（环境科学专业论文）番禺区典型植物对大气so2、nox的响应研究.pdf

s t u d y o nt h ef e e d b a c ko ft y p i c a lp l a n t su p o n a t m o s p h e r i cp o l l u t a n t ss 0 2 a n dn o xi np a n y ud i s t r i c t m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：c h a n f a n gl i u s u p e r v i s o r ：x u e m e iw a n g ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) a b s t r a c t w i t hf a s te c o n o m i cg r o w t ha n du r b a n i z a t i o np r o c e s si np e a r lr i v e rd e l t af o r n e a r l yt h i r t yy e a r s , a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa r eb e c o m i n gm o r ea n d m o r ea g g r a v a t i n g d u et od i f f e r e n tp l a n t sh a v ed i f f e r e n tf e e d b a c k so na t m o s p h e r i c p o l l u t a n t s , p r o f i t a b l ea n de f f e c t i v es o l u t i o n so fp l a n td e c o n t a m i n a t i o na r cd e e m e dt o o n eo fr e s e a r c hh o t s p o t so nd e c r e a s ea t m o s p h e r i cp o l l u t i o n i nt h ep a p e r ，3 0t y p i c a l p l a n t sw e r ec h o s e na tt h r e et y p i c a la t m o s p h e r i cd i s t r i c t s ( l e c l e a na r e a , r e s i d e n c e a n dt r a n s p o r t a t i o nm i x e da r e a , a n di n d u s t r i a la r e a ) i np a n y ud i s t r i c t s u l f u r ( s ) a n d n i t r o g e n ( n ) c o n t e n t sw e r et e s t e df o rt h e s ec h o s e np l a n t s t h ep l a n t sw i t hr e l a t i v e h i g h e ra b s o r p t i o nw e r ep i c k e dw h i c hi n c l u d e1 4p l a n t sf o rsa n d1 6p l a n t sf o rn f u r t h e rm o r e , i no r d e rt or o u n d l ya n a l y z et h ef e e d b a c ko fp l a n t so ns 0 2a n dn o x c o m b i n e dt h ec h o s e np l a n t sa n ds e v e r a lh i g h e rf r e q u e n tn a t i v ep l a n t s , t h et e s to rsa n d nc o n t e n t si ns o i lw a sc a r r i e do u t ，鹞w e l la st h ea n a l y s i so nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns ， ni np l a n l sa n di ns o f t 1 卫蚰a c c o r d i n gt os 0 2a n dn o xc o n c e n t r a t i o ni nt h et y p i c a l a t m o s p h e r i cd i s t r i c t s ，t h ef e e d b a c ko fp l a n t so ns 0 2a n dn o xw a si l l u s t r a t e di nd e t a i l t h ep l a n t sw i t hs t r o n g e ra t m o s p h e r i cp o l l u t a n t sa b s o r p t i o nw e r ep i c k e do u ta n d r e c o m m e n d e d i no r d e rt ov a l i d a t et h ea b o v ec o n c l u s i o n , p h o e n i xc a n a r i e n s i sa n d d u r a n t ar e p e n sl c v d w a r fy e l l o ww e r ec h o s e na st h e yh a v eh i g h e ra b s o r b e n c yt o b o t hs 0 2a n dn o x , w h i l er h o d o d e n d r o na m 嚣m ew a sc h o s e na c c o r d 啦t oi t sh i g h e r a b s o r b e n c yt os 0 2 ，a n dl o w e ra b s o r b e n c yt on o x t h ee x p e r i m e n t so ff i e l dp o t t e d p l a n tu n d e rt h es a m es o i lc o n d i t i o n sh a v eb e e nd o n e ，m a t u r el e a v e sw e r ep i c k e d 叩 f o rc o n t e n t st e s t i n ga f t e ro n em o u t ha n dt h r e e - m o n t hp l a n t i n g t h ef e e d b a c ko fp l a n t s a b s n u l c r o na t m o s p h e r i cs 0 2a n dn o xw e r ea n a l y z e da ts p a c i a la n dt e m p o r a lc o n d i t i o n s t h e r e s u r sw e r ec o n s i s t e n tw i t hw h a tw eh a v eo b t a i n e df r o mt h eg e n e r a li n v e s t i g a t i o n s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，c o m b i n i n gw i t ha t m o s p h e r i cs 0 2a n dn o x c o n c e n t r a t i o n , t h es u g g e s t i o nt og r e e nl a n dp l a n n i n gw e r ep r o p o s e di no r d e rt od e c r e a s ea t m o s p h e r i c s 0 2a n dn o xp o l l u t i o n s k e yw o r d s ：a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n ，s 0 2 ，n o x ，f e e d b a c k ，p h y t o r e m e d i a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 大气污染，是指大气中污染物或由它转化成的二次污染物的浓度达到了有害 程度的现象。大气污染对于人类居住环境和人体健康造成严重的危害，其研究和 治理越来越得到国家、社会和环境保护领域的重视和关注。目前大气污染物中含 量较大、影响面较广的主要污染物s 0 2 和n o x 的污染研究和治理是大气污染 领域最热点的研究方向之一，对于防止大气污染和人类环境保护具有重要的意 义。珠江三角洲持续近3 0 年的快速经济发展和城市化、工业化过程，使得区域 大气污染问题日益严重。尽管“九五”期间，广东环境污染恶化的趋势基本得到控 制，但大气污染所造成的酸雨与生态环境损害与破坏等问题仍相当突出。根据资 料显示，珠江三角洲已经成为世界酸沉降最严重的地区之一。与此同时，汽车尾 气排放的n o x 污染物日益增多。从1 9 8 5 年起，广州市n o x 大气质量浓度已跃 居全国之首，成为酸沉降的另一重要来源。另外，在珠江三角洲地区高温、强辐 射的气候条件下，n o x 极易发生光化学反应导致二次污染，增强大气氧化性，对 人体乃至生态系统产生极大的危害。总之，大气s 0 2 和n o x 污染带来的环境和 社会危害已经成为珠江三角洲区域社会、经济可持续发展的主要障碍之一 过去大部分学者对于s 0 2 、n o x 治理的研究思路主要集中于解决如何在大气 污染物的排放源头减少和控制s 0 2 、n o x 的排放量的问题，研究成果主要包括燃 料脱硫、烟气脱硫、高烟囱扩散稀释、干法脱硝和湿法脱硝等，这些方法可以在 一定程度上减少s 0 2 、n o x 的排放量，减轻大气污染，但上述方法普遍具有二次 污染、处理费用过高等不利因素，只能起到减轻和预防大气污染的作用，在污染 物排放量无法得到有效控制或者大气污染已经非常严重的地区，其大气环境污染 治理效果并不理想。 如何研究出既经济又高效、且具有普遍适应性可推广的大气污染治理方法越 来越受到学术界的广泛关注。研究表明，绿化植物不仅具有改善人类生活质量、 维护城市生态环境的作用，而且能够缓解大气污染，在城市生态平衡中起着“除 污吐新”的作用。由于不同植物对大气污染有各自不同的响应，许多植物在污染 第1 章绪论 物浓度不超过植物承受临界值时具有吸收大气中某些有害物质( 如s 0 2 、n o x 等) 的功能，对某些大气污染物有一定的吸收和净化能力，可最大限度降低大气中某 些污染物的浓度。大气污染的植物修复技术正是这种以太阳能为动力，利用植物 对大气污染物的吸附、吸收、转化、同化、降解等功能，净化污染大气的绿色植 物技术i l i 同时，利用植物修复大气污染物，环境副作用较小，经济、高效、持 续、安全。不仅不会造成环境二次污染，还有利于促进自然生态系统的自我调节 能力，降低环境治理的成本投入，具有非常强的推广型、适应性和可持续性特点。 选用合适的植物作为城市绿化植物，在起到正常绿化、防噪、防尘等作用的同时， 还能够吸收大气中的s 0 2 和n o x ，减少大气的s 0 2 和n 0 x 含量，减轻污染，进 一步可以提高降水的p h 值，减少酸雨发生的频率。正因此，近二十年来，大气 污染植物修复方法越来越成为大气污染治理领域的一个研究热点。 番禺区不仅是广州市工业发展的重要区域( 广州市“南拓”计划) ，也是农作 物( 糖蔗等) 、水果( 柑桔橙、香蕉、荔枝等) 和林木生产的重要基地，该区属 于国家酸雨控制区和s 0 2 控制区，s 0 2 和n o x 污染问题都十分严峻，多年来农业 产量一直处于低幅度增长。因此选择番禺区典型植物对大气s 0 2 和n o x 响应作为 研究课题具有重要的科学意义与实用价值。 综上所述，本文研究选取广州市番禺区作为研究区域，通过调研国内外近年 来利用植物修复大气污染s 0 2 、n o x 的研究现状，从不同植物在不同大气功能区 相对吸收污染物的能力大小角度分析，初步探讨了番禺区典型植物对大气污染物 s 0 2 、n o x 的不同吸收能力的响应，并设计了一套大气修复型植物的物种筛选方 案，最后从大气环境植物修复的角度对目前番禺区的绿地规划提出调整建议。筛 选出的对大气s 0 2 、n o x 具有修复功能的植物推荐用于城市大气环境净化和工业 区抗污绿化，有助于设计减少大气污染和改善人居环境的植物绿化方案，为政府 部门确定规划绿化树种和大气污染物控制提供科学有效的工具，因此具有广泛的 应用前景和科学参考价值，同时也为其它经济发展地区大气植物修复研究提供借 鉴，在一定程度上丰富了我国大气植物修复的研究领域。 2 第1 章绪论 1 2 国内外文献综述 众多研究表明，植物对大气污染物具有吸收、降解和积累、排出的生态功能， 起到了对大气污染的净化作用。而植物对不同的大气污染物的适应性与耐受能力 千差万别，主要表现在同种植物对不同类型的污染物和不同种植物对同一类型污 染物的响应都存在很大的差异性，即表现出不同的抗污性和吸收性。所以，选择 抗性强和吸收净化有害气体能力强的绿化植物，从而建立不同类型的人工绿化生 态工程体系，可作为防治环境污染的重要途径之一1 2 】。 在受污染环境中，植物并不是受到污染物刺激后立即受伤害，而是存在不同 程度的抗性。理论上，根据不同植物在同种污染物作用下的伤害阈值不同，可以 不同物种对此污染物的抗性等级【3 1 。这种抗性强弱划分为抗性强、抗性中等、抗 性弱三个等级【4 j 。但并非所有抗性植物都是修复功能植物候选者，植物对有害气 体具有抗性的原因包括三个方面 s l ：1 、叶子结构不利于有害气体的进入而表现 抗性，例如常绿阔叶树叶子多半比较厚、外表皮革质、角质化或表面具有蜡质， 有害气体不易进入而抗性较强：某些植物叶上多茸毛，对有害气体有一定阻挡作 用；有的植物在不利条件下气孔关闭，停止气孔交换而阻挡有害气体吸收，表现 为抗性。这类植物与有害气体不发生直接关系，虽然抗性强，但修复效能不高； 2 、植物能吸收多量的有害气体而不受危害，它们在生理上具有积累、转移、消 除污染物质的能力，即有修复污染能力，本身为具有净化空气功能的环保植物； 3 、植物具有较强的再生能力，在受有害气体危害后易于恢复，此类植物是否适 合作修复功能的候选植物，将依据其修复大气污染的具体效能而定。因此，按植 物对污染物的吸收量的大小可以将植物对污染物的修复能力进行分级，一般分为 对污染物修复能力强、修复能力较强和修复能力较弱三种。 利用植物对于不同大气污染物响应的差异性特点，可以在植物和大气环境之 间找到其内在关联，并充分利用这些差异性特点达到监测大气环境和减轻大气污 染的目的。抗性能力弱的植物表现出严重的受害症状，或在短期内即死亡，即对 污染物表现出敏感性，被称为敏感种。环境监测常根据这些敏感性植物对不同污 染物的受害症状来作为大气环境生物污染情况的评估依据。另一方面，某些植物 在污染物的侵害下仍然能够顽强地生存，甚至有的植物长期在大气污染环境下生 长旺盛，表现出极强的抗性，被称为抗污种或耐性种，若能大量吸收大气污染物 3 第1 章绪论 就可以达到降解大气污染物的目的。所以如何选择合适的抗污种和敏感种，对于 最大程度地利用植物治理大气污染，具有极其重要的意义。 1 2 1 植物对大气s 0 2 污染的响应 植物对大气s 0 2 污染的响应表现在其抗性和吸收性上。温学等【6 】的研究发现 对大气污染s 0 2 有强抗性的物种包括自桂木、环榕、广宁油茶。周速等【7 l 将一些 植物对二氧化硫的反应分为敏感、中等和抗性三类，抗性植物有玉米、高粱、番 石竹、丁香、海桐、山茶，中等抗性植物有花生、黄瓜、华山松、桑，敏感性植 物有紫花首蓓、芝麻、蚕豆、雪松、苹果、杜仲。 植物抗s 0 2 污染与吸硫量并不完全一致，有的植物抗性强但吸收量小；有些 植物吸硫量大但抗性差；也有一些植物吸收量大抗性也强。因此并非所有抗性植 物都是适用于修复大气污染的最佳候选植物物种。要选取针对s 0 2 的修复型植 物，就必须选取那些不仅对s 0 2 污染抗性强且吸硫量大的植物物种。 植物对s 0 2 的吸收净化包括两部分【8 】：植物表面附着粉尘等固体污染物而吸 附一部分s 0 2 ；植物通过气孔吸收s 0 2 ，s 0 2 溶解在胞液里成为亚硫酸盐，通过 代谢将它降解为毒性较小的硫酸，或排出体外而降低毒害。只要大气中s 0 2 浓度 不超过亚硫酸转化为硫酸盐的浓度，植物不仅不会受害，而且能不断循环吸收大 气中的s 0 2 。低浓度s 0 2 的长期暴露能使植物的光合作用强度减少、呼吸作用增 强 g l l l o l ，导致于物质减少，产量降低。大气s 0 2 浓度过高对植物生理活动有很大 影响。一般认为o 1 5 x 1 0 。的s 0 2 为高等植物生命不受伤害的临界浓度【1 1 】。植物 受s 0 2 危害的程度与气体的浓度和污染延续的时间成正比【1 2 】。 不同植物对s 0 2 的抗污能力强度不同，如柑桔是抗性较强的植物，其吸收力 也大，它的叶片吸收积累硫可达0 7 7 以上，一公顷柑桔树每年能吸收s 0 2 1 4 t 之多【1 3 l 。研究表明，树木吸硫量与科属分类关系不大，与生态特征( 代谢强度、 生长速度) 密切相关。例如，上海园林局测定，臭椿、夹竹桃在s 0 2 污染下，叶 中含硫量可达到正常含量的2 9 8 和8 钭1 4 1 。据北京园林局调查【1 5 】，二氧化硫的 吸收能力也以阔叶树最强，为1 2 0k gh 1m 2 ，柏类3 4 3k gl r ln f ，杉类、松类 9 8 k g h m 2 。 鲁敏等1 1 6 】对选取s o z 修复型植物曾做过一系列更深入的研究。调查筛选总 4 第1 章绪论 结出对以s 0 2 、铅为主的复合污染物的抗性树种有：花曲柳、桑树、皂角、山桃、 黄檗、臭椿、紫丁香、忍冬、桎柳、桧柏、枸杞、水蜡、刺槐、色赤杨，加拿大 杨、黄刺枚、玫瑰、白榆、茶条槭等；敏感监测树种有；连翘、榆叶梅、马尾松、 锦带花、风箱果、云杉、油松、樟予松、山槐。 除了直接分析叶片中s 的含量外，鲁敏等【4 】采用人工模拟熏气实验，对部分 绿化树种每平方米叶面积每小时对大气污染物的吸收能力进行了测定。熏气实验 是在动式熏气箱中常温、常压下进行，箱内气体交换每分钟3 次。实验气体s 0 2 的浓度为1 8 r a gm - 3 ，植物暴露时间为8 h 。将吸收液中各种形式的硫氧化成硫酸根 的形式后，用e d t a 络合滴定法进行全硫量的测定。根据各树种问吸硫量的差异， 按0 5 距离截取，可将它们划分为3 类，即i 类吸硫量高的树种( 吸硫量 1 0 ) ； i i 类吸硫量中等的树种( 吸硫量在0 5 1 o ) ；i i i 类吸硫量低的树种( 吸硫量 皮 枝 根 干。施家月等i 冽研究发现n 在植物的叶含量最高。这些研究都证明了 为满足生长的需要，植物在生长过程中将大量的营养物质传递给了需要进行光合 作用的叶片。因此，检测植物叶片的含氮量最能代表植物体吸收氮的情况。黄建 军l 划对4 2 种植物叶片n 含量特征经过详细的研究，认为常绿阔叶树叶片的n 含量 明显低于落叶树种。施家月等的研究还也证明，常绿阔叶林中，中小乔木的叶和 枝中的n 含量高于灌木中的n ，含量，其它器官差异不显著。以上研究证实，除去 氮源的影响，不同的植物对n 矿n 和n h 4 + - n 的吸收、同化还是存在明显的差异。 正是因为存在这种差异性，使得我们可以针对不同的大气环境筛选出吸收同化氮 氧化物能力的植物进行大气修复治理 根据文献【3 1 1 ，植物主要通过两种方式修复大气n o x ：第一种植物叶面的皮孔 可以直接吸收n o x ，并经由植物维管系统进行运输和分布，叶面粗糙多绒毛、能 分泌粘性油脂或浆汁的植物体表也能吸附一些n o x 气体分子；第二种通过其生理 过程，植物将空气中氮氧化物转化为氮气或植物体内的氮素以降低对自身的毒 性，通过代谢过程或酶等物质还能进一步分解体内的污染物。 7 第1 章绪论 而植物修复对于氮氧化物污染的修复研究也主要包括以下两方面： 通过基因工程寻找气一气转化植物【3 2 】 所谓“气一气转化植物”就是利用基因工程，使植物具有反硝化功能，从而将 空气中的n 0 2 大量地转化为n 2 0 或n 2 。n 2 0 是一种温室气体，其作用甚至是 c 0 2 的3 0 0 倍。因此，利用气一气转化植物进行大气修复存在一定的环境风险。 近年来，一些学者如z u m f l 开始研究利用转基因植物将n 2 0 转化为n 2 3 3 】。已有 文献【3 4 l 发现，多种高等植物能够释放n o 。据估计，全球范围内的植物释放n o 的潜力很大，约每年o 2 3 x 1 0 1 2 9 na 1 。 筛选“嗜n 0 2 植物” 植物可以吸收n 0 2 中的氮转化为本身的有机成分，从自然界中寻找以二氧 化氮作为唯一氮源的植物被称为“嗜n 0 2 植物”。m o r l 妇w a 3 5 1 通过室内熏气法处 理a r a b i d o p s i s 植物，结果发现来源于二氧化氮的氮含量占叶片总氮含量的0 7 ， 而同一时间用k n 0 3 处理过的植株中源于硝酸盐的氮含量占叶片总氮含量的 0 8 。w e b e r 3 6 】的研究也发现，小麦叶片能吸收大气中的二氧化氮，并将其中的 氮合成为可溶的a 一氨基酸。这表明植物可将含植物所需营养元素的大气污染物 ( - - 氧化氮) 作为营养物质源高效吸收和同化，促进自身生长。具有这一功能的 植物被称为“嗜n 0 2 植物”。 m o r f l c a w a 等【3 7 】【3 8 j 研究了2 1 7 种天然植物同化n 0 2 的情况。包括从行道边 采集的5 0 种野生草本植物( 4 2g e n e r ao f1 5f a m i l i e s ) 、6 0 种人工草本植物( 5 5 g e n e r ao f3 0f a m i l i e s ) 、1 0 7 种人工木本植物( 7 4g e n e r ao f4 5f a m i l i c s ) 。采用 的方法是人工模拟熏气实验，用1 5 n 标记熏气用的n 0 2 气体。结果发现不同植物 同化n t h 的能力差异达6 0 0 倍( e u c a l y p t u sv i m i n a l i s ：6 5 7 ，t i l l a n d s i ai o n a n t h aa n d t c a p u t m e d u s a e ：0 0 1 ) 。在2 1 7 种天然植物中，有9 种植物同化n t h 中氮的指 数超过了1 0 ，其中，m a g n o l i ak o b a s , e u c a l y p t u sv i m - i n a l i s , p o p u l u sn i g r a , n i c o t i a n at a b a c u ma n de r e c h t i t e sh i e r a c i f o l i a 中的n 0 2 - n 含量大于4 9 其中 s o l a n a c e a e ( 中文科名茄科，草本，灌木，藤本或小乔木，常有星状或分枝毛和 皮刺。食用有茄、马铃薯、番茄、辣椒。) 和s a l i c a c e a e ( 杨柳科双子叶植物， 隶属杨柳目( s a l i c a l e s ) 。如毛白杨，响叶杨、旱柳、垂柳以及引种的加拿大杨等。) 两个科中的植物具有较高的同化n 0 2 能力，因为二氧化氮中的氮源在这些植物 8 第1 章绪论 的新陈代谢过程中起着很重要的作用，可用来筛选“嗜n 0 2 植物”。m o r f k a w a 的研 究还发现植物同化二氧化氮的能力较强，而禾本科、山茶科和蔷薇科植物的同化 能力较差。因此，最有可能从菊科、桃金娘科、杨柳科、茄科4 科植物中筛选得 到“嗜n 0 2 植物”。 t a k a a s h i 等【3 9 1 进一步筛选茄科植物，结果发现烟草的同化能力较强，青椒和 红椒的同化能力相对较差。此外，洋麻( h i b i s c u sc a n n a b i n u s ) 和醋栗( p h y s a l i s a l k e k e n g iv a r f r a n c h e t i i ) 也是嗜n 0 2 植物，把它们作为绿篱种植于路边和公园将 有利于减少二氧化氮污染。 另外，t a k a h a s h i 等还在文献( 柚j 中测定7 0 种行道树对城市二氧化氮污染水平 的同化能力。结果发现，落叶木本植物同化n 0 2 的能力明显高于常绿木本，阔 叶树( 或灌木) 同化n 0 2 的能力高于针叶树( 或灌木) 。t a k a h a s h i 等认为这是因 为阔叶树( 或灌木) 与针叶树( 或灌木) 相比，具有叶片中n 含量和净光合作 用率高，叶面积大以及生长速度快的特征 王燕等【4 1 】研究结果表明吸收嗜二氧化氮的树种主要有：黑松、珊瑚树、构树、 桑树、无花果、泡桐、楝树等；抗烟尘树种主要有刺楸、榆树、构树、朴树、木 槿、银杏、悬铃木、臭椿、刺槐、羽叶械、珊瑚树、框树、香樟、海桐、广玉兰、 夹竹桃、女贞、苦楝、高山榕、银桦等 另外，胡海波等【1 5 1 提到，研究对大气n o x 的抗污染性能强的植物种类时， 要注意植物产生抗性的原因。真正对大气n o x 修复能力较强的植物，是可以从 植物地上部的气孔吸收过量的n o x ，并通过转移、转化等生理过程把n o x 转变 成可吸收利用的n 0 3 - n 、n i p n 等形态，而自身不受伤害；或是受到大气n o x 毒害后恢复能力较强，从而起到降低污染物毒性的作用。而有些植物表现抗性是 因为植物体表面的保护层阻止了n o x 进入体内，或在不利条件下关闭气孔，停 止与外界气体的交换，使得n o x 不易进入而不受伤害，并未真正修复大气污染物。 植物同化二氧化氮能力的大小取决于植物类型1 4 2 。不同科植物同化能力差异 很大，一般来说，菊科、桃金娘科、杨柳科和茄科植物的同化能力最强，且野生 植物 人工培育植物，就不同树种的同化来说，落叶树 常绿树，阔叶树 针叶树。 但考虑落叶过程对修复的影响，常绿树应该更适合用于大气修复。其中栀子和多 枝桉等常绿阔叶树对n 0 2 具有高同化能力。因此，利用植物修复大气中的n 0 2 时，必须进行充分的植物筛选，才能有效选择同化植物或超同化植物。 9 第1 章绪论 1 2 3 小结 综上所述，植物叶片内大气污染物含量既反映大气污染水平，又可以反映植 物对大气污染的修复吸滞能力。依据植物对大气污染的抗污性和修复能力来选择 城市绿化植物是大气污染生态修复技术的重要途径和手段。因此研究植物叶片吸 收大气s 0 2 、n o x 的能力，筛选出吸收大气污染物较强的修复型植物对控制大 气s 0 2 、n o x 污染有着重要的实用价值。 而在目前珠江三角洲地区大气生态修复的研究中，大部分只是着重对s 0 2 的吸收进行了物种筛选，针对n o x 修复型植物筛选的研究资料较少，对s 0 2 和 n o x 复合污染物富集植物的筛选研究更是一个富有挑战、需要创新的研究课题。 目前国内外大部分研究对大气污染修复型植物的筛选，一般只考虑植物叶片 中硫、氮含量来进行筛选，较少考虑土壤对所选植物叶片硫、氮含量的影响及关 系。事实上，高等植物获得硫主要通过根部从土壤中吸收硫酸根离子( s 0 4 ) ， 以及叶片吸收空气中少量的二氧化硫气体。不过二氧化硫要转变为硫酸根离子后 才能被植物同化，所以二氧化硫的同化和硫酸盐的同化是同一个过程。硫酸盐既 可以在植物根部同化，也可以在植物地上部分同化。另一方面，高等植物不能利 用空气中的氮气，仅能吸收化合态的氮。植物可以吸收氨基酸、天冬酰胺和尿素 等有机氮化物，但是植物的氮源主要是无机氮化物，而无机氮化物中又以铵盐和 硝酸盐为主，它们广泛地存在于土壤中【4 3 】。因此，在筛选大气污染修复型植物的 研究中，需要充分考虑所选植物在不同土壤条件下，土壤对于植物叶片硫、氮含 量的影响和关系，才能够得出最符合实际环境、具有最佳修复和效果的植物。 1 3 本文研究的主要内容 本文通过调研国内外近年来利用植物修复大气污染s 0 2 、n o x 的研究现状， 针对广州市番禺区设计了大气修复型植物的物种筛选和实验验证方案，并在此研 究成果的基础上针对番禺区典型植物对大气污染物s 0 2 、n o x 的相对吸收能力的 不同响应进行了初步探讨。 首先根据番禺区大气环境现况选定了三个典型的大气功能区域( 清洁区、商 住交通混合区和工业区) 。根据番禺区环境保护监测资料，并类比广州市三个典 型的大气功能区域，验证了商住交通混合区和工业区的大气s 0 2 和n o x 的浓度 第1 章绪论 明显高于清洁区的一般性规律。考虑到大气中n h 3 对植物叶片含氮量的影响，发 现三个大气功能区的n h 3 浓度基本一致都接近本底值，可以认为植物叶片含氮量 在三个大气功能区的差异性主要是由于吸收大气中n o x 的影响。由此，以对大 气s 0 2 和n o x 吸收能力强的植物会表现出植物叶片含硫量和含氮量在商住交通 混合区和工业区都高于清洁区为筛选依据。同时对番禺三个典型大气功能区进行 普查性的植物调查，初步筛选出3 0 种在三个大气功能区叶片和长势都无任何受 害症状、生长情况良好，在污染区域对大气污染物表现出较强抗污性的常见乡土 植物作为典型植物，在此抗性普查筛选的基础上采集了三个大气功能区这3 0 种 植物的成熟叶片和根系附近地表土壤样品，着重研究植物对大气污染物不同的吸 收能力方面的响应。 然后，通过实验室定量分析，得出3 0 种典型植物叶片分别在清洁区、商住 交通混合区、工业区三个区域的含硫量和含氮量。发现同一植物在不同大气功能 区其叶片硫、氮含量各不相同，初步验证了不同典型植物对大气污染物所具有的 不同吸收和修复能力是造成广泛差异性的主要原因，且植物叶片含硫量和含氮量 的相对差值主要受大气污染s 0 2 、n o x 浓度差影响。通过实验分析初步筛选出 1 4 种对s c h 和1 6 种对n o x 具有较强修复性的植物。并进一步针对其土壤含硫量 和含氮量，考虑其生长的土壤与植物叶片硫、氮含量的关系，再次对大气修复型 植物进行分类比较，得出了不同植物对大气污染s 0 2 、n o x 的响应初探，为今后 更加深入地开展植物吸收s 0 2 、n o x 的机理研究奠定基础 为了验证以上的筛选结果，选出紫花杜鹃，加拿利海枣和黄连翘三种具有代 表性的特征植物进行野外模拟验证实验，采用土培的方式统一土壤条件，将三种 植物苗种进行盆栽并移栽到三个典型功能区域的原采样点进行种植，采集种植一 个月和三个月后的成熟叶片进行实验，分析其叶片硫、氮的累积量在时间上和区 域上的变化，验证筛选结果最后，根据研究结果，对番禺区不同功能区提出针 对性的科学绿化规划建议。研究技术路线如图1 - 1 所示。 l l 第1 章绪论 番禺区科学绿化规划建议 l 结论 图1 - 1 研究技术路线 l n g 1 1t e c h n o l o g i c a lr o u t eo f t h er e s e a r c h 第1 章绪论 1 4 本文的特色与创新点 ( 1 ) 本研究在华南自然环境、温度、土壤、生物等条件下，定量给出不同 大气功能区的典型植物对s 0 2 和n o x 的吸收能力，从吸收的角度初步研究植物 对大气s 0 2 和n o x 污染物的响应。分别对植物叶片硫、氮的累积量进行排名， 对不同植物对s 0 2 和n o x 的修复吸收能力分类，为当地筛选出利于大气环境的 修复型本土植物。这些植物可用于城市大气环境净化和工业区抗污绿化，能有效 减少大气s 0 2 和n o x 的危害，改善大气环境。 ( 2 ) 在上述研究的基础上，筛选出番禺区对大气s 0 2 吸收能力较强的几种 典型植物。通过分析植物生长的土壤中有效硫、氮含量，结合大气s 0 2 、n o x 的 浓度分布，首次从土壤、大气两方面的因素对植物叶片的影响入手，综合分析两 者对植物叶片含硫量和含氮量的影响，为更加科学地筛选出大气修复型优良植物 提供依据。 ( 3 ) 设计了野外模拟验证实验来验证野外调查、实验室分析的结果，排除 了各域地区性土壤之间的差异性，在同等土壤条件下检验筛选出的植物叶片对大 气中s 0 2 和n o x 的吸收净化能力。 1 3 第2 章研究区域概况 第2 章研究区域概况 2 1 番禺区自然环境概况 2 1 1 地理位置及地形地貌 图2 一l 广州市番禺区位图 f i g - 2 - 1t h el o c a t i o no f p a n y ud i s t r i c to f g u a n g z h o uc i t y 广州市番禺区地处广东省中南部，珠江三角洲腹地，位于穗港澳“小三角” 的中心位置，见图2 1 广州市番禺区位图。北与广卅i 市海珠区相接，东临狮子洋 与东莞市相望，西与佛山、中山两市相邻，南与南沙区相连。番禺辖区总面积 7 7 0 1 3 平方公里，总人v 1 9 3 0 8 万，其中农业人1 2 1 4 4 4 8 万；划分为大石镇、化龙 镇、钟村镇、南村镇、石基镇、石楼镇、沙湾镇、东涌镇、榄核镇、鱼窝头镇、 灵山镇和大岗镇共1 2 个镇、7 个街道，有2 4 7 个行政村、7 0 个居委会。从地理位置 上看，番禺恰好位于珠三角的地理几何中心，区位优势极为明显。此外，番禺还 位于珠江出海口，相对丰富的建港资源、特别是深水港资源，为广州进一步强化 1 4 第2 章研究区域概况 其航运中心地位提供了强有力的支持。 2 1 2 气候特征 番禺区地处北回归线以南，属南亚热带海洋性季风气候，具有气候温暖，夏 长冬短且多雨的特点。据统计年平均气温2 1 8 ，最冷的1 月份平均气温仍达 1 3 3 ，而7 月份平均气温为2 9 年平均降雨量为1 6 5 0 毫米，每年4 9 月为 雨季，其降雨量占全年的8 2 。季风变化明显，从九月至次年二月以北风为主， 三月至七月多为东南风，八月份为南风，灾害性的天气，早春常出现低温阴雨， 夏秋期间常有台风侵袭，冬季偶有冻霜。 2 2 番禺区主要大气污染源分析 根据2 0 0 2 2 0 0 4 年间广州市环境质量通报 4 4 1 1 4 s 1 1 4 6 1 的空气环境质量数据分 析，可以看出广州市大气环境质量的变化总体趋势如下：( 1 ) s o s 污染日益严重， 从2 0 0 2 年全市年日均s c h 浓度从0 0 5 8 m g m - 3 增长到2 0 0 4 年的0 0 7 7 m g m 4 ， 增幅3 2 7 6 ；( 2 ) n o x 污染虽得到一定的控制，从2 0 0 2 年全市年日均n o x 浓 度从0 0 6 8m gm 4 增长到2 0 0 4 年的0 0 7 3m gm - 3 ，增幅7 3 5 ，但近年来e t 平 均浓度超标现象时有出现，以n o x 浓度超标为特征的机动车尾气型空气污染日 益凸现；( 3 ) 可吸入颗粒物污染也逐步加重，从2 0 0 2 年全市年日均浓度从0 0 8 2 m g m d 增长到2 0 0 4 年的0 0 9 9 m g m - 3 ，增幅2 0 7 3 。 番禺区大气污染情况基本符合上述趋势，且存在空气污染更加速恶化的可 能。作为广州重要的工业强区之一，近年来以电气机械及器材制造业、通用设备 制造业、通信设备计算机及其它电子设备制造业等为代表的新兴产业逐步替代以 纺织服装、鞋、帽制造业为代表的传统产业，这一产业结构的调整，也随着带来 了番禺区大气环境污染恶化加快的问题，而这也是我们选择番禺区作为研究区域 的主要原因。 2 2 1 工业废气 大气中s 0 2 的人为来源主要是煤和石油等含硫矿物燃料的燃烧，硫在燃料中 第2 章研究区域概况 可能以有机硫化物或元素硫的形式存在。通常煤的含硫量约为o 5 9 扛- 6 ，石油 约为0 5 - - - 3 1 4 7 】 根据2 0 0 5 年广州市番禺区环境保护第十一个五年规划，番禺区内3 6 5 家企 业的工业废气中s 0 2 和烟尘的排放量分别为2 0 1 9 4 5 4 ta 1 和1 0 9 7 6 7 8 ta - t o 另外， 目前番禺区各镇工业区和工业用地的锅炉台数、蒸吨数和使用的燃料参差不齐， 一些小型号的锅炉由于技术、规模和管理等方面的原因，导致大量的工业废气排 出，对大气造成较为严重的污染。各镇现有锅炉及其燃料使用情况见表2 1 。 表2 - 1 番禺区各镇现有工业锅炉及其燃料统计表 t a b l e 2 - 1s t a t i s t i c s o f t h e i n d u s t r i a l b o i l e r s a n d u s e d f u e l i n t h e t o w n s o f p a n y u ( 数据来源：广州市番禺区环境保护第十一个五年规划，广州市番禺区环境保护局，2 0 0 5 ) 由上表可以看出，沙湾镇工业锅炉台数最多，且燃煤锅炉总蒸吨数也较多。 据规划中数据统计，2 0 0 3 年沙湾镇工业区企业锅炉各镇s 0 2 排放总量达1 0 6 8 4 1 7 l 【ga - 1 ，烟尘排放总量达1 0 3 3 8 4 5k g a a ，空气污染为较为严重。 2 2 2 生活污染源 根据广州市番禺区环境保护第十一个五年规划，目前番禺区城镇居民的生活 燃料主要是液化石油气，乡村居民的生活燃料主要有煤、液化石油气和木柴。其 中，煤的用量只有3 9 8 3 3 7 td 1 ，而大部分使用电能和较清洁的液化石油气，所以 第2 章研究区域概况 对大气环境的影响并不大。 2 2 3 机动车尾气 据广州市番禺区环境保护第十一个五年规划中监测数据表明，番禺区的机动 车尾气排放是造成空气质量恶化的重要原因之一。根据国家环境保护标准轻型汽 车污染物排放标准，一类车( 设计数不超过6 人( 包括司机) ，且最大总量- 2 5 t 的车辆) 每行驶l k m 排放的n o x 为o 2 0 9 ，( 2 0 为2 2 0 9 ，p m 为0 0 8 9 ，二类车 ( 除第一类车以外的其它所有轻型汽车) 每行驶l k m 排放的n o x 为2 0 0 9 ，( 2 0 为8 0 0 9 ，p m 为0 2 9 9 。汽车尾气排放量与汽车数量( 车次) 以及道路长短密切 相关，汽车尾气中污染物的产生量大致可以用以下公式估算： 污染物的量= 道路长度x 车次x 该污染物的排放因子 ( 2 1 ) 番禺区主要交通干道机动车废气排放量统计表分布见表2 - 2 。如表所示，机 动车尾气中n o x 排放量为1 1 6 8 td - 1 ；c o 为4 8 3 1 t d - i ；p m 为1 7 5 td 1 。 表2 - 22 0 0 3 年番禺区主要交通于道机动车尾气捧放情况表( td 1 ) t a b l e2 - 2s t a t i s t i c so f e x h a u s tg a sf r o mv e h i c l e si nm a i ns t r e e t so f p a n y ui n2 0 0 3 ( td 1 ) 迎宾路市广路市南路清河东路市莲路 蓊染萎妻 合计 戛妻弃戛妻弃奚妻弃萎妻弃 总计 物类类 。” 类类计类类计类类计类类计 。” n o x0 1 5 6 1 5 6 3 00 0 20 7 30 7 60 0 10 5 00 5 10 0 21 9 82 0 00 0 22 0 92 1 11 1 鲳 c 01 6 62 4 砷2 6 2 60 2 72 9 33 2 00 1 6l _ 9 82 1 40 2 17 9 18 1 20 2 28 3 78 5 8 4 8 3 1 p m0 0 6 0 8 90 9 50 0 10 1 1 0 1 20 0 10 0 70 0 80 0 10 2 90 2 90 0 10 3 00 3 11 7 5 ( 数据来源：广州市番禺区环境保护第十一个五年规划，广州市番禺区环境保护局，2 0 0 5 ) 2 3 番禺区总体大气环境质量 番禺区是广州市2 1 世纪的重点发展地区，按照广州市城市总体发展战略 规划纲要城市功能南拓的需要，区内工业迅速发展，污染也日益严重。番禺区 环境监测站共设立三个空气自动监测系统采样监测点，详细设置如表2 - 3 所示。 1 7 第2 章研究区域概况 表2 - 3 番禺区中心城区空气自动监测系统采样监测点 t a b l e2 - 3l o c a t i o n so f a i rq u a i l t ya u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m si np a n y u 番禺区环保局子站是作为代表番禺区中心城区整体大气环境状况的均值点， 显示番禺区中心城区整体大气污染的平均浓度，属于大气功能区中的商住交通混 合区。石基镇政府子站为番禺区中心城区污染较重地区，而作为番禺区大气环境 恶化的趋势点。沙湾中心小学子站则是作为番禺区中心城区大气环境相对清洁的 对照点。三个监测点分布位置如图2 - 2 所示： 图2 - 2 番禺区空气自动监测系统采样监测点分布 f i g 2 - 2l o c a t i o n so f