普瑞楊、46 楊及107 楊的林內(nèi)SO2 濃度及葉片硫酸根離子含量差異

馮錦霞，馬 潔，萬賢崇

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

二氧化硫（SO2）是主要的大氣污染物，主要源于煤和石油的燃燒。SO2在空氣中會氧化形成硫酸鹽、氣溶膠（(NH4)2SO4）等衍生物，是PM2.5和霧霾的組成成分，也是霧霾中的主要有害成分，造成二次污染，嚴重危害人體健康[1-3]。隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和重化工業(yè)的繼續(xù)快速發(fā)展、能源消費和機動車保有量的快速增長，SO2乃至霧霾污染形勢十分嚴峻。環(huán)境治理、生態(tài)文明建設(shè)是當前重大國策。

普瑞楊是近年發(fā)現(xiàn)的楊樹抗SO2新品種（品種權(quán)號：20120047），有很強的抗SO2有毒氣體特性，在SO2污染和酸雨嚴重地區(qū)仍生長旺盛[4-5]。在高達26 mg·m-3的SO2濃度短期靜態(tài)熏氣條件下，普瑞楊沒有出現(xiàn)葉片受害癥狀，而且可維持較強光合速率[4]。另外，普瑞楊還兼具107 楊的速生等性狀[5]。

植物主要通過氣孔吸收大氣中的SO2，在植物體內(nèi)，SO2遇水轉(zhuǎn)化成亞硫酸鹽（SO32-）[6]。這些亞硫酸鹽對植物具有很強毒性[7]，通過形成活性氧（ROS）和其他自由基等干擾生理過程[8]；但硫是植物生長發(fā)育必需的礦質(zhì)元素，是含硫氨基酸以及谷胱甘肽的組成成分。植物可以通過代謝將亞硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫酸根離子，而硫酸根對植物沒有毒害作用，所以植物將亞硫酸鹽轉(zhuǎn)化成硫酸根就起到解除毒性的作用。硫酸根主要存在于液泡中，一部分硫酸根還會進一步還原及同化后生成半胱氨酸，半胱氨酸進一步合成甲硫氨酸和谷胱甘肽[9]。谷胱甘肽是一種重要的抗氧化劑，負責維持細胞在脅迫下的抗氧化機制。筆者先前的研究發(fā)現(xiàn)，普瑞楊葉片的谷胱甘肽含量比107 楊高，在高SO2濃度環(huán)境下仍可維持較高光合作用速度及氣孔導(dǎo)度[4]。

有關(guān)植物吸收、轉(zhuǎn)化及利用SO2的研究，有助于深入了解植物的大氣凈化和環(huán)境保護作用、利于人們更深刻體會到綠水青山就是金山銀山。多年生的木本植物可以持續(xù)的起到大氣凈化作用，并可將大氣中有害污染物轉(zhuǎn)化為對植物自身有益的化合物。關(guān)于植物對大氣SO2的凈化作用，以前的報道多通過測定葉片含硫量的變化來推測植物的凈化作用[10-12]，沒有同時直接測定空氣中的SO2濃度變化。另外，葉片含硫量的測定是測定植物體內(nèi)的總硫含量，其可能包括植物體內(nèi)的SO2和亞硫酸鹽，這些化合物對植物有毒害作用。所以，總硫的測定不能體現(xiàn)植物對SO2的脫毒功能。

筆者推測普瑞楊可以吸收更多SO2，并且有更強的將SO2轉(zhuǎn)化為硫酸根離子的解毒能力。所以，本研究通過測定普瑞楊林內(nèi)空氣中SO2濃度，與空曠地和其它楊樹品種林內(nèi)測定值對照，以說明普瑞楊減少大氣SO2的凈化能力；通過測定普瑞楊在大氣SO2污染環(huán)境和無污染環(huán)境（苗圃）中葉片硫酸根的含量，探索普瑞楊是否有降低SO2毒害的能力。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

試驗一：在河南省濮陽市熱電廠大院內(nèi)試驗林進行。在試驗初期，該試驗地的空氣SO2濃度較高。為了比較普瑞楊和46 楊的抗SO2能力，2010 春在該電廠內(nèi)扦插了1 年生普瑞楊和46 楊各1 hm2左右，株行距為150 cm × 150 cm。2014 年7 月28 日9：00—11：00 am，對種在熱電廠內(nèi)的普瑞楊林內(nèi)和比鄰的46 楊林內(nèi)以及緊鄰的空曠地，進行了空氣SO2濃度的測定。2015 年7 月6 日，從8：00—18：00，每2 h取1次空氣樣品，對熱電廠的普瑞楊林內(nèi)、46 楊林內(nèi)和空曠地空氣SO2濃度進行了全天動態(tài)檢測。

試驗二：2018 年5 月中旬，分別在3 個地點（河南省濮陽市熱電廠大院內(nèi)試驗林，河南安陽湯陰宜溝鎮(zhèn)大寺臺村普瑞楊、107 楊試驗林，河北獻縣河城街鎮(zhèn)王友村普瑞楊、107 楊試驗林）對普瑞楊、46 楊和107 楊林內(nèi)外空氣SO2濃度進行了再次全天動態(tài)檢測，3 個地點的基本信息見表1。

表1 試驗林基本信息Table 1 Basic information of experimental forests

另外，2015 年7 月6 日采集了種在濮陽熱電廠普瑞楊和46 楊大樹的成熟葉片；2018 年5 月中旬，在河南安陽湯大田苗圃中采集了普瑞楊和107 楊成熟葉片；殺青烘干后，帶回實驗室測定葉片的硫酸根離子含量。

1.2 空氣中SO2 濃度的測定方法

空氣中SO2濃度采用國家標準（GBZ/T160.33-2004）進行檢測，2015 年委托具有檢測資質(zhì)的第三方（河南濮陽環(huán)境檢測站）測定在河南濮陽火力發(fā)電廠空氣中的SO2濃度，2018 年委托具有檢測資質(zhì)的第三方（河南安凱職業(yè)技術(shù)檢測有限公司）測定空氣中的SO2濃度。采用大氣采樣器（FCC-1500D）采集氣樣，運用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法測定SO2濃度。

1.3 葉片硫酸根離子的測定方法

使用陰離子交換色譜儀（Dionex ICS-3000）定量測定葉片的SO42-含量[13]。葉片烘干后，用研缽粉碎，將過100 目篩子的葉片粉末50 mg 加入離心管中，并在離心管中加入含有100 mg 的PVPP的1 mL 去離子水。將離心管放入混勻儀中，4℃混勻振蕩60 min，然后沸水煮15 min。取出離心管，4℃，15 000 g 離心10 min，吸取上清液，再將上清液離心5 min 后，取上清液稀釋20 倍后，通過離子色譜儀（戴安ICS-3000）測定硫酸根離子含量（于中國林科院森林生態(tài)學(xué)重點實驗室和森林保護學(xué)重點實驗室完成）。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel 進行t-檢驗，單因素方差分析，Duncan 多重比較。以p=0.05 為顯著性鑒定標準。

所有測定至少重復(fù)3 次。

2 結(jié)果與分析

2.1 普瑞楊林內(nèi)外空氣中SO2 濃度的差異

空氣中SO2濃度的測定在濮陽市熱電廠大院內(nèi)試驗林中于2014 年7 月28 日9：00—11：00 am 進行，發(fā)現(xiàn)普瑞楊林內(nèi)SO2濃度是林外的55%（p＜ 0.05）（表2），表明普瑞楊可減少空氣中大概45% 的SO2。普瑞楊林內(nèi)空氣中SO2濃度也顯著的低于相鄰的46 楊林內(nèi)空氣中SO2濃度，后者是林外空地SO2濃度的65%。

表2 普瑞楊和46 楊林內(nèi)以及林外的大氣SO2 濃度Table 2 The sulfur dioxide concentration in the air inside and outside the Purui and Zhonglin 46 forests

2.2 普瑞楊、46 楊和107 楊林內(nèi)外空氣中SO2 濃度各時間段的差異

在河南濮陽、安陽、河北獻縣進行了4 次對比測定，分別于2015 和2018 年2 次在濮陽進行普瑞楊和46 楊樹林對比試驗；2018 在河南安陽和河北獻縣各進行了1 次普瑞楊和107 楊林對比試驗。比較普瑞楊和46 楊、普瑞楊和107 楊林內(nèi)空氣的SO2濃度，并以相鄰的林外空地SO2濃度為對照，計算普瑞楊、107 楊和46 楊林內(nèi)SO2濃度與林外空地的比值，所得數(shù)據(jù)繪成動態(tài)曲線（圖1、2）。圖1 呈現(xiàn)的是于2018 年5 月中旬在河北獻縣測定的情況，全天的SO2濃度有較大波動，但2 種楊樹林中大氣SO2濃度都低于相鄰空地，分別相當于空地中59%和71%，其中，普瑞楊內(nèi)更低。

圖1 普瑞楊和107 楊林內(nèi)和林外不同時間SO2濃度的動態(tài)曲線Fig.1 Diurnal dynamic changes of sulfur dioxide concentration in the air inside and outside the Purui and 107 poplar forests at different times

將3 地4 次測定的結(jié)果繪制在一起（圖2），顯示46 楊和107 楊林內(nèi)的SO2濃度是空地的70%左右，而普瑞楊林內(nèi)是55%左右。普瑞楊凈化空氣中SO2能力比46 楊和107 楊大于約15%。回歸曲線顯示：46 楊和107 楊林內(nèi)的SO2濃度全天基本不變或略有上升的趨勢；而普瑞楊林內(nèi)的SO2濃度從早晨到下午一直在下降。

圖2 普瑞楊林、46 楊和107 楊林內(nèi)和林外不同時間SO2 濃度動態(tài)變化。Fig.2 Diurnal dynamic changes of sulfur dioxide concentration in the air inside and outside the Purui,46 and 107 poplar forests at different times

2.3 普瑞楊在不同大氣SO2 濃度環(huán)境中的葉片硫酸根含量

本文測定污染環(huán)境（河南濮陽市熱電廠內(nèi)）下的普瑞楊和46 楊以及無污染環(huán)境（苗圃）下的普瑞楊和107 楊的葉片硫酸根含量（表3），表明熱電廠內(nèi)普瑞楊葉片硫酸根的含量是46 楊的2.13 倍(p＜ 0.01)，是苗圃中普瑞楊的2.49 倍(p＜ 0.01)，說明在大氣SO2污染環(huán)境中普瑞楊更能發(fā)揮將有毒SO2氣體轉(zhuǎn)化成無毒的硫酸鹽的功能。苗圃普瑞楊葉片硫酸根的含量也比107 楊高2.07 倍(p＜0.01)，說明在低SO2環(huán)境中普瑞楊吸收轉(zhuǎn)化SO2的能力也比107 楊強。

表3 普瑞楊與其它楊樹品種葉片硫酸根含量的差異Table 3 Difference of sulfate (SO42-) concentration in the leaves of Purui and other poplar varieties

3 討論

本文首次從楊樹林內(nèi)、外空氣中SO2濃度的差異，比較了普瑞楊等3 種楊樹品種吸收SO2凈化空氣的能力，并結(jié)合測定葉片中硫酸根離子的濃度，探索這幾種楊樹品種將吸收空氣中的SO2轉(zhuǎn)化為無毒的含硫化合物的能力，藉此闡明抗硫無性系普瑞楊的抗SO2機制。

關(guān)于森林樹木對大氣污染物吸收凈化功能的研究，同時比較森林內(nèi)外SO2濃度的變化和樹木體內(nèi)硫酸根離子的濃度變化有助于精確判定樹木的吸收凈化能力。僅通過測定樹木葉片中硫含量來判定其吸收SO2的能力，難以確定硫含量的變化是否是通過SO2的吸收，因為也可能來自根系對硫酸鹽的吸收。另一方面，僅從森林內(nèi)、外SO2濃度變化來判斷樹木凈化大氣的能力也難以斷定SO2是否直接被樹木吸收了，而植物體內(nèi)硫含量的數(shù)據(jù)可以佐證這一判斷。

植物吸收SO2、凈化空氣作用還需和它轉(zhuǎn)化脫毒的能力相關(guān)連，因為SO2對植物有毒害作用，只有及時將SO2轉(zhuǎn)化成無毒的化合物才能保證在植物體內(nèi)SO2不累積到毒害濃度，使植物健康正常生長并持續(xù)起到吸收SO2、凈化空氣的作用。植物主要是通過氣孔吸收SO2等有毒氣體[14-15]。SO2通過氣孔進入細胞質(zhì)中，并迅速水合并分離成亞硫酸鹽(SO32-)和亞硫酸氫離子(HSO3-)，亞硫酸鹽可以在過氧物體中被亞硫酸鹽氧化酶（SO）氧化成硫酸鹽（SO42-），后者在質(zhì)體中進一步同化成無毒有機硫，植物以此來降低受SO2毒害的程度[16]。本研究在不同的地點、時間、SO2濃度條件下，對比了不同品種楊樹林內(nèi)、外空氣中SO2濃度及其變化規(guī)律，充分證明3 種楊樹都具有吸收SO2、凈化空氣的能力，但普瑞楊的能力更強。同時本研究通過比較污染環(huán)境（熱電廠內(nèi)）和較潔凈空氣環(huán)境（苗圃中）中普瑞楊與其它品種楊樹葉片硫酸根含量的差異，均顯示普瑞楊葉片硫酸根的含量顯著高于其他楊樹，說明普瑞楊有更強的吸收、轉(zhuǎn)化SO2的能力。筆者先前研究發(fā)現(xiàn)，普瑞楊葉片中的谷胱甘肽含量比107 楊高出24%[4]。可見一部分硫酸根發(fā)生還原以及同化生成谷胱甘肽[9]。谷胱甘肽的產(chǎn)生不但消耗了吸入植物體內(nèi)的SO2，而且谷胱甘肽本身具有抗過氧化作用，藉以增強植物抗環(huán)境脅迫的能力。這些轉(zhuǎn)化也揭示了普瑞楊的抗SO2機制，即通過及時迅速地將SO2水合之后生成的亞硫酸鹽轉(zhuǎn)化為對植物是有益無害的硫酸根離子，從而實現(xiàn)脫毒。

4 結(jié)論

普瑞楊具有很強的吸收空氣中SO2能力，它可以減少空氣中SO2含量和污染危害，并且能將有毒的SO2轉(zhuǎn)化成無毒且對植物（及其他生物）有益的硫酸根離子，最后轉(zhuǎn)化為植物所需的含硫氨基酸及谷胱甘肽（對生物有益的還原劑）。這些轉(zhuǎn)化脫毒能力可能是普瑞楊抗SO2的重要機理。因此，普瑞楊可作為凈化空氣、并適宜SO2污染區(qū)種植的優(yōu)良造林樹種。