索 晨，羅小三，趙 朕，孫 雪，張 丹，陳 燕

(南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 南京 210044)

大氣環(huán)境中粒徑較大(空氣動(dòng)力學(xué)直徑>10 μm)的顆粒物因自身重力或風(fēng)力搬運(yùn)等形式自然沉降到地表而形成的沉積物被稱(chēng)為大氣降塵[1]。它是地球表層“地-氣”系統(tǒng)物質(zhì)交換的一種形式，可反映大氣顆粒物的自然沉降量，具有重要的環(huán)境指示意義[2-3]。近年來(lái)，隨著工業(yè)化與城市化的迅猛發(fā)展，大氣顆粒物污染在我國(guó)已經(jīng)成為突出的環(huán)境問(wèn)題[4-5]。大氣降塵污染作為大氣顆粒物污染的重要表現(xiàn)形式，對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)都有重要影響。

植物葉片的表面特征，如葉表絨毛、葉表蠟質(zhì)層和吸濕性等，對(duì)大氣降塵具有很強(qiáng)的吸附滯留能力。長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中的植物葉片會(huì)對(duì)大氣降塵進(jìn)行阻滯和吸收[6-10]，形成葉表滯塵。由于植物葉片是植物進(jìn)行新陳代謝和多種生理生化反應(yīng)的載體器官，葉表沉積的大氣降塵會(huì)通過(guò)阻塞氣孔等方式影響植物的光合作用等一系列重要的生理生化反應(yīng)，從而造成農(nóng)作物生產(chǎn)力下降，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)田減產(chǎn)[11-12]。同時(shí)，大氣降塵中的重金屬易沉積在農(nóng)作物、土壤和水環(huán)境中，通過(guò)食物鏈的傳遞和累積，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全品質(zhì)和人類(lèi)健康造成嚴(yán)重危害[13-17]，是大氣污染效應(yīng)的重要形式之一。大氣降塵中的重金屬成分對(duì)農(nóng)作物體內(nèi)重金屬含量產(chǎn)生影響主要通過(guò)2種途徑：一是通過(guò)沉降到農(nóng)作物莖葉表面，直接被吸收進(jìn)入植物體內(nèi)；二是通過(guò)污染農(nóng)作物周?chē)耐寥篮退w，被根系吸收而進(jìn)入農(nóng)作物體內(nèi)[18-19]。農(nóng)作物體內(nèi)的重金屬會(huì)通過(guò)食物鏈傳遞和積累，最終進(jìn)入人體。

青菜和水稻是我國(guó)居民的主要蔬菜和糧食作物，其重金屬含量直接關(guān)系作物品質(zhì)和人體健康。研究大氣降塵污染對(duì)青菜和水稻重金屬含量的影響，對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全和人體健康具有積極意義。本研究以3種來(lái)源的大氣降塵，和青菜、水稻這2種典型農(nóng)作物為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，人工模擬不同程度的大氣降塵污染，通過(guò)監(jiān)測(cè)分析農(nóng)作物光合與呼吸特性、葉綠素含量、干物質(zhì)質(zhì)量，以及地上部分重金屬含量等各項(xiàng)指標(biāo)，探究大氣降塵對(duì)青菜和水稻生長(zhǎng)發(fā)育和重金屬積累的影響，旨在為大氣降塵污染背景下的農(nóng)作物安全生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及水培營(yíng)養(yǎng)液

供試土壤取自江蘇省南京信息工程大學(xué)校內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(118.70°E，32.2°N)，土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬。耕層土壤的質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，全氮和有機(jī)碳的含量分別為1.5 g·kg-1和19.4 g·kg-1，土壤pH值為6.2，黏粒含量26.1%，供試土壤中重金屬含量如表1所示，均未超過(guò)江蘇省土壤元素背景值[20]。土樣經(jīng)風(fēng)干、粉碎、去除植物殘?bào)w后，過(guò)5目篩混勻備用。

水培營(yíng)養(yǎng)液根據(jù)木村B水稻營(yíng)養(yǎng)液配方配置，配置完成后充分搖勻備用。

1.2 作物品種及種植方式

青菜(Brassicachinensis)品種為豐邦四月白，種植方式為土壤盆栽。將內(nèi)徑15 cm、高12 cm的試驗(yàn)盆缽按每盆1.5 kg土樣與2.0 g復(fù)合肥(N-P-K，5%-2%-4%)的比例充分拌勻后裝盆，保持各盆土壤肥力基本一致。澆水沉實(shí)后，每盆播撒經(jīng)20% H2O2浸泡24 h的種子15粒，兩葉期定苗，選擇長(zhǎng)勢(shì)均一的植株，每盆留苗5株，共30盆。定苗后放置于透光、防雨、有通風(fēng)口的玻璃溫室中，試驗(yàn)期間每天每盆澆去離子水10 mL，保持試驗(yàn)期間各盆土壤水分一致。

水稻(Oryzasativa)品種為荃兩優(yōu)123，該品種為秈型三系雜交水稻，種植方式為水培盆栽。水稻種子經(jīng)20% H2O2浸泡24 h后置于海綿育苗盤(pán)上育苗，兩葉期后，選擇長(zhǎng)勢(shì)均一的植株用定植棉將其移栽至注滿營(yíng)養(yǎng)液的錐形瓶中，共21瓶。錐形瓶高8 cm，底部直徑5 cm，營(yíng)養(yǎng)液每3 d更換一次。所有水培水稻植株均放置于培養(yǎng)箱中，環(huán)境設(shè)定與外界條件保持一致。

1.3 降塵采集

為研究不同來(lái)源的大氣降塵對(duì)農(nóng)作物的影響，考慮到風(fēng)力搬運(yùn)和雨水沖刷，為確保大氣降塵有足夠的沉積量，本研究在采集降塵時(shí)已經(jīng)歷一個(gè)月左右的晴朗天氣。用洗凈烘干的塑料軟毛刷和簸箕分別于十字路口各方向的道路兩側(cè)、建筑工地?fù)P塵下風(fēng)向的僻靜處和工業(yè)區(qū)附近校園的僻靜處(樓頂、窗臺(tái)等)采集降塵，分別代表交通源、工地源和綜合源3種來(lái)源的大氣降塵類(lèi)型。降塵采集完畢、去除動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)后，過(guò)100目篩備用。本研究過(guò)程中使用的所有試驗(yàn)器材均為塑料和尼龍制品，用以排除金屬元素的污染問(wèn)題。

表1 供試土壤的重金屬元素含量及其土壤背景值

Table1Contents of heavy metal elements in test soil and according background values

mg·kg-1

1.4 試驗(yàn)處理

本研究利用濕法滯塵進(jìn)行不同降塵量的人工模擬自然降塵。分別稱(chēng)量2.5、5.0、10.0 g處理后的降塵置于燒杯內(nèi)，注入1 L去離子水，充分搖勻，制備成濃度分別為2.5 g·L-1(Ⅰ)、5.0 g·L-1(Ⅱ)和10.0 g·L-1(Ⅲ)的降塵處理液。根據(jù)《2017年南京市環(huán)境狀況公報(bào)》，試驗(yàn)地月平均降塵量為5 t·km-2。因此，對(duì)于單個(gè)盆栽，施加10 mL不同試驗(yàn)濃度的降塵處理液，按濃度由低到高分別代表實(shí)際月降塵量的50%、100%和200%。使用注射器吸取10 mL降塵處理液滴潤(rùn)于作物葉片表面，確保降塵處理液全部或大部留滯在作物葉片或莖稈上。青菜和水稻三葉期后進(jìn)行第一次降塵處理。每3 d進(jìn)行一次降塵處理，共10次。每組處理重復(fù)3次，并設(shè)置空白對(duì)照組CK(不含降塵去離子水)。

1.5 指標(biāo)測(cè)定

將降塵樣品放入聚四氟乙烯塑料消解管內(nèi)，采用HNO3-HClO4-HF濕法電熱消解，消解至近干，使用5%(體積分?jǐn)?shù))硝酸定容至10 mL，過(guò)濾后置于15 mL離心管中待測(cè)。消解后樣品使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，PerkinElmer公司，美國(guó))測(cè)定Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Zn等重金屬元素含量，為確保分析準(zhǔn)確性，質(zhì)量控制中引入重復(fù)、空白和標(biāo)準(zhǔn)樣品(美國(guó)，NIST SRM 1648a，城市顆粒物)。

對(duì)2種作物，均從第1次降塵處理后每10 d進(jìn)行1次光合指標(biāo)的測(cè)定，各測(cè)定3次。對(duì)每株作物挑選1片完整、滯塵較為均勻的葉片，使用便攜式光合儀( Li-6400，LI-COR公司，美國(guó))觀測(cè)葉片的光合和呼吸特性。樣品收獲前使用手持式葉綠素儀(SPAD-502，KONICA MINOLTA公司，日本)測(cè)定葉片葉綠素含量。

降塵處理30 d后收獲作物樣品。取作物地上部分別依次使用自來(lái)水、超純水清洗，在105 ℃條件下殺青15 min，然后在60～65 ℃烘箱內(nèi)烘至恒重。稱(chēng)量后，使用粉碎機(jī)將其粉碎，貯存?zhèn)溆梅治觥Ｖ仓陿悠凡捎肏NO3微波消解處理后，ICP-OES測(cè)定Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Zn等重金屬元素含量，為確保分析準(zhǔn)確性，質(zhì)量控制引入重復(fù)、空白和標(biāo)準(zhǔn)樣品(大米 GBW10043、芹菜 GBW10048)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016制作圖表，在SPSS 17.0軟件上進(jìn)行單因素方差分析，對(duì)有顯著差異(P<0.05)的處理，使用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同來(lái)源的大氣降塵中重金屬元素含量

為了探究不同來(lái)源的大氣降塵對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和重金屬元素含量的影響，采集了3種來(lái)源的大氣降塵，并分別測(cè)定其中的重金屬元素含量，結(jié)果如表2所示。元素Fe、Mn在交通源降塵中的含量最高，元素Co在工地源降塵中的含量最高，元素Cd、Cu、Zn在綜合源降塵中的含量最高。元素Cd、Co、Cu、Zn在3種來(lái)源的大氣降塵中的含量均超過(guò)了江蘇省表層土壤背景值[20]。

表2 不同來(lái)源的大氣降塵中重金屬元素含量

Table2Contents of heavy metal elements in atmospheric dust-fall from different sources

mg·kg-1

綜合源大氣降塵采樣點(diǎn)周?chē)m無(wú)明顯點(diǎn)源污染，但由于長(zhǎng)期的工業(yè)排放沉降，依然表現(xiàn)出較高的重金屬含量特征。

2.2 不同來(lái)源的大氣降塵對(duì)青菜和水稻幼苗光合速率的影響

作物凈光合速率采用1 200 μmol·m-2·s-1光照強(qiáng)度下測(cè)得的凈光合速率表示。兩種作物受降塵處理后，在不同時(shí)期測(cè)定的葉片凈光合速率結(jié)果如圖1所示。經(jīng)大氣降塵處理后，2種作物葉片的光合作用均受到抑制，不同處理的作物葉片的凈光合速率較未經(jīng)降塵處理的葉片均顯著降低(P<0.05)，青菜葉片凈光合速率的下降程度為26.4%～50.7%，水稻葉片凈光合速率的下降程度為20.9%～48.4%。隨著降塵處理液濃度提升，作物葉片凈光合速率呈下降趨勢(shì)。不同來(lái)源的降塵對(duì)青菜葉片凈光合速率的抑制情況從高到低總體表現(xiàn)為工地源>綜合源>交通源，對(duì)水稻葉片凈光合速率的抑制情況從高到低總體表現(xiàn)為綜合源>工地源>交通源。

2.3 不同來(lái)源的大氣降塵對(duì)青菜和水稻幼苗呼吸速率的影響

本研究以光強(qiáng)為0時(shí)凈光合速率的絕對(duì)值代表作物葉片的呼吸速率。降塵處理后，在不同時(shí)期測(cè)定葉片呼吸速率，結(jié)果如圖2所示。經(jīng)大氣降塵處理后，2種作物葉片的呼吸速率均得到促進(jìn)，不同處理的作物葉片的呼吸速率較未經(jīng)降塵處理的葉片均顯著(P<0.05)提升?？傮w來(lái)看，不同來(lái)源降塵對(duì)青菜葉片呼吸速率的促進(jìn)程度從高到低表現(xiàn)為工地源>交通源>綜合源，對(duì)水稻葉片呼吸速率的促進(jìn)程度從高到低表現(xiàn)為工地源>交通源>綜合源。

2.4 不同來(lái)源的大氣降塵對(duì)青菜和水稻幼苗葉片葉綠素相對(duì)含量的影響

大氣降塵處理后，2種作物葉片的葉綠素相對(duì)含量均顯著(P<0.05)下降(表3)，且隨著處理液降塵濃度的提升，兩種作物葉片的葉綠素相對(duì)含量均呈下降趨勢(shì)，青菜葉片葉綠素相對(duì)含量的下降程度為30.0%～36.6%，水稻葉片葉綠素相對(duì)含量的下降程度為13.2%～19.4%。不同來(lái)源降塵對(duì)青菜葉片葉綠素相對(duì)含量的負(fù)面影響從高到低總體表現(xiàn)為工地源>交通源>綜合源，對(duì)水稻葉片葉綠素相對(duì)含量的負(fù)面影響從高到低總體表現(xiàn)為綜合源>交通源>工地源。

柱上無(wú)相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.圖1 不同大氣降塵處理下青菜(a)和水稻幼苗(b)葉片凈光合速率Fig.1 Photosynthetic rate of pakchoi (a) and rice seedling (b) leaves under different atmospheric dust-fall treatments

圖2 不同大氣降塵處理下青菜(a)和水稻幼苗(b)葉片呼吸速率Fig.2 Respiration rate of pakchoi (a) and rice seedling(b) leaves under different atmospheric dust-fall treatments

2.5 不同來(lái)源的大氣降塵對(duì)作物地上部分生物量的影響

大氣降塵處理后，2種作物地上部分的干物質(zhì)質(zhì)量均顯著(P<0.05)下降(表4)，且隨著處理液降塵濃度的提升，2種作物地上部分的干物質(zhì)質(zhì)量均呈下降趨勢(shì)，青菜地上部分干物質(zhì)質(zhì)量的下降程度為11.8%～51.3%，水稻葉片地上部分干物質(zhì)質(zhì)量的下降程度為12.7%～35.5%。不同來(lái)源降塵對(duì)青菜地上部分生物量的負(fù)面影響從高到低總體表現(xiàn)為工地源>綜合源>交通源，對(duì)水稻地上部分生物量的負(fù)面影響從高到低總體表現(xiàn)為綜合源>工地源>交通源。

2.6 不同來(lái)源的大氣降塵對(duì)作物地上部分重金屬元素積累的影響

不同來(lái)源的大氣降塵處理后，青菜地上部的重金屬含量見(jiàn)表5，水稻地上部的重金屬含量見(jiàn)表6。大氣降塵處理后，作物地上部的重金屬元素Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Zn含量均呈上升趨勢(shì)，且元素含量隨著處理液降塵濃度的增加而增加。降塵處理下，除高濃度的交通源處理(交通-Ⅲ)外，其他處理對(duì)青菜地上部Cd含量的影響不顯著。綜合源降塵處理顯著(P<0.05)影響了青菜地上部分元素Co、Cu的含量，工地源降塵處理顯著(P<0.05)影響了青菜地上部分Fe元素的含量，工地源和綜合源降塵處理均顯著影響了青菜地上部分元素Mn、Zn的含量。降塵處理對(duì)水稻地上部Cd含量影響不顯著，綜合源降塵處理顯著(P<0.05)影響了水稻地上部Cu的含量，工地源和綜合源降塵處理均顯著(P<0.05)影響了水稻地上部Zn含量，3種來(lái)源的降塵處理均顯著(P<0.05)影響水稻地上部Co、Fe、Mn含量。

表3 不同大氣降塵處理下作物葉片的葉綠素相對(duì)含量

Table3Relative chlorophyll content of crop leaves under different atmospheric dust-fall treatments

降塵來(lái)源Sources of dust-fall青菜葉片SPAD值 SPAD value of pakchoi leavesCKⅠⅡⅢ水稻葉片SPAD值SPAD value of rice leavesCKⅠⅡ交通Traffic source42.4±1.79 a32.0±0.74 b28.6±1.23 c23.6±0.62 d37.9±0.67 a32.9±1.40 b30.8±0.98 b工地Construction source42.4±1.79 a30.0±0.78 b26.4±1.53 c24.2±1.83 c37.9±0.67 a34.2±1.32 b31.6±1.60 b綜合Complex source42.4±1.79 a31.6±0.34 b30.7±0.85 b26.7±0.88 c37.9±0.67 a32.8±0.94 b28.3±0.98 c

同行數(shù)據(jù)后無(wú)相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。青菜、水稻分開(kāi)比較。下同。

Data marked without the same letters indicated significant difference within the same row atP<0.05. Data were compared within pakchoi cabbage and rice， respectively. The same as below.

表4 不同大氣降塵處理下作物地上部分的干物質(zhì)質(zhì)量

Table4Dry weight of aboveground part of crops under different atmospheric dust-fall treatments

g

表5 不同大氣降塵處理下青菜成熟期地上部的重金屬含量

Table5Heavy metal contents in aboveground part of pakchoi under different atmospheric dust-fall treatments

mg·kg-1

表6 不同大氣降塵處理下水稻幼苗地上部的重金屬含量

Table 6Heavymetalcontentsinabovegroundpartofriceseedlingunderdifferentatmosphericdust-falltreatments

mg·kg-1

3 討論

葉綠素含量是影響植物進(jìn)行光合作用的主要因素，植物光合作用與呼吸作用是影響農(nóng)作物干物質(zhì)積累的關(guān)鍵過(guò)程。本研究基于大氣降塵的模擬盆栽試驗(yàn)，檢測(cè)了大氣降塵影響下2種農(nóng)作物的葉綠素含量、光合作用、呼吸作用和地上部干物質(zhì)質(zhì)量這4項(xiàng)生理指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)分析了2種農(nóng)作物在不同來(lái)源不同程度大氣降塵處理下上述4項(xiàng)指標(biāo)的變化。結(jié)果表明，大氣降塵處理使農(nóng)作物凈光合速率顯著下降，呼吸速率顯著上升，葉綠素相對(duì)含量顯著下降，最終導(dǎo)致地上部分生物量顯著下降，但不同來(lái)源降塵的影響不同。前人研究表明：大氣降塵沉積于作物表面可直接損傷葉表，也可堵塞葉片氣孔，干擾作物光合、蒸騰和呼吸作用的正常進(jìn)行[21]。不同來(lái)源大氣降塵對(duì)植物光合作用的抑制程度不同，與降塵的粒徑和植物體葉表的微觀形態(tài)有關(guān)[22]。大氣顆粒物中攜帶的有毒有害物質(zhì)被植物吸收后會(huì)影響葉片蛋白質(zhì)含量[23]，進(jìn)而降低葉綠素濃度及其活性[24]。大氣降塵對(duì)植物呼吸作用的促進(jìn)效果則可能是由植物葉表滯塵引起的葉溫升高所導(dǎo)致的[25]。本研究中，在受到降塵影響后，2種作物的呼吸作用強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，該結(jié)果導(dǎo)致作物在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中消耗更多的有機(jī)質(zhì)，不利于干物質(zhì)的積累。最終在光合作用減弱、呼吸作用增強(qiáng)的共同影響下，2種作物地上部分的干物質(zhì)質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。

Zn、Mn等金屬元素是人類(lèi)進(jìn)行正常生理活動(dòng)所必需的微量元素，但當(dāng)其在人體內(nèi)濃度過(guò)高時(shí)，與Pb、Cd等重金屬元素一樣會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響[26]。農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中從外界環(huán)境吸收的重金屬元素最終都將通過(guò)食物鏈富集到人體。近年來(lái)眾多研究表明，大氣降塵是農(nóng)作物重金屬污染的重要來(lái)源[27-30]。本研究通過(guò)對(duì)不同來(lái)源不同濃度的大氣降塵處理后農(nóng)作物體內(nèi)重金屬元素含量的檢測(cè)分析表明，大氣降塵污染使農(nóng)作物體內(nèi)Co、Cr、Cu、Mn、Zn含量呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)，但不同來(lái)源的大氣降塵對(duì)農(nóng)作物體內(nèi)各種元素含量的影響程度不同。深入開(kāi)展相關(guān)源解析研究，探究降塵來(lái)源與元素含量的具體關(guān)系對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)具有重要意義。青菜地上部分是其主要食用部分，重金屬含量的上升必將對(duì)其品質(zhì)造成不良影響；水稻幼苗地上部分主要為秸稈，并不直接被人體食用，關(guān)于不同來(lái)源降塵對(duì)水稻籽粒中重金屬積累的影響還有待進(jìn)一步研究。