延安15種園林樹種葉片硫含量特征分析

宋 彬，王得祥，張 義，胡有寧

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

延安自古為陜北地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和軍事中心，是國家級(jí)歷史文化名城。延安市地處陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬于內(nèi)陸干旱半干旱氣候，生態(tài)環(huán)境較為脆弱, 風(fēng)沙和水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣硥m較大，空氣質(zhì)量較差[1]。近年來，由于當(dāng)?shù)啬茉串a(chǎn)業(yè)和紅色旅游的繁榮，機(jī)動(dòng)車尾氣、燃油燃煤及焚燒生活垃圾等導(dǎo)致的大氣硫化物等污染物的排放量日益增大[2]，大氣污染的防治已經(jīng)成為該市環(huán)保和城市規(guī)劃的首要目標(biāo)[3]。植物通過呼吸作用，對(duì)大氣中的污染物在一定程度內(nèi)具有吸收轉(zhuǎn)化作用，對(duì)大氣具有很強(qiáng)的凈化能力[4-7]。因此，研究不同樹種葉片硫含量對(duì)于生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)綠化樹種的選擇具有重要意義[8-9]。有研究表明，葉片硫含量與大氣SO2濃度呈顯著正相關(guān)性[10-11]；也有研究認(rèn)為，上述兩者之間并非呈絕對(duì)正相關(guān)[12]。近年來，對(duì)于植物吸收SO2的研究較多，但研究內(nèi)容多集中于SO2對(duì)植物的傷害癥狀及生理生化指標(biāo)的影響等方面，針對(duì)城市綠化樹種選擇方面的研究則稍顯薄弱[13]。本研究通過對(duì)陜西延安城區(qū)常見15種園林樹種葉片硫含量和相對(duì)吸硫量進(jìn)行比較分析，旨在為延安市以及類似地區(qū)關(guān)于優(yōu)化空氣質(zhì)量的城市森林、城市園林植物的篩選及景觀配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延安市地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，位于東經(jīng)107°38′57″，北緯35°20′37″，平均海拔1 200 m，屬于內(nèi)陸干旱半干旱氣候，年平均日照2 300～2 700 h，年平均氣溫7.7～10.6 ℃，年平均降雨量500 mm，主要集中在7-9月。延安市內(nèi)植物分布不均，樹種單一，近山區(qū)主要樹種有刺槐、側(cè)柏和少量油松；城區(qū)分布的主要樹種有國槐、垂柳等[14]。由于地處黃土高原，揚(yáng)沙天氣頻頻出現(xiàn)使得該地區(qū)空氣質(zhì)量較差。此外，近些年隨著延安社會(huì)經(jīng)濟(jì)和紅色旅游業(yè)的繁榮發(fā)展，機(jī)動(dòng)車尾氣、燃油燃煤及鍋爐煙塵等導(dǎo)致的大氣硫化物等污染物的排放量大幅度增長。

1.2 研究方法

1.2.1 樣區(qū)與樹種的選擇 根據(jù)延安市空氣污染特點(diǎn)及不同綠化樹種選擇4個(gè)樣地，分別為重度污染區(qū)(姚店工業(yè)區(qū))、中度污染區(qū)(百米大道、小東門商業(yè)區(qū))、輕度污染區(qū)(麗景花苑、虎頭苑小區(qū))和對(duì)照區(qū)(鳳凰山、萬花山景區(qū)),以上4個(gè)采樣區(qū)空氣中的SO2平均質(zhì)量濃度分別為0.029 3,0.019 7,0.013 1和0.009 8 mg/L。在對(duì)延安城區(qū)現(xiàn)有園林綠化樹種進(jìn)行實(shí)地踏查的基礎(chǔ)上，根據(jù)延安市的地理氣候特點(diǎn)及綠化植物的生長適應(yīng)性、觀賞價(jià)值及綜合應(yīng)用頻次，選取15種常見綠化植物作為供試材料(表1)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 樣葉的采集與處理 于2012-08-21-22，在延安市各個(gè)樣地分別采集樣樹葉片，每個(gè)樹種設(shè)置3個(gè)重復(fù)，重復(fù)采樣的樹高、胸徑和樹齡必須一致或接近，在樹冠外圍上、中、下及四周均勻采集葉位相同或近似的樣葉400 g[15]。郁夢德等[16]的研究表明，植物葉片中的含硫量和硫的增加量主要與葉齡有關(guān)，而徑級(jí)和樹高對(duì)其影響不顯著。因此本研究均采集一年生葉片，將所采葉片樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，先用自來水洗凈，再用去離子水沖洗[17]，然后在80 ℃烘箱中烘干后，用粉碎機(jī)粉碎過孔徑0.2 mm篩。精確稱取0.2 g粉碎后樣品置于100 mL三角瓶中，加入5 mL消化液(1.7 g偏釩酸銨、1 200 mL高氯酸、1 050 mL硝酸、7.5 g重鉻酸鉀)[18]，在電熱板上保持80 ℃以下加熱至不再出現(xiàn)黃煙，當(dāng)消化液呈現(xiàn)淡綠色且產(chǎn)生高氯酸白煙及淡紅色沉淀即可停止，用蒸餾水沖洗漏斗后，加10 mL混合酸(50 mL冰醋酸、20 mL鹽酸、20 mL磷酸)過濾，稀釋定容至25 mL。

1.2.3 葉片硫含量的測定 首先用比濁法[19-20]配備標(biāo)準(zhǔn)溶液(溶液中硫質(zhì)量濃度分別為0,20,40,60,80,100 μg/mL)，定容后，利用原子吸收分光光度計(jì)在440 nm波長處測定吸光度后，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，相關(guān)系數(shù)為0.999 5。最后測定樣品的硫含量，同一樣品3次重復(fù)，結(jié)果取其平均值。

表 1 延安市15種供試園林樹種及其生長狀況

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS17.0軟件對(duì)不同區(qū)域樹種葉片的硫含量進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，分析不同區(qū)域之間葉片硫含量的差異顯著性。再用不同區(qū)域樹種葉片硫含量減去相對(duì)清潔區(qū)樹種葉片硫含量，即可得到不同樹種的相對(duì)吸硫量[21]。采用平均污染指數(shù)法[22-23]計(jì)算樹種的平均污染指數(shù)(TW)，將其作為樹種凈化能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即平均吸硫量。平均污染指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Ci為污染指數(shù)，Cm為采樣區(qū)某種樹的葉片硫含量，Ck為對(duì)照區(qū)對(duì)應(yīng)樹種葉片硫含量，n為相應(yīng)樹種所處污染區(qū)數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同污染狀況下不同樹種之間葉片硫含量的比較

陜西延安地區(qū)不同程度空氣污染區(qū)不同樹種葉片硫含量的測定結(jié)果如表2所示。

表 2 陜西延安不同污染區(qū)域不同樹種葉片硫含量的比較

表2表明，不同污染狀況下，同一樹種葉片硫含量存在明顯差異。對(duì)同一樹種而言，葉片硫含量隨著空氣污染程度的加重而升高，表現(xiàn)為重度污染區(qū)>中度污染區(qū)>輕度污染區(qū)>對(duì)照區(qū)。除紫葉李、刺槐、云杉、龍柏和側(cè)柏葉片硫含量在重度污染區(qū)與輕度污染區(qū)之間無顯著差異外，其他樹種葉片硫含量均以重度污染區(qū)顯著高于輕度污染區(qū)(P<0.05)；除桃樹、碧桃、國槐、龍爪槐、龍柏、紫葉小檗和榆樹葉片硫含量在中度污染區(qū)與輕度污染區(qū)無差異顯著外，其他樹種葉片硫含量在中度污染區(qū)與輕度污染區(qū)之間均有顯著差異(P<0.05)。

表2顯示，在相同的污染環(huán)境中，15種樹種對(duì)硫元素的積累能力有明顯差異。在重度污染區(qū)，旱柳、垂柳葉片硫含量分別為7.63和7.79 mg/g,均顯著高于其他樹種；紫葉李和刺槐葉片硫含量次之，分別為2.05和2.21 mg/g；其他樹種葉片硫含量為0.97～1.89 mg/g,均顯著低于以上4個(gè)樹種。在中度污染區(qū)，旱柳、垂柳葉片硫含量分別為5.31和5.87 mg/g,均顯著高于其他樹種；紫葉李和刺槐葉片的硫含量次之，分別為1.77和1.81 mg/g；其他樹種葉片硫含量為0.88～1.69 mg/g,均顯著低于以上4個(gè)樹種。在輕度污染區(qū)，旱柳、垂柳葉片硫含量分別為3.56和4.40 mg/g,均顯著高于其他樹種；紫葉小檗和臭椿葉片硫含量次之，分別為1.42和1.47 mg/g；其他樹種葉片硫含量為0.71～1.40 mg/g,均顯著低于以上4個(gè)樹種。在對(duì)照區(qū)，旱柳、垂柳葉片硫含量也顯著高于其他樹種。

2.2 不同污染狀況下不同樹種吸硫量的比較

陜西延安不同污染區(qū)各樹種相對(duì)吸硫量的測算結(jié)果見表3。表3顯示，不同污染狀況下，同一樹種葉片相對(duì)吸硫量存在顯著差異，且均隨空氣污染程度的加重而升高，表現(xiàn)為重度污染區(qū)>中度污染區(qū)>輕度污染區(qū)。

表3 陜西延安不同污染區(qū)各樹種間相對(duì)吸硫量的比較

表3表明，不同污染狀況下15種樹種的吸硫量也存在明顯差異。在重度、中度和輕度污染區(qū)，旱柳、垂柳、刺槐葉片的相對(duì)吸硫量均顯著高于其他樹種。在重度污染區(qū)，各樹種葉片相對(duì)吸硫量由大到小依次為：旱柳>垂柳>刺槐>紫葉李>桃樹>碧桃>國槐>龍爪槐>臭椿>刺柏>紫葉小檗>云杉>榆樹>龍柏>側(cè)柏；在中度污染區(qū)，各樹種葉片相對(duì)吸硫量由大到小依次為：旱柳>垂柳>刺槐>桃樹>碧桃>龍爪槐>紫葉李>國槐>刺柏>云杉>紫葉小檗>榆樹>臭椿>側(cè)柏>龍柏。與重度污染區(qū)相比，除垂柳、旱柳和刺槐的葉片相對(duì)吸硫量排序靠前，側(cè)柏、龍柏葉片相對(duì)吸硫量排序處于最末之外，其余樹種相對(duì)吸硫量順序不完全相同。在輕度污染區(qū)，各樹種葉片相對(duì)吸硫量依次表現(xiàn)為：垂柳>旱柳>刺槐>桃樹>碧桃>國槐>龍爪槐>刺柏>紫葉李>榆樹>紫葉小檗>龍柏>臭椿>云杉>側(cè)柏。

由表3還可知，旱柳、垂柳和刺槐的平均吸硫能力最強(qiáng)， 平均污染指數(shù)均較高，分別為2.64,2.28,2.26;其次為碧桃、桃樹、紫葉李、榆樹、國槐、刺柏、龍爪槐、龍柏和紫葉小檗，云杉、臭椿和側(cè)柏的平均吸硫能力均較差。

3 結(jié)論與討論

本研究中，垂柳、旱柳等柳屬植物的葉片硫含量較高，這與薛皎亮等[24]對(duì)太原市不同植物葉片硫含量的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果顯示，在不同污染條件下，同一樹種的葉片硫含量表現(xiàn)出明顯差異，其硫含量均隨著空氣污染程度的上升而增加，表現(xiàn)為重度污染區(qū)>中度污染區(qū)>輕度污染區(qū)>對(duì)照區(qū)。可以推測，在一定范圍內(nèi)，植物吸收的SO2量隨環(huán)境SO2質(zhì)量濃度的增大而增加，這與吳云霄等[25]研究得出的“空氣污染越嚴(yán)重，區(qū)域植物葉片硫含量越高”的結(jié)論相一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，在相同的污染狀況下，不同樹種葉片對(duì)硫的相對(duì)吸收能力存在顯著差異。在重度及中度污染區(qū)中，垂柳、旱柳、刺槐葉片的相對(duì)吸硫量均顯著高于其他樹種，而龍柏、側(cè)柏的吸硫能力較差；在輕度污染區(qū)中，垂柳、旱柳和碧桃葉片的相對(duì)吸硫量遠(yuǎn)高于其他樹種，以云杉、臭椿和側(cè)柏的吸硫能力較差[26]。供試15種樹種在不同污染狀況下的相對(duì)吸硫量有明顯差異，表現(xiàn)為重度污染區(qū)>中度污染區(qū)>輕度污染區(qū)，15種樹種平均吸硫能力的排序依次為：旱柳>垂柳>刺槐>碧桃>桃樹>紫葉李>榆樹>國槐>刺柏>龍爪槐>龍柏>紫葉小檗>云杉>臭椿>側(cè)柏。

本研究中，不同污染狀況下不同樹種葉片硫含量及相對(duì)吸硫量的變化有一定差異，大部分樹種的葉片硫含量越高，其相對(duì)吸硫量也越高，但有的樹種并不遵循這一規(guī)律。如云杉在中度污染區(qū)葉片硫含量較低，僅為0.99 mg/g,但其相對(duì)吸硫量卻較高，為0.44 mg/g；而紫葉小檗在中度污染區(qū)葉片硫含量為1.69 mg/g，但其相對(duì)吸硫量卻較低，僅為 0.43 mg/g。

本研究結(jié)果顯示，在不同污染狀態(tài)下，除垂柳、旱柳及刺槐葉片相對(duì)吸硫量較大外，其余樹種相對(duì)吸硫量順序完全不同。由此可以推斷，植物相對(duì)吸硫量并非絕對(duì)隨著污染區(qū)污染程度的上升而增加，即在一定范圍內(nèi)，葉片對(duì)二氧化硫的吸收量隨著二氧化硫質(zhì)量濃度的增加到達(dá)一定峰值后開始下降。導(dǎo)致這種情況的原因可能有2種：(1)當(dāng)空氣中SO2的質(zhì)量濃度過高時(shí)，植物不僅不能積累過多的硫，還可能會(huì)導(dǎo)致植物體的含硫蛋白質(zhì)遭到破壞[27]，這可以通過不同污染情況下植物含硫氨基酸含量的變化來進(jìn)一步研究。(2)植物對(duì)其他污染物如重金屬的吸收，可能會(huì)對(duì)植物的吸硫能力產(chǎn)生抑制作用[28]，這一點(diǎn)在選取吸硫植物時(shí)也應(yīng)加以考慮。

本研究中，闊葉樹種的相對(duì)吸硫量隨著葉片硫含量的升高而升高，兩者之間呈正相關(guān)；針葉樹種相關(guān)性則極低，如云杉，其在各個(gè)污染區(qū)對(duì)硫的吸收能力均表現(xiàn)較差，但是其相對(duì)吸硫量卻較高，可能與針葉樹種的葉量及葉的表面特征[29-30](氣孔開度、皺紋、油脂)等因素有關(guān)。因此，針葉樹種葉片對(duì)硫的吸收積累及其相對(duì)吸硫量呈現(xiàn)出相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系，應(yīng)該進(jìn)一步研究探索。

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