第三节城市大气环境与园林植物的生态关系地球表面的大气形成大气圈。大气圈指地球表面到高空 1lOOkm 或 1400km 范围内的空气层。大气层中的空气分布不均匀，愈往高空，气愈稀薄。在地面以上约 12～16km 范围内空气层，其重量约占整个大气层重量的 95％左右，温度特点上冷下热，空气对流活跃，形成风、云、雨、雪、雾等各种天气现象，这就是对流层。大气圈是地球生物的保护圈，它维持了地球近地表面稳定的温度条件，减弱紫外线对生物的伤害。空气是复杂的混合物，在标准状态下(0℃、lOlkPa、干燥)按照体积计算，N2 占 78．08％，02占 20．95％，Ar 占 0．93％，C02 占 0．032％。其他为 H2、O3，和 He 及灰尘、花粉等。上述空气成分以 C02 和 02 的生态意义最大。C02 是绿色植物光合作用的主要原料，02 是一切生物呼吸作用的必需物质，氮转化为氨态氮将是绿色植物重要的养分。除这些直接作用外，大气还通过光、热、水等对园林植物产生间接的影响。因此，大气是园林植物赖以生存的必需条件，没有空气就没有生机。工业革命之后，空气成分的相对比例发生变化及有毒有害物质排放，引起了严重的空气污染，在城市地区表现的尤为凸显。城市空气污染危害人类和其他生物的生命代谢活动，同时城市园林植物具有净化城市空气的功能。研究污染物对园林植物危害的机制、后果和园林植物的净化作用、监测功能，是污染生态学涉及的重要内容。一、城市空气污染空气是人及其他生物生命代谢活动的生存条件。一个成年男子，平均每天吸人 15kg 空气，其吸收量远多于每天摄取 1．5kg 食物或 2．5kg 水。人离开空气 5 分钟生命就会结束，植物离开空气无法进行光合作用。随着城市化和工业化的快速发展，城市大气污染引起了人们的普遍关注和高度重视。由于集中的工业、密集的人口以及化石燃料的大量使用，城市空气中增加了许多有害成分，而高密度的建筑物则不利于空气污染物的稀释与扩散，反而加重了空气污染物浓度和滞留时间，当污染物超过一定数量时，就会对生物有机体产生不良的影响以至伤害。大气污染是环境污染的一个方面。相当数量的大气污染物是人类卓越才能施展过程中的一种不幸表现。现代工业的发展不仅带来了巨大的物质财富，同时也带来环境污染。当向空气中排放的有毒物质种类和数量愈来愈多，超过了大气的自净能力，便产生了大气污染。大气污染(air pollution)系是指大气中的烟尘微粒、SO2、CO、C02、碳氢化合物和氮氧化合物等有害物质在大气中达到一定浓度和持续一定时间后，破坏了大气原组分的物理、化学性质及其平衡体系，超过大气及生态系统的自净能力，使生物和环境受害的大气状况。大气污染由大气污染源、大气圈和受害生物三个环节组成。大气污染形成有自然原因和人为原因两种。由此，大气污染源可分为自然污染型和人为污染型。大气污染源是指向大气环境排放有害物质或造成有害影响的区域、设施等。自然污染源主要是由于某些自然现象向环境排放有害物质或造成有害影响的区域，主要包括火山爆发、森林火灾、自然粉尘等。人为污染源主要是由于人类的生产和生活活动向大气输送有害物质的发生源，如化石燃料、工业生产过程排放、交通过程排放、农业生产活动的排放等。一般地，由自然现象所产生的污染物种类较少，浓度较低，在自然环境的物理、化学和生物过程作用下自然污染物逐渐得到稀释和自然净化，被污染环境在一定的时间得到恢复。因此，自然污染物一般对环境的影响较小，这样可以说大气污染主要是人为造成的。(一)污染源类型1．点源与面源点源是指集中在—点或小范围内向空气排放污染物的污染源，如多数工业污染源。面源是指在一定空间范围内向空气排放污染物的污染源，如居民普遍使用的取暖锅炉、炊事炉灶，郊区农业生产过程中排放空气污染物的农田等。面源污染分布范围广，数量大，一般较难控制。2．自然污染源与人为污染源大气污染物除小部分来自火山爆发、尘暴等自然污染外，主要来源于人类的生产和生活活动所产生的人为污染。3．固定源与流动源固定源是指污染物从固定地点排出，如火力发电厂、化工厂、纺织厂、造纸厂、水泥厂等。固定源排出的污染物主要是煤炭、石油等化石燃料以及生产过程中排放的废气和粉尘等。流动源主要是指汽车、火车、轮船等交通工具，虽然排放量小且分散，但是数量庞大，活动范围大，排放的污染物总量却不容低估。(二)大气污染物种类 大气污染物(air contaminant)是指由于人类活动或自然过程排人大气并对环境和生物产生有害影响的物质。大气污染物的种类复杂，但县危害严重的污染物仅有几十种，通常分为化学性物质、放射性物质和生物性物质。依据污染物的存在形态，可将大气污染物分为气态污染物和颗粒污染物；若依据与污染源的关系可将大气污染物分为一次污染物和二次污染物。一次污染物(primarycontaminants)：若大气污染物是从污染源直接排出的原始物质，进人大气后其性质和状态没有发生变化，则称为一次污染物。常见的大气一次污染物包括尘埃、；石棉和无机金属粉尘等颗粒物，S02、CO、COz、HzS 和氮氧化物等有害气体。二次污染物(secondarycontaminants)：由一次污染物与大气中原有成分或几种一次污染物之间发生了化学变化或光化学变化反应，形成与原污染物性质不同的新污染物，称为二次污染物。常见的大气二次污染物包括由烟尘，SOz 与空气中的水蒸气混合并发生化学反应所形成的硫酸烟雾(组成S02、HzS04、MS04，M 代表金属元素)，由汽车、工厂等排人大气中的氮氧化物或碳氢化合物，经光化学作用所形成的光化学烟雾。根据大气污染物的性质将大气污染分为还原型(煤炭)大气污染和氧化型大气污染两种。还原型(煤炭)大气污染常发生在使用煤炭和石油为燃料的地区，主要污染物为 SO2、氧化碳和颗粒物。在低温潮湿的静风天气和逆温存在的条件下，一次污染在低空聚积，形成还原性烟雾。“伦敦烟雾”事件就是这种污染类型的典型代表，因此还原型(煤炭)大气污染又称之为伦敦烟雾型污染。氧化型大气污染多发生在以石油燃料为主的地区，主要一次污染物为 CO、氮氧化物、碳氢化合物等，这些污染物在太阳辐射的作用下引发光化学反应，形成二次污染物 Os、过氧乙酰硝酸酯(PAN)，醛类等具有强氧化性的气体或离子，该类次生污染物比一次性污染物的污染性更强，对人体器官具有明显的刺激作用，会使植物坏死，使橡胶老化、降低织物强度等，洛杉矶光化学烟雾事件就属于此类型。根据燃料性质和大气污染物组成将大气污染分为煤烟型污染、石油型污染、混合型污染和特殊型污染。煤烟型污染是由于燃烧煤炭排放出的烟气、风尘、S02等一次污染物以及再由这些污染物发生化学反应而生成硫酸和硫酸盐类气溶胶等二次污染物所构成的污染。主要污染源为工业、企业烟气排放，其次为家庭生活排放。我国北方城市冬季的大气污染主要是煤烟型污染。石油型污染主要污染物来自石油化工产品，如汽车尾气、油田和石油化工厂的排放物。主要一次污染物为烯烃、N02、醇、羟基化合物等，以及在大气中形成的 O3、各种自由基及其反应形成的一系列中间产物和最终产物。“石油之城”日本四日市的“哮喘病事件”和在石油产地发生的“科威特哮喘”，都属于该类型污染。混合型污染包括以煤炭为主要燃料而排放出的烟气、粉尘、S02及其氧化物形成的气溶胶，以石油为燃料而排放出的烯烃和 N02 为主的污染物，以及工厂企业排放的各种化学物质等。特殊型污染主要产生于工厂生产过程中排出或发生意外事故而释放的一些特殊污染物，如氯气、氟化物、金属蒸气或酸雾等所构成的污染，该类污染常限于局部范围。二、空气污染对园林植物的影响(一)影响城市大气污染的环境因素大气污染对园林植物危害程度除与污染物种类、浓度、溶解性、树种、树木发育阶段有关外，还与城市及其周围的气象、地理因素等有密切关系。1．风在气象因子中，风和湍流是直接影响大气污染物稀释和扩散的重要因素。风对污染物的影响表现在两个方面：其一，输送污染物，污染物的去向决定于风向，污染源下风方向空气污染比较严重；其二，风对大气污染物具有自然稀释功能，风速愈大对污染物的稀释作用愈强。风速大于 4m／s，可以移动并吹散被污染的空气；风速小于 3m／s，仅能使污染空气移动。就风向而言，污染源上风向的污染物浓度要比下风向低。大气的湍流强度与气温的垂直分布及大气稳定度有直接关系。如果大气温度随着高度增加而逐渐降低的程度愈大，即气温垂直递减率愈大，大气愈不稳定，这时湍流得以发展，大气对污染物的稀释功能愈强；相反，气温递减率愈小，大气愈稳定，尤其是出现逆温层，对污染物的扩散极为不利，污染持续时间延长。我国部分城市空气污染严重，就是与此类逆温天气出现有关。2．光照光照强度影响树木叶片气孔开闭。白天光照强度引起气温增加，气孔张开，而夜间气孔关闭。通常有毒气体是从气孔进入植物体内，所以树木的抗毒性夜间高于白天。一般而言，夏季垂直温差较大，冬季温差较小且容易出现逆温，所以大气污染较易发生+晴朗的白天垂直温差较大，阴天或多云的天气条件下或在夜间气温垂直递减率较小时，大气污染程度较重。 3．降雨和大气湿度降雨能减轻大气污染。但在大气稳定的阴雨条件下，因叶片表面湿润，容易吸附溶解大量有毒物质，从而使园林植物受害加重。乙地形特殊的地形条件能使污染源扩大影响，或使局部地区大气污染加重。例如海滨或湖滨常出现海陆风，陆地和水面的环流把大气污染物带到海洋，污染水面。又如山谷地区常出现逆温层，而有毒气体相对密度一般都大于空气，故有毒气体大量集结在谷地，发生严重污染。国外发生的几起严重的污染事件多形成于谷底和盆地地区(表 8—2)。地处山谷地形的我国兰州市空气污染较为严重就是空气污染物不易扩散的缘故(图 4—7)。(二)园林植物受害机制及其症状大气污染物对树木的危害，主要是从气孔进入叶片，扩散到叶肉，组织，然后通过筛管运输到植物体其他部位，影响气孔关闭、光合作用、呼吸作用和蒸腾作用，破坏酶的活性，损坏叶片的内部结构；同时有毒物质在树木体内进一步分解或参与合成过程，形成新的有害物质，使树木的组织和细胞坏死。花的各种组织如雌蕊的柱头也很易受污染物伤害而造成受精不良和空瘪率提高。植物的其他暴露部分，如芽、嫩梢等也会受到侵染。大气污染危害一般分为急性危害、慢性危害和隐蔽危害。急性危害是指在污染物高浓度影响下，短时间使叶表面产生伤斑或叶片枯萎脱落；慢性危害是指在低浓度污染物长期影响下，树木叶片褪绿；隐蔽危害系指在低浓度污染物影响下，未出现可见症状，只是园林植物生理机能受损，生长量下降，品质恶化。大气污染物对园林植物危害最重的有 S02、HF。C12、NH3和 HCl 等虽对植物产生毒害，但一般是由事故性泄漏引起的，其危害范围较小。1．S02S02进入叶片，改变细胞汁液 pH 值，使叶绿素去镁，抑制光合作用，降低光合作用的有机物质的生产速率；同时与同化过程中有机酸分解产生的。—醛结合，形成羟基磺酸，破坏细胞功能，抑制整个代谢活动，使叶片失绿。2．HFHF 毒性极强，对环境危害很大。HF 的毒性大约是 S02 毒性的几十倍至几百倍，一般浓度在0．003mol／L 时植物就会受到毒害。HF 通过气孔进入叶片，很快溶解在叶肉组织溶液内，转化成有机氟化合物，阻碍顺乌头酸酶合成。HF 还可使叶肉组织发生酸型伤害。浓度低时常常在叶尖和叶缘出现褪绿斑，有时在叶脉间出现水渍斑。3．03在太阳辐射的作用下，汽车尾气等排放物质所形成光化学烟雾的主要成分是 03。03是强氧化剂，它通过破坏植物叶片栅栏组织细胞壁和表皮细胞，促使气孔关闭，，降低叶绿素含量等抑制光合作用；同时，03能将细胞膜上的氨基酸、蛋白质的活性基团和不饱和脂肪酸的双键氧化，增加细胞膜的透性，大大提高植物呼吸速率，使细胞内含物外渗。4．C12C12通过气孔进入叶肉组织，使园林植物原生质膜和细胞壁解体，叶绿体受到破坏。木本植物受到Clz 危害之后，主要症状为受害后出现水渍斑。Ct2 浓度较低时，叶脉间水渍斑变为褐色斑或褪绿斑；浓度较高时，叶脉间失绿变黄，叶缘处出现褐色坏死斑。针叶树受害后叶的典型症状为叶色褪绿变浅，针叶顶端产生黄色或棕褐色伤斑，然后症状逐渐向叶基部扩展，最终针叶枯萎脱落。阔叶树受 C12危害后，树冠下部叶片和生理活动旺盛的叶片受害最重，树冠顶部尚未展开的叶片受害较轻或基本不受害。5．大气飘尘和降尘等颗粒物对园林植物的危害大气飘尘和降尘等颗粒物落到植物叶片上会堵塞气孔，减弱植物的光合、呼吸和蒸腾速率。同时，大气颗粒物含有较多的重金属等污染物质，对植物产生毒害作用。(三)园林植物的抗性园林植物的抗性指在污染物的影响下，能尽量减少受害，或受害后能很快恢复生长，继续保持旺盛活力的特性。树种对大气污染的抗性取决于叶片的形态解剖结构和叶细胞的生理生化特性。根据研究，叶片的栅栏组织与海绵组织的比值和树种的抗性呈正相关；气孔下陷、叶片气孔数量多但面积小，气孔调节能力强，树种的抗性较强；此外在污染条件下，抗性强的树种细胞膜透性变化较小，能够增强过氧化酶和聚酚氧化酶的活性，保持较高的代谢水平。就树种的抗性而言，一般地常绿阔叶树>落叶阔叶树>针叶树。 确定树种抗性强弱的方法，主要有野外调查、定点对比栽培和人工熏气。...(四)园林植物的监测作用众所周知，大气污染可以利用理化仪器进行监测。同样地依据某些植物物种对大气污染物种类和浓度的敏感反应，可达到相同的监测目的。例如，S02浓度为 1X10-6～5X10-6时，人才会闻到气味，10X10-6一 20X10-6时，才会受刺激、咳嗽、流泪，而一些敏感植物处在 S02浓度为 0．3X10.- 6下几个小时，就会出现症状；有机氟毒性极大(气体)，但五色无臭，某些植物却能及时做出反应。所以利用某些对大气污染物特别敏感的指示植物来监测指示环境的污染程度，既经济又可靠。(1)指示植物能够反映环境污染对生态系统的影响强度和综合作用。环境污染物质对生态系统产生的复(综)合影响，此种影响不是完全都可以用理化方法直接测定的。例如几种污染物共存其影响分为增效作用(如 S02 和 O2、N02 和乙醛共存时对树木的影响)和拮抗作用(如 SO2 与 NH4 共存时对树木的危害)。(2)指示植物能够早期发现大气污染物。许多指示植物对污染物的反映比动物和人要敏感，例如S02 浓度为 1X10-6～5X10-6时，人可闻到气味，而紫花苜苜蓿在 S02 浓度>0．3X10-6 环境条件下(一定时间内)就会产生受害症状。(3)指示植物能够检测出不同的大气污染物，植物受不同的大气污染物的影响，在叶 l 片上往往出现不同的受害症状。根据植物体表(叶片)受害症状可初步判断污染物的种类。(4)指示植物能够反映出一个地区的污染历史。当然监测大气污污染的植物，必须敏感而且容易产生受害症状，才能及时反映大气污染《，此外大气污染的指示植物还应具备下列优点：(1)受害症状申明显，于扰症状少；(2)生长其 8 长能不断长出新叶；(3)栽植、繁殖管理容易；(4)有一定的主观赏和经济价值。三、园林植物对空气的净化作用园林植物的净化效应通过两个途径实现。其一，吸收分解转化大气中的有毒物质。通过叶片吸收大气有毒物质，减少大气有毒物质的含量，并使某些有毒物质在植物体内分解转化为无毒物质。其二，富集作用。吸收有毒气体，贮存在体内，贮存量随时间不断增加。由于园林植物的净化效应和光合作用生理代谢过程气体交换特点，使环境的空气质量得到改善。(一)吸收有毒气体通过园林植物呼吸和光合代谢生理过程，有毒气体被吸收转化为毒；性较小的物质(降解)或富集于植物体内，从而减少空气中有毒气体的浓度。根据资料，每年每公顷柳杉吸收 SO2 720kg，吸收量和吸收速率与相对湿度有关，相对湿度80％时对 S02 的吸收比相对湿度 10％～20%时快 5～10 倍 SO2 被叶片吸收后，在叶内形成亚硫酸和毒性极强的亚硫酸根离子，后者被植物本身氧化转变为毒性小 30 倍的硫酸根离子。不同树种对有毒气体的吸收能力不同。(二)滞尘作用根据统计，许多工业城市每年每平方公里降尘量为 500t 以上，个别高达 1000t。森林降低大气中的粉尘量在于：森林降低风速；园林植物叶表面粗糙，多绒毛、分泌黏液和油脂，滞尘力较强，而且蒙尘后经雨水淋洗又可恢复滞尘功能。各树种的滞尘力差别很大，桦树比杨树大 2．5 倍，而针叶树比杨构大 30 倍。(三)杀菌作用园林植物具有杀菌功能。由于园林植物的滞尘作用，减少了细菌的载体，使细菌不能在空气中单独存在和传播；园林植物分泌植物杀菌素挥发性物质如萜烯类)，可杀死周围的细菌。根据试验，若将 o．1g 稠李冬芽磨碎，1 秒钟便能杀死苍蝇。园林植物中分泌植物杀菌素很强的种类有：新疆圆柏、冷杉、积李、松、桦、橡、槭、椴。城市绿化树种中杀菌力很强的种类有：桧柏属、复叶槭、白皮松、稠李、雪松。(四)吸收 C02放出 02C02和 Ox 平衡失调在重工业城市尤为严重，绿色植物由于其特有的代谢过程(光合作用)，对恢复和保持大气中 C02和 02的平衡极为重要。据不完全统计，1hm2阔叶林在生长季每天能生产 720kg 0202，吸收约 1t 的 C02。