北京遠(yuǎn)郊區(qū)臭氧污染及其對(duì)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(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 100085;2.河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 050016;3.河北霧靈山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局 067300;4.中國節(jié)能環(huán)保集團(tuán)公司 100082)

伴隨著工業(yè)化程度的提高，人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)，導(dǎo)致對(duì)流層大氣O3循環(huán)喪失原有平衡，并最終導(dǎo)致O3濃度顯著升高，成為許多地區(qū)的主要空氣污染現(xiàn)象。

臭氧(O3)是一種氧化性很強(qiáng)且生物危害很大的二次污染物，會(huì)對(duì)包括農(nóng)作物和野生植物在內(nèi)的很多種植物造成明顯危害［1］。O3通過氣孔進(jìn)入植物，在植物體內(nèi)產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，改變植物生理生化過程，造成植物葉片出現(xiàn)斑點(diǎn)和萎黃等可見的葉片傷害特征，還會(huì)導(dǎo)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(jīng)在野外觀測(cè)到大量植物受害癥狀。

在美國，早在1956年，Middleton就認(rèn)為空氣O3會(huì)威脅到植物的生長(zhǎng)。隨后有許多控制實(shí)驗(yàn)證明了O3對(duì)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(fā)現(xiàn)自然空氣 O3已經(jīng)威脅到部分地區(qū)的森林生長(zhǎng)，葉片已經(jīng)出現(xiàn)受害癥狀［3］。在美國的California也發(fā)現(xiàn)多處森林植物受到O3的危害［4］。在歐洲，Richards等早在1958年就對(duì)葡萄屬(Vitis)植物葉片在高濃度O3條件下近軸面出現(xiàn)深色斑點(diǎn)的典型傷害特征進(jìn)行了描述［5］。Donald D.Davis等人在對(duì)福賽斯野生生物保護(hù)區(qū)的植物進(jìn)行研究時(shí)，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(fā)現(xiàn)了相同的特征。同時(shí)他們還在少數(shù)美國接骨木(Sambucus canadensis)和一些不知名的莢蒾屬(Viburnum)植物上也發(fā)現(xiàn)了相同特征［6-8］。熏氣實(shí)驗(yàn)證明了O3濃度升高可以造成小麥、水稻和油菜等農(nóng)作物的葉片出現(xiàn)受害癥狀和減產(chǎn)及林木葉片出現(xiàn)受害癥狀和生長(zhǎng)減緩等特征。盡管我國許多地區(qū)的空氣O3濃度已經(jīng)超過了植物受害的臨界濃度，但目前對(duì)高O3濃度地區(qū)的植物生長(zhǎng)進(jìn)行觀測(cè)缺乏，還未見有關(guān)野外O3傷害癥狀的報(bào)道。

對(duì)野外O3傷害癥狀進(jìn)行觀測(cè)，是一種研究O3對(duì)植物影響的簡(jiǎn)單而直接的方法，不但可以判斷目前空氣O3濃度是否達(dá)到了危害自然狀況下植物生長(zhǎng)發(fā)育的水平，而且可以為進(jìn)行植物敏感性評(píng)價(jià)提供客觀證據(jù)。本研究在分析北京城市生態(tài)站3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)O3濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)了空氣O3對(duì)植物的危害風(fēng)險(xiǎn);并通過在北京遠(yuǎn)郊區(qū)的實(shí)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(duì)北京市及周邊O3濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果與國內(nèi)外相關(guān)研究數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)北京市空氣O3濃度已經(jīng)達(dá)到很高的水平，以遠(yuǎn)郊地區(qū)最為顯著。通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，多種植物葉片表現(xiàn)出了O3傷害癥狀。本研究以報(bào)道北京遠(yuǎn)郊區(qū)高濃度空氣O3對(duì)植物造成的傷害為出發(fā)點(diǎn)，旨在號(hào)召相關(guān)研究人員深入開展針對(duì)北京市環(huán)境O3的進(jìn)一步研究，以期獲得環(huán)境O3濃度升高與植物葉片傷害之間關(guān)系的明確結(jié)論，并為北京市城市發(fā)展規(guī)劃提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 空氣O3濃度長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)

中國科學(xué)院北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站在北京市設(shè)有3個(gè)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)站，包括北京市教學(xué)植物園、生態(tài)環(huán)境研究中心和北京蟒山天池風(fēng)景區(qū)，分別位于北京市的城區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)，對(duì)空氣O3濃度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。O3濃度監(jiān)測(cè)采用Thermo 49iO3分析儀，通過測(cè)量254nm波長(zhǎng)下O3對(duì)紫外輻射的吸收計(jì)算出O3濃度，儀器的分析最低檢測(cè)限為0.098μg/m3。有專人進(jìn)行儀器維護(hù)和嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。計(jì)算空氣O3暴露劑量AOT40(大于78.5 μg/m3的空氣O3小時(shí)濃度值的累計(jì)值)，作為評(píng)價(jià)O3對(duì)植物造成危害的指標(biāo)。在本研究中，為了評(píng)價(jià)O3對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，只使用了植物生長(zhǎng)盛期(5—9月份)的O3濃度觀測(cè)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(diào)查地點(diǎn)在昌平區(qū)的蟒山國家森林公園，時(shí)間為2010年9月底。通過野外觀測(cè)和拍照，共調(diào)查了26種木本植物，并邀請(qǐng)美國Environmental Pollution雜志主編、馬薩諸塞大學(xué)William J.Manning教授對(duì)野外觀測(cè)的照片進(jìn)行了鑒定指導(dǎo)。依據(jù)國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究及野外觀測(cè)的結(jié)果，當(dāng)植物環(huán)境O3濃度超過一定值時(shí)，部分植物就會(huì)表現(xiàn)出葉面?zhèn)μ卣鳌Ｒ话闱闆r下，O3敏感植物表現(xiàn)為老葉受傷害較嚴(yán)重，其傷害特征首先表現(xiàn)為葉片出現(xiàn)均勻細(xì)密斑點(diǎn)，多為黃色至褐色，受害嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)斑塊狀干死和尖燒現(xiàn)象。

1.3 對(duì)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(guān)于國家公園中O3敏感植物研究的研討會(huì)，這次會(huì)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(duì)這兩類植物進(jìn)行了定義［9］。定義指出:指示植物是指在環(huán)境O3濃度下產(chǎn)生的葉片傷害特征能容易被專業(yè)人士認(rèn)定為O3傷害，而且這些葉片傷害特征已經(jīng)在可靠濃度下的曝氣實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，同時(shí)這些物種在研究區(qū)域內(nèi)分布較廣泛且較容易野外識(shí)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(biāo)準(zhǔn)，例如僅在遠(yuǎn)高于環(huán)境實(shí)際O3濃度的條件下或在有限的區(qū)域中體現(xiàn)傷害特征，或不同觀測(cè)者的結(jié)論存在沖突等。但這些疑似植物可以作為研究者未來調(diào)查、研究的備選對(duì)象。

2 結(jié)果

2.1 北京市遠(yuǎn)郊區(qū)空氣O3濃度特征

通過長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，獲得了北京市O3小時(shí)濃度的統(tǒng)計(jì)特征(表1)。研究表明:城區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣O3濃度較高的時(shí)期集中在5—8月份，從3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的O3濃度的絕對(duì)值來看，遠(yuǎn)郊監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(qū)和近郊區(qū)。植物生長(zhǎng)盛期(5—9月份)O3小時(shí)濃度實(shí)測(cè)值超過國家二級(jí)O3環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(160 μg/m3)的天數(shù)占監(jiān)測(cè)天數(shù)的28.7%.遠(yuǎn)郊區(qū)6月份8:00—18:00平均值均超過國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，7月份8—18時(shí)平均值也達(dá)到144μg/m3，接近國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)較高的O3小時(shí)濃度最大值在6—8月份集中出現(xiàn)，其中近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)7月份最大值幾乎達(dá)到國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的3倍。遠(yuǎn)郊區(qū)5—8月份O3小時(shí)濃度最大值總體水平也略高于城區(qū)和近郊區(qū)。總體上看，站點(diǎn)間O3濃度差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

表1 2010年5月—2010年9月O3小時(shí)濃度統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristic of ozone hour concentration from May to September in 2010

從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)5—9月份AOT40值來看，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過WHO提出的對(duì)野生植物構(gòu)成傷害的19.6μg/m3的限度。遠(yuǎn)郊區(qū)達(dá)到98.9μg/m3，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于城區(qū)和近郊區(qū)(圖1)。

2.2 北京市遠(yuǎn)郊區(qū)木本植物在高O3濃度下的葉片傷害特征

依據(jù)歐洲以及北美等國家長(zhǎng)期研究建立的O3葉片傷害鑒定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)昌平區(qū)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(jìn)行了鑒定。研究結(jié)果表明，在北京市遠(yuǎn)郊目前的大氣O3濃度水平下，多種木本植物表現(xiàn)出了典型O3葉片傷害特征，可以作為北京市及周邊地區(qū)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(jié)論作為理論支持，暫定為本地區(qū)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(yuǎn)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(yuǎn)郊高濃度O3導(dǎo)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(xiàn)灰色、白色或淡黃色等淺色斑點(diǎn)或斑塊。一般情況下，這些斑點(diǎn)或斑塊面積較小，直徑一般在1—2mm，多數(shù)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(xiàn)的O3導(dǎo)致葉片傷害特征相同［10］。

(2)葉片上出現(xiàn)較深的黃色、黃褐色、棕色、褐色或赭石色斑塊或枯死，如扁擔(dān)木、荊條、山桃、核桃楸等。還有一些植物呈現(xiàn)紅色或紅褐色斑塊，如毛黃櫨等，斑塊一般較大，多數(shù)能達(dá)到5mm以上，甚至更大或連成一片，擴(kuò)展到整個(gè)葉片。較大斑塊中間往往呈深褐色枯死，同時(shí)還往往導(dǎo)致葉片出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境條件下O3導(dǎo)致葉片傷害的最常見特征，與眾多研究結(jié)果一致［5-12］。

(3)植物葉片邊緣呈現(xiàn)褐色枯死或尖燒，由葉緣向葉片中間蔓延，邊緣枯死嚴(yán)重，如三裂繡線菊、遼東櫟、扁擔(dān)木、多花胡枝子、荊條、核桃楸等。在Manning及Innes等的研究中出現(xiàn)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(nèi)外實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)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(yuǎn)郊區(qū)大氣O3污染監(jiān)測(cè)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(huán)境條件下還有另外一些植物，其葉片表現(xiàn)出類似的傷害特征，如出現(xiàn)黃色、褐色斑塊或部分乃至全葉枯死等。但目前尚未通過實(shí)驗(yàn)證明這些物種產(chǎn)生類似傷害特征是否屬于O3污染導(dǎo)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(qū)分方法，可將這些植物作為北京市遠(yuǎn)郊區(qū)O3污染監(jiān)測(cè)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(dāng)年生針葉完全干枯，枯死葉呈柔軟草質(zhì)，如偃松;其次，針葉呈現(xiàn)自頂部向基部的枯死，枯死呈間斷或連續(xù)狀，枯死長(zhǎng)度不一，嚴(yán)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(shù)呈現(xiàn)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(cè)柏，遠(yuǎn)觀整株植物呈明顯病態(tài)，且有向陽面較背陰面嚴(yán)重的特點(diǎn)。

在2003年巴爾的摩會(huì)議上提出的關(guān)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(jù)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(xiàn)的傷害特征雖然明顯且在觀測(cè)區(qū)域廣泛存在，但目前不具備明確實(shí)驗(yàn)研究依據(jù)及廣泛觀測(cè)證據(jù)支持，暫作為O3導(dǎo)致葉片傷害的疑似植物看待。

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

(3)僅在葉片腹面出現(xiàn)淺色斑點(diǎn)或深色枯死，如欒樹。

后兩類植物出現(xiàn)的類似高濃度O3導(dǎo)致葉片傷害的現(xiàn)象，有待于進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，暫將這些植物作為高濃度O3導(dǎo)致葉片傷害的疑似物種對(duì)待(圖3)。

3 討論

O3對(duì)植物造成傷害的癥狀，往往會(huì)表現(xiàn)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(shí)驗(yàn)來證實(shí)。但類似的葉片癥狀也可能出現(xiàn)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(shí)［11］。Gravanoet等發(fā)現(xiàn)，作為外來入侵物種的天堂樹(Ailanthus altissima)呈現(xiàn)出了從淺褐色到黑色的斑點(diǎn)，斑點(diǎn)的黑色與已有研究的其他植物不同［13］，依據(jù)Manning等的研究，可以認(rèn)為斑點(diǎn)顏色變黑的特征是由于受到 O3傷害的時(shí)間長(zhǎng)、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(nèi)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(xiàn)斑點(diǎn)傷害特征存在明顯差異。在很多人的研究中，也發(fā)現(xiàn)了相同的葉片變紅的特征，尤其是在生長(zhǎng)季末、潮濕、炎熱或者秋季休眠開始的時(shí)候進(jìn)行調(diào)查研究時(shí)，這樣的現(xiàn)象更加顯著［6-8］。

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

同時(shí)，通過對(duì)目前已有的研究結(jié)論進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，同一植物在不同的環(huán)境中會(huì)表現(xiàn)為對(duì)O3傷害的不同反應(yīng)。在某個(gè)地方表現(xiàn)為對(duì)O3敏感的植物在另一個(gè)具有相似臭氧特征的環(huán)境下則有可能沒有出現(xiàn)O3導(dǎo)致的葉片傷害癥狀。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是:由于自然生態(tài)系統(tǒng)中，很多其他的生態(tài)因子可能會(huì)對(duì)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(huán)境脅迫因子的影響［12］。

目前，研究人員通過開頂氣室(OTC)等實(shí)驗(yàn)手段模擬O3濃度升高對(duì)植物造成的傷害，確定了一些物種可以作為區(qū)域性O(shè)3傷害的指示植物［10］。但由于O3對(duì)不同植物的葉片以及對(duì)同一植物不同生長(zhǎng)狀態(tài)的葉片造成傷害的表現(xiàn)特征存在顯著差異和不確定性，對(duì)一些葉片出現(xiàn)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(duì)待。

不同植物在高濃度O3危害下出現(xiàn)的傷害斑點(diǎn)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(jìn)入植物體的O3與植物組織產(chǎn)生氧化反應(yīng)的過程存在差異，傷害結(jié)果和傷害程度因此表現(xiàn)不同。植物所處環(huán)境中的水分、光照等生態(tài)因子的差異也有可能緩解或者加劇了O3對(duì)植物葉片造成的傷害。此外，O3對(duì)植物的傷害可能與植物葉片成熟時(shí)期有關(guān)。歐美學(xué)者利用開頂氣室(OTC)研究發(fā)現(xiàn)，O3傷害造成的深色斑點(diǎn)或尖燒現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在較成熟的葉片上，因葉片的成熟時(shí)期不同，高濃度O3對(duì)植物葉片形成傷害的時(shí)間長(zhǎng)短也就存在差異，因而表現(xiàn)出了斑點(diǎn)顏色由淺及深的葉片傷害特征。

圖3 北京市遠(yuǎn)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(cè)到了北京市遠(yuǎn)郊地區(qū)15種木本植物出現(xiàn)O3傷害癥狀，結(jié)合遠(yuǎn)郊地區(qū)空氣O3濃度較高的特點(diǎn)，說明北京遠(yuǎn)郊區(qū)的一些敏感植物已經(jīng)受到了空氣O3危害。因此，控制空氣O3污染對(duì)我國城市周邊的森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要意義。

4 結(jié)論

(1)北京市遠(yuǎn)郊區(qū)的O3濃度日平均值和8:00—18:00平均值明顯高于城區(qū)和近郊區(qū)，生長(zhǎng)盛期(5—9月份)遠(yuǎn)郊區(qū)的AOT40是98.9μg/m3，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過WHO提出的野生植物臨界負(fù)荷(4—9月份的AOT40＜19.6μg/m3)。

(2)扁擔(dān)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(yuǎn)郊地區(qū)O3污染監(jiān)測(cè)的指示植物。在各種不同植物出現(xiàn)的O3傷害特征中，大體可以分為兩類:葉片上的斑點(diǎn)和葉緣的尖燒現(xiàn)象。葉片上的斑點(diǎn)顏色表現(xiàn)為:從白色、灰白色的非著色現(xiàn)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(xué)者獲得的研究結(jié)論基本一致。

(3)欒樹、構(gòu)樹、桑、榆以及油松等11種植物表現(xiàn)出了與現(xiàn)有觀測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究相似的O3葉片傷害特征，但由于環(huán)境的復(fù)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(yuǎn)郊O3污染監(jiān)測(cè)的疑似植物。

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