不同植物群落內(nèi)PM2.5及重金屬元素滯納季相特征

張?zhí)烊唬「叻澹瑯且焕伲S芳，李曉璐，袁楚陽(yáng)，于慧，晏海，邵鋒

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.杭州西湖風(fēng)景名勝區(qū)花港管理處，浙江 杭州 310007）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市灰霾天氣頻繁發(fā)生[1-2]。PM2.5是空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5 μm 的大氣顆粒物，它是造成灰霾現(xiàn)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，重金屬元素蓄積能力強(qiáng)且毒性大，會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境造成嚴(yán)重危害[4-6]。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大氣顆粒物污染開展了大量研究[7-9]。崔井龍等[10]研究發(fā)現(xiàn)，太原市四季日均PM2.5濃度呈現(xiàn)冬季＞春季＞夏季＞秋季，PM2.5中Cr 在夏、秋季濃度較高，Pb 和Cd 在冬季最高。典型城市污染元素As 在冬季濃度最高[11]。閆向陽(yáng)等[12]研究表明，沈陽(yáng)商業(yè)區(qū)污染重于居民區(qū)。張志剛[13]研究證實(shí)，工業(yè)區(qū)的大氣顆粒物中金屬元素含量高于居民區(qū)的。植物群落是城市綠地的基本構(gòu)成要素，是綠地系統(tǒng)生態(tài)功能的基礎(chǔ)[14]。Nowak 等[15]研究表明，綠地能去除大氣中50%的有害顆粒物。植物主要通過滯留、附著和粘附3 種方式滯塵[16]。植物及其組成的群落能有效降低大氣顆粒物污染。目前，有關(guān)植物群落對(duì)PM2.5及其重金屬元素滯納的研究少有報(bào)道。本文以浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校園為例，選取5 種典型植物群落為研究對(duì)象，實(shí)地監(jiān)測(cè)各群落中的PM2.5質(zhì)量濃度，分析群落內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度及其重金屬濃度的時(shí)空變化規(guī)律和影響因素，以期為城市綠地植物群落構(gòu)建和應(yīng)對(duì)大氣重金屬污染提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校園（30°26′28″ N，119°73′47″ E）位于杭州市臨安區(qū)。校園總面積146 hm2，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，三面環(huán)山，南面為城市主干道，周邊無局地污染源。園內(nèi)植物群落類型豐富、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。校園被教育部、國(guó)家林業(yè)和草原局等單位授予“國(guó)家生態(tài)文明教育基地”稱號(hào)。

植物群落指某一地域內(nèi)具有一定種類組成和種間數(shù)量比例的全部植物總和，按其生境可分為陸生植物群落和水生植物群落。陸生植物群落有林地、疏林草地、灌叢和草地4 種類型[17-18]。本試驗(yàn)選取浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校園內(nèi)5 種植物群落作為研究對(duì)象，分別為常綠灌叢、常綠闊葉林、針闊混交林、落葉闊葉林和疏林草地。為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免相互干擾和影響，各樣地間的直線距離≥300 m。樣地位置如圖1 所示。構(gòu)成5 種群落的主要植物分別是錦繡杜鵑Rhododendron×pulchrum、樟Cinnamomum camphora、全緣葉欒樹Koelreuteria bipinnatavar.integrifoliola和日本晚櫻Cerasus serrulatavar.lannesiana。常綠灌叢位于學(xué)院樓3 號(hào)和4 號(hào)之間，南北兩側(cè)被建筑圍合，面積約2 500 m2，主要植物有錦繡杜鵑-沿階草Ophiopogon bodinieri（灌草型）。常綠闊葉林位于體育館南側(cè)、籃球場(chǎng)以東，緊鄰校園南門，面積約2 000 m2，主要植物是樟+竹柏Nageia nagi-海桐Pittosporum tobira-沿階草（喬灌草型）。針闊混交林位于體育館北側(cè)、玉蘭路南邊，呈狹長(zhǎng)形，面積約2 200 m2，植物主要為馬尾松Pinus massoniana+全緣葉欒樹-早熟禾Poa annua（喬草型）。落葉闊葉林位于學(xué)生宿舍樓A4 北側(cè)，周邊為風(fēng)雨操場(chǎng)和網(wǎng)球場(chǎng)，面積約1 800 m2，主要植物有日本晚櫻+龍爪槐Sophora japonica-二月蘭Orychophragmus violaceus（喬草型）。疏林草地位于圖書館南側(cè)，臨近東湖，面積約3 000 m2，零星種植水杉Metasequoia glyptostroboides和無患子Sapindus mukorossi，為空間開闊的草地。5 種植物群落結(jié)構(gòu)的特征指標(biāo)見表1。

表1 植物群落結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)Table 1 Character of plant community structure in the sample plots

圖1 樣地分布圖Figure 1 Distribution of sample plots

1.2 數(shù)據(jù)獲取

在5 種植物群落的近中心位置，距離地面1.5 m 處各布置1 臺(tái)智能中流量TSP 采樣器（KC-120H），并安裝QMA 石英纖維濾紙同步采集空氣中的PM2.5。采樣時(shí)間選擇2017 年3 月、4 月（春季）和2017 年2 月、12月（冬季），每月采樣3 次，在月初、月中和月末各2 d，每天連續(xù)采樣24 h（8:00 至次日8:00）。要求試驗(yàn)前1 周內(nèi)無降雨、大風(fēng)等情況發(fā)生，采樣當(dāng)天天氣晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)。采樣前，用錫箔紙包裹濾紙，置于馬弗爐（設(shè)定溫度450℃）中灼燒4 h，除去濾紙上原有的有機(jī)物及雜質(zhì)，之后將濾紙靜置于恒溫恒濕箱（Premium ICH）（設(shè)定溫度為25℃、相對(duì)濕度為50%）內(nèi)48 h。取出后使用電子天平（SI-234）（精度0.1 mg）稱量和記錄濾紙質(zhì)量，重復(fù)稱量3 次，取平均值作為濾紙采樣前的質(zhì)量。采樣完成后，將濾紙?jiān)俅卧诤銣睾銤駰l件下處理并稱量、記錄濾紙質(zhì)量，方法及步驟同采樣前。

根據(jù)《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定重量法》HJ 618-2011[19]測(cè)得空氣PM2.5的質(zhì)量濃度。通過具有切割特性的采樣器，抽取定量體積的空氣，使空氣中的PM2.5被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，依據(jù)采樣前后的質(zhì)量差和采樣體積，計(jì)算出PM2.5的質(zhì)量濃度。計(jì)算公式如下：

式中，P為PM2.5的質(zhì)量濃度（mg·m-3），W2為采樣后的濾膜質(zhì)量（g），W1為采樣前的濾膜質(zhì)量（g），V為已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣體積（m3）。

將采樣后的濾紙放置在特氟隆容器中，依次加入去離子水、濃硝酸、氫氟酸和高氯酸消解。通過電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）（Elan 9000）檢測(cè)濾紙上Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb 和Pb 共17 種元素的質(zhì)量濃度。為確保試驗(yàn)結(jié)果的有效性，同步檢測(cè)空白濾紙上的元素，結(jié)果表明，空白濾紙上的各元素含量均低于檢出限值，因此，檢測(cè)結(jié)果有效。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 統(tǒng)計(jì)和整理數(shù)據(jù)、SPSS 22.0 分析數(shù)據(jù)、Origin 8.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物群落內(nèi)PM2.5 質(zhì)量濃度的變化

由圖2 可知，5 種植物群落內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的變化范圍是（24.92±2.26）～（112.73±9.57 ）μg·m-3，平均濃度為（69.23±5.76）μg·m-3，該值是《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3095—2012[20]規(guī)定的年均二級(jí)濃度限值（35 μg·m-3）的1.98 倍。在時(shí)間上，5 種群落內(nèi)PM2.5平均質(zhì)量濃度均為冬季（101.33±8.47 μg·m-3）＞春季（37.13±3.06 μg·m-3）。各群落內(nèi)PM2.5的質(zhì)量濃度均為冬季高，春季低，其中，落葉闊葉林內(nèi)春、冬季PM2.5質(zhì)量濃度的差異最大，差值為73.04 μg·m-3，疏林草地內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)差異最小，僅為54.96 μg·m-3。在空間上，2 個(gè)季節(jié)PM2.5平均質(zhì)量濃度為疏林草地內(nèi)（85.25±7.18 μg·m-3）最高，落葉闊葉林內(nèi)（71.05±5.76 μg·m-3）、常綠灌叢內(nèi)（70.56±5.05 μg·m-3）和針闊混交林內(nèi)（61.70±5.51 μg·m-3）次之，常綠闊葉林內(nèi)（57.58±5.34 μg·m-3）最低。

圖2 春、冬季不同植物群落內(nèi)PM2.5 質(zhì)量濃度的變化Figure 2 PM2.5 mass concentrations in different plant communities in spring and winter

2.2 不同植物群落內(nèi)PM2.5 中重金屬的質(zhì)量濃度變化

研究獲得了PM2.5中17 種元素的質(zhì)量濃度值，綜合考慮重金屬定義和對(duì)人體健康影響的因素，本文重點(diǎn)討論V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb 和Pb 11 種重金屬的質(zhì)量濃度變化。春、冬季，在5 種植物群落內(nèi)的PM2.5中，Cr、Mn、Cu、As、Zn 和Pb 6 種重金屬的質(zhì)量濃度較高，共占PM2.5質(zhì)量濃度的10.24‰；V、Co、Ni、Cd 和Sb 5 種重金屬僅占0.56‰。其中，Zn 和Pb 的平均質(zhì)量濃度較高，分別為（342.11±32.51）ng·m-3和（214.10±23.40）ng·m-3，分別占PM2.5質(zhì)量濃度的4.94‰和3.09‰；Co 的質(zhì)量濃度最低，僅為（2.08±0.59 ）ng·m-3，占PM2.5質(zhì)量濃度的0.03‰（圖3 和圖4）。

圖3 PM2.5 中11 種重金屬的平均質(zhì)量濃度Figure 3 Mean mass concentration of 11 heavy metals in PM2.5

圖4 11 種重金屬質(zhì)量濃度在PM2.5 中的占比Figure 4 Proportion of mass concentration of 11 heavy metals in PM2.5

由圖5 可知，在5 種植物群落內(nèi)，11 種重金屬的總質(zhì)量濃度平均值為冬季（897.14±90.39 ng·m-3）＞春季（599.24±59.36 ng·m-3），這與PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化相同。其中，Cr、Mn、Cu、As、Sb、Zn 和Pb 7 種重金屬質(zhì)量濃度的季節(jié)變化明顯（P＜0.05），而V、Co、Ni 和Cd 4 種重金屬質(zhì)量濃度的季節(jié)變化不顯著（P＞0.05）。

圖5 春、冬季5 種植物群落內(nèi)PM2.5 中重金屬質(zhì)量濃度的變化Figure 5 Heavy metal concentrations in PM2.5 in different plant communities in spring and winter

春季，不同重金屬的質(zhì)量濃度為（1.30±0.54）～（355.45±28.91）ng·m-3，其中，以常綠灌叢內(nèi)Zn 的質(zhì)量濃度最高，為355.45±28.91 ng·m-3，常綠闊葉林內(nèi)Co 的質(zhì)量濃度最低，僅為1.30±0.54 ng·m-3；冬季，11 種重金屬濃度為（2.19±0.63）～（411.36±33.55）ng·m-3，以疏林草地內(nèi)Zn（411.36±33.55 ng·m-3）和Pb（304.60±31.82 ng·m-3）的質(zhì)量濃度較高，常綠闊葉林內(nèi)Co（2.19±0.63 ng·m-3）的質(zhì)量濃度最低。

由表2 可知，春、冬季，11 種重金屬的總質(zhì)量濃度平均值為疏林草地內(nèi)（841.96±77.65 ng·m-3）＞常綠灌叢內(nèi)（799.21±73.97 ng·m-3）＞落葉闊葉林內(nèi)（774.40±76.44 ng·m-3）＞針闊混交林內(nèi)（703.68±69.30 ng·m-3）＞常綠闊葉林內(nèi)（621.70±64.63 ng·m-3），這與PM2.5質(zhì)量濃度的空間變化基本一致。

表2 不同植物群落內(nèi)PM2.5中11 種重金屬的質(zhì)量濃度Table 2 Heavy metal concentrations in PM2.5 in different plant communities

11 種重金屬質(zhì)量濃度的最高值均出現(xiàn)在疏林草地內(nèi)，最低值在常綠闊葉林內(nèi)（除V 外），其中，Zn 的質(zhì)量濃度最高，為376.89±30.67 ng·m-3；Co 的質(zhì)量濃度最低，僅為1.74±0.42 ng·m-3。此外，常綠灌叢、針闊混交林和落葉闊葉林內(nèi)Zn 的質(zhì)量濃度均為最高，分別為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 的質(zhì)量濃度較低，僅為（1.99±0.40）～（9.30±1.36）ng·m-3。

3 結(jié)語

3.1 討論

本研究結(jié)果表明，在5 種植物群落內(nèi)PM2.5的質(zhì)量濃度和PM2.5中重金屬的總質(zhì)量濃度平均值的季節(jié)變化相同，均為冬季高，春季低。趙珀[21]研究表明，冬季氣象條件穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散，使重金屬更易在PM2.5上累積。陳培飛等[22]研究發(fā)現(xiàn)，PM10和PM2.5中重金屬的質(zhì)量濃度在春季最低，這與本研究結(jié)果一致。陶俊等[23]研究證實(shí)，7 種致癌重金屬僅As、Cd、Pb 和Se 有明顯富集現(xiàn)象，富集因子均超過500，其中，夏季的富集因子明顯高于其他季節(jié)，這可能是周邊燃煤和城區(qū)機(jī)動(dòng)車排放和區(qū)域性污染源的輸送引起的。大氣重金屬Cu、Pb 和Zn 的質(zhì)量濃度具有秋季高、冬季次之和春夏季較低的變化特征，這與氣象條件和污染來源有密切關(guān)系[24]。

春、冬季，PM2.5的質(zhì)量濃度和PM2.5中重金屬的總質(zhì)量濃度平均值的空間變化基本一致，均為疏林草地最高，常綠闊葉林最低。重金屬元素在5 種植物群落內(nèi)的分布基本相同，11 種重金屬的質(zhì)量濃度最高值均出現(xiàn)在疏林草地內(nèi)，最低值在常綠闊葉林內(nèi)（除V 外）。楊貌等[25]研究表明，受植被郁閉度、疏透度和植物種類的綜合影響，復(fù)合配置模式比單一配置模式下大氣顆粒物濃度的穩(wěn)定程度高。賈琳[26]研究發(fā)現(xiàn)，喬灌草和灌木對(duì)PM2.5的滯塵效果最好。以喬灌草結(jié)構(gòu)為主的綠地對(duì)PM2.5的消減作用最佳[27]。吳志萍等[28]研究認(rèn)為，多層復(fù)合結(jié)構(gòu)喬-灌-草綠地的覆蓋度高、綠量大，但其顆粒物濃度卻高于單層結(jié)構(gòu)，這與本文研究結(jié)果不一致。其原因可能是喬-灌-草綠地的密度較高，枝下高偏低，導(dǎo)致林內(nèi)通風(fēng)條件差，不利于空氣中顆粒物的擴(kuò)散，并且過大的種植密度使林內(nèi)大氣和外界的水分、能量和物質(zhì)交換速率降低[29]。

3.2 結(jié)論

本文對(duì)5 種植物群落內(nèi)的PM2.5及其所含11 種重金屬元素的時(shí)空變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，春、冬季，在5 種植物群落內(nèi)PM2.5中Zn 和Pb 的平均質(zhì)量濃度較高，分別占PM2.5質(zhì)量濃度的4.94‰和3.09‰；Co 的平均質(zhì)量濃度最低，僅占0.03‰；PM2.5的質(zhì)量濃度和PM2.5中重金屬的總質(zhì)量濃度平均值的季節(jié)變化相同，均為冬季＞春季；Cr、Mn、Cu、As、Sb、Zn 和Pb 7 種重金屬質(zhì)量濃度的季節(jié)變化明顯（P＜0.05），而V、Co、Ni 和Cd 4 種重金屬質(zhì)量濃度的季節(jié)變化不顯著（P＞0.05）。PM2.5質(zhì)量濃度和PM2.5中11 種重金屬的總質(zhì)量濃度平均值的空間變化基本一致，均為疏林草地最高，常綠闊葉林最低。風(fēng)景園林師在規(guī)劃和設(shè)計(jì)城市綠地時(shí)，應(yīng)選取抗污染能力和適應(yīng)能力強(qiáng)的樹種，合理構(gòu)建植物群落結(jié)構(gòu)，保持林下空間的通透性。