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，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，通過食物鏈的傳遞和累積，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全品質(zhì)和人類健康造成嚴(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2種途徑：一是通過沉降到農(nóng)作物莖葉表面，直接被吸收進(jìn)入植物體內(nèi)；二是通過污染農(nóng)作物周圍的土壤和水體，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種來源的大氣降塵類型。降塵采集完畢、去除動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)后，過100目篩備用。本研究過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。稱量后，使用粉碎機(jī)將其粉碎，貯存?zhèn)溆梅治?。植株樣品采用HNO3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 不同來源的大氣降塵中重金屬元素含量

為了探究不同來源的大氣降塵對(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種來源的大氣降塵中的含量均超過了江蘇省表層土壤背景值[20]。

表2 不同來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)周圍雖無明顯點(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來看，不同來源降塵對(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

不同來源的大氣降塵處理后，青菜地上部的重金屬含量見表5，水稻地上部的重金屬含量見表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)后無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。青菜、水稻分開比較。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)育過程中從外界環(huán)境吸收的重金屬元素最終都將通過食物鏈富集到人體。近年來眾多研究表明，大氣降塵是農(nóng)作物重金屬污染的重要來源[27-30]。本研究通過對(duì)不同來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。深入開展相關(guān)源解析研究，探究降塵來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。