植物生理特征对南阳市空气中SO2浓度的监测分析

庞发虎 杜瑞卿 周索 杨建伟

摘要：为了研究河南省南阳市空气中SO2浓度的变化对不同植物的影响以及植物对空气中SO2浓度的监测作用，选择了南阳市5个具有代表性的不同功能区，研究了不同功能区空气中SO2浓度的变化，并以法国梧桐（Platanus hispanica）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl]、法国冬青（Viburnum odoratissimum）、大叶黄杨（Buxus megistophylla）、海桐（Pittosporum tobira）5种植物的叶片为试材，于4-10月逐月测定了植物叶片中的硫含量、电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b、脯氨酸含量等5个指标，并采用方差分析、综合方差分析、相关分析、判别分析等多种统计方法进行分析。结果表明，不同功能区空气中的SO2浓度有显著差异，不同树种对空气中SO2的吸收能力和抗胁迫能力有显著差异；空气中的SO2浓度、叶片中硫含量对各种树生理指标有显著影响。由此得出，通过对5个树种的生理指标变化可以监测空气中的SO2浓度，其中最敏感的指标为电导率、丙二醛和脯氨酸含量。吸收空气中SO2和抗SO2胁迫综合能力最好的树种是法国梧桐，是南阳市城市绿化和空气净化的优良树种。

关键词：大气污染；绿化树种；SO2；生理特征

中图分类号：Q948.116 文献标识码：A 文章编号：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

河南省南阳市处于亚热带向暖温带的过渡地带，由于其人口稠密，车流量大，空气污染相对严重。在各种大气污染物中，二氧化硫为南阳市主要污染物。城市绿化植物具有对大气污染物的吸附、吸收、净化能力[1]。叶片是植物与环境气体交换的主要器官，最易受大气污染的伤害。许多研究表明，植物叶片生理特性的变化对于阐明城市大气污染程度的生物效应具有现实的意义[2，3]。有研究者对空气中SO2与植物含硫量关系进行了研究[4，5]，还有学者对植物与硫污染的关系进行了研究[6-9]。有关大气污染对绿化植物的影响和作用机理虽已有些报道[10-12]，但在分析方法上存在不足。不同树种对空氣中SO2的吸收能力和抗胁迫能力不同；不同生理观察指标在不同植物上的变化往往表现参差不齐；观察点之间的比较又存在多个树种和多个观察指标，因此用单一指标、单一树种直接分析很难对多指标观察对象给出评价和判断，需用综合分析方法。此外，观察指标有时又受季节因素的影响，受不同单位限制，需要克服这些影响和限制。因此本研究提出了综合方差分析方法，并结合判别分析法等综合性较强的分析方法，目的就是筛选出吸收空气中SO2和抗SO2胁迫综合能力最强、最适合南阳市绿化抗污染的树种，分析出植物对空气中SO2浓度变化敏感的生理指标，从而为南阳市城市空气质量的监测和城市绿化树种的选择提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 样点的选择

根据河南省南阳市区的分布情况，选择了5个具有代表性的不同功能区，即油漆化工厂功能区（生产油漆，厂房附近大气污染较为严重）、南阳卷烟厂广场功能区（地处卷烟厂附近，且处于交通枢纽区，大气污染较为严重）、市中心体育场功能区（附近车流量较大，有一定程度污染）、南阳师范学院功能区（文教区，位于郊区远离市中心，周围无厂房）、苗圃中心（相对清洁区，植被集中，离污染源较远，空气质量较高）。这5个样地的土壤、水分等生境条件基本相同。

1.2 试验样品的采集

1.2.1 不同功能区SO2的浓度数据 采用南阳市2012年监测点的监测数据，共5个监测点，各监测点每小时1个数据，每天监测12 h。空气中二氧化硫含量污染程度按《环境空气质量标准》（GB 3095-1996）一、二级标准进行评定。

1.2.2 植物叶片的采集 选择各功能区都有的5种常见绿化植物，大叶黄杨（Buxus megistophylla）、香樟[Cinnamomum camphora （L.） Presl]、海桐（Pittosporum tobira）、法国梧桐（Platanus hispanica）、法国冬青（Viburnum odoratissimum）。在每个采样点选择同种植物的3～5株进行采样。为了保证样品的代表性，在各个采样点选择长势和生长生态状况相同的植株，采集向阳面光照强度一致的当年生新鲜叶片作为样本，要求每个样地、每个样本采集5组叶片作为重复，于同一天上午9：00左右采集，置于带有冰块的冰盒中带回实验室，立即存放于4 ℃冰箱中待处理，用于生理指标的测定。

1.3 叶片生理指标的测定

叶片硫含量的测定：将采集的叶片用自来水冲洗干净，在60 ℃恒温箱烘干、粉碎、过40目筛混合均匀，采用HNO3-HClO4消煮，BaSO4比浊法测定[13]。丙二醛含量的测定参照张志良等的《植物生理学实验指导》[14]；细胞膜渗透率（电导率）采用DDS-307型电导仪测定；游离脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸法[14]；叶绿素含量的测定采用乙醇提取法。

1.4 统计分析

1.4.1 方差分析和综合方差分析 对5个功能区空气中SO2浓度以及叶片中硫含量、电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b、脯氨酸含量分别进行方差分析，有显著差异的进一步进行LSD多重比较。

为了比较5个功能区对5个树种生理变化的综合影响，即树生理的综合变化对空气SO2变化的监测作用，依据5个树种和5个生理指标对5个功能区进行综合方差分析。由于各指标随月份变化而变化，受季节影响明显，各指标单位又不同，为了消除季节和单位的影响，将每个指标值进行标准化处理。设指标值为Xijkt，i为指标编号（i=1，2，3，4，5），j为组别（功能区）编号（j=1，2，3，4，5，j=1时表示功能区为苗圃），k为树种（k=1，2，3，4，5），t为月份编号。那么苗圃功能区每个指标每月在5个树种上的平均值为：

Xijkt=■Xijkt5 （1）

标准化：

X′ijkt=XijktXijkt （2）

这时每个指标已消除了季节和单位的影响，因此多个指标可以看作是同一个指标进行方差分析。

1.4.2 相关分析 分别对空气中SO2浓度、不同树种叶片硫含量与各生理指标以及空气中SO2浓度与叶片硫含量进行相关分析，以揭示空气中SO2浓度对叶片硫含量与各生理指标变化的影响以及叶片硫含量对其他生理指标变化的影响。

1.4.3 判别分析 依据叶片硫含量、电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b、脯氨酸含量对空气中SO2浓度较高的油漆化工厂和卷烟厂广场2个功能区的5个树种进行判别分析，综合筛选出对SO2吸收较好的树种。为了消除季节影响，对各指标进行标准化处理。由于电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b越小表示抗性越好，脯氨酸含量越大抗性越好，叶片中硫含量越高越好，为了都为正指标，因此将电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b取倒数。

以上运算，利用软件SPSS 18.0及MATLAB 7.0进行。

2 结果与分析

2.1 不同功能区空气中SO2浓度的变化

如图1所示，不同功能区空气中SO2浓度的变化不同。对5个不同功能区空气中SO2浓度进行方差分析，结果显示F=17.218，P<0.01，有极显著差异；进一步对5个不同功能区空气中SO2浓度进行多重比较（LSD），结果（图1）表明，除苗圃中心与南阳师范学院间无显著差异外，其他功能区间均存在极显著差异。卷烟厂广场和油漆化工厂空气中SO2浓度较大，其平均值分别达到0.040 1、0.047 0 mg/m3， 可能与烟厂、油漆厂排放的SO2有关。而苗圃中心、南阳师范学院大气中SO2浓度较低，分别为0.017 9、0.024 3 mg/m3，主要是因为苗圃中心、学校位于南阳市郊区，其植物种类较多，而车流量较少。

2.2 不同功能区各树种生理指标的变化

对5个功能区叶片中硫含量、电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b、脯氨酸含量分别进行方差分析，结果显示各指标在不同功能区间都存在显著或极显著差异，因此进一步进行多重比较（LSD），多重比较结果见表1。由表1可知，各生理指标在苗圃中心、南阳师范学院与卷烟厂广场、油漆化工厂之间都存在显著或极显著差异。随空气中SO2浓度的增加，叶片中硫含量、电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b在增大，脯氨酸含量在减小。5个功能区在大部分指标上相互间存在显著差异，说明5個功能区空气中SO2浓度已对各树种的生理产生了显著影响。受影响较敏感的指标为电导率、丙二醛、脯氨酸，在各功能区间都存在极显著差异。

依据公式（2）对各指标进行标准化处理后，依据5个树种和5个生理指标对5个功能区进行综合方差分析，结果（表2）表明，除卷烟厂广场和油漆化工厂外，其他功能区间均存在极显著差异（P<0.01）。由表2还可以看出，油漆化工厂标准化指标值最大，说明叶片硫含量最大，受胁迫最大，也说明空气中SO2浓度越高，污染越重；苗圃标准化指标值最小，说明叶片中硫含量最小，受胁迫最小。

2.3 空气中SO2浓度、叶片硫含量与各生理指标的相关性分析

从表3可以看出，空气中SO2浓度与各树种叶片中硫含量都为极显著正相关，其中法国梧桐的相关性最大，海桐最小，说明法国梧桐吸收空气中SO2的能力最强。除香樟空气中SO2浓度与电导率、大叶黄杨空气中SO2浓度与丙二醛含量相关性不显著外，其他树种的叶片中硫含量、空气中SO2浓度均与电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b呈显著或极显著正相关。总的变化趋势是从法国梧桐到海桐依次在增大，说明法国梧桐受空气SO2浓度与叶片中硫含量的胁迫性最小，海桐最大。

2.4 判别分析

为了依据5个生理指标的综合变化特点，筛选出吸收SO2、抗SO2胁迫能力强的树种，选择污染较重的卷烟厂广场和油漆化工厂功能区对5个树种进行判别分析。首先对各指标进行标准化处理，并将电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b取倒数。

对卷烟厂广场进行判别，结果表明判别函数极显著，5个指标在5个树种间有极显著差异，法国梧桐的正确判别率为100%，法国冬青的正确判别率为100%，香樟的正确判别率为100%，大叶黄杨的正确判别率为85.7%，海桐的正确判别率为85.7%（图2）。图2中第一判别函数方差贡献率为92.0%，第二判别函数方差贡献率为6.1%，因此以第一判别函数值为主要判断依据，可以看出法国梧桐吸收SO2和抗SO2胁迫的综合能力最强，其次是法国冬青，香樟、大叶黄杨和海桐间的距离较近，相似性较大。

对油漆化工厂功能区进行判别，结果表明，判别函数极显著，5个指标在5个树种间有极显著差异，法国梧桐的正确判别率为100%，法国冬青的正确判别率为100%，香樟的正确判别率为72.0%，大叶黄杨的正确判别率为100%，海桐的正确判别率为85.7%（图3）。图3中第一判别函数方差贡献率为91.0%，第二判别函数方差贡献率为7.3%，因此以第一判别函数值为主要判断依据，可以看出法国梧桐吸收SO2和抗SO2胁迫的综合能力最强，其次是法国冬青，香樟、大叶黄杨和海桐间的距离较近，相似性较大。

图3与图2相比有较大的相似性，但法国梧桐与其他树种间的距离更远，法国冬青与香樟间的距离也进一步拉开。

3 结论与讨论

SO2可以通过植物叶片的气孔进入到植物组织，通过生理代谢和生化反应，大部分被还原成硫，或进一步同化为自身生长的一部分元素，参与生长发育或代谢[9]，因此绿化植物可以吸收掉大量的SO2，起到净化空气的作用。通过对南阳市5个不同功能区的SO2浓度进行监测，发现油漆化工厂污染最严重，可能与油漆化工厂燃煤排放、SO2等废气排放有关。苗圃中心、南阳师范学院位于南阳市郊区，植物种类较多，车流量少，因此污染较轻。本研究认为同一种植物在不同功能区对空气污染物的响应有差异，这与李寒娥等[15]的研究结果相一致。本研究所选的功能区之间、树种之间在所有观察指标上均存在显著差异，说明选择是合理的、有实际意义的。不同功能区空气中SO2浓度有显著差异，不同树种对空气中SO2的吸收能力和抗胁迫能力也存在显著差异。

脯氨酸是植物遭受逆境时主要的渗透调节物质，是表征空气污染的良好参数，是植物对逆境胁迫的一种生理性适应反映，与抗逆性密切相关[16]。植物受到大气污染后，细胞膜透性受到破坏，叶片的电导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胁迫下发生膜脂过氧化作用的产物之一，其含量可反映植物遭受逆境伤害的程度[18]。有研究表明，植物在受到大气污染后，叶片中叶绿素总含量下降，虽然叶绿素a和b均受到不同程度的破坏，但其中具有保护作用的叶绿素b较易分解，因此在一定范围内，污染越严重，叶绿素a/b越大[19]。本研究结果表明，空气中SO2浓度对树种叶片硫含量、电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b、脯氨酸含量等生理指标大部分有显著影响，叶片中硫含量对电导率、丙二醛含量、叶绿素a/b、脯氨酸含量大部分也有显著影响。

试验结果表明，法国梧桐、法国冬青、香樟、大叶黄杨、海桐叶片各生理指标变化可以监测空气中SO2浓度，其中最敏感的指标为电导率、丙二醛、脯氨酸。当然植物叶片硫含量的监测是个复杂的过程，因为植物不仅可以从空气中吸收，还可以从土壤中吸收。因此不同的生境对植物叶片硫的分析的影响是不同的。

植物对大气污染物的耐受能力与适应性是不一样的，主要取决于植物本身的生物特性。虽然不同植物叶片都可以监测大气中SO2，但在对适用本地区绿化树种的选择时，应选取那些叶片含硫量与空气中二氧化硫含量具有较大相关性的树种，这样才可以用于监测大气污染。本研究对各树种的综合比较结果表明，吸收空气中SO2和抗SO2胁迫综合能力最强的是法国梧桐，其次是法国冬青，这与罗红艳等[20]、周志翔[11]研究认为落叶乔木>灌木>常绿针叶树的趋势的结果相一致。分析原因可能是由于法国梧桐是乔木阔叶树种，叶片的代谢相对较快，转化硫的速率较快，同时可能具有丰富的气孔开度，吸附硫化物较多。根据叶片各生理指标与硫含量的相关性分析，法国梧桐具有显著的抗污染能力，适合于栽种在南阳市污染较重的功能区，可作为检测城市污染程度的指示植物。

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