北京市交通污染區(qū)土壤-植物硫含量季節(jié)分布特征

吳 昊， 王 韜

(1.河北旅游職業(yè)學院，河北承德 067000； 2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100089)

生物體新陳代謝過程中需要的元素具有多樣性，硫作為一種非金屬元素，存在的形式具有多樣化，一方面能夠以含硫的氣體形式存在于自然界中，可以在空氣中飄散；另一方面，能夠以硫酸鹽的形式影響生物體的代謝過程，同時也能夠在非生命環(huán)境中存在[1-2]。國內(nèi)外學者通過研究發(fā)現(xiàn)，無論是人體還是動植物，體內(nèi)的硫含量既不能過多也不能過度缺乏，否則將會影響動植物的生長發(fā)育，不利于人體健康[3-4]。植物對硫的反應較為明顯，硫含量的高低能夠直接在葉片顏色及形狀等方面表現(xiàn)出來，因此，常常利用植物中硫含量檢測來了解植物對環(huán)境的反應[5-6]。

大氣中的硫污染將對植物組織的硫含量產(chǎn)生最直接的影響，這也是植物體內(nèi)硫含量過高的最主要原因之一。硫一般通過2種方式進入植物體內(nèi)：(1)葉片組織在吸收空氣氣體時將其中的硫吸入，進而在植物體內(nèi)積累；(2)植物根系在養(yǎng)分吸收時不可避免地將硫離子吸入，進而積累在了植物體內(nèi)。一部分硫含量參與其新陳代謝，而其余的硫含量將以儲存物質(zhì)的形式停留在植物體內(nèi)的多個器官[7]。硫的產(chǎn)生一般有2種途徑：一是自然界自身發(fā)展過程中產(chǎn)生的硫，如火山噴發(fā)導致大量的含硫物產(chǎn)生，二是人類大自然開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的大量硫污染，這是硫產(chǎn)生的最主要途徑，也是造成硫含量超標的最主要原因，人們在開礦提煉、制造硫酸過程中造成了大量的硫氣體產(chǎn)生，另外，在經(jīng)濟社會生活中使用含硫燃料等導致硫產(chǎn)生，現(xiàn)在常見的汽車尾氣中也產(chǎn)生了較多的硫含量[8-9]。隨著工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，人為經(jīng)濟活動及社會生活大大加劇了硫污染，雖然煤炭這種高硫產(chǎn)物的能源使用量在急劇減少，但是諸如汽車尾氣排放等污染導致硫含量依然遠超過空氣的正常硫含量，空氣硫污染依然在困擾著人們，酸雨以及冬季的霧霾等都在困擾著社會生活，短期內(nèi)來說，硫污染將難以消除，影響著動植物的生長，對人體呼吸系統(tǒng)帶來較大危害[5，10-11]。近年來，隨著環(huán)境保護的日益重視，硫污染越來越得到政府和市民的重視，不僅政府在優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)，企業(yè)也在不斷改進能源使用效率，這些舉措將大大有利于硫污染的降低。

城市綠植一般具有較強的耐受性，對當?shù)氐沫h(huán)境適應性強、存活能力強，不僅有利于吸附空氣中的可懸浮顆粒及粉塵等，還有利于將空氣中的一定硫氣體進行吸收，從而降低硫污染，改善空氣質(zhì)量，對空氣溫度及濕度起著一定的調(diào)節(jié)作用[12]。另外，城市綠植能夠通過葉片等對硫含量產(chǎn)生一定的外在表現(xiàn)，因而要注重利用城市綠植的硫含量測定來了解城市綠植與硫污染間的關(guān)系[13-14]。城鎮(zhèn)化不斷發(fā)展，城市面積不斷擴大甚至占據(jù)了大量的耕地，在寸土寸金的城市，綠植作為城市綠化的重要組成部分，不僅能夠增加城市美感，更能發(fā)揮凈化空氣的效益，綠植在光合作用的過程中將二氧化碳、硫等吸入葉片組織內(nèi)，并將氧氣等釋放[15]。在當前汽車尾氣排放污染日益廣泛的情況下，利用城市綠植來降低空氣污染具有重要的現(xiàn)實意義[16]。作為首都的北京，同樣存在著部分區(qū)域空氣污染較為嚴重的問題，尤其是北京汽車尾氣排放量大，部分區(qū)域空氣中的硫含量明顯超標，已經(jīng)影響到居民的生活。為了更好地探討城市綠植與硫含量之間的關(guān)系，本試驗選取了15種城市綠植來研究如何降低空氣中硫含量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗選擇首都北京，橫跨160 km，海拔最低處在10 m以下，高處達到1 000 m左右，因地理位置影響而屬于溫帶半干旱季風氣候[17-18]，呈現(xiàn)典型的四季分明，且具有時間并不短的無霜期。近年來，平均氣溫10 ℃左右，高寒山區(qū)氣溫較低，最高氣溫在7—8月，高溫近40 ℃，呈現(xiàn)典型的夏季炎熱多雨，全年近七成的降雨集中在7—9月，年均降水量 600 mm；冬季明顯干燥寒冷，受西北疾風影響會出現(xiàn)風沙天氣。以褐土、潮土為主要的土壤。

1.2 材料及方法

試驗時間選擇在2016年的3、6、9、11月4個月，研究對象為喬木(小葉樟Deyeuxiaangustifolia、云杉Piceaasperata、杜仲Eucommiaulmoides、旱柳Salizmatsudana、鵝掌楸Liriodendronchinense)、灌木(海棠Malusspectabilis、紫荊Cercischinensis、玉蘭Magnoliadenudata、紫葉小檗Berberisthunbergiicvatropurpurea、石楠Photiniaserrulata)及草本(堇菜Violaverecunda、鳶尾Iristectorum、車前草Plantagodepressa、矮牽牛Petuniahybrida、金盞菊Calendulaofficinalis)等15個物種，樣品的采集分別選擇在18條城市道路交通污染區(qū)綠化路段，樹齡基本一致，而且綠植生長的土壤類型及光照等外在生長條件基本一致，這樣能夠增強研究的準確性。將不同路段的同一樹種中的10株植物隨機選擇出來，并將其葉片、葉鞘、莖及根分別進行采樣，并進行土壤采樣。然后從所選植物中選擇成熟葉片3～5張，每株植物剪下5個枝條，要求枝條具有10～30張葉片，選擇的同種植物具有相同的高度，然后將其從地面剪下帶回實驗室，進行各部分分類，并將枝干等附生有機物去除，后裝入塑料袋。首先對葉片進行洗凈，擦干，葉片及樹皮樣品均利用 60 ℃ 的鼓風干燥器烘干處理，最后經(jīng)過仔細的研磨處理用廣口瓶收納以備檢測。地下根通過挖掘法，挖掘深度達到 50 cm，將根全部挖出，3次重復，將根系清洗干凈后分為死根和活根，分別烘干研磨后待測。

采集土壤樣品，采集時要求每隔10 cm進行1次分層并取樣，取樣土壤的深度達到40 cm，表層土壤采取挖掘方式采樣，其他各層則在小范圍內(nèi)通過NZ型泥炭鉆進行采樣，從而降低因空間不同而影響試驗的準確性。

樣品的封裝利用自封袋進行，并加強防污染，這樣才能保障測量的準確性。同時，均勻混合在每個點采集的3個樣品，經(jīng)過混合后將形成新的樣品；采集的土樣經(jīng)過風干處理，待自然風干后去除雜物，經(jīng)過仔細研磨后過100目篩，以待后續(xù)測定。具體測定方法見表1。

表1 測定項目及測定方法

1.3 數(shù)據(jù)處理

將相關(guān)數(shù)據(jù)測定后，采用Excel 2010進行統(tǒng)計整理，對方差分析及相應的統(tǒng)計檢驗利用SPSS 18.0軟件進行，并進行LSD多重比較，通過單因素方差分析對研究數(shù)據(jù)差異顯著性進行對比分析[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物不同器官中硫素的分布

植物各器官不僅對不同元素具有選擇吸收性，即使對同種元素也具有不同的累積能力。對比不同植物體不同器官中硫素濃度發(fā)現(xiàn)，硫的平均含量在不同器官中存在差異，其中根的平均含量最高，其次是葉，再者是鞘和莖(圖1)。其中，不同器官硫含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本，喬木顯著高于灌木和草本，灌木和草本差異不顯著。植物不同器官硫含量的差異是由相應器官的結(jié)構(gòu)和功能決定的。根是主要的供硫器官，植物地上部分的硫素都來源于根，根需要富集大量的硫素才能滿足植物生長的需要，因此，根中硫含量最高(圖1-A)。葉是小葉樟植物生長過程中最幼嫩的器官，是新陳代謝最旺盛的部位，硫優(yōu)先分配給植物最幼嫩的部位。小葉樟是多年生木本植物，其鞘和莖也能進行光合作用，故鞘和莖中的硫含量也較高。總之，植物不同器官硫含量的分布與其功能是一致的。

2.2 植物不同器官中硫含量季節(jié)變化

在生長季內(nèi)，小葉樟植物體各器官因生長階段和自身組織結(jié)構(gòu)的不同，其總硫含量均有著明顯的季節(jié)變化。從表2可以看出，總體上莖、葉和鞘各器官中硫含量呈波動性變化，但總體上呈先增加后降低的趨勢，夏季各植物不同器官總硫含量最高，之后隨時間的推移雖有一定波動，但整體單調(diào)下降，在冬季和春季較低，地上部各器官中總硫含量所表現(xiàn)出的波動可能與各器官生物量增加而表現(xiàn)出的“稀釋效應”有關(guān)。若以總硫含量表示植物體地上部各器官的硫素利用狀況，則硫素含量越高，利用率越低，不同器官的硫素利用率表現(xiàn)為莖>鞘>葉，這也從側(cè)面反映了硫素在葉和鞘中含量高。不同季節(jié)各器官硫含量均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本。根中總硫的變化與地上部各器官總硫的變化不同。根中總硫含量在生長季內(nèi)表現(xiàn)為先增加后迅速減小趨勢。夏季根中總硫的含量

表2 不同植物不同器官中硫含量在不同季節(jié)中的變化

迅速增加，達到峰值，地上部各器官對各營養(yǎng)元素的需求量很大，根作為營養(yǎng)元素的輸出庫，必須在生長高峰到來前蓄積足夠的營養(yǎng)以滿足植物此間生長發(fā)育的需要，由此導致根中總硫含量在夏季最大。秋季以后，植物地上部分需要從根部轉(zhuǎn)移大量的營養(yǎng)元素來滿足生長需要，從而導致根中總硫含量逐漸下降，之后，地上部各器官漸趨衰老，作為多年生植物，根需要積累大量的營養(yǎng)元素以供冬季呼吸消耗，因此地上部各器官的營養(yǎng)元素開始向地下轉(zhuǎn)移，從而導致根中總硫含量再次迅速增加。根中硫素含量波動較大，說明根是硫素的重要“集散庫”，它對于地上部硫素供給有著重要意義。

2.3 土壤中總硫和有效硫的剖面分布

從表3可以看出，對于喬木而言，土壤全硫平均含量在土壤剖面上從上到下依次為1 152、823、321、305 mg/kg，呈明顯的分層性，即隨著剖面的加深，總硫含量逐漸降低；土壤有效硫呈逐漸降低趨勢，變化范圍在35.1～95.6 mg/kg。對于灌木而言，土壤全硫平均含量在土壤剖面上從上到下依次為 1 029、756、302、301 mg/kg，呈明顯的分層性，即隨著剖面的加深，總硫含量逐漸降低；土壤有效硫呈逐漸降低趨勢，變化范圍在32.7～92.3 mg/kg。對于草本而言，土壤全硫平均含量在土壤剖面上從上到下依次為987、623、265、258 mg/kg，呈明顯的分層性，即隨著剖面的加深，總硫含量逐漸降低；土壤有效硫呈逐漸降低趨勢，變化范圍在31.0～85.3 mg/kg。相同土層，土壤全硫和有效硫均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本。

表3 土壤中總硫和有效硫的剖面分布特征

2.4 不同深度土壤中總硫和有效硫的季節(jié)變化

從表4可以看出，對喬木來說，各層次土壤總硫和有效硫呈一致的季節(jié)性變化規(guī)律，在夏季達到最大，之后有所降低；在垂直分布上，隨著土層深度的增加逐漸減少，在>30～40 cm 土層最小。對于灌木來說，各層次土壤總硫和有效硫呈一致的季節(jié)性變化規(guī)律，在夏季達到最大，之后有所降低；在垂直分布上，隨著土層深度的增加逐漸減少，在>30～40 cm 土層最小。對于草本來說，各層次土壤總硫和有效硫呈一致的季節(jié)性變化規(guī)律，在夏季達到最大，之后有所降低；在垂直分布上，隨著土層深度的增加逐漸減少，在>30～40 cm 土層最小。相同季節(jié)均表現(xiàn)為喬木>灌木>草本。

表4 不同植物不同深度土壤中總硫和有效硫的季節(jié)變化動態(tài)

2.5 土壤總硫含量分布與土壤理化因子的關(guān)系

土壤保持硫元素的能力主要取決于土壤的理化性質(zhì)。從表5可以看出，根硫與有機碳、全氮、全鉀含量呈極顯著正相關(guān)，與有效氮、有效磷呈顯著正相關(guān)，與鹽度呈顯著負相關(guān)；莖硫與全氮呈顯著正相關(guān)；鞘硫與全磷、有效磷呈顯著正相關(guān)；葉硫與有機碳、全鉀呈顯著正相關(guān)；土壤全硫與有機碳、全氮、全鉀、有效磷呈極顯著正相關(guān)，與有效氮呈顯著正相關(guān)，與鹽度呈極顯著負相關(guān)；土壤有效硫與有機碳、全氮、全鉀、有效氮、有效磷呈極顯著正相關(guān)，與鹽度呈顯著負相關(guān)。

表5 土壤中總硫和有效硫含量與土壤理化因子的關(guān)系

注：“**”表示相關(guān)性在0.01水平上顯著，“*”表示相關(guān)性在0.05水平上顯著。

2.6 植物-土壤硫含量的主成分分析

本研究中主成分分析以土壤和植被硫含量作為原變量，通過計算變量方差和協(xié)方差矩陣的特征量，將多個變量通過降維對硫含量信息進行集中和提取，識別出起主導作用的土壤或植被硫含量。從表6可以看出，第1、第2主成分特征值占總方差的比例已經(jīng)大于94%，即前2個主成分對13個監(jiān)測指標所涵蓋的大部分信息進行了概括，其中，第1主成分攜帶的信息最多，達到79%以上，第1、第2主成分的累計貢獻率達到92.405%，而主成分3、4對總方差的貢獻很小，因此，選取前2個因子作為主成分。從表7可以看出，土壤-植被硫含量對應于2個主成分的荷載值，反映了主成分與變量的相關(guān)系數(shù)，載荷值大的即可認為是重要因子。第1主成分對原始變量的解釋貢獻了總方差的81.280%，負荷值最高的幾個指標分別為土壤有機碳和全氮(分別為0.856、0.791，以絕對值>0.7判定負荷值較高)，表明土壤有機碳和全氮是影響土壤-植被硫含量的主要因子。

表6 觀測指標總方差分解

表7 主成分載荷矩陣

3 討論與結(jié)論

試驗結(jié)果，土壤有機質(zhì)的垂直分布對土壤中硫的垂直分布形成明顯的制約關(guān)系，且存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明土壤中硫成分分布與有機質(zhì)關(guān)系密切。從地表至20 cm深的土壤層而言，土壤的平均硫含量超過了700 mg/kg。土壤中的有效硫含量隨著土壤剖面的變淺而增加，這種分布變化趨勢與土壤總硫含量的垂直分布基本吻合。有效硫含量在土壤吸附性及枯枝落葉、淋溶等影響下出現(xiàn)很大的分布差異[20-21]。有機質(zhì)含量與土壤剖面深度呈負向的變化趨勢，剖面越深有機質(zhì)含量越少，而與之相對應的是不斷減弱的SO42-吸附能力，此外隨著剖面的加深土壤質(zhì)地也更加黏重緊實，淋溶作用降低導致離子遷移能力顯著下降，這樣在土壤深度不斷加大的情況下有效硫含量在減低，另外，枯枝落葉等腐殖質(zhì)也是形成SO42-的一個有效途徑之一，但其一般集中于土壤表層，因而會在土壤上層形成較高含量的有效硫[20-21]。

在植物的生長季節(jié)內(nèi)，土壤層次不同其硫的分布也具有明顯的差異，但總體來說，明顯出現(xiàn)了先降后升再降的變化趨勢，植物根系主要集中在地表至地下10 cm的深度，植物生長對該層土壤硫含量產(chǎn)生的影響最大，導致其土壤硫含量與根中硫的變化明顯相反。植物最旺盛的生長季節(jié)當屬于夏季，在此生長季節(jié)大量的土壤養(yǎng)分被根系吸收利用，只有這樣才能促進植物的不斷生長發(fā)育，在此期間根系不僅養(yǎng)分的吸收量加大，同時還進行了相應的能量儲存，這樣根系中的硫含量也會相應增加，直接造成土壤中部分硫轉(zhuǎn)換為根系硫含量，最終導致土壤中硫含量顯著下降[22-23]。此外，微生物也在夏季表現(xiàn)出更高的活性，這樣能夠加速其對植物殘體的分解，導致土壤中相關(guān)營養(yǎng)元素含量增加，土壤硫含量也相應增加。秋季因降雨較多而形成明顯的地表積水，淋溶作用能夠加速土壤表層硫的損失，從而將地表硫含量轉(zhuǎn)向地下。土壤總硫含量在冬季出現(xiàn)了明顯的低谷，因為冬季植物生長顯著減緩，但是根系會進行大量的養(yǎng)分儲存以滿足植物冬季的基本生存需要，這樣土壤中的硫被根系隨著營養(yǎng)的吸收而轉(zhuǎn)換至根系，導致土壤中硫含量顯著降低。除了土壤母質(zhì)的影響外，人類對土地的開發(fā)及植被的降解等都會對硫的分異帶來重要影響，植被通過對土壤鹽度的影響來對硫關(guān)鍵因子產(chǎn)生作用[22-23]。不僅土壤有機質(zhì)的分布直接影響硫含量，土壤中氮含量也對硫的分布具有明顯的影響，一般而言土壤硫含量與有機質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，硫元素能夠通過FeS2的形式進行積累，植物枯落物的分解以及根系的吸收遷移等都能顯著影響土壤硫的分布及其含量。

植物體中硫的來源一般有2種途徑：一是植物葉片在吸收空氣時將其中的硫吸入，二是根系在進行土壤養(yǎng)分吸收時將其中的硫成分吸入，因此，可以通過這2種途徑來利用植物加強對硫的降低，改善環(huán)境質(zhì)量，減輕硫污染[11]。通過研究發(fā)現(xiàn)，植物對硫元素的作用會因空間、物種及組織部分的不同而出現(xiàn)較明顯的差異，硫含量(干質(zhì)量)在植物組織中達到近6%，并受到環(huán)境污染狀況的影響。植物葉片在進行光合作用的過程中對空氣中沉降的硫進行吸收，一部分硫被消耗掉，另一部分則留在植物體內(nèi)。植物多數(shù)的生物量集中在枝干部分，且植物生長時間越長，其中的硫含量相對越高，因此也就意味著更大的硫儲存空間，在降低硫污染時這一點不容忽視[24]。雖然煤炭等高硫污染的能源在逐漸淘汰，但是汽車尾氣等帶來的硫污染依然不容忽視，要充分利用綠植來降低空氣中的硫含量。

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