（环境科学专业论文）植物叶片监测城市大气so2研究——以惠州市为例.pdf

且还与树种随着季节生长发育的代谢活动密切相关，同时也表明供试植物大 叶榕和红花羊蹄甲叶片含硫量可作为大气s o z 的指示剂，有效地监测城市大气污 染。 2 、不同的树种在相同的生长环境下，吸收大气s 0 2 的能力不同。本论文通 过比较不同树种的叶片含硫量，结果表明了大叶榕的吸硫能力稍强于红花羊蹄甲 的吸硫能力。 3 、植物叶片含硫量与大气硫酸盐化速率呈极显著相关。大叶榕的拟合方程 为：y = 0 0 4 4 x + 0 0 3 5 ，红花羊蹄甲的拟合方程为：y = o 0 6 0 x + 0 0 2 2 ，表明用 植物叶片含硫量来判断大气硫酸盐化速率水平是切实可行的。 4 、植物s 0 2 污染指数能够有效地评价大气s o z 的污染状况。通过植物叶片 含硫量计算s 0 2 污染指数和判定污染等级，其结果与惠州市区大气自动监测的二 氧化硫浓度保持较低水平的结果是基本一致的；各功能区的大气s 0 2 污染指数评 价结果，也与实际调查基本是一致的。说明了用植物s o z 污染指数来评价大气 s 0 2 的污染状况是可行的。 关键词：叶片含硫量；监测；s 0 2 ；城市空气；惠州市 a b s t r a c t m o n i t o r i n go f s u l f u rd i o x i d ei nu r b a na t m o s p h e r e b yu s i n gp l a n tl e a v e s _ _ _ _ ac a s es t u d yi nh u i z h o uc i t y m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e s n a m e ：c h e nh h a s u p e r v i s o r ：p r o f g u a nd o n g s h e n g a b s t r a c t d e p e n d i n go nt h ec o r e l a t i o n s h i p sb e t w e e np l a n t sa n dt h e i re n v i r o n m e n t s ，p l a n t m o n i t o r i n gc a nb ed e f i n e da st h ei m p a c t so fp o l l u t a n t so np l a n t sa sw e l la si n d e x e s c o n c e r n i n gp l a n t sr e s p o n d i n gt oe n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t st or e f l e c te n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n p l a n tm o n i t o r i n g i sa n i m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l ec o m p l e m e n t f u r p h y s i o c h e m i c a lm o n i t o r i n g ，a n da l s of u re n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n to fa i r q u a l i t ya n de n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n ts t r a t e g i e s h u i z h o uc i t yl i e si nt h es o u t h e a s to fg u a n g d o n gp r o v i n c e w i t ht h e r a p i d e c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s ，t h ea v e r a g ey e a r l yc o n c e n t r a t i o no fs u l f u r d i o x i d ea n da c i dr a i nf r e q u e n c ys h o w nt h et r e n do fi n c r e a s i n g ，a n dt h el a t t e rw a s h i g h e rt h a nt h ea v e r a g ev a l u eo fg u a n g d o n gp r o v i n c e b a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o ni n h u i z h o uc i t y , s u l f u rc o n t e n t si nl e a v e so ff i c u sv i r e n sv a t s u b l a n c e o l a t aa n d b a u h i n i ab l a k e a n ad u r r ai nd i f f e r e n ts e a s o n sa n dd i f f e r e n t s a m p n gs i t e sw e r e m e a s u r e d a l s o ，a t m o s p h e r i cs u l f a t i n gr a t ew a st e s t e db yu s i n gs t a t i cs u s p e n d i n gp i e c e m e t h o d t h e nt h ev a r i a t i o nt r e n d so fs u l f u rc o n t e n t si np l a n tl e a v e si nd i f f e r e n t s e a s o n sa n dd i f f e r e n ts a m p l i n gs i t e sw e r ea n a l y z e d ，t h ea b s o r p t i o na b i l i t yo fd i f f e r e n t t r e e s p e c i e st os 0 2w e r ea l s oc o m p a r e d t h ec o r r e l a t i v em a t h e m a t i c a lm o d e l s c o n c e r n i n gs u l f u rc o n t e n t si np l a n tl e a v e sw i t ha t m o s p h e r i cs u l f a t i n gr a t ew e r eb u i l t ， a l s o f i n a l l yt h ec u r r e n tp o l l u t i o ns t a t u so fa t m o s p h e r i cs u l f u rd i o x i d ei nt h ec i t yw a s a s s e s s e db yu s i n gt h eb o t a n i c a le v a l u a t i o n m 中山大学硕士学位论文 m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 s u l f u rc o n t e n t si n p l a n tl e a v e si ns e a s o n sa n ds a m p l i n gs i t e s s h o w s o m e r e g u h rp a t t e r n s ：t h es e a s o n a lv a r i a t i o n sa r es p r i n g r e s i d e n t i a la r e a ) c l e a na r e a t h e s e c h a n g e sa r er e l a t e dn o to n l yw i t ht h ea t m o s p h e r i cc o n c e n t r a t i o no fs u l f u rd i o x i d e ，b u t a l s ow i t ht h em e t a b o l i ca c t i v i t i e so ft r e e si nd i f f e r e n tg r o w i n gs e a s o n s t h er e s u l t s h o w e dt h a ts u l f u rc o n t e n t si nt h e s et w op l a n tl e a v e sc a nb eu s e da si n d i c a t o r st o m o n i t o ru r b a na i rp o l l u t i o ne f f e c t i v e l y 2 t h ea b i l i t yo fa b s o r b i n ga t m o s p h e r i cs u l f u rd i o x i d ei nd i f f e r e n tt r e es p e c i e s e v e ng r o w i n gi nt h es a m ee n v i r o n m e n ti sd i f f e r e n t t h ea b s o r p t i o na b i l i t yo fev i r e n s v a r s u b l a n c e o l a t ai ss t r o n g e rt h a nt h a to f b b l a k e a n a 3 s u l f u rc o n t e n t si np l a n tl e a v e sa r es i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e dw i t ha t m o s p h e r i c s u l f a t i n gr a t e t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rev i r e n sv a ls u b l a n c e o l a t aw a sy2 o 0 4 4 x + 0 0 3 5a n d 且b l a k e a n aw a sy = 0 0 6 0 x + 0 0 2 2 t h er e s u l ts h o w st h a ti ti s f e a s i b l et oe v a l u a t ea t m o s p h e r i cs u l f a t i n gr a t eb yu s i n gs u l f u rc o n t e n t si np l a n tl e a v e s 4 t h es u l f u rd i o x i d ep o l l u t i o ni n d e xo fp l a n t sc a na s s e s sa t m o s p h e r i cs u l f u r d i o x i d ep o l l u t i o ne f f e c t i v e l y t h ei n d e xc o u l db ec a l c u l a t e db yu s i n gs u l f u rc o n t e n t s i np l a n tl e a v e sa n dt h ea t m o s p h e r ep o l l u t i o nl e v e l sc o u l db ee s t i m a t e db yt h ei n d e x l a t c ht h er e s u l ts h o w e dt h es a m eo u t c o m ew i t ht h ea u t o a i r m o n i t o r i n gm a c h i n e ，a n d w a sc o n s i s t e n tw i t ha c t u a la t m o s p h e r es i t u a t i o no ft h ec i t y a l s ot h es u l f u rd i o x i d e p o l l u t i o ni n d e x e si ne a c hf u n c t i o n a la r e a so ft h ec i t yw e r ea l lc o n s i s t e n tw i t ht h e r e s u h so ft h ef i e l di n v e s t i g a t i o n s t h e r e f o r ei ti sf e a s i b l et oa s s e s sa t m o s p h e r i cs u l f u r d i o x i d ep o l l u t i o nb yu t i l i z i n gt h es u l f u rd i o x i d ep o l l u t i o ni n d e xo f p l a n t s k e y w o r d s ：s u l f u rc o n t e n t s i n p l a n tl e a v e s ；m o n i t o r i n g ；s u l f u rd i o x i d e ；u r b a n a t m o s p h e r e ；h u i z h o uc i t y 第一章前言 1 1 研究背景 第一章前言 随着经济的高速发展和工业化进程的加快，对石油、天然气等能源的需求不 断增大，导致了近地高空大气二氧化硫、氮氧化物和悬浮颗粒物等污染成分的浓 度不断升高，从而威胁人类健康，损害动植物。这些负面影响，尤其在城市的高 频率发生，造成的损失更加严重，大气污染已经成为城市的一个主要环境问题。 大气污染中，二氧化硫是分布很广、影响相当大的污染物之一，自工业革命以来， 含硫燃料燃烧所排放的二氧化硫不断增加，据联合国环境规划署估计，全球每年 排放的二氧化硫量为1 5 x 1 0 1 0 吨。 二氧化硫的天然来源是海洋的硫酸盐盐雾、经细菌分解后的有机化合物、火 山爆发以及森林火灾所释放的硫化物。据统计，陆地天然来源的硫总量为5 0 0 万吨，约占全球排放量的三分之一，另外三分之二大部分是人类的活动造成的， 主要来源于煤和石油的燃烧、含硫矿物的冶炼和其它一些工业过程，如火力发电 厂、黑色与有色金属的冶炼、硫酸制造、纸浆制造、石油和化工工业等等，在生 产过程中均能排放出大量含硫的废气【”。另外，工业废气、生活废水、自然界的 土壤和水域，也有大量的硫化氢排人大气，硫化氢进人大气后很快被氧化成二氧 化硫，使大气中的二氧化硫获得不断补充。我国是世界上少数几个以煤炭为主要 能源的国家之一，煤炭占商品能源总消费的7 3 ，我国8 0 以上的煤炭直接用 于燃烧，二氧化硫是燃烧排放的主要污染物之一。 s 0 2 又称亚硫酸酐，无色、具有辛辣及窒息性气味的气体，属中等毒性物质， 沸点1 0 ，易溶于水，质量为空气的2 2 6 4 倍，与大气中的水蒸汽可生成具有腐 蚀性的亚硫酸( h 2 s 0 3 ) ，进而被氧化成硫酸( h 2 s 0 4 ) ；在日光照射或空气中 氧化物的作用下，s 0 2 还可被氧化成吸湿性极强的s 0 3 ，s 0 3 又可溶于空气的水 分中形成硫酸，并以气溶胶状态在空气中存在，形成二次污染物，其危害更加严 中山大学硕士学位论文 重。s 0 2 污染形成的酸雨现象已相继在世界各国出现，对生态系统产生不可估计 的损害，因此有人称其为“死雨”、“环境的定时炸弹”，它已成为人类目前所 面临的一个重大的环境问题【2 】os 0 2 经呼吸道进人人体后，4 0 9 0 被上呼吸 道中的湿润粘膜表面吸收，进入血液后，便与蛋白质结合，并随血液流布全身， 而气管、肺部、淋巴结核中含量较高。s 0 2 还能与起辅酶作用的维生素b 。结合， 干扰体内维生素的平衡，从而影响机体的正常功能。在大气对流层的s 0 2 浓度较 稳定，平均为o 5 3 m g m 3 ，农村和海洋地区未受污染的近地面空气中，s 0 2 浓度 一般在o 0 5 3 0 2 7m g m 3 之间。人对s 0 2 的嗅觉阈值约为0 8m g m 3 ，当接触到 5 3m g m 3 以上时，上呼吸道刺激症状表现为喷嚏、咳嗽、咽干和喉痛等等。长 期接触9 8m g m 3 的s 0 2 可使纤毛运动受阻，呼吸道抵抗力下降，发病率增高， 症状加重。短期接触4 7 8 8m g m 3 的s 0 2 时，高危人群出现超额死亡。接触2 9 2 6 m g m 3 的较高浓度时，可出现胸部紧迫感、胸痛、哮喘、粘膜充血水肿，引起急 性支气管炎，喉头水肿、声带痉挛、自发性气胸、纵膈气胸，甚至死亡。当接触 到9 8 4 2m g m 3 时，可立即危及生命，死亡大多是由于呼吸道痉挛所致的窒息【3 】。 如何加强二氧化硫的治理工作，是一项的艰巨任务。在过去的研究和治理当 中，以检测大气污染物排放种类、通过物理和化学方法监测大气污染物浓度为基 础的大气环境质量评估系统无论在地方还是国家层次上都日趋完善，并积累了丰 富的数据，为环保部门决策是否控制或限制某种污染物排放提供了指南。然而， 物理化学监测由于采样点和时刻的不同，其监测值很不一样，缺乏空间、时间的 连续性，在方法论上有缺点，在技术上也还不是很完善，同时由于经费的原因不 可能在每个地方都配置昂贵的仪器，因此，此类大气监测结果还不能直接给出或 推论出被测定污染物对生物的影响效果。而大气污染的生物监测恰恰可以弥补这 方面的不足，能够获得从过去到现在连续积累的结果和空间上( 不是点而是广阔 范围的场所) 平均变化，这种变化具有稳定的连续性，从生物学角度为大气环境 质量的监测和评价提供补充依据。 大气是生物赖以生存的必要条件之一，当大气受到污染时，生物也会不同程 度地作出反应，如植物叶片变色、脱落或枯死，某些动物生病、死亡或成群迁移 等等。大气污染的生物监测是利用生物( 动物、植物及微生物) 个体、种群或群 落对大气环境污染或变化所产生的反应，即通过生物在环境中的分布、生长、发 育状况、生理生化指标和生态系统的变化来阐明大气环境污染状况【4 1 。监测火气 第一章前言 污染的生物可以用动物、微生物，也可以用植物，但是由于动物的管理比较困难、 微生物较为复杂，目前尚未形成比较完整的监测方法。而在生物体系种中植物更 容易遭受到大气污染的伤害，其原因为：植物能以庞大的叶面积与空气接触，进 行活跃的气体交换，当受到污染物侵袭时，有不少植物显示出明显的受害症状； 植物缺乏动物的循环系统来缓冲外界的影响；植物固定生长的特点使其无法避开 污染物的伤害。正因为植物对大气污染的反应敏感性强，加上分布范围广，便于 监测与管理，因此，目前大气污染的生物监测主要是利用植物进行监测。 惠州市位于广东省东南部，珠江三角洲东北端，南临南海大亚湾，毗邻香港 与深圳。惠州是粤东的一座历史名城，有着独特的地理位置和优美的自然环境， 素有“粤东重镇”、“岭南名郡”之誉。惠州市城镇环境空气质量在全省中一直名 列前茅，2 0 0 5 年二氧化硫年日平均浓度达到一级标准，但是与2 0 0 0 年相比较， 2 0 0 5 年市区二氧化硫的年平均值上升了0 0 0 5 m g m 3 ，增长了4 5 5 ，而且全市 酸雨污染也有所加重，酸雨频率从2 0 0 0 年的4 8 0 上升为2 0 0 5 年的6 3 3 ，超 过了全省的平均频率【5 】，因此对大气中的二氧化硫污染进行有效的监测显得十分 重要。目前惠州市区大气的二氧化硫污染状况，主要通过3 台自动监测仪进行监 测。理化监测仪器是非连续性的瞬间监测，只能反映瞬间浓度值，因此无法从理 化监测的大量数据中了解二氧化硫对生态环境的伤害和影响；而植物监测是反映 一个地区受污染的累积量和受污染的历史状况。因此利用植物监测大气二氧化硫 是理化监测不可缺少的重要补充，是环境监测不可缺少的重要组成部分，也是大 气环境质量评价和环境治理对策研究中不可缺少的重要组成部分。 1 2 研究目的和意义 利用植物监测大气二氧化硫的污染程度和评价大气环境质量等方面的工作， 在国外已有较长历史，国外学者偏重于对大气二氧化硫污染敏感的地衣、苔藓类 研究；我国也开展了大量的研究工作，偏重于利用植物叶片含硫量来进行监测和 评价大气二氧化硫污染状况。 本研究主要是在植物监测的基础上，结合惠卅i 市的实际情况，测定不同季节 和不同区域植物叶片中的含硫量，总结归纳出不同季节和不同采样点植物叶片含 硫量的变化规律，分析变化规律与大气中二氧化硫浓度之问的关系；利用植物叶 中山大学硕士学位论文 片含硫量比较不同种植物的吸硫能力，为惠州市区科学地选择吸污绿化树种提供 一定的理论依据；同时同步进行静片挂片采样测定大气硫酸盐化速率，分析植物 叶片含硫量与大气硫酸盐化速率之间的相关关系，并且建立相关的数学模型，讨 论所建模型的适用性和可靠性。旨在通过植物叶片含硫量、大气硫酸盐化速率和 大气自动监测的结果，同时利用污染源相关基础资料及实测数据，对惠州市区大 气二氧化硫污染状况进行植物学评价，为预测预报和影响评价打下基础，为惠州 市环境管理部门提供决策依据，寻求符合惠州市实际情况的治理模式及途径，从 而制定有效措施控制大气二氧化硫污染，进而将促进惠州市环境质量的改善，保 证惠州市生态环境的改善与经济持续协调地发展，对提高人们的生活环境有重要 意义：并且为中小城镇充分利用植物监测这一经济、实效、快速的监测方法提供 理论依据，具有重要的指导意义。 1 3 研究技术路线 本研究主要通过试验分析、模型分析等方法，在惠州市区进行植物监测大气 二氧化硫状况的试验性研究和分析。技术路线如下图1 1 所示： 4 第一章前言 结论 图1 1 技术路线 f i g 1 - 1t e c h n i q u er o u t e 5 中山大学硕士学位论文 2 1 植物监测 第二章植物监测概述 2 1 1 植物监测的概念 植物监测就是以植物与环境的相互关系为依据，以污染物对植物的影响及植 物对环境污染物的反应为指标来监测环境的污染状况。长期生长在污染环境中的 抗性植物能够忠实“记录”污染的全过程，反映污染物的历史变迁、提供环境变 迁的依据1 6 1 。 一些对污染物敏感的植物，能够及时、灵敏地反映轻微的环境污染，提供环 境质量的即时信息，这是任何物理、化学监测不可比拟的。尤其是急性大气污染 事故，由于物理化学法无法及时监测污染气体在短期形成的危害及危害时的气体 成分，只有通过植物监测才能很快判断污染气体的种类。 植物监测包括两个概念：“指示植物”和“监测植物”，前者对环境中的污 染物只能产生各种定性反应，证明污染物的存在；后者不仅能反映污染物的存在， 而且还能反映污染物的量。 2 1 2 植物监测的优点和影响因素 植物监测方法与化学、理化监测相比有一些特有的优点【4 ，7 】： ( 1 ) 能综合反映大气污染物对生态系统影响的程度。环境问题是极其复杂 的问题，与生物、人类共同组成一个复杂的生态系统。当今世界上己知的各类物 质达数百万种之多，其中由人工合成的物质就达数十万种。这些物质中的绝大部 分在生产和使用的过程中，都可能对环境造成不同程度的污染。因此，环境污染 物的成份极为复杂，即使使用世界上最先进的理化检测技术和手段，要对如此繁 多的污染物全部进行监测分析，无论是在技术上或经济上都不可能的。加之环境 第二章植物监测概述 因子的千变万化，污染物在环境中不断迁移，转化以及多种污染物同时存在时所 产生的协同或拮抗作用等等，这就使得多种污染物造成的污染不大可能是每种污 染物简单地加减关系，这也使得污染物质的生态毒理效应变得十分复杂。通过理 化监测虽然能确定环境中部分污染物质的浓度水平及时空分布状况，但却不能确 定污染物质对生物及人体的危害程度。植物监测的最大特点之一，就是能反映环 境污染物对生物体的综合效应，能直接反应出污染物质对生物、生态系统及人体 健康的影响，确定出它们对生物或人体的危害部位，危害程度及耐受阈值等等。 因此，植物监测在环境监测中具有不可替代的作用。 ( 2 ) 监测灵敏度高，能较早的发现大气污染。某些植物对环境污染很敏感， 在一些情况下，甚至连精密仪器都不能测出的微量污染物质，对某些植物却有着 严重的影响，表现出受害症状，例如，当s 0 2 浓度到2 7 m g m 3 以上时，大部分人 才能嗅到，1 0 2 0 i 咖3 时才受到刺激引起咳嗽流泪，而一些植物接触浓度为1 3 3 m g m 3s 0 2 ，在2 4h 内就出现伤害症状。所以利用它们作为“指示植物”，可 以灵敏地监测环境污染，既快速、又简便。在水生生态和陆生生态系统中，已筛 选出许多“指示生物”，用于监测水质污染和大气污染，均能获得良好的效果。 ( 3 ) 具有监测的多功能性，能监测出不同气体的污染物。一般理化方法专 一性较强，如测定臭氧的仪器就不能测定氟化物，测s 0 2 的就不能测定乙烯，而 由于不同污染物可使植物叶片呈现出不同的伤害症状，如植物受s 0 2 污染后，叶 片脉间区出现漂白或褪色斑点；受氟化物污染植物叶片的伤害处在叶尖和叶缘， 并且正常组织与受伤组织之间出现一条明显的分界线；过氧乙酰硝酸脂( p a n ) 则使植物叶背发釉光或显古铜色。因此，利用植物的伤害症状可分辨出污染物的 种类。 ( 4 ) 能连续监测，反映出一个地区受污染的累积量和受污染历史。这点是 任何理化监测方法难以取代的最大优点。目前，由于受到技术和经济条件的限制， 理化监测仅少数项目可以进行连续自动监测，多数监测项目还靠人工采样测试瞬 时浓度或平均浓度值，时空代表性较差。而植物生长在环境中，生活周期较长， 日夜都在接受环境的作用，能贮存整个生活时期周围环境因素变化的各种信息， 环境的污染和破坏必然作用于植物体，对大气污染就像一个不下岗的监测哨兵， 忠实地记录污染的全过程和承受污染的累积量。因此可通过植物体的表征和非表 征的变化监测环境污染，如根据植物个体数量和群落结构变动资料、宏观及微观 7 中山大学硕士学位论文 受害症状的观察急性和慢性毒理试验、植物体残毒分析、模拟实验等等，能反映 较长时期内的环境污染状况。此外，还可通过对树木年轮的分析和测定，可获得 积累在植物体内的污染物含量，推算出该地区过去的污染状况，从而对大气质量 作出回顾性的评价。 ( 5 ) 监测方法经济、方便、可靠、准确。采用化学分析或仪器测定都要购 置必要的分析仪器和药品，有些精密仪器特别耗费资金，而且维修和保养费用较 高，与此同时，要有一批专业人员进行维护。如果监测点很多，多达几十、几百 或更多，那就需要组织几百甚至上千人员参与工作。而植物监测只需要一些敏感 植物，如果监测植物是监测区内的现存植物，就根本不用花多少饯，所需的人员 也不多，只要有交通工具，少数几人到监测点去观察、记录和收集样品，短期内 就能完成几十、几百甚至更多人员的工作。分析样品也不受时间的限制。 然而，在野外条件下，一般说来，不仅污染物质的组成和浓度是不稳定的， 而且植物的一些生理状态也随着周围环境的变化而变化，这使得污染物质所联系 的植物所受影响的本质难以掌握，因此用植物来作大气污染的监测器也有它的局 限性和缺陷，主要有以下几点【7 ，8 】： ( 1 ) 外界各种因子容易影响植物的监测功能。如低浓度的s 0 2 在有雾、露或 毛毛雨时比干燥时易受伤害；给葡萄施正常肥料时不易受氟化氢伤害，但额外增 加微量元素硼时则会出现严重的氟化氢伤害症状。 ( 2 ) 受植物生长状况的影响。植物体的健康状况、所处生长时期都会影响 对污染的反应能力，如健康的植物易受污染，有病害的植物受害较轻：植物略微 萎蔫时比正常时不易为s 0 2 所伤害；气孔开放与关闭时也影响植物的敏感性，故 白天上午1 0 点到下午2 点之间和晚上气孔关闭时，植物对污染反应不敏感；幼龄 植物抵抗力强，中龄植物易受伤害。 ( 3 ) 易与其它伤害的症状相混淆。干热风、霜冻、无机盐缺乏、病虫害等 都能引起植物体的伤害，而且有些还类似于大气污染引起的症状。如苜蓿叶子在 冰点温度时产生的失绿症状与s 0 2 i 曼性伤害症状相似；干热风引起谷类作物顶端 发百；霜冻或无机盐缺乏、类似s 0 2 的伤害症状：湿度协迫可以导致与s 0 2 枯斑 相似伤害症状，即使土壤水分充足，只要根系吸收的水分少于叶子散发的水分， 也会导致这样的伤害症状；一些植物对矿物质缺乏表现的伤害症状与s o ：污染引 起的失绿症状相似。 第二章植物监测概述 ( 4 ) 不能像理化仪器那样迅速作出反应，在较短的时间内就能获得监测结 果，也不能像仪器那样能监测出大气中污染物的含量，它反映的只是各个监测点 的相对污染水平。 以上缺陷还是可以通过监测植物的规范化、监测条件的严格控制或辅之以一 定装置，编制精确的标准图谱和监测人员技术的熟练等来加以弥补。总之，植物 监测技术利大于弊，不失为一种监测大气污染的重要手段，值得推荐推广，特别 是在中小城市。 2 2 二氧化硫监测指示植物的选择 2 2 1 选择总则 一般说来，各种植物都能起到指示大气污染的作用。敏感植物出现了伤害症 状，表明大气受到了污染，抗性中等的植物受害则表示大气污染比较严重，而当 抗性强的植物受害时，表明大气污染已经十分严重【9 1 。但是，严格说来不是任何 一种植物都能作为监测用的指示植物，而是有一定要求【1 0 l 。 ( 1 ) 必须是对大气污染敏感的植物。大自然中植物种类繁多，不同植物甚 至同种植物不同品种对各类气体的反应都不一样，就是同种植物对不同气体的反 应也不一样。例如唐菖蒲雪青色花品种被氟化氢熏气4 0 天，会有6 0 的叶片叶尖 出现1 1 s c m 长的伤斑，吸氟量比对照增加5 2 5 p p m ，而粉红色花品种则是大部 分叶片受伤，叶尖出现5 1 5 c m 长的伤斑，吸氟量增加1 1 8 o o p p m 。唐菖蒲对氟 化物无疑非常敏感，但对s 0 2 则有较强的抗性，可是紫花苜蓿刚刚反转过来。为 此选择监测植物一定要根据监测对象，挑选相应的敏感植物。 ( 2 ) 必须是健壮的植株，只有健壮植物体上出现的伤害症状或生长受阻才 能令人信服。如果植物体本身就长势很弱，叶片上有病斑或有虫害痕迹，就很难 说清大气污染的影响效果。故此要求选作监测用的植物个体一定要发育正常、健 壮、叶无斑痕，植株间较为均匀一致。 ( 3 ) 为常见种或品种，保证有足够种子或繁殖体来源，并在正常栽培条件 下容易种植和管理；要求生长季节较长，不断发出新叶，保证监测植物有较匿的 中山大学硕士学位论文 使用期。如果选用自然生长的植物来作活的聚集器，更要用常见植物，否则满足 不了大面积监测的布点。 ( 4 ) 监测水平较高者，最好选用无性系植物。因为无性系植物各植株间在 遗传上差异甚小，较能使不同监测植物在各个监测位置上获得较为一致的监测结 果。 ( 5 ) 尽量选择除监测功能外兼有其它功能的植物，可一举多得。如有的植 物有经济价值，有的植物有绿化或观赏价值等。故国内外常选唐菖蒲、玉簪来监 测氟化物；选秋海棠、石竹来监n s 0 2 ；选贴梗海棠、牡丹来监测臭氧；选兰花、 玫瑰来监测乙烯：选千日红、大波斯菊来监测氯气污染等。既可观赏，又能报警， 一举两得。 2 2 2 二氧化硫对植物体的影响 硫是植物必需的一种元素。植物吸收硫以形成一些重要的化合物，如辅酶a 、 硫辛酸、生物素、蛋白质中的胱氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸和谷胱甘肽等。植物吸 收环境中的硫之后，主要经过半胱氨酸合成途径同化为半胱氨酸，半胱氨酸再转 化为谷胱甘肽、蛋白质或作为植物甲硫氨酸和其它硫次级产物的硫供体。环境中 低浓度的s 0 2 能促进植物生长，特别是土壤中硫不足时。但是大气中的硫含量超 过植物可利用的量时，硫就会在植物中积累，达到一定水平后对植物产生毒害。 很多报道指出，生存在大气s 0 2 严重污染地区的植物，其体内含硫量大大增加。 根据同位索3 5 s 标记实验结果表明，大气中的s 0 2 被植物叶片吸收后，约9 0 以上s 0 2 转化成硫酸盐形式积累于植物叶组织中，仅有少量被还原为有机硫化合 物。国内外的研究表明1 1 l | 1 2 】，一般在植物能忍受的范围内，大气 s o ：浓度越高， 植物叶中硫含量也越高；在大气中s 0 2 含量不变的情况下，植物叶片硫含量随叶 片暴露时间的延长而增加，二者之间呈现出密切的相关性。 大气中的s 0 2 主要通过气孔进入叶肉细胞，溶于细胞的水分中，产生水合作 用：s 0 2 + h 2 0 一h 2 s 0 3 一h s 0 3 一+ h + ，h s 0 3 - _ _ ) 8 0 3 2 - + h + 生成亚硫酸氢根离子 ( h s 0 3 一) 和亚硫酸根离子( s 0 3 2 一) ，一部分s 0 3 2 - 用于胱氨酸合成，其余在光作用 下经氧化转变为s o 。卜，储存在植物液泡中作为硫源，可以参与代谢作用而被 利用。植物体内可积累的硫的限量是正常含量的5 1 0 倍。若植物严重受s 0 2 污 第二章植物监测概述 染，使植物体内积累的h s o a - 和s 0 3 2 - 超过了植物的代谢解毒机能，就会产生急 性伤害( 可见伤害) ，急性伤害是肉眼可以看出来的伤害，接触几小时到几十小 时较高浓度的s 0 2 植物的叶片上出现褐色或白色等烟斑；在长期受s 0 2 污染的情 况下，s 0 4 2 一的聚集大于其被利用能力，就会长生慢性伤害( 不可见伤害) ，也 就是肉眼看不出的伤害，在短时间内看不出任何变化，不过在几个月或更长时间 后便有可能出现树木长势衰退、产量降低等症状【1 3 ，1 4 】。 由于自然界的生物多样性，各种生物的特征很不相同，对s 0 2 的抗性差异也 很大。s 0 2 浓度小于o 2 7m g m 3 时，如果没有其他污染物，大部分植物不会出现 受害症状；s 0 2 浓度为0 2 7 0 8 0m g m 3 时，长期接触，抗性弱的植物产生急性 受害症状。s 0 2 浓度小于1 1 0m g m 3 时，在1 0 0h 之内，大部分常绿树种不出现 肉眼可见的症状。s 0 2 浓度1 3 3m g m 3 时，在2 4h 一些植物就会出现受害症状。 s 0 2 浓度为2 1 3 2 7 0 m g m 3 时，在几小时至几十小时，多数植物( 大部分草木、 落叶松及红松) 出现肉眼可见的症状【1 5 ，“1 。 2 2 3 二氧化硫监测和指示植物 我国幅员辽阔，地跨不同的气候带，南北植物种类差别很大，各地在开展植 物监测时，应因地制宜地选择监测树种。我国各地学者多年对监测植物做了研究， 筛选出多种植物可用于监测大气s 0 2 。根据国内的实际状况，并结合国外的有关 资料，列出部分可供选择的植物如下【1 5 ，1 6 】： ( 1 ) 绿化树种 北部地区：加拿大杨、刺槐、白榆、杨树、旱柳、龙爪柳、毛白杨、槐树、 山楂、侧柏、垂柳、构输、紫穗槐等。 中部地区：唐菖蒲、悬铃木、女贞、樟树、梧桐、海桐、刺槐、榆树、桑树、 大叶黄杨、珊瑚树、构树、广玉兰、紫穗槐等。 南部地区：樟树、红花羊蹄甲、大叶榕、印度榕、小叶榕、蓝桉、木槿、银 桦、红背桂、樟叶槭、树菠萝、夹竹桃、黄槿、人心果、木麻黄、盆架子、菩提 蓉、构树等。 ( 2 ) 农作物：紫花苜蓿、芝麻、蚕豆、大麦、棉花、大豆、小麦、黑麦、甘 薯、紫苏、辣椒、烟草、向日葵等。 中山大学硕士学位论文 ( 3 ) 蔬菜：莴苣、菠菜、南瓜、笋瓜、菜豆、花椰菜、苦买菜、芋头、甜菜、 胡萝b 、韭菜等。 ( 4 ) 花卉：大波斯菊、蛇目菊、百日菊、牵牛、矮牵牛、红花鼠尾草、三叶 草、玫瑰、中国石竹、月季、天竺葵等。 其中，紫花苜蓿、大麦、棉花、南瓜、小麦、三叶草、甜菜、莴苣、大豆、 向日葵等是对s 0 2 敏感的植物。 2 3 植物监测的国内外应用和研究进展 利用植物监测大气污染的研究始于2 0 世纪初，早期主要是对植物伤害症状的 研究，此后更多、更深入的研究是集中在植物生理生化特性等方面【1 7 2 ”，在欧洲， 尤其是原西德已经建立了比较完善的大气s 0 2 污染生物监测网络。现将国内外常 用的植物监测和评价大气二氧化硫污染的有关技术方法与进展概述如下。 2 3 1 利用植物伤害症状指示监测大气二氧化硫污染 早在1 9 3 0 年前后，对s 0 2 已有大规模的熏气实验，在国外有t h o m a 或者k a t z ， 在日本也有米丸的实验。这些实验大多数都是按不同浓度和接触时间的组合，看 叶片有没有出现受害症状，就不同季节，或者变换的环境条件下，对比植物的受 害症状1 2 2 i 。我国大气污染物对植物影响的研究是从7 0 年代开始的。最早期主要是 对植物症状学的研究，经过2 0 多年的发展，在s 0 2 的植物伤害症状和伤害机理等 方面获得了长足的进展，取得了丰硕的成果，积累了丰富的经验。 植物受到污染影响后，常常会在叶片上出现肉眼可见的伤害症状，即可见症 状。暴露在高浓度s 0 2 之下的植物不仅叶片受到伤害，而且花、果实、枝条等非 同化器官也受到危害，但是如在中低浓度下，首先呈现受害症状的还是同化器官 的叶片i ，加上由于叶片的伤害症状易于肉眼认辨，所以对叶子的实验研究较多。 管东生【z 4 j 等研究发现植物不同器官中，树叶的硫质量分数是最高的，其硫含量约 卡h 当于树干材的1 5 倍，树根的8 倍，因此s 0 2 对植物的伤害症状多 h 现在叶部。植 物受s 0 2 污染后出现的般初始典型症状为：微微失去膨压和原有的光泽，出现 呈暗绿色的水渍状斑点，叶面微微有水渗出并起皱。这些症状可以单独出现，也 1 2 第二章植物监测概述 可能同时出现。随着时间的推移，症状继续发展，成为比较明显的失绿，呈灰绿 色，然后逐渐失水直至出现显著的坏死斑。坏死斑的颜色有深( 从黄褐色、红棕 色、深褐色、黑色) 、有浅( 灰白色、象牙色、灰黄色、浅灰色) ，以浅色为主。 不同的植物，其伤害症状不同：单子叶植物的伤斑呈棕黄色，在平行脉之间出现 斑点状或条状的坏死区：双叶子植物叶脉间呈现褐色或白色的斑点；阔叶植物中 典型的急性症状是脉间的不规则形的坏死斑，坏死组织与健康组织之间界线比较 清楚；针叶树受s 0 2 伤害，坏死常从针叶先端开始，逐渐向下发展呈现红棕色或 褐色。这些症状可以作为二氧化硫污染的证据，用来监测和评价二氧化硫对大气 的污染状况【1 , 2 5 , 2 6 】。 s 0 2 对植物的伤害程度取决于其能否通过气孔进入植物体或进入植物体内的 量。因此植物暴露于s 0 2 中时，凡有利于气孑l 开放的条件如高温、高湿、光照、 高水肥等都容易使植物受害。急性伤害阈值是判断植物对s 0 2 敏感程度的一个重 要依据。确定急性伤害阈值的标准是植物叶片的伤害面积达1 0 时的s 0 2 浓度和暴 露时间的乘积，目, p s 0 2 暴露剂量【”1 。 烟斑呈现的难易，因植物种类而不同，这种特征与生理的或者不可见伤害的 程度大致是相应的。因此，对s 0 2 污染物质敏感性进行比较时，一般可以以可见 症状呈现的难易为根据。然而对s 0 2 最敏感的植物，其发生烟斑的浓度，与对光 合作用发生危害时的s 0 2 浓度较为相近。因此，对于受害的判断不会有多大误差。 但是，对s 0 2 不敏感的植物，也就是抗性较强的植物这两种浓度就有很大的差别， 往往由于没有考虑到这里存在的差别，在分析非可见症状时会引起不必要的争 论，所以在作此类判断时要注意敏感性和抗性植物的差别【2 7 】。 2 3 2 利用植物生理生化反应指示监测大气二氧化硫污染 许多研究表明，用低浓度的s 0 2 处理植物，会造成慢性伤害，虽然没有表现 出明显的伤害症状，但已经使植物体内一些生理生化过程发生变化，即造成不可 见伤害。植物对大气s 0 2 污染的响应是多方面的，即使没有明显的伤害症状，也 会在植物的生理生化特性上表现出不同程度的变化。生理生化的影响包括气孑l 开 度、细胞质膜透性、叶面积指数，酶的活性、生长发育和光合作用等等。 中山大学硕士学位论文 ( 1 ) 气孔开度 叶片气孔是植物体进行气体交换的门户，也是大气污染物质进入植物体内 部的主要通道，是植物在长期的进化过程中形成的适应环境的调控器，随外界环 境条件的变化而发生相应的改变，。 气孔对s 0 2 的反应非常复杂，s 0 2 浓度和暴露时间不同，气孔的反应不同。 实验表明，通常情况下s 0 2 促使植物气i l 关闭，但也有某些植物经过s 0 2 熏气后 气孔张开。气孔对s 0 2 浓度的反应通常是s 0 2 浓度越大，气孔反应越快。高吉喜 2 8 】 用浓度范围为0 2 5x l o - - 4 o x l o “的s 0 2 对菜豆等5 种植物进行急性暴露试验， 结果表明，在s 0 2 作用下，植物叶片的气孔扩散阻力随s o ：的剂量增加而增加， s 0 2 浓度越高，气孔扩散阻力在短时间内增加幅度越大，高浓度s 0 2 很快就使植 物气孔关闭。气孔对s 0 2 作用时间的反应是：在作用时间较短时，气孑l 反应可逆， 作用时间延长，气孔反应不可逆。s 0 2 熏气浓度和暴露时间的关系是：在s 0 2 剂 量相同的情况下，浓度是影响气孔运动的主要因素，时间次之。 ( 2 ) 细胞质膜透性 细胞膜是植物细胞的重要组成部分，起着调节控制细胞内外物质交流的屏障 作用，当植物处在不利环境条件下时，刺激首先作用于细胞膜。大量观察研究表明 细胞膜也是s 0 2 作用的最初部位，在植物接触高浓度s 0 2 后，膜首先受到损伤， 继而膜透性发生改变。进一步研究表明，s 0 2