北京遠郊區臭氧污染及其對敏感植物葉片的傷害

萬五星，夏亞軍，張紅星，王 嬌，王效科，*

(1.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室 100085;2.河北師范大學生命科學學院 050016;3.河北霧靈山國家級自然保護區管理局 067300;4.中國節能環保集團公司 100082)

伴隨著工業化程度的提高，人類日常生活、工業生產以及汽車尾氣排放等過程消耗大量化石燃料，并向大氣中不斷排放CO、NO/NOx、VOCs等物質，導致對流層大氣O3循環喪失原有平衡，并最終導致O3濃度顯著升高，成為許多地區的主要空氣污染現象。

臭氧(O3)是一種氧化性很強且生物危害很大的二次污染物，會對包括農作物和野生植物在內的很多種植物造成明顯危害［1］。O3通過氣孔進入植物，在植物體內產生脂質過氧化反應，破壞細胞膜結構，改變植物生理生化過程，造成植物葉片出現斑點和萎黃等可見的葉片傷害特征，還會導致幼葉脫落、光合降低以及根莖葉生物量的減少［2］。歐美國家已經在野外觀測到大量植物受害癥狀。

在美國，早在1956年，Middleton就認為空氣O3會威脅到植物的生長。隨后有許多控制實驗證明了O3對植物，包括森林植物，有非常大的危害。1983年，Skelly等在美國的Virginia的Shenandoah National Park(SHEN)就發現自然空氣 O3已經威脅到部分地區的森林生長，葉片已經出現受害癥狀［3］。在美國的California也發現多處森林植物受到O3的危害［4］。在歐洲，Richards等早在1958年就對葡萄屬(Vitis)植物葉片在高濃度O3條件下近軸面出現深色斑點的典型傷害特征進行了描述［5］。Donald D.Davis等人在對福賽斯野生生物保護區的植物進行研究時，在黑莓(Rubus villosus)、馬利筋(Asclepias curassavica)、黃樟(Cinnamomum porrectum)以及野葡萄(Vitis thunbergii)等植物上也發現了相同的特征。同時他們還在少數美國接骨木(Sambucus canadensis)和一些不知名的莢蒾屬(Viburnum)植物上也發現了相同特征［6-8］。熏氣實驗證明了O3濃度升高可以造成小麥、水稻和油菜等農作物的葉片出現受害癥狀和減產及林木葉片出現受害癥狀和生長減緩等特征。盡管我國許多地區的空氣O3濃度已經超過了植物受害的臨界濃度，但目前對高O3濃度地區的植物生長進行觀測缺乏，還未見有關野外O3傷害癥狀的報道。

對野外O3傷害癥狀進行觀測，是一種研究O3對植物影響的簡單而直接的方法，不但可以判斷目前空氣O3濃度是否達到了危害自然狀況下植物生長發育的水平，而且可以為進行植物敏感性評價提供客觀證據。本研究在分析北京城市生態站3個觀測站點O3濃度監測結果的基礎上，評價了空氣O3對植物的危害風險;并通過在北京遠郊區的實地觀察，分析了高O3濃度下主要木本植物葉片傷害癥狀。

通過對北京市及周邊O3濃度監測結果與國內外相關研究數據對比，發現北京市空氣O3濃度已經達到很高的水平，以遠郊地區最為顯著。通過觀測發現，多種植物葉片表現出了O3傷害癥狀。本研究以報道北京遠郊區高濃度空氣O3對植物造成的傷害為出發點，旨在號召相關研究人員深入開展針對北京市環境O3的進一步研究，以期獲得環境O3濃度升高與植物葉片傷害之間關系的明確結論，并為北京市城市發展規劃提供可靠的科學依據。

1 材料與方法

1.1 空氣O3濃度長期定位監測

中國科學院北京城市生態系統研究站在北京市設有3個長期定位監測站，包括北京市教學植物園、生態環境研究中心和北京蟒山天池風景區，分別位于北京市的城區、近郊區和遠郊區，對空氣O3濃度進行連續觀測。O3濃度監測采用Thermo 49iO3分析儀，通過測量254nm波長下O3對紫外輻射的吸收計算出O3濃度，儀器的分析最低檢測限為0.098μg/m3。有專人進行儀器維護和嚴格的監測數據質量控制。計算空氣O3暴露劑量AOT40(大于78.5 μg/m3的空氣O3小時濃度值的累計值)，作為評價O3對植物造成危害的指標。在本研究中，為了評價O3對植物生長的影響，只使用了植物生長盛期(5—9月份)的O3濃度觀測記錄。

1.2 野外植物O3傷害的鑒定

野外植物O3傷害癥狀的調查地點在昌平區的蟒山國家森林公園，時間為2010年9月底。通過野外觀測和拍照，共調查了26種木本植物，并邀請美國Environmental Pollution雜志主編、馬薩諸塞大學William J.Manning教授對野外觀測的照片進行了鑒定指導。依據國內外實驗研究及野外觀測的結果，當植物環境O3濃度超過一定值時，部分植物就會表現出葉面傷害特征。一般情況下，O3敏感植物表現為老葉受傷害較嚴重，其傷害特征首先表現為葉片出現均勻細密斑點，多為黃色至褐色，受害嚴重的會出現斑塊狀干死和尖燒現象。

1.3 對指示植物及疑似植物的定義

2003年6月，在美國馬里蘭州巴爾的摩召開了關于國家公園中O3敏感植物研究的研討會，這次會議將O3敏感植物分為2類:O3傷害指示植物和O3傷害疑似植物，并分別對這兩類植物進行了定義［9］。定義指出:指示植物是指在環境O3濃度下產生的葉片傷害特征能容易被專業人士認定為O3傷害，而且這些葉片傷害特征已經在可靠濃度下的曝氣實驗中得到驗證，同時這些物種在研究區域內分布較廣泛且較容易野外識別;疑似植物是指植物具有O3傷害的敏感特征，但不能滿足指示植物的鑒定標準，例如僅在遠高于環境實際O3濃度的條件下或在有限的區域中體現傷害特征，或不同觀測者的結論存在沖突等。但這些疑似植物可以作為研究者未來調查、研究的備選對象。

2 結果

2.1 北京市遠郊區空氣O3濃度特征

通過長期定位監測，獲得了北京市O3小時濃度的統計特征(表1)。研究表明:城區、近郊區和遠郊區監測點空氣O3濃度較高的時期集中在5—8月份，從3個監測點的O3濃度的絕對值來看，遠郊監測點獲得的O3濃度8:00—18:00平均值和日平均值均顯著高于城區和近郊區。植物生長盛期(5—9月份)O3小時濃度實測值超過國家二級O3環境質量標準(160 μg/m3)的天數占監測天數的28.7%.遠郊區6月份8:00—18:00平均值均超過國家空氣質量二級標準，7月份8—18時平均值也達到144μg/m3，接近國家空氣質量二級標準。各監測點較高的O3小時濃度最大值在6—8月份集中出現，其中近郊區和遠郊區7月份最大值幾乎達到國家環境空氣質量二級標準的3倍。遠郊區5—8月份O3小時濃度最大值總體水平也略高于城區和近郊區。總體上看，站點間O3濃度差異達到顯著水平(P＜0.05)。

表1 2010年5月—2010年9月O3小時濃度統計特征Table 1 Statistical characteristic of ozone hour concentration from May to September in 2010

從各監測點5—9月份AOT40值來看，均遠遠超過WHO提出的對野生植物構成傷害的19.6μg/m3的限度。遠郊區達到98.9μg/m3，并遠遠高于城區和近郊區(圖1)。

2.2 北京市遠郊區木本植物在高O3濃度下的葉片傷害特征

依據歐洲以及北美等國家長期研究建立的O3葉片傷害鑒定標準，對昌平區蟒山國家森林公園木本植物在高O3濃度下的葉片傷害特征進行了鑒定。研究結果表明，在北京市遠郊目前的大氣O3濃度水平下，多種木本植物表現出了典型O3葉片傷害特征，可以作為北京市及周邊地區高濃度O3造成葉片傷害的指示植物。另外還有一些具有類似O3葉片傷害特征的物種，但由于目前尚無明確的研究結論作為理論支持，暫定為本地區的O3葉片傷害疑似物種(表2)。

圖1 北京市空氣O32010年5—9月份AOT40值Fig.1 AOT40 value of Beijing ambient O3from May to September in 2010

表2 北京市遠郊木本植物O3葉片傷害特征Table 2 Ozone foliar injury symptoms of the woody plants in Beijing exurban region

2.2.1 O3造成葉片傷害的指示植物

綜合北京市遠郊高濃度O3導致敏感植物造成葉片傷害的基本特征來看，大體可以分為以下幾種情況:

(1)葉片上出現灰色、白色或淡黃色等淺色斑點或斑塊。一般情況下，這些斑點或斑塊面積較小，直徑一般在1—2mm，多數不超過5mm。如多花胡枝子、短梗胡枝子、葎葉蛇葡萄等。這些顏色較淺的葉片傷害特征，與W.J.Manning等研究中最早出現的O3導致葉片傷害特征相同［10］。

(2)葉片上出現較深的黃色、黃褐色、棕色、褐色或赭石色斑塊或枯死，如扁擔木、荊條、山桃、核桃楸等。還有一些植物呈現紅色或紅褐色斑塊，如毛黃櫨等，斑塊一般較大，多數能達到5mm以上，甚至更大或連成一片，擴展到整個葉片。較大斑塊中間往往呈深褐色枯死，同時還往往導致葉片出現向背面或腹面的卷曲，如山杏、毛黃櫨、荊條、火炬樹等。這些黃色至褐色的斑枯，是實驗條件和環境條件下O3導致葉片傷害的最常見特征，與眾多研究結果一致［5-12］。

(3)植物葉片邊緣呈現褐色枯死或尖燒，由葉緣向葉片中間蔓延，邊緣枯死嚴重，如三裂繡線菊、遼東櫟、扁擔木、多花胡枝子、荊條、核桃楸等。在Manning及Innes等的研究中出現了相似葉片傷害特征［10，12］。

以上植物葉片傷害特征明顯，且與眾多國內外實驗觀測結果相吻合［5-12］，屬于大氣O3污染的敏感物種，可以作為北京市遠郊區大氣O3污染監測的指示植物(圖2)。

2.2.2 疑似由于 O3造成葉片傷害的植物

在相同環境條件下還有另外一些植物，其葉片表現出類似的傷害特征，如出現黃色、褐色斑塊或部分乃至全葉枯死等。但目前尚未通過實驗證明這些物種產生類似傷害特征是否屬于O3污染導致的葉片傷害，依照歐洲以及北美等國家鑒定O3敏感植物的一般區分方法，可將這些植物作為北京市遠郊區O3污染監測的疑似物種。這些物種的葉片傷害特征可以分為以下幾類:

(1)裸子植物的葉片枯死 枯死的類型包含3種不同類型，一是當年生針葉完全干枯，枯死葉呈柔軟草質，如偃松;其次，針葉呈現自頂部向基部的枯死，枯死呈間斷或連續狀，枯死長度不一，嚴重者全葉枯死，如偃松、油松、白皮松;第三種就是鱗狀葉植物的葉片枯死，多數呈現葉片從枝基部向頂部枯死，由于鱗狀葉較小，均為全葉枯死，顏色為土黃色，如側柏，遠觀整株植物呈明顯病態，且有向陽面較背陰面嚴重的特點。

在2003年巴爾的摩會議上提出的關于O3傷害指示植物和疑似植物的分類列表中，不同的裸子植物(針葉樹)種類被作為不同的類群看待，主要依據是這些植物的受傷害特征是否廣泛、普遍存在或是否只存在于極端條件下［9］。本研究中針葉植物出現的傷害特征雖然明顯且在觀測區域廣泛存在，但目前不具備明確實驗研究依據及廣泛觀測證據支持，暫作為O3導致葉片傷害的疑似植物看待。

(2)闊葉植物葉脈間呈現條狀、塊狀黃色至褐色斑塊，如榆、毛榛、桑、構樹等。嚴重的也出現葉緣枯死或尖燒，如桑、山楊。

(3)僅在葉片腹面出現淺色斑點或深色枯死，如欒樹。

后兩類植物出現的類似高濃度O3導致葉片傷害的現象，有待于進一步通過實驗進行驗證，暫將這些植物作為高濃度O3導致葉片傷害的疑似物種對待(圖3)。

3 討論

O3對植物造成傷害的癥狀，往往會表現為葉片變紅、萎黃、斑枯以及葉片未成熟脫落。這些特征可以通過控制性熏氣實驗來證實。但類似的葉片癥狀也可能出現在植物受到炎熱、干旱等脅迫因子的影響或秋季植物休眠開始時［11］。Gravanoet等發現，作為外來入侵物種的天堂樹(Ailanthus altissima)呈現出了從淺褐色到黑色的斑點，斑點的黑色與已有研究的其他植物不同［13］，依據Manning等的研究，可以認為斑點顏色變黑的特征是由于受到 O3傷害的時間長、程度深造成的［10］。盡管光葉鹽膚木(Rhus copallina)和美國地錦(Parthenocissus quinquefolia)被美國內政部(US DOI，2003)列為臭氧敏感植物［14］，但這兩種植物的臭氧傷害特征是葉片變紅，而這樣的特征又與出現斑點傷害特征存在明顯差異。在很多人的研究中，也發現了相同的葉片變紅的特征，尤其是在生長季末、潮濕、炎熱或者秋季休眠開始的時候進行調查研究時，這樣的現象更加顯著［6-8］。

圖2 北京市遠郊O3葉片傷害指示植物Fig.2 Indicator plants of O3foliar injury in Beijing exurban region

同時，通過對目前已有的研究結論進行比較發現，同一植物在不同的環境中會表現為對O3傷害的不同反應。在某個地方表現為對O3敏感的植物在另一個具有相似臭氧特征的環境下則有可能沒有出現O3導致的葉片傷害癥狀。產生這種現象的原因可能是:由于自然生態系統中，很多其他的生態因子可能會對O3造成的葉片傷害起到緩解或者是加劇的作用，例如土壤濕度、其他污染氣體的存在、昆蟲、疾病以及其他環境脅迫因子的影響［12］。

目前，研究人員通過開頂氣室(OTC)等實驗手段模擬O3濃度升高對植物造成的傷害，確定了一些物種可以作為區域性O3傷害的指示植物［10］。但由于O3對不同植物的葉片以及對同一植物不同生長狀態的葉片造成傷害的表現特征存在顯著差異和不確定性，對一些葉片出現類似O3傷害特征的植物物種，并不能明確其具體原因，將其作為疑似O3傷害物種對待。

不同植物在高濃度O3危害下出現的傷害斑點的顏色具有明顯差異。可能是由于植物本身的生理生化特征不同，造成由氣孔進入植物體的O3與植物組織產生氧化反應的過程存在差異，傷害結果和傷害程度因此表現不同。植物所處環境中的水分、光照等生態因子的差異也有可能緩解或者加劇了O3對植物葉片造成的傷害。此外，O3對植物的傷害可能與植物葉片成熟時期有關。歐美學者利用開頂氣室(OTC)研究發現，O3傷害造成的深色斑點或尖燒現象多數發生在較成熟的葉片上，因葉片的成熟時期不同，高濃度O3對植物葉片形成傷害的時間長短也就存在差異，因而表現出了斑點顏色由淺及深的葉片傷害特征。

圖3 北京市遠郊O3葉片傷害疑似植物Fig.3 Suspected plants of O3foliar injury in Beijing exurban region

本研究觀測到了北京市遠郊地區15種木本植物出現O3傷害癥狀，結合遠郊地區空氣O3濃度較高的特點，說明北京遠郊區的一些敏感植物已經受到了空氣O3危害。因此，控制空氣O3污染對我國城市周邊的森林生態系統保護具有重要意義。

4 結論

(1)北京市遠郊區的O3濃度日平均值和8:00—18:00平均值明顯高于城區和近郊區，生長盛期(5—9月份)遠郊區的AOT40是98.9μg/m3，已經遠遠超過WHO提出的野生植物臨界負荷(4—9月份的AOT40＜19.6μg/m3)。

(2)扁擔木、多花胡枝子、荊條、毛黃櫨、金雀花以及葎葉蛇葡萄等15種野生木本植物可以作為北京市遠郊地區O3污染監測的指示植物。在各種不同植物出現的O3傷害特征中，大體可以分為兩類:葉片上的斑點和葉緣的尖燒現象。葉片上的斑點顏色表現為:從白色、灰白色的非著色現象到黃色、黃褐色、深褐色至黑色的灼傷特征，這些特征與歐洲及北美學者獲得的研究結論基本一致。

(3)欒樹、構樹、桑、榆以及油松等11種植物表現出了與現有觀測及實驗研究相似的O3葉片傷害特征，但由于環境的復雜性(包括自然因子的差異及其他污染氣體的共同作用)，目前尚不能確定其傷害特征是否由高濃度O3引起，暫將這些植物指定為北京市遠郊O3污染監測的疑似植物。

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