珠江三角洲不同污染梯度下森林优势种叶片和枝条S含量比较

裴男才， 陈步峰， 邹志谨， 潘勇军， 肖以华

(中国林业科学研究院热带林业研究所，国家林业局珠江三角洲森林生态系统定位研究站， 广州 510520)

珠江三角洲不同污染梯度下森林优势种叶片和枝条S含量比较

裴男才， 陈步峰*， 邹志谨， 潘勇军， 肖以华

(中国林业科学研究院热带林业研究所，国家林业局珠江三角洲森林生态系统定位研究站， 广州 510520)

植物的吸储作用对降低环境中含硫污染物浓度有积极意义。筛选珠江三角洲地区具有不同污染程度的3处森林类型，检测了32个树种叶片和枝条中的总S含量(其中广州市白云区帽峰山次生常绿阔叶林16个树种，广州市南沙区海岸防护人工林11个树种，佛山市顺德区龙凤山人工改造恢复林5个树种)。结果显示：该32个物种的叶片和枝条中硫含量平均值分别为(0.24±0.02)%和(0.14±0.02)%，叶片硫含量显著高于枝条中的(P=0.000)。相同森林类型不同物种间叶片(和枝条)中硫含量呈现显著差异。帽峰山和南沙森林样地中优势种叶片(和枝条)中硫含量近似，分别为(0.22±0.01)%和(0.22±0.02)%(枝条：(0.13±0.01)%和(0.10±0.01)%)；而龙凤山的最高，叶片和枝条中分别为(0.39±0.13)%和(0.28±0.09)%；多重检验结果显示，在龙凤山森林类型植物体吸储硫元素的量，显著大于帽峰山和南沙森林类型，这与不同森林类型所处空气环境中S污染物格局较为吻合。在近缘类群中(如豆科、樟科)，叶片(和枝条)中硫含量的差异显著，暗示近缘植物类群(在科的水平上)在吸储硫元素方面受系统发育约束作用不明显。在本土树种和引进树种中，叶片(和枝条)中硫含量没有显著差异，可能与所处环境的过滤作用相关。广州和佛山地区各林型的植物体内硫含量存在的差异，基本反映出该两地区空气环境中受含硫污染物的影响程度。今后在该地区的造林过程中，应更多考虑应用S污染物吸储能力较强的树种，并注重本土树种和引进树种的组配，构建适应当地环境条件的森林群落。

城市森林；硫；吸储效应；植物修复；珠江三角洲

硫在自然界中可以含硫气体的形式游离于空气中，也可以硫酸盐的形式存在于生物体和非生命环境中，是生物体代谢过程必需的一种非金属元素。国内外诸多研究表明，硫含量超过一定的阈值而成为一种经常性的胁迫(缺乏或过量)时，会对动植物的生理生态过程和人类健康造成较大的负面影响[1- 5]。植物对硫胁迫的反应可体现外部表现上(如叶片功能、形状、颜色等)，可通过检测硫在植物组织中含量来了解植物与环境的互动关系。植物组织的S含量与大气的S污染程度具有一定的关联性。

植物对S的吸收方式主要有两类：一是通过叶片组织，将含S气体予以吸收而储存于植物体内；二是通过根系组织，将含S离子吸附到植物体内。进入植物体后的S元素参与多项生物代谢活动，而多余的部分将作为储存物质保留在植物体各器官内[6- 7]。自然界自身存在的含S污染物主要来自火山喷发运动等，人类活动引起的含S污染物主要来自含S燃料的燃烧(包括汽车尾气排放)、含S矿石冶炼、硫酸生产等[8]。随着人类活动的加剧，特别是工业革命后，人为引起的含S污染物排放逐渐增多，S污染事件不断出现(如含S烟雾，酸雨)，且造成的后果还在持续，短期内难以消除，这在一定程度上打破了原有的自然生态系统平衡，已严重影响环境质量和人类健康。近几十年来，各国政府、科技界和产业界已意识到硫污染问题的严重性，并陆续开展一些具体措施以达到硫污染物的源头控制(如淘汰污染重的落后经营方式)、过程优化(如通过技术革新进行减排)和后期管护(如通过造林营林进行生物吸储)等目标。

树木具有生物量大、耐受性强、生活周期长等特性，能通过吸储作用降低环境(特别是城市区域)中S污染物浓度。因此，在深受硫污染物影响的城市区域，森林植物的修复作用对改善当地硫污染状况效果显著、意义重大。珠江三角洲地区(简称珠三角)经济总量巨大，工业生产集中，部分区域环境中硫污染较为严重[9]，这已对民众正常生活造成较大影响，迫切需要有效的措施改善遭破坏的环境。作者以广州和佛山的三处森林为例，了解各木本植物物种叶片和枝条中的硫含量特征，分析硫在各森林类型中的分布格局，为进一步探讨城市森林对环境中硫污染物的吸储效益提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地点和森林类型选取

本研究所选取的3处林分为珠三角地区的代表性森林类型。具体为广州市白云区的帽峰山次生常绿阔叶林(缩写为帽峰山；23°16′9″N, 113°22′5″E)，代表着广州近郊地区的自然植被类型，随着城市化发展进程加快，此地环境状况易受人为活动干扰[10]；广州市南沙区海岸防护人工林(缩写为南沙；22°38′38″N, 113°38′33″E)，代表着广州远郊地区的人工林森林类型，此地森林覆盖较少，各大交通干道连接着珠三角地区，汽车尾气排放量较大[11]；佛山市顺德区龙凤山人工改造恢复林(缩写为龙凤山；22°49′17″N, 113°13′33″E)，代表着佛山地区的人工恢复森林类型，此地工业化程度较高，环境中硫污染较重[12]。从硫元素在空气中的聚集程度来看，帽峰山lt;南沙lt;龙凤山(表1)。

1.2 样品采集和测定

所选择的32个物种中，21个为本土物种，11个为引进物种，隶属于20个种子植物科(表2)。采集树木的叶片(主要为2年生)和枝条组织；一共采集到32个物种64份样品，其中帽峰山16个物种32份样品(每个样品两个重复；采于2012年6月)，南沙11个物种22份样品(每个样品3个重复；采于2012年5月)，龙凤山5个物种10份样品(每个样品只有1个重复；采于2006年5月，本研究中主要作为较重污染的对照区域)。将植物组织表面清洁干净，烘箱60℃恒温烘干后，分别研磨成粉末供测试，并留存部分样品。

表1 帽峰山、南沙和龙凤山森林区域SO2浓度(2006和2011年度)

由于2012年南沙万顷沙监测子站仪器维护中，监测结果不全，因为提取了2011年的SO2浓度监测结果; 国家标准指国家《环境空气质量标准(GB 3095—1996)修正版》二级标准，适用于居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区; 数据来源：粤港珠江三角洲区域空气监控网络监测结果报告(http://www-app.gdepb.gov.cn/eqpublish/raqi.aspx)

表2 本研究所采集的树种信息

植物(干燥)组织全硫含量采用HNO3-HClO4消煮，BaSO4比浊测定的方法获得[13]。实验测试过程设置了空白对照，并以GBW10015(菠菜)为标准样品进行全程监控，标准阈值为(0.45±0.04)%。

1.3 数据分析

使用SPSS 11.5软件计算平均值、标准误差运算和差异显著性检验(a=0.05或0.01)。作图在OriginPro 8软件上完成。

2 结果与分析

2.1 3处森林类型叶片和枝条中硫含量总体比较

本研究中广州和佛山地区的3处森林共取样属于20个科的32个植物物种。测试结果显示，32个物种的叶片和枝条中硫含量平均值(干重；下同)分别为(0.24±0.02)%(平均值±标准误差；下同)和(0.14±0.02)%。成对样本t检验(paired samplest-test)结果显示，叶片中硫含量显著高于枝条中的。单样本t检验(one-samplet-test)发现32个物种间叶片(和枝条)中硫含量的也呈现出显著差异(表3)。在32个物种中，叶片和枝条中硫含量最大值均出现在佛山的龙凤山森林类型，且同为桃金娘科的红胶木(0.72%和0.49%)。而叶片和枝条中的硫含量最小值，则分别出现在佛山的龙凤山和帽峰山森林类型，为芸香科的吴茱萸(0.07%)和樟科的阴香(0.05%)。

在相同森林类型中，各物种间叶片(和枝条)的S含量存在显著差异，其中佛山龙凤山森林的树种在P=0.05的水平上检测到显著差异，而南沙和帽峰山森林的各树种在P=0.001的水平上检测到显著差异。

表3 广州佛山地区3种森林类型优势种叶片和枝条中硫含量比较

*表示在0.05的水平上检测到显著性；***表示在0.001的水平上检测到显著性

2.2 不同森林类型叶片和枝条中硫含量比较

图1 广州佛山地区3种森林类型优势种叶片和枝条中全硫含量及多重检验Fig.1 Total S content and Turkey Post Hoc Test in leaves and branches of dominant species from the three forest typesLongfeng Mt(龙凤山)在佛山市，Maofeng Mt(帽峰山)和Nansha Forest Plot(南沙森林样地)在广州市；字母a与b表示0.05的显著水平；A与B表示0.01的显著水平

3处森林类型中，植物体中硫含量最高的是龙凤山(物种数N=5)，叶片和枝条中分别为(0.39±0.13)%和(0.28±0.09)%；叶片中。其次是帽峰山(N=16)，叶片和枝条中分别为(0.22±0.01)%和(0.13±0.01)%；最低为南沙森林样地(N=11)，叶片和枝条中分别为(0.22±0.02)%和(0.10±0.01)%。

多重检验(Turkey Post Hoc Test)结果显示，在龙凤山森林类型叶片和枝条中，植物体吸储硫元素的量，均显著大于帽峰山和南沙森林类型。帽峰山的稍高于南沙的，但差异不显著(图1)。

2.3 近缘类群叶片和枝条中硫含量比较

为了探讨近缘植物类群是否在吸储硫元素方面有较近似的能力，本研究筛选物种数≥3的豆科和樟科，并分析了其叶片和枝条中硫含量(表4)。单样本t检验结果显示，豆科的4个物种和樟科的3个物种，其叶片、枝条中硫含量差异均为显著，表明亲缘关系较近的植物类群(在科的水平上)对硫元素的吸储效应有较大差异，暗示系统发育约束作用不明显。成对样本t检验结果显示，豆科物种叶片中硫含量显著高于枝条中的；而樟科物种叶片中硫含量稍高于枝条中的，但差异不显著。

2.4 不同地理来源物种叶片和枝条中硫含量比较

为了探讨相同地理来源(相对于中国境内)的植物类群是否在吸储硫元素方面有较近似的能力，本研究将全部的32个物种划分本土树种(21种)和引进树种(11种)两类，并在此基础上分析了其叶片和枝条中硫含量(表5)。单因素方差分析结果显示，叶片中，本土树种硫含量低于引进树种，显著性检验P值为0.053。其中龙凤山森林类型的两个树种红胶木(0.72%)和米老排(0.63%)，表现出较大的吸储能力，对当地环境中的有害硫元素有较大的消减和转化作用。而在枝条中，本土树种硫含量略低于引进树种，但差异不显著。不同地理来源的树种，在广州和佛山地区生长一段时间后，对硫元素的吸储量近似，可能与局部环境的过滤筛选作用有关。

表4 近缘植物类群叶片和枝条中硫含量比较

*表示在0.05的水平上检测到显著性；**表示在0.01的水平上检测到显著性

表5 本土树种与引进树种的叶片(和枝条)中硫含量方差分析

3 结论与讨论

植物体中的硫，主要通过叶片吸收空气中的含硫污染气体(如SO2，H2S等)，以及通过根系积累土壤和水体中的硫酸盐离子而来。因此，可充分利用植物的这种特性，对土壤、水体和大气中过多的硫污染物进行有效的吸收和净化，被视为一种重要的途径来修复被污染的环境。植物对硫元素的吸储作用，在不同空间上、物种间和组织部位上存在显著差异[14- 17]。

不同污染程度环境下的植物，硫含量存在空间差异。本研究的结果显示具有较高SO2污染下的佛山龙凤山森林类型，其植物平均硫含量显著高于具有较低SO2污染下的广州帽峰山和南沙森林类型，支持郁梦德[18]，Thomas等[19]的一些研究结论。近些年来，本研究区域内的大型化工生产活动已得到较大幅度减少，所监测到的空气环境中SO2浓度呈现显著的下降趋势(表1)。这种下降趋势在植物器官中的S含量得到体现：采集于2006年的佛山龙凤山森林优势种叶片和枝条，平均S含量较高，而采集于2012年的广州南沙和帽峰山森林优势种叶片和枝条，平均S含量较低(图1)。但是，随着经济社会的发展，机动车保有量逐年增加，使用频率大幅提高，珠三角区域内由汽车尾气排放引起的含S污染物带来的空气质量问题也将日益突显。由于含S污染物排放方式和集中程度发生改变，需要根据新的形势，及时采取有效措施(如提高机动车燃油品质、沿公路和重点集散地造林绿化等)予以改善，标本兼治。

不同植物组织部位上，硫含量存在差异。本研究3种林型中，叶片硫含量均高于枝条硫含量，且在广州帽峰山和南沙森林类型中检测到显著差异。植物组织中硫含量(干重)范围在0.1%—6%之间[20]，实际含量数值与所处环境的污染状况有关。植物叶片通过吸收空气中的硫沉降，完成光合作用，多余的部分将保留在叶片组织中，同时也将转移到枝干甚至根系组织[21- 22]。由于树木的枝干占据绝大部分生物量，且通常植物组织的年龄越久，其中的硫含量越高[23- 25]，因此能吸储硫污染物的空间较大，其作用不应被低估[26]。此外，有些植物(如豆科植物三叶草)，当其生长所处的土壤中硫含量缺乏时，会主动吸收空气中的含硫气体以予补充代谢循环所需[7]。本研究的结果倾向于支持叶片向其他组织转移的观点；由于没有采集到根系组织，暂时还无法对是否存在从根系往枝干、叶片方向的转移给出证据，需要进一步的研究。

不同植物种间硫含量存在差异。本研究32个树种中硫含量变化范围较大，最高量和最低量的比值达10倍多(叶片：0.07%—0.72%，枝条：0.05%—0.49%)，其中含量超过正常植物标准值(0.45%)的均在佛山龙凤山森林类型中(如红胶木叶片和枝条硫含量分别达到0.72%和0.49%；米老排叶片含量也达到0.63%，枝条硫含量0.45%，刚好达到标准值上限)。对深圳不同地点的116种园林植物叶片含硫量的测定结果显示，叶片含硫量达1.00%的植物有5种，0.50%—1.00%的有12种，其余含量的在正常范围内，说明该地不同植物对空气中含硫污染物的吸收能力有差别，具有高硫含量的植物对于改善当地空气环境有更积极的作用[27]。在加拿大southern Ontario地区，检测了采集于1968—1977年间的33植物物种(近50000份叶片材料)，发现叶片中硫含量变化幅度为0.13%—1.72%[28]。此外，Willey和Wilkins统计了121个开花被子植物的硫含量相对平均值，结果显示这些物种的硫含量相对平均值符合正态分布，经过loge转换后其变化范围比以往所报道的数值还要大，变幅可达4.66(从橡树的-3.39，到芹菜的1.27)。方差分析结果表明，不同分类群的硫含量受到显著的系统发育作用影响，约36%以上的物种间变异与目或者更高的分类阶元相关[14]。可见硫含量存在种间差异，环境污染严重时会在植物体组织中得到更明显的体现。本研究在科的水平上未检测到显著系统发育约束作用，可能是这种约束作用在S吸储过程中本身就不显著，也可能是样本数量不够。

由以上分析可知：广州和佛山地区各林型的植物体内硫含量存在不同程度的差异，基本能反映出该两地区不同时间段空气环境中受含硫污染物的影响状况：佛山地区已遭受较严重的污染，需标本兼顾，充分利用物理、化学和生物手段进行修复；广州地区污染程度稍轻，但也应注意机动车快速增长带来的大量尾气排放，需防范于源头，进行能源结构调整，设法提高城市绿化面积。环境质量好与坏，与当地经济、社会发展水平，政府决策和居民环保意识紧密相关；在这过程中，科技发挥着杠杆作用。珠江三角洲地区经济总量大，人口集中程度高，生态环境较脆弱，通过科学的城市规划，按照适地适树的造林原则，进行本土树种和引进树种的合理搭配，并给予有效的抚育管护，能在一定程度上发挥植物吸储和修复作用，为区域环境质量改善开一剂“生态处方”。

致谢：中国科学院植物研究所米湘成博士对写作给予帮助，黄俊彪和史欣在野外采样过程提供帮助，特此致谢。

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SulfurcontentsinleavesandbranchesofdominantspeciesamongthethreeforesttypesinthePearlRiverDelta

PEI Nancai, CHEN Bufeng*, ZOU Zhijin, PAN Yongjun, XIAO Yihua

ForestEcosystemStationofthePearlRiverDelta,StateForestryAdministration,ResearchInstituteofTropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Guangzhou510520,China

Plants play an important role in reducing the concentrations of sulfur-containing pollutants by means of biological absorption. The present study sampled 32 tree species, and measured the sulfur (S) contents in leaves and branches (in dry weight) of dominant species for three main forest types in the Pearl River Delta, specifically coniferous and broadleaved mixed restoration (CBMR) forest in Longfeng Mountain (5 species), Foshan city; seashore shelter evergreen broadleaved (SSEB) forest of Nansha Forest Plot (11 species) and secondary evergreen broadleaved (SEB) forest (16 species) in Maofeng Mountain, Guangzhou city. Firstly, we compared the S contents in leaves and branches of three main forest types. Our results showed that mean value of S content was (0.24±0.02)% in leaves and (0.14±0.02)% in branches for these tree species; and S content in leaves was significantly higher than that of in branches (P=0.000). A significant interspecific difference (P=0.000) of S content in leaves (and branches) was also detected. Among the three forest types, CBMR forest exhibited the highest S content both in leaves (0.39±0.13)% and branches (0.28±0.09)%, followed by SEB forest ((0.22±0.01)% in leaves, and (0.13±0.01)% in branches), and SSEB forest ((0.22±0.02)% in leaves, and (0.10±0.01)% in branches). Result of a Turkey Post Hoc Test showed that the amount of S elements absorbed by tree organs in CBMR forest was significantly higher than that of in SEB forest and SSEB forest, which was generally consistent with the pattern of atmospheric S-containing pollutants in heterogeneous environment in the Pearl River Delta. Secondly, we attempted to compare the S content between closely related species as well as distantly related species. In closely related species (e.g., four species in Fabaceae, and three species in Lauraceae), S contents in leaves (and branches) exhibited a significant difference respectively. The results suggested that environmental filtering effect, rather than phylogenetic constraint effect, played a more important role in the S-absorption process at the Family level. Finally, we compared the S content in leaves and branches between native species and introduced species. For native and introduced tree species, no significant difference was detected in either leaves or branches, suggesting that local habitat may determine the physiological and ecological behaviors of tree species. In conclusion, the results from three analyses collectively showed that the differences of leaves and branches of dominant species in three main forest types in Guangzhou and Foshan reflected a general status of S pollution in the atmosphere. Our results implied important strategies for urban forest management that top priorities should be given to selection of tree species with higher ability of S-absorption and a combination of native and introduced tree species for urban afforestation.

urban forests; sulphur; absorbing effect; phytoremediation; pearl river delta

国家自然科学基金资助(31200471)；中国林科院热林所基本科研业务费专项资金项目(RITFYWZX201208)；国家“十二五”农村领域科技计划(2011BAD38B0305)

2013- 06- 03;

2013- 07- 23

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zsjcsdwcbf@126.com

10.5846/stxb201306031300

裴男才， 陈步峰， 邹志谨， 潘勇军， 肖以华.珠江三角洲不同污染梯度下森林优势种叶片和枝条S含量比较.生态学报,2013,33(19):6114- 6120.

Pei N C, Chen B F, Zou Z J, Pan Y J, Xiao Y H.Sulfur contents in leaves and branches of dominant species among the three forest types in the Pearl River Delta.Acta Ecologica Sinica,2013,33(19):6114- 6120.