大氣降塵污染對典型農作物生長發育及重金屬含量的影響

索 晨，羅小三，趙 朕，孫 雪，張 丹，陳 燕

(南京信息工程大學 應用氣象學院，江蘇省農業氣象重點實驗室，大氣環境與裝備技術協同創新中心， 江蘇 南京 210044)

大氣環境中粒徑較大(空氣動力學直徑>10 μm)的顆粒物因自身重力或風力搬運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”系統物質交換的一種形式，可反映大氣顆粒物的自然沉降量，具有重要的環境指示意義[2-3]。近年來，隨著工業化與城市化的迅猛發展，大氣顆粒物污染在我國已經成為突出的環境問題[4-5]。大氣降塵污染作為大氣顆粒物污染的重要表現形式，對環境和生態系統都有重要影響。

植物葉片的表面特征，如葉表絨毛、葉表蠟質層和吸濕性等，對大氣降塵具有很強的吸附滯留能力。長期暴露于大氣環境中的植物葉片會對大氣降塵進行阻滯和吸收[6-10]，形成葉表滯塵。由于植物葉片是植物進行新陳代謝和多種生理生化反應的載體器官，葉表沉積的大氣降塵會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，從而造成農作物生產力下降，進而導致農田減產[11-12]。同時，大氣降塵中的重金屬易沉積在農作物、土壤和水環境中，通過食物鏈的傳遞和累積，對農產品安全品質和人類健康造成嚴重危害[13-17]，是大氣污染效應的重要形式之一。大氣降塵中的重金屬成分對農作物體內重金屬含量產生影響主要通過2種途徑：一是通過沉降到農作物莖葉表面，直接被吸收進入植物體內；二是通過污染農作物周圍的土壤和水體，被根系吸收而進入農作物體內[18-19]。農作物體內的重金屬會通過食物鏈傳遞和積累，最終進入人體。

青菜和水稻是我國居民的主要蔬菜和糧食作物，其重金屬含量直接關系作物品質和人體健康。研究大氣降塵污染對青菜和水稻重金屬含量的影響，對保障農產品品質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種典型農作物為研究對象，通過室內盆栽試驗，人工模擬不同程度的大氣降塵污染，通過監測分析農作物光合與呼吸特性、葉綠素含量、干物質質量，以及地上部分重金屬含量等各項指標，探究大氣降塵對青菜和水稻生長發育和重金屬積累的影響，旨在為大氣降塵污染背景下的農作物安全生產提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及水培營養液

供試土壤取自江蘇省南京信息工程大學校內農業氣象試驗站(118.70°E，32.2°N)，土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬。耕層土壤的質地為壤質黏土，全氮和有機碳的含量分別為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]。土樣經風干、粉碎、去除植物殘體后，過5目篩混勻備用。

水培營養液根據木村B水稻營養液配方配置，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。將內徑15 cm、高12 cm的試驗盆缽按每盆1.5 kg土樣與2.0 g復合肥(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。澆水沉實后，每盆播撒經20% H2O2浸泡24 h的種子15粒，兩葉期定苗，選擇長勢均一的植株，每盆留苗5株，共30盆。定苗后放置于透光、防雨、有通風口的玻璃溫室中，試驗期間每天每盆澆去離子水10 mL，保持試驗期間各盆土壤水分一致。

水稻(Oryzasativa)品種為荃兩優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20% H2O2浸泡24 h后置于海綿育苗盤上育苗，兩葉期后，選擇長勢均一的植株用定植棉將其移栽至注滿營養液的錐形瓶中，共21瓶。錐形瓶高8 cm，底部直徑5 cm，營養液每3 d更換一次。所有水培水稻植株均放置于培養箱中，環境設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農作物的影響，考慮到風力搬運和雨水沖刷，為確保大氣降塵有足夠的沉積量，本研究在采集降塵時已經歷一個月左右的晴朗天氣。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、建筑工地揚塵下風向的僻靜處和工業區附近校園的僻靜處(樓頂、窗臺等)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、去除動植物殘體等雜質后，過100目篩備用。本研究過程中使用的所有試驗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 試驗處理

本研究利用濕法滯塵進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，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《2017年南京市環境狀況公報》，試驗地月平均降塵量為5 t·km-2。因此，對于單個盆栽，施加10 mL不同試驗濃度的降塵處理液，按濃度由低到高分別代表實際月降塵量的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行第一次降塵處理。每3 d進行一次降塵處理，共10次。每組處理重復3次，并設置空白對照組CK(不含降塵去離子水)。

1.5 指標測定

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

對2種作物，均從第1次降塵處理后每10 d進行1次光合指標的測定，各測定3次。對每株作物挑選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)觀測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 ℃烘箱內烘至恒重。稱量后，使用粉碎機將其粉碎，貯存備用分析。植株樣品采用HNO3微波消解處理后，ICP-OES測定Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Zn等重金屬元素含量，為確保分析準確性，質量控制引入重復、空白和標準樣品(大米 GBW10043、芹菜 GBW10048)。

1.6 數據分析

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

2 結果與分析

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農作物生長發育和重金屬元素含量的影響，采集了3種來源的大氣降塵，并分別測定其中的重金屬元素含量，結果如表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周圍雖無明顯點源污染，但由于長期的工業排放沉降，依然表現出較高的重金屬含量特征。

2.2 不同來源的大氣降塵對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光照強度下測得的凈光合速率表示。兩種作物受降塵處理后，在不同時期測定的葉片凈光合速率結果如圖1所示。經大氣降塵處理后，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。不同來源的降塵對青菜葉片凈光合速率的抑制情況從高到低總體表現為工地源>綜合源>交通源，對水稻葉片凈光合速率的抑制情況從高到低總體表現為綜合源>工地源>交通源。

2.3 不同來源的大氣降塵對青菜和水稻幼苗呼吸速率的影響

本研究以光強為0時凈光合速率的絕對值代表作物葉片的呼吸速率。降塵處理后，在不同時期測定葉片呼吸速率，結果如圖2所示。經大氣降塵處理后，2種作物葉片的呼吸速率均得到促進，不同處理的作物葉片的呼吸速率較未經降塵處理的葉片均顯著(P<0.05)提升。總體來看，不同來源降塵對青菜葉片呼吸速率的促進程度從高到低表現為工地源>交通源>綜合源，對水稻葉片呼吸速率的促進程度從高到低表現為工地源>交通源>綜合源。

2.4 不同來源的大氣降塵對青菜和水稻幼苗葉片葉綠素相對含量的影響

大氣降塵處理后，2種作物葉片的葉綠素相對含量均顯著(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含量均呈下降趨勢，青菜葉片葉綠素相對含量的下降程度為30.0%～36.6%，水稻葉片葉綠素相對含量的下降程度為13.2%～19.4%。不同來源降塵對青菜葉片葉綠素相對含量的負面影響從高到低總體表現為工地源>交通源>綜合源，對水稻葉片葉綠素相對含量的負面影響從高到低總體表現為綜合源>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質量均顯著(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質量均呈下降趨勢，青菜地上部分干物質質量的下降程度為11.8%～51.3%，水稻葉片地上部分干物質質量的下降程度為12.7%～35.5%。不同來源降塵對青菜地上部分生物量的負面影響從高到低總體表現為工地源>綜合源>交通源，對水稻地上部分生物量的負面影響從高到低總體表現為綜合源>工地源>交通源。

2.6 不同來源的大氣降塵對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，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

同行數據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質量

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作物干物質積累的關鍵過程。本研究基于大氣降塵的模擬盆栽試驗，檢測了大氣降塵影響下2種農作物的葉綠素含量、光合作用、呼吸作用和地上部干物質質量這4項生理指標，統計分析了2種農作物在不同來源不同程度大氣降塵處理下上述4項指標的變化。結果表明，大氣降塵處理使農作物凈光合速率顯著下降，呼吸速率顯著上升，葉綠素相對含量顯著下降，最終導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行[21]。不同來源大氣降塵對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有關[22]。大氣顆粒物中攜帶的有毒有害物質被植物吸收后會影響葉片蛋白質含量[23]，進而降低葉綠素濃度及其活性[24]。大氣降塵對植物呼吸作用的促進效果則可能是由植物葉表滯塵引起的葉溫升高所導致的[25]。本研究中，在受到降塵影響后，2種作物的呼吸作用強度呈上升趨勢，該結果導致作物在整個試驗過程中消耗更多的有機質，不利于干物質的積累。最終在光合作用減弱、呼吸作用增強的共同影響下，2種作物地上部分的干物質質量呈下降趨勢。

Zn、Mn等金屬元素是人類進行正常生理活動所必需的微量元素，但當其在人體內濃度過高時，與Pb、Cd等重金屬元素一樣會對人體健康產生不良影響[26]。農作物生長發育過程中從外界環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，大氣降塵是農作物重金屬污染的重要來源[27-30]。本研究通過對不同來源不同濃度的大氣降塵處理后農作物體內重金屬元素含量的檢測分析表明，大氣降塵污染使農作物體內Co、Cr、Cu、Mn、Zn含量呈現不同程度的上升趨勢，但不同來源的大氣降塵對農作物體內各種元素含量的影響程度不同。深入開展相關源解析研究，探究降塵來源與元素含量的具體關系對保障農產品安全生產具有重要意義。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其品質造成不良影響；水稻幼苗地上部分主要為秸稈，并不直接被人體食用，關于不同來源降塵對水稻籽粒中重金屬積累的影響還有待進一步研究。