利用地衣和苔藓重构广州大气重金属污染变化历史记录及铅同位素示踪研究

Over the last two centuries, industrial development and urban expansion have generated large-scale emissions and depositions of metals into the environment. To date, work to reconstruct the historic and contemporary extent of human impact on environmental contamination in China, using biological archives has been limited. This study focuses on reconstructing the historic and contemporary records of heavy metal atmospheric emissions using herbarium lichen and moss collected over a long period from Guangzhou city. The Pb isotope ratios of lichens and moss are also determined and combined with published isotopic data of various potential emission sources to elucidate the relative importance of each likely emission source.

生物监测具有成本低、易采集、实用和灵敏的特点。地衣和苔藓作为优秀生物监测器被广泛应用在大气重金属污染领域。国内利用地衣和苔藓监测大气重金属污染已有研究，而利用地衣和苔藓重构城市大气重金属污染变化历史记录缺乏研究。广州是我国华南地区最大城市，大气重金属污染问题由来已久。本项目将对地衣和苔藓重金属（镉、铜、铅、汞、锌）含量和铅同位素比值进行系统分析，获得广州大气重金属含量变化特征；通过铅同位素示踪方法，判识广州大气铅污染的主要来源；重构广州大气重金属污染变化的历史记录；建立地衣和苔藓监测大气污染及铅同位素示踪体系，为广州市政府制定相关环保政策和法规提供数据参考并提出实现广州城市环境可持续发展的合理建议。

课题组成员从中国科学院华南植物所标本馆以及野外研究区域采集苔藓样品26份。这些样品的采集时间介于1932年到2018年，时间跨度共86年。采集地点分布在广州市区与郊区。本课题测定了苔藓样品中的重金属元素含量（As、Cd、Cu、Pb、Zn）与Pb同位素比值。结果显示：采集于1930年代的苔藓样品含有相对较低的重金属平均含量；随着中国改革开放以及城市工业化发展加快，采集于1979年到2000年的苔藓含有最高的Cd (0.72±0.32 mg/kg)、Cu (28.1±9.8 mg/kg)、Pb(125.9±62.4 mg/kg)、Zn (273±130 mg/kg)平均含量。2000年以后，无铅汽油全面取代有铅汽油在我国被推广使用，苔藓Pb元素平均含量下降为74.7±6.3 mg/kg。我国使用有铅汽油的历史可追溯至1956年。由于大量的国内外研究表明，有铅汽油的使用是导致我国大气铅污染的主要原因，2000年，我国全面禁止有铅汽油的使用。在有铅汽油使用的44年期间，苔藓样品含有较高的Pb含量，平均值为51.5±12.1 mg/kg。该数值明显高于有铅汽油未使用时期（15.9±9.3 mg/kg）。苔藓样品Pb同位素结果显示：206Pb/207Pb比值为1.141-1.253之间、208Pb/207Pb比值为2.376-2.418之间。通过和国内外不同铅污染来源的Pb同位素比值进行比较后发现自然铅是1930年代广州大气Pb含量的主要来源。随着1978年改革开放后，中国经济的高速发展以及城市工业化的加快，有铅汽油的使用、工业活动和燃煤变成广州大气Pb污染的主要来源。2000年之后，中国禁止有铅汽油的使用，燃煤逐渐成为广州大气Pb污染的主要来源之一。本课题的研究结果可以让政府工作人员更好地了解和管理我国大城市的大气质量现状，同时也表明苔藓在城市大气重金属污染的监测方面的具有良好的适用性。