城市綠化樹種葉片多環(huán)芳烴含量水平與葉片特征的關系

馮 馳， 賴 政， 查 燕， 李佳熙， 張銀龍

(南京林業(yè)大學/江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210037)

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是一種極具生態(tài)和健康風險的碳氫化合物[1]，具有長期殘留性、生物蓄積性和很強的三致效應[2]。美國環(huán)境保護局已將16種PAHs作為優(yōu)先污染物質[3]，其中7種PAHs被國際癌癥研究機構認定為2B類以上致癌物質[4]。PAHs在大氣環(huán)境中廣泛分布[5-7]，而植物能有效減輕大氣中PAHs污染程度[8-9]，植物葉片更是一種有潛力的自然環(huán)境凈化器[10]。植物葉片能通過氣體擴散和干濕沉降等作用有效累積大氣中的PAHs[11]，且采集樣品省時省力，使大氣污染監(jiān)測更加經濟簡便。國內外學者研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片特征對葉片吸收PAHs起重要作用。氣態(tài)PAHs通過氣孔和角質層進入葉片[12-13]，葉表面顆粒態(tài)PAHs也會解吸進入角質層[14]；同時比葉面積和葉蠟含量對PAHs的吸收也會產生顯著影響[15-16]；由于不同種植物葉片特征各不相同，導致葉片PAHs含量存在種間差異[17]，也影響了不同環(huán)數(shù)PAHs在植物葉片的分布[18]。近年來，以植物葉片PAHs含量作為污染檢測指標已經成為大氣環(huán)境方面研究的熱點[19-20]，但是有關于城市綠化樹種葉片PAHs含量特征研究不多，葉片特征與葉片PAHs含量之間的具體關系也少有探討。因此，本研究通過測定江蘇省南京市9種常見綠化樹種葉片16種PAHs含量，分析部分樹種葉片PAHs含量與葉蠟含量、氣孔密度、比葉面積之間的關系，篩選出累積PAHs能力強的樹種，為探討PAHs在大氣和植物葉片之間的傳輸機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置與樣品采集

經過實地勘探及樹種考察，在南京林業(yè)大學校園內設置7個采樣點(圖1)。各采樣點距城市交通樞紐新莊立交橋300 m以上，以確保外界環(huán)境因素基本一致；確保每個采樣點均生長一定數(shù)量且具有1年以上生長周期的9種待測樹種(八角金盤Fatsiajaponica、黃楊Buxussinica、海桐Pittosporumtobira、紅葉石楠Photinia×fraseri、灑金桃葉珊瑚Aucubajaponicavar.variegata、桂花Osmanthusfragrans、女貞Ligustrumlucidum、香樟Cinnamomumcamphora和冬青IlexchinensisSims)。采樣時間為2016年11月1—3日，采樣期間和采樣前1周均為晴天，氣溫無較大變化。在每個采樣點每種樹種選擇3棵生長狀況一致的樹木，每棵樣樹保持一定間距。每棵樹按樹冠東、南、西、北4個方向和上、中、下3層進行采樣，每種樹種選擇大小及生長狀況一致的葉片，采集后用塑封袋封裝。另在每棵樣樹上采集數(shù)張樹葉，用于測定葉蠟含量、比葉面積、氣孔密度。

1.2 葉片PAHs測定

1.2.1 預處理 將葉片用蒸餾水浸泡10 min，清洗干凈后晾干封存于塑封袋中，放置于低溫冷凍干燥器中進行冷凍干燥處理，再進行研磨，將干燥粉末樣品存于密封的棕色玻璃瓶中，-18 ℃保存。用千分之一天平稱取0.50 g樣品置于 10 mL 玻璃離心管中，用5 mL丙酮-二氯甲烷溶液(體積比1 ∶1)萃取20 min；超聲波清洗機溫度控制在30 ℃以下，低速冷凍離心10 min，重復操作3次，收集萃取液；40 ℃條件下，用旋轉蒸發(fā)儀將萃取液濃縮至1 mL左右；轉移萃取液，通過層析柱進行樣品凈化；凈化后的萃取液再一次進行旋轉蒸發(fā)濃縮至微干狀態(tài)，用2 mL乙腈進行定容封存，并置于-18 ℃保存，以備氣相色譜-質譜(GC-MS)測定分析。

1.3 葉蠟含量測定

每個樹種稱取新鮮葉片0.20 g，用蒸餾水浸泡10 min晾干后置于已知質量m1(g)的培養(yǎng)皿中，加入30 mL三氯甲烷浸泡1 min，夾出葉片，待三氯甲烷完全揮發(fā)，再次稱量培養(yǎng)皿質量m2(g)，利用差值法，測算葉蠟含量[21]。每個樹種重復操作5次。

1.4 比葉面積測定

每個樹種選取5張生長狀況一致的正常葉片，采用葉面積儀測定植物葉片面積(S)；然后在65 ℃條件下烘干48 h至恒質量，用天平稱量葉片干質量(DW)，通過計算公式獲得比葉面積(SLA)。

式中：SLA表示比葉面積，cm2/g；S表示雙面葉面積，cm2；DW表示植物干質量，g。

1.5 氣孔密度測定

每個樹種選擇5張生長狀況一致的正常葉片，不進行清洗，通過冷凍干燥預處理，切取1 cm×1 cm方形葉片，噴金處理后，利用SEM掃描電子顯微鏡進行觀察。每張葉片樣品選擇5個視野進行拍照。通過計數(shù)法獲取氣孔數(shù)量，從而計算氣孔密度。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS 16.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，變量之間的相關性用Pearson檢驗，顯著性水平設定為0.05，葉片特征與PAHs含量間的相關關系用回歸方程分析。

2 結果與分析

2.1 典型樹種葉片總PAHs含量

由圖2可知，9種樹種葉片總PAHs含量在0.22～1.10 mg/kg，灑金桃葉珊瑚含量最高，總體而言，常綠喬木樹種如香樟、女貞、冬青葉片總PAHs含量低于八角金盤、紅葉石楠、灑金桃葉珊瑚、黃楊等灌木植物。這可能是因為常綠闊葉灌木植株矮小，葉片密度高，貼近地面簇狀生長，受地面揚塵影響較大[22-23]，更易截留大氣顆粒物，導致葉片檢測出較多的PAHs含量。桂花葉片總PAHs含量相對較高，一則桂花是小喬木或灌木，同時因為桂花葉片表面角質層相較于其他樹種更厚，而角質層能夠很好地吸附PAHs[24]。

2.2 典型樹種葉片PAHs單體含量

由表1和圖3可知，植物葉片吸收PAHs單體的能力存在種間差異。其中NaP(4.38×10-2～0.25 mg/kg)、Phe(3.26×10-2～0.18 mg/kg)、Fla(2.93×10-2～0.17 mg/kg)、B(b)F(5.20×10-3～0.16 mg/kg)含量占總PAHs含量的平均百分比分別為23.76%、15.70%、10.36%、12.13%，共占總PAHs含量的61.95%，說明NaP、Phe、Fla、B(b)F是南京市綠化樹種葉片主要PAHs組分。其余PAHs組分含量較低。Ace和Acy(兩者為同分異構體，聯(lián)合測定為 9.00×10-4～7.13×10-2mg/kg)、Flo(9.47×10-3～4.48×10-2mg/kg)、Ant(1.49×10-2～5.52×10-2mg/kg)、BaA(5.04×10-3～0.19 mg/kg)含量占總PAHs含量的平均百分比分別為1.43%、5.31%、5.83%、5.98%，可能是因為低分子量的PAHs穩(wěn)定性差，在環(huán)境中易被降解[25]。Chr(8.39×10-3～0.11 mg/kg)、Pyr(3.24×10-3～5.62×10-2mg/kg)、B(k)F(3.26×10-3～3.51×10-2mg/kg)、BaP(4.00×10-3～1.85×10-2mg/kg)、DahA(3.43×10-3～7.18×10-2mg/kg)、B(ghi)P(2.79×10-3～5.27×10-2mg/kg)和IcdP(3.78×10-3～0.10 mg/kg)含量占總PAHs含量的平均百分比分別3.70%、3.04%、1.35%、1.21%、2.70%、3.05%、4.45%，可能是因為高環(huán)PAHs主要附著在顆粒物上，很難被葉片吸收[26]。

2.3 典型樹種葉片不同環(huán)數(shù)PAHs含量

由表2和圖4可知，不同環(huán)數(shù)PAHs在9種綠化樹種葉片中所占比例不同，因此葉片對不同環(huán)數(shù)PAHs的吸收存在種間差異。二環(huán)(4.38×10-2～0.25 mg/kg)、三環(huán)(6.71×10-2～0.28 mg/kg)、四環(huán)(5.03×10-2～0.34 mg/kg)、五環(huán)(4.75×10-2～0.22 mg/kg)、六環(huán)(1.47×10-2～0.16 mg/kg)PAHs占總PAHs含量的平均百分比分別為 23.76%、28.27%、23.09%、17.38%、7.50%，9種綠化樹種葉片中以二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)PAHs為主，占總量的75.12%，五環(huán)、六環(huán)PAHs占總PAHs含量的24.88%。

表1 9種樹種葉片中PAHs單體含量

注：相對標準偏差(RSD)均低于15%。下同。

表2 9種樹種葉片各環(huán)PAHs含量

2.4 葉片PAHs含量與葉片特征的關系

2.4.1 葉片PAHs含量與葉蠟含量的關系 由圖5可知，6種綠化樹種(海桐、八角金盤、黃楊、桂花、紅葉石楠和灑金桃葉珊瑚)葉片總PAHs含量與葉蠟含量之間呈顯著正相關關系(P<0.05)。隨著葉蠟含量的變大，樹種葉片總PAHs含量也變大，相關回歸方程為y=0.063 3x+0.592 6。葉蠟是覆蓋在葉表面的一層疏水性脂類物質，因此研究結果與Simonich等認為的植物PAHs含量與脂含量顯著正相關的結論[27]一致。

采用Pearson相關性分析分析葉蠟含量與不同環(huán)數(shù)PAHs含量、PAHs單體含量的關系。結果(表3)表明，6種樹種葉片葉蠟含量與不同環(huán)數(shù)PAHs含量無顯著相關性，這與葉蠟含量同總PAHs含量呈正相關的結論不一致。葉蠟含量與Pyr含量相關性系數(shù)為0.977，呈顯著正相關(P<0.05)，與其他PAHs組分無顯著相關性。這可能是因為不同PAHs具有的親脂性大小不同以及外界因素的干擾。

2.4.2 葉片PAHs含量與比葉面積的關系 5種綠化樹種(八角金盤葉面積遠遠大于其他樹種，不利于比較分析，因此未計入其數(shù)據(jù))葉片PAHs含量同比葉面積呈顯著負相關(P<0.05)(圖6)，相關回歸方程為y=-0.029 5x+1.490 1。隨著比葉面積的增加，植物葉片對PAHs的吸收量逐漸下降。比葉面積值越小，相同葉面積下葉片可能越厚。有研究表明，葉片越厚，葉蠟含量越高，親脂性PAHs更易被吸收[28]。

由表3可知，比葉面積與各環(huán)PAHs無顯著相關性，與 B(b)F 含量呈顯著正相關(P<0.05)，其他單體含量與比葉面積沒有顯著相關性。這與總PAHs含量與比葉面積呈負相關正好相反，可能是由B(b)F本身的物理化學性質所致。

表3 葉片特征與葉片PAHs相關性分析

注：“*”表示在0.05水平顯著相關。

2.4.3 葉片PAHs含量與氣孔密度的關系 由圖7可知，葉片總PAHs含量與氣孔密度之間無顯著線性相關關系(r2=0.348 6)。無顯著相關性可能是因為氣孔開合度受氣孔的長寬比及外界條件影響較大，合適的長寬比有利于氣孔在氣體交換時對PAHs的吸附[10]；溫度、表面異物、濕度等也會影響氣孔的開合，特別是葉片表面顆粒物的存在，會導致葉片氣孔受到不同程度的堵塞[29]。

葉面結構SEM影像顯示，被測樹種葉片表面覆蓋有大量顆粒物堵塞氣孔，極大地影響了葉片PAHs的吸收。

6種樹種葉片氣孔密度與葉片各環(huán)PAHs含量無顯著相關性(表3)。不同環(huán)數(shù)PAHs相關性系數(shù)有正有負，表明氣孔密度對不同環(huán)數(shù)PAHs影響不同。氣孔密度與Pyr含量相關系數(shù)為0.955，在0.05水平下呈顯著正相關性，可能因為Pyr是四環(huán)PAHs，四環(huán)PAHs可在氣態(tài)-固態(tài)間相互轉化[30]，當顆粒物堵塞氣孔時，Pyr較容易脫離顆粒物，以氣態(tài)的形式被葉片從氣孔吸收。

3 結論與討論

3.1 綠化樹種葉片PAHs的含量特征

從9種樹種葉片總PAHs含量可知，香樟、女貞、冬青葉片總PAHs含量低于八角金盤、海桐、紅葉石楠、灑金桃葉珊瑚、黃楊，其中灑金桃葉珊瑚對總PAHs累積能力最強。9種樹種葉片總PAHs含量范圍基本上與董瑞斌等研究的植物體內PAHs濃度范圍(0.02～1.00 mg/kg)一致[31]。這可能原因是采樣點距交通樞紐新莊立交橋均超過300 m，受到機動車尾氣污染程度相對較低，植物葉片能在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境下積累大氣中的PAHs。

9種樹種葉片中各PAHs組分的含量不同，NaP、Phe、Fla、B(b)F是葉片主要PAHs組分。劉營等也研究發(fā)現(xiàn)，在樟樹葉片中，低環(huán)數(shù)的Acy、Ace、Ant和高環(huán)數(shù)的BaA、BaP、IcdP、B(ghi)P、DahA等都處于低含量水平[32]。9種樹種葉片中PAHs單體含量存在不同程度的差異，可能是因為每種PAHs單體物理化學性質不相同，每種樹種葉片組成及結構特征也不同。

9種樹種葉片對不同環(huán)數(shù)PAHs的吸收量也不同?？傮w來看，樹種葉片對二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)PAHs的吸收量高于五環(huán)、六環(huán)PAHs。9種綠化樹種葉片中以二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)PAHs為主，占總量的70%以上。這是因為在大氣中，二環(huán)、三環(huán)PAHs呈氣態(tài)，四環(huán)PAHs介于氣態(tài)-固態(tài)平衡之間，五環(huán)、六環(huán)PAHs常吸附于顆粒物上，氣態(tài)PAHs更容易被葉片吸收[10，33]。

3.2 綠化樹種葉片PAHs含量與葉片特征的關系

6種綠化樹種葉片總PAHs含量與葉蠟含量之間存在顯著正相關關系(P<0.05)。葉蠟是覆蓋在葉表面的一層疏水性脂類物質，有機脂類的組成決定了蠟質對PAHs較強的吸附能力。因此本研究與Simonich等的植物PAHs含量與脂含量顯著正相關結論[27]一致。

5種綠化樹種葉片PAHs含量同比葉面積存在顯著負相關性(P<0.05)。比葉面積值越小，相同葉面積下葉片可能越厚。有研究表明，葉片越厚，葉蠟含量越高。當葉蠟含量增加時，親脂性PAHs更易被葉蠟吸收[28]。

葉片總PAHs含量與氣孔密度無顯著相關性。這與Cornejo等研究發(fā)現(xiàn)氣孔密度同葉片PAHs含量存在一定的正相關性的結論[34]不一致。這可能是因為缺乏對環(huán)境溫度、濕度、表面異物和氣孔寬長比等因素的進一步控制，在以后的研究中可以深入探討。