珠江三角洲不同污染梯度下森林優勢種葉片和枝條S含量比較

裴男才， 陳步峰， 鄒志謹， 潘勇軍， 肖以華

(中國林業科學研究院熱帶林業研究所，國家林業局珠江三角洲森林生態系統定位研究站， 廣州 510520)

珠江三角洲不同污染梯度下森林優勢種葉片和枝條S含量比較

裴男才， 陳步峰*， 鄒志謹， 潘勇軍， 肖以華

(中國林業科學研究院熱帶林業研究所，國家林業局珠江三角洲森林生態系統定位研究站， 廣州 510520)

植物的吸儲作用對降低環境中含硫污染物濃度有積極意義。篩選珠江三角洲地區具有不同污染程度的3處森林類型，檢測了32個樹種葉片和枝條中的總S含量(其中廣州市白云區帽峰山次生常綠闊葉林16個樹種，廣州市南沙區海岸防護人工林11個樹種，佛山市順德區龍鳳山人工改造恢復林5個樹種)。結果顯示：該32個物種的葉片和枝條中硫含量平均值分別為(0.24±0.02)%和(0.14±0.02)%，葉片硫含量顯著高于枝條中的(P=0.000)。相同森林類型不同物種間葉片(和枝條)中硫含量呈現顯著差異。帽峰山和南沙森林樣地中優勢種葉片(和枝條)中硫含量近似，分別為(0.22±0.01)%和(0.22±0.02)%(枝條：(0.13±0.01)%和(0.10±0.01)%)；而龍鳳山的最高，葉片和枝條中分別為(0.39±0.13)%和(0.28±0.09)%；多重檢驗結果顯示，在龍鳳山森林類型植物體吸儲硫元素的量，顯著大于帽峰山和南沙森林類型，這與不同森林類型所處空氣環境中S污染物格局較為吻合。在近緣類群中(如豆科、樟科)，葉片(和枝條)中硫含量的差異顯著，暗示近緣植物類群(在科的水平上)在吸儲硫元素方面受系統發育約束作用不明顯。在本土樹種和引進樹種中，葉片(和枝條)中硫含量沒有顯著差異，可能與所處環境的過濾作用相關。廣州和佛山地區各林型的植物體內硫含量存在的差異，基本反映出該兩地區空氣環境中受含硫污染物的影響程度。今后在該地區的造林過程中，應更多考慮應用S污染物吸儲能力較強的樹種，并注重本土樹種和引進樹種的組配，構建適應當地環境條件的森林群落。

城市森林；硫；吸儲效應；植物修復；珠江三角洲

硫在自然界中可以含硫氣體的形式游離于空氣中，也可以硫酸鹽的形式存在于生物體和非生命環境中，是生物體代謝過程必需的一種非金屬元素。國內外諸多研究表明，硫含量超過一定的閾值而成為一種經常性的脅迫(缺乏或過量)時，會對動植物的生理生態過程和人類健康造成較大的負面影響[1- 5]。植物對硫脅迫的反應可體現外部表現上(如葉片功能、形狀、顏色等)，可通過檢測硫在植物組織中含量來了解植物與環境的互動關系。植物組織的S含量與大氣的S污染程度具有一定的關聯性。

植物對S的吸收方式主要有兩類：一是通過葉片組織，將含S氣體予以吸收而儲存于植物體內；二是通過根系組織，將含S離子吸附到植物體內。進入植物體后的S元素參與多項生物代謝活動，而多余的部分將作為儲存物質保留在植物體各器官內[6- 7]。自然界自身存在的含S污染物主要來自火山噴發運動等，人類活動引起的含S污染物主要來自含S燃料的燃燒(包括汽車尾氣排放)、含S礦石冶煉、硫酸生產等[8]。隨著人類活動的加劇，特別是工業革命后，人為引起的含S污染物排放逐漸增多，S污染事件不斷出現(如含S煙霧，酸雨)，且造成的后果還在持續，短期內難以消除，這在一定程度上打破了原有的自然生態系統平衡，已嚴重影響環境質量和人類健康。近幾十年來，各國政府、科技界和產業界已意識到硫污染問題的嚴重性，并陸續開展一些具體措施以達到硫污染物的源頭控制(如淘汰污染重的落后經營方式)、過程優化(如通過技術革新進行減排)和后期管護(如通過造林營林進行生物吸儲)等目標。

樹木具有生物量大、耐受性強、生活周期長等特性，能通過吸儲作用降低環境(特別是城市區域)中S污染物濃度。因此，在深受硫污染物影響的城市區域，森林植物的修復作用對改善當地硫污染狀況效果顯著、意義重大。珠江三角洲地區(簡稱珠三角)經濟總量巨大，工業生產集中，部分區域環境中硫污染較為嚴重[9]，這已對民眾正常生活造成較大影響，迫切需要有效的措施改善遭破壞的環境。作者以廣州和佛山的三處森林為例，了解各木本植物物種葉片和枝條中的硫含量特征，分析硫在各森林類型中的分布格局，為進一步探討城市森林對環境中硫污染物的吸儲效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點和森林類型選取

本研究所選取的3處林分為珠三角地區的代表性森林類型。具體為廣州市白云區的帽峰山次生常綠闊葉林(縮寫為帽峰山；23°16′9″N, 113°22′5″E)，代表著廣州近郊地區的自然植被類型，隨著城市化發展進程加快，此地環境狀況易受人為活動干擾[10]；廣州市南沙區海岸防護人工林(縮寫為南沙；22°38′38″N, 113°38′33″E)，代表著廣州遠郊地區的人工林森林類型，此地森林覆蓋較少，各大交通干道連接著珠三角地區，汽車尾氣排放量較大[11]；佛山市順德區龍鳳山人工改造恢復林(縮寫為龍鳳山；22°49′17″N, 113°13′33″E)，代表著佛山地區的人工恢復森林類型，此地工業化程度較高，環境中硫污染較重[12]。從硫元素在空氣中的聚集程度來看，帽峰山lt;南沙lt;龍鳳山(表1)。

1.2 樣品采集和測定

所選擇的32個物種中，21個為本土物種，11個為引進物種，隸屬于20個種子植物科(表2)。采集樹木的葉片(主要為2年生)和枝條組織；一共采集到32個物種64份樣品，其中帽峰山16個物種32份樣品(每個樣品兩個重復；采于2012年6月)，南沙11個物種22份樣品(每個樣品3個重復；采于2012年5月)，龍鳳山5個物種10份樣品(每個樣品只有1個重復；采于2006年5月，本研究中主要作為較重污染的對照區域)。將植物組織表面清潔干凈，烘箱60℃恒溫烘干后，分別研磨成粉末供測試，并留存部分樣品。

表1 帽峰山、南沙和龍鳳山森林區域SO2濃度(2006和2011年度)

由于2012年南沙萬頃沙監測子站儀器維護中，監測結果不全，因為提取了2011年的SO2濃度監測結果; 國家標準指國家《環境空氣質量標準(GB 3095—1996)修正版》二級標準，適用于居住區、商業交通居民混合區、文化區、一般工業區和農村地區; 數據來源：粵港珠江三角洲區域空氣監控網絡監測結果報告(http://www-app.gdepb.gov.cn/eqpublish/raqi.aspx)

表2 本研究所采集的樹種信息

植物(干燥)組織全硫含量采用HNO3-HClO4消煮，BaSO4比濁測定的方法獲得[13]。實驗測試過程設置了空白對照，并以GBW10015(菠菜)為標準樣品進行全程監控，標準閾值為(0.45±0.04)%。

1.3 數據分析

使用SPSS 11.5軟件計算平均值、標準誤差運算和差異顯著性檢驗(a=0.05或0.01)。作圖在OriginPro 8軟件上完成。

2 結果與分析

2.1 3處森林類型葉片和枝條中硫含量總體比較

本研究中廣州和佛山地區的3處森林共取樣屬于20個科的32個植物物種。測試結果顯示，32個物種的葉片和枝條中硫含量平均值(干重；下同)分別為(0.24±0.02)%(平均值±標準誤差；下同)和(0.14±0.02)%。成對樣本t檢驗(paired samplest-test)結果顯示，葉片中硫含量顯著高于枝條中的。單樣本t檢驗(one-samplet-test)發現32個物種間葉片(和枝條)中硫含量的也呈現出顯著差異(表3)。在32個物種中，葉片和枝條中硫含量最大值均出現在佛山的龍鳳山森林類型，且同為桃金娘科的紅膠木(0.72%和0.49%)。而葉片和枝條中的硫含量最小值，則分別出現在佛山的龍鳳山和帽峰山森林類型，為蕓香科的吳茱萸(0.07%)和樟科的陰香(0.05%)。

在相同森林類型中，各物種間葉片(和枝條)的S含量存在顯著差異，其中佛山龍鳳山森林的樹種在P=0.05的水平上檢測到顯著差異，而南沙和帽峰山森林的各樹種在P=0.001的水平上檢測到顯著差異。

表3 廣州佛山地區3種森林類型優勢種葉片和枝條中硫含量比較

*表示在0.05的水平上檢測到顯著性；***表示在0.001的水平上檢測到顯著性

2.2 不同森林類型葉片和枝條中硫含量比較

圖1 廣州佛山地區3種森林類型優勢種葉片和枝條中全硫含量及多重檢驗Fig.1 Total S content and Turkey Post Hoc Test in leaves and branches of dominant species from the three forest typesLongfeng Mt(龍鳳山)在佛山市，Maofeng Mt(帽峰山)和Nansha Forest Plot(南沙森林樣地)在廣州市；字母a與b表示0.05的顯著水平；A與B表示0.01的顯著水平

3處森林類型中，植物體中硫含量最高的是龍鳳山(物種數N=5)，葉片和枝條中分別為(0.39±0.13)%和(0.28±0.09)%；葉片中。其次是帽峰山(N=16)，葉片和枝條中分別為(0.22±0.01)%和(0.13±0.01)%；最低為南沙森林樣地(N=11)，葉片和枝條中分別為(0.22±0.02)%和(0.10±0.01)%。

多重檢驗(Turkey Post Hoc Test)結果顯示，在龍鳳山森林類型葉片和枝條中，植物體吸儲硫元素的量，均顯著大于帽峰山和南沙森林類型。帽峰山的稍高于南沙的，但差異不顯著(圖1)。

2.3 近緣類群葉片和枝條中硫含量比較

為了探討近緣植物類群是否在吸儲硫元素方面有較近似的能力，本研究篩選物種數≥3的豆科和樟科，并分析了其葉片和枝條中硫含量(表4)。單樣本t檢驗結果顯示，豆科的4個物種和樟科的3個物種，其葉片、枝條中硫含量差異均為顯著，表明親緣關系較近的植物類群(在科的水平上)對硫元素的吸儲效應有較大差異，暗示系統發育約束作用不明顯。成對樣本t檢驗結果顯示，豆科物種葉片中硫含量顯著高于枝條中的；而樟科物種葉片中硫含量稍高于枝條中的，但差異不顯著。

2.4 不同地理來源物種葉片和枝條中硫含量比較

為了探討相同地理來源(相對于中國境內)的植物類群是否在吸儲硫元素方面有較近似的能力，本研究將全部的32個物種劃分本土樹種(21種)和引進樹種(11種)兩類，并在此基礎上分析了其葉片和枝條中硫含量(表5)。單因素方差分析結果顯示，葉片中，本土樹種硫含量低于引進樹種，顯著性檢驗P值為0.053。其中龍鳳山森林類型的兩個樹種紅膠木(0.72%)和米老排(0.63%)，表現出較大的吸儲能力，對當地環境中的有害硫元素有較大的消減和轉化作用。而在枝條中，本土樹種硫含量略低于引進樹種，但差異不顯著。不同地理來源的樹種，在廣州和佛山地區生長一段時間后，對硫元素的吸儲量近似，可能與局部環境的過濾篩選作用有關。

表4 近緣植物類群葉片和枝條中硫含量比較

*表示在0.05的水平上檢測到顯著性；**表示在0.01的水平上檢測到顯著性

表5 本土樹種與引進樹種的葉片(和枝條)中硫含量方差分析

3 結論與討論

植物體中的硫，主要通過葉片吸收空氣中的含硫污染氣體(如SO2，H2S等)，以及通過根系積累土壤和水體中的硫酸鹽離子而來。因此，可充分利用植物的這種特性，對土壤、水體和大氣中過多的硫污染物進行有效的吸收和凈化，被視為一種重要的途徑來修復被污染的環境。植物對硫元素的吸儲作用，在不同空間上、物種間和組織部位上存在顯著差異[14- 17]。

不同污染程度環境下的植物，硫含量存在空間差異。本研究的結果顯示具有較高SO2污染下的佛山龍鳳山森林類型，其植物平均硫含量顯著高于具有較低SO2污染下的廣州帽峰山和南沙森林類型，支持郁夢德[18]，Thomas等[19]的一些研究結論。近些年來，本研究區域內的大型化工生產活動已得到較大幅度減少，所監測到的空氣環境中SO2濃度呈現顯著的下降趨勢(表1)。這種下降趨勢在植物器官中的S含量得到體現：采集于2006年的佛山龍鳳山森林優勢種葉片和枝條，平均S含量較高，而采集于2012年的廣州南沙和帽峰山森林優勢種葉片和枝條，平均S含量較低(圖1)。但是，隨著經濟社會的發展，機動車保有量逐年增加，使用頻率大幅提高，珠三角區域內由汽車尾氣排放引起的含S污染物帶來的空氣質量問題也將日益突顯。由于含S污染物排放方式和集中程度發生改變，需要根據新的形勢，及時采取有效措施(如提高機動車燃油品質、沿公路和重點集散地造林綠化等)予以改善，標本兼治。

不同植物組織部位上，硫含量存在差異。本研究3種林型中，葉片硫含量均高于枝條硫含量，且在廣州帽峰山和南沙森林類型中檢測到顯著差異。植物組織中硫含量(干重)范圍在0.1%—6%之間[20]，實際含量數值與所處環境的污染狀況有關。植物葉片通過吸收空氣中的硫沉降，完成光合作用，多余的部分將保留在葉片組織中，同時也將轉移到枝干甚至根系組織[21- 22]。由于樹木的枝干占據絕大部分生物量，且通常植物組織的年齡越久，其中的硫含量越高[23- 25]，因此能吸儲硫污染物的空間較大，其作用不應被低估[26]。此外，有些植物(如豆科植物三葉草)，當其生長所處的土壤中硫含量缺乏時，會主動吸收空氣中的含硫氣體以予補充代謝循環所需[7]。本研究的結果傾向于支持葉片向其他組織轉移的觀點；由于沒有采集到根系組織，暫時還無法對是否存在從根系往枝干、葉片方向的轉移給出證據，需要進一步的研究。

不同植物種間硫含量存在差異。本研究32個樹種中硫含量變化范圍較大，最高量和最低量的比值達10倍多(葉片：0.07%—0.72%，枝條：0.05%—0.49%)，其中含量超過正常植物標準值(0.45%)的均在佛山龍鳳山森林類型中(如紅膠木葉片和枝條硫含量分別達到0.72%和0.49%；米老排葉片含量也達到0.63%，枝條硫含量0.45%，剛好達到標準值上限)。對深圳不同地點的116種園林植物葉片含硫量的測定結果顯示，葉片含硫量達1.00%的植物有5種，0.50%—1.00%的有12種，其余含量的在正常范圍內，說明該地不同植物對空氣中含硫污染物的吸收能力有差別，具有高硫含量的植物對于改善當地空氣環境有更積極的作用[27]。在加拿大southern Ontario地區，檢測了采集于1968—1977年間的33植物物種(近50000份葉片材料)，發現葉片中硫含量變化幅度為0.13%—1.72%[28]。此外，Willey和Wilkins統計了121個開花被子植物的硫含量相對平均值，結果顯示這些物種的硫含量相對平均值符合正態分布，經過loge轉換后其變化范圍比以往所報道的數值還要大，變幅可達4.66(從橡樹的-3.39，到芹菜的1.27)。方差分析結果表明，不同分類群的硫含量受到顯著的系統發育作用影響，約36%以上的物種間變異與目或者更高的分類階元相關[14]。可見硫含量存在種間差異，環境污染嚴重時會在植物體組織中得到更明顯的體現。本研究在科的水平上未檢測到顯著系統發育約束作用，可能是這種約束作用在S吸儲過程中本身就不顯著，也可能是樣本數量不夠。

由以上分析可知：廣州和佛山地區各林型的植物體內硫含量存在不同程度的差異，基本能反映出該兩地區不同時間段空氣環境中受含硫污染物的影響狀況：佛山地區已遭受較嚴重的污染，需標本兼顧，充分利用物理、化學和生物手段進行修復；廣州地區污染程度稍輕，但也應注意機動車快速增長帶來的大量尾氣排放，需防范于源頭，進行能源結構調整，設法提高城市綠化面積。環境質量好與壞，與當地經濟、社會發展水平，政府決策和居民環保意識緊密相關；在這過程中，科技發揮著杠桿作用。珠江三角洲地區經濟總量大，人口集中程度高，生態環境較脆弱，通過科學的城市規劃，按照適地適樹的造林原則，進行本土樹種和引進樹種的合理搭配，并給予有效的撫育管護，能在一定程度上發揮植物吸儲和修復作用，為區域環境質量改善開一劑“生態處方”。

致謝：中國科學院植物研究所米湘成博士對寫作給予幫助，黃俊彪和史欣在野外采樣過程提供幫助，特此致謝。

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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

國家自然科學基金資助(31200471)；中國林科院熱林所基本科研業務費專項資金項目(RITFYWZX201208)；國家“十二五”農村領域科技計劃(2011BAD38B0305)

2013- 06- 03;

2013- 07- 23

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zsjcsdwcbf@126.com

10.5846/stxb201306031300

裴男才， 陳步峰， 鄒志謹， 潘勇軍， 肖以華.珠江三角洲不同污染梯度下森林優勢種葉片和枝條S含量比較.生態學報,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.