工业-农业交错区树木叶片镉生物监测评估：基于大气沉降的多物种比较研究

《Toxics》：Evaluating Tree Leaves for Cadmium Biomonitoring in an Industrial–Agricultural Area: A Multi-Species Comparison with Atmospheric Deposition

　　

大气沉降将重金属输送至农田，但不同植物基质记录这些输入的方式存在差异。本研究在中国浙江省金华市一个工业-农业交错区评估了叶片组织和叶面粉尘作为生物监测器的适用性，该区域毗邻农田、工业设施和交通路线。研究人员测量了74份表层土壤样品中的镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、砷（As）和汞（Hg）含量，并在秋冬季和春夏季两个时段，于15个配对位点测定了大气沉降样品以及四种树种的叶片组织和叶面粉尘中的Cd含量。研究采用地累积指数（Igeo）、空间分析、相关性分析、下风向样带法以及基于候选源距离的随机森林模型。结果表明，Cd的土壤富集最为普遍（平均Igeo = 1.25；97.3%的样品处于1-4级）。大气沉降样品中的平均Cd浓度从秋冬季节的6.27 mg kg-1下降至春夏季节的3.01 mg kg-1，而圆柏（Juniperus chinensis）叶片组织中的Cd浓度则从0.25 mg kg-1上升至0.35 mg kg-1。在两个时段内，圆柏叶片组织Cd与大气沉降样品Cd均呈现空间相关性（r = 0.77 和 0.53），且探索性随机森林排序中共享的前几位距离预测因子也与大气沉降样品一致。在校正土壤Cd影响后，两个时段的相关系数分别为0.545（p = 0.044）和0.496（p = 0.071）。这些发现支持进一步评估圆柏用于初步空间筛查和优先化直接监测的可行性。根系吸收、再悬浮土壤粉尘、未测量的叶片性状以及较小的样本量限制了推断的可靠性；这些关联并不能确立吸收途径或识别单个污染源。

研究背景与科学问题

重金属对农业土壤的污染是一个持续的环境问题，因为金属（类金属）可以在土壤中积累并通过食物链传递。大气沉降是将工业与交通排放物输送至周边土壤的重要途径。然而，直接监测大气沉降需要设备维护和分析资源，成本较高。植物生物监测作为一种补充手段，利用环境中广泛分布的植被进行监测，具有潜在优势。但在工业-农业交错区，不同树种叶片及其表面粉尘能否有效反映大气Cd输入的空间格局，以及哪种物种最适宜作为监测器，尚缺乏系统的多物种、跨介质对比研究。

研究目的与意义

本研究旨在：1）表征研究区表层土壤中Cd、Cr、Pb、As、Hg的污染水平与空间分布；2）比较大气沉降样品、叶面粉尘和叶片组织中Cd浓度的季节变化方向；3）评估四种常见树种是否能够通过其位点间浓度模式和源距离预测因子排序来支持大气Cd监测与候选源筛查。研究结果为补充仪器监测、指导指示物种选择以及针对性地调查工业-农业区农田的大气输入提供了依据。

关键技术与方法

1. 1.
   样品采集：研究区位于中国浙江省金华市的一个丘陵乡镇，包含燃煤电厂、四家水泥厂、采石场、运输道路、农田和村庄。共设置74个区域土壤采样点和15个配对大气沉降与植物采样点。植物样品包括圆柏（Juniperus chinensis L.）、樟树（Cinnamomum camphora (L.) J.Presl）、红叶石楠（Photinia × fraseri Dress）和银杏（Ginkgo biloba L.）四种本地常见树种。
2. 2.
   化学分析：采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定土壤消化液中的Cd、Cr、Pb，原子荧光光谱法（AFS）测定As和Hg。采用石墨炉原子吸收光谱法（GF-AAS）测定大气沉降、叶片组织和叶面粉尘消化液中的Cd。
3. 3.
   数据分析：
   • •
     土壤污染评估：使用地累积指数（I_geo）评价土壤富集程度。
   • •
     空间分析与相关性分析：利用ArcGIS进行逆距离加权插值（IDW）可视化空间分布，计算Pearson相关系数和偏相关系数评估各介质间的关联。
   • •
     随机森林模型：分别对两个时段和各样品基质建立随机森林回归模型，以Cd浓度为响应变量，以到各候选源（四个水泥厂、燃煤电厂、道路）的距离为预测变量，通过排列重要性（%IncMSE）排序识别主要空间驱动因子。

研究结果

3.1 土壤金属分布与Cd的选定

通过分析五种金属的土壤浓度和I_geo值，发现Cd的平均I_geo最高（1.25），且97.3%的样品处于1-4级，表明Cd富集最为广泛。因此，后续跨介质比较聚焦于Cd。

3.2 大气沉降与植物基质中Cd的季节性模式

大气沉降样品中Cd的平均浓度从秋冬季的6.27 mg kg^-1降至春夏季的3.01 mg kg^-1，变异系数也显著降低。相反，圆柏叶片组织Cd平均浓度从0.25 mg kg^-1升至0.35 mg kg^-1。这表明叶片组织Cd受到根系吸收、叶面吸收、内部转运和季节性叶片发育等多种因素的综合影响。

3.3 跨介质关系与距离-浓度模式

基于15个配对位点的Pearson相关性分析显示，秋冬季大气沉降Cd与圆柏叶片组织Cd呈强正相关（r=0.77），春夏季仍保持中等强度相关（r=0.53）。在校正土壤Cd影响后，秋冬季的偏相关系数为0.545（p=0.044），春夏季为0.496（p=0.071），表明两者存在独立于土壤的关联。沿SH水泥厂下风向样带的浓度变化趋势也显示，圆柏叶片组织Cd与大气沉降Cd在空间上表现出相似的距离衰减模式。

3.4 基于随机森林的Cd与候选源距离关联分析

随机森林模型的排列重要性结果显示，秋冬季大气沉降样品的主要距离预测因子为CF、HN和NF水泥厂，而春夏季则为RD燃煤电厂。对于圆柏叶片组织，秋冬季的主要预测因子也是CF和HN水泥厂；春夏季经数据校正后，RD成为首要预测因子，但模型的决定系数（R²）为负值，表明预测能力不佳。这揭示了探索性的空间关联，但不能量化源贡献。

3.5 环境意义

圆柏叶片组织与大气沉降样品在位点间的对应关系支持将其用于初步空间筛查。但需注意，叶面粉尘浓度未经叶面积归一化，无法衡量单位面积的截留效率；土壤再悬浮和根系吸收会干扰叶片信号的解读；有限的样本量和空间依赖性限制了结果的稳健性。

讨论与结论总结

研究指出，Cd是该工业-农业区土壤中富集最严重的金属。圆柏叶片组织Cd与大气沉降Cd在空间上存在正向关联，但其均值变化方向不一致，且受土壤Cd影响。探索性随机森林模型揭示了共享的源距离预测因子，但模型性能有限。综合来看，这些观察结果证明了进一步测试圆柏作为辅助介质以优先化直接监测的合理性，但并未证明叶片组织Cd主要由大气吸收控制，也无法定量沉积通量或识别单一Cd源。根系吸收、再悬浮粉尘、未测量的叶片性状、数据溯源的不确定性以及小空间样本量仍是重要的局限性。