植物叶片及叶面尘的铅含量协同监测大气铅浓度研究

吴羽晨，邓小莉，李永超

(新乡学院生命科学技术学院，河南 新乡 453003)

由于中国城镇化推进和现代化产业的不断扩大，不仅城区而且郊区的大气污染也越来越严重。铅是一种普遍存在于人们生活中的重金属，从其开发到生产、应用，与之相关的物品已达到上百种，如含铅汽油、护肤品、油漆以及食品加工中含铅防腐剂的使用等，使得铅污染越来越严重[1]。儿童若吸入过量的铅会严重的干扰智力发育且会造成消化道系统疾病和内分泌紊乱，也会导致贫血和破坏人体免疫功能，最终严重的损害人类的身心健康。由此可见，铅化物是目前影响较广的一种污染物[2-3]。

研究表明，重金属在植物叶片中的积累量与其生长土壤中重金属含量无较大的相关性[7],植物叶片中重金属含量主要来源于大气[4-7]，且向其他部位迁移性较小[8]。而植物叶片能够通过气孔吸收并富集大气中的铅等有害物质，并与积累在大气中的大部分铅浓度有一定的相关性，所以测得叶片中的铅含量能更好地反映大气的铅污染程度[9-10]，还能客观地反映叶片对大气中铅净化能力的强弱。

叶面降尘是空气中的固体小颗粒在光照、风速、降水以及重力等因素的作用下吸附在植物叶片表面的固体小颗粒的总称。由于工矿企业的各种废气废渣、大量的汽车尾气和尘土的扬尘等颗粒物的降沉作用，叶片表面降尘中含有非常多的铅化物，叶面降尘可体现一定区域大气的污染状况。因此，植物器官(如叶片)作为一种监测材料，既方便又经济，在国内外已经广泛地应用了这种监测方法[11]。但是，大多都是研究植物体自身的吸收和净化能力，而有关的空气污染监测手段仍存在不足，准确的相关性仍存在争议[12-13]。

为此，本文选取豫北地区常见典型的4种绿化树种杨树(Populuscanadensis)、悬铃木(Platanushispanica)、国槐(Sophorajaponica)和白蜡(Fraxinuschinensis)作为研究的对象，对新乡市不同地区植物叶片的铅含量、叶面降尘铅的质量分数以及空气污染物铅的含量进行同步监测，利用多元回归分析4种绿化树种对空气污染因素铅的适应能力，探讨4种绿化树种叶片的铅含量和叶片表面降尘铅含量、空气铅浓度之间的联系，为园林绿化树种在环境状况监测方面的应用提供参考。

1 研究区概况

新乡市地处黄河、海河两大流域，位于35°18′N，113°54′E，南临黄河，北依太行，总面积8 249km2，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，冬寒夏热、春秋短促，气温年较差极大，降水季节集中，年平均降水量573.4mm，年均湿度68%，年均无霜期为205d。季风特征较明显，冬寒夏热、春秋短促、气温年较差极大、降水季节集中，全年最多风向为东北东风，频率为17.49%，次多风向为东北风，频率为12.3%。年平均风速为2.45m/s。每当秋冬之际，冷空气从东南方向来袭，由于受太行山的阻隔作用，其风速会变小。降水量在季节分配上极不均匀，大致与冬、夏季风进退相一致。市境霜冻初日多出现在10月下旬，霜冻终日多出现在4月上旬。

2 研究方法

2.1 样品

2.1.1 采样点

采用分层随机抽样调查法，按照污染程度对新乡市城镇进行功能分区布点采样(11个)。分别为工业区3个(北站化肥厂、水泥厂、发电厂)；商业交通区3个(建设路中段、和平路中段、金穗大道西段)；居民区3个(紫郡小区、常青藤小区、格林小镇)；清洁区2个(和谐公园、京华园)。

2.1.2 采样树种

通过对新乡市内主要街道、公共绿地、公园和居民区进行调查，选择确定杨树、悬铃木、国槐和白蜡4个树种作为供试树种。所选4个树种生长状况见表1。

表1 所选树种和生长状况

2.1.3 采样方法

叶片采样 于2017年9-10月期间，在雨后第3d不同功能区选择生长健康的优良植株采集叶片和测定。采样时同一树种树高、胸径、生长状况等条件保持基本一致，各取样点同一树种采集3-4株。采样位置均选择树冠外围东西南北4个方向，距离地面高度2.5m左右处采集同枝龄的叶片。每枝选取第3-5片老叶作为测量样品。

降尘采样 雨后每隔5d采样1次，每树种均采集同一高度的成熟健康叶片，用微孔滤膜抽滤法收集降尘。

大气采样 在不同功能区用两段式空气分割法，以过氯乙烯为膜材料的空气采样器采集空气中的粒子，流速为100L/min，持续采样3h，两段膜完全分解后再测定。每个采样点重复3次。

2.2 测定及分析方法

2.2.1 测定方法

在实验室内对所收集的叶片和降尘进行处理，采用艾氏卡试剂消化样品，并用原子吸收法测定铅的含量[14-18]。

大气铅浓度的测定 将采样膜称重，蒸发直至干燥，定容，取适量液体，用阳极溶出伏安分析法测定大气中的铅浓度[19]，每个采样点重复3次。

2.2.2 分析方法

利用多重比较法分析不同功能区不同树种叶片的铅含量和降尘中的铅质量分数的差异性；利用Spearman 法对因变量(叶片的铅含量)和自变量(降尘中的铅含量与大气铅浓度)进行相关性分析。并建立三者之间的生物监测数学模型。采用 Mirosoft、Excel、SPSS 19.0软件对数据进行统计与分析，采用Word 2010软件进行图表制作。

3 结果与分析

3.1 叶片及叶面降尘的铅含量和大气铅浓度比较

植物叶片可吸收富集铅等多种污染元素，反映排放源附近元素的输入特征及污染水平，可以作为较长期的污染指示剂，植物叶面降尘由于对大风大雨等气象条件的敏感性，可作为不同功能区污染的短期监测指标。由表2可见，工业区、商业交通区和居民区的大气铅浓度与清洁区相比差异均极显著；对4种树木叶片铅含量和降尘中的铅含量而言，工业区和商业交通区与清洁区相比差异极显著，而居民区与清洁区相比差异显著；对杨树、国槐叶片铅含量和叶面降尘中的铅含量而言，商业区和工业区与清洁区相比差异极显著，而清洁区与居民区相比差异显著；对悬铃木和白蜡叶片铅含量和降尘中的铅含量而言，工业区叶片铅含量与清洁区相比差异极显著，而商业交通区和居民区叶片铅含量与清洁区相比差异显著。这说明降尘和叶片对大气污染元素铅的浓度变化反应敏感。由4个功能区4种城市绿化树木叶片铅含量的变化可以看出，叶片铅含量均随污染程度的的增加而增多，即工业区>商业交通区>居民区>清洁区。

表2 各功能区4树种叶片铅含量及降尘中铅含量与大气铅浓度比较

注：**为叶、降尘铅含量，大气铅浓度分别与清洁区比较差异极显著(P<0.01)，*为差异显著(P<0.05)。

4个绿化树种叶片铅含量和降尘中的铅含量均随空气中铅浓度的升高而升高，在工业区达到了峰值。其中，增加幅度由大至小依次是杨树叶片、国槐叶片、悬铃木叶片和白蜡叶片。其中，杨树在工业区(化工厂)其叶片铅含量和降尘中的铅含量分别是清洁区的5.14倍和3.64倍，悬铃木叶片为3.49倍和2.25倍，国槐叶片为4.08倍和2.72倍，白蜡叶片为2.96倍和2.04倍。此外，在同一功能区内，杨树的叶片及叶面尘铅含量显著高于其他绿化树种，白蜡的叶片及叶面尘铅含量明显低于其他树种，这表明由于物种差异，杨树对铅污染物的吸收积累能力最强，白蜡对铅污染物的吸收积累能力最差，国槐、悬铃木对铅等污染物的吸收同化能力居中。

3.2 叶片铅含量、大气铅浓度与降尘中铅含量的数学模型

由表3可见，4种树木叶片铅含量与降尘铅含量、大气中铅浓度3者拟合的二元生物监测数学模型均相关性显著，其中国槐和杨树叶片(编号1、3)相关系数分别达0.779 2 和 0.771 3；悬铃木和白蜡叶片(编号 2、4)相关系数分别达0.736 8 和 0.733 3。因此可以认为，植物叶片中的铅主要来自对大气和降尘的吸收。另外，国槐和杨树叶片的铅含量与降尘中铅含量拟合的一元生物监测数学模型(编号 5、7)相关性十分显著，相关系数分别为0.764 8 和 0.757 9，白蜡叶片中的铅含量和悬铃木叶片铅含量与降尘中的铅含量拟合的一元生物监测数学模型(编号6、8)相关性也十分显著，相关系数分别为0.728 6 和 0.692 6，表明叶片气孔直接吸收了铅的氧化物等大气污染物。还有，大气中铅的浓度和4种树木叶片铅含量拟合的一元生物监测模型相关性也显著。其中，杨树的叶片铅含量与国槐叶片中的铅含量(编号9、11)，相关系数分别为0.793 4和 0.791 8，悬铃木叶片铅含量和白蜡叶片中的铅含量(编号10、12)，相关系数分别为0.738 5和 0.652 5，这表明叶片中的部分铅也同时来自于对降尘中铅化物的直接吸收。

表3 叶片铅含量和大气铅浓度及降尘中铅含量的数学模型

注：Cyys、Cxys、Cgys、Cbys、Cyjs、Cxjs、Cgjs、Cbjs、Cair分别代表杨树叶片、悬铃木叶片、国槐叶片、白蜡叶片、杨树降尘、悬铃木降尘、国槐降尘、白蜡降尘铅含量和大气铅浓度，*为差异显著，**为差异极显著。

4 讨论与结论

研究结果显示，杨树叶面降尘中的铅含量是它的叶片铅含量的1.52-1.82倍，悬铃木的叶面降尘中的铅含量是它的叶片铅含量的1.60-1.70倍，国槐的叶面降尘中的铅含量是它的叶片铅含量的1.63-2.82倍，白蜡的叶面降尘中的铅含量是它的叶片铅含量的1.57-2.95倍。这表明可被植物叶片吸收的有效态铅的比例较低，即叶面降尘颗粒物中仅有小部分的铅化物以有效态形式存在。

许多研究表明，大气中的铅浓度与植物叶片的含铅量有明显的相关性[19-24]。其中雪松、杨树叶片对大气中铅具有明显的滞留能力[25]；对铅累积量较高的树种有杨树、广玉兰、女贞[26]。本研究结果表明，国槐和杨树叶片的铅含量与大气中铅浓度具有明显的相关性(R2=0.7713，0.7792)，悬铃木和白蜡叶片中铅的含量与大气中铅的浓度也显著相关(R2=0.7368，0.7333)，这与蔺芳等[26]、王爱霞，黄晓霞等[27-30]的研究结果一致。说明叶片铅含量部分来源于对大气铅化物的直接吸收。此外，由于植物叶面降尘主要来源于工业废气排放、公共交通和土壤扬尘等颗粒物的沉降，因此，叶面降尘中更是含有大量的铅化物。本研究中，杨树和国槐叶片的铅含量与降尘中铅含量的相关性就是极显著的(R2=0.764 8，0.757 9)；悬铃木和白蜡叶片的铅含量与降尘中铅含量的也显著相关(R2=0.728 6，0.692 6)。由此证明叶片含铅量与叶面降尘铅含量的显著相关性。以上说明植物叶片和叶面降尘均可作为有效的生物指示剂，二者协同监测，其灵敏度更高。

与以叶片的铅含量分别与叶面降尘中的铅含量及大气铅浓度为基础的一元生物监测数学模型相比，利用多重比较法分析不同功能区的植物叶片的铅含量与叶面降尘的铅含量及大气铅浓度后发现均有极显著性差异(R2分别为0.779 2、0.771 3、0.736 8、0.733 3)，故以植物叶片和降尘铅含量及大气铅浓度为基础的生物监测二元数学模型(1、3、2、4)有较高的实用价值，也较一元数学模型(5-12)有更高的可靠性和灵敏度。