綠化植物對二氧化硫吸收能力及其生理特性分析

文 璐

(四川建筑職業技術學院風景園林系，四川成都611130)

二氧化硫(SO2)是我國城市大氣中的主要污染物之一，也是酸雨的主要成分，不僅污染植物，而且影響人體健康［1－2］。作為污染大氣的主要元兇之一，其來源主要是煤和石油的燃燒及含硫礦石的冶煉。綠化植物是城市生態環境建設的主體和城市－自然－景觀復合生態系統中具有重要自凈功能的組成部分，對大氣中的粉塵、顆粒物有過濾、阻擋和吸附作用，在改善生態環境、減少陽光輻射、增大空氣濕度、凈化空氣、調節氣候等方面起著“除污吐新”的作用［3－4］。對于一定濃度范圍內的大氣污染物，不僅有一定的抵抗能力，而且也有相當程度的吸收凈化能力［5］。為了建立良好生態循環的城市生態系統，迫切需要對城市綠化植物與環境相互作用的關系進行研究。在現代社會發展的今天，隨著城市化進程的加快，城市建設面積和比例進一步擴大，大量的農田被占用，農業用地逐漸減少，而從綠化植物的環境作用來看，綠化植物除具有經濟產出功能之外，同時也具有綠化、美化、凈化等生態效益［6］。實際上綠化植物與自然界中其他植物一樣，同樣有著較強的光合吸收CO2、放出O2的功能，同樣有吸收環境中有毒有害物質的功能，同樣有防風固沙、減弱噪音等功能，因此在城市綠化中如果能夠充分發揮綠化植物的各種生態效益，將更加有利于城市的綠化，可進一步豐富城市綠化植物種類、景觀類型，并提高城市綠地的生態作用［7］。

從全球范疇來看，由各種污染源排放出來的大氣污染物及其次生產物對生物有機體的生命活動已產生了不可忽視的影響，全球至少有一半以上的城市人口生活在大氣污染環境之中［8－9］。隨著我國大范圍灰霾天氣的增多，越來越多的公眾開始關注大氣污染，我國大、中、小城市通過交通網、資源網和社會經濟緊密相連，各種污染相互耦合疊加，大氣環境污染問題日益突出，嚴重損害人們身體健康，并且成為制約社會經濟發展的瓶頸［8－9］。目前，國內外關于城市綠化植物吸收凈化大氣SO2的研究主要集中在野外清潔區和污染區綠化植物葉片硫含量測定并分析綠化植物吸收凈化大氣SO2效果，但采用人工模擬熏氣試驗開展綠化植物吸收凈化SO2能力的研究比較少。廣東省作為我國的大型省份，近年來經濟發展迅猛，隨著機動車輛的快速增長，大氣污染已經成為城市污染的主要問題，SO2氣體排放不斷增加，城市空氣混濁，霧日增加，嚴重威脅著城市居民的身體健康和城市生態環境，在大氣污染環境條件下，了解城市綠化植物的生理特性變化，對于闡明城市大氣污染的生物效應具有現實意義，并可為深入探討大氣污染對植物的傷害和植物的抗性機理提供部分依據。本研究采用人工熏氣法對廣州市6種園林常用綠化植物苗木對SO2氣體吸收凈化能力進行定量研究，為珠三角及周邊區域城市功能型園林綠地的樹種選擇和廣東省生態景觀林帶建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 人工氣候室

人工氣候室為封閉式自動監測熏氣裝置，能模擬自然界氣候條件(溫度、濕度、光照、SO2)，溫度、濕度參數的控制可按程序設定進行，可進行恒定控制和漸變控制，SO2在同一時段內做恒定控制。控制系統采用液晶觸摸屏作為人－機界面，所有的參數顯示和設定均可在觸摸屏上完成，并實現氣室內的溫度、濕度、光照、SO2等各項數據顯示和處理，對氣候室控制參數進行修改。SO2補氣系統氣源采用鋼瓶儲存，經減壓閥減壓后，通過各自管路配送到氣候箱內，在管路中安裝高精度SO2流量計和電子流量調節閥，通過氣體噴嘴進入氣候室。氣候室內采用紅外線SO2傳感器測量室內的SO2值，由計算機將采集到的氣候室內的SO2值與設定的SO2值進行比較，通過PID及模糊控制算法控制電子流量調節閥，調節進入氣候室的SO2流量，達到精確控制氣候室內的SO2值。人工氣候室底側柵板送風，上側柵板回風，實現氣室內氣體循環，同時提高了混合氣體的均勻性。氣候室內尺寸(長寬高)為2.0 m ×1.2 m ×1.8 m。

1.2 樹種選擇

本研究的試驗對象主要是廣州市園林綠化應用比較廣泛的植物紫薇、白蘭、木棉、樟樹、秋楓、細葉榕，選擇生長狀況良好、大小、高矮基本一致的1～2年生盆栽實生苗，每種苗木設置5盆，放置在瓷盤中，澆水，放置在人工氣候室中進行人工熏氣試驗，開展不同SO2質量濃度下綠化植物吸收凈化污染能力分析。試供植物基本生長特性見表1，試驗葉片分別從東、西、南、北均勻收集，枝剪剪取上、中、下部分莖(去皮，盡量不要干擾植物)，剪取完整的葉片封存于錐形瓶內，蒸餾水洗凈，應用數字圖像處理技術測定葉面積(包括葉柄)，葉比重(SLW)=單位面積葉干質量/單位葉面積。

表1 不同綠化植物基本生長特性

1.3 研究方法

2014年11月24日至2015年12月24日，采用人工氣候室，模擬大氣環境條件，設置不同濃度SO2氣體，質量濃度分別為(0.25 ±0.004)、(0.50 ±0.005)mg/m3，熏氣 30 d，分析綠化植物對大氣污染物SO2的吸收凈化效果。溫度維持在白天30℃左右、夜間約20℃，相對濕度65% ～85%，光照度控制在白天約3 600 lx、夜間約300 lx，各種自然條件均控制在植物正常生長的范圍內。由于植物正常生長所需要的硫量是一個本底值，不能作為凈化大氣硫的指標，除本底值外，植物還可以吸收更多的硫，直到其吸收閾值，植物真正凈化大氣硫的量為吸硫閾值多出本底值的量。試驗開始和結束后，分別在樹冠周圍及上、中、下各部位多點采樣，葉片用去離子水洗凈、擦干，在60℃烘箱內烘干，取出研磨后，放于潔凈的廣口試劑瓶內，將各試劑瓶置于干燥器內備用。植物葉片全硫含量采用硫酸鋇比濁法。葉片硫吸收能力(mg/kg)=熏氣后硫氮質量分數－熏氣前硫氮質量分數［2］。

1.3.1 葉片生理指標的測定 不同濃度SO2氣體熏氣后，取數量相等的新鮮葉片用蒸餾水浸泡3 h，以電導儀測出浸出液在煮沸前、后的電導度，計算相對電導率(%)。新鮮植物葉片除去葉脈研磨混合，以80%丙酮溶液浸提比色分析測定葉綠素含量;茚三酮比色法測定游離脯氨酸含量;硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量;考馬斯亮藍－G250染色法測定可溶性蛋白含量;蒽酮比色法測定可溶性糖含量;用硫酸鋇比濁法測定室內植物全硫含量［2］。

1.3.2 數據處理 采用Excel 2010進行數據的統計和整理，SPSS18.0進行方差分析和統計學檢驗，LSD多重比較法(顯著水平設置α=0.05和α=0.01)單因素方差分析比較其差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同SO2質量濃度下葉片硫含量

由圖1可知，在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，白蘭、木棉和細葉榕葉片硫含量最高，其含量分別為4.36、4.15、3.69 mg/g，顯著高于秋楓、樟樹和紫薇(P ＜ 0.05)，其中樟樹和紫薇葉片硫含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片硫含量大小依次為白蘭＞木棉＞細葉榕＞秋楓＞樟樹＞紫薇。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，白蘭、木棉葉片硫含量最高，其含量分別為 4.69、4.87 mg/g，顯著高于細葉榕、秋楓、樟樹和紫薇(p＜0.05)，其中樟樹和紫薇葉片硫含量差異不顯著(P＞0.05)，細葉榕和秋楓葉片硫含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片硫含量大小依次為木棉＞白蘭＞秋楓＞細葉榕＞樟樹＞紫薇。

2.2 不同SO2質量濃度下植物吸收凈化能力

由圖2可知，在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，白蘭、木棉和細葉榕葉片硫吸收量最高，其吸收量分別為3.68、4.15、3.24 mg/g，顯著高于秋楓、樟樹和紫薇(P ＜ 0.05)，其中樟樹和紫薇葉片硫吸收量差異不顯著(P＞0.05)，葉片硫吸收量大小依次為木棉＞白蘭＞細葉榕＞秋楓＞紫薇＞樟樹。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，白蘭、細葉榕葉片硫吸收量最高，其含量分別為4.26、3.98 mg/g，顯著高于秋楓、木棉、樟樹和紫薇(p＜0.05)，其中樟樹和紫薇葉片硫吸收量差異不顯著(P＞0.05)，葉片硫吸收量大小依次為白蘭＞細葉榕＞秋楓＞木棉＞樟樹＞紫薇。

2.3 不同SO2質量濃度下植物葉片光合色素含量

光合色素在植物光合作用的原初光反應過程中起著關鍵作用，其含量的變化往往與葉片的生理活性、植物對環境的適應性和抗逆性有關。本研究中不同綠化植物葉片葉綠素含量和類胡蘿卜素含量也顯示出一定的差別(圖3)。

在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片類胡蘿卜素含量最高，其含量分別為 9.25、8.35 μg/cm2，顯著高于白蘭、木棉和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片類胡蘿卜素含量差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕葉片類胡蘿卜素含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片類胡蘿卜素含量大小依次為紫薇＞樟樹＞細葉榕＞秋楓＞木棉＞白蘭。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片類胡蘿卜素含量最高，其含量分別為 7.13、7.02 μg/cm2，顯著高于白蘭、木棉、秋楓和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片類胡蘿卜素含量差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕葉片類胡蘿卜素含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片類胡蘿卜素含量大小依次為紫薇＞樟樹＞秋楓＞細葉榕＞白蘭＞木棉。

在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片葉綠素含量最高，其含量分別為 35.26、32.58 μg/cm2，顯著高于白蘭、木棉和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片葉綠素含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片葉綠素含量大小依次為紫薇＞樟樹＞秋楓＞細葉榕＞白蘭＞木棉。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片葉綠素含量最高，其含量分別為32.15、32.05 μg/cm2，顯著高于白蘭、木棉、秋楓和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片葉綠素含量差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕葉片葉綠素含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片葉綠素含量大小依次為紫薇＞樟樹＞秋楓＞細葉榕＞白蘭＞木棉。

2.4 不同SO2質量濃度下植物葉片細胞膜滲透率

細胞膜滲透率是反映膜系統穩定性的一個重要指標。由圖4可知，不同SO2質量濃度下綠化植物膜系統出現明顯的損傷。在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片細胞膜滲透率最高，分別為25.6%、24.1%，顯著高于白蘭、木棉、秋楓和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片細胞膜滲透率差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕葉片細胞膜滲透率差異不顯著(P＞0.05)，葉片細胞膜滲透率大小依次為紫薇＞樟樹＞秋楓＞細葉榕＞白蘭＞木棉。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片細胞膜滲透率最高，分別為32.5%、31.5%，顯著高于白蘭、木棉、秋楓和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片細胞膜滲透率差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕差異不顯著(P＞0.05)，葉片細胞膜滲透率大小依次為紫薇＞樟樹＞秋楓＞細葉榕＞白蘭＞木棉。

2.5 不同SO2質量濃度下植物葉片生理指標

由圖5可知，在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片可溶性蛋白含量最高，分別為123.5、120.4μg/g，顯著高于白蘭、木棉、秋楓和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片可溶性蛋白含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片可溶性蛋白含量大小依次為紫薇＞樟樹＞秋楓＞細葉榕＞白蘭＞木棉。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片可溶性蛋白含量最高，其含量分別為115.3、102.6 μg/g，顯著高于白蘭、木棉、秋楓和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片可溶性蛋白含量差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕差異不顯著(P＞0.05)，葉片可溶性蛋白含量大小依次為紫薇＞樟樹＞秋楓＞細葉榕＞白蘭＞木棉。

由圖5可知，在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，紫薇和樟樹葉片可溶性糖含量最高，其含量分別為0.29%、0.28%，顯著高于白蘭、木棉和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片可溶性糖含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片可溶性糖含量大小依次為紫薇＞樟樹＞秋楓＞細葉榕＞木棉＞白蘭。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，樟樹和紫薇葉片可溶性糖含量最高，其含量分別為0.27%、0.25%，顯著高于白蘭、木棉、秋楓和細葉榕(p＜0.05)，其中白蘭和木棉葉片可溶性糖含量差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕葉片可溶性糖含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片可溶性糖含量大小依次為樟樹＞紫薇＞秋楓＞細葉榕＞白蘭＞木棉。

由圖5可知，在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，木棉和白蘭葉片游離脯氨酸含量最高，其含量分別為339、325 μg/g，顯著高于秋楓、細葉榕、樟樹和紫薇(P ＜0.05)，其中樟樹和紫薇葉片游離脯氨酸含量差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕葉片游離脯氨酸含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片游離脯氨酸含量大小依次為木棉＞白蘭＞細葉榕＞秋楓＞樟樹＞紫薇。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，木棉和白蘭葉片游離脯氨酸含量最高，其含量分別為384.2、375.3 μg/g，顯著高于細葉榕、秋楓、樟樹和紫薇(P ＜0.05)，其中樟樹和紫薇葉片游離脯氨酸含量差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕葉片游離脯氨酸含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片游離脯氨酸含量大小依次為木棉＞白蘭＞細葉榕＞秋楓＞樟樹＞紫薇。

由圖5可知，在SO2質量濃度為0.25 mg/m3環境下，木棉和白蘭葉片丙二醛含量最高，其含量分別為 32.1、31.5 μmol/g，顯著高于秋楓、樟樹和紫薇(P ＜0.05)，其中樟樹和紫薇葉片丙二醛含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片丙二醛含量大小依次為木棉＞白蘭＞細葉榕＞秋楓＞樟樹＞紫薇。在SO2質量濃度為0.50 mg/m3環境下，白蘭葉片丙二醛含量最高，其含量為36.8μmol/g，顯著高于木棉、細葉榕、秋楓、樟樹和紫薇(p＜0.05)，其中木棉、樟樹和紫薇葉片丙二醛含量差異不顯著(P＞0.05)，秋楓和細葉榕葉片丙二醛含量差異不顯著(P＞0.05)，葉片丙二醛含量大小依次為白蘭＞細葉榕＞秋楓＞樟樹＞木棉＞紫薇。

2.6 綠化植物凈化量與葉片生理特性相關性分析

由表2可知，不同綠化植物葉片凈化量與葉片生理特性具有顯著的相關性。紫薇葉片凈化量與類胡蘿卜素含量、葉綠素含量、細胞膜滲透率、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量均呈極顯著正相關(p＜0.01)，與游離脯氨酸和丙二醛含量呈極顯著負相關(p＜0.01)。白蘭葉片凈化量與類胡蘿卜素含量、葉綠素含量呈顯著正相關(p＜0.05)，與游離脯氨酸含量呈顯著負相關(p＜0.05)，與丙二醛含量呈極顯著負相關(p＜0.01)。木棉葉片凈化量與類胡蘿卜素含量、葉綠素含量和可溶性糖含量呈顯著正相關(p＜0.05)，與游離脯氨酸含量呈顯著負相關(p＜0.05)，與丙二醛含量呈極顯著負相關(p＜0.01)。樟樹葉片凈化量與類胡蘿卜素含量、葉綠素含量、可溶性糖含量呈極顯著正相關(p＜0.01)，與可溶性蛋白含量呈顯著正相關(p＜0.05)，與游離脯氨酸和丙二醛含量呈極顯著負相關(p＜0.01)。秋楓葉片凈化量與類胡蘿卜素含量呈極顯著正相關(p＜0.01)，與葉綠素含量、可溶性糖含量呈顯著正相關(p＜0.05)，與游離脯氨酸含量呈極顯著負相關(p＜0.01)，與丙二醛含量呈顯著負相關(p＜0.05)。細葉榕葉片凈化量與類胡蘿卜素含量、葉綠素含量、可溶性糖含量均呈顯著正相關(p＜0.05)，與游離脯氨酸含量、丙二醛含量呈顯著負相關(p＜0.05)。

3 討論與結論

表2 綠化植物凈化量與葉片生理特性相關性

植物對SO2的抗性和對SO2的吸收能力，對指示大氣中有毒有害物質的存在和凈化環境具有重要意義。首先，植物對SO2的反應通常比較敏感，它可以在低濃度的SO2情況下即表現出受害癥狀，因此可以利用對SO2反應敏感的植物來監測大氣污染，起到警示的作用，以便及早采取措施，預防發生更加嚴重的危害;再者可以利用一些植物能夠大量吸收有毒有害物質而不受害，或受害較輕的特點，起到凈化環境的目的［2，10］。SO2主要來源于人類活動，周圍環境中的 SO2大部分來自煤和石油的燃燒，而在城市環境中，SO2的主要來源之一則是汽車燃料的燃燒過程，尤其是以柴油為燃料的機動車運行過程產生的尾氣。根據植物含硫量與大氣SO2的相關性，已有人成功地將植物硫累積量作為大氣 SO2的指示劑［11－12］。因此，綠化植物的含硫量可以間接地反映大氣環境中SO2的污染程度。迄今為止，在我國，關于交通污染對城市綠化植物尤其是中國南方亞熱帶常見植物的影響研究不多。本調查發現，某些經模擬熏氣試驗篩選出來的植物抗性品種作為實地綠化植物時生長很差。如白蘭和木棉是抗SO2很強的樹種，但當其被栽種在城市交通繁忙地段時，均出現葉緣嚴重枯黃的現象。造成這種情況的原因可能是模擬熏氣試驗得出的植物抗性強弱的結論是在單一氣體污染條件下得出的，而且往往是以植株幼株作為供試植物;而交通環境條件下生長的綠化植物生長的環境是多種污染物的復合污染，又有多種的污染氣體如乙烯、NOx、CO 等污染的結果［13－14］。此外，模擬熏氣試驗條件如氣溫、相對濕度、風向和風力是相對穩定的，而交通環境中的氣溫、相對濕度、風向和風力則隨時都會發生變化。所以選擇抗污綠化植物品種時僅根據模擬試驗得出的結論是遠遠不夠的。因此，本研究試圖從生態觀測入手，在研究區內盡可能全面生態調查基礎上選取了部分栽種面積廣、數量大的綠化植物作為供試材料，用污染物含量分析法探討交通污染對城市綠化植物的影響，以期為將來的繼續研究及篩選出真實可靠的抗污能力強的綠化植物品種提供參考數據。

通過熏氣箱內2種大氣污染物對植物的傷害觀察發現，SO2對植物的傷害癥狀與植物的種類有一定的關系。大量研究證實，SO2通過植物葉片的氣孔進入葉肉組織后，會發生轉化產生其他的物質，從而直接或間接地對植物產生毒害作產生大量的活性氧，從而對細胞產生直接或間接的毒害作用，造成植物葉片受害，其生理特性功能降低［17］。植物對SO2的吸收量是相對吸收量，相對吸收量基本能說明植物對大氣SO2的吸收凈化能力。植物對于污染物的吸附與吸收主要發生在地上部分的表面及葉片的氣孔，在很大程度上，吸附是一種物理性過程，其與植物表面的結構如葉片形態、粗糙程度、葉片著生角度和表面的分泌物有關［18－19］。植物的吸收凈化能力與葉片結構存在一定關系，葉片有蠟質、革質或葉面密生絨毛的植物使污染氣體不能暢通地進入葉內，對植物吸收凈化效果產生較大的影響;本研究發現，在不同質量濃度SO2環境下，樟樹和紫薇對SO2吸收凈化能力較強，對凈化大氣起著主要的作用，為城市功能型植物選擇和廣生態景觀林帶建設提供科學依據。

葉綠素作為植物光合作用的物質基礎和光敏化劑，在光合作用過程中起著接受和轉換能量的作用;可溶性蛋白和可溶性糖包含一些代謝的酶，其含量的多少與植株體內的代謝強度有關［20］。有研究表明，植物葉片受到大氣污染的影響后，其葉片中的葉綠素含量均會受到破壞而分解，致使葉綠素含量下降［21］。本研究中不同綠化樹種可溶性蛋白、可溶性糖、葉綠素含量均以紫薇和樟樹較高，白蘭和木棉相對較低，相比較可知，白蘭和木棉更能夠利用光能和轉化光能，為光合補償生長提供物質和能量基礎。低SO2條件下，植物積累大量的可溶性糖轉化成其他的物質，來抵抗污染，各種酶和葉綠素遭到破壞，導致葉片中葉綠素含量下降，這些影響機理還缺乏生物學及生理學上的解釋。綠化植物在逆境下遭受傷害，往往發生膜脂過氧化作用，丙二醛是膜脂過氧化作用的主要產物之一，其含量高低和質膜透性的大小都是膜脂過氧化強弱和質膜破壞程度的重要指標［22］。在正常生長條件下，植物體內活性氧的產生和清除處于平衡中，當處于各種逆境脅迫時，植物體內活性氧產生和清除的平衡受到破壞，從而有利于體內活性氧的產生，所積累的活性氧引發了膜脂過氧化，丙二醛積累越多說明植物受傷害越嚴重，植物所處環境越惡劣。本研究中不同綠化樹種葉片丙二醛含量呈相反的變化趨勢，說明了SO2環境條件下植物體內丙二醛含量會不斷累積，支持了前人的研究結果。