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二氧化硫(SO2)是主要的大气污染物,主要源于煤和石油的燃烧。SO2在空气中会氧化形成硫酸盐、气溶胶((NH4)2SO4)等衍生物,是PM2.5和雾霾的组成成分,也是雾霾中的主要有害成分,造成二次污染,严重危害人体健康[1-3]。随着我国工业化、城镇化和重化工业的继续快速发展、能源消费和机动车保有量的快速增长,SO2乃至雾霾污染形势十分严峻。环境治理、生态文明建设是当前重大国策。
普瑞杨是近年发现的杨树抗SO2新品种(品种权号:20120047),有很强的抗SO2有毒气体特性,在SO2污染和酸雨严重地区仍生长旺盛[4-5]。在高达26 mg·m−3的SO2浓度短期静态熏气条件下,普瑞杨没有出现叶片受害症状,而且可维持较强光合速率[4]。另外,普瑞杨还兼具107杨的速生等性状[5]。
植物主要通过气孔吸收大气中的SO2,在植物体内,SO2遇水转化成亚硫酸盐(SO32−)[6]。这些亚硫酸盐对植物具有很强毒性[7],通过形成活性氧(ROS)和其他自由基等干扰生理过程[8];但硫是植物生长发育必需的矿质元素,是含硫氨基酸以及谷胱甘肽的组成成分。植物可以通过代谢将亚硫酸盐转化为硫酸根离子,而硫酸根对植物没有毒害作用,所以植物将亚硫酸盐转化成硫酸根就起到解除毒性的作用。硫酸根主要存在于液泡中,一部分硫酸根还会进一步还原及同化后生成半胱氨酸,半胱氨酸进一步合成甲硫氨酸和谷胱甘肽[9]。谷胱甘肽是一种重要的抗氧化剂,负责维持细胞在胁迫下的抗氧化机制。笔者先前的研究发现,普瑞杨叶片的谷胱甘肽含量比107杨高,在高SO2浓度环境下仍可维持较高光合作用速度及气孔导度[4]。
有关植物吸收、转化及利用SO2的研究,有助于深入了解植物的大气净化和环境保护作用、利于人们更深刻体会到绿水青山就是金山银山。多年生的木本植物可以持续的起到大气净化作用,并可将大气中有害污染物转化为对植物自身有益的化合物。关于植物对大气SO2的净化作用,以前的报道多通过测定叶片含硫量的变化来推测植物的净化作用[10-12],没有同时直接测定空气中的SO2浓度变化。另外,叶片含硫量的测定是测定植物体内的总硫含量,其可能包括植物体内的SO2和亚硫酸盐,这些化合物对植物有毒害作用。所以,总硫的测定不能体现植物对SO2的脱毒功能。
笔者推测普瑞杨可以吸收更多SO2,并且有更强的将SO2转化为硫酸根离子的解毒能力。所以,本研究通过测定普瑞杨林内空气中SO2浓度,与空旷地和其它杨树品种林内测定值对照,以说明普瑞杨减少大气SO2的净化能力;通过测定普瑞杨在大气SO2污染环境和无污染环境(苗圃)中叶片硫酸根的含量,探索普瑞杨是否有降低SO2毒害的能力。
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试验一:在河南省濮阳市热电厂大院内试验林进行。在试验初期,该试验地的空气SO2浓度较高。为了比较普瑞杨和46杨的抗SO2能力,2010春在该电厂内扦插了1年生普瑞杨和46杨各1 hm2左右,株行距为150 cm × 150 cm。2014年7月28日9:00—11:00 am,对种在热电厂内的普瑞杨林内和比邻的46杨林内以及紧邻的空旷地,进行了空气SO2浓度的测定。2015年7月6日,从8:00—18:00,每2 h取1次空气样品,对热电厂的普瑞杨林内、46杨林内和空旷地空气SO2浓度进行了全天动态检测。
试验二:2018年5月中旬,分别在3个地点(河南省濮阳市热电厂大院内试验林,河南安阳汤阴宜沟镇大寺台村普瑞杨、107杨试验林,河北献县河城街镇王友村普瑞杨、107杨试验林)对普瑞杨、46杨和107杨林内外空气SO2浓度进行了再次全天动态检测,3个地点的基本信息见表1。
表 1 试验林基本信息
Table 1. Basic information of experimental forests
地点Site 品种Variety 林龄/a Forest age 密度/
(m × m)
Density树高/m Height 胸径/cm DBH 郁闭度
Canopy density濮阳 普瑞 5 1.5 × 1.5 10.7 11.4 完全 濮阳 46 5 1.5 × 1.5 10.7 11.1 完全 濮阳 普瑞 8 1.5 × 1.5 16.3 13.3 完全 濮阳 46 8 1.5 × 1.5 15.5 12.4 完全 安阳 普瑞 8 2 × 6 18.3 16.7 部分 安阳 107 8 2 × 6 18.3 16.6 部分 献县 普瑞 5 2 × 3 12.9 14.3 完全 献县 107 5 2 × 3 12.7 13.8 完全 另外,2015年7月6日采集了种在濮阳热电厂普瑞杨和46杨大树的成熟叶片;2018年5月中旬,在河南安阳汤大田苗圃中采集了普瑞杨和107杨成熟叶片;杀青烘干后,带回实验室测定叶片的硫酸根离子含量。
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空气中SO2浓度采用国家标准(GBZ/T160.33-2004)进行检测,2015年委托具有检测资质的第三方(河南濮阳环境检测站)测定在河南濮阳火力发电厂空气中的SO2浓度,2018年委托具有检测资质的第三方(河南安凯职业技术检测有限公司)测定空气中的SO2浓度。采用大气采样器(FCC-1500D)采集气样,运用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法测定SO2浓度。
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使用阴离子交换色谱仪(Dionex ICS-3000)定量测定叶片的SO42−含量[13]。叶片烘干后,用研钵粉碎,将过100目筛子的叶片粉末50 mg加入离心管中,并在离心管中加入含有100 mg的PVPP的1 mL去离子水。将离心管放入混匀仪中,4℃混匀振荡60 min,然后沸水煮15 min。取出离心管,4℃,15 000 g离心10 min,吸取上清液,再将上清液离心5 min后,取上清液稀释20倍后,通过离子色谱仪(戴安ICS-3000)测定硫酸根离子含量(于中国林科院森林生态学重点实验室和森林保护学重点实验室完成)。
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采用Excel进行t-检验,单因素方差分析,Duncan多重比较。以p = 0.05为显著性鉴定标准。所有测定至少重复3次。
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空气中SO2浓度的测定在濮阳市热电厂大院内试验林中于2014年7月28日9:00—11:00 am进行,发现普瑞杨林内SO2浓度是林外的55%(p < 0.05)(表2),表明普瑞杨可减少空气中大概45%的SO2。普瑞杨林内空气中SO2浓度也显著的低于相邻的46杨林内空气中SO2浓度,后者是林外空地SO2浓度的65%。
表 2 普瑞杨和46杨林内以及林外的大气SO2浓度
Table 2. The sulfur dioxide concentration in the air inside and outside the Purui and Zhonglin 46 forests
地点 Site SO2浓度
Concentration of sulfur dioxide/
(mg·m−3)普瑞杨林内 Purui poplar forest 0.044 ± 0.002 5 c 46杨林内 46 poplar forest 0.052 ± 0.002 5 b 林外空地 Open space outside the forest 0.080 ± 0.006 2 a 注:同列不同小写字母表示差异显著(p < 0.05)。
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant (p < 0.05) differences. -
在河南濮阳、安阳、河北献县进行了4次对比测定,分别于2015和2018年2次在濮阳进行普瑞杨和46杨树林对比试验;2018在河南安阳和河北献县各进行了1次普瑞杨和107杨林对比试验。比较普瑞杨和46杨、普瑞杨和107杨林内空气的SO2浓度,并以相邻的林外空地SO2浓度为对照,计算普瑞杨、107杨和46杨林内SO2浓度与林外空地的比值,所得数据绘成动态曲线(图1、2)。图1呈现的是于2018年5月中旬在河北献县测定的情况,全天的SO2浓度有较大波动,但2种杨树林中大气SO2浓度都低于相邻空地,分别相当于空地中59%和71%,其中,普瑞杨内更低。
图 1 普瑞杨和107杨林内和林外不同时间SO2浓度的动态曲线
Figure 1. Diurnal dynamic changes of sulfur dioxide concentration in the air inside and outside the Purui and 107 poplar forests at different times
图 2 普瑞杨林、46杨和107杨林内和林外不同时间SO2浓度动态变化。
Figure 2. Diurnal dynamic changes of sulfur dioxide concentration in the air inside and outside the Purui, 46 and 107 poplar forests at different times
将3地4次测定的结果绘制在一起(图2),显示46杨和107杨林内的SO2浓度是空地的70%左右,而普瑞杨林内是55%左右。普瑞杨净化空气中SO2能力比46杨和107杨大于约15%。回归曲线显示:46杨和107杨林内的SO2浓度全天基本不变或略有上升的趋势;而普瑞杨林内的SO2浓度从早晨到下午一直在下降。
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本文测定污染环境(河南濮阳市热电厂内)下的普瑞杨和46杨以及无污染环境(苗圃)下的普瑞杨和107杨的叶片硫酸根含量(表3),表明热电厂内普瑞杨叶片硫酸根的含量是46杨的2.13倍(p < 0.01),是苗圃中普瑞杨的2.49倍(p < 0.01),说明在大气SO2污染环境中普瑞杨更能发挥将有毒SO2气体转化成无毒的硫酸盐的功能。苗圃普瑞杨叶片硫酸根的含量也比107杨高2.07倍(p < 0.01),说明在低SO2环境中普瑞杨吸收转化SO2的能力也比107杨强。
表 3 普瑞杨与其它杨树品种叶片硫酸根含量的差异
Table 3. Difference of sulfate (SO42−) concentration in the leaves of Purui and other poplar varieties
地点
Site杨树品种
VarietiesSO42-浓度
Concentration of sulfate/(µg·g-1)环境SO2浓度
Concentration of sulfur dioxide in the air / (mg·g−1)热电厂 Power plant 普瑞杨 Purui poplar 55.14 ± 3.48 A 0.220 ± 0.025 46杨 46 poplar 25.86 ± 3.52 B 苗圃 Nursery 普瑞杨 Purui poplar 22.14 ± 0.83 A 0.017 ± 0.002 107杨 107 poplar 10.69 ± 1.98 B 注:不同大写字母表示差异显著(p < 0.01)。
Note: Different capital-letters in the same column indicate significant (p < 0.01) differences.
普瑞杨、46杨及107杨的林内SO2浓度及叶片硫酸根离子含量差异
Absorption and Transformation of Sulfur Dioxide by Populus × euramericana cv. 'Purui'
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摘要:
目的 研究3种杨树对空气中SO2的吸收和转化作用,探索普瑞杨抗SO2的机制以及净化大气的能力。 方法 在普瑞杨、46杨和107杨森林中,测定林内、林外空气中SO2浓度的日动态变化,并测定在SO2污染环境和非污染环境条件下杨树叶片中硫酸根(SO42−)离子的浓度,依此比较3种杨树对SO2污染的净化作用。 结果 从林内、林外SO2浓度的日动态变化可见,3种杨树均能吸收SO2,其中,普瑞杨吸收SO2、净化空气的能力显著大于107杨和46杨。无论在高浓度还是低浓度SO2环境下,普瑞杨叶片中的硫酸根离子含量均显著高于46杨和107杨,说明普瑞杨具有更强的吸收SO2并转化为无毒含硫化合物的能力,这也是普瑞杨抗SO2的重要机理。 结论 普瑞杨具有比107杨和46杨更强的净化SO2污染环境的能力,从而可以更好净化空气,减少雾霾对人体的危害;普瑞杨具有更强的将SO2转化为无毒的硫酸根离子的能力,从而起到脱毒和抗SO2的作用。 Abstract:Objective To investigate the absorption and transformation of sulfur dioxide in the air by three poplar varieties in order to study the mechanism of sulfur dioxide resistance and the capacity of Populus × euramericana cv. 'Purui' in purifying the atmosphere. Method Three poplar varieties (Populus × euramericana cv. 'Purui' (Purui), Populus × euramericana cv. '74/76' (107) and Populus × euramericana cl. 'Zhonglin 46' (Zhonglin 46)) were selected to compare their effects on absorbing and purifying the sulfur dioxide in atmosphere. The diurnal dynamic changes of sulfur dioxide concentration in the air inside and outside the forests were measured. The concentrations of sulfate (SO42-) in the leaves of Purui, Zhonglin 46 and 107 under different sulfur dioxide pollution environments were measured. Result The daily dynamic changes of sulfur dioxide concentration inside and outside the forests indicated that the three poplar varieties were able to absorb sulfur dioxide, and hence purify the air. Among them, Purui had significantly greater capacity in sulfur dioxide absorption and air purification than Zhonglin 46 and 107. Sulfate ion concentration in Purui leaves was significantly higher than that in Zhonglin 46 and 107. Whether in the environment of high or low concentration of sulfur dioxide, the sulfate ion in the leaves of Purui was higher than that of the other two varieties, indicating that Purui had stronger ability to absorb sulfur dioxide and convert it into non-toxic sulfur compounds. This is also an important mechanism of sulfur dioxide resistance for Purui. Conclusion Among the three poplar varieties, Purui has stronger ability to purify the atmosphere polluted by sulfur dioxide, thereby detoxifying sulfur dioxide, so as to better purify the air and reduce the harm of haze to human body. Compared with other poplar species, Purui has stronger ability to convert sulfur dioxide into non-toxic sulfate ions, which can facilitates its detoxification. -
Key words:
- Poplar
- / sulfur dioxide
- / absorption and transformation
- / air purification
- / detoxification
-
表 1 试验林基本信息
Table 1. Basic information of experimental forests
地点Site 品种Variety 林龄/a Forest age 密度/
(m × m)
Density树高/m Height 胸径/cm DBH 郁闭度
Canopy density濮阳 普瑞 5 1.5 × 1.5 10.7 11.4 完全 濮阳 46 5 1.5 × 1.5 10.7 11.1 完全 濮阳 普瑞 8 1.5 × 1.5 16.3 13.3 完全 濮阳 46 8 1.5 × 1.5 15.5 12.4 完全 安阳 普瑞 8 2 × 6 18.3 16.7 部分 安阳 107 8 2 × 6 18.3 16.6 部分 献县 普瑞 5 2 × 3 12.9 14.3 完全 献县 107 5 2 × 3 12.7 13.8 完全 表 2 普瑞杨和46杨林内以及林外的大气SO2浓度
Table 2. The sulfur dioxide concentration in the air inside and outside the Purui and Zhonglin 46 forests
地点 Site SO2浓度
Concentration of sulfur dioxide/
(mg·m−3)普瑞杨林内 Purui poplar forest 0.044 ± 0.002 5 c 46杨林内 46 poplar forest 0.052 ± 0.002 5 b 林外空地 Open space outside the forest 0.080 ± 0.006 2 a 注:同列不同小写字母表示差异显著(p < 0.05)。
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant (p < 0.05) differences.表 3 普瑞杨与其它杨树品种叶片硫酸根含量的差异
Table 3. Difference of sulfate (SO42−) concentration in the leaves of Purui and other poplar varieties
地点
Site杨树品种
VarietiesSO42-浓度
Concentration of sulfate/(µg·g-1)环境SO2浓度
Concentration of sulfur dioxide in the air / (mg·g−1)热电厂 Power plant 普瑞杨 Purui poplar 55.14 ± 3.48 A 0.220 ± 0.025 46杨 46 poplar 25.86 ± 3.52 B 苗圃 Nursery 普瑞杨 Purui poplar 22.14 ± 0.83 A 0.017 ± 0.002 107杨 107 poplar 10.69 ± 1.98 B 注:不同大写字母表示差异显著(p < 0.01)。
Note: Different capital-letters in the same column indicate significant (p < 0.01) differences. -
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