕地(42°12′N，126°31′E)處于中溫帶大陸性山地季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫5 ℃，全年≥10 ℃活動(dòng)積溫在2 600 ℃左右，年降水量743.3 mm，降水集中在夏季，土壤為泥炭土，泥炭層平均厚4.6 m.2010年5月，在哈泥濕地，選擇生境條件相似地段，采集泥炭蘚(S.palustre)、中位泥炭蘚(Sphagnummagellanicum)和銹色泥炭蘚(S.fuscum)材料，裝袋取回，用去離子水清洗，風(fēng)干，于40 ℃烘干48 h，制備實(shí)驗(yàn)材料.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取300 mg的泥炭蘚，按其自然生長(zhǎng)狀態(tài)置入直徑5.3 cm高9 cm的聚乙烯杯中，外罩高于杯子3 cm的尼龍網(wǎng)(2 mm×2 mm).每杯內(nèi)標(biāo)記植入10 cm無分枝的泥炭蘚，由皮筋包扎，用來監(jiān)測(cè)植株的分枝數(shù)變化.在東北師范大學(xué)校園內(nèi)隨機(jī)選擇5株高逾10 m的松杉冷杉(Abiesholophylla)樹木，將泥炭蘚樣品用尼龍帶懸掛于距地3 m樹木枝椏處，每個(gè)樣品每半月噴灑5 mL Rudolph營(yíng)養(yǎng)液[13]，每周噴灑蒸餾水保持水位，實(shí)驗(yàn)持續(xù)2個(gè)月.實(shí)驗(yàn)采用析因設(shè)計(jì)，即實(shí)驗(yàn)包括3個(gè)物種(中位泥炭蘚、大泥炭蘚和銹色泥炭蘚)、3個(gè)水位(1 cm、3 cm和5 cm)，5次重復(fù)，共計(jì)45個(gè)樣品.

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，輕輕撣去蘚袋上的灰塵后，取下樣品，倒掉液體后帶回，室內(nèi)仔細(xì)取出泥炭蘚樣品，測(cè)量植株的平均增長(zhǎng)高度，記數(shù)標(biāo)記株的分枝數(shù).烘箱內(nèi)60 ℃烘干至48 h，加液氮研磨，每樣品稱0.3 g，裝入100 mL燒杯，加入10 mL HNO3，搖勻，蓋上表面皿，靜止12 h，加0.5 mL濃H2SO4和5 mL濃HNO3,電熱板上消煮，然后用50 mL容量瓶定容待測(cè)，使用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Pb、Cu、Ni、Zn和Cd.

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 16.0完成.運(yùn)用雙因素方差分析(two-way ANOVA)統(tǒng)計(jì)物種和水位對(duì)3種泥炭蘚形態(tài)特征(生物量生產(chǎn)、高增長(zhǎng)和分枝數(shù))以及重金屬含量的影響, 經(jīng)Tukey檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較.顯著性水平設(shè)定為α=0.05.

2 結(jié) 果

2.1 物種和水位對(duì)泥炭蘚生長(zhǎng)的影響

在3種水位條件下，3種苔蘚植物在生物量、高度和分枝3個(gè)方面均有明顯生長(zhǎng).統(tǒng)計(jì)分析表明，泥炭蘚生物量增長(zhǎng)(P<0.001)與高度增長(zhǎng)(P<0.01)均受物種顯著影響，而泥炭蘚的生物量增長(zhǎng)(P<0.01)、高度增長(zhǎng)(P<0.001)和分枝增長(zhǎng)(P<0.05)亦均顯著受控于水位(表1).在生物量增長(zhǎng)方面，中位泥炭蘚和大泥炭蘚均高于銹色泥炭蘚(均P<0.001)(圖1A)；在高度和分指數(shù)方面，大泥炭蘚均優(yōu)于中位泥炭蘚和銹色泥炭蘚(均P<0.05)(圖1B和1C).如圖1所示，中位泥炭蘚和大泥炭蘚3 cm水位的生物量增長(zhǎng)最高，高度增長(zhǎng)與分枝數(shù)增長(zhǎng)亦高于1 cm水位.

表1 物種和水位對(duì)泥炭蘚生長(zhǎng)影響的雙因素方差分析Tab. 1 Two-way ANOVA of the effect of species and water level on the growth of Sphagnum

注：不同小寫字母表示處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).圖1 水位對(duì)3種泥炭蘚生物量增長(zhǎng)(A)、高度增長(zhǎng)(B)和分枝增長(zhǎng)(C)的影響 (均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig. 1 Effect of water level on biomass growth (A), height increment (B) and branching(C) in three Sphagnum species

注：不同小寫字母表示處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),無顯著差異的未做標(biāo)注.圖2 水位對(duì)3種泥炭蘚Cu、Ni、Zn、Pb和Cd富集量的影響(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig. 2 Effect of water level on the enrichment of the heavy metals, Cu, Ni, Zn, Pb andCd in three Sphagnum species

2.2 物種與水位對(duì)泥炭蘚重金屬富集能力的影響

分析測(cè)試植物體內(nèi)5種重金屬Cu、Ni、Zn、Pb和Cd含量分別為(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的富集對(duì)物種和水位均無顯著影響(表2).Cu(P<0.01)、Ni(P<0.01)和Zn(P<0.001)3種重金屬含量在物種間存在顯著差異，大泥炭蘚的3種重金屬的富集量(28.5±1.5)、(13.4±0.8)和(201.1±4.9)μg/g，高于中位泥炭蘚(25.7±1.4)、(11.8±0.6)和(182.7±3.9) μg/g和銹色泥炭蘚(22.5±1.0)、(10.3±0.5)和(157.4±2.5)μg/g(圖2).與植物生長(zhǎng)反映的規(guī)律不同，水位僅對(duì)Zn富集量產(chǎn)生顯著影響(P<0.001).多重比較分析表明，3 cm水位Zn富集量顯著高于1 cm(P<0.05)和5 cm(P<0.001).

表2 物種和水位對(duì)泥炭蘚重金屬富集量影響的雙因素方差分析Tab. 2 Two-way ANOVA of species and water level on heavy metal enrichment in Sphagnum

3 討 論

濕地植物因具備突出的富集能力，在城市環(huán)境的重金屬污染監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用[14].本研究的3種受試材料均為典型的濕地植物，對(duì)5種重金屬污染物的富集量以Zn最高，富集量介于150～220 μg/g之間，高出其他污染物1～2個(gè)數(shù)量級(jí).受試植物Cd富集量最低，介于0.9～1.1 μg/g之間.若不考慮重金屬污染物富集的物種特異性，與國(guó)外意大利[10]、塞爾維亞[11]、芬蘭[12]、西班牙Girona和Salt[15](以下稱GS)監(jiān)測(cè)研究對(duì)比來看，長(zhǎng)春市大氣中Zn污染水平(180 μg/g)遠(yuǎn)高于意大利的那不勒斯(83)、塞爾維亞的貝爾格萊德(76)、芬蘭的Harjavalta(43)和西班牙的GS(23)；Pb污染水平(19 μg/g)與那不勒斯(19)相同，高于貝爾格萊德(8)、GS(0.9)和Harjavalta(12)；Cu污染水平(26 μg/g)高于那不勒斯(6)、貝爾格萊德(16)和GS(4)，但遠(yuǎn)低于Harjavalta(299)；Cd污染水平(1.0 μg/g)高于那不勒斯(0.4)和GS(0)，但遠(yuǎn)低于Harjavalta(1.7)，貝爾格萊德因未監(jiān)測(cè)此指標(biāo)，故無法比較；Ni富集量(12 μg/g)高于那不勒斯(2.4)和貝爾格萊德(2.2)，與Cu相似，亦遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Harjavalta(108)，GS未監(jiān)測(cè)Ni，故未做比較.總體比較看來，長(zhǎng)春市比歐洲國(guó)家的Zn、Pb、Cu和Cd污染水平高出約1倍，但個(gè)別指標(biāo)如Cu和Ni水平遠(yuǎn)低于芬蘭Harjavalta，這應(yīng)與該市大型的Cu礦生產(chǎn)有關(guān).

將監(jiān)測(cè)結(jié)果與國(guó)內(nèi)重慶[16]、上海[17]、青島[18]等城市對(duì)比來看，長(zhǎng)春市大氣的Zn污染水平(180 μg/g)遠(yuǎn)低于上海(432)，略低于青島(236)，遠(yuǎn)高于重慶(約20)；Pb污染水平(19 μg/g)遠(yuǎn)低于上海(47)、與青島(18)接近，高于重慶(小于10)；Cu污染水平(26 μg/g)略低于上海(34)，遠(yuǎn)高于青島(8)和重慶(約1)；Cd污染水平與其他三地差異不大；Ni污染因無研究報(bào)道，故未比較.通過上述比較來看，總體上長(zhǎng)春市大氣重金屬污染在國(guó)內(nèi)大型城市中尚屬中等水平.

與煙臺(tái)[19]維管植物大氣重金屬污染監(jiān)測(cè)研究對(duì)比看，本研究的各個(gè)污染物含量均較其高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，反映出苔蘚植物在大氣重金屬污染監(jiān)測(cè)的敏感性和優(yōu)越性.

本研究所采用的苔蘚植物材料均為泥炭地蘚丘種，具備一定的耐寒能力.然而，蘚丘種的凈初級(jí)生產(chǎn)力一般較低，因此對(duì)重金屬的富集能力有一定限度.實(shí)驗(yàn)中，3種苔蘚植物均生長(zhǎng)良好，表明它們均能耐受城市大氣環(huán)境.對(duì)比來看，銹色泥炭蘚對(duì)重金屬污染物的富集能力有限，這可能與其凈生產(chǎn)力最低有關(guān).丘間種雖然凈初級(jí)生產(chǎn)能力強(qiáng)，但因人為移植時(shí)成活率低，本實(shí)驗(yàn)未將其作受試材料，考慮到其弱耐旱能力，利用丘間泥炭蘚種監(jiān)測(cè)城市大氣重金屬的可行性可能較低.實(shí)驗(yàn)中，3 cm水位最利于泥炭蘚生長(zhǎng)，一定程度上也反映出，蘚丘物種對(duì)水分條件的需求和對(duì)周期性干旱具有一定的耐受能力[20].

城市大氣重金屬污染受汽車尾氣排放的污染物影響大.近年來，霧霾天氣在北方城市的冬季頻發(fā)，霧霾發(fā)生時(shí)的氣象條件不利大氣污染物擴(kuò)散，加重城市大氣重金屬污染，未來應(yīng)關(guān)注該時(shí)期大氣重金屬監(jiān)測(cè).本研究的苔蘚監(jiān)測(cè)主要局限于夏季，對(duì)比國(guó)外的同類研究，亦主要集中于春季和夏季，秋冬特別是冬季開展很少.由于冬季低溫，苔蘚植物活體的移植監(jiān)測(cè)顯然無法開展，未來監(jiān)測(cè)中，應(yīng)輔助傳統(tǒng)的蘚袋法進(jìn)行長(zhǎng)期如半年以上的監(jiān)測(cè)工作，或者僅僅局限于冬季用于霧霾多發(fā)期的短期大氣監(jiān)測(cè).

[1] GILBERT O L. Air pollution[C]//Proceedings of the 1st European Congress on the Influence of Air Pollution Plants and Animals, Wageningen, 1969:223-235.

[2] 方炎明.苔蘚與城市空氣重金屬污染:監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法與新近應(yīng)用[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，28(4)：69-74.

[3] 張朝暉，邵晶，柴之芳，等.利用苔蘚和地衣作為生物監(jiān)測(cè)器對(duì)大氣降塵中重金屬污染物質(zhì)的研究[J].核技術(shù)，2001，24(9)：776-778.

[4] 姜業(yè)芳.苔袋法監(jiān)測(cè)吉首市大氣重金屬污染[J].生命科學(xué)研究，2005，9(4)：132-134.

[5] GOODMAN G T, ROBERTS T M. Plants and soil as indicators of meal in the air[J]. Nature,1971,231(6):287-292.

[6] MARKERT B, HERPIN U, SIEWERS U, et al. The German heavy metal survey by means of mosses[J]. The Science of the Total Environment,1996,182(1/2/3):159-168.

[8] GAILEY F A, LLOYD O L. Atmospheric metal pollution monitored by spherical moss bags:a case study of Armadale[J]. Environmental Health Perspectives,1986,68(3):187-196.

[9] 梅娟,張銀龍,方炎明.苔袋法監(jiān)測(cè)大氣重金屬和SO2污染[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2003,16(2):18-23.

[10] ADAMO P, GIORDANO S, VINGIANI S, et al. Trace element accumulation by moss and lichen exposed in bags in the city of Naples (Italy)[J]. Environmental Pollution,2003,122(1):91-103.

[12] SALO H, BERISHA A, MAKINEN J. Seasonal comparison of moss bag technique against vertical snow samples for monitoring atmospheric pollution[J]. Journal of Environmental Sciences-China,2016,41:128-137.

[13] RUDOLPH H, KIRCHHOFF M, GLIESMANN S. Sphagnum culture techniques[M]// GLIME J M. Methods in bryology. Nichinan: Hattori Botanical Laboratory,1998:25-34.

[14] 崔君,王嘉慧,張棟,等.和睦濕地水生植物重金屬富集能力的分析[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,15(5):490-494.

[15] RIVERA M, ZECHMEISTER H, MEDINA-RAMN M, et al. Monitoring of heavy metal concentrations in home outdoor air using moss bags[J]. Environmental Pollution,2011,159(4):954-962.

[16] SUN S, WANG D, HE M, et al. Monitoring of atmospheric hevay metal deposition in Chongqing, China- based on moss bag technique[J]. Environmental Monitoring & Assessment,2009,148(1):1-9.

[17] 安麗，曹同，俞鷹浩.不同苔蘚植物對(duì)重金屬富集能力的比較[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，35(6)：64-70.

[18] 李琦,籍霞,王恩輝,等.苔蘚植物對(duì)青島市大氣重金屬污染的生物監(jiān)測(cè)作用[J].植物學(xué)報(bào)，2014，49(5)：569-577.

[19] 莊樹宏,王克明.城市大氣重金屬(Pb,Cd,Cu,Zn)污染及其在植物中的富積[J].煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程版),2000,13(1):31-37.

[20] 鄭星星,卜兆君,馬進(jìn)澤,等.水位和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)三種泥炭蘚生長(zhǎng)的影響[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,11(6):485-488.

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471043)；吉林省環(huán)保局科研項(xiàng)目(2007-25).

孫 強(qiáng)(1971—),女，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)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