樟树林生态系统土壤多环芳烃的空间分布

樟树林生态系统土壤多环芳烃的空间分布

多环芳烃（hydrocal，1981）是由同一环混合而成的有机污染物。由于分子质量和结构的不同，它也具有不同的物理性质。PAHs的自然来源有火山爆发、森林植被和灌木丛燃烧以及细菌对动物、植物的生化作用等,但主要的来源是人类活动,特别是化石燃料的燃烧(金赞芳等,2001)。PAHs由于水溶性差,辛醇-水分配系数高,常被吸附于土壤颗粒上,并在土壤-植物之间进行迁移、转化和降解(刘世亮等,2002)。PAHs是最早被发现具有“三致作用”的环境污染物之一,可通过食物链危害人体健康。PAHs在环境中的分布及其对人类健康和生态环境的潜在危害,已引起各国的极大重视。美国国家环保局将芴、萘、蒽、苯并(a)芘等16种PAHs列为优先控制污染物,欧洲则把荧蒽、苯并(a)芘等6种PAHs作为目标PAHs(李志萍等,2002),在我国国家环保局第1批公布的68种优先污染物中,PAHs有7种(中国环境优先监测研究课题组,1989)。因此,探讨环境中PAHs的形成机理和污染状况,研究其污染的控制与修复问题对当前全球性环境保护具有重要意义。1959年,Guddal发现生长在煤气设施附近植物的根系中含有PAHs,含量高达1.23×104μg·kg-1。Gunther等(1967)检测到美国加尼弗利亚州高速公路边橘树皮中蒽的含量高达2.5×104μg·kg-1。Wang和Meresz(1981)分析了洋葱、甜菜、西红柿及其生长土壤中PAHs含量,发现PAHs主要存在于蔬菜皮中。国内主要侧重于大气、土壤和水体中PAHs种类与含量的研究,而对植物体中PAHs种类和含量的研究较少。宋玉芳等(1995a;1995b)对稻叶样品中PAHs进行了测定,稻叶中菲的含量为1204.7μg·kg-1,萤蒽的含量为608.6μg·kg-1,芘的含量为450.9μg·kg-1。而对森林生态系统中植物和土壤中的PAHs含量研究尚属空白。樟树(Cinnamomumcamphora)为亚热带常绿阔叶林中重要组成树种,其生长旺盛、树形美观、防污抗污能力强,是我国南方城市优良的绿化树种。对樟树林生态系统中植物和土壤的PAHs种类、含量和分布特征进行研究,旨在揭示森林生态系统对PAHs等痕量有机污染物的铲污机制,为环境监测分析和对生态环境中PAHs的生态风险评价提供科学依据。1湿度、土壤条件试验在中南林学院株洲校区的树木园樟树人工林内进行,地理位置为东经112°54′,北纬27°50′,海拔50～200m,相对高度100m,属湘中丘陵区,气候系典型亚热带湿润气候,年降水量1185.8～1912.2mm,年平均降水量为1430.8mm,集中于4—7月,年相对湿度80%,年平均气温17.4℃。母岩以变质板页岩为主,风化程度较深,土壤为森林红壤,呈酸性。地带性植物为常绿阔叶林。试验林分为1983年营造的樟树人工林,造林前进行了平梯整地,造林后处于半自然状态,现实郁闭度为0.7～0.8,林分平均胸径14.5cm,平均树高8.5m,林下植物主要有女贞(Ligustrumlucidum)、小叶女贞(L.quihoui)、菝葜(Smilaxchina)、山胡椒(Linderaglauca)、木莓(Rubusswinhoei)、油茶(Camelliaoleifera)、大叶黄杨(Buxusmegistophylla)、满树星(Ilexaculeolata)、南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、铁芒萁(Dicranopterisdichotoma)等。2学习方法2.1样品采集和采集标准根据林木生长等级,采集5株樟树的干、枝、叶、根、皮、籽实样品,分别混合后,称取分析样品。林下灌木和草本植物样品分别采集混合样品。在林地设置的小样方,收集枯枝落叶层的凋落枝、叶样品。以上采集的样品量均为1kg。按0～15cm和15～30cm层次采集土壤样品各0.5kg。所有样品在室温下自然风干,植物样品粉碎处理,过1mm筛,土样用玛瑙研钵研磨至100目,去除土壤中植物根系、生物残余物和其他杂质。样品在干燥和研磨后尽快进行PAHs的提取,以减少损失。2.2在样本中，提取和清洁pahs2.2.1样品的提取和浓缩准确称取10g样品,置于索氏提取器中,加入有机提取剂(植物的根、茎、叶样品用甲醇,籽实类用乙酸乙酯)提取8h,提取液经浓硫酸磺化后用柱层析方法净化,浓缩至1mL,避光于冰箱中保存,待GC分析(宋玉芳等,1995a;崔艳红等,2003)。2.2.2旋转蒸发器纯化准确称取10g样品,置于索氏提取器中,加入250g丙酮-二氯甲烷(体积比1∶1),水浴提取8h,提取液在旋转蒸发器上减压浓缩至5mL,然后加入装有活化硅胶的层析柱(填有无水Na2SO4)进一步纯化。用5mL正己烷,20mL正己烷和二氯甲烷(1∶2)先后淋洗,收集正己烷和二氯甲烷混合液洗脱液,再用旋转蒸发器浓缩至5mL,然后在高纯N2下吹至1mL,避光于冰箱中保存,待GC分析(张路等,2001;蒋敏等,2002)。2.3mm由气相色谱仪GCHP6890、FID检测器分析,色谱柱为HP-5毛细管色谱柱(30m×0.25mm)。不分流进样,检测器温度300℃,载气为高纯N2,分离多环芳烃温度梯度为:60℃→20℃·min-1→100℃(5min)→8℃·min-1→250℃(5min)→10℃·min-1→290℃(10min)进样量为2μL。2.4合成bgp烯,ane,ble、苯并bgp、苯并bgp、苯并1,2,3-cd、苯并1,2,3-cd的-1,3-cd1,2,3-cd1,2,3-cdbgp、苯并1,2,3-cd1,2,3-cd1,2,3-cd1,2,3-cdbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgpbgp试验以16种PAHs(EPA610PolynuclearAromaticHydrocarbonsMix.Supelco公司,USA)混合标准液为外标,即2环的萘(Nap)、3环的苊烯(Any)、苊(Ane)、芴(Fle)、菲(Phe)、蒽(Ant)、4环的荧蒽(Fla)、芘(Pyr)、苯并(a)蒽(BaA)、屈(Chr)、5环的苯并(b)荧蒽(BbF)、苯并(k)荧蒽(BkF)、苯并(a)芘(BaP)、二苯并(a,h)蒽(DaA)、6环的茚并(1,2,3-cd)芘(IiP)、苯并(g,h,i)(BgP)。用保留时间直接对照法和标准物加入法定性,以外标法进行定量(汪正范,2000)。2.5标准偏差选择做3个平行样,结果显示平行样相对标准值的标准偏差为0.021～0.480。测得各种PAHs组分相对于标准值的回收率为75.2%～105.3%,表明测定的数据具有准确性。3结果分析3.1树体中pahs组分含量表1列出了樟树各器官的PAHs种类和含量。其中树叶中检测出PAHs种类达10种,萘的含量最高,为1846μg·kg-1,茚并(1,2,3-cd)芘含量最低,为12μg·kg-1;树皮中有9种,苊烯含量最高,达2739μg·kg-1,蒽的含量最低,为67μg·kg-1;树枝中有5种,苊最高,为3114μg·kg-1,二苯并(a,h)蒽最低,为32μg·kg-1;籽实中有5种,苊含量最高,达6792μg·kg-1,屈最低,为15μg·kg-1;树根中有7种,苊含量最高,达4423μg·kg-1,苯并(a)蒽最低,为55μg·kg-1。樟树各器官以树皮PAHs含量最高,达8641μg·kg-1;籽实次之,为7520μg·kg-1,树根中的PAHs含量为7115μg·kg-1,树叶中为4481μg·kg-1,树枝中为5352μg·kg-1,树干材中的PAHs含量最低,为2843μg·kg-1。PAHs以干、湿沉降的方式从大气进入樟树林生态系统,樟树的叶片吸附和积累外界的PAHs,部分进入植物体内,部分经雨水淋洗后随树干茎流吸附在树皮中或进入土壤,因而树叶和树皮中PAHs种类较多。樟树也可以通过根系从土壤中吸收PAHs,一部分积累在根部,一部分根据植物的生理特性转移到其他器官(刘世亮等,2003),因此根部PAHs含量较高。另外树根中PAHs组分主要是低分子量的苊、萘、芴等,可能是由于它们相对高的溶解度导致了其相对高的生物有效性(Wildetal.,1992)。PAHs在植物体内少量经过韧皮部传输,很难经由植物根吸收进而迁移和转化到木质部(高学晟等,2002),故树干中含量一般都很低。3.2灌木层中pahs的分布由表2可知,草本层中检测出的PAHs有8种,萘的含量最高,为1363μg·kg-1,屈的含量最低,为15μg·kg-1;灌木层中检测出的PAHs有6种,苯并(b)荧蒽含量最高,为100μg·kg-1,荧蒽含量最低,为9μg·kg-1。植物地上组织中含有的PAHs主要来源于土壤中PAHs的挥发和空气中所含的PAHs(高学晟等,2002)。草本层PAHs含量和种类均高于灌木层,表明它从土壤中吸收和富集的PAHs相对多一些。3.3pahs和菲的含量樟树林凋落物层的PAHs种类和含量见表3。落叶的PAHs含量最高,为14448μg·kg-1,PAHs的种类达12种,其中芴的含量最高,为8647μg·kg-1,茚并(1,2,3-cd)芘含量最低,为22μg·kg-1。枯枝中PAHs含量为4014μg·kg-1,种类有10种,其中萘的含量最高,为2087μg·kg-1,菲的含量最低,为22μg·kg-1。PAHs在环境中具有高度的稳定性,持久性很强,从乔木层和凋落物中PAHs含量看出,樟树在生长过程中,能不断从大气和土壤中吸收、富集PAHs,输送到各个器官,最后通过枯枝和落叶腐烂又回到土壤中,完成PAHs在樟树林生态系统中的迁移和转化。3.4土壤层pahs含量樟树林0～15cm土壤层中PAHs含量为1493μg·kg-1,检测出9种PAHs,其中苯并(a)蒽含量最高为410μg·kg-1,含量最低的是芴(53μg·kg-1)。15～30cm土壤层中PAHs含量为1434μg·kg-1,共有8种PAHs,苯并(a)蒽含量最高为412μg·kg-1,苯并(b)荧蒽含量最低为32μg·kg-1(表4)。土壤中PAHs含量与土壤理化性质存在显著相关性,其中土壤有机质对PAHs具有很强的吸附作用,是影响土壤中PAHs含量及空间分布的环境因素之一(郑一等,2003),土壤表层的有机质含量较高,PAHs也主要富集在土壤表层。3.5林下层、枯落叶层和土壤层在樟树林生态系统中PAHs的总含量为4115μg·kg-1,其中乔木层为5995μg·kg-1,灌木层为245μg·kg-1,草本层为3631μg·kg-1,枯枝落叶层为9235μg·kg-1,土壤层为1466μg·kg-1。按含量高低顺序排列为:枯枝落叶层>乔木层>草本层>土壤层>灌木层(表5)。从表5可以看出,林下植物中PAHs的含量比乔木层樟树低,这是因为樟树枝繁叶茂,滞尘功能强,大气环境中以干、湿沉降方式输入到樟树林生态系统的PAHs,经乔木层林冠枝叶的吸附后,进入林内的PAHs含量下降。4讨论4.1pahs的降解宋玉芳等(1995b)研究表明,在一定条件下,土壤-植物系统对PAHs有一定的降解能力,土壤微生物的生物降解作用是一个重要方面。植物使根际微生物密度增加,这些增加的微生物能增加环境中的多环芳烃的降解,土壤微生物的生物降解作用是植物修复有机污染物一个重要方面(刘世亮等,2003)。从表4可以看出,无林地土壤中0～15cm层PAHs含量为3313μg·kg-1,15～30cm层为3626μg·kg-1,比樟树林地土壤中PAHs要高2倍以上,可能与林地土壤中微生物降解有关,同时植物释放促进化学反应的根际分泌物和酶,激发了根区微生物的活性和细菌的转化作用,从而促进了PAHs的降解作用。大气中的PAHs通过降水或干沉降形式进入樟树林生态系统,我们研究发现降水中可检测出PAHs有10种,含量为288.662μg·L-1。生态系统通过地表径流输出可检测出的PAHs仅有5种,含量为36.866μg·L-1,PAHs的含量明显的降低,表明樟树林生态系统具有吸附和降解PAHs的功能。4.2样品的pahs来源PAHs在环境中的组成和分布取决于其来源与传输过程(Neff,1979),因此可以用PAHs特征组分的分子指标来判断其来源:高温燃烧源或石油来源(Colomboetal.,1989)。荧蒽/芘的比值可用来指示环境中的PAHs的来源。在热力学上,芘比荧蒽更稳定,Sicre等人(1987)建议:荧蒽/芘的比值小于1,指示样品的PAHs主要来源于石油源;荧蒽/芘的比值大于1,指示样品的PAHs主要来源于燃料的高温燃烧。煤和木材的燃烧,其荧蒽/芘的比值分别为1.4和1;原油及汽油的荧蒽/芘的比值在0.6～0.9之间(林建清等,2003)。樟树林生态系统中荧蒽/芘的比值为1.4,可见其PAHs的来源主要为煤的高温燃烧。本试验区处于株洲市区,株洲市的工业发达,工业燃料和生活燃料及汽车尾气等城市大气污染物,通过大气进行空间传输影响邻近及边远地区的水体、土壤、生物。环境污染物中的PAHs以干、湿沉降的形式进入樟树林生态系统,并在系统中