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北京市作为我国政治、文化、国际交往、科技创新中心,建国以来高速发展成为国际性大都市。高速发展的同时也带来了相应的环境问题,首当其冲的就是大气污染问题[1]。SO2是大气污染物中主要污染物之一,具有危害影响广、数量大的特点,不仅能够促进酸雨的形成,腐蚀城市基础建设设施、艺术品等,而且能够直接对人体的呼吸系统产生危害[2]。园林绿化树木是城市生态环境的重要组成部分,具备吸收一定浓度范围内的大气污染物尤其是SO2的能力,这一点在许多专家学者研究中得到证实[3-6]。不同树种的环保功能不同,吸收净化SO2的能力也不尽相同[7],所以对本土常见绿化树种吸收净化SO2能力做针对性研究具有十分重要的现实意义。
有关绿色植物与SO2的相关关系研究较多,如高吉喜等[8]研究了SO2对植物新陈代谢的影响;Simonnich[9]探究并证实植物吸收是清除大气中硫化物等污染物的主要途径;陈卓梅等[10]对比分析了42种绿色植物对SO2的抗性并做深入研究;一些国内外专家学者[11-13]进一步通过实地调查并在污染环境中进行栽培实验,利用人工熏气法结合植物生理指标深度分析了抗性机理。以上研究多为从植物生理层面探讨植物与SO2的关系,而以筛选净化SO2城市绿化树种的针对性研究相对较少,部分学者[14-19]采用了设立污染区及清洁区计算植物相对吸硫量的方法,进而评价绿色植物吸收SO2的能力,本方法能很好的排除其他因素干扰,且应用较为广泛,胡舒等[15-19]采用此方法对我国几个省市地区植物对大气SO2净化能力及修复功能做相关研究,筛选出了一些吸收SO2能力强的树种,结果虽对北京市选择绿化树种有一定参考性,但就北京市地理位置、污染情况、树种分布等相关条件的特殊性,有必要做进一步研究。本研究借鉴了这一方法,先采用有便捷的可操作性的BaSO4比浊法[20-21]处理植物叶片样本测定硫含量,再通过计算出叶片相对吸硫量、平均污染指数,并分析各污染环境下各树种叶片吸收积累SO2的规律的基础上,综合评价被测树种对SO2的吸收积累能力,筛选出吸收净化SO2能力强的北京市常见绿化树种,可以为未来北京城区绿化提供依据。
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北京市地处华北平原北部,位于115.7°~117.4° E,39.4°~41.6° N,平均海拔43.5 m,为典型的北温带半湿润大陆性季风气候,年平均日照时数在2 000~2 800 h,年平均气温10~12℃,年平均降雨量626 mm,主要集中在6—8月。北京市地带性植被类型主要以暖温带落叶阔叶林及温带针叶林为主,树种丰富,常见树种主要有侧柏(Platycladus orientalis(L.) Franco)、油松(Pinus tabuliformis Carrière)、旱柳(Salix matsudana Koidz)、榆树(Ulmus pumila L.)、国槐(Sophora japonica Linn.)、毛白杨(Populus tomentosa Carr.)等。
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以北京市环保局公布的2009—2013年北京市环境状况公报中各行政区SO2年度平均浓度分布情况为基本依托,结合相关区域污染源情况分析,最终在北京市内城区、城郊确定选取4个调查样地,设置4种不同空气污染程度试验样区,分别为重度污染区(海淀区紫竹院公园及周边绿地)、中度污染区(石景山区老山驾校及周边绿地)、轻度污染区(门头沟区九龙山及周边绿地)和清洁对照区(门头沟区鲁家山循环经济基地及周边绿地)。以上4个样区的空气中SO2平均浓度分别为35.8、25.6、21.2和19.6 μg·m-3。
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在北京市林业局公布的北京市城市绿地现有绿化树种调查的基础上,踏查4个调查样区附近绿地植被生长分布情况,遵循所选树种在北京市内应用频次高、分布泛度广、宜栽性强、生长良好、功能性全面等原则,选取9种常见绿化树种作为供试材料,分别为侧柏(Platycladus orientalis(L.) Franco)、油松(Pinus tabuliformis Carrière)、榆树(Ulmus pumila L.)、国槐(Sophora japonica Linn.)、毛白杨(Populus tomentosa Carr.)、旱柳(Salix matsudana Koidz)、臭椿(Ailanthus altissima (Mill.) Swingle)、黄栌(Cotinus coggygria Scop.)、色木槭(Acer mono Maxim.)。为排除生长情况影响,同种树种在不同污染区样本选择必须满足树龄、树高以及胸径一致或大致相同,基本情况见表 1。
树种
Species生活型
Life form生长状况Growth status 树高/m
Height胸径/cm
DBH侧柏Platycladus orientalis 常绿乔木 8±1.62 9±2.13 油松Pinus tabulaeformis 常绿乔木 10±2.16 16±1.24 榆树Ulmus pumila 落叶乔木 8±1.72 9±1.62 国槐Sophora japonica 落叶乔木 7±1.54 13±2.13 毛白杨Populus tomentosa 落叶乔木 12±1.23 14±2.08 旱柳Salix matsudana 落叶乔木 7±1.86 15±1.86 臭椿Ailanthus altissima 落叶乔木 5±1.35 9±1.52 黄栌Cotinus coggygria 落叶小乔木 3±1.12 5±1.46 色木槭Acer mono 落叶乔木 7±0.97 7±1.21 Table 1. Basic situation of the tested species
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2015年8月3日至6日在北京市内所选4个试验样区分别对所选9种树种采取样叶,同一样区同种树种至少选取3株,并要求所采叶样植株必须满足树龄、树高以及胸径一致或大致相同。为排除垂直梯度、风向等因素影响,在树干外围上中下及东西南北四个方向均匀采摘叶片,每个样本称取400 g装入自封袋中,当日带回实验室后,首先将自封袋内叶片分别放入大量自来水中清洗以清除表面附着物,然后对洗净叶片使用去离子水冲洗,置于干净网格架上沥干水分,置入恒温烘箱中,温度设定80℃温度放置2~3小时直至烘干。将烘干后的样本使用粉碎机进一步粉碎后过0.2 mm(80目)筛。最终所得样本分别标记,并放入干燥器中留存待用。
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采用比浊法[20-21]配备标准溶液,溶液浓度分别设置为0,20,40,60,80,100 μg·ml-1,定容后,通过设定波长为440 nm的原子吸收分光光度计测定吸光度,绘制标准曲线。本研究所得标准曲线方程为,y=47.68x-0.320 5, 式中x——溶液吸光度,y——相应硫含量,相关系数为R2=0.996。
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每次从干燥器中取出一份已标记处理后的样本,准确称取0.2 g置于100 mL三角瓶中,并加入5 mL配置好的消化液(1.7 g偏钒酸铵,7.5 g重铬酸钾,1 200 mL高氯酸,1 050 mL浓硝酸),待样品湿润后,放置在电热器上逐步升温至80℃以下加热,直至消化液呈现为淡绿色且不再冒黄烟而冒白烟,并且溶液中出现淡红色的沉淀物时停止加热。冷却至室温后,再加入10 mL配好的混合酸(由20 mL盐酸,50 mL冰醋酸,20 mL磷酸混合配制)后过滤,最后稀释定容至25 mL。定容后吸取1.00 mL该液体于25 mL比色管中,按照标准曲线的方法[20-21]测定。同一样品设置3个重复测定,结果取其平均值,最后利用公式计算该样本叶片硫含量:叶片硫含量(mg·g-1)=E*V0/(1000*V*W)
其中,E——标准曲线中查得的相应硫含量(μg);V0——定容后消化液的总体积(mL);V——为比浊测定时用的消化液体积(mL);W——分析用的样品重量(g)。
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叶片的相对吸硫量[22]即被测树种在各个污染样区与清洁对照区的叶片硫含量的差值。计算相对吸硫量的目的主要是量化绿化树种对SO2的吸收能力。为了进一步评价被测树种吸硫能力,计算平均相对吸硫量后,采用平均污染指数法[23-24]计算树种的平均污染指数(TW),将其作为树种净化能力的评价指标。平均污染指数计算公式为:
式中,Ci为污染指数,Cm为采样区某种树的叶片硫含量,Ck为对照区对应树种叶片硫含量,n为相应树种所处污染区数量。
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采用SPSS 18.0统计分析软件对测定数据进行单因素方差分析(ANOVA)、相关性分析,使用“最小显著差数法”进行多重比较,使用“组内连接”、“欧氏距离法”做系统聚类分析;对聚类分析结果采用组内观察值数目不等的单项分组资料的方差分析法;采用origin pro 8.0软件制作相关性示意图。
1.1. 研究区概况
1.2. 研究方法
1.2.1. 样区选择
1.2.2. 供试树种选择
1.2.3. 样叶的采集及预处理
1.2.4. 标准曲线绘制
1.2.5. 叶片硫含量计算
1.2.6. 叶片相对吸硫量与平均污染指数
1.2.7. 数据统计分析
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由表 2可知,在不同污染程度样区间,9种供试树种叶片硫含量均表现出随着样区污染程度的增加而升高的趋势,具体表现为在清洁对照区<轻度污染区<中度污染区<重度污染区。除国槐在重度污染区与中度污染区、油松在轻度污染区与清洁对照区间表现出无明显差异外,其他7种被测树种叶片硫含量分别在重度污染区与中度污染区、中度污染区与轻度污染区、轻度污染区与清洁对照区之间对比均呈显著性差异(p<0.05)。同种树种叶片硫含量在不同污染样区间变化范围依次为:侧柏0.79~1.52mg·g-1、油松0.92~1.77 mg·g-1、榆树0.97~1.73mg·g-1、国槐1.08~3.15mg·g-1、毛白杨1.15~2.46mg·g-1、旱柳1.93~6.98mg·g-1、臭椿0.84~2.01mg·g-1、黄栌0.88~1.95mg·g-1、色木槭0.83~1.68mg·g-1。其中,旱柳在清洁对照区与重度污染区差异最为明显,差值达到5.05mg·g-1;而侧柏差值最小,为0.73 mg·g-1。
树种
Species叶片硫含量Leaf sulfur contents/(mg·g-1) 重度污染区
Heavily polluted area中度污染区
Moderately polluted area轻度污染区
Lightly polluted area清洁对照区
CK plots侧柏Platycladus orientalis 1.52±0.03hA 1.23±0.01hB 1.03±0.02iC 0.79±0.01hD 油松Pinus tabulaeformis 1.77±0.02fA 1.39±0.04fB 1.08±0.01hC 0.92±0.01eC 榆树Ulmus pumila 1.73±0.03fA 1.32±0.05gB 1.16±0.02fC 0.97±0.01dD 国槐Sophora japonica 3.15±0.01bA 1.95±0.01bA 1.68±0.02bB 1.08±0.01cC 毛白杨Populus tomentosa 2.46±0.01cA 1.83±0.01cB 1.42±0.01cC 1.15±0.04bD 旱柳Salix matsudana 6.98±0.03aA 3.27±0.02aB 2.67±0.01aC 1.93±0.02aD 臭椿Ailanthus altissima 2.01±0.04dA 1.49±0.03dB 1.28±0.01dC 0.84±0.03gD 黄栌Cotinus coggygria 1.95±0.01eA 1.51±0.05dB 1.21±0.03eC 0.88±0.01fD 色木槭Acer mono 1.68±0.02gA 1.43±0.01eB 1.13±0.01gC 0.83±0.02gD 注:同列数据后不同小写英文字母表示树种间差异性显著(P<0.05),同行数据后不同大写英文字母表示污染区间差异性显著(P<0.05)。表 3同。 Table 2. Comparison of leaf sulfur contents between 9 species from different polluted areas in Beijing
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进一步分析表 2,在相同污染程度样区内对不同绿化树种进行分析比较,被测9种绿化树种的叶片硫含量即积累硫元素的能力总体上表现出旱柳、国槐、毛白杨3种树种均高于其他树种,侧柏均为最低的规律,且均呈显著性差异(p<0.05)。重度污染区内叶片硫含量从大到小的顺序为:旱柳>国槐>毛白杨>臭椿>黄栌>油松>榆树>色木槭>侧柏,浮动范围在6.98~1.52 mg·g-1之间,除油松与榆树间差异不显著外均呈现显著性差异;中度污染区内叶片硫含量从大到小的顺序为:旱柳>国槐>毛白杨>黄栌>臭椿>色木槭>油松>榆树>侧柏,浮动范围在3.27~1.23 mg·g-1之间,除臭椿与黄栌差异不显著外均呈现显著性差异;轻度污染区内叶片硫含量从大到小的顺序为:旱柳>国槐>毛白杨>臭椿>黄栌>榆树>色木槭>油松>侧柏,浮动范围在2.67~1.03 mg·g-1之间,各树种间均呈现显著性差异。
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由表 3可知,在不同污染程度样区间,9种供试树种叶片相对吸硫量均表现出随着样区污染程度的增加而升高的趋势,具体表现为在轻度污染区<中度污染区<重度污染区,这与叶片含硫量规律相同。除榆树在中度污染区与轻度污染区间表现出无明显差异外,其他8种被测树种叶片相对吸硫量分别在重度污染区与中度污染区、中度污染区与轻度污染区、轻度污染区与清洁对照区之间对比均呈显著性差异(p<0.05)。同种树种叶片相对吸硫量在3种污染样区间变化范围依次为:侧柏0.24~0.73 mg·g-1、油松0.16~0.85 mg·g-1、榆树0.19~0.76 mg·g-1、国槐0.60~2.07 mg·g-1、毛白杨0.27~1.31 mg·g-1、旱柳0.74~5.05 mg·g-1、臭椿0.44~1.17 mg·g-1、黄栌0.33~1.07 mg·g-1、色木槭0.30~0.85 mg·g-1。其中,与叶片含硫量相同的是旱柳变现出差异最为明显,差值达到4.31 mg·g-1;而侧柏差值最小,为0.49 mg·g-1。
树种
Species相对吸硫量Sulfur absorption capacity/(mg·g-1) 平均相对吸硫量
Average sulfur capacity平均污染指数
TW重度污染区
Heavily polluted area中度污染区
Moderately polluted area轻度污染区
Lightly polluted area侧柏Platycladus orientalis 0.73gA 0.44fB 0.24gC 0.47 1.59 油松Pinus tabulaeformis 0.85fA 0.47eB 0.16iC 0.49 1.54 榆树Ulmus pumila 0.76gA 0.35gB 0.19hB 0.43 1.45 国槐Sophora japonica 2.07bA 0.87bB 0.60bC 1.18 2.09 毛白杨Populus tomentosa 1.31cA 0.68cB 0.27fC 0.75 1.66 旱柳Salix matsudana 5.05aA 1.34aB 0.74aC 2.38 2.23 臭椿Ailanthus altissima 1.17dA 0.65cB 0.44cC 0.75 1.90 黄栌Cotinus coggygria 1.07eA 0.63cB 0.33dC 0.68 1.77 色木槭Acer mono 0.85fA 0.60dB 0.30eC 0.58 1.70 Table 3. Comparison of leaf sulfur capacity and average pollution index between 9 species from different polluted areas
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进一步分析表 3,在相同污染程度样区内对不同绿化树种进行分析比较,被测9种绿化树种的相对吸硫量即吸收硫元素的能力总体上表现为:旱柳、国槐、毛白杨三种树种均高于其他树种,侧柏均为最低的规律,且均呈显著性差异(p<0.05)。同样与叶片含硫量规律相同。重度污染区内叶片相对吸硫量从大到小的顺序为:旱柳>国槐>毛白杨>臭椿>黄栌>色木槭=油松>榆树>侧柏,浮动范围在5.05~0.73 mg·g-1之间,除油松与色木槭同样为0.85 mg·g-1以及侧柏与榆树间差异不显著外,其他均呈现显著性差异;中度污染区内叶片相对吸硫量从大到小的顺序为:旱柳>国槐>毛白杨>臭椿>黄栌>色木槭>油松>侧柏>榆树,浮动范围在1.34~0.35 mg·g-1之间,除臭椿、黄栌和毛白杨三者间差异不显著外均呈现显著性差异;轻度污染区内叶片相对吸硫量从大到小的顺序为:旱柳>国槐>臭椿>黄栌>色木槭>毛白杨>侧柏>榆树>油松,浮动范围在0.74~0.16 mg·g-1之间,各树种间均呈现显著性差异。
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由表 4方差分析结果可知,北京市9种被测树种的平均相对吸硫量和平均污染指数的P值分别为0.000和0.047,均呈现显著性差异。以平均相对吸硫量和平均污染指数两项指标综合对9种被测树种吸收净化SO2能力进行评级,进行聚类分析。结果如图 2所示,被测9种绿化树种在污染区内吸收SO2能力可划分为四个等级,分别为极强(旱柳)、强(国槐)、中(黄栌、色木槭、毛白杨、臭椿)、弱(侧柏、油松、榆树)。具体表现为旱柳吸收SO2极强,其平均相对吸硫量2.38 mg·g-1,平均污染指数为2.23;国槐吸收能力强,其平均相对吸硫量1.18 mg·g-1,平均污染指数为2.09;臭椿、黄栌、毛白杨、色木槭吸收能力中等;而榆树、侧柏、油松吸收能力相对较弱。不同等级间两项指标均存在极显著性差异(表 5),表明聚类分析结果可靠。
平均相对吸硫量Average sulfur capacity 平均污染指数TW 平方和 DF 均方 F P 平方和 DF 均方 F P 组间 37.601 2 18.801 27.455 0.000 6.863 2 3.432 3.470 0.047 组内 16.434 24 0.685 23.733 24 0.989 总数 54.036 26 30.596 26 Table 4. Variance analysis of leaf sulfur capacity and average pollution index between 9 species from different polluted areas
Figure 2. Cluster analysis of leaf sulfur absorption capacity and average pollution index between 9 species
变异来源
Variation source平均相对吸硫量
Average sulfur capacity平均污染指数
TWDF SS MS F F0.01 DF SS MS F F0.01 不同等级间 3 3.01 1.00 250 12.1 3 0.49 0.16 20 12.1 误差 5 0.02 0.004 5 0.04 0.008 总变异 8 3.03 8 0.53 Table 5. Variance analysis of the classification