不同植物群落内PM2.5及重金属元素滞纳季相特征

张天然，丁高峰，楼一蕾，黄芳，李晓璐，袁楚阳，于慧，晏海，邵锋

（1.浙江农林大学 风景园林与建筑学院，浙江 杭州 311300；2.杭州西湖风景名胜区花港管理处，浙江 杭州 310007）

随着社会经济的快速发展，城市灰霾天气频繁发生[1-2]。PM2.5是空气动力学直径≤2.5 μm 的大气颗粒物，它是造成灰霾现象的主要因素[3]。研究表明，大部分有害元素和化合物都富集在PM2.5上，重金属元素蓄积能力强且毒性大，会对人体健康和环境造成严重危害[4-6]。近年来，国内学者对大气颗粒物污染开展了大量研究[7-9]。崔井龙等[10]研究发现，太原市四季日均PM2.5浓度呈现冬季＞春季＞夏季＞秋季，PM2.5中Cr 在夏、秋季浓度较高，Pb 和Cd 在冬季最高。典型城市污染元素As 在冬季浓度最高[11]。闫向阳等[12]研究表明，沈阳商业区污染重于居民区。张志刚[13]研究证实，工业区的大气颗粒物中金属元素含量高于居民区的。植物群落是城市绿地的基本构成要素，是绿地系统生态功能的基础[14]。Nowak 等[15]研究表明，绿地能去除大气中50%的有害颗粒物。植物主要通过滞留、附着和粘附3 种方式滞尘[16]。植物及其组成的群落能有效降低大气颗粒物污染。目前，有关植物群落对PM2.5及其重金属元素滞纳的研究少有报道。本文以浙江农林大学东湖校园为例，选取5 种典型植物群落为研究对象，实地监测各群落中的PM2.5质量浓度，分析群落内PM2.5质量浓度及其重金属浓度的时空变化规律和影响因素，以期为城市绿地植物群落构建和应对大气重金属污染提供依据。

1 研究方法

1.1 研究对象

浙江农林大学东湖校园（30°26′28″ N，119°73′47″ E）位于杭州市临安区。校园总面积146 hm2，生态环境优良，三面环山，南面为城市主干道，周边无局地污染源。园内植物群落类型丰富、结构稳定。校园被教育部、国家林业和草原局等单位授予“国家生态文明教育基地”称号。

植物群落指某一地域内具有一定种类组成和种间数量比例的全部植物总和，按其生境可分为陆生植物群落和水生植物群落。陆生植物群落有林地、疏林草地、灌丛和草地4 种类型[17-18]。本试验选取浙江农林大学东湖校园内5 种植物群落作为研究对象，分别为常绿灌丛、常绿阔叶林、针阔混交林、落叶阔叶林和疏林草地。为确保试验结果的准确性，避免相互干扰和影响，各样地间的直线距离≥300 m。样地位置如图1 所示。构成5 种群落的主要植物分别是锦绣杜鹃Rhododendron×pulchrum、樟Cinnamomum camphora、全缘叶栾树Koelreuteria bipinnatavar.integrifoliola和日本晚樱Cerasus serrulatavar.lannesiana。常绿灌丛位于学院楼3 号和4 号之间，南北两侧被建筑围合，面积约2 500 m2，主要植物有锦绣杜鹃-沿阶草Ophiopogon bodinieri（灌草型）。常绿阔叶林位于体育馆南侧、篮球场以东，紧邻校园南门，面积约2 000 m2，主要植物是樟+竹柏Nageia nagi-海桐Pittosporum tobira-沿阶草（乔灌草型）。针阔混交林位于体育馆北侧、玉兰路南边，呈狭长形，面积约2 200 m2，植物主要为马尾松Pinus massoniana+全缘叶栾树-早熟禾Poa annua（乔草型）。落叶阔叶林位于学生宿舍楼A4 北侧，周边为风雨操场和网球场，面积约1 800 m2，主要植物有日本晚樱+龙爪槐Sophora japonica-二月兰Orychophragmus violaceus（乔草型）。疏林草地位于图书馆南侧，临近东湖，面积约3 000 m2，零星种植水杉Metasequoia glyptostroboides和无患子Sapindus mukorossi，为空间开阔的草地。5 种植物群落结构的特征指标见表1。

表1 植物群落结构特征指标Table 1 Character of plant community structure in the sample plots

图1 样地分布图Figure 1 Distribution of sample plots

1.2 数据获取

在5 种植物群落的近中心位置，距离地面1.5 m 处各布置1 台智能中流量TSP 采样器（KC-120H），并安装QMA 石英纤维滤纸同步采集空气中的PM2.5。采样时间选择2017 年3 月、4 月（春季）和2017 年2 月、12月（冬季），每月采样3 次，在月初、月中和月末各2 d，每天连续采样24 h（8:00 至次日8:00）。要求试验前1 周内无降雨、大风等情况发生，采样当天天气晴朗、无风或微风。采样前，用锡箔纸包裹滤纸，置于马弗炉（设定温度450℃）中灼烧4 h，除去滤纸上原有的有机物及杂质，之后将滤纸静置于恒温恒湿箱（Premium ICH）（设定温度为25℃、相对湿度为50%）内48 h。取出后使用电子天平（SI-234）（精度0.1 mg）称量和记录滤纸质量，重复称量3 次，取平均值作为滤纸采样前的质量。采样完成后，将滤纸再次在恒温恒湿条件下处理并称量、记录滤纸质量，方法及步骤同采样前。

根据《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》HJ 618-2011[19]测得空气PM2.5的质量浓度。通过具有切割特性的采样器，抽取定量体积的空气，使空气中的PM2.5被截留在已知质量的滤膜上，依据采样前后的质量差和采样体积，计算出PM2.5的质量浓度。计算公式如下：

式中，P为PM2.5的质量浓度（mg·m-3），W2为采样后的滤膜质量（g），W1为采样前的滤膜质量（g），V为已换算成标准状态下的采样体积（m3）。

将采样后的滤纸放置在特氟隆容器中，依次加入去离子水、浓硝酸、氢氟酸和高氯酸消解。通过电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）（Elan 9000）检测滤纸上Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb 和Pb 共17 种元素的质量浓度。为确保试验结果的有效性，同步检测空白滤纸上的元素，结果表明，空白滤纸上的各元素含量均低于检出限值，因此，检测结果有效。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 统计和整理数据、SPSS 22.0 分析数据、Origin 8.0 作图。

2 结果与分析

2.1 不同植物群落内PM2.5 质量浓度的变化

由图2 可知，5 种植物群落内PM2.5质量浓度的变化范围是（24.92±2.26）～（112.73±9.57 ）μg·m-3，平均浓度为（69.23±5.76）μg·m-3，该值是《环境空气质量标准》GB 3095—2012[20]规定的年均二级浓度限值（35 μg·m-3）的1.98 倍。在时间上，5 种群落内PM2.5平均质量浓度均为冬季（101.33±8.47 μg·m-3）＞春季（37.13±3.06 μg·m-3）。各群落内PM2.5的质量浓度均为冬季高，春季低，其中，落叶阔叶林内春、冬季PM2.5质量浓度的差异最大，差值为73.04 μg·m-3，疏林草地内PM2.5质量浓度的季节差异最小，仅为54.96 μg·m-3。在空间上，2 个季节PM2.5平均质量浓度为疏林草地内（85.25±7.18 μg·m-3）最高，落叶阔叶林内（71.05±5.76 μg·m-3）、常绿灌丛内（70.56±5.05 μg·m-3）和针阔混交林内（61.70±5.51 μg·m-3）次之，常绿阔叶林内（57.58±5.34 μg·m-3）最低。

图2 春、冬季不同植物群落内PM2.5 质量浓度的变化Figure 2 PM2.5 mass concentrations in different plant communities in spring and winter

2.2 不同植物群落内PM2.5 中重金属的质量浓度变化

研究获得了PM2.5中17 种元素的质量浓度值，综合考虑重金属定义和对人体健康影响的因素，本文重点讨论V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb 和Pb 11 种重金属的质量浓度变化。春、冬季，在5 种植物群落内的PM2.5中，Cr、Mn、Cu、As、Zn 和Pb 6 种重金属的质量浓度较高，共占PM2.5质量浓度的10.24‰；V、Co、Ni、Cd 和Sb 5 种重金属仅占0.56‰。其中，Zn 和Pb 的平均质量浓度较高，分别为（342.11±32.51）ng·m-3和（214.10±23.40）ng·m-3，分别占PM2.5质量浓度的4.94‰和3.09‰；Co 的质量浓度最低，仅为（2.08±0.59 ）ng·m-3，占PM2.5质量浓度的0.03‰（图3 和图4）。

图3 PM2.5 中11 种重金属的平均质量浓度Figure 3 Mean mass concentration of 11 heavy metals in PM2.5

图4 11 种重金属质量浓度在PM2.5 中的占比Figure 4 Proportion of mass concentration of 11 heavy metals in PM2.5

由图5 可知，在5 种植物群落内，11 种重金属的总质量浓度平均值为冬季（897.14±90.39 ng·m-3）＞春季（599.24±59.36 ng·m-3），这与PM2.5质量浓度的季节变化相同。其中，Cr、Mn、Cu、As、Sb、Zn 和Pb 7 种重金属质量浓度的季节变化明显（P＜0.05），而V、Co、Ni 和Cd 4 种重金属质量浓度的季节变化不显著（P＞0.05）。

图5 春、冬季5 种植物群落内PM2.5 中重金属质量浓度的变化Figure 5 Heavy metal concentrations in PM2.5 in different plant communities in spring and winter

春季，不同重金属的质量浓度为（1.30±0.54）～（355.45±28.91）ng·m-3，其中，以常绿灌丛内Zn 的质量浓度最高，为355.45±28.91 ng·m-3，常绿阔叶林内Co 的质量浓度最低，仅为1.30±0.54 ng·m-3；冬季，11 种重金属浓度为（2.19±0.63）～（411.36±33.55）ng·m-3，以疏林草地内Zn（411.36±33.55 ng·m-3）和Pb（304.60±31.82 ng·m-3）的质量浓度较高，常绿阔叶林内Co（2.19±0.63 ng·m-3）的质量浓度最低。

由表2 可知，春、冬季，11 种重金属的总质量浓度平均值为疏林草地内（841.96±77.65 ng·m-3）＞常绿灌丛内（799.21±73.97 ng·m-3）＞落叶阔叶林内（774.40±76.44 ng·m-3）＞针阔混交林内（703.68±69.30 ng·m-3）＞常绿阔叶林内（621.70±64.63 ng·m-3），这与PM2.5质量浓度的空间变化基本一致。

表2 不同植物群落内PM2.5中11 种重金属的质量浓度Table 2 Heavy metal concentrations in PM2.5 in different plant communities

11 种重金属质量浓度的最高值均出现在疏林草地内，最低值在常绿阔叶林内（除V 外），其中，Zn 的质量浓度最高，为376.89±30.67 ng·m-3；Co 的质量浓度最低，仅为1.74±0.42 ng·m-3。此外，常绿灌丛、针阔混交林和落叶阔叶林内Zn 的质量浓度均为最高，分别为376.80±30.18 ng·m-3、315.28±29.12 ng·m-3和348.53±31.76 ng·m-3；V、Co、Ni 和Cd 的质量浓度较低，仅为（1.99±0.40）～（9.30±1.36）ng·m-3。

3 结语

3.1 讨论

本研究结果表明，在5 种植物群落内PM2.5的质量浓度和PM2.5中重金属的总质量浓度平均值的季节变化相同，均为冬季高，春季低。赵珀[21]研究表明，冬季气象条件稳定，不利于污染物的扩散，使重金属更易在PM2.5上累积。陈培飞等[22]研究发现，PM10和PM2.5中重金属的质量浓度在春季最低，这与本研究结果一致。陶俊等[23]研究证实，7 种致癌重金属仅As、Cd、Pb 和Se 有明显富集现象，富集因子均超过500，其中，夏季的富集因子明显高于其他季节，这可能是周边燃煤和城区机动车排放和区域性污染源的输送引起的。大气重金属Cu、Pb 和Zn 的质量浓度具有秋季高、冬季次之和春夏季较低的变化特征，这与气象条件和污染来源有密切关系[24]。

春、冬季，PM2.5的质量浓度和PM2.5中重金属的总质量浓度平均值的空间变化基本一致，均为疏林草地最高，常绿阔叶林最低。重金属元素在5 种植物群落内的分布基本相同，11 种重金属的质量浓度最高值均出现在疏林草地内，最低值在常绿阔叶林内（除V 外）。杨貌等[25]研究表明，受植被郁闭度、疏透度和植物种类的综合影响，复合配置模式比单一配置模式下大气颗粒物浓度的稳定程度高。贾琳[26]研究发现，乔灌草和灌木对PM2.5的滞尘效果最好。以乔灌草结构为主的绿地对PM2.5的消减作用最佳[27]。吴志萍等[28]研究认为，多层复合结构乔-灌-草绿地的覆盖度高、绿量大，但其颗粒物浓度却高于单层结构，这与本文研究结果不一致。其原因可能是乔-灌-草绿地的密度较高，枝下高偏低，导致林内通风条件差，不利于空气中颗粒物的扩散，并且过大的种植密度使林内大气和外界的水分、能量和物质交换速率降低[29]。

3.2 结论

本文对5 种植物群落内的PM2.5及其所含11 种重金属元素的时空变化进行了研究。结果表明，春、冬季，在5 种植物群落内PM2.5中Zn 和Pb 的平均质量浓度较高，分别占PM2.5质量浓度的4.94‰和3.09‰；Co 的平均质量浓度最低，仅占0.03‰；PM2.5的质量浓度和PM2.5中重金属的总质量浓度平均值的季节变化相同，均为冬季＞春季；Cr、Mn、Cu、As、Sb、Zn 和Pb 7 种重金属质量浓度的季节变化明显（P＜0.05），而V、Co、Ni 和Cd 4 种重金属质量浓度的季节变化不显著（P＞0.05）。PM2.5质量浓度和PM2.5中11 种重金属的总质量浓度平均值的空间变化基本一致，均为疏林草地最高，常绿阔叶林最低。风景园林师在规划和设计城市绿地时，应选取抗污染能力和适应能力强的树种，合理构建植物群落结构，保持林下空间的通透性。