北京远郊区臭氧污染及其对敏感植物叶片的伤害

万五星，夏亚军，张红星，王 娇，王效科，*

(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室 100085;2.河北师范大学生命科学学院 050016;3.河北雾灵山国家级自然保护区管理局 067300;4.中国节能环保集团公司 100082)

伴随着工业化程度的提高，人类日常生活、工业生产以及汽车尾气排放等过程消耗大量化石燃料，并向大气中不断排放CO、NO/NOx、VOCs等物质，导致对流层大气O3循环丧失原有平衡，并最终导致O3浓度显著升高，成为许多地区的主要空气污染现象。

臭氧(O3)是一种氧化性很强且生物危害很大的二次污染物，会对包括农作物和野生植物在内的很多种植物造成明显危害［1］。O3通过气孔进入植物，在植物体内产生脂质过氧化反应，破坏细胞膜结构，改变植物生理生化过程，造成植物叶片出现斑点和萎黄等可见的叶片伤害特征，还会导致幼叶脱落、光合降低以及根茎叶生物量的减少［2］。欧美国家已经在野外观测到大量植物受害症状。

在美国，早在1956年，Middleton就认为空气O3会威胁到植物的生长。随后有许多控制实验证明了O3对植物，包括森林植物，有非常大的危害。1983年，Skelly等在美国的Virginia的Shenandoah National Park(SHEN)就发现自然空气 O3已经威胁到部分地区的森林生长，叶片已经出现受害症状［3］。在美国的California也发现多处森林植物受到O3的危害［4］。在欧洲，Richards等早在1958年就对葡萄属(Vitis)植物叶片在高浓度O3条件下近轴面出现深色斑点的典型伤害特征进行了描述［5］。Donald D.Davis等人在对福赛斯野生生物保护区的植物进行研究时，在黑莓(Rubus villosus)、马利筋(Asclepias curassavica)、黄樟(Cinnamomum porrectum)以及野葡萄(Vitis thunbergii)等植物上也发现了相同的特征。同时他们还在少数美国接骨木(Sambucus canadensis)和一些不知名的荚蒾属(Viburnum)植物上也发现了相同特征［6-8］。熏气实验证明了O3浓度升高可以造成小麦、水稻和油菜等农作物的叶片出现受害症状和减产及林木叶片出现受害症状和生长减缓等特征。尽管我国许多地区的空气O3浓度已经超过了植物受害的临界浓度，但目前对高O3浓度地区的植物生长进行观测缺乏，还未见有关野外O3伤害症状的报道。

对野外O3伤害症状进行观测，是一种研究O3对植物影响的简单而直接的方法，不但可以判断目前空气O3浓度是否达到了危害自然状况下植物生长发育的水平，而且可以为进行植物敏感性评价提供客观证据。本研究在分析北京城市生态站3个观测站点O3浓度监测结果的基础上，评价了空气O3对植物的危害风险;并通过在北京远郊区的实地观察，分析了高O3浓度下主要木本植物叶片伤害症状。

通过对北京市及周边O3浓度监测结果与国内外相关研究数据对比，发现北京市空气O3浓度已经达到很高的水平，以远郊地区最为显著。通过观测发现，多种植物叶片表现出了O3伤害症状。本研究以报道北京远郊区高浓度空气O3对植物造成的伤害为出发点，旨在号召相关研究人员深入开展针对北京市环境O3的进一步研究，以期获得环境O3浓度升高与植物叶片伤害之间关系的明确结论，并为北京市城市发展规划提供可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 空气O3浓度长期定位监测

中国科学院北京城市生态系统研究站在北京市设有3个长期定位监测站，包括北京市教学植物园、生态环境研究中心和北京蟒山天池风景区，分别位于北京市的城区、近郊区和远郊区，对空气O3浓度进行连续观测。O3浓度监测采用Thermo 49iO3分析仪，通过测量254nm波长下O3对紫外辐射的吸收计算出O3浓度，仪器的分析最低检测限为0.098μg/m3。有专人进行仪器维护和严格的监测数据质量控制。计算空气O3暴露剂量AOT40(大于78.5 μg/m3的空气O3小时浓度值的累计值)，作为评价O3对植物造成危害的指标。在本研究中，为了评价O3对植物生长的影响，只使用了植物生长盛期(5—9月份)的O3浓度观测记录。

1.2 野外植物O3伤害的鉴定

野外植物O3伤害症状的调查地点在昌平区的蟒山国家森林公园，时间为2010年9月底。通过野外观测和拍照，共调查了26种木本植物，并邀请美国Environmental Pollution杂志主编、马萨诸塞大学William J.Manning教授对野外观测的照片进行了鉴定指导。依据国内外实验研究及野外观测的结果，当植物环境O3浓度超过一定值时，部分植物就会表现出叶面伤害特征。一般情况下，O3敏感植物表现为老叶受伤害较严重，其伤害特征首先表现为叶片出现均匀细密斑点，多为黄色至褐色，受害严重的会出现斑块状干死和尖烧现象。

1.3 对指示植物及疑似植物的定义

2003年6月，在美国马里兰州巴尔的摩召开了关于国家公园中O3敏感植物研究的研讨会，这次会议将O3敏感植物分为2类:O3伤害指示植物和O3伤害疑似植物，并分别对这两类植物进行了定义［9］。定义指出:指示植物是指在环境O3浓度下产生的叶片伤害特征能容易被专业人士认定为O3伤害，而且这些叶片伤害特征已经在可靠浓度下的曝气实验中得到验证，同时这些物种在研究区域内分布较广泛且较容易野外识别;疑似植物是指植物具有O3伤害的敏感特征，但不能满足指示植物的鉴定标准，例如仅在远高于环境实际O3浓度的条件下或在有限的区域中体现伤害特征，或不同观测者的结论存在冲突等。但这些疑似植物可以作为研究者未来调查、研究的备选对象。

2 结果

2.1 北京市远郊区空气O3浓度特征

通过长期定位监测，获得了北京市O3小时浓度的统计特征(表1)。研究表明:城区、近郊区和远郊区监测点空气O3浓度较高的时期集中在5—8月份，从3个监测点的O3浓度的绝对值来看，远郊监测点获得的O3浓度8:00—18:00平均值和日平均值均显著高于城区和近郊区。植物生长盛期(5—9月份)O3小时浓度实测值超过国家二级O3环境质量标准(160 μg/m3)的天数占监测天数的28.7%.远郊区6月份8:00—18:00平均值均超过国家空气质量二级标准，7月份8—18时平均值也达到144μg/m3，接近国家空气质量二级标准。各监测点较高的O3小时浓度最大值在6—8月份集中出现，其中近郊区和远郊区7月份最大值几乎达到国家环境空气质量二级标准的3倍。远郊区5—8月份O3小时浓度最大值总体水平也略高于城区和近郊区。总体上看，站点间O3浓度差异达到显著水平(P＜0.05)。

表1 2010年5月—2010年9月O3小时浓度统计特征Table 1 Statistical characteristic of ozone hour concentration from May to September in 2010

从各监测点5—9月份AOT40值来看，均远远超过WHO提出的对野生植物构成伤害的19.6μg/m3的限度。远郊区达到98.9μg/m3，并远远高于城区和近郊区(图1)。

2.2 北京市远郊区木本植物在高O3浓度下的叶片伤害特征

依据欧洲以及北美等国家长期研究建立的O3叶片伤害鉴定标准，对昌平区蟒山国家森林公园木本植物在高O3浓度下的叶片伤害特征进行了鉴定。研究结果表明，在北京市远郊目前的大气O3浓度水平下，多种木本植物表现出了典型O3叶片伤害特征，可以作为北京市及周边地区高浓度O3造成叶片伤害的指示植物。另外还有一些具有类似O3叶片伤害特征的物种，但由于目前尚无明确的研究结论作为理论支持，暂定为本地区的O3叶片伤害疑似物种(表2)。

图1 北京市空气O32010年5—9月份AOT40值Fig.1 AOT40 value of Beijing ambient O3from May to September in 2010

表2 北京市远郊木本植物O3叶片伤害特征Table 2 Ozone foliar injury symptoms of the woody plants in Beijing exurban region

2.2.1 O3造成叶片伤害的指示植物

综合北京市远郊高浓度O3导致敏感植物造成叶片伤害的基本特征来看，大体可以分为以下几种情况:

(1)叶片上出现灰色、白色或淡黄色等浅色斑点或斑块。一般情况下，这些斑点或斑块面积较小，直径一般在1—2mm，多数不超过5mm。如多花胡枝子、短梗胡枝子、葎叶蛇葡萄等。这些颜色较浅的叶片伤害特征，与W.J.Manning等研究中最早出现的O3导致叶片伤害特征相同［10］。

(2)叶片上出现较深的黄色、黄褐色、棕色、褐色或赭石色斑块或枯死，如扁担木、荆条、山桃、核桃楸等。还有一些植物呈现红色或红褐色斑块，如毛黄栌等，斑块一般较大，多数能达到5mm以上，甚至更大或连成一片，扩展到整个叶片。较大斑块中间往往呈深褐色枯死，同时还往往导致叶片出现向背面或腹面的卷曲，如山杏、毛黄栌、荆条、火炬树等。这些黄色至褐色的斑枯，是实验条件和环境条件下O3导致叶片伤害的最常见特征，与众多研究结果一致［5-12］。

(3)植物叶片边缘呈现褐色枯死或尖烧，由叶缘向叶片中间蔓延，边缘枯死严重，如三裂绣线菊、辽东栎、扁担木、多花胡枝子、荆条、核桃楸等。在Manning及Innes等的研究中出现了相似叶片伤害特征［10，12］。

以上植物叶片伤害特征明显，且与众多国内外实验观测结果相吻合［5-12］，属于大气O3污染的敏感物种，可以作为北京市远郊区大气O3污染监测的指示植物(图2)。

2.2.2 疑似由于 O3造成叶片伤害的植物

在相同环境条件下还有另外一些植物，其叶片表现出类似的伤害特征，如出现黄色、褐色斑块或部分乃至全叶枯死等。但目前尚未通过实验证明这些物种产生类似伤害特征是否属于O3污染导致的叶片伤害，依照欧洲以及北美等国家鉴定O3敏感植物的一般区分方法，可将这些植物作为北京市远郊区O3污染监测的疑似物种。这些物种的叶片伤害特征可以分为以下几类:

(1)裸子植物的叶片枯死 枯死的类型包含3种不同类型，一是当年生针叶完全干枯，枯死叶呈柔软草质，如偃松;其次，针叶呈现自顶部向基部的枯死，枯死呈间断或连续状，枯死长度不一，严重者全叶枯死，如偃松、油松、白皮松;第三种就是鳞状叶植物的叶片枯死，多数呈现叶片从枝基部向顶部枯死，由于鳞状叶较小，均为全叶枯死，颜色为土黄色，如侧柏，远观整株植物呈明显病态，且有向阳面较背阴面严重的特点。

在2003年巴尔的摩会议上提出的关于O3伤害指示植物和疑似植物的分类列表中，不同的裸子植物(针叶树)种类被作为不同的类群看待，主要依据是这些植物的受伤害特征是否广泛、普遍存在或是否只存在于极端条件下［9］。本研究中针叶植物出现的伤害特征虽然明显且在观测区域广泛存在，但目前不具备明确实验研究依据及广泛观测证据支持，暂作为O3导致叶片伤害的疑似植物看待。

(2)阔叶植物叶脉间呈现条状、块状黄色至褐色斑块，如榆、毛榛、桑、构树等。严重的也出现叶缘枯死或尖烧，如桑、山杨。

(3)仅在叶片腹面出现浅色斑点或深色枯死，如栾树。

后两类植物出现的类似高浓度O3导致叶片伤害的现象，有待于进一步通过实验进行验证，暂将这些植物作为高浓度O3导致叶片伤害的疑似物种对待(图3)。

3 讨论

O3对植物造成伤害的症状，往往会表现为叶片变红、萎黄、斑枯以及叶片未成熟脱落。这些特征可以通过控制性熏气实验来证实。但类似的叶片症状也可能出现在植物受到炎热、干旱等胁迫因子的影响或秋季植物休眠开始时［11］。Gravanoet等发现，作为外来入侵物种的天堂树(Ailanthus altissima)呈现出了从浅褐色到黑色的斑点，斑点的黑色与已有研究的其他植物不同［13］，依据Manning等的研究，可以认为斑点颜色变黑的特征是由于受到 O3伤害的时间长、程度深造成的［10］。尽管光叶盐肤木(Rhus copallina)和美国地锦(Parthenocissus quinquefolia)被美国内政部(US DOI，2003)列为臭氧敏感植物［14］，但这两种植物的臭氧伤害特征是叶片变红，而这样的特征又与出现斑点伤害特征存在明显差异。在很多人的研究中，也发现了相同的叶片变红的特征，尤其是在生长季末、潮湿、炎热或者秋季休眠开始的时候进行调查研究时，这样的现象更加显著［6-8］。

图2 北京市远郊O3叶片伤害指示植物Fig.2 Indicator plants of O3foliar injury in Beijing exurban region

同时，通过对目前已有的研究结论进行比较发现，同一植物在不同的环境中会表现为对O3伤害的不同反应。在某个地方表现为对O3敏感的植物在另一个具有相似臭氧特征的环境下则有可能没有出现O3导致的叶片伤害症状。产生这种现象的原因可能是:由于自然生态系统中，很多其他的生态因子可能会对O3造成的叶片伤害起到缓解或者是加剧的作用，例如土壤湿度、其他污染气体的存在、昆虫、疾病以及其他环境胁迫因子的影响［12］。

目前，研究人员通过开顶气室(OTC)等实验手段模拟O3浓度升高对植物造成的伤害，确定了一些物种可以作为区域性O3伤害的指示植物［10］。但由于O3对不同植物的叶片以及对同一植物不同生长状态的叶片造成伤害的表现特征存在显著差异和不确定性，对一些叶片出现类似O3伤害特征的植物物种，并不能明确其具体原因，将其作为疑似O3伤害物种对待。

不同植物在高浓度O3危害下出现的伤害斑点的颜色具有明显差异。可能是由于植物本身的生理生化特征不同，造成由气孔进入植物体的O3与植物组织产生氧化反应的过程存在差异，伤害结果和伤害程度因此表现不同。植物所处环境中的水分、光照等生态因子的差异也有可能缓解或者加剧了O3对植物叶片造成的伤害。此外，O3对植物的伤害可能与植物叶片成熟时期有关。欧美学者利用开顶气室(OTC)研究发现，O3伤害造成的深色斑点或尖烧现象多数发生在较成熟的叶片上，因叶片的成熟时期不同，高浓度O3对植物叶片形成伤害的时间长短也就存在差异，因而表现出了斑点颜色由浅及深的叶片伤害特征。

图3 北京市远郊O3叶片伤害疑似植物Fig.3 Suspected plants of O3foliar injury in Beijing exurban region

本研究观测到了北京市远郊地区15种木本植物出现O3伤害症状，结合远郊地区空气O3浓度较高的特点，说明北京远郊区的一些敏感植物已经受到了空气O3危害。因此，控制空气O3污染对我国城市周边的森林生态系统保护具有重要意义。

4 结论

(1)北京市远郊区的O3浓度日平均值和8:00—18:00平均值明显高于城区和近郊区，生长盛期(5—9月份)远郊区的AOT40是98.9μg/m3，已经远远超过WHO提出的野生植物临界负荷(4—9月份的AOT40＜19.6μg/m3)。

(2)扁担木、多花胡枝子、荆条、毛黄栌、金雀花以及葎叶蛇葡萄等15种野生木本植物可以作为北京市远郊地区O3污染监测的指示植物。在各种不同植物出现的O3伤害特征中，大体可以分为两类:叶片上的斑点和叶缘的尖烧现象。叶片上的斑点颜色表现为:从白色、灰白色的非着色现象到黄色、黄褐色、深褐色至黑色的灼伤特征，这些特征与欧洲及北美学者获得的研究结论基本一致。

(3)栾树、构树、桑、榆以及油松等11种植物表现出了与现有观测及实验研究相似的O3叶片伤害特征，但由于环境的复杂性(包括自然因子的差异及其他污染气体的共同作用)，目前尚不能确定其伤害特征是否由高浓度O3引起，暂将这些植物指定为北京市远郊O3污染监测的疑似植物。

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