植物生理特征對(duì)南陽(yáng)市空氣中SO2濃度的監(jiān)測(cè)分析

龐發(fā)虎 杜瑞卿 周索 楊建偉

摘要：為了研究河南省南陽(yáng)市空氣中SO2濃度的變化對(duì)不同植物的影響以及植物對(duì)空氣中SO2濃度的監(jiān)測(cè)作用，選擇了南陽(yáng)市5個(gè)具有代表性的不同功能區(qū)，研究了不同功能區(qū)空氣中SO2濃度的變化，并以法國(guó)梧桐（Platanus hispanica）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl]、法國(guó)冬青（Viburnum odoratissimum）、大葉黃楊（Buxus megistophylla）、海桐（Pittosporum tobira）5種植物的葉片為試材，于4-10月逐月測(cè)定了植物葉片中的硫含量、電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量等5個(gè)指標(biāo)，并采用方差分析、綜合方差分析、相關(guān)分析、判別分析等多種統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。結(jié)果表明，不同功能區(qū)空氣中的SO2濃度有顯著差異，不同樹(shù)種對(duì)空氣中SO2的吸收能力和抗脅迫能力有顯著差異；空氣中的SO2濃度、葉片中硫含量對(duì)各種樹(shù)生理指標(biāo)有顯著影響。由此得出，通過(guò)對(duì)5個(gè)樹(shù)種的生理指標(biāo)變化可以監(jiān)測(cè)空氣中的SO2濃度，其中最敏感的指標(biāo)為電導(dǎo)率、丙二醛和脯氨酸含量。吸收空氣中SO2和抗SO2脅迫綜合能力最好的樹(shù)種是法國(guó)梧桐，是南陽(yáng)市城市綠化和空氣凈化的優(yōu)良樹(shù)種。

關(guān)鍵詞：大氣污染；綠化樹(shù)種；SO2；生理特征

中圖分類(lèi)號(hào)：Q948.116 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）05-1142-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.014

Monitoring Analysis of SO2 Concentrations in the Air in Nanyang City Using Physiological Characteristics of Plants

PANG Fa-hu， DU Rui-qing， ZHOU Suo， YANG Jian-wei

（College of Life Science and Technology， Nanyang Normal College， Nanyang 473061， Henan， China）

Abstract： To study the effect and monitor roles between changes of SO2 concentrations in the air and different plants in Nanyang City of Henan province， 5 different functional areas were selected to study the changes of SO2 concentration in the air. Using mature leaves of five common trees [Platanus hispanica，Cinnamomum camphora （L.） Presl.，Viburnum odoratissimum，Buxus megistophylla，Pittosporum tobira] as experimental materials， sulfur content， conductivity， MDA content， chlorophyll a/b and proline of plant leaves were monthly measured in April to October， and were analyzed using variance analysis， comprehensive variance analysis，correlation analysis，discriminate analysis，et al. The results showed that SO2 concentration in the air and the ability of SO2 absorption and anti-stress had significant difference in different functional areas. SO2 concentrations in the air and sulfur content of plant leaves had significant effects on physiological indexes of various trees. It indicated that changes of physiological indicators of five common trees could monitor SO2 concentration in the air，the most sensitive indexes for which were conductivity，MDA and proline. The best plant of the comprehensive ability of absorption and anti -stress SO2 was P. hispanica. It has a strong ability to anti-pollution， and is fine species for good for making city green and air clear in Nanyang city.

Key words： air pollution； greening tree species； SO2； physiology characteristics

河南省南陽(yáng)市處于亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡地帶，由于其人口稠密，車(chē)流量大，空氣污染相對(duì)嚴(yán)重。在各種大氣污染物中，二氧化硫?yàn)槟详?yáng)市主要污染物。城市綠化植物具有對(duì)大氣污染物的吸附、吸收、凈化能力[1]。葉片是植物與環(huán)境氣體交換的主要器官，最易受大氣污染的傷害。許多研究表明，植物葉片生理特性的變化對(duì)于闡明城市大氣污染程度的生物效應(yīng)具有現(xiàn)實(shí)的意義[2，3]。有研究者對(duì)空氣中SO2與植物含硫量關(guān)系進(jìn)行了研究[4，5]，還有學(xué)者對(duì)植物與硫污染的關(guān)系進(jìn)行了研究[6-9]。有關(guān)大氣污染對(duì)綠化植物的影響和作用機(jī)理雖已有些報(bào)道[10-12]，但在分析方法上存在不足。不同樹(shù)種對(duì)空氣中SO2的吸收能力和抗脅迫能力不同；不同生理觀察指標(biāo)在不同植物上的變化往往表現(xiàn)參差不齊；觀察點(diǎn)之間的比較又存在多個(gè)樹(shù)種和多個(gè)觀察指標(biāo)，因此用單一指標(biāo)、單一樹(shù)種直接分析很難對(duì)多指標(biāo)觀察對(duì)象給出評(píng)價(jià)和判斷，需用綜合分析方法。此外，觀察指標(biāo)有時(shí)又受季節(jié)因素的影響，受不同單位限制，需要克服這些影響和限制。因此本研究提出了綜合方差分析方法，并結(jié)合判別分析法等綜合性較強(qiáng)的分析方法，目的就是篩選出吸收空氣中SO2和抗SO2脅迫綜合能力最強(qiáng)、最適合南陽(yáng)市綠化抗污染的樹(shù)種，分析出植物對(duì)空氣中SO2濃度變化敏感的生理指標(biāo)，從而為南陽(yáng)市城市空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和城市綠化樹(shù)種的選擇提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)的選擇

根據(jù)河南省南陽(yáng)市區(qū)的分布情況，選擇了5個(gè)具有代表性的不同功能區(qū)，即油漆化工廠功能區(qū)（生產(chǎn)油漆，廠房附近大氣污染較為嚴(yán)重）、南陽(yáng)卷煙廠廣場(chǎng)功能區(qū)（地處卷煙廠附近，且處于交通樞紐區(qū)，大氣污染較為嚴(yán)重）、市中心體育場(chǎng)功能區(qū)（附近車(chē)流量較大，有一定程度污染）、南陽(yáng)師范學(xué)院功能區(qū)（文教區(qū)，位于郊區(qū)遠(yuǎn)離市中心，周?chē)鸁o(wú)廠房）、苗圃中心（相對(duì)清潔區(qū)，植被集中，離污染源較遠(yuǎn)，空氣質(zhì)量較高）。這5個(gè)樣地的土壤、水分等生境條件基本相同。

1.2 試驗(yàn)樣品的采集

1.2.1 不同功能區(qū)SO2的濃度數(shù)據(jù) 采用南陽(yáng)市2012年監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每小時(shí)1個(gè)數(shù)據(jù)，每天監(jiān)測(cè)12 h?？諝庵卸趸蚝课廴境潭劝础董h(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-1996）一、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。

1.2.2 植物葉片的采集 選擇各功能區(qū)都有的5種常見(jiàn)綠化植物，大葉黃楊（Buxus megistophylla）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl]、海桐（Pittosporum tobira）、法國(guó)梧桐（Platanus hispanica）、法國(guó)冬青（Viburnum odoratissimum）。在每個(gè)采樣點(diǎn)選擇同種植物的3～5株進(jìn)行采樣。為了保證樣品的代表性，在各個(gè)采樣點(diǎn)選擇長(zhǎng)勢(shì)和生長(zhǎng)生態(tài)狀況相同的植株，采集向陽(yáng)面光照強(qiáng)度一致的當(dāng)年生新鮮葉片作為樣本，要求每個(gè)樣地、每個(gè)樣本采集5組葉片作為重復(fù)，于同一天上午9：00左右采集，置于帶有冰塊的冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，立即存放于4 ℃冰箱中待處理，用于生理指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 葉片生理指標(biāo)的測(cè)定

葉片硫含量的測(cè)定：將采集的葉片用自來(lái)水沖洗干凈，在60 ℃恒溫箱烘干、粉碎、過(guò)40目篩混合均勻，采用HNO3-HClO4消煮，BaSO4比濁法測(cè)定[13]。丙二醛含量的測(cè)定參照張志良等的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》[14]；細(xì)胞膜滲透率（電導(dǎo)率）采用DDS-307型電導(dǎo)儀測(cè)定；游離脯氨酸含量的測(cè)定采用磺基水楊酸法[14]；葉綠素含量的測(cè)定采用乙醇提取法。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1 方差分析和綜合方差分析 對(duì)5個(gè)功能區(qū)空氣中SO2濃度以及葉片中硫含量、電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量分別進(jìn)行方差分析，有顯著差異的進(jìn)一步進(jìn)行LSD多重比較。

為了比較5個(gè)功能區(qū)對(duì)5個(gè)樹(shù)種生理變化的綜合影響，即樹(shù)生理的綜合變化對(duì)空氣SO2變化的監(jiān)測(cè)作用，依據(jù)5個(gè)樹(shù)種和5個(gè)生理指標(biāo)對(duì)5個(gè)功能區(qū)進(jìn)行綜合方差分析。由于各指標(biāo)隨月份變化而變化，受季節(jié)影響明顯，各指標(biāo)單位又不同，為了消除季節(jié)和單位的影響，將每個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。設(shè)指標(biāo)值為Xijkt，i為指標(biāo)編號(hào)（i=1，2，3，4，5），j為組別（功能區(qū)）編號(hào)（j=1，2，3，4，5，j=1時(shí)表示功能區(qū)為苗圃），k為樹(shù)種（k=1，2，3，4，5），t為月份編號(hào)。那么苗圃功能區(qū)每個(gè)指標(biāo)每月在5個(gè)樹(shù)種上的平均值為：

Xijkt=■Xijkt5 （1）

標(biāo)準(zhǔn)化：

X′ijkt=XijktXijkt （2）

這時(shí)每個(gè)指標(biāo)已消除了季節(jié)和單位的影響，因此多個(gè)指標(biāo)可以看作是同一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行方差分析。

1.4.2 相關(guān)分析 分別對(duì)空氣中SO2濃度、不同樹(shù)種葉片硫含量與各生理指標(biāo)以及空氣中SO2濃度與葉片硫含量進(jìn)行相關(guān)分析，以揭示空氣中SO2濃度對(duì)葉片硫含量與各生理指標(biāo)變化的影響以及葉片硫含量對(duì)其他生理指標(biāo)變化的影響。

1.4.3 判別分析 依據(jù)葉片硫含量、電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量對(duì)空氣中SO2濃度較高的油漆化工廠和卷煙廠廣場(chǎng)2個(gè)功能區(qū)的5個(gè)樹(shù)種進(jìn)行判別分析，綜合篩選出對(duì)SO2吸收較好的樹(shù)種。為了消除季節(jié)影響，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b越小表示抗性越好，脯氨酸含量越大抗性越好，葉片中硫含量越高越好，為了都為正指標(biāo)，因此將電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b取倒數(shù)。

以上運(yùn)算，利用軟件SPSS 18.0及MATLAB 7.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同功能區(qū)空氣中SO2濃度的變化

如圖1所示，不同功能區(qū)空氣中SO2濃度的變化不同。對(duì)5個(gè)不同功能區(qū)空氣中SO2濃度進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示F=17.218，P<0.01，有極顯著差異；進(jìn)一步對(duì)5個(gè)不同功能區(qū)空氣中SO2濃度進(jìn)行多重比較（LSD），結(jié)果（圖1）表明，除苗圃中心與南陽(yáng)師范學(xué)院間無(wú)顯著差異外，其他功能區(qū)間均存在極顯著差異。卷煙廠廣場(chǎng)和油漆化工廠空氣中SO2濃度較大，其平均值分別達(dá)到0.040 1、0.047 0 mg/m3， 可能與煙廠、油漆廠排放的SO2有關(guān)。而苗圃中心、南陽(yáng)師范學(xué)院大氣中SO2濃度較低，分別為0.017 9、0.024 3 mg/m3，主要是因?yàn)槊缙灾行?、學(xué)校位于南陽(yáng)市郊區(qū)，其植物種類(lèi)較多，而車(chē)流量較少。

2.2 不同功能區(qū)各樹(shù)種生理指標(biāo)的變化

對(duì)5個(gè)功能區(qū)葉片中硫含量、電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量分別進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示各指標(biāo)在不同功能區(qū)間都存在顯著或極顯著差異，因此進(jìn)一步進(jìn)行多重比較（LSD），多重比較結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，各生理指標(biāo)在苗圃中心、南陽(yáng)師范學(xué)院與卷煙廠廣場(chǎng)、油漆化工廠之間都存在顯著或極顯著差異。隨空氣中SO2濃度的增加，葉片中硫含量、電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b在增大，脯氨酸含量在減小。5個(gè)功能區(qū)在大部分指標(biāo)上相互間存在顯著差異，說(shuō)明5個(gè)功能區(qū)空氣中SO2濃度已對(duì)各樹(shù)種的生理產(chǎn)生了顯著影響。受影響較敏感的指標(biāo)為電導(dǎo)率、丙二醛、脯氨酸，在各功能區(qū)間都存在極顯著差異。

依據(jù)公式（2）對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，依據(jù)5個(gè)樹(shù)種和5個(gè)生理指標(biāo)對(duì)5個(gè)功能區(qū)進(jìn)行綜合方差分析，結(jié)果（表2）表明，除卷煙廠廣場(chǎng)和油漆化工廠外，其他功能區(qū)間均存在極顯著差異（P<0.01）。由表2還可以看出，油漆化工廠標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值最大，說(shuō)明葉片硫含量最大，受脅迫最大，也說(shuō)明空氣中SO2濃度越高，污染越重；苗圃標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值最小，說(shuō)明葉片中硫含量最小，受脅迫最小。

2.3 空氣中SO2濃度、葉片硫含量與各生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

從表3可以看出，空氣中SO2濃度與各樹(shù)種葉片中硫含量都為極顯著正相關(guān)，其中法國(guó)梧桐的相關(guān)性最大，海桐最小，說(shuō)明法國(guó)梧桐吸收空氣中SO2的能力最強(qiáng)。除香樟空氣中SO2濃度與電導(dǎo)率、大葉黃楊空氣中SO2濃度與丙二醛含量相關(guān)性不顯著外，其他樹(shù)種的葉片中硫含量、空氣中SO2濃度均與電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b呈顯著或極顯著正相關(guān)。總的變化趨勢(shì)是從法國(guó)梧桐到海桐依次在增大，說(shuō)明法國(guó)梧桐受空氣SO2濃度與葉片中硫含量的脅迫性最小，海桐最大。

2.4 判別分析

為了依據(jù)5個(gè)生理指標(biāo)的綜合變化特點(diǎn)，篩選出吸收SO2、抗SO2脅迫能力強(qiáng)的樹(shù)種，選擇污染較重的卷煙廠廣場(chǎng)和油漆化工廠功能區(qū)對(duì)5個(gè)樹(shù)種進(jìn)行判別分析。首先對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b取倒數(shù)。

對(duì)卷煙廠廣場(chǎng)進(jìn)行判別，結(jié)果表明判別函數(shù)極顯著，5個(gè)指標(biāo)在5個(gè)樹(shù)種間有極顯著差異，法國(guó)梧桐的正確判別率為100%，法國(guó)冬青的正確判別率為100%，香樟的正確判別率為100%，大葉黃楊的正確判別率為85.7%，海桐的正確判別率為85.7%（圖2）。圖2中第一判別函數(shù)方差貢獻(xiàn)率為92.0%，第二判別函數(shù)方差貢獻(xiàn)率為6.1%，因此以第一判別函數(shù)值為主要判斷依據(jù)，可以看出法國(guó)梧桐吸收SO2和抗SO2脅迫的綜合能力最強(qiáng)，其次是法國(guó)冬青，香樟、大葉黃楊和海桐間的距離較近，相似性較大。

對(duì)油漆化工廠功能區(qū)進(jìn)行判別，結(jié)果表明，判別函數(shù)極顯著，5個(gè)指標(biāo)在5個(gè)樹(shù)種間有極顯著差異，法國(guó)梧桐的正確判別率為100%，法國(guó)冬青的正確判別率為100%，香樟的正確判別率為72.0%，大葉黃楊的正確判別率為100%，海桐的正確判別率為85.7%（圖3）。圖3中第一判別函數(shù)方差貢獻(xiàn)率為91.0%，第二判別函數(shù)方差貢獻(xiàn)率為7.3%，因此以第一判別函數(shù)值為主要判斷依據(jù)，可以看出法國(guó)梧桐吸收SO2和抗SO2脅迫的綜合能力最強(qiáng)，其次是法國(guó)冬青，香樟、大葉黃楊和海桐間的距離較近，相似性較大。

圖3與圖2相比有較大的相似性，但法國(guó)梧桐與其他樹(shù)種間的距離更遠(yuǎn)，法國(guó)冬青與香樟間的距離也進(jìn)一步拉開(kāi)。

3 結(jié)論與討論

SO2可以通過(guò)植物葉片的氣孔進(jìn)入到植物組織，通過(guò)生理代謝和生化反應(yīng)，大部分被還原成硫，或進(jìn)一步同化為自身生長(zhǎng)的一部分元素，參與生長(zhǎng)發(fā)育或代謝[9]，因此綠化植物可以吸收掉大量的SO2，起到凈化空氣的作用。通過(guò)對(duì)南陽(yáng)市5個(gè)不同功能區(qū)的SO2濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)油漆化工廠污染最嚴(yán)重，可能與油漆化工廠燃煤排放、SO2等廢氣排放有關(guān)。苗圃中心、南陽(yáng)師范學(xué)院位于南陽(yáng)市郊區(qū)，植物種類(lèi)較多，車(chē)流量少，因此污染較輕。本研究認(rèn)為同一種植物在不同功能區(qū)對(duì)空氣污染物的響應(yīng)有差異，這與李寒娥等[15]的研究結(jié)果相一致。本研究所選的功能區(qū)之間、樹(shù)種之間在所有觀察指標(biāo)上均存在顯著差異，說(shuō)明選擇是合理的、有實(shí)際意義的。不同功能區(qū)空氣中SO2濃度有顯著差異，不同樹(shù)種對(duì)空氣中SO2的吸收能力和抗脅迫能力也存在顯著差異。

脯氨酸是植物遭受逆境時(shí)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，是表征空氣污染的良好參數(shù)，是植物對(duì)逆境脅迫的一種生理性適應(yīng)反映，與抗逆性密切相關(guān)[16]。植物受到大氣污染后，細(xì)胞膜透性受到破壞，葉片的電導(dǎo)率依污染程度的增大有不同程度的增加[17]。丙二醛是植物器官在逆境脅迫下發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物之一，其含量可反映植物遭受逆境傷害的程度[18]。有研究表明，植物在受到大氣污染后，葉片中葉綠素總含量下降，雖然葉綠素a和b均受到不同程度的破壞，但其中具有保護(hù)作用的葉綠素b較易分解，因此在一定范圍內(nèi)，污染越嚴(yán)重，葉綠素a/b越大[19]。本研究結(jié)果表明，空氣中SO2濃度對(duì)樹(shù)種葉片硫含量、電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量等生理指標(biāo)大部分有顯著影響，葉片中硫含量對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量大部分也有顯著影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，法國(guó)梧桐、法國(guó)冬青、香樟、大葉黃楊、海桐葉片各生理指標(biāo)變化可以監(jiān)測(cè)空氣中SO2濃度，其中最敏感的指標(biāo)為電導(dǎo)率、丙二醛、脯氨酸。當(dāng)然植物葉片硫含量的監(jiān)測(cè)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)橹参锊粌H可以從空氣中吸收，還可以從土壤中吸收。因此不同的生境對(duì)植物葉片硫的分析的影響是不同的。

植物對(duì)大氣污染物的耐受能力與適應(yīng)性是不一樣的，主要取決于植物本身的生物特性。雖然不同植物葉片都可以監(jiān)測(cè)大氣中SO2，但在對(duì)適用本地區(qū)綠化樹(shù)種的選擇時(shí)，應(yīng)選取那些葉片含硫量與空氣中二氧化硫含量具有較大相關(guān)性的樹(shù)種，這樣才可以用于監(jiān)測(cè)大氣污染。本研究對(duì)各樹(shù)種的綜合比較結(jié)果表明，吸收空氣中SO2和抗SO2脅迫綜合能力最強(qiáng)的是法國(guó)梧桐，其次是法國(guó)冬青，這與羅紅艷等[20]、周志翔[11]研究認(rèn)為落葉喬木>灌木>常綠針葉樹(shù)的趨勢(shì)的結(jié)果相一致。分析原因可能是由于法國(guó)梧桐是喬木闊葉樹(shù)種，葉片的代謝相對(duì)較快，轉(zhuǎn)化硫的速率較快，同時(shí)可能具有豐富的氣孔開(kāi)度，吸附硫化物較多。根據(jù)葉片各生理指標(biāo)與硫含量的相關(guān)性分析，法國(guó)梧桐具有顯著的抗污染能力，適合于栽種在南陽(yáng)市污染較重的功能區(qū)，可作為檢測(cè)城市污染程度的指示植物。

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