龐發(fā)虎 杜瑞卿 周索 楊建偉

摘要：為了研究河南省南陽市空氣中SO2濃度的變化對不同植物的影響以及植物對空氣中SO2濃度的監(jiān)測作用，選擇了南陽市5個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，并以法國梧桐（Platanus hispanica）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl]、法國冬青（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月逐月測定了植物葉片中的硫含量、電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量等5個指標，并采用方差分析、綜合方差分析、相關分析、判別分析等多種統(tǒng)計方法進行分析。結果表明，不同功能區(qū)空氣中的SO2濃度有顯著差異，不同樹種對空氣中SO2的吸收能力和抗脅迫能力有顯著差異；空氣中的SO2濃度、葉片中硫含量對各種樹生理指標有顯著影響。由此得出，通過對5個樹種的生理指標變化可以監(jiān)測空氣中的SO2濃度，其中最敏感的指標為電導率、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種是法國梧桐，是南陽市城市綠化和空氣凈化的優(yōu)良樹種。

關鍵詞：大氣污染；綠化樹種；SO2；生理特征

中圖分類號：Q948.116 文獻標識碼：A 文章編號：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

河南省南陽市處于亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶，由于其人口稠密，車流量大，空氣污染相對嚴重。在各種大氣污染物中，二氧化硫為南陽市主要污染物。城市綠化植物具有對大氣污染物的吸附、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于闡明城市大氣污染程度的生物效應具有現(xiàn)實的意義[2，3]。有研究者對空氣中SO2與植物含硫量關系進行了研究[4，5]，還有學者對植物與硫污染的關系進行了研究[6-9]。有關大氣污染對綠化植物的影響和作用機理雖已有些報道[10-12]，但在分析方法上存在不足。不同樹種對空氣中SO2的吸收能力和抗脅迫能力不同；不同生理觀察指標在不同植物上的變化往往表現(xiàn)參差不齊；觀察點之間的比較又存在多個樹種和多個觀察指標，因此用單一指標、單一樹種直接分析很難對多指標觀察對象給出評價和判斷，需用綜合分析方法。此外，觀察指標有時又受季節(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，并結合判別分析法等綜合性較強的分析方法，目的就是篩選出吸收空氣中SO2和抗SO2脅迫綜合能力最強、最適合南陽市綠化抗污染的樹種，分析出植物對空氣中SO2濃度變化敏感的生理指標，從而為南陽市城市空氣質量的監(jiān)測和城市綠化樹種的選擇提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 樣點的選擇

根據河南省南陽市區(qū)的分布情況，選擇了5個具有代表性的不同功能區(qū)，即油漆化工廠功能區(qū)（生產油漆，廠房附近大氣污染較為嚴重）、南陽卷煙廠廣場功能區(qū)（地處卷煙廠附近，且處于交通樞紐區(qū)，大氣污染較為嚴重）、市中心體育場功能區(qū)（附近車流量較大，有一定程度污染）、南陽師范學院功能區(qū)（文教區(qū)，位于郊區(qū)遠離市中心，周圍無廠房）、苗圃中心（相對清潔區(qū)，植被集中，離污染源較遠，空氣質量較高）。這5個樣地的土壤、水分等生境條件基本相同。

1.2 試驗樣品的采集

1.2.1 不同功能區(qū)SO2的濃度數據 采用南陽市2012年監(jiān)測點的監(jiān)測數據，共5個監(jiān)測點，各監(jiān)測點每小時1個數據，每天監(jiān)測12 h?？諝庵卸趸蚝课廴境潭劝础董h(huán)境空氣質量標準》（GB 3095-1996）一、二級標準進行評定。

1.2.2 植物葉片的采集 選擇各功能區(qū)都有的5種常見綠化植物，大葉黃楊（Buxus megistophylla）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl]、海桐（Pittosporum tobira）、法國梧桐（Platanus hispanica）、法國冬青（Viburnum odoratissimum）。在每個采樣點選擇同種植物的3～5株進行采樣。為了保證樣品的代表性，在各個采樣點選擇長勢和生長生態(tài)狀況相同的植株，采集向陽面光照強度一致的當年生新鮮葉片作為樣本，要求每個樣地、每個樣本采集5組葉片作為重復，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驗室，立即存放于4 ℃冰箱中待處理，用于生理指標的測定。

1.3 葉片生理指標的測定

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

1.4 統(tǒng)計分析

1.4.1 方差分析和綜合方差分析 對5個功能區(qū)空氣中SO2濃度以及葉片中硫含量、電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量分別進行方差分析，有顯著差異的進一步進行LSD多重比較。

為了比較5個功能區(qū)對5個樹種生理變化的綜合影響，即樹生理的綜合變化對空氣SO2變化的監(jiān)測作用，依據5個樹種和5個生理指標對5個功能區(qū)進行綜合方差分析。由于各指標隨月份變化而變化，受季節(jié)影響明顯，各指標單位又不同，為了消除季節(jié)和單位的影響，將每個指標值進行標準化處理。設指標值為Xijkt，i為指標編號（i=1，2，3，4，5），j為組別（功能區(qū)）編號（j=1，2，3，4，5，j=1時表示功能區(qū)為苗圃），k為樹種（k=1，2，3，4，5），t為月份編號。那么苗圃功能區(qū)每個指標每月在5個樹種上的平均值為：

Xijkt=■Xijkt5 （1）

標準化：

X′ijkt=XijktXijkt （2）

這時每個指標已消除了季節(jié)和單位的影響，因此多個指標可以看作是同一個指標進行方差分析。

1.4.2 相關分析 分別對空氣中SO2濃度、不同樹種葉片硫含量與各生理指標以及空氣中SO2濃度與葉片硫含量進行相關分析，以揭示空氣中SO2濃度對葉片硫含量與各生理指標變化的影響以及葉片硫含量對其他生理指標變化的影響。

1.4.3 判別分析 依據葉片硫含量、電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量對空氣中SO2濃度較高的油漆化工廠和卷煙廠廣場2個功能區(qū)的5個樹種進行判別分析，綜合篩選出對SO2吸收較好的樹種。為了消除季節(jié)影響，對各指標進行標準化處理。由于電導率、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，因此將電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b取倒數。

以上運算，利用軟件SPSS 18.0及MATLAB 7.0進行。

2 結果與分析

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5個不同功能區(qū)空氣中SO2濃度進行方差分析，結果顯示F=17.218，P<0.01，有極顯著差異；進一步對5個不同功能區(qū)空氣中SO2濃度進行多重比較（LSD），結果（圖1）表明，除苗圃中心與南陽師范學院間無顯著差異外，其他功能區(qū)間均存在極顯著差異。卷煙廠廣場和油漆化工廠空氣中SO2濃度較大，其平均值分別達到0.040 1、0.047 0 mg/m3， 可能與煙廠、油漆廠排放的SO2有關。而苗圃中心、南陽師范學院大氣中SO2濃度較低，分別為0.017 9、0.024 3 mg/m3，主要是因為苗圃中心、學校位于南陽市郊區(qū)，其植物種類較多，而車流量較少。

2.2 不同功能區(qū)各樹種生理指標的變化

對5個功能區(qū)葉片中硫含量、電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量分別進行方差分析，結果顯示各指標在不同功能區(qū)間都存在顯著或極顯著差異，因此進一步進行多重比較（LSD），多重比較結果見表1。由表1可知，各生理指標在苗圃中心、南陽師范學院與卷煙廠廣場、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、電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b在增大，脯氨酸含量在減小。5個功能區(qū)在大部分指標上相互間存在顯著差異，說明5個功能區(qū)空氣中SO2濃度已對各樹種的生理產生了顯著影響。受影響較敏感的指標為電導率、丙二醛、脯氨酸，在各功能區(qū)間都存在極顯著差異。

依據公式（2）對各指標進行標準化處理后，依據5個樹種和5個生理指標對5個功能區(qū)進行綜合方差分析，結果（表2）表明，除卷煙廠廣場和油漆化工廠外，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，油漆化工廠標準化指標值最大，說明葉片硫含量最大，受脅迫最大，也說明空氣中SO2濃度越高，污染越重；苗圃標準化指標值最小，說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的相關性分析

從表3可以看出，空氣中SO2濃度與各樹種葉片中硫含量都為極顯著正相關，其中法國梧桐的相關性最大，海桐最小，說明法國梧桐吸收空氣中SO2的能力最強。除香樟空氣中SO2濃度與電導率、大葉黃楊空氣中SO2濃度與丙二醛含量相關性不顯著外，其他樹種的葉片中硫含量、空氣中SO2濃度均與電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b呈顯著或極顯著正相關?？偟淖兓厔菔菑姆▏嗤┑胶Ｍ┮来卧谠龃螅f明法國梧桐受空氣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5個生理指標的綜合變化特點，篩選出吸收SO2、抗SO2脅迫能力強的樹種，選擇污染較重的卷煙廠廣場和油漆化工廠功能區(qū)對5個樹種進行判別分析。首先對各指標進行標準化處理，并將電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b取倒數。

對卷煙廠廣場進行判別，結果表明判別函數極顯著，5個指標在5個樹種間有極顯著差異，法國梧桐的正確判別率為100%，法國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中第一判別函數方差貢獻率為92.0%，第二判別函數方差貢獻率為6.1%，因此以第一判別函數值為主要判斷依據，可以看出法國梧桐吸收SO2和抗SO2脅迫的綜合能力最強，其次是法國冬青，香樟、大葉黃楊和海桐間的距離較近，相似性較大。

對油漆化工廠功能區(qū)進行判別，結果表明，判別函數極顯著，5個指標在5個樹種間有極顯著差異，法國梧桐的正確判別率為100%，法國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中第一判別函數方差貢獻率為91.0%，第二判別函數方差貢獻率為7.3%，因此以第一判別函數值為主要判斷依據，可以看出法國梧桐吸收SO2和抗SO2脅迫的綜合能力最強，其次是法國冬青，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，但法國梧桐與其他樹種間的距離更遠，法國冬青與香樟間的距離也進一步拉開。

3 結論與討論

SO2可以通過植物葉片的氣孔進入到植物組織，通過生理代謝和生化反應，大部分被還原成硫，或進一步同化為自身生長的一部分元素，參與生長發(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。通過對南陽市5個不同功能區(qū)的SO2濃度進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)油漆化工廠污染最嚴重，可能與油漆化工廠燃煤排放、SO2等廢氣排放有關。苗圃中心、南陽師范學院位于南陽市郊區(qū)，植物種類較多，車流量少，因此污染較輕。本研究認為同一種植物在不同功能區(qū)對空氣污染物的響應有差異，這與李寒娥等[15]的研究結果相一致。本研究所選的功能區(qū)之間、樹種之間在所有觀察指標上均存在顯著差異，說明選擇是合理的、有實際意義的。不同功能區(qū)空氣中SO2濃度有顯著差異，不同樹種對空氣中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主要的滲透調節(jié)物質，是表征空氣污染的良好參數，是植物對逆境脅迫的一種生理性適應反映，與抗逆性密切相關[16]。植物受到大氣污染后，細胞膜透性受到破壞，葉片的電導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)生膜脂過氧化作用的產物之一，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，但其中具有保護作用的葉綠素b較易分解，因此在一定范圍內，污染越嚴重，葉綠素a/b越大[19]。本研究結果表明，空氣中SO2濃度對樹種葉片硫含量、電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量等生理指標大部分有顯著影響，葉片中硫含量對電導率、丙二醛含量、葉綠素a/b、脯氨酸含量大部分也有顯著影響。

試驗結果表明，法國梧桐、法國冬青、香樟、大葉黃楊、海桐葉片各生理指標變化可以監(jiān)測空氣中SO2濃度，其中最敏感的指標為電導率、丙二醛、脯氨酸。當然植物葉片硫含量的監(jiān)測是個復雜的過程，因為植物不僅可以從空氣中吸收，還可以從土壤中吸收。因此不同的生境對植物葉片硫的分析的影響是不同的。

植物對大氣污染物的耐受能力與適應性是不一樣的，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)測大氣中SO2，但在對適用本地區(qū)綠化樹種的選擇時，應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性的樹種，這樣才可以用于監(jiān)測大氣污染。本研究對各樹種的綜合比較結果表明，吸收空氣中SO2和抗SO2脅迫綜合能力最強的是法國梧桐，其次是法國冬青，這與羅紅艷等[20]、周志翔[11]研究認為落葉喬木>灌木>常綠針葉樹的趨勢的結果相一致。分析原因可能是由于法國梧桐是喬木闊葉樹種，葉片的代謝相對較快，轉化硫的速率較快，同時可能具有豐富的氣孔開度，吸附硫化物較多。根據葉片各生理指標與硫含量的相關性分析，法國梧桐具有顯著的抗污染能力，適合于栽種在南陽市污染較重的功能區(qū)，可作為檢測城市污染程度的指示植物。

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