2017, Vol. 25
表1(Table 1)
2. 嘉兴市林特技术推广总站, 浙江 嘉兴 314050;
3. 嘉兴市环境保护监测站, 浙江 嘉兴 314000
2. Jiaxing Extension Station of Forestry Specialty Technology, Jiaxing 314050, Zhejiang, China;
3. Jiaxing Station of Environmental Protection and Monitoring, Jiaxing 314050, Zhejiang, China
工业发展给城市繁荣注入动力，同时也带来不可避免的环境污染问题，尤其是城市化工区不仅对周边区域的生态环境造成影响，降低生态系统功能的发挥，还威胁到人居环境的安全[1]。城市景观绿化树种对于大气污染物不仅有一定的抵抗能力，而且也有相当程度的吸收净化能力[2]。由于不同树种对特定污染物的耐受范围不同，因而在对污染物的植物修复(Phytoremediation)能力上也有差异[3]。在化工区周围布局吸收主要污染物能力强的景观树种不仅能有效且经济地改善环境质量、降低污染物危害，还能更大限度地发挥城市景观树种的生态功能，这对于城市的绿色发展有重要意义。因此筛选对污染区主要大气污染物吸收净化能力较强的树种对于更好地发挥植物修复功能至关重要。近年来，对特定区域内城市绿化植物的大气环境效益进行了研究，主要针对园林植物吸收积累大气硫、铅等污染物，并且筛选出了一批具有代表性的抗污染物、吸收同化污染物能力较强的植物[4]。王爱霞等[5]分析了南京市14种绿化树种对空气中重金属的累积能力并对其累积等级进行划分，筛选出杨树(Pterocarya stenoptera)、构树(Broussonetia papyrifera)等累积铅、镉和铜能力最强的树种。方颖等[6]对南京市不同功能绿地类型的26种主要绿化树种净化大气固体悬浮物的能力进行了监测分析，认为相对于乔木而言，灌木具有更大的滞尘量。这些研究大都侧重于植物对固体颗粒污染物的吸收[7]、净化能力[8]上，对植物吸收气体污染物的研究则更多侧重于绿化植物对气体的阻滞作用[9]以及特定植物对污染气体的吸收效率上[10]，但对不同功能区以及不同生活型树种吸收污染气体能力的比较研究还较少。
浙北地区(嘉兴、湖州和杭州)经济发达，人口稠密，但布局了不少化工企业，尤其是一些化纤、皮革企业，会产生大量的气体污染物，以硫氧化物、氟氧化物以及氯氧化物为主。经过前期的实地调查和样地考察，我们确定以大气硫、氟污染比较典型的嘉兴市北部化工区作为研究区域，在污染区周围设立9个等距样点对目标树种叶片进行采样分析, 并对照清洁区筛选对大气硫、氟污染物吸收净化能力较强的景观树种，同时比较不同景观树种对硫、氟污染综合修复能力的差异，重点探讨不同功能区景观树种叶片硫、氟含量的分布特征和差异，以及不同生活型景观树种叶片吸收硫、氟污染物综合能力的差别，为指导化工区景观树种的合理搭配，在水平和垂直方向上均形成较为科学的空间配置提供科学依据。
1 材料和方法 1.1 研究区概况试验地点位于浙江省嘉兴市北部化工区附近(30°20′ N, 120°17′ E)，属亚热带季风区和半湿润气候区，年均气温15.9℃，年均日照时数2017.0 h, 年均降雨量1193.7 mm，无霜期230 d左右，夏秋以东风为主导风向。土壤以堆叠土为主，水稻土和潮土为基本土类。绿化植物以中亚热带北缘常绿阔叶、落叶阔叶树种为主，目前自然植被已基本被人工植被替代，现有绿化植物以双子叶植物为主，主要有禾本科(Gramineae)、蔷薇科(Rosaceae)、豆科(Leguminosae)、菊科(Compositae)、柏科(Cupressaceae)、大戟科(Euphorbiaceae)、木犀科(Oleaceae)、唇形科(Labiatae)和忍冬科(Caprifoliaceae)等。
1.2 调查及取样方法本研究开展于2016年9-10月，首先对浙北地区常见景观树种的组成和分布进行调查，并查阅各地区园林部门留存资料，筛选出52种测试树种, 分别隶属于32科50属，其中乔木[高度(H) > 10 m] 24种，小乔木(6 m < H < 10 m) 12种，灌木(H < 6 m) 16种(表 1)。乔木林龄为15~25年，灌木林龄为5~10年，均在污染环境中自然生长了5年以上。该化工区的气体污染物以硫氧化物、氟氧化物和氯氧化物为主，夏秋排放量较大，其气体污染物浓度约为清洁区的2~3倍。以企业排污点为中心，分别在距离化工区污染源100 m、600 m和1200 m处设置3条长度为1500 m，垂直于污染物扩散方向(向西)的样带，每个样带上均匀设置3个样点，再在距离污染区8000 m处设置一个清洁对照区，在每个样点和清洁区分别采集足量叶片和土壤样品。采集叶片时，每个树种选取生长状况良好且较一致的3株树，乔木树种胸径大于10 cm，灌木树种基径大于6 cm，采集面向污染源方向的中高层成熟叶片装于信封袋中，贴签标记带回实验室处理。用土壤采集器收集各样点0 cm、20 cm和40 cm处的土壤样品做混合样，存于封口袋中带回实验室处理。
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表 1 浙北地区52种景观树种 Table 1 Fifty-two garden species in northern Zhejiang |
将带回实验室的植物叶片用毛刷除尘后用纯净水冲洗干净，置于100℃烘箱中杀青4 h后，80℃恒温烘干48 h，粉碎过80目筛留用。土壤样品采用自然风干法，研磨过80目筛留用。将处理过的叶片和土壤样品送至国家林业局经济林产品质量检验检测中心(杭州)检测样品中硫(S)和氟(F)元素的含量。叶片硫含量测定采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[11]，叶片氟含量和土壤氟含量测定均采用氟离子选择电极法[12]；土壤硫含量测定采用元素分析仪法[13]。
1.4 数据分析及处理污染区和清洁区乔木、小乔木和灌木叶片硫、氟含量分别以各样点叶片硫、氟含量的算术平均值表示，土壤硫、氟含量分别为各样点的算术平均值。在Microsoft Excel 2010中进行数据整理和作图，在统计软件SPSS 20.0 (IBM, USA)中进行数据统计分析，在Origin 9.1中进行聚类分析。污染区和清洁区树木叶片以及不同类型树木叶片硫、氟含量分别用单因素方差分析(One-Way ANOVO)进行差异显著性检验。首先对数据进行方差齐性检验，方差齐性时，用Duncan进行组间差异显著性检验分析; 当方差非齐性时，用Tamhane进行组间差异显著性检验分析, 显著性水平设置为α=0.05。各景观树种叶片对硫和氟的富集能力用生物富集系数来衡量，对硫、氟污染物综合吸收能力的评价用聚类分析来实现。
2 结果和分析 2.1 叶片硫、氟含量的分布特征浙北地区52种景观树种叶片硫含量和氟含量差异均较大，由图 1可知，叶片硫含量和氟含量分布的偏度值均 > 1，呈偏态分布，经Kolmogorov-Smirnov检验(K-S检验)，不服从正态分布(P < 0.05)。叶片硫和氟含量均存在较强的变异性，且氟含量的变异性大于硫含量, 叶片硫含量的最大值和最小值相差7倍以上，叶片氟含量相差13倍以上。叶片硫含量集中分布在1~5 g kg–1的区间，占总样本数的90%以上，而叶片氟含量则集中分布在5~15 mg kg–1的区间，占总样本数的80%以上。叶片硫含量分布的极大值较多，而叶片氟含量分布的极大值相对较少。总体来说，这52种景观树种叶片硫和氟含量分布较为相似，但树种之间体现了差异分布。
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图 1 浙北地区52种景观树种叶片硫、氟含量的频数分布。n=492; Mean:平均值; Median:中位数; SD:标准差; Kurtosis:峰度; Skewness:偏度; Max:最大值; Min:最小值; CV:变异系数; Pk-s: K-S检验显著性。 Fig. 1 Histogram of leaf S and F concentration in 52 landscape trees in northern Zhejiang. n=492; Mean: Average; Median: Median; SD: Standard deviation; Kurtosis: Kurtosis; Skewness: Skewness; Max: Maximum; Min: Minimum; CV: Coefficient of variation; Pk-s: K-S significant test. |
不同取样点以及不同生活型景观树种的叶片硫和氟含量均有差异，其中，化工区各生活型树种的叶片硫含量均高于清洁区；化工区乔木、小乔木和落叶树种的叶片氟含量高于清洁区，而灌木和常绿树种叶片氟含量低于清洁区。不管是在化工区还是清洁区，乔木树种叶片含硫和氟量均大于小乔木；化工区灌木叶片硫含量和清洁区灌木叶片氟含量也均高于小乔木，因此，灌木叶片对硫和氟的吸收效率略低于乔木，但高于小乔木。和常绿树种相比，清洁区落叶树种叶片硫和氟含量均高于常绿树种但差异不显著，但是在污染区落叶树种叶片氟含量显著高于常绿树种(P < 0.05)。
2.3 不同景观树种叶片对硫和氟的富集能力植物对某种元素的积累能力可以用生物富集系数(Bioconcentration factor, BCF)来表示[14–16]，可用植物中某元素的含量与土壤中该元素含量的比值来计算，体现植物对该元素的富集能力[17]。植物某部分BCF数值越大，证明植物该部分对某元素的富集能力越强[18]。由图 2可见，在浙北地区52种景观树种中，叶片对硫富集能力较强的树种有杨树(Pterocarya stenoptera)、柳树(Salix babylonica)、火棘(Pyracantha fortuneana)、金丝桃(Hypericum mono- gynum)、玉兰(Magnolia denudata)和银杏(Ginkgo biloba)等，较弱的树种有山杜英(Elaeocarpus sylvestris)、海棠(Malus spectabilis)、榆树(Ulmus pumila)和乌桕(Sapium sebiferum)；叶片对氟富集能力较强的树种有三球悬铃木(Platanus orientalis)、榉树(Zelkova serrata)、雪松(Cedrus deodara)、石榴(Punica granatum)、红枫(Acer palmatum ‘Atropur-pureum’)和红花继木(Loropetalum chinense)等，较弱的树种有无患子(Sapindus mukurossi)、合欢(Albizia julibrissin)、桑树(Morus alba)和乌桕(Sapium sebiferum)等。总体上，叶片对硫的富集能力相对较强，而对氟的富集能力则相对较弱。杨树和柳树叶片对硫和氟的富集能力都很强，而乌桕叶片对硫和氟的富集能力都很弱。但乌桕、无患子等富集能力较弱的植物均在化工区硫、氟污染环境中长势良好，不但表现出很强的污染抗性，而且对硫和氟也有很强的吸收净化能力，均是比较有潜力的城市景观绿化树种，布局在不同的区域可能会发挥更好的环境效益。
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图 2 浙北地区不同生活型景观树种叶片硫、氟含量。柱上不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。 Fig. 2 Leaf S and F concentrations of landscape trees with different life forms in northern Zhejiang. Different small letters upon column indicate significant differences at 0.05 level. |
运用系统聚类法(Hierarchical clustering method)对浙北地区不同景观树种叶片吸收硫、氟污染的综合能力进行聚类分析，以各树种叶片硫含量、氟含量、对硫的富集系数和对氟的富集系数为聚类要素，可将这52种景观树种分为5大类(图 3)。第一类为叶片对硫、氟污染吸收的综合能力最强，有杨树、柳树和火棘；第二类对硫、氟污染的综合吸收能力较强，有雪松、广玉兰(Magnolia grandiflora)、红花继木、榉树、桂花(Osmanthus fragrans)和红枫等；第三类对硫、氟污染的综合吸收能力中等，有银杏、玉兰、棕榈(Trachycarpus fortunei)和金丝桃等；第四类对硫、氟污染的综合吸收能力较弱，有湿地松(Pinus elliottii)、无患子、紫荆(Cercis chinensis)、鹅掌楸(Liriodendron chinense)、红叶李(Prunus cerasifera)和木芙蓉(Hibiscus mutabilis)等19种景观树种；第五类对硫、氟污染的综合修复能力最弱，有香樟(Cinnamomum camphora)、合欢、黄山栾树(Koelreuteria integrifoliola)、大叶黄杨(Buxus megistophylla)、石榴和紫薇(Lagerstroemia indica)等19种。因此在距离化工区污染源较近的地方可以布局杨树、柳树和广玉兰等高大乔木以及火棘、金丝桃和石榴等灌木，形成第一梯度树种, 可对硫、氟污染进行较有效的吸收，而将雪松、棕榈、银杏和红枫等布局为第二梯度树种，对硫、氟污染扩散物进行进一步的截留和吸收。
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图 3 浙北地区52种园林树种叶片吸收硫、氟污染能力的聚类分析 Fig. 3 Clustering analysis based on leaf S and F absorbing ability of 52 landscape trees in northern Zhejiang |
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表 2 浙北地区52种景观树种叶片对硫和氟的生物富集系数 Table 2 BCFs of 52 landscape trees leaves on S and F in northern Zhejiang |
城市化工区污染物的扩散会影响人居生态环境，而运用绿色、高效的生态修复技术不仅可以修复环境损伤[19]，还有助于美化和改善城市环境，但这是一个极其复杂的生态过程。植物对污染物的吸收富集和环境修复功能受到多种因素的影响，包括气候条件、水热条件、地形条件、污染物本身的属性以及植物本身的特性等[20]。而且植物在不同的生长时期其修复能力有明显差异，处于生长季的植物由于具有旺盛的新陈代谢，物质循环和能量流动会加快，因此可能具有较强的修复功能，因此认识不同植物对污染物的修复特性有利于更好地实现其植物修复功能。
叶片是植物进化过程中对环境变化较敏感的器官，其生理特性最能体现植物对环境的适应或者环境因子对植物的影响，因此城市景观植物叶片的污染物含量可作为环境污染程度的指示物[21-22]。在本研究中，浙北地区52种常见的景观树种对于化工区硫、氟污染不仅有较强的抵抗能力，还有相当程度的吸收富集能力，可以比较有效地修复环境硫、氟污染。各树种叶片硫、氟含量差异明显，这种树种间的差异可能与土壤、降雨、风、树木叶片本身的结构、树木叶片的空间位置以及所吸收元素的性质等多种外部因素以及生理生化特征、基因的差异等内部因素影响有关[2, 23–24]，其中树木叶片的结构可能起决定性作用，主要是叶片上气孔的数量、分布、气孔的开闭特征以及形状等因素[25]影响其吸收特性。在本研究中，除了树种差异外，对叶片硫、氟影响最大的因素可能是降雨和风，降雨会使气体污染物沉降到树木叶片上，而风向和风速则会影响树木叶片对污染物质的吸收效率。叶片硫、氟含量在不同采样点以及不同生活型间的变异也较大。灌木叶片对硫和氟的吸收效率略低于乔木, 但高于小乔木，和常绿树种相比，落叶树种叶片硫含量和氟含量均高于常绿树种。这与方颖等[6]对南京市主要绿化树种滞尘量的研究结果相似，均为落叶树种的吸附能力强于常绿树种，这可能与落叶树种叶片中物质转运速度快，元素循环周期较短有关，而且采样期处于落叶树种物质积累量最高的时期，因此其叶片含硫和氟量均高于同等条件下的常绿树种。根据各树种叶片对硫、氟的BCF大小以及叶片本身的含量高低，将这52种园林植物分为5大类，筛选出杨树、柳树、火棘、雪松、广玉兰、桂花、红枫和红花继木等对硫、氟污染的综合吸收能力较强的树种，这与黄会一等人[26]的研究结果有相似之处，这些结果筛选出的树种既具理论依据和环保性，又符合物种多样性原则，是化工区绿化的首选树种，同时可为该地化工区硫、氟污染治理和修复提供借鉴。
城市景观树种在生长过程中受到环境的影响是综合性的，其对污染元素的富集和吸收能力往往受到自然因素还有人为因素等的共同影响[27]，因此在评价筛选优质抗污染树种时也要考虑多种因素。本研究仅对叶片含量这一因素进行了分析，下一步我们将对这些树种叶片污染物质量分数与其它因子，如叶面结构、比叶重等内因以及和季节变化、降雨量、风力等外因的关系进行深入研究。本研究的结果可为浙北地区硫、氟环境污染的植物修复治理提供理论依据，同时利用筛选出的景观树种进行乔、灌、草搭配，在化工区形成高效美观的景观树种布局。
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