刘佩琪，邓志华，陈奇伯，杨媛媛

（西南林业大学 环境科学与工程学院，云南 昆明 650224）

昆明市城市森林常见树种对大气氟化物的净化作用动态研究

刘佩琪，邓志华，陈奇伯，杨媛媛

（西南林业大学 环境科学与工程学院，云南 昆明 650224）

为研究昆明市城市森林常见树种对大气氟化物的吸收净化作用的年内季节性动态变化，应用直接采样和统计分析方法，对选定的树种蓝桉Eucalyptus globulus、云南松Pinus yunnanensis、华山松Pinus armandii、圆柏Sabina chinensis在4个季节中对大气氟化物的吸收作用进行了对比分析。结果表明：（1）植物叶片中的氟化物主要来自于大气中，并且与大气氟化物含量有明显的相关性，相关系数在0.970～0.999（P＜0.05）之间。大气中氟化物含量的季节性变化由高到低依次是：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），出现的最高浓度值是最低浓度值的2.23倍。（2）春季、夏季、冬季植物叶片中氟化物含量由高到低依次均为：蓝桉＞圆柏＞华山松＞云南松；而秋季植物叶片中氟化物含量由高到低依次为：蓝桉＞云南松＞华山松＞圆柏。春季到夏季、秋季到冬季过程中，叶片中氟化物积累量由高到低依次均为：蓝桉＞圆柏＞华山松＞云南松；夏季到秋季过程中则为：云南松＞华山松＞蓝桉＞圆柏。（3）大气氟化物浓度与叶片中的氟化物含量具有一元线性关系。随着季节变化，华山松对氟化物最为敏感，春季和秋季，华山松叶片的氟含量与大气氟化物含量的相关性最高；夏季为圆柏和华山松；冬季为蓝桉。在土壤生境相同的条件下，两者的相关性越高，就能更准确的指示大气氟化物浓度变化的高低，准确地评价大气环境质量。

城市森林；常见树种；氟化物；净化作用

随着工业化进程的快速发展，环境污染愈发严重，最为人们所关注的当属近几年的大气污染问题。植物是生态系统的主要成员之一，它既是环境污染的受害者，也是环境治理的改造者。植物叶片对大气污染物具有净化作用，其中最主要的就是通过叶片积聚来吸附大气污染物[1]。不同种类的植物生态功能有所不同，其环保功能也会显著不同。利用植物对环境污染地区的抗性和吸收净化能力，选择适宜的绿化树种，改善环境污染，降低环境污染程度，构建更加全面有效的城市绿化生态系统[2-3]。

氟化物是大气污染中的主要有害气体之一。一般情况下，自然界的大气中不存在氟化物，土壤和水中的含氟量也很低，它主要来源于工业生产中的烟气排放，如陶瓷厂、砖瓦厂、磷肥厂和炼铝厂等工业部门所排放的大量含氟废气[4]。在我国，氟化物对人类的生产活动的影响仅次于二氧化硫，但是它所具有的毒性是SO2的10～1 000倍。对于一定浓度范围的氟化物，植物不仅对其具有抵抗能力，还具有相当程度的吸收能力，但是氟是植物本身不需要的元素，大气中低量的氟化物就会对植物造成危害，植物吸收氟化物后主要积累储存在叶片中，而且不会为植物代谢所利用[5]。因此，通过对不同植物中氟的富集情况的研究，可筛选出对氟污染敏感和抗性强的植物，作为城市环境污染的指示生物和污染严重地区的绿化树种。这对于运用植物监测环境质量以及利用植物修复技术治理氟污染具有重要意义。

近年来，很多的专家学者对绿化植物受氟污染后的生长情况、生理机能和叶片积累量做了相应的研究。鲁敏和李英杰[6]通过人工熏气法测定了部分园林植物对主要大气污染物的吸收净化能力，并指出不同树种吸收不同污染气体能力存在明显差异；贾陈忠等[7]通过对荆州市区多种植物叶片含氟量与大气氟污染状况进行相关性分析表明不同植物叶片含氟量有明显的差异，叶片氟累积量与大气中氟含量呈显著的正相关；孔国辉等[8]通过研究125种木本植物在不同污染环境的生长情况，将被评价植物对污染抗性能力进行分类；张德强等[9]利用在污染区盆栽园林植物的方法，筛选出14种对二氧化硫和氟化物具有较强抗性和较高吸收净化能力的植物。也有人研究了植物叶片在高浓度的氟化物环境中，从微观角度分析其生理生态的变化以及叶片中氟化物浓度的变化[10]。但是由于生境的不同，植物对于氟污染的抗性和敏感度也会不同，而且之前对于昆明市城市森林常见树种对氟化物抗性强弱的研究较少，所以该研究主要以昆明城区的4种常见树种为样本，探索其对大气中氟化物的吸收积累能力，丰富此方面的研究资料，并挑选出对氟化物抗性较强且易吸收的树种加以推广。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 研究对象的选择

昆明市位于102°10′～ 103°40′E，24°23′～26°22′N，中国西南云贵高原中部，南濒滇池，三面环山，滇池平原，四季如春，气候宜人。随着城市化的发展，昆明市的大气环境质量愈来愈差。市区东三环交通主干道车流量大，周边的开发建设项目集聚产生大量的粉尘，在对污染地区进行实地考察并对当地的植物生长状况进行广泛调查基础上，以海拔高度在2 050～2 200 m之间的距离昆明市东三环交通主干道10 m的边坡上的城市森林为研究区，以该地区的蓝桉Eucalyptus globulus、云南松Pinus yunnanensis、华山松Pinus armandii、圆柏Sabinachinensis为实验对象，树木具体生长状况见表1，对植物吸收大气氟化物的季节性动态变化进行分析研究。

表1 树木的生长状况Table 1 Trees’ growth conditions

1.1.2 样品的采集

植物吸收大气中的氟化物后一般积累储存于叶片中，植物根系吸收的土壤中的氟很少向叶片转移[11-13]，而且植物体内的氟化物积累分布规律是叶＞茎＞根[14]，因此，对叶片中所含的氟化物进行分析测定，这样可以更加可靠、准确的反映大气中氟污染状况[11]。分别在2014年12月，2015年3月，2015年7月，2015年10月进行采样，我们共布设22个采样点，交通主干道上2个采样点，采集大气氟化物的样本，蓝桉、云南松、华山松、圆柏各5个采样点，每个采样点每隔5 m选取3棵树木对其进行叶片、土壤和大气的采样。为了保证采样的充分混合且具有代表性、统一性和连续性，样品采集时采用每物种固定植株采样的方式，同时注意每次采样保证叶龄、着生部位的一致，采集的样品编号装入纸袋。

1.2 试验方法

1.2.1 植被样品的制备和测定

将采集的叶片先用蒸馏水清洗干净，置于80 ℃下鼓风干燥48 h，并经过冷却后研磨，过250 µm筛孔，得到粉末状样品，储存于密封袋中备用。准确称取各过筛样品1.0 g，置100 mL烧杯中，加入20 mL 0.05 mol/L硝酸静置过夜，然后加入20 mL 0.1 mol·L-1的KOH，搅拌20 min后，加入离子轻度缓冲液（pH≈5.5）略加搅拌，直接测电势值，从标准曲线上查得所测样品的氟离子浓度。

1.2.2 土壤、大气样品的采集、制备及测定

在采集植物的区域同时进行土壤样品的采集，将样本经NaOH熔融后，用水浸提，以离子强度络合缓冲液调整浸出液的pH，并掩蔽干扰离子，利用氟电极进行测定。大气氟化物采样及分析按石灰滤纸—氟离子选择电极法[15]，把经过石灰处理的滤纸片悬挂在百叶箱中，大气中的氟化物与石灰滤纸上的石灰反应生成CaF2、氟硅酸盐在滤纸上固定下来采样结束后，用氟离子选择电极法分析测定滤纸上氟含量，即为大气中氟的平均水平。

1.2.3 数据处理

所有数据采用Excel软件进行统计处理，采用SPSS 21.0进行处理间差异显著性及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤含氟量的水平

对土壤的氟含量数据经过SPSS 21.0的处理，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中的数据差异不显著（dƒ=3，P=0.374 ＞ 0.05）。

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

说明在植物采样的4个季节中，土壤中的氟含量不存在明显差异。植物根系从土壤中吸收的氟很少会转移到叶片，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关系[11-13]。这就可以保证在土壤特性相同的条件下，植物叶片中的氟化物来自于大气中。

2.2 大气氟化物及叶片累积特点

2.2.1 大气氟化物在各季节的分布

通过2.1 的判断，植物叶片中的氟化物来自于大气中，大气中氟化物含量的季节性变化如图1。

图1 各采样季节的大气氟化物含量Fig.1 The atmospheric fluoride content in each season

从图1可见，大气中氟化物含量有明显的季节性变化，大气氟化物含量在春季和冬季相对较高，最高值出现在冬季为 58 µg·(dm2·d)-1，最低值出现在夏季为 26 µg·(dm2·d)-1，冬季大气氟化物的含量是夏季的2.23倍，秋季大气氟化物的含量仅次于冬季，是 47 µg·(dm2·d)-1，大气氟化物含量的季节性变化从高到低依次为：冬季＞春季＞秋季＞夏季。昆明的气候比较特殊，夏季和秋季是昆明的雨季，降雨较频繁，雨水对大气中氟化物具有一定的稀释作用[16]，所以夏季和秋季大气中氟化物的含量相对较少，春季和冬季昆明气候干燥，风力较小，大气中的氟化物容易聚集不易散开，大气中的氟化物浓度较高。

2.2.2 植物叶片的氟化物累积特征

图2 各采样季节植物叶片的氟化物含量Fig.2 The fluoride content of plant leaves in each season

植物叶片中的氟化物含量的季节性变化如图2。蓝桉、云南松、华山松、圆柏这4种植物都属于常绿树种，所以这4种植物不存在枯叶期对大气氟化物吸收的影响。由图2可见，这4种植物叶片中氟化物的含量随着时间的推移呈逐渐递增的趋势，说明随着时间的推移，植物叶片的含氟量也在逐渐累积增加[17]。其中蓝桉叶片的氟化物含量最高，较之其他3种植物蓝桉的代谢强度大、生长速度快，比其他树种的叶片大很多，对氟化物的吸收量最高，从春季到夏季，蓝桉叶片所吸收氟化物含量增加了22.85 mg·kg-1，从夏季到秋季过程中，增加了43.32 mg·kg-1，从秋季到冬季的过程中蓝桉叶片氟化物的积累量上升幅度最大，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；云南松和华山松都属于针叶树种，叶子形态相似且生长特性相近，所以随着季节的变化，他们对大气氟化物的吸收量也很相近，春季到夏季过程中氟化物的积累量变化很微小，从夏季开始叶片中氟化物的积累量开始直线上升，夏季到秋季期间，云南松和华山松分别增加了 70.26 mg·kg-1、54.71 mg·kg-1，从秋季到冬季，云南松和华山松叶片氟化物含量分别增加了 71.58 mg·kg-1、85.02 mg·kg-1；春季和夏季，圆柏叶片中的氟化物含量仅低于蓝桉，但秋季叶片中的氟化物含量是最低的，仅有132.67 mg·kg-1，从秋季到冬季过程中，氟化物的积累量递增，上升量超过云南松和华山松，仅次于蓝桉，上升量达到134.65 mg·kg-1。总之，不同的树种对大气氟化物的吸收能力不同。

2.3 大气及叶片中氟化物的相关性

为了进一步确定大气氟化物含量和植物叶片中氟化物积累量之间的关系，采用线性模型对两者进行了回归分析，得到了表3中的回归方程。

如表3所示，不同植物叶片的含氟量与大气氟化物浓度之间的相关系数在0.970～0.999（P＜0.05）之间，说明各采样季节的大气氟化物浓度与植物叶片的含氟量具有显著的相关性，进一步确定植物体内的氟化物大部分来自与大气中，大气中的氟化物浓度直接影响着植物的含氟量。不同种类植物叶片的含氟量与大气氟化物浓度的相关性是有差别的，这4种植物中，华山松叶片的含氟量与大气氟化物浓度存在着密切关系，显著性极高，相关系数均在0.99以上，随季节的变化依次为0.998、0.998、0.999、0.992，表示华山松对大气氟化物最为敏感，更能准确的反映城市森林氟化物浓度的高低，评价大气环境质量。春季，除华山松外云南松叶片的氟含量与大气氟化物含量的相关性也很高，相关系数为0.994；夏季，圆柏叶片的含氟量于大气氟含量的相关性与华山松的一样高，相关系数同为0.998；秋季，圆柏叶片的氟含量与大气氟化物含量的相关性仅次于华山松，相关系数为0.998；冬季，蓝桉的叶片含氟量与大气氟化物含量的相关性最高，相关系数为0.997。春季蓝桉、冬季云南松、冬季圆柏的叶片的氟含量与大气氟化物含量的相关性相对较弱，造成这种问题的原因有很多，比如植物体内的氟化物不仅来自于大气中，也来自于土壤中，但是根部的氟化物很少会转移到叶片，只有当大气中含有较高浓度的氟化物时，叶片的表皮才直接吸收大气中氟，二者呈现较好的相关性[18]。

表3 植物含氟量与大气氟化物浓度的关系（n=15）†Table 3 The relationship between plants and atmosphere’s fluoride content

3 结 论

（1）四个季节中，土壤中的氟含量不存在明显差异，植物叶片中的氟化物主要来自于大气中，并且与大气氟化物含量有明显的相关性，相关系数在0.970～0.999（P＜0.05）之间。大气中氟化物含量的季节性变化由高到低依次是：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），出现的最高浓度值是最低浓度值的2.23倍。

（2）四个季节中蓝桉叶片中氟化物含量是最高的，除蓝桉外，春季、夏季、冬季植物叶片中氟化物含量由高到低依次均为：圆柏＞华山松＞云南松；而秋季植物叶片中氟化物含量由高到低依次为：云南松＞华山松＞圆柏。春季到夏季过程中，叶片中氟化物积累量由高到低依次为：蓝桉＞圆柏＞华山松＞云南松；夏季到秋季过程中，叶片中氟化物积累量由高到低依次为：云南松＞华山松＞蓝桉＞圆柏；秋季到冬季过程中，叶片中氟化物积累量由高到低依次为：蓝桉＞圆柏＞华山松＞云南松。

（3）大气氟化物浓度与叶片中的氟化物含量具有线性关系。综合评价，随着季节变化，华山松对氟化物最为敏感，春季和秋季，华山松叶片的氟含量与大气氟化物含量的相关性最高；夏季，圆柏、华山松叶片的氟含量与大气氟化物含量的相关性最高；冬季，蓝桉叶片的氟含量与大气氟化物含量的相关性最高。在土壤生境相同的条件下，两者的相关性越高，就能更准确的指示大气氟化物浓度变化的高低，准确地评价大气环境质量。

4 讨 论

氟化物以气态氟化物（HF、SiF4）及尘态氟化物的形式存在[19]，氟不像是硫和氮等是植物本身生长所必须的元素，自然大气环境中氟化物的含量有限，植物从土壤中吸收的量也很小[20]。大量研究表明植物叶片的含氟量和大气氟化物之间存在着密切相关性[21-23]，大气氟化物对不同地区不同植物的生态效应反映了植物氟化物的累积特征具有空间性。随着空气中氟化物浓度的升高，植物叶片的吸收量也显著增高，吴洪丽等研究指出[24]植物的叶表形态决定了植物对尘态氟化物的吸收能力，表面褶皱丰富深凹可以聚集较多的颗粒物。调查树种中，蓝桉的幼态叶对生，叶片卵形，基部心形，无柄，有白粉而且成长叶片革质，披针形，镰状，对颗粒物具有很好的滞留作用。本研究中，随着春夏秋冬四季的交替，4种植被叶片的氟化物含量逐渐增长，与李寒娥等[17]研究得出的不同城市绿地系统的1、2年生植物叶片含氟量均随时间的延长而逐渐增加的结论相符。生境不同，植被种类不同，对大气氟化物的吸收能力自然不同，本研究与其他研究得出的规律是一致的。但是，昆明在夏秋季节进入雨季，降雨频繁，由于实验周期限制，四个季度采样过程中没有办法保证每次采样林内小环境都相同（即雨水过后间隔等天数，使林内大气环境各指标恢复到正常值），若把雨水对大气氟化物的吸附和稀释作用考虑在内，会部分影响实验结果，这是本研究的不足之处。今后的研究将进一步深化，综合分析城市森林与大气中二氧化硫、氟化物、氮氧化物、大气颗粒物等浓度的相关性，为选择城市绿化树种提供更全面科学的依据。

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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

林业公益性行业科研专项（201204101-10）；云南省高校优势特色重点学科（生态学）建设项目（05000511311）；西南林业大学科技创新基金（C15116）

刘佩琪，硕士研究生

陈奇伯，教授；E-mail：chenqb05@163.com

刘佩琪，邓志华，陈奇伯，等. 昆明市城市森林常见树种对大气氟化物的净化作用动态研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(8): 108-113.

[本文编校：文凤鸣]