6種典型園林綠化植物對大氣中SO2的凈化能力及生理生化響應

吳小青 張偉

摘要：以徐州市法國冬青、忍冬等6種典型綠化植物為試驗材料，采用靜態(tài)熏氣方法，比較6種植物分別對濃度為0、5、10、15、20 mg/m3 SO2的凈化能力，分析SO2脅迫對6種綠化植物葉片生理生化指標的影響，并采用隸屬函數法對6種綠化植物的SO2脅迫抗性進行綜合評價。結果表明，隨著SO2濃度的升高，6種綠化植物葉片的含硫量及對SO2的凈化能力呈先升后降趨勢，凈化能力大小表現為法國冬青>忍冬>小葉黃楊>龍柏>小葉女貞>石楠;隨著SO2濃度的升高，6種綠化植物葉片的葉綠素含量呈下降趨勢，相對電導率、丙二醛（MDA）含量、脯氨酸含量呈上升趨勢，過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）活性及可溶性糖、可溶性蛋白質含量呈先上升后下降趨勢;小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬的平均隸屬函數值分別為0.33、0.29、0.39、0.44、0.56、0.49，對SO2脅迫的綜合抗性表現為法國冬青>忍冬>小葉黃楊>龍柏>小葉女貞>石楠，與凈化能力表現完全一致。

關鍵詞：綠化植物;二氧化硫（SO2）;凈化能力;生理生化;徐州;法國冬青;忍冬

中圖分類號： S184 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0127-04

隨著我國城市化和工業(yè)化的迅猛發(fā)展，各種化石燃料用量大增，導致城市大氣環(huán)境污染問題日益嚴峻，其中二氧化硫（SO2）是城市大氣的重要污染物之一[1-2]。大氣中SO2主要來源于含硫金屬礦的冶煉及含硫煤、石油等化石燃料的燃燒，不僅會形成酸雨危害植被，而且嚴重影響人體健康，已成為城市化發(fā)展的主要限制因素，受到世界各國的普遍關注[3-4]。目前，我國對SO2的控制主要在源頭進行脫硫處理，尚沒有自主設計制造的煙氣脫硫設備，脫硫設備多為國外進口，由于價格過高，很多地方配備數量嚴重不足，常導致我國許多地方SO2排放處于失控狀態(tài)，尋找一種高效、低廉控制、治理SO2污染的方法已成為當前亟需解決的關鍵問題[5]。有研究表明，植物可以通過氣孔吸收大氣中的SO2，經植物細胞一系列的生理生化反應可形成對自身生長有益的營養(yǎng)物質，這已成為凈化大氣中SO2的有效途徑之一[6-8]。不同園林綠化植物因葉片大小、質地及氣孔數量、大小及形態(tài)結構的巨大差異，造成其對大氣SO2的敏感性不同，進而導致其對SO2的凈化能力和抗性存在較大差異，合理選擇和配置園林綠化樹種已成為城市綠化建設和防治大氣污染的重要舉措[9-10]。

江蘇省徐州市是我國蘇北地區(qū)的重工業(yè)城市，SO2污染一直是困擾其發(fā)展的主要問題之一，目前該地區(qū)尚鮮見有關園林綠化樹種SO2凈化能力及抗性研究方面的報道[11]。本研究以徐州市6種典型的綠化植物小葉女貞、石楠、龍柏等為試驗材料，采用靜態(tài)熏氣方法，研究這6種典型綠化植物對SO2的凈化能力及其生理生化響應，并通過模糊數學隸屬函數法對其抗性進行綜合評價，旨在為徐州市園林綠化植物的選擇和配置提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年5月10日在江蘇建筑職業(yè)技術學院科研基地進行，選取當地6種典型的綠化植物小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬為試驗材料，采用規(guī)格為 45 cm×40 cm的花盆進行栽種，栽培基質為當地的綠化土壤。

1.2 試驗設計

采用簡易靜態(tài)熏氣系統(tǒng)對6種盆栽綠化植物進行SO2熏氣處理，熏氣箱為長、寬、高均為1 m的封閉玻璃箱，每個玻璃箱中放入植株6盆，適應1周后，參照楊丹等的熏氣方法[12]進行SO2熏氣處理，所需亞硫酸鈉量按化學式Na2SO3+H2SO4→Na2SO4+H2O+SO2↑進行計算。試驗設5個處理，SO2濃度分別為0（CK）、5、10、15、20 mg/m3，熏氣8 h/d，連續(xù)熏氣7 d，取樣測定。重復3次。

1.3 測定指標及方法

分別采用硫酸鋇比濁法、丙酮乙醇等量混合法、浸泡法測定葉片硫含量、葉綠素含量、相對電導率;采用硫代巴比妥酸比色法測定葉片丙二醛（MDA）含量;分別采用愈瘡木酚法、氮藍四唑光化還原法、紫外分光光度法測定葉片過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）活性;分別采用磺基水楊酸提取法、蒽酮比色法、考馬斯亮藍G-250法測定葉片脯氨酸（Pro）、可溶性糖（SS）、可溶性蛋白質（SP）含量。

1.4 數據分析

采用Excel 2007、SPSS 18.0對試驗數據進行統(tǒng)計處理、作圖及差異顯著性分析;參照張德強等的方法[13]計算6種綠化植物的SO2凈化能力。采用模糊數學隸屬函數法進行SO2脅迫抗性綜合評價，若測定指標與植物抗性呈正相關，則采用R（xi）=（xi-xmin）/（xmax-xmin）計算隸屬值，反之則采用R（xi）=1-（xi-xmin）/（xmax-xmin）進行計算，其中，xi為某一指標測定值，xmax為某一指標測定的最大值，xmin為某一指標測定的最小值;將每一供試植物測定指標的抗性隸屬值進行累加，求平均值。

2 結果與分析

2.1 6種典型綠化植物對SO2的凈化能力比較

由圖1可見，隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片含硫量呈先升高后降低趨勢，其中，SO2濃度為15 mg/m3時，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片含硫量達到最大，分別為4.11、4.46、3.81、3.68、4.63、3.96 g/kg，分別較SO2濃度為0 mg/m3（對照）處理的增加61.18%、52.74%、84.95%、107.91%、100.43%、109.52%。差異顯著性分析表明，SO2濃度為15 mg/m3處理的小葉女貞、石楠、龍柏葉片含硫量顯著高于對照（P<0.05），小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片含硫量極顯著高于對照（P<0.01）。由表1可知，6種典型綠化植物葉片SO2平均凈化能力由強到弱依次為法國冬青>忍冬>小葉黃楊>龍柏>小葉女貞>石楠，其中，石楠葉片的SO2平均相對凈化率為31.93%，小葉女貞、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬的平均相對凈化率分別較其提升8.56、23.05、34.31、50.86、42.54百分點，龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬的平均凈化能力與石楠、小葉女貞差異顯著（P<0.05），這說明6種典型綠化植物對SO2的凈化能力存在一定差異，其中法國冬青凈化能力相對最強，石楠凈化能力相對最弱。

2.2 SO2脅迫對6種典型綠化植物葉片葉綠素含量的影響

由圖2可見，隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片葉綠素含量呈逐漸降低的趨勢，且脅迫濃度越大，下降幅度越快;SO2濃度為20 mg/m3時，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片的葉綠素含量達到最低，分別為 1.21、1.11、1.02、0.92、2.03、1.51 mg/g，較對照分別降低 52.55%、60.78%、50.49%、48.31%、32.78%、42.80%。差異顯著性分析表明，SO2處理濃度為20 mg/m3時，小葉黃楊、法國冬青、忍冬的葉綠素含量顯著低于對照（P<0.05），小葉女貞、石楠、龍柏葉片極顯著低于對照（P<0.01）。因此，SO2脅迫可導致植物葉綠素含量下降，徐州市6種典型綠化植物葉片葉綠素含量受SO2脅迫的影響程度不同，對法國冬青的影響相對最小，其葉綠素含量下降相對最慢，而對石楠的影響相對最大，其葉綠素含量下降相對最快。

2.3 SO2脅迫對6種典型綠化植物葉片膜質過氧化程度的影響

由圖3可知，隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片相對電導率、MDA含量呈明顯上升趨勢;SO2濃度為 20 mg/m3 時，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片6種典型綠化植物葉片的相對電導率、MDA含量均達到最大，分別為54.66%、58.29%、51.26%、47.21%、40.46%、43.91%和45.69、49.29、43.06、40.96、35.33、38.72 nmol/g，較對照分別提升46.30、49.88、43.00、38.70、32.21、35.43百分點和143.55%、167.73%、133.77%、126.93%、93.80%、115.35%。差異顯著性分析表明，SO2濃度為20 mg/m3時，小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片的相對電導率、MDA含量顯著高于對照（P<0.05），小葉女貞、石楠、龍柏葉片的MDA含量極顯著高于對照（P<0.01）。這說明SO2脅迫可導致植物葉片發(fā)生膜質過氧化，法國冬青膜質過氧化程度相對最輕，其余依次為忍冬、小葉黃楊、龍柏、小葉女貞，石楠的膜質過氧化程度最為嚴重。

2.4 SO2脅迫對6種典型綠化植物葉片抗氧化酶活性的影響

由圖4可知，隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片的POD、SOD、CAT活性呈明顯的先上升后下降趨勢;SO2濃度為15 mg/m3時，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片的POD、SOD、CAT活性均達到最大，POD活性

分別為153.18、173.59、205.36、231.36、286.83、252.65 U/（g·min），較對照分別增加39.18%、55.90%、85.38%、107.22%、159.60%、127.16%，SOD活性分別為35.22、33.59、39.73、42.25、52.13、46.88 U/（g·min），較對照分別增加59.66%、51.65%、78.88%、91.35%、134.19%、109.75%，CAT活性分別為265.31、256.73、279.22、291.99、332.45、315.81 U/（g·min），較對照分別增加36.50%、32.44%、43.06%、51.09%、70.88%、62.07%。差異顯著性分析表明，SO2濃度為15 mg/m3時，小葉女貞、石楠葉片的POD、SOD活性顯著高于對照（P<0.05），龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片的POD、SOD活性極顯著高于對照（P<0.01），小葉女貞、石楠、龍柏葉片的CAT活性顯著高于對照（P<0.05），小葉黃楊、法國冬青、忍冬的CAT活性極顯著高于對照（P<0.01）。這說明6種典型綠化植物可通過提高自身抗氧化酶活性來抵御SO2脅迫，其中，法國冬青抗脅迫能力相對最強，其余依次為忍冬、小葉黃楊、龍柏、小葉女貞，石楠相對最弱。

2.5 SO2脅迫對6種典型綠化植物葉片滲透調節(jié)物質含量的影響

由表2可知，隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片的脯氨酸含量呈逐漸增加趨勢，SO2濃度為20 mg/m3時，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片的脯氨酸含量達到最大，分別為32.13、28.75、35.82、37.77、43.68、39.75 μg/g，較對照分別增加291.35%、253.63%、338.97%、357.82%、435.95%、383.58%;隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片的可溶性糖、可溶性蛋白質含量均呈先上升后下降趨勢，SO2濃度為15 mg/m3時，6種典型綠化植物葉片的可溶性糖、可溶性蛋白質含量均達到最大，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片的可溶性糖含量分別為55.62、53.18、57.16、59.83、68.59、63.59 μg/g，較對照分別增加52.30%、46.30%、53.61%、58.78%、84.08%、72.38%，可溶性蛋白質含量分別為51.26、46.35、55.19、57.64、64.46、60.03 μg/g，較對照分別增加209.17%、190.96%、230.88%、255.58%、306.43%、264.7%。差異顯著性分析表明，SO2濃度為20 mg/m3時，小葉女貞、石楠、龍柏葉片的脯氨酸含量顯著高于對照（P<0.05），小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片的脯氨酸含量極顯著高于對照（P<0.01）;SO2濃度為15 mg/m3時，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊葉片的可溶性糖含量顯著高于對照（P<0.05），法國冬青、忍冬葉片的可溶性糖含量極顯著高于對照（P<0.01），小葉女貞、石楠、龍柏葉片的可溶性蛋白質含量顯著高于對照（P<0.05），小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片的可溶性蛋白質含量極顯著高于對照（P<0.01）。SO2脅迫可明顯增加綠化植物葉片滲透調節(jié)物質的含量，其中法國冬青增加幅度相對最大，依次為忍冬、小葉黃楊、龍柏、小葉女貞，石楠增加幅度相對最小。

2.6 6種典型綠化植物對SO2脅迫抗性的綜合評價

每一供試植物測定指標的抗性隸屬值平均累加值越大，表明其對SO2脅迫的抗性越強。由表3可見，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬的平均隸屬函數值分別為0.33、0.29、0.39、0.44、0.56、0.49，說明6種典型綠化植物對SO2脅迫的綜合抗性由強到弱依次為法國冬青、忍冬、小葉黃楊、龍柏、金葉女貞、石楠。

3 結論與討論

同一環(huán)境條件下， 不同綠化樹種對SO2的凈化能力存在顯著差異，而植物對SO2的凈化能力與環(huán)境中SO2的濃度密切相關[14-15]。本研究結果表明，隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片含硫量及SO2凈化能力呈先升后降趨勢，含硫量從大到小依次為法國冬青>忍冬>小葉黃楊>龍柏>小葉女貞>石楠，其中，SO2濃度為15 mg/m3時，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片含硫量較SO2濃度為0 mg/m3（對照）時分別增加61.18%、52.74%、84.95%、107.91%、100.43%、109.52%;6種典型綠化植物葉片對SO2的凈化能力由強到弱依次為法國冬青>忍冬>小葉黃楊>龍柏>小葉女貞>石楠，其中，石楠葉片對SO2的平均凈化能力相對最小，為31.93%，小葉女貞、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬葉片對SO2的平均凈化能力分別較石楠增加8.56、23.05、34.31、50.86、42.54百分點，龍柏葉片對SO2的平均凈化能力與石楠差異顯著（P<0.05），小葉黃楊、法國冬青、忍冬與石楠差異極顯著（P<0.01）。有研究表明，SO2脅迫會導致植物葉片葉綠素分解或漂白，進而導致葉綠素含量下降[16]。本研究結果表明，SO2脅迫可導致6種綠化植物葉片葉綠素含量下降，且SO2脅迫濃度越大，葉綠素含量下降幅度越大，法國冬青葉片的葉綠素含量下降幅度相對最小，其余依次為忍冬、小葉黃楊、龍柏、小葉女貞，石楠下降幅度相對最大。

SO2脅迫會引起植物葉片的膜質過氧化，植物自身POD、SOD、CAT活性會大幅上升以抵御細胞活性氧的傷害[12]。本研究結果表明，隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片的相對電導率、MDA含量呈逐漸上升趨勢，且不同植物上升幅度存在明顯差異，細胞膜受傷害程度由輕到重依次為法國冬青<忍冬<小葉黃楊<龍柏<小葉女貞<石楠;隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片的POD、SOD、CAT活性呈先上升后下降趨勢，且不同植物的抗氧化酶活性存在明顯差異，其中法國冬青葉片的抗氧化酶活性上升幅度相對最大，其細胞膜受傷害的程度相對最輕，其余依次為忍冬、小葉黃楊、龍柏、小葉女貞，石楠葉片細胞膜受傷害的程度相對最重。

SO2脅迫會激發(fā)植物自身的滲透調節(jié)機制，以減輕SO2脅迫對自身造成的傷害[17]。隨著SO2濃度的升高，6種典型綠化植物葉片的脯氨酸含量呈上升趨勢，而可溶性糖、可溶性蛋白質含量呈先升后降趨勢。隸屬函數法綜合抗性分析結果表明，小葉女貞、石楠、龍柏、小葉黃楊、法國冬青、忍冬的平均隸屬函數值分別為0.33、0.29、0.39、0.44、0.56、0.49，說明6種典型綠化植物對SO2脅迫的綜合抗性由強到弱依次為法國冬青、忍冬、小葉黃楊、龍柏、金葉女貞、石楠，與凈化能力表現完全一致。

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