耐城市空气污染植物研究进展

徐铭焓，周舒宇，余爱华，林 涛

（南京林业大学土木工程学院，南京 210037）

空气是人类赖以生存的重要资源，它对环境的变化具有高度敏感性。随着近代工业的迅速发展，以及城市化进程的不断加快，排入空气的污染物日益增多，远远超过了环境的自然净化能力。植物在保护城市空气环境中起着非常积极的作用:它能通过光合作用调节城市的O2和CO2含量，能降低空气中某些有害污染物的浓度，具有明显的减尘效应并美化环境。所以，在城市中大量推广抗污染植物［1］，不仅可以提高环境的生态效益，还能达到净化环境的功效。近年来，科学工作者做了很多的研究工作来探索对空气污染抗性强的植物种类，并希望通过抗性等级的划分，筛选出抗污染能力强的树种，在城市绿化中推广种植，以改善城市空气环境质量。

1 城市主要空气污染物

由于燃料燃烧、汽车尾气、工业废气等的排放，使空气中SO2、CO、碳氢化合物、Cl2、氟化物、H2S、金属粉尘、苯并芘等的含量越来越高［2］。这些污染物能通过呼吸道、皮肤或受二次污染的食物、饮用水进入人体，严重威胁着人的身体健康。刘世忠［3］等对广东省佛山市大气监测的结果表明，酸性硫化物和毒性氟化物是陶瓷工业产生的主要污染物质。随着汽车保有量的不断增加，大城市的空气质量由于氮氧化物、一氧化碳和光化学烟雾而不断恶化，这是典型的机动车污染［4－5］。研究表明［6－8］，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，主要污染物有CO、碳氢化合物、NOx、SO2、烟尘微粒和甲醛等。Wang Q等［9］对国内8个城市空气可吸入颗粒物进行采集，并用ICP－AES法分析发现，大多数重金属（如铜、锌、铅、锰、铬、镍、钴）富集在可吸入颗粒物PM10中，除了铁和钛。

总的来说，城市大气污染物的主要来源有工业废气、燃料燃烧产生的废气和汽车尾气的排放等。公路两侧的空气污染物类型主要是汽车尾气排放产生的废气，如CO、硫化物、碳氢化合物、氟化物、醛类、苯并芘、氮氧化物及重金属粉尘。其中，重金属粉尘主要含有Cr、Pb、Zn、Cu等。

2 城市植物受害性状变化

2.1 叶片受害症状

鲁敏［10］通过人工熏SO2气体试验，发现植物在低浓度的污染气体中暴露一定时间后，叶片呈现的受害症状较轻，多为褪绿斑，也有少数植物有面积不大的褐色斑。高浓度的熏气试验会使植物受到急性伤害，叶片迅速坏死，从而使其丧失对污染物的吸收能力。胡星明［11］等研究表明，植物对大气中重金属污染物铅、铬、铜、锌等有吸收和富集作用，但重金属污染物超过一定阈值就会导致植物毒害或死亡。周守标和李思亮［12］提出重金属浓度较低时对植物生长有促进作用，但植物如果从大量污染环境中吸收重金属，往往会产生直接或间接伤害从而抑制植物生长甚至死亡。杨盛昌和吴琦［13］研究发现，通常植物受到重金属污染时会出现生长迟缓、植株矮小、根系伸长受抑制直至停止、叶片失绿、出现褐斑等症状，如Mn中毒时，一般在老叶上出现褐斑;Zn、Cu中毒会使植物叶片褪绿而黄化［14－16］。

2.2 生理生化性状

植物在高浓度的SO2气体环境下生理活性会遭到破坏［10］，重金属污染也将影响植物的生理生化活性，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、营养元素的吸收、水分吸收以及酶的活性等［17］。植物吸收过量Cu，会对细胞膜及多种细胞器的膜系统产生伤害［12］。紫云英细胞核在Cu胁迫下核膜破裂，核仁膨胀消失，并与染色质凝聚在一起［18］。细胞膜透性是评定植物对污染物反应的生理指标之一［19］。植物体内过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）共同组成一个有效的活性氧消除酶系统，若植物受铜污染影响，会打破三者之间的平衡，使植物体内自由基含量上升［12］。王爱霞［20］等研究发现，植物在交通污染环境下，多数树种可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量、丙二醛含量均表现出不同程度的增加。高厚强和张晓玲［21］研究了安徽省合肥市城市大气对该市的5种常见绿化植物叶绿素（a、b）含量比例的影响，结果表明，污染严重的市中心叶绿素a/b值最高，无污染的对照区叶绿素a/b值最低。温学［22］等研究了佛山市不同污染点30种绿化植物的叶面积、Fv/Fm、叶片细胞膜渗漏率及光合色素含量相对与清洁对照点的差异，结果表明，大气污染条件下，绿化植物叶片的生长受到抑制，PSⅡ最大光化学效率下降，光合色素发生降解，细胞膜受到了伤害。黄晓华［23］等研究发现，在高浓度（800 mg/L）铅胁迫下，所选5种常绿树木叶片的叶绿素含量、质膜透性、过氧化氢酶活性及铅富集量等生理生化特性均产生明显变化，但变幅不完全相同。

植物依据种类的不同对大气中污染物有不同程度的吸收能力，吸收能力强的植物在叶片受害症状和生理生化性状上没有太大变化，吸收能力弱的植物在叶片上表现为失绿出现褐斑或发黄等症状，各项生理生化指标也会发生明显变化。

2.3 试验方法分类

（1）人工熏气法。人工熏气是研究植物与大气污染物相互作用的一种试验方法，即在人工控制的环境下使植物接触气体污染物，以研究植物对污染物的吸收能力、抗性和敏感性，一般分静式熏气、动式熏气和开顶式熏气3种。试验中需要考虑和控制的条件是:污染物的浓度和接触时间、接触方式 （连续或间歇）、植物种类、年龄、发育时期、生长状态，熏气时的环境条件 （光照、温度、湿度、肥水供应、风速和换气次数等）以及熏气前后的生长条件。鲁敏［10］采用动式熏气箱在常温、常压下对北方部分绿化树种吸收净化主要大气污染物 （二氧化硫、氯气和氟化氢）的能力做了相关研究。勾晓华［24］等采用开顶式熏气装置，研究不同浓度（0.041，0.083，0.166 mg/m3）氟化氢熏气对3种植物的质膜透性和膜脂过氧化作用的影响，每次熏气前对各熏气罩先进行0.5～1 h的预处理，待气体浓度稳定均匀后再放入供试植物，连续熏气4 d，每天处理3 h。

（2）实地调查法。通过实地调查，确定某地空气污染类型，并在典型污染区和对照区分别采集植物样品至实验室分析处理的方法叫实地样品采集法，采集时应保证叶片着生位置一致、叶龄一致。目前很多学者采用该法进行植物与污染物关系研究。例如，任乃林［25］通过对潮州市区交通繁忙路段和对照区不同植物叶片重金属的含量研究，探讨了重金属含量与城市大气污染之间的关系。Liu L［26］等将城市划分为工业区、居住区、商业区和一个控制区来研究植物叶片形态结构与其吸滞灰尘能力的关系。

3 植物对空气污染物的抗性

3.1 植物对重金属的抗性

许多重金属都是植物必须的微量元素，例如铜和锌，对植物的生长发育起着十分重要的作用。但是，当空气环境中重金属含量超过某一临界值时，植物体内的代谢过程将会发生紊乱，生长发育受到抑制，甚至导致植物死亡。

早在20世纪70年代科学家Wardetal［27］就发现交通繁忙地段植物叶片的重金属含量明显增高。我国庄树宏等［28］研究发现，植物叶片中重金属Pb、Cu和Zn的富积量与大气中Pb，Cu和Zn的相对含量呈显著的正相关。闫小红［29］等采用原子吸收法测定江西省吉安市6个区域10种绿化植物铅、锌含量，结果表明10种绿化植物对大气铅、锌污染物均具有一定的吸收净化能力，并依污染物和植物种类的不同差异明显，对铅吸收量最高的植物为圆柏（Sabina Chinensis）和雪松（Cedrus deodara），最低为海桐（Pittosporum tobira）;对锌吸收量最高的植物为日本女贞（Ligustrum japonicum），最低为小叶黄杨（Buxus microphylla）。陈学泽［30］等通过采样试验得出夹竹桃（Nerium indicum）对铅有比较强的富集能力，构骨（ILex cornuta）对铅和铬都有比较强的富集能力。马跃良［31］等通过对广州市区植物叶片中重金属元素含量的分析，发现植物叶片中Pb、Cd、Cu、Cr元素污染都较严重，大叶榕（Ficus altissima）、小叶榕（Ficus microcarpa）对大气环境污染中Pb、Cr、Cd等重金属元素都具有比较强的富集作用，对污染物有一定的忍耐和抵抗能力。于一苏等［32］分别对合肥市电厂等4地，紫叶李（Prunus ceraifera）等17个绿化树种同步定点采集叶片样品，试验得出砷离子主要富集在紫叶李（P.ceraifera）、小叶女贞（Ligustrum quihoui）、雪松（C.deodar）、蜀桧（Sabina sp.）、紫荆（Cercis chinensis）、石楠（Photinia serrulata）、大叶女贞（Ligustrum lucidum）、构树（Broussonelia papyrifera）等树种中;镉离子主要富集在蜀桧（Sabina sp.）、广玉兰（Magnolia grandiflora）、雪松（C.deodara）、大叶女贞（L.lucidum）、构树（B.papyrifera）等树种中;铅离子主要富集在蜀桧（Sabina sp.）、雪松（C.deodara）、广玉兰（M.grandiflora）、夹竹桃（N.indicum）、大叶黄杨（Euonymus japonicus）、法国冬青（Viburnum awabuki）等树种中;对有害重金属吸滞均较好的树种有蜀桧（Sabina sp.）、雪松（C.deodara）、广玉兰（M.grandiflora）等。鲁敏等［33］研究发现，对铅吸收量高的树种有:桑树（Morus alba）、黄金树（Catalpa speciosa）、榆树（Ulmus pumila）、旱树（Salix matsudana）、梓树（Catalpa ovata）;吸镉量高的树种有:美青杨（P.cathayana）、桑树（M.alba）、旱树（S.matsudana）、榆树（U.pumila）、梓树（C.ovata）、刺槐（Robinia pseudoacacia）。

不同种类植物对同一种重金属的抗性程度有所不同，同种植物对不同重金属抗性程度也有所不同，这内部存在着一定但却相当复杂的机理作用，通过大部分学者的试验，我们能大概得出针对某种或某几种重金属污染物，可以选择何种绿化植物，来吸收或吸滞污染物，以达到植物修复的效果。

3.2 植物对SO2、氯气和氟化氢等的抗性

植物对大气污染物的敏感性程度与其跟大气污染物接触剂量（浓度、时间）密切相关［34］，只要空气中污染物的含量不超过一定浓度，植物的叶片就不会受害，并不断吸收空气中的污染物［35］。例如，红花银桦（Grevillea banksii）在420 d的污染环境下叶、枝、主干、根等器官对大气SO2和氟化物等污染气体具有比较强的抗性和吸收、净化能力，并且枝、主干和根对污染物的吸收、净化能力都比抗性强的小叶榕（F.microcarpa）高［36］。植物叶片含氟量与大气中氟化物浓度之间有着密切的相关性，并依植物种类的不同而差异明显:如悬铃木（Platanus orientalis）的相关性比香樟（Cinnamomum camphora）更显著［37］，由于氟是植物本身不需要的元素，植物从大气中吸收的氟主要积累贮存于叶片中，不能为植物代谢吸收利用，所以可以用叶片含氟量来监测大气中氟化物的污染情况。

鲁敏［38］通过试验得出，对SO2的吸收量高的树种有加杨（Populus canadensis）、花曲柳（Fraxinus rhynchophylla）、臭椿（Ailanthus altissima）、刺槐（R.pseudoacacia）、卫矛（Euonymus alatus）、丁香（Syzygium aromaticum）、旱柳（Salix matsudana）等;对Cl2吸收量高的树种有京桃（Prunus davidiana）、山杏（Prunus armeniaca）、山楂（Crataegus pinnatifida）等;对HF吸收量高的树种有枣树（Ziziphus jujuba）、榆树（U.pumila）、桑树（M.alba）、山杏（P.armeniaca）等。王桂林［39］等通过对以 SO2、NO2为主要污染物的污染区绿化植物调查研究发现，植物生长状况好、较健壮的树种有夹竹桃（N.indicum）、棕榈（Trachycarpus fortunei）、石楠（P.serrulata）、大叶黄杨（E.japonicus）等;绿化植物污染程度具有明显的方向性和地带性，距离污染源近的地方，树木死亡率高，距离污染源越远，植物受害程度逐步减轻。王芳［40］等通过测定化肥厂下风区3种不同绿化树种植物叶片中氟化物的含量，来比较不同树种对氟的富集累积情况，结果表明3种植物的生长环境相同，对氟的吸收作用却不同，富集能力:榆树（U.pumila）＞松树（Pinus massoniana）＞ 柳树（S.matsudana）。薛皎亮［41］等在太原市中心区布点，采集44种植物的叶片，化验其含硫量，结果表明，阔叶树木叶片含硫量明显高于针叶树，其中以银杏（Ginkgo billoba）的含量最高。

不同种类植物对二氧化硫、氟化氢、氯气等污染气体吸收能力也不相同，敏感植物可用来监测空气污染情况，抗性较强植物可在相应污染地区推广种植，以达到净化空气、美化环境的效果。

3.3 植物对污染物抗性机理研究

杨震［42］对南京市15种主要绿化树木吸尘净化大气中铅、锌的能力进行了研究，得出植物对污染物的滞留是一个复杂的过程，与气候条件、叶片表面的湿润程度、植物的表面结构、污染物本身的性质、植物的高度及气象条件等多种因素有关，它主要发生在地上部分的表面及叶片的气孔，将污染物滞留在叶片的表面，像雪松（C.deodara）、圆柏（S.Chinensis）表现出对铅的较强吸附能力，很可能与其表面的油性分泌物有关。植物对重金属的吸收主要取决于自由态离子活度［43］。不同种类植物之所以对污染物产生各种各样的反应，是因为植物叶片结构及叶细胞生理生化特性存在差异而导致的［44］。气态SO2从气孔进入植物体之后，以的形式起作用，使植物叶片组织pH降低，进而影响细胞正常的生命代谢活动，这是SO2伤害植物的机理之一，也可以部分说明为什么叶片组织pH较低的植物对SO2的抗性较弱［45］。但只要大气中二氧化硫质量分数不超过3.0 × 10－5，植物就能不断吸收利用［46］。杨世勇［47］等认为将超富集植物人为地引种到重金属污染地区，使之逐渐适应当地的环境条件，将在以后的生态环境中发挥积极作用。除此之外，还可以运用基因重组技术［48］，将MT－like基因转入非耐性植物，从而大大提高植物的重金属耐性，这将是一项很有前景的工作。

4 植物对污染物抗性等级划分

植物对大气污染反应非常复杂，单一生长指标难于准确比较评价植物的受影响程度，于是采用综合生长比值（Complex Growth Rate，GRC）对参试植物进行比较排列，试验结果表明大气污染对树木基径的影响最小，对株高影响次之，对冠幅影响最大，于是对三者分别赋以0.25、0.30、0.45的加权系数，则计算各污染点的加权综合生长比值的公式为［3］:

式中RBD、RH、RCA分别表示基径、株高、冠幅的增长比值，综合增长比值越高，表明植物受大气污染影响越小，生长较为正常;反之，则受大气污染影响较大，生长受较严重的抑制。按照综合增长比值的大小将参试植物分为3级:抗性强的植物（GRC＞60%），如铁冬青（Ilex rotunda）、菩提榕（Ficus religiosa）、环榕（Ficus annulata）、仪花（Lysidice rhodostegia）、小叶榕（F.microcarpa）等;中等抗性植物（30% ＜GRC＜60%），如小叶胭脂（Artocarpus styracifolius）、腊肠树（Cassia fistula）、毛黄肉楠（Actinodaphne pilosa）、茶花（Camellia japonica）等;敏感植物（GRC＜30%），如华润楠（Machilus chinensis）、海南木莲（Manglietia hainanensis）、格木（Erythrophloeum fordii）等［3］。

也有学者根据植株的生长、生长势和受害状况以及植物体或叶片的各项生理指标测试数据得出植物抗性的分级标准［22］:植株生长（较）正常，顶端优势明显，生长良好，开花结果（较）正常，在污染点大面积分布范围内只有少数植株或叶片受害，污染点内植物叶片的各项测定值约大于或小于对照点的50%为抗性强;植株长势中等，枝、芽生长受到抑制，叶片变小或明显变小，较多叶片出现可见伤害症状，但仍可开花结果，污染点内植物叶片各项测定值小于或大于对照点的50%～40%为抗性中等;植株长势差，枝或梢干枯，甚至植株死亡，叶片普遍出现伤害症状，大量落叶，开花结果不正常，污染点内植物叶片各项测定值小于或大于对照点的40%为抗性弱［22］。

植物抗性等级目前没有唯一的分类标准，根据强、中、弱大致可分为3类，具体的划分界限还有待进一步研究。同时，不同植物对同一污染物的抗性程度不同，同一植物对不同污染物的抗性程度也不同，所以要找出综合抗性强的植物还需更多的植物筛选和研究。

5 总结与展望

大气污染已经成为亟待解决的环境问题，它不仅威胁着人类的生命安全，对动植物也有很大的负面影响，所以研究植物对污染物的抗性程度是非常必要的。通过实地考察，寻找在污染 （较）严重的地区依然能存活的树种，分析其吸收污染物的原理进行抗性等级划分，然后推广到全国各地污染情况相当的地区普遍种植。但是，大气污染物的类型多种多样，植物对污染物吸收能力的大小也千差万别，有的植物吸收重金属中的某一种或几种能力较强，但吸收SO2、HF等能力就一般或较差，如果在重污染地区，我们就得寻找综合吸污能力强的植物;对于单一型的污染地区，可选择相应吸污能力强的植物。植物修复能否有效净化大气环境还受到多种因素的影响［49］，针对不同气候环境和土壤条件，优化配置不同生态型植物将是一项提高植物修复效果的有效措施［50］。

大气污染的植物修复还处于探索阶段，它涉及到植物生理学、生态学、大气化学、遗传学、环境保护学、生物工程等多学科知识的交叉和综合利用。但只要设计正确的实验方案，对被试植物的各项指标进行精确测定、分析、比较，定能建立起耐城市空气污染的植物筛选库，为不同城市在进行植物修复时提供参考。同时，研究植物对污染物的抗性机理，并运用基因技术，加强抗性弱的植物对某些污染物的耐受能力将有很好的前景。

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