法桐對大氣SO2 -Pb 復合污染的抗性響應研究

魯敏王晗李文月吳天緣劉功生

(1.山東建筑大學 風景園林科學研究中心，山東 濟南250101；2.山東建筑大學 藝術(shù)學院，山東 濟南250101)

0 引言

大氣污染是人類面臨的日益嚴峻和急需解決的生態(tài)環(huán)境問題之一，不僅嚴重威脅人類的生命健康及城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡，而且已成為人類社會生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展的主要障礙[1]。 大氣復合污染是指多種不同種類的污染同時作用，并對環(huán)境造成影響。 與傳統(tǒng)單一型污染相比，大氣復合污染的控制因素多、范圍廣、不確定性大，是大氣污染防治中的難題[2]。 工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的硫(S)和鉛(Pb)是主要的大氣污染物，目前二氧化硫(SO2)-Pb 復合污染已經(jīng)成為城市環(huán)境面臨的主要健康安全和生態(tài)環(huán)境問題[3]。 其中，S 是維持植物生命活動的必需元素，當土壤中S 的質(zhì)量分數(shù)不足時，植物可以吸收空氣中的SO2作為補充，適當?shù)腟O2能夠緩解植物受逆境脅迫的損害，但SO2質(zhì)量分數(shù)過高時，會使葉面氣孔關(guān)閉，繼而影響光合作用和呼吸作用，抑制植株生長發(fā)育[4-5]。 Pb 具有毒性大、易累積的特點，會導致土壤污染，不僅影響植物的生長和代謝，而且還通過食物鏈在生物體內(nèi)富集，威脅生態(tài)安全及人類健康[6-8]。 植物不僅對SO2和Pb 等大氣污染物具有很強的吸收降解、固定和轉(zhuǎn)移能力，而且還具有安全、穩(wěn)定、無二次污染的效果，因此選擇應用吸收凈化能力強的抗污吸污植物進行生態(tài)修復已成為治理大氣污染的有效途徑和重要手段[9-11]。

植物對污染的抗性是其能否持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮抗污吸污能力的基礎(chǔ)和前提。 目前，國內(nèi)外相關(guān)研究多集中在植物對大氣單一污染的抵抗和吸收凈化能力的研究上，對大氣復合污染的研究多集中在細顆粒物PM2.5和臭氧O3的復合污染上，而對大氣SO2-Pb復合污染的研究則少見報道[12-16]。 在SO2和Pb 復合污染的環(huán)境中，污染氣體通過葉片表皮上的氣孔進入植物體內(nèi)，其體內(nèi)的多種酶、非酶物質(zhì)的活性都會產(chǎn)生一系列的變化，表現(xiàn)為植物對SO2和Pb 污染的抗性響應，研究其抗性響應機制對揭示植物抗污吸污能力有重要意義[1，17]。

法桐(Platanus orientalis)可在煉油廠周圍大量栽植并能正常生長，對SO2-Pb 的復合污染有一定抗性。 為此，通過對污染區(qū)現(xiàn)場取樣，分析法桐葉片相關(guān)指標的變化，探索法桐對大氣SO2-Pb 復合污染的抗性響應機制，為植物生態(tài)修復SO2和Pb 污染提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

法桐，又稱“三球懸鈴木”，是落葉大喬木。 單葉互生、葉大且葉片三角狀，邊緣有不規(guī)則尖齒和波狀齒，其適應環(huán)境能力極強，因此又被稱為“行道樹之王”[18-19]。

1.2 試驗方案設計

1.2.1 采樣地點概況

煉油廠是以釋放大氣SO2和Pb 復合污染物為主的重污染企業(yè)。 因此研究區(qū)域選在濟南市東部的濟南煉油廠(36°41′24″N，117°10′27″E)周邊區(qū)域[1]。 研究區(qū)域?qū)贉貛Ъ撅L氣候，季風明顯，四季分明，冬冷夏熱，雨量集中，年平均氣溫為13.8 ℃、無霜期為178 d，最高、最低氣溫分別為42.5 ℃、-19.7 ℃，年平均降水量為685 mm，空氣中主要污染物SO2實測質(zhì)量濃度為95 mg/m3，顆粒物Pb 實測質(zhì)量濃度為29 mg/m3。 該廠周邊行道樹以法桐為主，長勢較好，林齡為10～20 a。

非污染區(qū)選擇在距濟南煉油廠10 km 處且與煉油廠土質(zhì)接近，氣候及其它自然環(huán)境條件相似的濟南百合園林集團的苗圃內(nèi)，空氣中SO2實測質(zhì)量濃度為50 μg/m3， 顆 粒 物Pb 實 測 質(zhì) 量 濃 度 為0.104 μg/m3，污染物含量較少。 區(qū)域內(nèi)法桐長勢良好，植株生長茂盛。

1.2.2 試驗設計

選定在夏末秋初的10 月份現(xiàn)場取樣，此時期法桐開始落葉，即將進入休眠期，經(jīng)過長時間的積累，葉片內(nèi)污染物的積累量最大。 采用3 次重復的隨機區(qū)組實驗設計，在天氣晴朗的上午(9:00—11:00)，分別于污染區(qū)東、南、西、北4 個方向各設置2 個采樣點，每個采樣點分別選擇樹齡相近、健康程度相似、長勢良好的有代表性的3 株法桐作為樣株，每株在樹冠四周及上、中、下各部位選取葉片生長正常的一年生枝條4 枝，剪取后進行離體水培培養(yǎng)，取回到實驗室中。 實驗時將各采樣點葉片混合均勻，先用自來水洗凈葉片，再用去離子水沖洗3 遍擦干，然后放入有編號的取樣袋并保存于-80 ℃的液氮中備用。

非污染區(qū)采樣時間、方法及采樣點選擇、分布與污染區(qū)皆相同。

1.3 生理指標測定方法

測定法桐采樣葉片內(nèi)10 項指標，抗壞血酸過氧化物酶活性采用比色法[20]，用X1 表示；過氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚比色法[21]，用X2 表示；可溶性蛋白質(zhì)(Soluble Protein， SP)質(zhì)量分數(shù)采用考馬斯亮藍G-250 染色法[22]，用X3 表示；可溶性糖(Soluble Sugar， SS)質(zhì)量分數(shù)采用蒽酮法[23]，用X4 表示；丙二醛質(zhì)量摩爾濃度采用硫代巴比妥酸(Thiobarbituric Acid， TBA)比色法[24]，用X5 表示；葉液酸堿度采用酸度計法，用X6 表示；葉綠素(Chorophyll， Chl)質(zhì)量分數(shù)采用乙醇丙酮混合液法[25]，用X7 表示；超氧陰離子產(chǎn)生速率采用比色法[26]，用X8 表示；Pb 質(zhì)量分數(shù)采用吸光光度法[27]，用X9 表示；S 質(zhì)量分數(shù)采用乙二胺四乙酸(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid， EDTA)絡合滴定法[28]，用X10 表示。

1.4 統(tǒng)計分析方法

運用電子表格軟件和統(tǒng)計產(chǎn)品與服務解決方案(Statistical Product and Service Solutions， SPSS)軟件進行方差分析、多重比較(最小顯著性差異法)、相關(guān)性分析和主成分分析[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染和非污染區(qū)法桐葉片指標的變化

3 次重復實驗測得不同區(qū)域法桐葉片10 項指標的平均值±標準差，結(jié)果見表1。

表1 污染和非污染區(qū)中法桐葉片指標變化表

對比污染區(qū)與非污染區(qū)法桐葉片10 項指標可知，受SO2-Pb 復合污染脅迫，污染區(qū)法桐葉片中各指標發(fā)生不同程度變化，其中非污染區(qū)不同方向法桐葉片中抗壞血酸過氧化物酶活性、SS 質(zhì)量分數(shù)、超氧陰離子產(chǎn)生速率和Pb 質(zhì)量分數(shù)較污染區(qū)增加，過氧化物酶活性較污染區(qū)減少，表明法桐生長環(huán)境受到影響。 為研究污染區(qū)與非污染不同方向法桐葉片指標的變化差異，對污染區(qū)與非污染區(qū)法桐葉片測定指標數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果見表2。

表2 污染區(qū)和非污染區(qū)法桐葉片指標方差分析表

對污染區(qū)和非污染區(qū)法桐葉片內(nèi)的測定指標進行單因素方差分析可知，除葉液酸堿度外，污染區(qū)與非污染區(qū)各指標皆存在極顯著差異(P≤0.01)，進而對污染區(qū)和非污染區(qū)的測定指標進行多重比較，分析結(jié)果見表3。

表3 污染區(qū)和非污染區(qū)法桐葉片指標多重比較分析表

由表3 可知，非污染區(qū)法桐葉片中的抗壞血酸過氧化物酶活性與污染區(qū)南邊、西邊、北邊測定值存在極顯著差異，與東邊測定值存在顯著差異；污染區(qū)4 個方向法桐葉片中的抗壞血酸過氧化物酶活性存在顯著差異。

非污染區(qū)法桐葉片中的過氧化物酶活性與污染區(qū)4 個方向的測定值皆存在極顯著差異；污染區(qū)4個方向間法桐葉片中的過氧化物酶活性存在顯著差異。

非污染區(qū)與污染區(qū)北邊法桐葉片中的SP 質(zhì)量分數(shù)存在極顯著差異，與西邊測定值存在顯著差異，與東邊和南邊的測定值無顯著差異；污染區(qū)東邊法桐葉片中的SP 質(zhì)量分數(shù)與西邊和北邊的測定值存在極顯著差異，與其南邊的測定值無顯著差異，西邊法桐葉片中的SP 質(zhì)量分數(shù)與北邊的測定值存在顯著差異。

非污染區(qū)法桐葉片中的SS 質(zhì)量分數(shù)與污染區(qū)東邊和南邊的測定值存在極顯著差異，與西邊和北邊的測定值存在顯著差異；污染區(qū)東邊法桐葉片中的SS 質(zhì)量分數(shù)與西邊和北邊的測定值存在極顯著差異，與南邊的測定值無顯著差異，西邊法桐葉片中的SS 質(zhì)量分數(shù)與北邊的測定值無顯著差異。

非污染區(qū)法桐葉片中的丙二醛質(zhì)量摩爾濃度與污染區(qū)各方向的測定值皆存在極顯著差異；污染區(qū)東邊法桐葉片中的丙二醛質(zhì)量摩爾濃度與南邊和北邊的測定值存在顯著差異，與西邊的測定值無顯著差異，南邊法桐葉片中的丙二醛質(zhì)量摩爾濃度與北邊的測定值無顯著差異。

非污染區(qū)法桐葉片中的葉液酸堿度與污染區(qū)各方向的測定值無顯著差異。

非污染區(qū)法桐葉片中的Chl 質(zhì)量分數(shù)與污染區(qū)東邊、南邊和北邊的測定值存在極顯著差異，與西邊的測定值存在顯著差異；污染區(qū)東邊法桐葉片中的Chl 質(zhì)量分數(shù)與西邊和北邊的測定值存在極顯著差異，與南邊的測定值無顯著差異，西邊法桐葉片中的Chl 質(zhì)量分數(shù)與北邊的測定值存在顯著差異。

非污染區(qū)法桐葉片中的超氧陰離子產(chǎn)生速率與污染區(qū)各方向的測定值皆存在極顯著差異，且污染區(qū)各方向間法桐葉片中的超氧陰離子產(chǎn)生速率也存在極顯著差異。

非污染區(qū)法桐葉片中Pb 質(zhì)量分數(shù)與污染區(qū)各方向的測定值皆存在極顯著差異；污染區(qū)南邊法桐葉片中Pb 質(zhì)量分數(shù)與東邊的測定值存在顯著差異，與西邊和北邊的測定值無顯著差異。

非污染區(qū)法桐葉片中S 質(zhì)量分數(shù)與污染區(qū)西邊存在極顯著差異，與污染區(qū)東邊、南邊和北邊的測定值無顯著差異。

除葉液酸堿度外，大氣SO2和Pb 復合污染對污染區(qū)各方向法桐葉片中的各指標產(chǎn)生了影響，且污染區(qū)各方向植物生理生化指標之間表現(xiàn)出不同程度的差異，可能與煉油廠周邊常年的主導風向有關(guān)，而非污染區(qū)法桐葉片中S 的質(zhì)量分數(shù)只與污染區(qū)西邊存在極顯著差異，可能是由于適當?shù)腟 參與植物代謝過程，促進植物生長發(fā)育，緩解Pb 對植物的危害，而過量的S 則對植物產(chǎn)生損害[29-30]。 在長期復合脅迫下，法桐利用自身的生物學特性，通過調(diào)節(jié)抗氧化酶活性影響SO2吸收等一系列復雜的抗性響應機制，消除SO2對植物的損害[31-32]。

2.2 法桐對大氣中SO2和Pb 抗性的相關(guān)性分析

根據(jù)法桐葉片內(nèi)所測指標的平均值，利用SPSS Statistics 25 數(shù)據(jù)分析處理軟件計算法桐在大氣SO2-Pb復合污染脅迫下各項生理指標的相關(guān)系數(shù)(見表4)。

表4 大氣SO2-Pb 復合污染脅迫下法桐葉片內(nèi)測定指標的相關(guān)系數(shù)矩陣表

用r表示相關(guān)性系數(shù)，當0＜r≤1 時呈正相關(guān)； 當-1≤r＜0 時呈負相關(guān)；當｜r｜≥0.8 時為高度相關(guān)；當0.5≤｜r｜＜0.8 時為中度相關(guān)；當0.3≤｜r｜＜0.5 時為低度相關(guān)；當｜r｜＜0.3 時，相關(guān)性極弱，視為不相關(guān)[17]。

2.2.1 植物對SO2的凈化能力及生理指標的相關(guān)性分析

由表4 得知，法桐葉片中S 質(zhì)量分數(shù)與SS 質(zhì)量分數(shù)(0.061)、抗壞血酸過氧化物酶活性(-0.099)、丙二醛質(zhì)量摩爾濃度(-0.223)、SP 質(zhì)量分數(shù)(-0.184)、Chl 質(zhì)量分數(shù)(0.294)的相關(guān)性系數(shù)｜r｜＜0.3，表示S 質(zhì)量分數(shù)與其基本不相關(guān)；與超氧陰離子產(chǎn)生速率(-0.438)的相關(guān)性系數(shù)-1 ≤r＜0 且0.3≤｜r｜＜0.5，表示S 質(zhì)量分數(shù)與其呈低度負相關(guān)；與過氧化物酶活性(0.621)和葉液酸堿度(0.574)的相關(guān)性系數(shù)0＜r≤1 且0.5≤｜r｜＜0.8，表示S 質(zhì)量分數(shù)與其呈中度正相關(guān)。 法桐在復合污染脅迫下葉片內(nèi)的超氧陰離子產(chǎn)生速率顯著提高，抑制了過氧化物酶活性，影響植物體的新陳代謝，進而影響法桐葉片對SO2的吸收。

2.2.2 植物對Pb 的凈化能力及生理指標的相關(guān)性分析

由表4 得知，法桐葉片內(nèi)Pb 質(zhì)量分數(shù)與SP 質(zhì)量分數(shù)(0.157)和Chl 質(zhì)量分數(shù)(-0.055)的相關(guān)性系數(shù)｜r｜＜0.3，表示Pb 質(zhì)量分數(shù)與其基本不相關(guān)；與抗壞血酸過氧化物酶活性(0.736)和SS 質(zhì)量分數(shù)(0.678)的相關(guān)性系數(shù)0＜r≤1 且0.5≤｜r｜＜0.8，表示Pb 質(zhì)量分數(shù)與其呈中度正相關(guān)；與超氧陰離子產(chǎn)生速率(0.329)的相關(guān)性系數(shù)0＜r≤1 且0.3≤｜r｜＜0.5，表示Pb 質(zhì)量分數(shù)與其呈低度正相關(guān)；與過氧化物酶活性(-0.770)和丙二醛質(zhì)量摩爾濃度(-0.784)的相關(guān)性系數(shù)-1≤r＜0 且0.5≤｜r｜＜0.8，表示Pb 質(zhì)量分數(shù)與其呈中度負相關(guān)；與葉液酸堿度(-0.369)的相關(guān)性系數(shù)-1≤r＜0 且0.3≤｜r｜＜0.5，表示Pb 質(zhì)量分數(shù)與其呈低度負相關(guān)。 法桐在復合污染脅迫下葉片中的超氧陰離子產(chǎn)生速率顯著加快，抑制了過氧化物酶活性，法桐葉片通過抗壞血酸過氧化物酶清除過多的超氧陰離子，增加SS 的量以保護其細胞膜系統(tǒng)，抑制丙二醛的產(chǎn)生，并調(diào)節(jié)葉液酸堿度，以促進法桐葉片對Pb 的吸收。

2.3 法桐對大氣中SO2和Pb 抗性的主成分分析

2.3.1 數(shù)據(jù)來源

將污染區(qū)法桐的10 項指標數(shù)據(jù)(見表1)作為主成分分析的對象。

2.3.2 結(jié)果與分析

(1) 法桐10 項指標主成分識別

表5 為法桐10 項指標主成分貢獻率及特征值。主成分F1、F2和F3累計貢獻率＞87%，表明其所涵蓋的原始指標信息能夠充分反映法桐對大氣SO2和Pb 復合污染抗性響應機制的絕大部分信息；主成分F1、F2的貢獻率皆＞30%，表明其涵蓋了較多的抗性響應機制信息；主成分F3涵蓋了較少的信息，而主成分F4涵蓋了極少的信息。 因此選擇主成分F1、F2和F3代表法桐對大氣SO2和Pb 復合污染抗性響應機制的重要組合因子。

表5 貢獻率及特征值表

(2) 法桐10 項指標主要抗性響應因子識別

主成分荷載矩陣見表6。 由表6 可得主成分F1、F2和F3中每個變量所對應的荷載，荷載表示變量與其主成分間的數(shù)量關(guān)系，因而主成分F1、F2和F3的荷載關(guān)系可由式(1)～(3)表示為

在表6 主成分荷載矩陣中，10 項指標中個別指標主成分荷載系數(shù)相差不大，因此通過最大方差法旋轉(zhuǎn)主成分荷載矩陣，使荷載系數(shù)向極大和極小轉(zhuǎn)化，從而表現(xiàn)出較大荷載的變量個數(shù)減少的結(jié)果，有利于闡釋法桐的抗性響應機制。

依據(jù)10 項指標對主成分的貢獻率，法桐對大氣SO2和Pb 復合污染抗性響應的重要指標為主成分中荷載絕對值超過0.7 的。 由表6 可知，主成分F1中抗壞血酸過氧化物酶活性(0.848)、SS 質(zhì)量分數(shù)(0.708)、丙二醛質(zhì)量摩爾濃度(0.955)和Pb 質(zhì)量分數(shù)(0.901)的絕對值均＞0.7，荷載較高；主成分F2中SP 質(zhì)量分數(shù)(0.980)和Chl 質(zhì)量分數(shù)(0.985)的絕對值均＞0.7，荷載較高；主成分F3中葉液酸堿度(0.911)和S 質(zhì)量分數(shù)(0.820)的絕對值均＞0.7，荷載較高。

表6 主成分荷載與旋轉(zhuǎn)后主成分荷載矩陣表

表7 為法桐生理生化指標的主成分得分系數(shù)，由表7 可計算出主成分得分FAC，由式(4)～(7)表示為

表7 主成分得分系數(shù)表

式中FAC1 為第一主成分F1的主成分得分，F(xiàn)AC2 為第二主成分F2的主成分得分，F(xiàn)AC3 為第三主成分F3的主成分得分。

由式7 計算出主成分得分為101.60，其反映了法桐對SO2-Pb 復合污染的抗性能力。 因此，根據(jù)法桐在污染區(qū)內(nèi)較正常的長勢表現(xiàn)，可以將主成分得分為101.60 作為相似污染地區(qū)相同指標植物抗性能力的評定參考值，主成分得分＞101.60的植物，表示其對大氣SO2和Pb 復合污染的抗性能力較強；反之則抗性能力較弱。 在SO2和Pb 復合污染較重的工業(yè)地區(qū)，可據(jù)此參考值進行植物篩選和引種及改善環(huán)境，選栽對SO2-Pb 復合污染的抗性強的植物種類。

依據(jù)方差分析、多重比較分析、相關(guān)性分析與主成分分析可知，適當?shù)腟 可緩解Pb 對法桐的損害，S 過量則對植物產(chǎn)生了損害，在對大氣SO2和Pb 復合污染的吸收凈化過程中，法桐通過生成更多的SS，調(diào)節(jié)葉液酸堿度，激活抗壞血酸過氧化物酶活性以清除體內(nèi)的活性氧，減少丙二醛的產(chǎn)生，維持正常的生命活動以保持對SO2和Pb 復合污染較強的抗性。

3 結(jié)論

通過上述研究可知:

(1) 非污染區(qū)不同方向的法桐葉片指標差異水平各不相同。 SO2和Pb 復合污染對法桐葉片產(chǎn)生影響，法桐體內(nèi)適當?shù)腟 緩解了Pb 的脅迫，過量的S 損害植物，長期脅迫下，法桐通過調(diào)節(jié)抗氧化酶活性影響SO2吸收等一系列抗性響應機制消除其對植物的損害。

(2) 法桐葉片中S 質(zhì)量分數(shù)與SS 質(zhì)量分數(shù)、抗壞血酸過氧化物酶活性、丙二醛質(zhì)量摩爾濃度、SP質(zhì)量分數(shù)、Chl 質(zhì)量分數(shù)基本不相關(guān)；與超氧陰離子產(chǎn)生速率呈低度負相關(guān)；與過氧化物酶活性和葉液酸堿度呈中度正相關(guān)；Pb 質(zhì)量分數(shù)與SP 質(zhì)量分數(shù)和Chl 質(zhì)量分數(shù)基本不相關(guān)；與抗壞血酸過氧化物酶活性和SS 質(zhì)量分數(shù)呈中度正相關(guān)；與超氧陰離子產(chǎn)生速率呈低度正相關(guān)；與過氧化物酶活性和丙二醛質(zhì)量摩爾濃度呈中度負相關(guān)；與葉液酸堿度呈低度負相關(guān)。 法桐通過自身的抗逆調(diào)節(jié)，生成更多的SS，調(diào)節(jié)葉液酸堿度，激活抗壞血酸過氧化物酶活性以清除體內(nèi)的活性氧，減少丙二醛的產(chǎn)生，維持正常的生命活動以促進植物對SO2和Pb 的吸收。

(3) 抗壞血酸過氧化物酶、SS、丙二醛、Pb、SP、Chl、葉液酸堿度和S 是法桐對大氣SO2和Pb 復合污染抗性響應的重要指標。 計算出的法桐主成分得分為101.60，其可以作為相似污染地區(qū)植物抗性能力相同指標的評定參考值，主成分得分＞101.60 的植物，其抗性能力較強；反之則抗性能力較弱。