绿化植物对二氧化硫吸收能力及其生理特性分析

文 璐

(四川建筑职业技术学院风景园林系，四川成都611130)

二氧化硫(SO2)是我国城市大气中的主要污染物之一，也是酸雨的主要成分，不仅污染植物，而且影响人体健康［1－2］。作为污染大气的主要元凶之一，其来源主要是煤和石油的燃烧及含硫矿石的冶炼。绿化植物是城市生态环境建设的主体和城市－自然－景观复合生态系统中具有重要自净功能的组成部分，对大气中的粉尘、颗粒物有过滤、阻挡和吸附作用，在改善生态环境、减少阳光辐射、增大空气湿度、净化空气、调节气候等方面起着“除污吐新”的作用［3－4］。对于一定浓度范围内的大气污染物，不仅有一定的抵抗能力，而且也有相当程度的吸收净化能力［5］。为了建立良好生态循环的城市生态系统，迫切需要对城市绿化植物与环境相互作用的关系进行研究。在现代社会发展的今天，随着城市化进程的加快，城市建设面积和比例进一步扩大，大量的农田被占用，农业用地逐渐减少，而从绿化植物的环境作用来看，绿化植物除具有经济产出功能之外，同时也具有绿化、美化、净化等生态效益［6］。实际上绿化植物与自然界中其他植物一样，同样有着较强的光合吸收CO2、放出O2的功能，同样有吸收环境中有毒有害物质的功能，同样有防风固沙、减弱噪音等功能，因此在城市绿化中如果能够充分发挥绿化植物的各种生态效益，将更加有利于城市的绿化，可进一步丰富城市绿化植物种类、景观类型，并提高城市绿地的生态作用［7］。

从全球范畴来看，由各种污染源排放出来的大气污染物及其次生产物对生物有机体的生命活动已产生了不可忽视的影响，全球至少有一半以上的城市人口生活在大气污染环境之中［8－9］。随着我国大范围灰霾天气的增多，越来越多的公众开始关注大气污染，我国大、中、小城市通过交通网、资源网和社会经济紧密相连，各种污染相互耦合叠加，大气环境污染问题日益突出，严重损害人们身体健康，并且成为制约社会经济发展的瓶颈［8－9］。目前，国内外关于城市绿化植物吸收净化大气SO2的研究主要集中在野外清洁区和污染区绿化植物叶片硫含量测定并分析绿化植物吸收净化大气SO2效果，但采用人工模拟熏气试验开展绿化植物吸收净化SO2能力的研究比较少。广东省作为我国的大型省份，近年来经济发展迅猛，随着机动车辆的快速增长，大气污染已经成为城市污染的主要问题，SO2气体排放不断增加，城市空气混浊，雾日增加，严重威胁着城市居民的身体健康和城市生态环境，在大气污染环境条件下，了解城市绿化植物的生理特性变化，对于阐明城市大气污染的生物效应具有现实意义，并可为深入探讨大气污染对植物的伤害和植物的抗性机理提供部分依据。本研究采用人工熏气法对广州市6种园林常用绿化植物苗木对SO2气体吸收净化能力进行定量研究，为珠三角及周边区域城市功能型园林绿地的树种选择和广东省生态景观林带建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 人工气候室

人工气候室为封闭式自动监测熏气装置，能模拟自然界气候条件(温度、湿度、光照、SO2)，温度、湿度参数的控制可按程序设定进行，可进行恒定控制和渐变控制，SO2在同一时段内做恒定控制。控制系统采用液晶触摸屏作为人－机界面，所有的参数显示和设定均可在触摸屏上完成，并实现气室内的温度、湿度、光照、SO2等各项数据显示和处理，对气候室控制参数进行修改。SO2补气系统气源采用钢瓶储存，经减压阀减压后，通过各自管路配送到气候箱内，在管路中安装高精度SO2流量计和电子流量调节阀，通过气体喷嘴进入气候室。气候室内采用红外线SO2传感器测量室内的SO2值，由计算机将采集到的气候室内的SO2值与设定的SO2值进行比较，通过PID及模糊控制算法控制电子流量调节阀，调节进入气候室的SO2流量，达到精确控制气候室内的SO2值。人工气候室底侧栅板送风，上侧栅板回风，实现气室内气体循环，同时提高了混合气体的均匀性。气候室内尺寸(长宽高)为2.0 m ×1.2 m ×1.8 m。

1.2 树种选择

本研究的试验对象主要是广州市园林绿化应用比较广泛的植物紫薇、白兰、木棉、樟树、秋枫、细叶榕，选择生长状况良好、大小、高矮基本一致的1～2年生盆栽实生苗，每种苗木设置5盆，放置在瓷盘中，浇水，放置在人工气候室中进行人工熏气试验，开展不同SO2质量浓度下绿化植物吸收净化污染能力分析。试供植物基本生长特性见表1，试验叶片分别从东、西、南、北均匀收集，枝剪剪取上、中、下部分茎(去皮，尽量不要干扰植物)，剪取完整的叶片封存于锥形瓶内，蒸馏水洗净，应用数字图像处理技术测定叶面积(包括叶柄)，叶比重(SLW)=单位面积叶干质量/单位叶面积。

表1 不同绿化植物基本生长特性

1.3 研究方法

2014年11月24日至2015年12月24日，采用人工气候室，模拟大气环境条件，设置不同浓度SO2气体，质量浓度分别为(0.25 ±0.004)、(0.50 ±0.005)mg/m3，熏气 30 d，分析绿化植物对大气污染物SO2的吸收净化效果。温度维持在白天30℃左右、夜间约20℃，相对湿度65% ～85%，光照度控制在白天约3 600 lx、夜间约300 lx，各种自然条件均控制在植物正常生长的范围内。由于植物正常生长所需要的硫量是一个本底值，不能作为净化大气硫的指标，除本底值外，植物还可以吸收更多的硫，直到其吸收阈值，植物真正净化大气硫的量为吸硫阈值多出本底值的量。试验开始和结束后，分别在树冠周围及上、中、下各部位多点采样，叶片用去离子水洗净、擦干，在60℃烘箱内烘干，取出研磨后，放于洁净的广口试剂瓶内，将各试剂瓶置于干燥器内备用。植物叶片全硫含量采用硫酸钡比浊法。叶片硫吸收能力(mg/kg)=熏气后硫氮质量分数－熏气前硫氮质量分数［2］。

1.3.1 叶片生理指标的测定 不同浓度SO2气体熏气后，取数量相等的新鲜叶片用蒸馏水浸泡3 h，以电导仪测出浸出液在煮沸前、后的电导度，计算相对电导率(%)。新鲜植物叶片除去叶脉研磨混合，以80%丙酮溶液浸提比色分析测定叶绿素含量;茚三酮比色法测定游离脯氨酸含量;硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量;考马斯亮蓝－G250染色法测定可溶性蛋白含量;蒽酮比色法测定可溶性糖含量;用硫酸钡比浊法测定室内植物全硫含量［2］。

1.3.2 数据处理 采用Excel 2010进行数据的统计和整理，SPSS18.0进行方差分析和统计学检验，LSD多重比较法(显著水平设置α=0.05和α=0.01)单因素方差分析比较其差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同SO2质量浓度下叶片硫含量

由图1可知，在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，白兰、木棉和细叶榕叶片硫含量最高，其含量分别为4.36、4.15、3.69 mg/g，显著高于秋枫、樟树和紫薇(P ＜ 0.05)，其中樟树和紫薇叶片硫含量差异不显著(P＞0.05)，叶片硫含量大小依次为白兰＞木棉＞细叶榕＞秋枫＞樟树＞紫薇。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，白兰、木棉叶片硫含量最高，其含量分别为 4.69、4.87 mg/g，显著高于细叶榕、秋枫、樟树和紫薇(p＜0.05)，其中樟树和紫薇叶片硫含量差异不显著(P＞0.05)，细叶榕和秋枫叶片硫含量差异不显著(P＞0.05)，叶片硫含量大小依次为木棉＞白兰＞秋枫＞细叶榕＞樟树＞紫薇。

2.2 不同SO2质量浓度下植物吸收净化能力

由图2可知，在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，白兰、木棉和细叶榕叶片硫吸收量最高，其吸收量分别为3.68、4.15、3.24 mg/g，显著高于秋枫、樟树和紫薇(P ＜ 0.05)，其中樟树和紫薇叶片硫吸收量差异不显著(P＞0.05)，叶片硫吸收量大小依次为木棉＞白兰＞细叶榕＞秋枫＞紫薇＞樟树。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，白兰、细叶榕叶片硫吸收量最高，其含量分别为4.26、3.98 mg/g，显著高于秋枫、木棉、樟树和紫薇(p＜0.05)，其中樟树和紫薇叶片硫吸收量差异不显著(P＞0.05)，叶片硫吸收量大小依次为白兰＞细叶榕＞秋枫＞木棉＞樟树＞紫薇。

2.3 不同SO2质量浓度下植物叶片光合色素含量

光合色素在植物光合作用的原初光反应过程中起着关键作用，其含量的变化往往与叶片的生理活性、植物对环境的适应性和抗逆性有关。本研究中不同绿化植物叶片叶绿素含量和类胡萝卜素含量也显示出一定的差别(图3)。

在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片类胡萝卜素含量最高，其含量分别为 9.25、8.35 μg/cm2，显著高于白兰、木棉和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片类胡萝卜素含量差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕叶片类胡萝卜素含量差异不显著(P＞0.05)，叶片类胡萝卜素含量大小依次为紫薇＞樟树＞细叶榕＞秋枫＞木棉＞白兰。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片类胡萝卜素含量最高，其含量分别为 7.13、7.02 μg/cm2，显著高于白兰、木棉、秋枫和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片类胡萝卜素含量差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕叶片类胡萝卜素含量差异不显著(P＞0.05)，叶片类胡萝卜素含量大小依次为紫薇＞樟树＞秋枫＞细叶榕＞白兰＞木棉。

在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片叶绿素含量最高，其含量分别为 35.26、32.58 μg/cm2，显著高于白兰、木棉和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片叶绿素含量差异不显著(P＞0.05)，叶片叶绿素含量大小依次为紫薇＞樟树＞秋枫＞细叶榕＞白兰＞木棉。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片叶绿素含量最高，其含量分别为32.15、32.05 μg/cm2，显著高于白兰、木棉、秋枫和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片叶绿素含量差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕叶片叶绿素含量差异不显著(P＞0.05)，叶片叶绿素含量大小依次为紫薇＞樟树＞秋枫＞细叶榕＞白兰＞木棉。

2.4 不同SO2质量浓度下植物叶片细胞膜渗透率

细胞膜渗透率是反映膜系统稳定性的一个重要指标。由图4可知，不同SO2质量浓度下绿化植物膜系统出现明显的损伤。在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片细胞膜渗透率最高，分别为25.6%、24.1%，显著高于白兰、木棉、秋枫和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片细胞膜渗透率差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕叶片细胞膜渗透率差异不显著(P＞0.05)，叶片细胞膜渗透率大小依次为紫薇＞樟树＞秋枫＞细叶榕＞白兰＞木棉。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片细胞膜渗透率最高，分别为32.5%、31.5%，显著高于白兰、木棉、秋枫和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片细胞膜渗透率差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕差异不显著(P＞0.05)，叶片细胞膜渗透率大小依次为紫薇＞樟树＞秋枫＞细叶榕＞白兰＞木棉。

2.5 不同SO2质量浓度下植物叶片生理指标

由图5可知，在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片可溶性蛋白含量最高，分别为123.5、120.4μg/g，显著高于白兰、木棉、秋枫和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片可溶性蛋白含量差异不显著(P＞0.05)，叶片可溶性蛋白含量大小依次为紫薇＞樟树＞秋枫＞细叶榕＞白兰＞木棉。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片可溶性蛋白含量最高，其含量分别为115.3、102.6 μg/g，显著高于白兰、木棉、秋枫和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片可溶性蛋白含量差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕差异不显著(P＞0.05)，叶片可溶性蛋白含量大小依次为紫薇＞樟树＞秋枫＞细叶榕＞白兰＞木棉。

由图5可知，在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，紫薇和樟树叶片可溶性糖含量最高，其含量分别为0.29%、0.28%，显著高于白兰、木棉和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片可溶性糖含量差异不显著(P＞0.05)，叶片可溶性糖含量大小依次为紫薇＞樟树＞秋枫＞细叶榕＞木棉＞白兰。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，樟树和紫薇叶片可溶性糖含量最高，其含量分别为0.27%、0.25%，显著高于白兰、木棉、秋枫和细叶榕(p＜0.05)，其中白兰和木棉叶片可溶性糖含量差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕叶片可溶性糖含量差异不显著(P＞0.05)，叶片可溶性糖含量大小依次为樟树＞紫薇＞秋枫＞细叶榕＞白兰＞木棉。

由图5可知，在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，木棉和白兰叶片游离脯氨酸含量最高，其含量分别为339、325 μg/g，显著高于秋枫、细叶榕、樟树和紫薇(P ＜0.05)，其中樟树和紫薇叶片游离脯氨酸含量差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕叶片游离脯氨酸含量差异不显著(P＞0.05)，叶片游离脯氨酸含量大小依次为木棉＞白兰＞细叶榕＞秋枫＞樟树＞紫薇。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，木棉和白兰叶片游离脯氨酸含量最高，其含量分别为384.2、375.3 μg/g，显著高于细叶榕、秋枫、樟树和紫薇(P ＜0.05)，其中樟树和紫薇叶片游离脯氨酸含量差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕叶片游离脯氨酸含量差异不显著(P＞0.05)，叶片游离脯氨酸含量大小依次为木棉＞白兰＞细叶榕＞秋枫＞樟树＞紫薇。

由图5可知，在SO2质量浓度为0.25 mg/m3环境下，木棉和白兰叶片丙二醛含量最高，其含量分别为 32.1、31.5 μmol/g，显著高于秋枫、樟树和紫薇(P ＜0.05)，其中樟树和紫薇叶片丙二醛含量差异不显著(P＞0.05)，叶片丙二醛含量大小依次为木棉＞白兰＞细叶榕＞秋枫＞樟树＞紫薇。在SO2质量浓度为0.50 mg/m3环境下，白兰叶片丙二醛含量最高，其含量为36.8μmol/g，显著高于木棉、细叶榕、秋枫、樟树和紫薇(p＜0.05)，其中木棉、樟树和紫薇叶片丙二醛含量差异不显著(P＞0.05)，秋枫和细叶榕叶片丙二醛含量差异不显著(P＞0.05)，叶片丙二醛含量大小依次为白兰＞细叶榕＞秋枫＞樟树＞木棉＞紫薇。

2.6 绿化植物净化量与叶片生理特性相关性分析

由表2可知，不同绿化植物叶片净化量与叶片生理特性具有显著的相关性。紫薇叶片净化量与类胡萝卜素含量、叶绿素含量、细胞膜渗透率、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量均呈极显著正相关(p＜0.01)，与游离脯氨酸和丙二醛含量呈极显著负相关(p＜0.01)。白兰叶片净化量与类胡萝卜素含量、叶绿素含量呈显著正相关(p＜0.05)，与游离脯氨酸含量呈显著负相关(p＜0.05)，与丙二醛含量呈极显著负相关(p＜0.01)。木棉叶片净化量与类胡萝卜素含量、叶绿素含量和可溶性糖含量呈显著正相关(p＜0.05)，与游离脯氨酸含量呈显著负相关(p＜0.05)，与丙二醛含量呈极显著负相关(p＜0.01)。樟树叶片净化量与类胡萝卜素含量、叶绿素含量、可溶性糖含量呈极显著正相关(p＜0.01)，与可溶性蛋白含量呈显著正相关(p＜0.05)，与游离脯氨酸和丙二醛含量呈极显著负相关(p＜0.01)。秋枫叶片净化量与类胡萝卜素含量呈极显著正相关(p＜0.01)，与叶绿素含量、可溶性糖含量呈显著正相关(p＜0.05)，与游离脯氨酸含量呈极显著负相关(p＜0.01)，与丙二醛含量呈显著负相关(p＜0.05)。细叶榕叶片净化量与类胡萝卜素含量、叶绿素含量、可溶性糖含量均呈显著正相关(p＜0.05)，与游离脯氨酸含量、丙二醛含量呈显著负相关(p＜0.05)。

3 讨论与结论

表2 绿化植物净化量与叶片生理特性相关性

植物对SO2的抗性和对SO2的吸收能力，对指示大气中有毒有害物质的存在和净化环境具有重要意义。首先，植物对SO2的反应通常比较敏感，它可以在低浓度的SO2情况下即表现出受害症状，因此可以利用对SO2反应敏感的植物来监测大气污染，起到警示的作用，以便及早采取措施，预防发生更加严重的危害;再者可以利用一些植物能够大量吸收有毒有害物质而不受害，或受害较轻的特点，起到净化环境的目的［2，10］。SO2主要来源于人类活动，周围环境中的 SO2大部分来自煤和石油的燃烧，而在城市环境中，SO2的主要来源之一则是汽车燃料的燃烧过程，尤其是以柴油为燃料的机动车运行过程产生的尾气。根据植物含硫量与大气SO2的相关性，已有人成功地将植物硫累积量作为大气 SO2的指示剂［11－12］。因此，绿化植物的含硫量可以间接地反映大气环境中SO2的污染程度。迄今为止，在我国，关于交通污染对城市绿化植物尤其是中国南方亚热带常见植物的影响研究不多。本调查发现，某些经模拟熏气试验筛选出来的植物抗性品种作为实地绿化植物时生长很差。如白兰和木棉是抗SO2很强的树种，但当其被栽种在城市交通繁忙地段时，均出现叶缘严重枯黄的现象。造成这种情况的原因可能是模拟熏气试验得出的植物抗性强弱的结论是在单一气体污染条件下得出的，而且往往是以植株幼株作为供试植物;而交通环境条件下生长的绿化植物生长的环境是多种污染物的复合污染，又有多种的污染气体如乙烯、NOx、CO 等污染的结果［13－14］。此外，模拟熏气试验条件如气温、相对湿度、风向和风力是相对稳定的，而交通环境中的气温、相对湿度、风向和风力则随时都会发生变化。所以选择抗污绿化植物品种时仅根据模拟试验得出的结论是远远不够的。因此，本研究试图从生态观测入手，在研究区内尽可能全面生态调查基础上选取了部分栽种面积广、数量大的绿化植物作为供试材料，用污染物含量分析法探讨交通污染对城市绿化植物的影响，以期为将来的继续研究及筛选出真实可靠的抗污能力强的绿化植物品种提供参考数据。

通过熏气箱内2种大气污染物对植物的伤害观察发现，SO2对植物的伤害症状与植物的种类有一定的关系。大量研究证实，SO2通过植物叶片的气孔进入叶肉组织后，会发生转化产生其他的物质，从而直接或间接地对植物产生毒害作产生大量的活性氧，从而对细胞产生直接或间接的毒害作用，造成植物叶片受害，其生理特性功能降低［17］。植物对SO2的吸收量是相对吸收量，相对吸收量基本能说明植物对大气SO2的吸收净化能力。植物对于污染物的吸附与吸收主要发生在地上部分的表面及叶片的气孔，在很大程度上，吸附是一种物理性过程，其与植物表面的结构如叶片形态、粗糙程度、叶片着生角度和表面的分泌物有关［18－19］。植物的吸收净化能力与叶片结构存在一定关系，叶片有蜡质、革质或叶面密生绒毛的植物使污染气体不能畅通地进入叶内，对植物吸收净化效果产生较大的影响;本研究发现，在不同质量浓度SO2环境下，樟树和紫薇对SO2吸收净化能力较强，对净化大气起着主要的作用，为城市功能型植物选择和广生态景观林带建设提供科学依据。

叶绿素作为植物光合作用的物质基础和光敏化剂，在光合作用过程中起着接受和转换能量的作用;可溶性蛋白和可溶性糖包含一些代谢的酶，其含量的多少与植株体内的代谢强度有关［20］。有研究表明，植物叶片受到大气污染的影响后，其叶片中的叶绿素含量均会受到破坏而分解，致使叶绿素含量下降［21］。本研究中不同绿化树种可溶性蛋白、可溶性糖、叶绿素含量均以紫薇和樟树较高，白兰和木棉相对较低，相比较可知，白兰和木棉更能够利用光能和转化光能，为光合补偿生长提供物质和能量基础。低SO2条件下，植物积累大量的可溶性糖转化成其他的物质，来抵抗污染，各种酶和叶绿素遭到破坏，导致叶片中叶绿素含量下降，这些影响机理还缺乏生物学及生理学上的解释。绿化植物在逆境下遭受伤害，往往发生膜脂过氧化作用，丙二醛是膜脂过氧化作用的主要产物之一，其含量高低和质膜透性的大小都是膜脂过氧化强弱和质膜破坏程度的重要指标［22］。在正常生长条件下，植物体内活性氧的产生和清除处于平衡中，当处于各种逆境胁迫时，植物体内活性氧产生和清除的平衡受到破坏，从而有利于体内活性氧的产生，所积累的活性氧引发了膜脂过氧化，丙二醛积累越多说明植物受伤害越严重，植物所处环境越恶劣。本研究中不同绿化树种叶片丙二醛含量呈相反的变化趋势，说明了SO2环境条件下植物体内丙二醛含量会不断累积，支持了前人的研究结果。