抗大气复合污染的城市森林植物初步筛选

引用本文

李品, 卫妍妍, 冯兆忠. 抗大气复合污染的城市森林植物初步筛选[J]. 环境科学, 2020, 41(10): 4495-4503.

LI Pin, WEI Yan-yan, FENG Zhao-zhong. Preliminary Screening for the Urban Forest Against Combined Air Pollution[J]. Environmental Science, 2020, 41(10): 4495-4503.

抗大气复合污染的城市森林植物初步筛选

李品¹, 卫妍妍², 冯兆忠³

1. 北京林业大学林学院, 北京 100083;
2. 北京化工大学化学工程学院, 北京 100029;
3. 南京信息工程大学应用气象学院, 南京 210044

收稿日期: 2020-04-04; 修订日期: 2020-04-16

基金项目: 国家自然科学基金项目（31870458）；国家重点研发计划项目（2017YFE0127700）

作者简介: 李品(1987~), 女, 博士, 青年研究员, 主要研究方向为环境变化的生态效应, E-mail:pinli@rcees.ac.cn

摘要: 大气复合污染成为我国最主要的城市病之一.城市森林建设的植物选择除了达到景观要求和色彩效果外，根据各城市需求选择对污染物综合抗性阈值大的树种，成为当今环境污染背景下维持城市森林生态功能可持续发展的保障.综合分析我国常见城市森林537种植物对二氧化硫、二氧化氮、氟化氢、氯气、臭氧和颗粒物这6种大气污染物的吸附吸收能力，并对植物进行抗性赋值和综合因子分析，得出对大气复合污染综合抗性能力较强的树种主要为桑树、侧柏和臭椿等；对大气复合污染综合抗性中等的树种主要为毛白杨、五角枫、圆柏、山桃、垂柳、泡桐和油松等；对大气复合污染综合抗性相对较弱的树种主要为刺槐、加杨、银杏、核桃、悬铃木、栾树、紫薇和连翘等.根据中国南北方各城市气候背景、经济结构和空气污染特点，因地制宜选择对当地主要空气污染物吸收量较大的植物种类，充分发挥城市森林群落对复合空气污染物的最大净化效果.

关键词: 大气污染物臭氧 PM_2.5 复合污染城市森林抗性等级植物筛选

Preliminary Screening for the Urban Forest Against Combined Air Pollution

LI Pin¹ , WEI Yan-yan² , FENG Zhao-zhong³

1. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;
2. School of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;
3. School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science&Technology, Nanjing 210044, China

Abstract: Combined air pollution has become one of the most important city diseases in China. The construction of an urban forest not only needs landscape aesthetics, but also requires selecting a plant of high comprehensive tolerance threshold based on the needs of the ecological environment of each city, which has become a standard to maintain the sustainable development of the urban forest ecological function under environmental pollution. According to the comprehensive factor analysis of the sorption and absorption capacity of 537 plants to six air pollutants (i.e., sulfur dioxide, nitrogen dioxide, hydrogen fluoride, chlorine, ozone, and particulate matters), the results showed that the tree species with strong comprehensive tolerance ability to six air pollutants were Morus alba, Platycladus orientalis, and Ailanthus altissima; the tree species with medium comprehensive tolerance ability were Populus tomentosa, Acer truncatum, Sabina chinensis, Amygdalus davidiana, Salix babylonica, Paulownia fortunei, and Pinus tabulaeformis; the trees species with relatively weak comprehensive tolerance ability were Robinia pseudoacacia, Populus×canadensis, Ginkgo biloba, Juglans regia, Platanus acerifolia, Koelreuteria paniculata, Lagerstroemia indica, and Forsythia suspensa. According to the characteristics of climate, economic structure, and air pollutants of the cities in the north and south of China, the urban forest should be constructed using selected species with a strong comprehensive tolerance ability to achieve maximum purification effect of the urban forest ecological service function.

Key words: air pollutants O₃ PM_2.5 combined pollution urban forest tolerance level plant screening

由于我国快速城市化和工业化发展, 以资源消耗为主的经济增长方式带来的高强度污染排放, 使在发达国家经历百年的不同工业发展阶段的大气污染问题在我国以压缩的方式同时集中显现, 呈现出传统煤烟型能源废气、机动车尾气和建筑施工扬尘等污染共存的新型大气复合污染特征^{[1, 2]}. 2019年我国有48个城市位于全球空气污染最严重的100个城市之列.城市大气的污染物种类很多, 主要的污染物有来自多种污染源排放的气态和颗粒态一次污染物如:二氧化硫(SO₂)、二氧化氮(NO₂)、氟化氢(HF)和氯气(Cl₂)等, 经过大气化学系列反应生成臭氧(O₃)和颗粒物(PMs)等二次污染物^[3].其中, SO₂、NO₂、O₃和PMs是目前中国环境空气质量监测网的实时监测指标.中国正面临冬季灰霾和夏季O₃的双重污染^[4], 严重危害人体和城市生态系统的健康^[5].

城市植物通过体表特殊结构(如纤毛、沟状组织和分泌物等)将大气污染物滞留、附着和粘附等物理过程, 以及通过植物叶片气孔对大气污染物同化、吸收和降解等生化过程^{[6, 7]}, 达到净化空气的作用(图 1).不同种类的植物, 对一种或多种大气污染物的净化能力具有显著差异^{[8, 9]}.首先, 植物通过其体表绒毛状等结构将污染物滞留粘附一部分^[10], 然后剩余污染物由气孔吸收进入植物体内, 通过质外体和共质体内一系列解毒生化过程^[11], 对有毒有害物质进行转化降解, 后固化储存在植物器官内, 成为植物的一部分.这个解毒过程对植物本身是一个消耗能量和受伤害的过程(图 1), 当修复跨越极限阈值, 植物将不可避免地进入程序性细胞死亡, 从而表现出叶片坏死、提前脱落和植株早衰死亡^[12]; 而当植物能一直维持在修复阈值之内时, 植物将不停清除有毒物质, 对污染物形成一种固有的适应性代谢屏障.因此, 修复阈值高的植物成为净化能力强的抗性种类, 而修复阈值低的植物则是净化能力弱的敏感性种类.利用这一特点, 筛选对污染物抗性强的植物种类来绿化环境^[13], 满足居民环境需求、完善城市生态系统, 充分利用城市植物天然的功能缓解城市化进程中出现的诸多问题.

图 1 植物对空气污染的响应过程概念框架 Fig. 1 Conceptual framework of the response process of plants response to air pollution

目前的研究主要通过人工熏气等控制实验研究不同浓度单一污染物对植物功能性状(叶片表观受害程度、组织解剖结构、元素含量、光合生理、生化代谢和生长发育等)的影响来判断植物对单一污染物的抗性/敏感性^{[14, 15]}; 或者通过野外调查距离污染源不同远近的植物叶片受害症状及程度来判别植物的抗性^[12].然而, 前人大都针对单一污染物对1种或多种植物的若干生理指标的影响来开展实验, 如王兵等^[9]研究了北京10种常绿树种叶片吸附滞纳大气颗粒物的能力; 缪宇明等^[16]研究了38种浙江园林绿化植物对NO₂的抗性及吸收能力; 刘楠等^[17]从华南植物园72种城市绿化植物中筛选出抗SO₂的树种; Li等^[15]通过叶片首次出现受害症状的累积O₃浓度判定了29种常见绿化植物对O₃的敏感性.目前尚不清楚在实际有多种污染物混合的情况下, 哪些植物综合抗性较强可作为大气过滤器来提高城市空气质量.本文通过集成不同种类植物对SO₂、NO₂、HF、Cl₂、O₃和PMs等6种大气污染物的净化能力研究, 计算每种植物对大气复合污染的综合抗性能力.利用植物对多种污染物抗性阈值大的特点, 科学选择抗污和吸污绿化树种, 以期为提升城市森林植被群落的生态服务功能可持续性提供参考.

1 材料与方法 1.1 数据集成

本文搜集了已公开发表的所有关于大气污染物对绿化植物影响的文献数据.文献检索通过中国知网(CNKI, http://www.cnki.net/)和Web of Science (http://apps.webofknowledge.com/)进行.搜索关键词为“绿化植物(greening plant)”、“大气污染(air pollution)”、“城市森林(urban forest)”、“二氧化硫(SO₂)”、“二氧化氮(NO₂)”、“臭氧(O₃)”、“颗粒物(particulate matter)”、滞尘(adsorbing haze/dust)”、“氟化氢(HF)”和“氯气(Cl₂)”.数据库包含73篇已发表的文献共有152科、331属和537种植物对SO₂、NO₂、HF、Cl₂、O₃和PMs等6种大气污染物的响应数据.所有搜集的植物种类中, 有乔木316种、灌木155种和草本及藤本植物66种.数据库包括植物种名、实验地点、叶片可见受害程度、光合生理参数(净光合速率、蒸腾速率和气孔导度等)、叶片滞尘量、叶片含硫量和含氮量, 以及文献给出的抗性等级等信息.

1.2 数据分析

文献中的评价指标包括：①受害叶面积; ②叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率等生理指标的下降率; ③叶片元素(硫、氮和氟等)含量的增加率和④叶片表面颗粒物吸附量.采用数值1~10对537种植物吸附颗粒物或者吸收气体污染物的能力进行赋值, 共划分为5个抗性等级：很强(赋值9和10)、强(赋值7和8)、中等(赋值5和6)、弱(赋值3和4)和很弱(赋值1和2).由于不同文献用不同的评价指标对植物的抗性进行判定, 并且对于同一污染物, 不同实验设置的污染物浓度有差异, 导致所报道的相同树种的抗性会有所不同.因此, 本文先根据文献中所得出的植物抗性进行赋值, 若出现对同一种植物有不同抗性时, 则对比两篇文献中实验的大气污染物浓度, 再结合实际大气环境的污染物浓度, 对植物的抗大气污染物能力进行赋值.

基于赋值数据, 对不同污染物组合的矩阵进行因子分析, 步骤为：首先实施方差最大的正交旋转对矩阵进行归一化处理, 然后根据计算出的主因子特征根、方差贡献和因子得分, 计算综合抗性得分, 公式为：

式中, s为某物种的综合得分, λ为正交旋转后的方差贡献, f为因子得分, j为加和下界从1开始取数, p为加和上界.综合得分大于0, 代表具有抗性, 得分越大, 则植物抗性越强; 综合得分小于0, 代表植物不具有抗性, 负值越大表示越敏感.

2 结果与分析 2.1 植物对单一污染物的抗性分类

表 1显示SO₂和NO₂对城市植物的影响研究所包含的科属种类最多, 其次是O₃和PMs, HF和Cl₂研究最少.按照植物功能类型划分, 乔木平均占到所研究种类的69%, 灌木占27%, 草本及藤本占8%.按照抗性等级划分, 如对于SO₂来说, 368种植物中抗性很强53种, 抗性强102种, 抗性中等101种, 抗性弱55种, 抗性很弱57种(表 1).表 2显示了每种污染物对应的每个抗性等级的植物名称, 比如对SO₂抗性很强的植物有绦柳、杜松和蜂斗菜等, 对SO₂抗性很弱的植物有竹柏、长芒杜英和龙爪槐等.

表 1 6种污染物对城市植物影响的研究数量统计结果 Table 1 Number of urban plants responding to the six air pollutants

表 2 绿化植物对单一污染物的抗性等级划分名录 Table 2 List of species divided in five levels of tolerance against each air pollutant

污染物	抗性等级	植物名称
SO₂	很强	绦柳、杜松、蜂斗菜、胶东卫矛、小叶黄杨、大地黄杨、条桧、红花荷、金光菊、辽东栎、薰衣草、野蔷薇、油松、紫花锦鸡儿、八角金盘、博白大果油茶、柽柳、大苞山茶、冬青、短梗五加、法国梧桐、傅园榕、广西岑溪软枝茶、桧柏、红千层、槐树、黄檗、黄刺玫、黄槿、夹竹桃、接骨草、金花茶、柳树、罗汉松、馒头柳、美丽枕果榕、牛乳树、女贞、普通油茶、青冈栎、忍冬、榕树、色赤杨、石栗、石楠、苏铁、香椿、香港茶、印度榕、越南油茶、张氏红山茶、栀子花和棕榈
	强	加拿大杨、山桃、枣树、紫丁香、矮牵牛、白蜡、白玉兰、柏木、藏花忍冬、臭椿、串白、大花紫薇、杜鹃红山茶、粉红羊蹄甲、枸杞、红叶臭椿、红叶小檗、花曲柳、黄槐、黄皮桔、鸡冠刺桐、假苹婆、金叶女贞、金银忍冬、马褂木、玫瑰、绵毛水苏、木棉、拧筋槭、爬行卫矛、泡桐、山楂叶悬钩子、珊瑚树、石竹、水曲柳、水榆、温州蜜柑、乌柏、无患子、喜树、香樟、小叶朴、小叶榕、新疆杨、雪柳、杨树、仪花、银老梅、羽扇豆、玉兰、月季、紫藤、白榆、蝴蝶果、沙地柏、元宝槭、阿珍橄榄、白桂木、白妞槭、白树油树、柏树、菠萝蜜、侧柏、垂柳、大头茶、大叶相思、对叶榕、构树、汉南木莲、红果仔、红花银桦、花叶印度胶榕、黄葛榕、鸡蛋花、假槟榔、金山葵、麻楝、芒果、密花树、盆架子、菩提榕、蒲葵、蒲桃、七姐妹、秦岭忍冬、人心果、三叶草、桑树、松东锦鸡儿、天竺桂、肖蒲桃、小叶榄仁、银桦、鹰爪、油楠、鱼尾葵、圆柏、长尾毛蕊茶、重阳木、紫穗槐和紫薇
	中等	白桦、火炬树、加杨、板栗、北京杨、扁桃、茶花、刺槐、大叶小檗、杜仲、光叶山矾、广玉兰、桂花、国槐、核桃、红桂木、红花羊蹄甲、环榕、黄葛荣、毛白杨、毛地黄、秋枫、人面子、山茶花、山杏、石笔木、鼠尾草、水蜡、无忧树、五角枫、悬铃木、银杏、皂角、竹节树、高山榕、铁刀木、白丁香、暴马丁香、北海道黄杨、菜豆树、茶条槭、茶燕子、赤杨、稠李、垂枝榕、刺五加、大叶女贞、棣棠、吊瓜木、扶芳藤、复羽叶栾树、红花油茶、红胶木、红叶合欢、红叶李、华润楠、黄花夹竹桃、黄栌、黄榕、黄馨、幌伞枫、金老梅、金银木、京桃、冷杉、柳杉、柳叶绣线菊、龙柏、栾树、麦冬、毛黄肉楠、美青杨、七叶树、三裂叶绣线菊、沙松、山黄麻、山梨、山梅花、山木兰、深山含笑、柿树、水石榕、塔柏、糖槭、桃花心木、铁冬青、万寿菊、望春玉兰、尾叶桉、卫矛、蚊母、五叶地锦、兴安鼠李、鸭脚木、榆树、圆锥八仙花、云南黄馨、早花忍冬、樟树、长春蔓和紫荆
	弱	红花木莲、山楂、白皮松、刺果番荔枝、大叶紫薇、杜英、狗牙花、海南红豆、红叶石楠、厚壳、胡桃楸、金花风铃木、苦楝、腊肠树、乐昌含笑、朴树、乳源木莲、沙椤、双翼豆、水杉、台湾相思、五月茶、香港四照花、小叶丁香、雪松、洋槐、意杨、印度紫檀、羽叶垂花树、南蛇藤、丁香、观光木、火焰木、连翘、大花五桠果、峨眉附地菜、枫杨、海南蒲桃、厚皮香、蝴蝶树、华北珍珠梅、灰莉、柳叶楠、猫尾木、蒙桑、日本杜英、日本樱花、蜀葵、水榆花楸、文冠果、小叶白蜡、小叶胭脂、一串红、阴香和银白杨
	很弱	华山松、山玉兰、铁力木、本地火焰木、常春藤、赤果鱼木、滇朴、吊瓜树、多花山竹子、鹅掌楸、风箱果、枫香、海南木棉、华北绣线菊、灰木莲、尖叶杜英、金荞麦、金银花、锦带花、荔枝、凌霄、窿缘桉、美国红栌、爬山虎、苹果、山槐、藤蔓月季、兴安杜鹃、印度第伦桃、印度黄椒、樱花、榆叶梅、鸢尾、云杉、樟子松、珍珠梅、紫花苜蓿、紫叶矮樱、阿丁枫、白木香、碧桃、大叶厚皮香、飞燕草、复叶槭、格木、海南木莲、荷木、家桑、长白忍冬、青麸杨、糖胶树、桃树、贴梗海棠、洋丁香、龙爪槐、长芒杜英和竹柏
NO₂	很强	黄槐、云南黄馨、银杏、八角金盘、白榆、茶花、常春藤、臭椿、刺槐、丁香、冬青、傅园榕、桧柏、海棠、红翅槭、红花油茶、黄葛荣、黄花夹竹桃、金银木、馒头柳、毛白杨、密花树、女贞、青冈栎、五角枫、香椿、香樟、小蜡、圆柏、栀子花、竹节树、紫穗槐和棕榈
	强	广玉兰、夹竹桃、木槿、桑树、铁冬青、紫薇、白玉兰、柏木、垂柳、垂枝榕、大花紫薇、大叶女贞、吊瓜树、高山榕、构树、瓜子黄杨、红花银桦、红千层、红叶小檗、华棕、麻楝、牛乳树、爬山虎、披针叶茴香、水栀子、苏铁、台湾相思、乌柏、无患子、喜树、小叶榄仁、小叶榕、印度榕、油松、早红桂、紫藤、白蜡、红花夹竹桃、菜豆树、峨嵋含笑、法国梧桐、复羽叶栾树、红叶石楠、鸡冠刺桐、梾木、乐昌含笑、乐东拟单性木兰、米老排、木荷、柠檬桉、菩提榕和三叶草
	中等	槐树、栾树、罗汉松、麦冬、石楠、肖蒲桃、北京杨、侧柏、观光木、桂花、红花木莲、火炬树、加杨、龙柏、美国枫香、泡桐、人面子、山茶花、塔柏、桃花心木、天竺桂、野蔷薇、印度紫檀、竹柏、木棉、仪花、扁桃、滇朴、杜鹃、鹅掌楸、海南红豆、海南木莲、核桃、红胶木、红色彩叶草、红叶李、黄榕、黄馨、灰莉、吉祥草、假苹婆、尖叶杜英、金边黄杨、金叶含笑、日香桂、乳源木莲、山桃、珊瑚朴、双翼豆、水石榕、狭叶四照花、榆叶梅、云山白兰和樟树
	弱	大花五桠果、杜英、杜仲、海南蒲桃、黑壳楠、红花檵木、红花羊蹄甲、红瑞木、黄色彩叶草、火棘、美国红枫、朴树、水杉、香港四照花、意杨、阴香、长芒杜英、柳杉、秋枫、雪松、凤尾丝兰、交让木、苦槠、芒果、山茶、速生金桂、糖胶树、五月茶、悬铃木、野含笑和早银桂
	很弱	赤果鱼木、大红花、复叶槭、黄蝉、火力楠、连翘、拟南芥、山木兰、深山含笑、湿地松、鸢尾和美人蕉
HF	很强	白榆、博白大果油茶、大苞山茶、广西岑溪软枝茶、金花茶、栾树、馒头柳、毛白杨、女贞、普通油茶、五角枫、香港茶、小叶黄杨、仪花、越南油茶、张氏红山茶和紫穗槐
	强	白桦、臭椿、傅园榕、红花银桦、连翘、密花树、木槿、桑树、山杏、小叶榕、榆树、玉兰、侧柏、桧柏、环榕、菩提榕、圆柏、枣树、长尾毛蕊茶和竹节树
	中等	白桂木、白皮松、茶花、垂柳、大头茶、杜仲、光叶山矾、核桃、红花油茶、火炬树、龙柏、泡桐、山黄麻、山桃、尾叶桉、悬铃木、银柴、银杏、茶条槭、刺果番荔枝、刺槐、汉南木莲、红花木莲、红松、山松、黄花夹竹桃、加杨、京桃、落叶松、毛黄肉楠、毛樱桃、沙松、铁力木、卫矛、小叶胭脂、新疆杨、雪柳、鸭脚木、元宝槭、云杉、皂角、紫丁香和紫椴
	弱	火焰木、无忧树、海南红豆和灰木莲
	很弱	暴马丁香、稠李、复叶槭、灰莉、苹果、石笔木、油松、榆叶梅、樟子松、紫薇、大叶厚皮香、吊瓜树、荷木和铁冬青
Cl₂	很强	高山榕、黄槿、夹竹桃、接骨草、龙柏、美丽枕果榕、牛乳树、榕树、水黄皮、小叶黄杨、印度榕和紫穗槐、
	强	白桦、暴马丁香、臭椿、构树、京桃、木槿、桑树、山梨、山杏、山楂、水榆、糖槭、卫矛、榆树、玉兰、紫椴、阿珍橄榄、白蜡、扁桃、菠萝蜜、侧柏、刺槐、大叶相思、对叶榕、复叶槭、海南红豆、红果仔、蝴蝶果、花叶印度胶榕、黄葛榕、鸡蛋花、假槟榔、金山葵、芒果、女贞、盆架子、菩提榕、蒲葵、蒲桃、人心果、山桃、石栗、银桦、鹰爪、油楠、鱼尾葵、枣树、樟树和重阳木
	中等	板栗、毛白杨、泡桐、五角枫、悬铃木、桧柏、枫杨、桂香柳、花曲柳、糠椴、连翘、落叶松、文冠果和皂角
	弱	垂柳、狗牙花、核桃、厚壳、苦楝、木棉、朴树、沙椤、台湾相思、铁冬青、银杏、油松、羽叶垂花树和圆柏
	很弱	茶条槭、赤杨、稠李、大叶水榕、黄菠萝、加杨、荔枝、辽东栎、栾树、麻栎、苹果、日本赤松、沙松、水曲柳、云杉、紫丁香和紫薇
O₃	很强	白榆、侧柏、垂柳、核桃、加杨、芦荟、馒头柳、毛白杨、桑树、苇状羊茅、五角枫、圆柏和紫穗槐
	强	凹叶厚朴、白楠、复叶槭、复羽叶栾树、红楠、厚朴、荚蒾、栾树、毛竹、泡桐、苹果、山桃、油松、浙江楠、八角枫、板栗、二球悬铃木、构树、国槐、荷花木兰、黄丹木姜子、黄花夹竹桃、黄檀、锦带花、连香树、毛凤椿、秋枫、樱桃、樟树、浙江新木姜子、浙江樟和中华猕猴桃
	中等	北京杨、河津樱、金银木、杨树、银杏、草地早熟禾、臭椿、杜仲、粉团、海州常山、红叶李、黄馨、火炬树、假明镜、苦槠、芒果、闽楠、山茶花、天目木姜子、悬铃木和鸢尾
	弱	木棉、白蜡、刺槐、三叶草和仙人掌
	很弱	白三叶、博落回、大青、大叶女贞、地果、地锦、东京樱花、椴树、鹅掌楸、钩锥、海滨木槿、海桐、寒樱、合轴荚蒾、花榈木、黄兰、灰毛含笑、鸡树条、金丝桃、金叶含笑、聚花荚蒾、柯、连翘、麻栎、马尾松、毛八角枫、毛叶木姜子、米槠、牡荆、刨花楠、枇杷叶紫珠、葡萄、七叶树、千年桐、日本晚樱、绒毛润楠、柔毛泡花树、山鸡椒、山橿、山莓、山梅花、山玉兰、湿地松、算盘子、梭罗树、乌药、舟山新木姜子、五叶地锦、香椿、湘楠、小叶白辛树、紫玉兰、新含笑、盐夫木、杨梅、宜昌楠、宜昌润楠、玉兰、长柄七叶树、长果秤锤树、长叶冻绿、桢楠、无患子、小叶女贞和紫楠
PMs	很强	法国梧桐、白蜡、侧柏、板栗、垂柳、杜松、对叶榕、红皮云杉、黄刺玫、加杨、金老梅、木槿、七姐妹、桑树、天竺桂、银老梅、玉兰和紫花锦鸡儿
	强	小叶黄杨、白妞槭、藏花忍冬、茶条槭、春鹃、大叶黄杨、大叶小檗、枫杨、凤尾兰、构树、桧柏、国槐、落羽杉、山桃稠李、松东锦鸡儿、梧桐、圆柏、早花忍冬、紫藤、大叶樟、法国冬青、海桐、红花檵木、红松、黄褐榕、家榆、金叶女贞、金银忍冬、榉树、柳树、龙柏、龙抓槐、忍冬、三叶草、塔柏、无患子、细叶榕、悬铃木、杂交马褂木、棕榈和钻石海棠
	中等	臭椿、短梗五加、枸杞、旱柳、核桃、毛白杨、玫瑰、拧筋槭、泡桐、山槐、山桃、五角枫、小叶丁香、小叶女贞、兴安杜鹃、雪松、杨树、圆锥八仙花、紫薇、香樟、紫丁香、刺槐、复羽叶栾树、红叶李、栾树、山茶花、珊瑚树、意大利杨、银杏和油松
	弱	柳杉、女贞、卫矛、八角金盘、白桦、草本、刺五加、杜英、广玉兰、核桃楸、黄馨、连翘、水杉、榆叶梅、鸢尾、元宝枫、云杉、枫香、桂花、黄檗、加拿大杨、旱柳、金银木、美国山核桃、十大功劳和月季
	很弱	滇朴、东北山梅花、高山榕、华北绣线菊、黄杨、夹竹桃、京桃、南蛇藤、苹果、秦岭忍冬、洒金珊瑚、三裂叶绣线菊、山楂叶悬钩子、水榆花楸、绦柳、兴安鼠李、洋丁香、长白忍冬和柳叶榕

表 2 绿化植物对单一污染物的抗性等级划分名录 Table 2 List of species divided in five levels of tolerance against each air pollutant

2.2 植物对2种及以上组合污染物的抗性排序 2.2.1 对2种污染物的综合抗性

涉及2种污染物对相同植物的研究共4种组合(图 2).其他两两污染物组合由于涉及到的植物种类很少, 无法分析.

共有57种植物同时研究了对SO₂和NO₂的抗性(图 2), 其中28种植物对二者的共同污染具有抗性(综合抗性得分为正值), 以黄槐、冬青、青冈栎、栀子花、红千层和苏铁的综合抗性最强; 另外29种植物对二者的共同污染不具有抗性(综合抗性得分为负值), 其中以赤果鱼木、糖胶树、长芒杜英、海南木莲、深山含笑、山木兰和五月茶的综合表现最敏感.

图 2 城市植物对2种污染物组合的综合抗性排序 Fig. 2 Rank of integrated tolerance of urban plants against two air pollutants combined

共有34种植物同时研究了对SO₂和HF的抗性(图 2), 其中17种植物具有对二者的共同抗性, 以博白大果油茶、大苞山茶、广西岑溪软枝茶、金花茶、普通油茶、香港茶、越南油茶和张氏红山茶等茶类植物的抗性最强; 另外17种植物对二者的共同污染不具有抗性, 其中以荷木、大叶厚皮香、樟子松、灰木莲和暴马丁香的敏感性最高.

共有38种植物同时研究了对SO₂和Cl₂的抗性(图 2), 其中27种植物具有对二者的共同抗性, 抗性最高的有接骨草、美丽枕果榕、榕树、石栗和水榆; 11种植物对二者的共同污染不具有抗性, 综合表现最敏感的有荔枝、赤杨、文冠果、羽叶垂花树、沙椤、苦楝、厚壳和狗牙花.

共有39种植物同时研究了对SO₂和PMs的抗性(图 2), 其中21种植物具有对二者的共同抗性, 抗性最高的有南蛇藤、杜松、紫花锦鸡儿、黄刺玫和银老梅; 另外18种植物对二者的共同污染不具有抗性, 综合表现最敏感的有长白忍冬、洋丁香、华北绣线菊、水榆花楸、枫香、兴安鼠李和三裂叶绣线菊.

2.2.2 对3种污染物的综合抗性

涉及3种污染物对相同植物的研究共5种组合(图 3).对O₃+NO₂+SO₂研究涉及共有植物5种, 综合抗性强的植物排序依次为：秋枫、北京杨和香椿; 不具有综合抗性的植物有鹅掌楸和大叶女贞.对PMs+NO₂+SO₂研究涉及共有植物13种, 综合抗性强的植物排序依次为：法国梧桐、棕榈、紫藤、香樟、天竺桂和广玉兰; 不具有综合抗性的植物有塔柏、桂花、雪松、柳杉、杜英、水杉和滇朴.对HF+NO₂+SO₂研究涉及共有植物11种, 综合抗性强的植物排序依次为：傅园榕、小叶榕、密花树、红花银桦、仪花、竹节树和茶花; 不具有综合抗性的植物有红花油茶、红花木莲、吊瓜树和灰莉.对Cl₂+NO₂+SO₂研究涉及共有植物5种, 综合抗性强的植物排序依次为：牛乳树和印度榕; 不具有综合抗性的植物有樟树、台湾相思和朴树.对Cl₂+HF+SO₂研究涉及共有植物7种, 综合抗性强的植物排序依次为：枣树、山杏和榆树; 不具有综合抗性的植物有皂角、暴马丁香、沙松和稠李.

图 3 城市植物对3种污染物组合的综合抗性排序 Fig. 3 Rank of integrated tolerance of urban plants against three air pollutants combined

2.2.3 对4种污染物的综合抗性

涉及4种污染物对相同植物的研究共3种组合(图 4).对O₃+PMs+NO₂+SO₂研究涉及共有植物8种, 综合抗性强的植物排序依次为：无患子、三叶草和山茶花; 不具有综合抗性的植物有红叶李、金银木、复羽叶栾树、黄馨和鸢尾.对O₃+HF+NO₂+SO₂研究涉及共有植物5种, 综合抗性强的植物排序依次为：馒头柳和白榆; 不具有综合抗性的植物有黄花夹竹桃、火炬树和杜仲.对PMs+HF+NO₂+SO₂研究涉及共有植物7种, 综合抗性强的植物排序依次为：小叶黄杨和白桦; 不具有综合抗性的植物有紫丁香、卫矛、茶条槭、京桃和云杉.

图 4 城市植物对4种污染物组合的综合抗性排序 Fig. 4 Rank of integrated tolerance of urban plants against four air pollutants combined

2.2.4 对6种污染物的综合抗性

对所有6种污染物研究涉及共有植物18种(图 5).综合抗性强的植物10种, 抗性排序依次为：桑树、侧柏、臭椿、毛白杨、五角枫、圆柏、山桃、垂柳、泡桐和油松; 不具有抗性的植物8种, 敏感性排序依次为：连翘、紫薇、栾树、悬铃木、核桃、银杏、加杨和刺槐.

图 5 城市植物对6种污染物组合的综合抗性排序 Fig. 5 Rank of integrated tolerance of urban plants against six air pollutants combined

3 讨论

居住在城市这个充满有害气体和灰尘的“大温室”里, 城市森林通过对有毒物质的吸附过滤作用和生理生化的代谢作用, 稀释、分解、吸收和富集大气中的污染物质, 净化空气, 减轻对人体健康的危害, 在维持城市生态平衡, 改善和缓解城市生态环境问题等方面起着无可替代的重要作用.随着生态文明建设和构建“宜居城市”的要求, 需要更多的新优绿化树种来改善空气质量, 发挥更好的生态服务功能.目前, 城市森林建设绿化植物选择时, 比较侧重于不同种类植物在各个季节所能营造的景观美学效果, 而对抗污染等特性的考察还较为欠缺^[18].而且, 过去我国对城市植物“适地适树”的认识, 多停留在对城市所处自然地理单元的环境差异, 因此乡土物种被认为是当地城市植物选择最适宜的潜在资源^[19].然而现今大气复合污染使得城市植物的生存环境受到威胁.在过去“适地适树”的基础上, 需要更加重视植物与城市栽植小环境的关系, 确定城市植物在当今城市大气环境中的生态位.

有研究表明, 污染物吸收能力较强的植物叶片中污染物的积累量与大气污染物的浓度成正比^{[14, 20]}.比如, 通过对叶片中硫含量的化学分析, 不仅反映出大气中SO₂的污染水平, 而且反映植物对大气SO₂的吸收净化量.傅园榕、竹节树等植物叶片中的SO₂、NO₂和HF等平均污染物含量要高于对照区2~21倍不等^[20].臭椿吸收的SO₂量可达其体内正常含量的29.8倍^[14].由于不同植物形态、叶量、叶面积、气孔属性和叶肉细胞生理生态特征等功能属性存在显著差异, 导致不同植物对污染物的吸收能力存在较大不同^[21].

对于落叶树种来说, 3月开始萌发, 到4月底新叶基本长成, 生理功能基本完备, 5~7月为高速生长期, 8月下旬叶片开始逐渐衰老, 生理功能退化, 到10月下旬前后开始大量落叶.与落叶树种的生理周期相对应, 春季刚生长的新生叶片对污染物的吸收能力强, 但由于生理功能处于完善期, 对污染物的转化能力较弱.夏季是植物生理功能完备、生命活动最旺盛的时段, 也是对污染物吸收和转化能力最强的时段.秋季树木叶片的生理功能出现退化, 生理活动减缓, 且由于地面处于降温阶段, 大气以下沉为主, 地面污染源排放的污染物向高空扩散稀释能力弱, 近地层边界层污染物含量处于较高水平.与落叶树种不同, 常绿树种多从4月开始老叶凋落、新叶萌发, 5月前后新叶生理功能基本完备.直到10~12月, 新叶生理活动依然比较旺盛.随着进入冬季, 因温度下降导致叶片的转化能力下降幅度较大但吸收能力下降幅度较小, 从而一直到翌年3月叶片吸收污染物的能力仍维持很高水平.利用常绿树和落叶树不同的物候特点, 匹配不同的城市污染物排放特征, 常常能够最大化发挥植物吸收净化功能.

我国各个城市处在不同的气候区和经济区, 由于气候背景的差异和经济结构的不同, 其大气污染种类和浓度有很大差异.从地理区位来看, SO₂、NO₂和PMs均表现为东部大于西部, 北方大于南方的态势^[22]. SO₂的热点集中在冀中和鲁西北地区, NO₂的热点集中在鲁中、冀南和珠三角等城市群, PMs的热点集中在京津冀、长三角、淮海和华南沿海等经济区.如在长三角城市群加工业发达, 且处于亚热带气候向暖温带气候的过渡区域, 降水较为丰富, 但雨季集中, 空气污染以SO₂、氟化物和颗粒物等工厂粉尘废气为主; 京津冀城市群处于温带季风半湿润半干旱气候区域, 干燥少雨, 风沙较大, 经济增长以创新和消费驱动, 空气污染以NO₂、O₃和颗粒物等为主^[3].因此, 在进行城市森林构建时, 根据长三角和京津冀城市主要防护目的不同, 适时适地筛选综合能力较强的树种, 将城市森林阻挡、过滤、吸附和吸收空气污染物的作用发挥到最大.

另外, 植被群落空间结构也影响不同种类植物对空气污染物吸收和净化功能的强弱^[23].阔叶乔木树形高大, 树冠伸张和叶面积指数大, 且位于群落结构的上层空间, 对污染物的吸收量相对较多; 灌木层居下, 叶面积指数相对较小, 主要吸收透过乔木枝叶空隙或乔木吸收后遗漏部分; 针叶树虽叶片表面积小, 气孔数量不多且易被油脂质堵塞, 但比表面积较大且分泌的油脂质对空气颗粒物具有吸附固定作用.在进行城市森林群落构建时, 选择抗性强的乔-灌混合可实现多层次的立体过滤作用.

虽然自2013年实施《大气污染防治行动计划》以来, 中国许多重点城市的空气质量正在改善^[3], 以降低PM_2.5为首要目标的大气污染防治措施取得了显著的成效, 尤其是北京PM_2.5水平连续7 a呈下降趋势^[24], 脱硫脱硝等新型环保燃烧工艺也使得SO₂和氟化物浓度下降明显.更多的研究者从过去大量探索那些能对SO₂和NO₂等有较强吸收净化能力的城市绿化植物^{[14, 20, 25]}, 转到集中去探索那些能对空气中PM_2.5等颗粒物有较强吸附能力的城市绿化植物^{[9, 26~28]}.然而中国空气质量仍面临重大挑战.一方面, 中国能源结构对化石燃料过度依赖.煤炭消费量仍占世界消费量的一半左右, 煤炭燃烧仍然是SO₂、NO_x和形成PM_2.5排放的主要来源.另一方面, 地表O₃污染问题愈发突出.有报道显示我国东部主要大城市群的PM_2.5浓度在2013~2017年间显著降低但O₃浓度迅速增加^[24], PM_2.5浓度下降使得对O₃生成的抑制作用减弱, 反而加剧O₃污染^[4].大气O₃对植物的强氧化毒性效应比其他大气污染物都大得多^[29].因此, 在当前严峻的大气复合污染形势下, 对于能够综合对抗PMs、O₃及其它污染物的排名靠前的植物种类, 将是城市绿化的优先考虑对象.

4 结论

在当前严峻的大气复合污染形势下, 综合抗性能力较强的树种主要为桑树、侧柏、臭椿、毛白杨、五角枫、圆柏、山桃、垂柳、泡桐和油松.根据各个城市气候、大气污染种类和浓度等特点, 适地适树地选择综合吸收量较大的乡土植物种类, 确定城市植物在当今城市环境中的生态位; 构建具备促进吸收和净化功能的乔-灌-草群落空间搭配, 充分发挥城市森林群落对复合空气污染物的最大净化效果.

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