昆明市城市森林常見樹種對大氣氟化物的凈化作用動態研究

劉佩琪，鄧志華，陳奇伯，楊媛媛

（西南林業大學 環境科學與工程學院，云南 昆明 650224）

昆明市城市森林常見樹種對大氣氟化物的凈化作用動態研究

劉佩琪，鄧志華，陳奇伯，楊媛媛

（西南林業大學 環境科學與工程學院，云南 昆明 650224）

為研究昆明市城市森林常見樹種對大氣氟化物的吸收凈化作用的年內季節性動態變化，應用直接采樣和統計分析方法，對選定的樹種藍桉Eucalyptus globulus、云南松Pinus yunnanensis、華山松Pinus armandii、圓柏Sabina chinensis在4個季節中對大氣氟化物的吸收作用進行了對比分析。結果表明：（1）植物葉片中的氟化物主要來自于大氣中，并且與大氣氟化物含量有明顯的相關性，相關系數在0.970～0.999（P＜0.05）之間。大氣中氟化物含量的季節性變化由高到低依次是：冬季（58 μg·dm-2d-1）＞春季（47 μg·dm-2d-1）＞秋季（31μg·dm-2d-1）＞夏季（26 μg·dm-2d-1），出現的最高濃度值是最低濃度值的2.23倍。（2）春季、夏季、冬季植物葉片中氟化物含量由高到低依次均為：藍桉＞圓柏＞華山松＞云南松；而秋季植物葉片中氟化物含量由高到低依次為：藍桉＞云南松＞華山松＞圓柏。春季到夏季、秋季到冬季過程中，葉片中氟化物積累量由高到低依次均為：藍桉＞圓柏＞華山松＞云南松；夏季到秋季過程中則為：云南松＞華山松＞藍桉＞圓柏。（3）大氣氟化物濃度與葉片中的氟化物含量具有一元線性關系。隨著季節變化，華山松對氟化物最為敏感，春季和秋季，華山松葉片的氟含量與大氣氟化物含量的相關性最高；夏季為圓柏和華山松；冬季為藍桉。在土壤生境相同的條件下，兩者的相關性越高，就能更準確的指示大氣氟化物濃度變化的高低，準確地評價大氣環境質量。

城市森林；常見樹種；氟化物；凈化作用

隨著工業化進程的快速發展，環境污染愈發嚴重，最為人們所關注的當屬近幾年的大氣污染問題。植物是生態系統的主要成員之一，它既是環境污染的受害者，也是環境治理的改造者。植物葉片對大氣污染物具有凈化作用，其中最主要的就是通過葉片積聚來吸附大氣污染物[1]。不同種類的植物生態功能有所不同，其環保功能也會顯著不同。利用植物對環境污染地區的抗性和吸收凈化能力，選擇適宜的綠化樹種，改善環境污染，降低環境污染程度，構建更加全面有效的城市綠化生態系統[2-3]。

氟化物是大氣污染中的主要有害氣體之一。一般情況下，自然界的大氣中不存在氟化物，土壤和水中的含氟量也很低，它主要來源于工業生產中的煙氣排放，如陶瓷廠、磚瓦廠、磷肥廠和煉鋁廠等工業部門所排放的大量含氟廢氣[4]。在我國，氟化物對人類的生產活動的影響僅次于二氧化硫，但是它所具有的毒性是SO2的10～1 000倍。對于一定濃度范圍的氟化物，植物不僅對其具有抵抗能力，還具有相當程度的吸收能力，但是氟是植物本身不需要的元素，大氣中低量的氟化物就會對植物造成危害，植物吸收氟化物后主要積累儲存在葉片中，而且不會為植物代謝所利用[5]。因此，通過對不同植物中氟的富集情況的研究，可篩選出對氟污染敏感和抗性強的植物，作為城市環境污染的指示生物和污染嚴重地區的綠化樹種。這對于運用植物監測環境質量以及利用植物修復技術治理氟污染具有重要意義。

近年來，很多的專家學者對綠化植物受氟污染后的生長情況、生理機能和葉片積累量做了相應的研究。魯敏和李英杰[6]通過人工熏氣法測定了部分園林植物對主要大氣污染物的吸收凈化能力，并指出不同樹種吸收不同污染氣體能力存在明顯差異；賈陳忠等[7]通過對荊州市區多種植物葉片含氟量與大氣氟污染狀況進行相關性分析表明不同植物葉片含氟量有明顯的差異，葉片氟累積量與大氣中氟含量呈顯著的正相關；孔國輝等[8]通過研究125種木本植物在不同污染環境的生長情況，將被評價植物對污染抗性能力進行分類；張德強等[9]利用在污染區盆栽園林植物的方法，篩選出14種對二氧化硫和氟化物具有較強抗性和較高吸收凈化能力的植物。也有人研究了植物葉片在高濃度的氟化物環境中，從微觀角度分析其生理生態的變化以及葉片中氟化物濃度的變化[10]。但是由于生境的不同，植物對于氟污染的抗性和敏感度也會不同，而且之前對于昆明市城市森林常見樹種對氟化物抗性強弱的研究較少，所以該研究主要以昆明城區的4種常見樹種為樣本，探索其對大氣中氟化物的吸收積累能力，豐富此方面的研究資料，并挑選出對氟化物抗性較強且易吸收的樹種加以推廣。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 研究對象的選擇

昆明市位于102°10′～ 103°40′E，24°23′～26°22′N，中國西南云貴高原中部，南瀕滇池，三面環山，滇池平原，四季如春，氣候宜人。隨著城市化的發展，昆明市的大氣環境質量愈來愈差。市區東三環交通主干道車流量大，周邊的開發建設項目集聚產生大量的粉塵，在對污染地區進行實地考察并對當地的植物生長狀況進行廣泛調查基礎上，以海拔高度在2 050～2 200 m之間的距離昆明市東三環交通主干道10 m的邊坡上的城市森林為研究區，以該地區的藍桉Eucalyptus globulus、云南松Pinus yunnanensis、華山松Pinus armandii、圓柏Sabinachinensis為實驗對象，樹木具體生長狀況見表1，對植物吸收大氣氟化物的季節性動態變化進行分析研究。

表1 樹木的生長狀況Table 1 Trees’ growth conditions

1.1.2 樣品的采集

植物吸收大氣中的氟化物后一般積累儲存于葉片中，植物根系吸收的土壤中的氟很少向葉片轉移[11-13]，而且植物體內的氟化物積累分布規律是葉＞莖＞根[14]，因此，對葉片中所含的氟化物進行分析測定，這樣可以更加可靠、準確的反映大氣中氟污染狀況[11]。分別在2014年12月，2015年3月，2015年7月，2015年10月進行采樣，我們共布設22個采樣點，交通主干道上2個采樣點，采集大氣氟化物的樣本，藍桉、云南松、華山松、圓柏各5個采樣點，每個采樣點每隔5 m選取3棵樹木對其進行葉片、土壤和大氣的采樣。為了保證采樣的充分混合且具有代表性、統一性和連續性，樣品采集時采用每物種固定植株采樣的方式，同時注意每次采樣保證葉齡、著生部位的一致，采集的樣品編號裝入紙袋。

1.2 試驗方法

1.2.1 植被樣品的制備和測定

將采集的葉片先用蒸餾水清洗干凈，置于80 ℃下鼓風干燥48 h，并經過冷卻后研磨，過250 μm篩孔，得到粉末狀樣品，儲存于密封袋中備用。準確稱取各過篩樣品1.0 g，置100 mL燒杯中，加入20 mL 0.05 mol/L硝酸靜置過夜，然后加入20 mL 0.1 mol·L-1的KOH，攪拌20 min后，加入離子輕度緩沖液（pH≈5.5）略加攪拌，直接測電勢值，從標準曲線上查得所測樣品的氟離子濃度。

1.2.2 土壤、大氣樣品的采集、制備及測定

在采集植物的區域同時進行土壤樣品的采集，將樣本經NaOH熔融后，用水浸提，以離子強度絡合緩沖液調整浸出液的pH，并掩蔽干擾離子，利用氟電極進行測定。大氣氟化物采樣及分析按石灰濾紙—氟離子選擇電極法[15]，把經過石灰處理的濾紙片懸掛在百葉箱中，大氣中的氟化物與石灰濾紙上的石灰反應生成CaF2、氟硅酸鹽在濾紙上固定下來采樣結束后，用氟離子選擇電極法分析測定濾紙上氟含量，即為大氣中氟的平均水平。

1.2.3 數據處理

所有數據采用Excel軟件進行統計處理，采用SPSS 21.0進行處理間差異顯著性及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤含氟量的水平

對土壤的氟含量數據經過SPSS 21.0的處理，得到表2，春季土壤中的氟含量最低，夏季土壤中的氟含量最高，但是表2中的數據差異不顯著（d?=3，P=0.374 ＞ 0.05）。

表2 土壤的氟含量Table 2 The fluoride content of the natural soil

說明在植物采樣的4個季節中，土壤中的氟含量不存在明顯差異。植物根系從土壤中吸收的氟很少會轉移到葉片，植物根系中的氟化物和土壤中所含的氟化物存在一定的平衡關系[11-13]。這就可以保證在土壤特性相同的條件下，植物葉片中的氟化物來自于大氣中。

2.2 大氣氟化物及葉片累積特點

2.2.1 大氣氟化物在各季節的分布

通過2.1 的判斷，植物葉片中的氟化物來自于大氣中，大氣中氟化物含量的季節性變化如圖1。

圖1 各采樣季節的大氣氟化物含量Fig.1 The atmospheric fluoride content in each season

從圖1可見，大氣中氟化物含量有明顯的季節性變化，大氣氟化物含量在春季和冬季相對較高，最高值出現在冬季為 58 μg·(dm2·d)-1，最低值出現在夏季為 26 μg·(dm2·d)-1，冬季大氣氟化物的含量是夏季的2.23倍，秋季大氣氟化物的含量僅次于冬季，是 47 μg·(dm2·d)-1，大氣氟化物含量的季節性變化從高到低依次為：冬季＞春季＞秋季＞夏季。昆明的氣候比較特殊，夏季和秋季是昆明的雨季，降雨較頻繁，雨水對大氣中氟化物具有一定的稀釋作用[16]，所以夏季和秋季大氣中氟化物的含量相對較少，春季和冬季昆明氣候干燥，風力較小，大氣中的氟化物容易聚集不易散開，大氣中的氟化物濃度較高。

2.2.2 植物葉片的氟化物累積特征

圖2 各采樣季節植物葉片的氟化物含量Fig.2 The fluoride content of plant leaves in each season

植物葉片中的氟化物含量的季節性變化如圖2。藍桉、云南松、華山松、圓柏這4種植物都屬于常綠樹種，所以這4種植物不存在枯葉期對大氣氟化物吸收的影響。由圖2可見，這4種植物葉片中氟化物的含量隨著時間的推移呈逐漸遞增的趨勢，說明隨著時間的推移，植物葉片的含氟量也在逐漸累積增加[17]。其中藍桉葉片的氟化物含量最高，較之其他3種植物藍桉的代謝強度大、生長速度快，比其他樹種的葉片大很多，對氟化物的吸收量最高，從春季到夏季，藍桉葉片所吸收氟化物含量增加了22.85 mg·kg-1，從夏季到秋季過程中，增加了43.32 mg·kg-1，從秋季到冬季的過程中藍桉葉片氟化物的積累量上升幅度最大，上升了148.37 mg·kg-1，上升量是春季到夏季的6.49倍，是夏季到秋季的3.42倍；云南松和華山松都屬于針葉樹種，葉子形態相似且生長特性相近，所以隨著季節的變化，他們對大氣氟化物的吸收量也很相近，春季到夏季過程中氟化物的積累量變化很微小，從夏季開始葉片中氟化物的積累量開始直線上升，夏季到秋季期間，云南松和華山松分別增加了 70.26 mg·kg-1、54.71 mg·kg-1，從秋季到冬季，云南松和華山松葉片氟化物含量分別增加了 71.58 mg·kg-1、85.02 mg·kg-1；春季和夏季，圓柏葉片中的氟化物含量僅低于藍桉，但秋季葉片中的氟化物含量是最低的，僅有132.67 mg·kg-1，從秋季到冬季過程中，氟化物的積累量遞增，上升量超過云南松和華山松，僅次于藍桉，上升量達到134.65 mg·kg-1?？傊?，不同的樹種對大氣氟化物的吸收能力不同。

2.3 大氣及葉片中氟化物的相關性

為了進一步確定大氣氟化物含量和植物葉片中氟化物積累量之間的關系，采用線性模型對兩者進行了回歸分析，得到了表3中的回歸方程。

如表3所示，不同植物葉片的含氟量與大氣氟化物濃度之間的相關系數在0.970～0.999（P＜0.05）之間，說明各采樣季節的大氣氟化物濃度與植物葉片的含氟量具有顯著的相關性，進一步確定植物體內的氟化物大部分來自與大氣中，大氣中的氟化物濃度直接影響著植物的含氟量。不同種類植物葉片的含氟量與大氣氟化物濃度的相關性是有差別的，這4種植物中，華山松葉片的含氟量與大氣氟化物濃度存在著密切關系，顯著性極高，相關系數均在0.99以上，隨季節的變化依次為0.998、0.998、0.999、0.992，表示華山松對大氣氟化物最為敏感，更能準確的反映城市森林氟化物濃度的高低，評價大氣環境質量。春季，除華山松外云南松葉片的氟含量與大氣氟化物含量的相關性也很高，相關系數為0.994；夏季，圓柏葉片的含氟量于大氣氟含量的相關性與華山松的一樣高，相關系數同為0.998；秋季，圓柏葉片的氟含量與大氣氟化物含量的相關性僅次于華山松，相關系數為0.998；冬季，藍桉的葉片含氟量與大氣氟化物含量的相關性最高，相關系數為0.997。春季藍桉、冬季云南松、冬季圓柏的葉片的氟含量與大氣氟化物含量的相關性相對較弱，造成這種問題的原因有很多，比如植物體內的氟化物不僅來自于大氣中，也來自于土壤中，但是根部的氟化物很少會轉移到葉片，只有當大氣中含有較高濃度的氟化物時，葉片的表皮才直接吸收大氣中氟，二者呈現較好的相關性[18]。

表3 植物含氟量與大氣氟化物濃度的關系（n=15）?Table 3 The relationship between plants and atmosphere’s fluoride content

3 結 論

（1）四個季節中，土壤中的氟含量不存在明顯差異，植物葉片中的氟化物主要來自于大氣中，并且與大氣氟化物含量有明顯的相關性，相關系數在0.970～0.999（P＜0.05）之間。大氣中氟化物含量的季節性變化由高到低依次是：冬季（58 μg·(dm2·d)-1）＞春季（47 μg·(dm2·d)-1）＞秋季（31 μg·(dm2·d)-1）＞夏季（26 μg·(dm2·d)-1），出現的最高濃度值是最低濃度值的2.23倍。

（2）四個季節中藍桉葉片中氟化物含量是最高的，除藍桉外，春季、夏季、冬季植物葉片中氟化物含量由高到低依次均為：圓柏＞華山松＞云南松；而秋季植物葉片中氟化物含量由高到低依次為：云南松＞華山松＞圓柏。春季到夏季過程中，葉片中氟化物積累量由高到低依次為：藍桉＞圓柏＞華山松＞云南松；夏季到秋季過程中，葉片中氟化物積累量由高到低依次為：云南松＞華山松＞藍桉＞圓柏；秋季到冬季過程中，葉片中氟化物積累量由高到低依次為：藍桉＞圓柏＞華山松＞云南松。

（3）大氣氟化物濃度與葉片中的氟化物含量具有線性關系。綜合評價，隨著季節變化，華山松對氟化物最為敏感，春季和秋季，華山松葉片的氟含量與大氣氟化物含量的相關性最高；夏季，圓柏、華山松葉片的氟含量與大氣氟化物含量的相關性最高；冬季，藍桉葉片的氟含量與大氣氟化物含量的相關性最高。在土壤生境相同的條件下，兩者的相關性越高，就能更準確的指示大氣氟化物濃度變化的高低，準確地評價大氣環境質量。

4 討 論

氟化物以氣態氟化物（HF、SiF4）及塵態氟化物的形式存在[19]，氟不像是硫和氮等是植物本身生長所必須的元素，自然大氣環境中氟化物的含量有限，植物從土壤中吸收的量也很小[20]。大量研究表明植物葉片的含氟量和大氣氟化物之間存在著密切相關性[21-23]，大氣氟化物對不同地區不同植物的生態效應反映了植物氟化物的累積特征具有空間性。隨著空氣中氟化物濃度的升高，植物葉片的吸收量也顯著增高，吳洪麗等研究指出[24]植物的葉表形態決定了植物對塵態氟化物的吸收能力，表面褶皺豐富深凹可以聚集較多的顆粒物。調查樹種中，藍桉的幼態葉對生，葉片卵形，基部心形，無柄，有白粉而且成長葉片革質，披針形，鐮狀，對顆粒物具有很好的滯留作用。本研究中，隨著春夏秋冬四季的交替，4種植被葉片的氟化物含量逐漸增長，與李寒娥等[17]研究得出的不同城市綠地系統的1、2年生植物葉片含氟量均隨時間的延長而逐漸增加的結論相符。生境不同，植被種類不同，對大氣氟化物的吸收能力自然不同，本研究與其他研究得出的規律是一致的。但是，昆明在夏秋季節進入雨季，降雨頻繁，由于實驗周期限制，四個季度采樣過程中沒有辦法保證每次采樣林內小環境都相同（即雨水過后間隔等天數，使林內大氣環境各指標恢復到正常值），若把雨水對大氣氟化物的吸附和稀釋作用考慮在內，會部分影響實驗結果，這是本研究的不足之處。今后的研究將進一步深化，綜合分析城市森林與大氣中二氧化硫、氟化物、氮氧化物、大氣顆粒物等濃度的相關性，為選擇城市綠化樹種提供更全面科學的依據。

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The puri fication effect research in motion of urban forest on atmosphere in Kunming

LIU Peiqi, DENG Zhihua, CHEN Qibo, YANG Yuanyuan
(College of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China)

In order to study the seasonal dynamic changes of atmospheric fluoride absorption by urban forest in Kunming, four different tree species:Eucalyptus globulus, Yunnan pine,Pinus armandii,Sabina chinensiswere sampled and analyzed for their fluoride absorption in four seasons. The result shows: (1) the fluoride content in plant leaf is mainly comes from the atmosphere, and has obvious correlation with atmospheric fluoride content, the correlation coef ficient ranges from 0.970 to 0.970 (P＜ 0.05). The seasonal changes of fluoride content followed the order: winter (58 μg·dm-2d-1) ＞ spring (47 μg·dm-2d-1) ＞ autumn (31 μg·dm-2d-1) ＞ summer (26 μg·dm-2d-1). (2)in the four seasons, fluoride content in the leaves of eucalyptus is the highest, in addition to the eucalyptus, fluoride content in plant leaves from high to low in turn are:Sabina chinensis＞Pinus armandii＞ Yunnan pine, except in autumn followed the order:Yunnan pine＞Pinus armandii＞Sabina chinensis. During the period of Spring to summer and autumn to winter, in the process of fluoride accumulation in the leaves from high to low in turn are:Eucalyptus＞Sabina chinensis＞Pinus armandii＞ Yunnan pine; but summer to autumn is: Yunnan pine ＞Pinus armandii＞Eucalyptus＞Sabina chinensis. (3) atmospheric concentrations of fluoride and fluoride content of leaves from has a linear relationship. With the seasons change,Pinus armandiiis the most sensitive to fluoride.Pinus armandiiblade fluorine content has the highest correlation to atmospheric fluoride content in spring and autumn; butSabina chinensisandPinus armandiiin Summer; eucalyptus in winter. In the same environment conditions, the higher correlation of the two, can more accurately fluoride concentration in the atmosphere is the instructions of the change of high and low, accurately evaluate the quality of atmospheric environment.

urban forest; common tree species; fluoride; puri fication function

S718.5；X835

A

1673-923X(2017)08-0108-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.08.018

2016-03-02

林業公益性行業科研專項（201204101-10）；云南省高校優勢特色重點學科（生態學）建設項目（05000511311）；西南林業大學科技創新基金（C15116）

劉佩琪，碩士研究生

陳奇伯，教授；E-mail：chenqb05@163.com

劉佩琪，鄧志華，陳奇伯，等. 昆明市城市森林常見樹種對大氣氟化物的凈化作用動態研究[J].中南林業科技大學學報，2017, 37(8): 108-113.

[本文編校：文鳳鳴]