鲁敏王晗李文月吴天缘刘功生

(1.山东建筑大学 风景园林科学研究中心，山东 济南250101；2.山东建筑大学 艺术学院，山东 济南250101)

0 引言

大气污染是人类面临的日益严峻和急需解决的生态环境问题之一，不仅严重威胁人类的生命健康及城市生态系统的平衡，而且已成为人类社会生态安全和可持续发展的主要障碍[1]。 大气复合污染是指多种不同种类的污染同时作用，并对环境造成影响。 与传统单一型污染相比，大气复合污染的控制因素多、范围广、不确定性大，是大气污染防治中的难题[2]。 工业生产过程中排放的硫(S)和铅(Pb)是主要的大气污染物，目前二氧化硫(SO2)-Pb 复合污染已经成为城市环境面临的主要健康安全和生态环境问题[3]。 其中，S 是维持植物生命活动的必需元素，当土壤中S 的质量分数不足时，植物可以吸收空气中的SO2作为补充，适当的SO2能够缓解植物受逆境胁迫的损害，但SO2质量分数过高时，会使叶面气孔关闭，继而影响光合作用和呼吸作用，抑制植株生长发育[4-5]。 Pb 具有毒性大、易累积的特点，会导致土壤污染，不仅影响植物的生长和代谢，而且还通过食物链在生物体内富集，威胁生态安全及人类健康[6-8]。 植物不仅对SO2和Pb 等大气污染物具有很强的吸收降解、固定和转移能力，而且还具有安全、稳定、无二次污染的效果，因此选择应用吸收净化能力强的抗污吸污植物进行生态修复已成为治理大气污染的有效途径和重要手段[9-11]。

植物对污染的抗性是其能否持续稳定发挥抗污吸污能力的基础和前提。 目前，国内外相关研究多集中在植物对大气单一污染的抵抗和吸收净化能力的研究上，对大气复合污染的研究多集中在细颗粒物PM2.5和臭氧O3的复合污染上，而对大气SO2-Pb复合污染的研究则少见报道[12-16]。 在SO2和Pb 复合污染的环境中，污染气体通过叶片表皮上的气孔进入植物体内，其体内的多种酶、非酶物质的活性都会产生一系列的变化，表现为植物对SO2和Pb 污染的抗性响应，研究其抗性响应机制对揭示植物抗污吸污能力有重要意义[1，17]。

法桐(Platanus orientalis)可在炼油厂周围大量栽植并能正常生长，对SO2-Pb 的复合污染有一定抗性。 为此，通过对污染区现场取样，分析法桐叶片相关指标的变化，探索法桐对大气SO2-Pb 复合污染的抗性响应机制，为植物生态修复SO2和Pb 污染提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

法桐，又称“三球悬铃木”，是落叶大乔木。 单叶互生、叶大且叶片三角状，边缘有不规则尖齿和波状齿，其适应环境能力极强，因此又被称为“行道树之王”[18-19]。

1.2 试验方案设计

1.2.1 采样地点概况

炼油厂是以释放大气SO2和Pb 复合污染物为主的重污染企业。 因此研究区域选在济南市东部的济南炼油厂(36°41′24″N，117°10′27″E)周边区域[1]。 研究区域属温带季风气候，季风明显，四季分明，冬冷夏热，雨量集中，年平均气温为13.8 ℃、无霜期为178 d，最高、最低气温分别为42.5 ℃、-19.7 ℃，年平均降水量为685 mm，空气中主要污染物SO2实测质量浓度为95 mg/m3，颗粒物Pb 实测质量浓度为29 mg/m3。 该厂周边行道树以法桐为主，长势较好，林龄为10～20 a。

非污染区选择在距济南炼油厂10 km 处且与炼油厂土质接近，气候及其它自然环境条件相似的济南百合园林集团的苗圃内，空气中SO2实测质量浓度为50 μg/m3， 颗 粒 物Pb 实 测 质 量 浓 度 为0.104 μg/m3，污染物含量较少。 区域内法桐长势良好，植株生长茂盛。

1.2.2 试验设计

选定在夏末秋初的10 月份现场取样，此时期法桐开始落叶，即将进入休眠期，经过长时间的积累，叶片内污染物的积累量最大。 采用3 次重复的随机区组实验设计，在天气晴朗的上午(9:00—11:00)，分别于污染区东、南、西、北4 个方向各设置2 个采样点，每个采样点分别选择树龄相近、健康程度相似、长势良好的有代表性的3 株法桐作为样株，每株在树冠四周及上、中、下各部位选取叶片生长正常的一年生枝条4 枝，剪取后进行离体水培培养，取回到实验室中。 实验时将各采样点叶片混合均匀，先用自来水洗净叶片，再用去离子水冲洗3 遍擦干，然后放入有编号的取样袋并保存于-80 ℃的液氮中备用。

非污染区采样时间、方法及采样点选择、分布与污染区皆相同。

1.3 生理指标测定方法

测定法桐采样叶片内10 项指标，抗坏血酸过氧化物酶活性采用比色法[20]，用X1 表示；过氧化物酶活性采用愈创木酚比色法[21]，用X2 表示；可溶性蛋白质(Soluble Protein， SP)质量分数采用考马斯亮蓝G-250 染色法[22]，用X3 表示；可溶性糖(Soluble Sugar， SS)质量分数采用蒽酮法[23]，用X4 表示；丙二醛质量摩尔浓度采用硫代巴比妥酸(Thiobarbituric Acid， TBA)比色法[24]，用X5 表示；叶液酸碱度采用酸度计法，用X6 表示；叶绿素(Chorophyll， Chl)质量分数采用乙醇丙酮混合液法[25]，用X7 表示；超氧阴离子产生速率采用比色法[26]，用X8 表示；Pb 质量分数采用吸光光度法[27]，用X9 表示；S 质量分数采用乙二胺四乙酸(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid， EDTA)络合滴定法[28]，用X10 表示。

1.4 统计分析方法

运用电子表格软件和统计产品与服务解决方案(Statistical Product and Service Solutions， SPSS)软件进行方差分析、多重比较(最小显著性差异法)、相关性分析和主成分分析[17]。

2 结果与分析

2.1 污染和非污染区法桐叶片指标的变化

3 次重复实验测得不同区域法桐叶片10 项指标的平均值±标准差，结果见表1。

表1 污染和非污染区中法桐叶片指标变化表

对比污染区与非污染区法桐叶片10 项指标可知，受SO2-Pb 复合污染胁迫，污染区法桐叶片中各指标发生不同程度变化，其中非污染区不同方向法桐叶片中抗坏血酸过氧化物酶活性、SS 质量分数、超氧阴离子产生速率和Pb 质量分数较污染区增加，过氧化物酶活性较污染区减少，表明法桐生长环境受到影响。 为研究污染区与非污染不同方向法桐叶片指标的变化差异，对污染区与非污染区法桐叶片测定指标数据进行方差分析，结果见表2。

表2 污染区和非污染区法桐叶片指标方差分析表

对污染区和非污染区法桐叶片内的测定指标进行单因素方差分析可知，除叶液酸碱度外，污染区与非污染区各指标皆存在极显著差异(P≤0.01)，进而对污染区和非污染区的测定指标进行多重比较，分析结果见表3。

表3 污染区和非污染区法桐叶片指标多重比较分析表

由表3 可知，非污染区法桐叶片中的抗坏血酸过氧化物酶活性与污染区南边、西边、北边测定值存在极显著差异，与东边测定值存在显著差异；污染区4 个方向法桐叶片中的抗坏血酸过氧化物酶活性存在显著差异。

非污染区法桐叶片中的过氧化物酶活性与污染区4 个方向的测定值皆存在极显著差异；污染区4个方向间法桐叶片中的过氧化物酶活性存在显著差异。

非污染区与污染区北边法桐叶片中的SP 质量分数存在极显著差异，与西边测定值存在显著差异，与东边和南边的测定值无显著差异；污染区东边法桐叶片中的SP 质量分数与西边和北边的测定值存在极显著差异，与其南边的测定值无显著差异，西边法桐叶片中的SP 质量分数与北边的测定值存在显著差异。

非污染区法桐叶片中的SS 质量分数与污染区东边和南边的测定值存在极显著差异，与西边和北边的测定值存在显著差异；污染区东边法桐叶片中的SS 质量分数与西边和北边的测定值存在极显著差异，与南边的测定值无显著差异，西边法桐叶片中的SS 质量分数与北边的测定值无显著差异。

非污染区法桐叶片中的丙二醛质量摩尔浓度与污染区各方向的测定值皆存在极显著差异；污染区东边法桐叶片中的丙二醛质量摩尔浓度与南边和北边的测定值存在显著差异，与西边的测定值无显著差异，南边法桐叶片中的丙二醛质量摩尔浓度与北边的测定值无显著差异。

非污染区法桐叶片中的叶液酸碱度与污染区各方向的测定值无显著差异。

非污染区法桐叶片中的Chl 质量分数与污染区东边、南边和北边的测定值存在极显著差异，与西边的测定值存在显著差异；污染区东边法桐叶片中的Chl 质量分数与西边和北边的测定值存在极显著差异，与南边的测定值无显著差异，西边法桐叶片中的Chl 质量分数与北边的测定值存在显著差异。

非污染区法桐叶片中的超氧阴离子产生速率与污染区各方向的测定值皆存在极显著差异，且污染区各方向间法桐叶片中的超氧阴离子产生速率也存在极显著差异。

非污染区法桐叶片中Pb 质量分数与污染区各方向的测定值皆存在极显著差异；污染区南边法桐叶片中Pb 质量分数与东边的测定值存在显著差异，与西边和北边的测定值无显著差异。

非污染区法桐叶片中S 质量分数与污染区西边存在极显著差异，与污染区东边、南边和北边的测定值无显著差异。

除叶液酸碱度外，大气SO2和Pb 复合污染对污染区各方向法桐叶片中的各指标产生了影响，且污染区各方向植物生理生化指标之间表现出不同程度的差异，可能与炼油厂周边常年的主导风向有关，而非污染区法桐叶片中S 的质量分数只与污染区西边存在极显著差异，可能是由于适当的S 参与植物代谢过程，促进植物生长发育，缓解Pb 对植物的危害，而过量的S 则对植物产生损害[29-30]。 在长期复合胁迫下，法桐利用自身的生物学特性，通过调节抗氧化酶活性影响SO2吸收等一系列复杂的抗性响应机制，消除SO2对植物的损害[31-32]。

2.2 法桐对大气中SO2和Pb 抗性的相关性分析

根据法桐叶片内所测指标的平均值，利用SPSS Statistics 25 数据分析处理软件计算法桐在大气SO2-Pb复合污染胁迫下各项生理指标的相关系数(见表4)。

表4 大气SO2-Pb 复合污染胁迫下法桐叶片内测定指标的相关系数矩阵表

用r表示相关性系数，当0＜r≤1 时呈正相关； 当-1≤r＜0 时呈负相关；当｜r｜≥0.8 时为高度相关；当0.5≤｜r｜＜0.8 时为中度相关；当0.3≤｜r｜＜0.5 时为低度相关；当｜r｜＜0.3 时，相关性极弱，视为不相关[17]。

2.2.1 植物对SO2的净化能力及生理指标的相关性分析

由表4 得知，法桐叶片中S 质量分数与SS 质量分数(0.061)、抗坏血酸过氧化物酶活性(-0.099)、丙二醛质量摩尔浓度(-0.223)、SP 质量分数(-0.184)、Chl 质量分数(0.294)的相关性系数｜r｜＜0.3，表示S 质量分数与其基本不相关；与超氧阴离子产生速率(-0.438)的相关性系数-1 ≤r＜0 且0.3≤｜r｜＜0.5，表示S 质量分数与其呈低度负相关；与过氧化物酶活性(0.621)和叶液酸碱度(0.574)的相关性系数0＜r≤1 且0.5≤｜r｜＜0.8，表示S 质量分数与其呈中度正相关。 法桐在复合污染胁迫下叶片内的超氧阴离子产生速率显著提高，抑制了过氧化物酶活性，影响植物体的新陈代谢，进而影响法桐叶片对SO2的吸收。

2.2.2 植物对Pb 的净化能力及生理指标的相关性分析

由表4 得知，法桐叶片内Pb 质量分数与SP 质量分数(0.157)和Chl 质量分数(-0.055)的相关性系数｜r｜＜0.3，表示Pb 质量分数与其基本不相关；与抗坏血酸过氧化物酶活性(0.736)和SS 质量分数(0.678)的相关性系数0＜r≤1 且0.5≤｜r｜＜0.8，表示Pb 质量分数与其呈中度正相关；与超氧阴离子产生速率(0.329)的相关性系数0＜r≤1 且0.3≤｜r｜＜0.5，表示Pb 质量分数与其呈低度正相关；与过氧化物酶活性(-0.770)和丙二醛质量摩尔浓度(-0.784)的相关性系数-1≤r＜0 且0.5≤｜r｜＜0.8，表示Pb 质量分数与其呈中度负相关；与叶液酸碱度(-0.369)的相关性系数-1≤r＜0 且0.3≤｜r｜＜0.5，表示Pb 质量分数与其呈低度负相关。 法桐在复合污染胁迫下叶片中的超氧阴离子产生速率显著加快，抑制了过氧化物酶活性，法桐叶片通过抗坏血酸过氧化物酶清除过多的超氧阴离子，增加SS 的量以保护其细胞膜系统，抑制丙二醛的产生，并调节叶液酸碱度，以促进法桐叶片对Pb 的吸收。

2.3 法桐对大气中SO2和Pb 抗性的主成分分析

2.3.1 数据来源

将污染区法桐的10 项指标数据(见表1)作为主成分分析的对象。

2.3.2 结果与分析

(1) 法桐10 项指标主成分识别

表5 为法桐10 项指标主成分贡献率及特征值。主成分F1、F2和F3累计贡献率＞87%，表明其所涵盖的原始指标信息能够充分反映法桐对大气SO2和Pb 复合污染抗性响应机制的绝大部分信息；主成分F1、F2的贡献率皆＞30%，表明其涵盖了较多的抗性响应机制信息；主成分F3涵盖了较少的信息，而主成分F4涵盖了极少的信息。 因此选择主成分F1、F2和F3代表法桐对大气SO2和Pb 复合污染抗性响应机制的重要组合因子。

表5 贡献率及特征值表

(2) 法桐10 项指标主要抗性响应因子识别

主成分荷载矩阵见表6。 由表6 可得主成分F1、F2和F3中每个变量所对应的荷载，荷载表示变量与其主成分间的数量关系，因而主成分F1、F2和F3的荷载关系可由式(1)～(3)表示为

在表6 主成分荷载矩阵中，10 项指标中个别指标主成分荷载系数相差不大，因此通过最大方差法旋转主成分荷载矩阵，使荷载系数向极大和极小转化，从而表现出较大荷载的变量个数减少的结果，有利于阐释法桐的抗性响应机制。

依据10 项指标对主成分的贡献率，法桐对大气SO2和Pb 复合污染抗性响应的重要指标为主成分中荷载绝对值超过0.7 的。 由表6 可知，主成分F1中抗坏血酸过氧化物酶活性(0.848)、SS 质量分数(0.708)、丙二醛质量摩尔浓度(0.955)和Pb 质量分数(0.901)的绝对值均＞0.7，荷载较高；主成分F2中SP 质量分数(0.980)和Chl 质量分数(0.985)的绝对值均＞0.7，荷载较高；主成分F3中叶液酸碱度(0.911)和S 质量分数(0.820)的绝对值均＞0.7，荷载较高。

表6 主成分荷载与旋转后主成分荷载矩阵表

表7 为法桐生理生化指标的主成分得分系数，由表7 可计算出主成分得分FAC，由式(4)～(7)表示为

表7 主成分得分系数表

式中FAC1 为第一主成分F1的主成分得分，FAC2 为第二主成分F2的主成分得分，FAC3 为第三主成分F3的主成分得分。

由式7 计算出主成分得分为101.60，其反映了法桐对SO2-Pb 复合污染的抗性能力。 因此，根据法桐在污染区内较正常的长势表现，可以将主成分得分为101.60 作为相似污染地区相同指标植物抗性能力的评定参考值，主成分得分＞101.60的植物，表示其对大气SO2和Pb 复合污染的抗性能力较强；反之则抗性能力较弱。 在SO2和Pb 复合污染较重的工业地区，可据此参考值进行植物筛选和引种及改善环境，选栽对SO2-Pb 复合污染的抗性强的植物种类。

依据方差分析、多重比较分析、相关性分析与主成分分析可知，适当的S 可缓解Pb 对法桐的损害，S 过量则对植物产生了损害，在对大气SO2和Pb 复合污染的吸收净化过程中，法桐通过生成更多的SS，调节叶液酸碱度，激活抗坏血酸过氧化物酶活性以清除体内的活性氧，减少丙二醛的产生，维持正常的生命活动以保持对SO2和Pb 复合污染较强的抗性。

3 结论

通过上述研究可知:

(1) 非污染区不同方向的法桐叶片指标差异水平各不相同。 SO2和Pb 复合污染对法桐叶片产生影响，法桐体内适当的S 缓解了Pb 的胁迫，过量的S 损害植物，长期胁迫下，法桐通过调节抗氧化酶活性影响SO2吸收等一系列抗性响应机制消除其对植物的损害。

(2) 法桐叶片中S 质量分数与SS 质量分数、抗坏血酸过氧化物酶活性、丙二醛质量摩尔浓度、SP质量分数、Chl 质量分数基本不相关；与超氧阴离子产生速率呈低度负相关；与过氧化物酶活性和叶液酸碱度呈中度正相关；Pb 质量分数与SP 质量分数和Chl 质量分数基本不相关；与抗坏血酸过氧化物酶活性和SS 质量分数呈中度正相关；与超氧阴离子产生速率呈低度正相关；与过氧化物酶活性和丙二醛质量摩尔浓度呈中度负相关；与叶液酸碱度呈低度负相关。 法桐通过自身的抗逆调节，生成更多的SS，调节叶液酸碱度，激活抗坏血酸过氧化物酶活性以清除体内的活性氧，减少丙二醛的产生，维持正常的生命活动以促进植物对SO2和Pb 的吸收。

(3) 抗坏血酸过氧化物酶、SS、丙二醛、Pb、SP、Chl、叶液酸碱度和S 是法桐对大气SO2和Pb 复合污染抗性响应的重要指标。 计算出的法桐主成分得分为101.60，其可以作为相似污染地区植物抗性能力相同指标的评定参考值，主成分得分＞101.60 的植物，其抗性能力较强；反之则抗性能力较弱。