文章信息
- 刘庆倩, 石婕, 安海龙, 曹学慧, 刘超, 尹伟伦, 夏新莉, 郭惠红
- LIU Qingqian, SHI Jie, AN Hailong, CAO Xuehui, LIU Chao, YIN Weilun, XIA Xinli, GUO Huihong
- 应用15N示踪研究欧美杨对PM2.5无机成分NH4+和NO3-的吸收与分配
- Absorption and Distribution of PM2.5 NH4+ and NO3- in Populus euramericana Neva.
- 生态学报, 2015, 35(19): 6541-6548
- Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(19): 6541-6548
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201403210510
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文章历史
- 收稿日期: 2014-03-21
- 网络出版日期: 2014-12-04
工业化和城市化的迅猛发展使得大气颗粒物污染愈发严重。大气中的颗粒物可以降低能见度、影响气候变化[1, 2],还会影响人及其它生物的生命健康,其中PM2.5因其粒径小、易富集有毒有害物质、可直接经由呼吸进入人的肺泡和血液等特点,极易诱发呼吸系统疾病甚至死亡[3],已经成为国际社会和人民群众关注的焦点。
PM2.5由直接排入空气中的一次颗粒物和空气中的气态污染物通过化学反应生成的二次颗粒物组成。二次颗粒物主要由铵盐和硝酸盐组成,比如NOx经过大气化学反应生成二次铵盐和硝酸盐,存在于大气环境中[4]。研究显示,水溶性无机盐是PM2.5的主要组分,对PM2.5质量浓度的贡献率达40%以上,其中NH4+和NO3-为水溶性无机盐的主要离子[5, 6]。研究表明,PM2.5中亲水性较强的NH4+和NO3-对散射系数影响较大,是PM2.5中影响能见度的主要因子[7]。PM2.5中的NH4+和NO3-等水溶性无机离子浓度过高也会对人体健康如肺功能产生直接影响[8]。因此,寻求高效合理的方法消除大气中的PM2.5,降低大气颗粒物浓度,对改善空气质量具有重要的意义。
植物作为改善环境的天然净化器,能有效阻滞、吸附空气中的PM2.5等颗粒物,在改善空气质量方面起着主导作用[9, 10]。植物的滞尘能力与其叶片形态及叶表特征密切相关,表面粗糙、有绒毛或能够分泌黏液的叶片更容易吸附大气中的PM2.5等颗粒物[11]。但之前的研究大多集中于植物叶片和枝干对大气中颗粒物的粘附与滞留,对植物是否能够直接吸收大气中的PM2.5等颗粒物,若能吸收其吸收及分配机制又是什么还未见研究。本研究借助稳定同位素15N示踪技术,以常用行道绿化树种欧美杨为研究对象,研究了其对PM2.5无机成分NH4+和NO3-的吸收与分配规律,以期为利用植物吸收PM2.5等大气颗粒物,净化空气的理论提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 材料供试材料为长势一致的欧美杨107 (Populus euramericana Neva.)扦插苗,平均株高83 cm,平均基径0.88 cm,每株叶片数目20片左右。2013年4月中旬扦插,8月中旬取材。供试材料共5组(4个处理组,1个对照组),每组3株。
1.2 PM2.5发生装置气溶胶发生系统可产生固态气溶胶,是校准大气颗粒物测定的有效工具[12]。本研究利用气溶胶发生系统将实验溶液形成直径≤2.5 μm的微粒,模拟PM2.5颗粒。
将15NH4NO3和NH415NO3(购自上海化工研究院,丰度为10%)分别配制成2 g/L的溶液,以稳定的流速加入气溶胶发生器(TSI3076,台湾章嘉企业有限公司)。当植物生长室(100 cm×50 cm×100 cm)的气溶胶颗粒浓度达到所需实验浓度后,将欧美杨放入植物生长室,并通过调节流量计流速来维持实验浓度,每天处理2 h,处理完毕后将植物移出植物生长室,共处理7 d。植物生长室内PM2.5浓度通过Dustmate(DM1781,Turnkey Instruments Ltd Northwich England)测定获得。PM2.5发生装置参照麦华俊等[12]的方法加以改进,如图1所示。
1.3 15N同位素处理方法当植物生长室内的PM2.5浓度达到实验要求后,将欧美杨植株放入植物生长室。放入前花盆上口用保鲜膜严密覆盖,以避免室内空气中PM2.5与土壤接触。实验分3组:
(1)15NH4NO3处理 设置轻度污染浓度(100 μg/m3)和重度污染浓度(200 μg/m3)两个浓度梯度,每个浓度梯度设3个重复。PM2.5浓度梯度的设置根据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)。
(2)NH415NO3处理 PM2.5浓度设置同上,每个浓度梯度设3个重复。
(3)对照组 与处理组同时进行,不做通气处理。目的是与PM2.5处理的植株进行对照分析。
处理于每天10:00—12:00进行,实验周期为1周。
1.4 样品处理与测定指标在处理前及处理后的1—6d,每组样品于每日10:00分别从植株顶端向下第7片功能叶开始取样,每天取1片,共取6片。叶片按清水→洗涤剂→清水→1%盐酸→3次去离子水顺序冲洗后,于105 ℃下杀青30 min,随后在80 ℃下烘干至恒重,电磨粉碎后过60目筛混匀。样品送至中国科学院植物研究所生态与环境科学稳定同位素实验室,采用同位素比率质谱仪(型号为DELTA V Advantage,Thermo Fisher Scientific,Inc.,USA)测定15N丰度和全氮含量(N%)。
处理7d后(第7天处理的次日,即第8天),10:00整株收获欧美杨植株。单株样品解析为叶片、叶柄、树皮、木质部(茎)、髓(茎)、粗根(≥2 mm)、细根( < 2 mm),按上述方法测定各组织器官15N丰度和全氮含量(N%)。
有关计算公式[13]为:
实验数据采用SPSS 20.0软件进行差异显著性分析,应用Microsoft Excel 2007绘制图表。
2 结果与分析 2.1 不同处理条件下欧美杨叶片15N吸收速率和15N含量的动态变化在轻度和重度污染处理初期,欧美杨叶片均可快速吸收PM2.5中的NH4+和NO3-(图2)。处理后第1天,不同处理条件下欧美杨叶片的15N吸收速率均达到峰值,但欧美杨叶片对15NO3-的吸收速率均大于15NH4+。轻度污染处理下,欧美杨叶片对15N(NO3-)的最大吸收速率为0.135 mg g-1 d-1,对15N(NH4+)的最大吸收速率为0.114 mg g-1 d-1,对15N(NO3-)的最大吸收速率约为15N(NH4+)的1.2倍;重度污染处理下,欧美杨叶片对15N(NO3-)的最大吸收速率为0.077 mg g-1 d-1,对15N(NH4+)的最大吸收速率为0.058 mg g-1 d-1,对15N(NO3-)的最大吸收速率约为15N(NH4+)的1.3倍。在处理1d内,两种轻度标记物处理的欧美杨叶片的15N吸收速率均大于两种重度处理,但处理1d后,两种轻度处理的欧美杨叶片的15N吸收速率迅速下降,至处理第2天时15N吸收速率已小于重度处理,之后继续缓慢下降。两种重度处理的欧美杨叶片的15N吸收速率在处理1 d后逐渐下降,处理第2天至处理末期逐渐趋于稳定,且均大于轻度处理的15N吸收速率。在处理结束后,轻度污染条件下欧美杨叶片对15NH4+和15NO3-的吸收速率无显著差异,而重度污染条件下欧美杨叶片对15NO3-的吸收速率仍大于15NH4+。
在不同污染处理的第1天,欧美杨叶片的15N含量均显著升高(图3),说明欧美杨叶片可快速吸收PM2.5中的NH4+和NO3-。轻度污染处理的欧美杨叶片的15N含量均在处理第1天时达到峰值,15N(NH4+)的含量为0.11 mg/g,干重,15N(NO3-)的含量为0.14 mg/g,干重。然后,随吸收速率的迅速下降,处理后1—3d 15N含量显著降低,3—7d先上升后又略有下降,至处理第7天时,欧美杨叶片的15N含量分别降至0.045 mg/g,干重(15NH4+处理)和0.047 mg/g,干重(15NO3-处理),与处理第1天相比,分别下降了59.1%和66.4%。重度污染处理的欧美杨叶片的15N含量在处理第1天显著增长,之后,随吸收速率的缓慢降低增长趋势变缓,略有波动。在处理后第7天,欧美杨叶片吸收的15N含量达到最高值,重度15NH4+处理的为0.11 mg/g,干重,重度15NO3-处理的为0.13 mg/g,干重。处理2d以后,重度处理的欧美杨叶片的15N含量均大于轻度处理,说明欧美杨叶片对PM2.5中NH4+和NO3-的吸收含量在一定浓度范围内随浓度升高而增大。轻度和重度污染条件下,15NO3-处理的欧美杨叶片的15N含量均大于15NH4+处理,这说明欧美杨叶片更易于吸收PM2.5中的NO3-。
2.2 欧美杨不同组织器官对PM2.5中NH4+和NO3-的吸收与分配 2.2.1 不同处理条件下欧美杨不同组织器官中的15N含量(mg/g,干重)处理7d后,处理组欧美杨各组织器官的15N含量均显著大于对照,说明欧美杨各组织器官均能吸收或通过再分配获取PM2.5中的NH4+和NO3-(图4)。轻度和重度污染下,欧美杨不同组织器官中15N含量均有不同程度的差异。轻度污染下,细根的15N含量最高,树皮、叶柄、叶片次之,髓最低。其中15NH4+处理的细根与叶柄、髓差异显著,与树皮、叶片差异不显著;15NO3-处理的细根、树皮、叶柄、叶片间差异不显著,细根、叶柄与髓均差异显著。而重度污染下,叶片的15N含量最高,细根、叶柄、树皮次之,髓最低。其中15NH4+处理的叶片、细根、叶柄、树皮间无显著差异,四者与髓均有显著差异;15NO3-处理的叶片、细根、叶柄间无显著差异,三者与髓均有显著差异。从图4还可得知,欧美杨各组织器官的15N含量均显示重度污染处理大于轻度污染处理,且轻度和重度污染下的欧美杨各组织器官对NO3-的吸收量均大于NH4+。这与欧美杨叶片对15N的吸收规律(图3)一致。重度污染下,叶片对15N(NO3-)的吸收量为0.131 mg/g,干重,对15N(NH4+)的吸收量为0.113 mg/g,干重,对15N(NO3-)的吸收量为对15N(NH4+)吸收量的1.2倍;细根对15N(NO3-)的吸收量为0.126 mg/g,干重,对15N(NH4+)的吸收量为0.097 mg/g,干重,对15N(NO3-)的吸收量为对15N(NH4+)吸收量的1.3倍。
2.2.2 不同处理条件下欧美杨不同组织器官的Ndff(%)和15N分配率(%)Ndff指植株器官从标记物中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率,它反映了植株器官对15N的吸收征调能力[14]。从表1可见,轻度污染条件下,欧美杨不同组织器官对NH4+和NO3-的吸收征调能力无明显规律,但叶片对NH4+和NO3-的吸收征调能力最小。重度污染条件下,欧美杨各组织器官对NH4+和NO3-的吸收征调能力均为木质部最大,其次为髓,叶片最小,木质部的Ndff值约为叶片的4倍。轻度和重度污染下,除髓外,欧美杨各组织器官均表现为对NO3-的吸收征调能力大于NH4+。
测定项目 Determined items | 处理 Treatment | 叶片 Leaf | 叶柄 Petiole | 树皮 Bark | 木质部 Xylem | 髓 Pith | 粗根 Coarse root | 细根 Fine root |
Ndff:氮素分配率Nitrogen derived from fertilizer; 处理Ⅰ:15NH4NO3-轻度;处理Ⅱ:NH415NO3-轻度;处理Ⅲ:15NH4NO3-重度;处理Ⅳ:NH415NO3-重度 | ||||||||
Ndff/% | Ⅰ | 0.34±0.10Cb | 1.00±0.30Bb | 1.03±0.12Bb | 0.74±0.17BCb | 1.83±0.12Ab | 1.10±0.32Bb | 1.07±0.35Ba |
Ⅱ | 0.97±0.12Ca | 2.15±0.45Aa | 1.31±0.27BCab | 1.33±0.28BCb | 1.63±0.15ABb | 1.24±0.40BCb | 1.53±0.35BCa | |
Ⅲ | 0.85±0.25Ea | 1.93±0.35BCa | 1.56±0.38CDab | 3.35±0.14Aa | 3.03±0.30Aa | 2.18±0.50Ba | 1.31±0.18DEa | |
Ⅳ | 0.86±0.14Fa | 2.49±0.42BCa | 1.80±0.36DEa | 3.50±0.53Aa | 2.98±0.23ABa | 2.20±0.14CDa | 1.41±0.17EFa | |
15N分配率/% | Ⅰ | 17.48±3.39BCab | 11.78±3.99BCDb | 16.85±1.55Ba | 7.57±2.07Da | 10.56±1.60CDa | 10.00±0.45CDa | 25.76±4.58Aa |
15N Partition rate | Ⅱ | 12.05±4.65CDb | 19.49±2.27ABa | 15.73±4.75BCa | 9.95±3.47CDa | 8.17±2.29Da | 10.65±3.20CDa | 23.96±4.02Aa |
Ⅲ | 21.07±1.90Aa | 13.65±3.14BCb | 12.84±2.23BCa | 11.92±2.48BCa | 10.08±4.56Ca | 12.55±3.75BCa | 17.89±4.70ABa | |
Ⅳ | 20.33±4.18Aa | 15.65±0.49BCab | 13.16±2.51CDa | 11.06±1.68DEa | 8.40±1.24Ea | 12.10±1.62CDEa | 19.30±2.39ABa |
植株组织器官中15N占全株15N总量的百分率反映了标记物在植株体内的分布及在各组织器官迁移分配的规律[15]。从表1可以看出,轻度污染条件下欧美杨各组织器官的15N分配率亦无明显规律,但表现为细根的15N分配率最大。重度污染下,欧美杨各组织器官的15N分配率表现为叶片>细根>叶柄>树皮>粗根>木质部>髓。叶片中15N(NH4+)和15N(NO3-)的分配率分别为21.07%和20.33%,分别为髓中15N(NH4+)和15N(NO3-)分配率的2.09倍和2.42倍。可见,叶片是欧美杨吸收PM2.5无机成分NH4+和NO3-的最主要器官,细根是除叶片之外吸收累积15N(NH4+和NO3-)最多的器官。
3 讨论目前,虽有相关研究证实植物能够阻滞、吸附PM2.5等颗粒物[8, 9],但对植物是否可以吸收并分配PM2.5等颗粒物并无研究。本研究通过气溶胶发生系统模拟PM2.5发生研究欧美杨对PM2.5中NH4+和NO3-的吸收与分配,发现与对照相比,处理植株体内的NH4+和NO3-含量均有显著增加,证实了植物能够吸收PM2.5颗粒物。虽然模拟PM2.5颗粒物处理植株检测到的NH4+和NO3-的含量与通过叶面喷洒或涂抹处理植株后的含量相比较低[16, 17],但模拟PM2.5颗粒物更能真实地反映植物对大气中PM2.5的吸收能力,有利于揭示植物对大气中PM2.5颗粒物主要成分的吸收和分配机制。
本研究发现,不同污染程度下欧美杨叶片对PM2.5中NH4+和NO3-的吸收规律存在差异。轻度污染下的欧美杨叶片吸收的NH4+和NO3-含量在处理后第1天表现出迅速增加以后,随后减少,可能是随着15N吸收速率的显著下降,欧美杨叶片分配至其它各组织器官的15N含量大于从标记物中吸收的15N含量所致,处理3d以后,欧美杨叶片对NH4+和NO3-的吸收和外运趋于平衡。而重度污染下的欧美杨叶片对NH4+和NO3-的吸收量在处理后第1天迅速增加,之后呈缓慢增长趋势,可能是由于在此期间15N吸收速率下降的缓慢,叶片从标记物中吸收的15N含量大于向其他各组织器官的输出。还可能是由于轻度和重度污染下,植物对N吸收具有不同的平衡点所致。关于轻度和重度污染处理后期欧美杨叶片对NH4+和NO3-的吸收速率均较低,可能是由于前期植物对15N产生的短期激发效应,也可能是随处理时间的延长,欧美杨叶片表面累积的PM2.5增多,影响了欧美杨对PM2.5的进一步吸收。可以推测,自然条件下,经过雨水冲洗,减小PM2.5在叶片上的分布密度,PM2.5被叶片吸收的速率又会有所上升。有研究表明,植物对NH4+和NO3-的吸收具有明显的偏好性[18]。在本研究中,与NH4+相比,欧美杨叶片(处理2d后)及其它组织器官对PM2.5成分中的NO3-表现出更强的吸收和分配能力,这与田东梅等[19]对欧美杨不同土施氮源吸收的研究结果相一致。NO3-被植物吸收后需先还原成NH4+才能进入后续代谢过程,因此NO3-易于在细胞液泡内累积,而NH4+是与H+进行交换吸收的,不易在细胞液泡中累积[20, 21],这可能是本研究欧美杨各组织器官对PM2.5中NO3-的吸收大于NH4+的原因。
Ndff和15N分配率能够反映植株组织器官对15N的吸收征调能力及15N标记物在植株体内的分布和迁移规律[14, 15]。本研究发现,在轻度污染条件下,欧美杨不同组织器官对PM2.5中NH4+和NO3-的吸收征调能力(Ndff)及15N分配率均无明显规律,可能与轻度污染下PM2.5的浓度低有关。而重度污染条件下,欧美杨茎木质部对PM2.5中NH4+和NO3-的吸收征调能力最大,其次为髓,叶片最小。这与潘中耀[21]对橡胶树幼苗土施氮肥的研究结果基本一致。树干木质部和髓作为水溶性无机离子的主要运转通道及贮藏的“临时库”[22],可能是欧美杨茎木质部和髓对PM2.5中NH4+和NO3-的吸收征调能力较强的原因。董雯怡等[23]在对毛白杨土施氮肥后发现,毛白杨各器官的15N分配率为叶>根>茎。重度污染条件下的欧美杨各组织器官的15N分配率表现为叶片>细根>叶柄>树皮>粗根>木质部>髓,这与前者的研究结果基本一致。叶片是植物吸收大气中PM2.5的最主要器官,其吸收的15N(NH4+和NO3-)主要运输至根并在根中尤其是细根中以蛋白态形式储藏[24],这可能是本研究中叶片和细根的15N分配率较高的原因。
4 结论(1)不同PM2.5污染浓度下,欧美杨植株体内NH4+和NO3-含量均有增加,证实了植物能够吸收PM2.5颗粒物。
(2)轻度和重度污染下的欧美杨叶片均可快速吸收PM2.5中的NH4+和NO3-,并均于处理后第1天达到峰值。然后,轻度污染下的欧美杨叶片对NH4+和NO3-的吸收速率迅速降低以后趋于稳定,而重度污染下的欧美杨叶片对NH4+和NO3-的吸收速率缓慢下降至趋于稳定。处理1d内,欧美杨叶片对NH4+和NO3-的吸收速率均表现为轻度污染大于重度污染,处理第2天至结束,欧美杨叶片对NH4+和NO3-的吸收速率均表现为重度污染大于轻度污染。整个处理期间,轻度和重度污染下的欧美杨叶片对NO3-的吸收速率均大于对NH4+的吸收速率。
(3)轻度污染下,欧美杨叶片中NH4+和NO3-的含量于处理后第1天达到峰值,之后迅速下降,3天以后虽略有波动但趋于稳定。而重度污染下,欧美杨叶片中NH4+和NO3-的含量在处理的第1天迅速增长,之后仍缓慢增长,并于处理后第7天达到最高值。在处理2d后,重度污染下的欧美杨叶片的NH4+和NO3-的含量均大于轻度污染下的含量,且轻度和重度污染下,欧美杨叶片对NO3-的吸收量均大于对NH4+的吸收量。
(4)轻度和重度污染下,欧美杨不同组织器官中NH4+和NO3-的含量均有不同程度的差异。轻度污染下,细根对NH4+和NO3-的吸收量最高,树皮、叶柄、叶片次之,髓最低。而重度污染下,叶片对NH4+和NO3-的吸收量最高,细根、叶柄、树皮次之,髓最低。重度污染下欧美杨各组织器官中NH4+和NO3-的含量均大于轻度污染下的含量,且轻度和重度污染下,欧美杨各组织器官对NO3-的吸收量均大于对NH4+的吸收量。这与欧美杨叶片对NH4+和NO3-的吸收规律一致。
(5)轻度污染下,欧美杨不同组织器官对NH4+和NO3-的吸收征调能力(Ndff)及15N分配率均无明显规律。重度污染条件下,欧美杨茎木质部对NH4+和NO3-的吸收征调能力最大,其次为髓,叶片最小。欧美杨各组织器官中NH4+和NO3-的分配率表现为叶片>细根>叶柄>树皮>粗根>木质部>髓。
(6)通过气溶胶发生系统模拟PM2.5颗粒的发生,借助15N示踪技术,研究结果显示了欧美杨对PM2.5无机成分NH4+和NO3-的吸收与分配规律,对进一步揭示植物吸收PM2.5的机制及有效利用植物降低颗粒物污染、净化环境提供了重要的科学理论依据。
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