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红檵木叶片中富集PAHs节律变化特征



全 文 :第31卷 第5期   中 南 林 业 科 技 大 学 学 报    Vol.31 No.5
 2011年5月 Journal of Central South University of Forestry &Technology  May 2011
红檵木叶片中富集PAHs节律变化特征
黄 勇1,项文化1,2,3,闫文德1,2,3,田大伦1,2,3,朱 凡1,2,3,罗颖丽1
(1.中南林业科技大学,湖南 长沙410004;2.国家野外科学研究观测站,湖南 会同418307;
3.南方林业生态应用技术国家工程实验室,湖南 长沙410004)
摘 要: 用气质联用仪对长沙市城市绿化常用的红檵木叶片中富集PAHs节律变化进行了研究。结果表明:红
檵木叶片中在1月、4月、7月和10月的PAHs日均总含量之间差异性显著(P<0.05),日均含量分别为8.23、
3.28、3.42和13.33mg/kg。叶片中PAHs组分在1月、4月、7月和10月的日变化也呈现出较大差异。其中中低
环和高环PAHs含量之间差异显著(P<0.05)。红檵木叶片中总PAHs、中低环芳烃以及高环芳烃的存在显著的
季节动态,全年含量平均值为7.53、7.07和0.46mg/kg,中低环芳烃年均占总量的95.08%,高环仅占4.92%。
关键词: 城市绿化树种;多环芳烃含量;季节动态
中图分类号: S731.2 文献标志码: A 文章编号: 1673-923X(2011)05-0081-06
Rhythm characteristics of PAHs concentrations in the
leaves of Loropetalum chinense
HUANG Yong1,XIANG Wen-hua1,2,3,YAN Wen-de1,2,3,TIAN Da-lun1,2,3,ZHU Fan1,2,3,LUO Ying-li 1
(1.Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,China;
2.National Key Station for Field Scientific Observation &Experiment,Huitong 418307,Hunan,China;
3.National Engineering Lab for Applied Technology of Forestry &
Ecology in South China,Changsha 410004,Hunan,China)
Abstract:PAHs consists of a number of toxic compounds which have great harmful effects on plants,anmials and
human health.It has been commonly recognized that trees have great potential for the scavenging,storage and puri-
fication of relatively large a mounts of PAHs.The rhythm characteristics of enriched PAHs in vegetation leaves of
Loropetalum chinense for a year were studied by GC-MS.The results show that the total content of PAHs daily
in leaves of Redrlowered loropetalumhad the difference significantly(P<0.05)between January,April,July and
October,daily average concentrations were 8.23,3.28,3.42and 13.33mg/kg,respectively.PAHs components
in the leaves in January,April,July and October also showed a diurnal variation quite different.There were signifi-
cant differences(P<0.05)between 2~4ring and 5~6ring PAHs.Total PAHs,2~4ring and 5~6ring content
in leaves of Loropetalum chinense had significant seasonal dynamics,year average content of their was 7.53,7.07
and 0.46mg/kg,respectively.2~4ring constituted 95.08% of the total annual,and 5~6ring content only
4.92%.
Key words:urban green trees species;PAHs of content;seasonal dynamics
  收稿日期:2011-01-10
  基金项目:国家自然科学基金项目(31070410);国家林业局“948”项目(2008-4-36);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-10-
0151);湖南省科技厅项目(2010TP4011-3);湖南省教育厅项目(08C922);中南林业科技大学青年基金项目(2008003A)
  作者简介:黄 勇(1970-),男,四川顶山人,工程师,主要从事森林生态和环境生态学研究
DOI:10.14067/j.cnki.1673-923x.2011.05.029
  多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,
PAHs)是由2个或者2个以上苯环组成的一类复
杂烃类。城市中多环芳烃的最主要来源是机动车
化石燃料的燃烧、钢铁与石油化工等工业生产中的
排放以及供暖燃煤等[1-2]。它广泛存在于环境中,
是最早被发现和研究的生物累积性强、持久性长、
亲脂性的芳香族有机污染物[3-5]。近年来环境中
PAHs的积累已经越来越严重地威胁着人类的健
康 [6-7]和生态安全[8]。因此,PAHs污染问题已引
起各国的普遍关注。
植物叶片对PAHs的净化作用已经引起了国内
外科学家的广泛关注。许多学者对植物体内多环芳
烃状况来研究大气中PAHs的污染,如地衣、苔藓和
松针等对 PAHs的富集机理方面做了大量工
作[9-12];Agraw等[13]和 Fleek等[14]发现植物积累
PAHs的最重要途径是叶面对挥发性或者半挥发性
有机物的吸收。Schrelber等[15]的研究表明植物叶片
吸收积累PAHs的能力与叶片表面粗糙程度或绒毛
疏密程度有较好的相关性,而植物的吸收速率与比
表面积具较好的相关性。随着城市现代化进程的加
快和机动车数量快速增加,近年来城市森林生态系
统中植物叶片多环芳烃的含量研究在国内外得到广
泛开展[16-8],目前国内外对对植物叶片中多环芳烃
的含量变化特征探讨不多,对植物叶片中多环芳烃
含量的节律变化特征研究尚属空白。
红檵木Loropetalum chinense属金缕梅科檵木
属,系白檵木的变种,是湖南特有珍稀树种。红檵
木树姿优美,花叶俱佳,艳丽夺目,是十分珍贵的园
林绿化及盆景植物。本文对长沙市城市常用绿化
树种红檵木富集PAHs节律变化特征进行了研究,
探讨导致该变化的因素,为城市绿化抗污树种的合
理选择和树种配置提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验样地选择位于湖南省长沙市南部的中南
林业科技大学校园里(112°48′E,23°03′N)。校园平
均海拔为44.9m,属典型的亚热带湿润季风气候。
年均降雨量为1 400mm,年均日照时数1 677.1h,
全年无霜期为270~300d。年均气温16.8℃,极
端最高气温40.6℃,最低气温-12℃。其地层主
要是第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾,属典
型红壤丘陵区,地带性植被为亚热带常绿阔叶林。
1.2 样品采集
试验样地随机在距离城市主干道300左右的中
南林业科技大学校园植物园和绿化区设置3块固定
样地(20m×30m),试验从2008年9月开始至2009
年8月结束。在每个样地内采集红檵木的叶片。每
株红檵木按树冠的东、南、西、北4个方向采集叶片,
每个方向各采集生长良好,无残缺受伤的健康叶片
30片,共计120片,每种树木重复3次,其中在2008
年10月、2009年1月、4月和7月进行叶片PAHs组
分含量的日动态采样,每间隔6小时采样一次,共4
次。采集的叶片不清洗保存原始状态,置于塑胶袋
中风干至恒重,用于测定叶片中PAHs含量。
1.3 PAHs的提取与测定
风干后植物叶片粉碎过100目筛,在2只10
mL玻璃离心管中各加入叶片粉1g后,分别加入4
mL丙酮和4mL二氯甲烷,地40℃条件下超声提
取1h。然后在转速为2000转离心机内离心15
min。取上清液用硅胶柱萃取,用29mL正己烷洗
脱后,再用正己烷和二氯甲烷的混合液(3∶2)25
mL淋洗后收集洗脱液,再经旋转蒸发后,用5mL
二氯甲烷转移至氮吹管中吹至1mL,装入样品瓶
中待GC-MS分析。用 Agilent 6890GC/5973MS
气质联用仪测定PAHs含量。升温顺序为:
60℃→15℃/min→100℃(5min)→8℃/min
→210℃(3min)→2℃/min→290℃(5min)
色谱柱选用 HP5毛细管色谱柱30m×0.25
mm。载气为高纯He,不分流进样,气化温度280℃。
PAHs标样16种组分的回收率为71.2%~94.5%。
1.4 数据处理
用SPSS 13.0(SPSS Inc.,USA)统计软件进行
数据处理。数据统计采用单因子方差分析对红檵
木叶片中PAHs含量进行比较。
2 结果与分析
2.1 不同季节PAHs总量日变化特征
红檵木叶片中PAHs总含量在1月、4月、7月
28 黄 勇,等:红檵木叶片中富集PAHs节律变化特征   第5期
和10月的日均含量为8.23、3.28、3.42和13.33
mg/kg,4个月之间PAHs总含量差异性显著(图
1)(P<0.05)。其中1月份红檵木叶片中的PAHs
总含量日变化在从2:00到8:00变化很小,并达到
一天中最低值,从8:00到14:00呈上升趋势,并在
14:00 达到最高,之后一直呈下降趋势。4 月
PAHs总含量日变化与1月变化规律一致,在8:00
最低,到14:00达到最高。7月PAHs总含量日变
化与其它三个季节的变化均相反,下午14点出现
最低值,最大值出现在2:00。10月PAHs总含量
日变化与1、4月的相似,最大值出现在14:00,最低
值出现在20:00。
图1 不同季节红檵木叶片中PAHs日变化特征
Fig.1 Diurnal variation of total PAHs content in the leaves of Loropetalum chinense
2.2 不同季节PAHs组分的日变化
红檵木叶片中PAHs组分在1月、4月、7月和
10月的日变化也呈现出较大差异(图2)。其中中
低环和高环PAHs含量之间差异显著(P<0.05)。
1月 红 檵 木 叶 片 中 2~4 环 PAHs 中 菲
(PHE)、荧蒽(FLO)和芘(PYR)在8:00时含量处
于较高水平(图2低中环a),其他低中环芳烃在4
个时间点变化不大,基本持平。红檵木叶片中高环
PAHs组分表现出的差异显著(P<0.05)(图2高
环a),苯并(k)荧蒽(BkF)、苯并(b)荧蒽(BbF)、苯
并(a)芘(BaP)和茚(1,2,3-c,d)并芘(IcdP)的含
量在20:00稍高;二苯并(a,h)蒽(DahA)变化及其
显著,在20:00达到最低值。
4月红檵木叶片中10种2~4环的低中环
PAHs含量日变化规律表现为9:00和3:00基本持
平,15:00达到最高水平,21:00时较低,各多环芳
烃变化规律基本一致(图2低中环b)。高环芳烃含
量在各个时刻的变化显示出了一定的一致性(图2
高环b),苯并(k)荧蒽 (BkF)和苯并(b)荧蒽
(BbF)、二苯并(a,h)蒽(DahA)在15:00最高;苯
并(a)芘 (BaP)的时刻变化规律前3者相反;苯并
(g,h,i)芘(BghiP)和茚并(1,2,3-cd)芘(IcdP)
几乎未检测出含量。
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图2 红檵木叶片中各环PAHs含量日变化
Fig.2 Diurnal variation of individual PAHs in the leaves of Loropetalum chinense
48 黄 勇,等:红檵木叶片中富集PAHs节律变化特征   第5期
  7月红檵木叶片中10种2~4环的低中环
PAHs含量基本都在14:00达到最低水平(图2低
中环c),只有萘(NAP)除外;其他3个时间点变化
差异不大,8:00和2:00基本持平。高环芳烃含量
的日变化差异不显著(图2高环c),苯并(a)芘
(BaP)、苯并(g,h,i)芘(BghiP)和苯并(a,h)蒽
(DahA)在14:00处于最低水平,后两者在20:00达
到最高;苯并(k)荧蒽(BkF)变化规律与前三者相
反,在14:00达到最高;苯并(b)荧蒽(BbF)、和茚
并(1,2,3-cd)芘(IcdP)未检测出含量。
10月红檵木叶片中2~4环PAHs含量的日变
化在8:00处于较高水平(图2低中环d),14:00达
到最高,20:00反而处于最低水平,之后2:00又开
始回升。大部分高环PAHs含量的最低值出现在
14:00(图2高环d),而最大值出现在20:00,只有苯
并(a)芘(BaP)与其他PAHs相反。
2.3 叶片中PAHs总量月变化特征
红檵木叶片中总PAHs、低中环芳烃以及高环芳
烃的存在显著的季节动态(图3),叶片中PAHs总含
量、低中环芳烃和高环芳烃的全年平均值为7.53、
7.07和0.46mg/kg。其中,在2008年10月红檵木
叶片PAHs总含量比9月略有下降后,11月PAHs
总含量超过9月,在12月有一个较大下降后,1月总
含量增加并达到全年的最大值 。红檵木叶片中低中
环芳烃的含量变化趋势与总PAHs含量变化趋势一
致,只是最大值出现在11月。中低中环芳烃的含量
与总含量的Pearson相关系数达到0.995,P=0.000,
这表明低中环芳烃月变化与总多环芳烃含量的月变
化表现出极显著的线性相关关系。红檵木叶片中高
环PAHs含量在2008年9~10月期间呈上升趋势,
图3 红檵木叶片中PAHs含量月变化
Fig.3 Monthly variation of PAHs in Loropetalum chinense
11月下降后,持续上升到1月达到全年的最大值,
之后至3月保持下降趋势,3~8月则持续最低水
平,几乎没有波动。高环芳烃与总PAHs含量也表
现出显著相关性,在0.05水平下,其相关性系数为
0.696,P=0.012。低中环芳烃占总PAHs的比重
呈现出秋冬低、春夏高的规律,各个季节所占比例
分别为89.42%、97.78%、98.48%和94.62%,在
夏季所占比重达到最高;高环芳烃含量比例则与之
相反,夏季所占比重最低。
3 结论与讨论
红檵木叶片中PAHs含量还存在着明显的日
变化规律。尽管不同季节表现的日变化规律存在
一定的差异,总体看来,1月、4月和10月均表现出
白天高于晚上的规律,15:00时达到最大值,7月则
表现出晚上高于白天的规律。冬春两季,由于长沙
地理特性表现出气温较低,白天机动车燃烧的效率
降低,加大了污染物的排放量[19],同时居民取暖和
烹饪也同样需要燃烧更多的煤气和燃煤,增加了大
气中PAHs的含量,其能源的消费量明显高于夏
秋,故这3个季节,白天叶片中PAHs的含量高于
夜晚。而7月红檵木叶片中PAHs含量晚上高于
白天的规律,这可能是由于白天气温高,低层空气
不够稳定,风速较大,利于污染物的稀释和扩散,同
时光化学作用可以降解一部分的PAHs,所以叶片
中PAHs含量较低;而晚上由于大气逆辐射,地面
风速降低,污染物不易扩散,PAHs含量较高[20]。
在本实验中,红檵木叶片中PAHs总含量表现
出明显地秋冬高,春夏低的规律。呈现出10月>1
月>4月>7月特征,从秋季PAHs含量最高一直
呈下降趋势,在7月份日均温度最高时达到最低
值,8月又开始呈现升高趋势,这与其他学者的研究
结果基本一致。这主要是由于PAHs在空气中的
存在形态主要由自身的物理化学性质和环境温度
等因素决定,4环以下低分子量的化合物,因蒸汽压
较高,主要以气态的形式存在,五环、六环的PAHs
属于难挥发性化合物,多数是以颗粒态的形式
存在[21]。
植物吸收并积累周围大气环境中的多环芳烃
主要是通过叶片实现的。Zun等[21]研究表明通过
气孔进入植物体内是植物叶片吸收干沉降有机污
染物(包括多环芳烃)的最主要方式。植物叶片对
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周围环境有很强的依赖性,植物叶片中的PAHs的
富集量与周围环境中的温度存在明显的负相关关
系,即当周围环境温度较低时,植物叶片吸收的
PAHs含量相对较高,而在周围环境温度较高时,
植物叶片倾向于吸收较少的 PAHs[22]。气态
PAHs在秋冬季比重较高,而在春夏季比重较低;
颗粒态的高环芳烃占总量的比重与之变化规律相
反。本研究中红檵木叶片中PAHs含量远高于此
范围,这说明试验样地受到的较严重的多环芳烃有
机物污染。
参考文献:
[1] Ribes A,Grimalt J O,Garcia C J,et al.Polycyclic aromatic
hydrocarbons in mountain soils of the subtropical atlantic[J].
Journal of Environmental Quality,2003,32:977-987.
[2] 王雅琴,左 谦,焦杏春,等.北京大学及周边地面非取暖期
植物叶片中的多环芳烃[J].环境科学,2004,25(4):23
-27.
[3] Menzie C A,Potocki B B,Santodonato J.Exposure to carci-
nogenic PAHs in the environment[J].Environmental Science
Technology,1992,26(7):1278-1284.
[4] McLachlan M S.Bioaccumulation of hydrophobic chemicals in
agricultural food chains[J].Environmental Science Technolo-
gy,1996,30(1):252-259.
[5] Sabrina N P,David R S,Michael D A.Effects of enrichment
with salicylate on bacterial selection and PAH mineralization
in a microbial community from a bioreactor treating contami-
nated soil[J].Environmental Science and Technology,2008,
42:4099-4105.
[6] Menzie C A,Potoki B B.Exposure to carcinogenic PAHs in
the environment[J].Environmental Science and Technology,
1992,26(7):1278-1284.
[7] Wilson S C,Jonas K C.Bioremediation of soil contaminated
with polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs):A review
[J].Environmental Polution,1993,81:229-249.
[8] 杨 艳,凌婉婷,高彦征,等.几种多环芳烃的植物吸收作用及
其对根系分泌物的影响[J].环境科学学报,2010,30(3):593
-599.
[9] Bacci E,Calamari D,Gaggi C,et al.Bioconcentration of organ-
ic chemical vapors in plant leaves:experimental measurements
and correlation[J].Environmental Science and Technology,
1990,24(6):885-889.
[10] Schreiber L,Schoenherr J.Uptake of organic chemicals in
conifer needles:surface adsorption and permeability of cuti-
cles[J].Environmental Science and Technology,1992,26
(1):153-159.
[11] Simonich S L,Hites R A.Importance of vegetation in remo-
ving polycyclic aromatic hydrocarbons from the atmosphere
[J].Nature,1994,370:49-51.
[12] Kipopoulou A M,Manoli E,Samara C.Bioconcentration of
polycyclicomatic hydrocarbons in vegetables grown in an in-
dustrial area[J].Environmental Polution,1999,106(3):
369-380.
[13] Agrawal M,Singh J.Impact of Coal Power Plant Emission
on the Foliar Elemental Conc in Plants in A Low rainfal
Tropical Region[J].Environmental Monitoring and Assess-
ment,2000,60:261-282.
[14] Fleek J A,Grigal D F ,Nater E A.Mercurv Uptake by
Trees:An Observational Experiment[J].Water,Air and
Soil Polution,1999,115:513-523.
[15] Schrelber L,Schonherr J.Uptake of organic chemicals in co-
nifer needles:surface adsorption and permeability of cuticles
[J].Environ.Sci.Technol.,1992,26:153-159.
[16] Halsal C J,Coleman P J,Brian J D,et al.Polycyclic aro-
matic hydrocarbons in U.K urban air[J].Environmental
Science and Technology,1994,28(13):2380-2386.
[17] Simonich S L,Hites R A.Vegetation-atmosphere partitio-
ning of polycyclic aromatic hydrocarbons[J].Environmental
Science and Technology,1994,28(5):939-943.
[18] 田大伦,闫文德,康文星,等.樟树林地土壤多环芳烃的含
量及其分布特征[J].林业科学,2006,42(11):12-16.
[19] Bjorseth A,Ramdahl T(Eds.).Handbook of Polycyclic Ar-
omatic Hydrocarbons[M].Marcel Dekker,New York:
1985,b:139-185.
[20] 叶翠杏,王新红,印红玲,等.厦门市大气 PM 2.5中多环芳
烃的昼夜变化特征[J].环境化学,2006,25(3):356-359.
[21] ZunY T,Keri C H.Uptake of polycyclic aromatic hydrocar-
bons(PAHs)by broad leaves:analysis of kinetic limitations
[J].Water,Air and Soil Polution,2001,1:275-283.
[22] 罗颖丽,闫文德,田大伦,等.樟树叶片中多环芳烃含量的
日变化特征[J].林业科学,2010,46(6):161-165.
[本文编校:吴 毅]
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