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)國家重點實驗室 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)是一種氧化性很強且生物危害很大的二次污染物,會對包括農(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)斑點和萎黃等可見的葉片傷害特征,還會導(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會威脅到植物的生長。隨后有許多控制實驗證明了O3對植物,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,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)深色斑點的典型傷害特征進(jìn)行了描述[5]。Donald D.Davis等人在對福賽斯野生生物保護(hù)區(qū)的植物進(jìn)行研究時,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]。熏氣實驗證明了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,但目前對高O3濃度地區(qū)的植物生長進(jìn)行觀測缺乏,還未見有關(guān)野外O3傷害癥狀的報道。
對野外O3傷害癥狀進(jìn)行觀測,是一種研究O3對植物影響的簡單而直接的方法,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發(fā)育的水平,而且可以為進(jìn)行植物敏感性評價提供客觀證據(jù)。本研究在分析北京城市生態(tài)站3個觀測站點O3濃度監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上,評價了空氣O3對植物的危害風(fēng)險;并通過在北京遠(yuǎn)郊區(qū)的實地觀察,分析了高O3濃度下主要木本植物葉片傷害癥狀。
通過對北京市及周邊O3濃度監(jiān)測結(jié)果與國內(nèi)外相關(guān)研究數(shù)據(jù)對比,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。本研究以報道北京遠(yuǎn)郊區(qū)高濃度空氣O3對植物造成的傷害為出發(fā)點,旨在號召相關(guān)研究人員深入開展針對北京市環(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)。
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個長期定位監(jiān)測站,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),對空氣O3濃度進(jìn)行連續(xù)觀測。O3濃度監(jiān)測采用Thermo 49iO3分析儀,通過測量254nm波長下O3對紫外輻射的吸收計算出O3濃度,儀器的分析最低檢測限為0.098μg/m3。有專人進(jìn)行儀器維護(hù)和嚴(yán)格的監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。計算空氣O3暴露劑量AOT40(大于78.5 μg/m3的空氣O3小時濃度值的累計值),作為評價O3對植物造成危害的指標(biāo)。在本研究中,為了評價O3對植物生長的影響,只使用了植物生長盛期(5—9月份)的O3濃度觀測記錄。
野外植物O3傷害癥狀的調(diào)查地點在昌平區(qū)的蟒山國家森林公園,時間為2010年9月底。通過野外觀測和拍照,共調(diào)查了26種木本植物,并邀請美國Environmental Pollution雜志主編、馬薩諸塞大學(xué)William J.Manning教授對野外觀測的照片進(jìn)行了鑒定指導(dǎo)。依據(jù)國內(nèi)外實驗研究及野外觀測的結(jié)果,當(dāng)植物環(huán)境O3濃度超過一定值時,部分植物就會表現(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,多為黃色至褐色,受害嚴(yán)重的會出現(xiàn)斑塊狀干死和尖燒現(xiàn)象。
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,這次會議將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驗中得到驗證,同時這些物種在研究區(qū)域內(nèi)分布較廣泛且較容易野外識別;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、研究的備選對象。
通過長期定位監(jiān)測,獲得了北京市O3小時濃度的統(tǒng)計特征(表1)。研究表明:城區(qū)、近郊區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)監(jiān)測點空氣O3濃度較高的時期集中在5—8月份,從3個監(jiān)測點的O3濃度的絕對值來看,遠(yuǎn)郊監(jiān)測點獲得的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)。植物生長盛期(5—9月份)O3小時濃度實測值超過國家二級O3環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(160 μg/m3)的天數(shù)占監(jiān)測天數(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)量二級標(biāo)準(zhǔn),7月份8—18時平均值也達(dá)到144μg/m3,接近國家空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。各監(jiān)測點較高的O3小時濃度最大值在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)量二級標(biāo)準(zhǔn)的3倍。遠(yuǎn)郊區(qū)5—8月份O3小時濃度最大值總體水平也略高于城區(qū)和近郊區(qū)??傮w上看,站點間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小時濃度統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristic of ozone hour concentration from May to September in 2010
從各監(jiān)測點5—9月份AOT40值來看,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過WHO提出的對野生植物構(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)。
依據(jù)歐洲以及北美等國家長期研究建立的O3葉片傷害鑒定標(biāo)準(zhǔn),對昌平區(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或斑塊。一般情況下,這些斑點或斑塊面積較小,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,擴展到整個葉片。較大斑塊中間往往呈深褐色枯死,同時還往往導(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,是實驗條件和環(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)外實驗觀測結(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。但目前尚未通過實驗證明這些物種產(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。
在2003年巴爾的摩會議上提出的關(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區(qū)域廣泛存在,但目前不具備明確實驗研究依據(jù)及廣泛觀測證據(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)一步通過實驗進(jìn)行驗證,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待(圖3)。
O3對植物造成傷害的癥狀,往往會表現(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驗來證實。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[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,斑點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)為斑點顏色變黑的特征是由于受到 O3傷害的時間長、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,尤其是在生長季末、潮濕、炎熱或者秋季休眠開始的時候進(jìn)行調(diào)查研究時,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,通過對目前已有的研究結(jié)論進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),同一植物在不同的環(huán)境中會表現(xiàn)為對O3傷害的不同反應(yīng)。在某個地方表現(xiàn)為對O3敏感的植物在另一個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)因子可能會對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)等實驗手段模擬O3濃度升高對植物造成的傷害,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對不同植物的葉片以及對同一植物不同生長狀態(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傷害物種對待。
不同植物在高濃度O3危害下出現(xiàn)的傷害斑點的顏色具有明顯差異??赡苁怯捎谥参锉旧淼纳砩卣鞑煌?,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對植物葉片造成的傷害。此外,O3對植物的傷害可能與植物葉片成熟時期有關(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,因葉片的成熟時期不同,高濃度O3對植物葉片形成傷害的時間長短也就存在差異,因而表現(xiàn)出了斑點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,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污染對我國城市周邊的森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要意義。
(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:葉片上的斑點和葉緣的尖燒現(xiàn)象。葉片上的斑點顏色表現(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)有觀測及實驗研究相似的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)測的疑似植物。
[1] U.S.Environmental Protection Agency.Air Quality Criteria for Ozone and Related Photochemical Oxidants.Vol.2.EPA/600/P-93/004bF.U.S.Environmental Protection Agency,Office of Research and Development.North Carolina:Research Triangle Park,1996.
[2] Skelly J M.Tropospheric ozone and its importance to forests and natural plant communities of the northeastern United States.Northeastern Naturalist,2000,7(3):221-236.
[3] Yang Y S,Skelly J M,Chevone B I,Birch J B,Effects of short-term ozone exposure on net photosynthesis,dark respiration,and transpiration of three eastern white pine clones,Environment International,1983,9,(4),265-269.
[4] Miller P R,McBride J R,Oxidant Air Pollution Impacts in the Montane Forests of Southern California:A Case Study of the San Bernardino Mountains,New York:Springer-Verlag,1999:424-424.
[5] Richards B L,Middleton J T,Hewitt W B,Air pollution with relation to agronomic crops.V.Oxidant stipple of grape.Agronomy Journal,1958,50(9):559-561.
[6] Davis D D,Skelly J M,F(xiàn)oliar sensitivity of eight eastern hardwood tree species to ozone.Water,ir,and Soil Pollution,1992,62(3/4):269-277.
[7] Davis D D,Hutnik R J,McClenahen J R,Evaluation of vegetation near coal-burning power plants in Southwestern Pennsylvania:ozone injury on foliage of hybrid poplar.Journal of Air and Waste Management Association,1993,43(5):760-764.
[8] Davis D D,Orendovici T,Incidence of ozone symptoms on vegetation within a National Wildlife Refuge in New Jersey,USA.Environmental Pollution,2006,143,(3):555-564.
[9] Ozone Sensitive Plant Species on National Park Service and U.S.Fish and Wildlife Service Lands:Results of a June 24-25,2003 Workshop,Baltimore,Maryland.
[10] Manning W J,Godzik B,Bioindicator plants for ambient ozone in Central and Eastern Europe.Environmental Pollution,2004,130(1):33-39.
[11] Orendovici T,Skelly J M,F(xiàn)erdinand J A,Savage J E,Sanz M J,Smith G C,Response of native plants of northeastern United States and southern Spain to ozone exposures;determining exposure/response relationships.Environmental Pollution,2003,125(1):31-40.
[12] Innes J L,Skelly J M,Schaub M,Ozone and broadleaved species-A guide to the identification of ozone-induced foliar injury.Bern;Stuttgart;Wien;Haupt,2001.
[13] Gravano E,Giulietti V,Desotgiu R,Bussotti F,Grossoni P,Gerosa G,Tani C,F(xiàn)oliar response of an Ailanthus altissima clone in two sites with different levels of ozone-pollution.Environmental Pollution,2003,121(1):137-146.
[14] United States Department of the Interior(US DOI),Ozone Sensitive Plant Species on National Park Service and U.S.Fish and Wildlife Service Lands:Results of a June 24-25,2003 Workshop,Baltimore,Maryland.Natural Resource Report NPS/NRARD/NRR-2003/01,2003,21-21.