全 文 ：热带亚热带植物学报 2003，l1(4)：372—378
Journal of Tmpir(d and Subtropic(d Botan
大气 SO2、氟化物对植物生理生态指标的影响
胡羡聪 张德强 孔国辉 郁梦德 褚国伟 薛克娜 2 吴芝扬2
(1．中国科学院华南植物研究所， 广‘东 广州 510650；2．佛【lI市林业科学研究所，广东 佛山 528222)
摘要：运用多元回归分析方法研究不 同污染区生长的植物叶片的生理生态指标的变化与大气硫酸盐化速率及氟化物
浓度的关系。结果表明，植物的叶面积 (LA)、叶绿素总量 (Ch1)、细胞液 pH值(pH)和细胞质膜透性 (CML电导率 )
等生理生态指标的变化幅度与大气污染物含量呈显著相关。与大气硫酸盐化速率关系式为：ys 0．034Xu一0．011
+0．O17X Ⅳ+40．0003Xc +0．034(r=O．99，p
大气硫氧化物、氟化物的污染状况 ，与大气监测结果有很高的一致性，并且与实际环境污染状况相符。
关键词：生物监测；生理生态指标 ；大气污染；硫酸盐化速率；氟化物
中图分类号：X835 文献标识码：A 文章编号：1005—3395(2003)04—0372—07
The Efects of SO2 and Fluoride on Physio-ecological Changes
in Plant Leaves
HU Xian—tong ZHANG De—qiang KONG Guo—hui YU Meng—de
CHU Guo—wei XUE Ke—ila WU Zhi-yang
(1．South China[r~titme of Botany，the Chinese Academy of Scie~ce$，Guaagzhou 5|0650，China；
2．Foshan In stitute of Forest Science，Foshan 528222，China)
Abstracts： Multiple regression analysis was used for the investigation of the influence of air polutants(sulfate
and fluorides) on the changes in physio—ecological characteristics in the leaves of 48 plant species distributed at 8
site in Foshan city and one site in Dinghushan Nature Reserve as contro1． The results showed that the changes in
leaf area(LA)，total chlorophyl contents(Ch1)，cel liquid pH values(pH)and cel membrane leakage(CML)
(electronic conductance) exhibited significant corelation with polutant contents in leaves． Linear regression
equation between physio—ecological changes and pollutant content in the air was Ys = 0．034X 一0．0 l lX +
0．0 1 7Xp +40．0003XcML+0．034(r=0．99，p<0．00 1)for sulfation rate，and was YF=0．362 +0．329Xod+0．8 14 +
0．024Xc~一4．596 (r==0．95， p<0．03)for fluorides． The application of physio—ecological changes in plants as
biological monitoring indicatoss of air polution was consistent with actual environment condition．
Key words：Biomonitoring；Physio—ecological indicators；Air pollution；Sulfation rate；Fluoride
生长在污染环境里的植物，对大气污染 的反应
是多方面的，有对污染物累积性吸收，有外部形态
的伤害，也有生理生态指标的变化。然而，目前的研
究大多局限在某一指标的变化 ，很少综合起来考
虑。由于地理、气象等环境因素的复杂性，单一指标
很难全面反映植物对大气污染反应的所有信息。只
有进行多指标的综合研究，才能做 出全面而正确的
评价。本文利用生长在不同污染区的植物作为研究
收 稿 日期：2003-07-08 接 受 日期 ：2003—08—28
基金项 目：佛山市科学技术局科技发展专项资金 (0102007A)；广东省环保科技研究开发项 目(粤环 1998—09)及 CERN鼎湖 山森林生
态系统定位研究 站联合资助。
通讯作者：Coresponding author
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第 4期 胡羡聪等：大气 SO 、氟化物对植物生理生态指标的影响 373
对象，选取叶面积、叶片叶绿素含量、叶片细胞浸提
液 pH值及叶片细胞质膜透性 (电导率 )作为指标，
与清洁区植物进行对 比研究，探讨植物对大气污染
的响应规律 。同时结合大气硫酸盐化速率 (主要是
SO 、硫酸雾等硫氧化物)、氟化物 (主要是气态 HF
及其酸雾等 )等监测资料，对不 同污染区大气硫氧
化物、氟化物的污染状况进行评价 。
1研究地点概况
研究地点是地处珠江三角洲腹地 的佛 山市城
区，东距广州近 30 km，水陆交通发达 ，历来是广东
省乃至华南地区的工业和商业重镇 。改革开放 以
来 ，社会经济得到了高速发展 ，城市化程度接近
50％。二十世纪九十年代 以来，进一步调整工业结
构，在发挥传统优势工业 的同时大力发展建材工
业，取得巨大的经济效益。但不容置疑的是在取得
巨大经济效益的同时却付出了沉重的环境代价，尤
其是陶瓷工业三废 (废气、废渣、废水 )的污染 ，使
汾江河水的污染到了无以复加的地步，市委市政府
不得不下决心计划在未来五年投入 40亿元巨资整
治汾江河。大气环境不断恶化，市区酸雨的发生频
率高达 86％。进行植物对大气污染的响应研究并对
佛 山市大气环境质量进行评价，有助于全面 了解佛
山市的大气环境质量状况，为广东省第三大城市一
佛 山市的环境规划 、城市工业布局和城市林业的优
化配置提供科学的决策依据。
2研究方法
2．1样地设置
针对佛山市工业布局、污染源的种类分布 ，着
重对城区的大气 SO 和氟化物 的污染水平进行调
查和监测 。监测样点基于污染源 的种类分布特 点，
同时也考虑风 向等气象因素，具体设置如下 ：城区
的有佛 山化纤厂 (HQC北面)、古灶小学 (GUZ西
南面)、石湾大帽岗 (DMG南面)、石湾公园(SW 南
面)，深村小学 (SC东面 )，雾庄 (wz南面)，南海
区有西樵 山(XQS)，佛 山市林 科所 (LKS)森林 公
园，清洁区则设在鼎湖山国家 自然保护区(DHS)。部
分样点分布见图 1。
2．2试验设计 与材料选择
2000年 1 1月 25日-2001年 1月 10日分别在
上述地点，采用静态取样法进行大气环境质量的连
续监测，其中 2000年 12月 21日和 2001年 1月 10
图 1部分采样点分布示意图
Fig．1 Sampling sites in Foshan city
● 采样地点 Sampling sites
日各取样一次。监测大气硫酸盐化速率和氟化物含
量。2001年 1月对上述样地的植物生长状况进行调
查，同时采集植物成熟叶片，5-8~C保存。每个样点选
取 5—10个种，每个样点选取的种类不一定相同，但
所选 的植物均可以在对照点鼎湖 山自然保护区找
到相同种类 (表 1)。所采样品的生理生态指标测定
当天处理或测试完毕，测定项 目包括叶面积、叶绿
素 a、b含量、细胞浸提液 pH值和膜透性 (电导率)
等 。由于选取的指标是多个树种测定结果的平均
值，比单一树种更具代表性。
2．3 测定方法
大气硫酸盐化速率 静态碱片法取样，硫酸
钡比浊测定【5 ]。
大气氟化物 静态取样，石灰滤纸一氟离子
选择电极法测定【6】。
植物叶片细胞质膜透性 (电导率 ) 用水洗
净叶片，擦干后，以口径面积为 1 cm 打孔器钻取
30个园片，放入 50 ml烧杯中，加去离子水 20 m1搅
拌，25℃恒温 2．5 h，用江苏 电分析仪器 厂生产 的
DDS一1 1D型数字式电导仪测定。
叶绿素 同上方法钻取 15个园片，称重后
剪为两半，置于有刻度 的磨 口塞试管 中，加 80％丙
酮液，定容 l0 ml，用黑布盖好并放置冰箱 内，每天
取出振动，待叶片全变 白色后进行比色测定；
叶片浸出液 pH值 同上方法钻取 30片园
片，放于 50 ml烧杯中，加去离子水 20 ml，搅拌，在
25℃中恒温 2．5 h，用 pH汁测定。
叶面积测定方法 随机取成熟叶片 30—50
片，取样量根据植物叶片面积大小而定，叶片大的，
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374 热带 亚热带植物 学报 第 11卷
相对变异小，取样少些；叶片小的，相对变异大 ，取
样多些，用水洗净叶片，擦干后用美国 LI-3000面积
仪测定。
2．4 数据处理
数据的回归分析工作在 Microsoft Excel数据
分析软件工具包里进行，这个工具包可以从 Ofice
裹 1各试验点调查取样的檀物种类
Table l Species sampled at diferent sites
种类
Species
取样地点 Sampling sites
生活型 石湾 深村 古灶 雾庄 西樵山 化纤厂 林科所 大帽 冈 鼎湖 山
Lifeform SW SC GUZ WZ XQS HQC U【S DMG DHS
鸭脚木 Scheflera octophyla
幌伞枫 lteteropatu~fragrans
亮叶冬青 llex viridis
铁冬青 rotunda
大叶紫薇 Lagerstroemia speciosa
宽夹合欢A lbizzia lebbeck
银柴Aporosa chinen~is
土密树 Bridelia tomentosa
糖胶树 A lstonia scholaris
人心果 Manilknr0 zapota
光叶山矾 Syplo~o,lancifolia
油茶 Camelia oleifera
山茶花 C japonica
荷木 Schima superba
大头茶 Gordonia axilaris
红花油茶 Camelia semi~errata
珊瑚树 Viburnum odoratissimum
金银花 Lonicera japonica
白兰 Michelia olba
扭肚藤 Jasminum amplexicaule
山指甲 Ligu~trum $irgerg$e
鹅掌藤 Stauntonia chinen~is
尖叶杜英 Elaeocarpus apiculatus
日本杜英 E japonicus
红车 Syzygium rehderianum
小叶榕 Ficus microcarpa
垂枝榕 be面∞“∞
高山榕 E ahi．~sima
印度榕 elastica
傅园榕 Ficus microcarpa vat．fuyuenssi~
非洲楝 Kh~ya senegder~is
山黄麻 Trema orientalis
假柿叶木姜子 Litsea monopetala
樟树 Cinnamomum camphora
阴香 C burmo~i
华润楠 Machilus chinen~is
海桐花 Pittosporum tobira
扁桃 Mang~fera persic扣rrn
芒果 indica
猫尾木 Dolichandrone cauda-felina
吊瓜树 lia ∞n
朱砂根 Ardisia crenola
格木 Erythrophloeum fordi
春花R， 叩 f^o |D indica
腺叶野樱 Prunus phaeosticta
多花山竹子 Garcinia mo．1to~ora
灰莉 Fagraea ceilanica
山牡荆 Vitex quinata
+：采样种类 Sampling species；T：乔木 Tree；S：灌木 Shrub；V：藤本 Vine
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ／ + + + + + ／ + + + + + + + + + + + + + + ／ + + +
， ， ， ， ， ， ， ， 斗 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，
， + ， ， + ， ， + ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ／ ／
， ， ， ， 斗 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，
+ ／ + + ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ／ ，
+ ， ， ， ， ， + ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ／ ，
， ， ， ， 斗 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，
， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，
， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，
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第 4期 胡羡聪等 ：大气 SO 、氟化物对植物生理生态指标的影响 375
2000光盘中加载。数据通过相关系数矩阵转换后进
行多元回归分析。
3结果和分析
3．1植物与大气污 染的关系
植物对大气污染的响应是多方面的，即使没有
明显的伤害症状，也会在植物的生理生化特性上表
现出不同程度的变化。如 O 和 so：使细胞的脂类
过氧化，导致细胞膜透性的增加门。彭长连等[8 利用
盆栽试验研究 19种园林绿化植物对大气污染的响
应结果显示，植物的叶绿素含量、叶绿素荧光参数
Fv／Fm值 的下降幅度和细胞膜渗漏率 (相对电导
率)的增加幅度与试验点大气污染程度相一致。
不同污染区植物生理生态指标测定结果表 明，
植物的叶面积、叶绿素含量、叶片细胞液 pH值和叶
片细胞质膜透性 (电导率 )等指标的变化规律与大
气污染物浓度密切相关。表 2是各试验点大气污染
物浓度和植物生理生态指标相对清洁区的变化幅
度 ，相对变化幅度 由下式计算得来 ： =(‘一 ) ×
100％，式中的 是第 i个指标在 点环境的相对变
化幅度， 是第 i个指标在 环境下的实测值 ， 是
第 i个指标在清洁区的实测值 。 值取绝对值，但在
叙述时指标前冠以上升或下降予 以区别。对表 2的
结果通过相关矩 阵转换并进行多元回归，结果显
示，不同污染浓度下生长的植物，其生理生态指标
的变化幅度与大气硫酸盐化速率和氟化物浓度呈
显著相关(表 3)，复相关系数分别为 0．987和 0．952，
多元回归方程如 (1)、(2)式。
Ys：0．03 -一D．01 1 +0．017 +0．0003 僦 +
0．034(r-0．99，p<0．001) (1)
Y，=0．362X +0．329Xoa+ 0．814 H+0．024 a也 一
4．596 ( ．95，p<0．03) (2)
其中 y 为大气硫酸盐化速率，y，为大气氟化
物含量， 分别表示植物叶面积、叶绿素、
叶片细胞液 pH值相对清洁区的下降百分率， 僦是
细胞渗透率 (电导率 )相对清洁区的上升百分率 。
方程 (1)、(2)式表 明，植物生理生态指标随
大气污染程度不 同而变化，大气污染物的浓度越
大，生理生态指标变化幅度越大，反之越小。
从各指标变化幅度与大气污染物浓度相关分
析结果 (表 3)来看，植物叶面积的降低幅度与大气
硫酸盐化速率关系密切，但其他三个指标的变化幅
度与大气氟化物含量有更直接的关系 ，这一现象表
明，氟化物污染对植物的影响更大，或者说当地氟
化物的污染较硫氧化物 (SO 等)污染更为严重。但
有的地点如西樵 山，其大气污染物含量较林科所
低，而植物的一些生理生态指标如叶绿素、电导率
等的变化却较小。这主要是因为大气监测点设于西
樵 山的边缘 ，由于种类 的缘故，植物采样点不得不
离开大气监测点 ，因此，植物生长环境与大气监测
点的环境是有差异的，这种差异在森林里可能表现
得更为突出。
表 2 各 试验 点的 大气 污染物 含量 及植 物生理 生态 指标 的变化 ●度
Table 2 Air pollutants and the relative chan ges ofphysio-ecological indicators ofplan ts at diferent sites compared to the control
大气污染物为理论值 (即估计值)The air pollutant contents were estimated values．
” 国家推荐二级标准 Recommended National Standard II
1)见国家环保局 1991年 <环境质量报告编写技术规定》的硫酸盐化速率推荐标准 ，氟化物标准见 GB3095—95
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376 热带亚热带植 物学报 第 11卷
3．2 污染状况的植物学评价
生物监测作为环境监测和环境评价的重要辅
助手段，因其快速、经济、实用等特点而越来越广泛
应用于实践中 ”]。利用植物生物监测法指示或评价
大气污染状况，国内外 已有不少报道，但大多是单
项污染指标的评价[12,14-16]。本研究利用多指标的变化
情况与大气硫酸盐化速率、氟化物等污染物浓度进
行拟合，对大气硫氧化物、氟化物等的污染状况进
行综合评价 ，能更准确地反映大气污染的实际情
况，这对开展大气环境质量生物监测有重要的现实
意义和应用价值。
对大气污染状况进行评价的最直观的方法是
污染指数法，单项污染指数 (single airpolution index,
SAPI)由如下公式求得：
SAPl= Ci／Co
其中 C 为污染区污染物浓度或污染区植物生
理生态指标变化幅度 ，c0为污染物浓度国家允许的
标准值或清洁区植物生理生态指标变化幅度。表 4
中 生 物 监 测 指 标 评 价 系 统 的 单 项 污 染 指 数
(SAPI)，清洁区(DHS)设值为 I(无变化 )，为使污
染地区的取值大于 I，不管生理生态指标的变化幅
度是正向还是负向的，均取它的绝对值再加上 I。复
合污染指数 (multiple(or mixed)air polution index，
MAPI)由各单项污染指数相加求得 (表 4)。根据
表 3 指标变化幅度与大气污染物浓度的相关系数
Table 3 Correlation coefficient between the changes ofindicators an d air pollutant contents
p<0．05． p<001
表 4 不同区域污染指数及大气污染状况
Table 4 Air pollution index an d pollution status at diferent sites
大气污染指数评价
Estimation by air
pollution index
生物监测指标评价
Estim ation by
physio-ecology
itadex
硫酸盐化速率 6．07 4．93 3．79 4．1 1 4．44 2．74 3．60 3．1 3 O．27
Sulfation rate ．
氟化物
Fluoride
复合污染指数
M API
评价结果
Estimated results
叶面积
Leafarea
叶绿素
Chlorophyll
pH值
pH Value
电导率
Conductance
复合污染指数
M API
评价结果
Estimated results
15．82 12、99 11．50 10．78 7,31 5
、77 2、7l 4．35 0、24
21．89 17．92 15．28 14、89 11、75 8、5l 6、3l 7
、48 O．51
Ⅲ ⅡI Ⅲ In Ⅲ IⅡ II II
1、4 1．35 1．30 1．29 1、29 1．24 l、29 1
、24 1．00
l 34 l、34 l、38 l、31 1．16 1,26 1．13 1
． 16 1．00
l、l7 l、l7 1．19 l、l5 l
、 17 1．10 1．01 1．03 1,00
2、47 2、77 2、84 l、89 l、72 l
、90 l、4l 1．63 1．oo
6．42 6、63 6、70 5、65 5、33 5
,49 4、85 5、06 4．O0
Ⅲ Ⅲ 山 Ⅲ II II Ⅱ
HI：重污染区Heavily poluted area；I：中度污染区 Poluted area：I：轻污染区 Slightly polluted area；Io：清洁区 cle缸 area
MAPI=multiple air po llution index
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第 4期 胡羡聪等：大气 S0 、氟化物对植物生理q三态指标的影响
复合污染指数的大小对大气污染程度进行综合评
价。污染程度的划分为：
大气污染物指数法：MAPI<2．5，清洁区
2．5
生物监测指标法：MAPI<4．5，清洁区
4．5
根据上述划分原则和复合污染指数的计算结
果，可以得到不同区域大气污染状况 (表 4)。从两
种评价方法得到的结果 (或复合污染指数)的趋势
是一致的，与环境的实际污染状况也基本相符。
尽管两种方法评价结果的趋势基本一致，但从
表 4的评价结果看到，在西樵 山、林科所、深村小学
三个点的生物监测指标法 的评价结果较大气污染
指数法的偏低。有报道认为，目前大气硫酸盐化速
0
呈
弼
>
面
量
山
{四
斟
1．50
00
50
377
率的标准 (二级 0．25 mg SO3 100 cm‘2d- )偏严，并且
通过试验证明，以 0．60 mg SO3 100 cm‘2d- 代替现有
的标准更符合实际 7l。如果以后者作为标准，则两个
方法的评价结果几乎完全一致。用两种评价方法得
到的复合污染指数 (表 4)进行 回归分析的结果表
明，两者呈极显著相关(r=：0．918，P<0．0005)。用生物
监测模型的评价结果与大气硫酸盐化速率和氟化
物的实际监测值进行线性拟合的结果(图2)可见，大
气硫酸盐化速率 (图 2a)和氟化物 (图 2b)的变化
由生理生态指标变量线性说明的部分分别是 98．7％
和 90．4％，说明用生物检测模型的评价结果有很高
的可信度。从具体的污染区域来看，佛山市禅城区
大帽岗以西 (含南庄，图 1)大部分地区，由于受石
湾 、南庄等地陶瓷工业废气的影响，环境污染 明显
比东部地区严重，生物监测评价结果与污染源 的分
布情况和实际大气环境顶量状况基本相符。利用植
物生理生态指标的变化幅度作为生物监测的指标
来评价佛山市城区大气污染状况是可行的。
50 0
实测 值 Measured value
图 2大气污染物实测值与生物监测指标评价体系理 论推导值的线性拟合
Fig．2 The fitting line between measured sulfation rate(a)，fluoride(b)and estimated by bio—monitoring model with physio—ecological indicators
a．大气硫酸盐化速率 Air sulfation rate；b．大气氟化物 Air fluoride
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