主要大气污染物对森林的作用机制 森林污染的主要污染源

更新时间: 2024-05-23 08:30:19

  导语:大气污染是当前社会面临的严重环境问题之一,不仅对人类健康造成危害,也对森林生态系统产生了深远的影响,而且大气污染对森林的作用机制是多方面的,涉及到酸雨、氮沉降、臭氧和颗粒物等多种污染物的影响,下面就随着小编一起去看看森林污染的主要污染源吧!

  主要大气污染物对森林的作用机制

  大气污染对树种的影响机制已经在欧洲和北美进行了广泛的研究,作为主要的污染物,酸雨和O3对森林生态系统的作用方式是截然不同。

  在北美研究最多的受污染地区是处于高海拔的阿巴拉契亚山脉的红杉林。它们所处的地理位置决定了它们受到盛行风和寒冷的影响,致使红杉受到雾的伤害并增加了它们在污染物中的暴露时间。因此红杉一般都是在冬天质量下降。在森林所处的所有恶劣环境(如差的立地、虫、病、风、极温、干旱等)中,大气污染是影响森林质量的重要因素。酸雨和O3可改变植物养分分布及生理过程就是一个极好的例证。在高海拔地区,最严重的污染后果是使寒冷地带树的抗寒性下降。

  1、SO2对森林植物的危害。SO2是主要的大气污染物之一,是我国当前大气污染中最主要的污染物。SO2的主要来源是矿物质的燃烧。煤中含硫0.5%~5%,石油中含硫0.5%~3%,燃烧后被氧化成SO2.排放到大气中。由于SO2进入植物体内的主要通道是气孔,因此,对植物的伤害首先表现在叶上,尤其是生理活动旺盛的叶上。

  树木受SO2危害后,首先从气孔周围的细胞开始,逐渐扩展到海绵组织,再发展到栅栏组织,表现为细胞的叶绿体破坏,组织脱水并坏死,在外表上可见许多褪色斑点从叶脉间逐渐发生,至危害后期,叶脉亦褪色枯死。受害初期的变色斑位于叶脉间,呈点状、块状或条状,后期叶脉也变色死亡。针叶树受害后,首先是针叶尖端发黄变褐,逐渐向下扩展,终至余叶枯死。SO2危害出现的伤斑与健康组织之间界线明显。

  SO2危害禾本科植物时,如果SO2浓度较高,叶片则表现为淡绿或灰绿、萎蔫、有白色点状斑,严重时叶尖弯曲;如果浓度较低,则叶片有褐色条斑、呈擦伤状,叶尖褐色,但不卷曲。SO2对果树危害时,叶片多呈白色或褐色。例如:梨树先是叶尖、叶缘及叶脉间褪绿,逐渐变成褐色,二三天后出现黑色斑点。柑橘则在叶脉间的中央部分出现黄褐色斑点,同时叶片皱褶。

  硫是植物的组成部分之一,但植物所需要的硫来自土壤中的硫酸盐,而只有很少一部分吸收空气中的SO2.SO2进入叶片后溶于细胞液中,氧化成重亚硫酸离子(HSO3-)和亚硫酸离子(SO32-),随后氧化成硫酸离子(SO42-)存于叶片中。植物体内可积累的硫的限量是正常量的5~10倍。当大气中SO2浓度很高及滞留时间长时,植物体内SO2吸收过多,积累的HSO3-及SO32-超过了代谢解毒的功能时,植物就会产生急性伤害。

  SO2伤害植物的原因是H+降低了细胞的pH值,从而干扰植物的生命活动。亚硫酸盐与含硫蛋白质的二硫化物(如胱氨酸)发生作用,切断双硫键,使蛋白质变性,一些酶因而失去活性(如过氧化氢酶,在光合作用中碳素固定的PEP羧化酶及RuDP羧化酶等),和使代谢中间产物酮或醛作用形成α-羟基磺酸,也可抑制一些酶的活性。据报道,SO2和NO2进入叶片后,将降低欧洲赤松、核桃、紫丁香等多种树木过氧化氢酶的活性,且随污染物浓度的提高,酶的活性降低得越明显。

  树木是SO2的受害者,在同样剂量、时间和环境条件下,不同树种受害情况有很大的差异。一般讲,阔叶树种抗性大于针叶树种,常绿阔叶树大于落叶阔叶树种。我国地域辽阔,各地区的土壤气候条件差异很大,树木长势及抗性也不一样。自20世纪70年代以来,经许多林业、环保及园林工作者的广泛调查研究,对各地区常见的园林、绿化造林树种的抗性进行了分级,确定了一批抗污染的绿化树种。例如:北京地区对SO2抗性强的有:侧柏、桧柏、白皮松、臭椿、榆树、构树、槐、刺槐、加拿大杨、毛白杨、垂柳、核桃、柿、木槿、大叶黄杨等;抗性较强的有:北京杨、桑树、三球悬铃木、板栗、华山松、榆叶梅、石榴等;抗性较弱的有:合欢、五角枫、复叶槭、河北杨、银杏、黄刺玫等;敏感的有油松等。同一树种在不同地区抗性可能不同。例如:侧柏在北京、天津、内蒙古等地为抗性强的树种,但在南京、武汉等地则属抗性较弱的树种。

  2、氟化物对森林植物的危害。氟化物是一类对植物毒性很强的大气污染物,伤害植物的氟化物主要有HF、SiF4(氟化硅)、H2SiF6(氟硅酸)、CaF2(氟化钙)等,其中以HF为最普遍,毒性最大,影响也最严重。自然界中大气氟化物污染的程度不如SO2.范围也没有SO2广,但氟化物中的主要成分HF对植物的毒性比SO2大10~100倍。

  以气体状态存在的氟化物主要从气孔进入植物体内,但不损害气孔附近的细胞,而是顺着导管向叶片的尖端和叶缘部分移动。因而叶尖和叶缘的氟化物含量较高。进入叶片的氟化物与叶片内的钙质发生反应,生成难溶性的氟化钙化合物,沉积于叶尖及叶缘的细胞间,当浓度较高时即表现症状。氟化物在植物体内的毒害作用,主要是抑制了一些酶的活动,特别是烯醇化合物,从而阻碍代谢机能,破坏叶绿体和原生质;HF降低了体内钙、镁的活性,产生钙、镁营养障碍。此外,某些植物体内CaF2(氟化钙)的积累还可导致通道受阻,干扰水分和养分的运输,引起部分组织干枯、变褐。

  HF危害植物的症状,主要是在嫩叶、幼芽上首先发生。阔叶树受害时,伤斑主要出现于叶尖及叶缘。如果危害严重时在脉间出现坏死斑,病健组织区别明显,有一条红棕色带,未成熟枝叶易受害而形成枯梢。针叶树受害时,当年生针叶尖端首先坏死,并逐渐向下发展,受害组织先变黄,然后逐渐变为暗黄色或红棕色。叶片被HF危害后,表皮细胞、栅栏组织、海绵组织均呈现红棕色,细胞原生质凝结成红棕色团块。叶绿体初期不变色,到后期叶绿体也被破坏。禾本科植物受害时,首先在新叶尖端和边缘出现黄化。柑橘类受HF危害时,叶片萎缩或现黄色,叶尖叶缘有伤斑,萎缩现象一般在新叶展开前后即出现,中部凹陷呈勺状。

  各种植物对氟化物的抗性有明显的差异。抗性不同的植物其容氟量不同。一般而言,敏感植物的容氟量低,抗性植物的容氟量高。例如:杏、李、松树等,叶片含氟量超过质量浓度为5.0×10-5时便会出现症状,而一些抗性强的植物如山茶、茶树、构树即使在叶片含氟量质量浓度超过1.0×1O-3时也不会受害。在华北地区对HF抗性强的有:白皮松、桧柏、侧柏、臭椿、银杏、槐、构树、泡桐等;抗性中等的有:华山松、桑树、杜仲等;抗性弱的有:油松、山桃、榆叶梅、葡萄等。

  3、O3对森林植物的危害。光化学烟雾是大气污染中的一类特殊混合物的总称。它是由汽车排出的氮氧化物和碳氢化合物等废气进入大气中,在太阳照射下,经过一系列光化学反应而形成的。其中最主要的成分是O3.可占光化学烟雾组成的90%,其次是过氧乙酰硝酸酯(PAN)等物质。臭氧对树木的危害比其他任何成分单独作用都严重。

  O3危害症状多出现在成熟叶上,嫩叶上症状极少。O3主要侵害叶片的栅栏组织,因而在叶片上表面出现点状斑。危害严重时,叶片的海绵组织也会受到危害,使斑点透过叶片组织,叶片黄色,甚至褪成白色,植物的组织机能破坏,生长、芽的形成及开花过程均受到抑制。针叶树受害时,针叶先端首先变黄、黄褐,随后慢慢枯死。O3危害植物后,病健组织之间没有明显的界线。

  O3对植物的伤害,首先是影响膜系统,而其他的生理生化变化,包括对光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、代谢产物浓度等的影响是作用初期膜特性变化的次生结果。其变化顺序可能是:硫氢基的氧化,类脂水解,细胞的渗漏,类脂过氧化,然后细胞瓦解。膜的正常功能取决于受蛋白质中巯基所稳定的类脂。巯基对膜蛋白的结构完整性甚为重要。O3对巯基的氧化破坏了膜结构的完整性,增大了膜的透性,降低了原初代谢产物的合成,提高了酶和基质的反应,从而提高次生代谢产物的数量。由于细胞代谢活动的失调,使细胞受害。

  植物对O3的敏感性,与植物的年龄和代谢活动等因素有关。老龄叶细胞发育成熟,液泡发达,细胞膜的机能逐渐下降,容易为03伤害。此外,老龄叶中可溶性成分的耗尽,也是叶片对O3敏感的重要因素。

  各植物种、品种对O3的抗性差异非常明显,不同种源的同一植物其抗性不同。抗性强的树种有:五角枫、臭椿、侧柏、白蜡、银杏、圆柏、刺槐、紫穗槐、槐、钻天杨、红叶李等。

  4、酸雨对森林植物的危害。如前所述,酸雨的主要成分是硫酸和硝酸,尤其大多数地区系为硫酸。酸雨成分中还混有少量盐酸、碳酸、有机酸(甲酸、乙酸等)等。一定的土壤类型受到酸雨的影响以后,可能破坏植物的营养,像引起钙、镁、磷等元素平衡失调或阻碍铝元素的向上运输等。我国形成酸雨的地区主要以硫酸为主。酸雨对森林植物的危害是非常复杂的,有直接的干扰破坏,也有间接的影响。

  (1)酸雨对森林植物的直接影响酸雨可直接损坏植物的表面结构,加速角质层的腐蚀;干扰保卫细胞的正常功能,导致气孔开关的失调,改变了蒸腾速度和气体交换的过程;酸性物质进入植物体内后扩散,使植物细胞中毒,在叶片、花、嫩枝上出现深度坏死或衰老的斑点;正常的代谢或生长过程受到干扰,可能导致光合速率的降低,中间代谢过程的改变以及叶片或其他器官的异常发育或提前衰老。干扰植物的繁殖过程,可能降低花粉的生活力,干扰受精过程,种实产量降低,种子发芽力降低等。

  森林

  (2)酸雨对森林植物的间接影响由于酸雨损伤了角质层及表皮细胞,可能加速了叶、嫩枝、大枝和茎的无机元素和无机物质的淋洗。角质层的侵蚀,保卫细胞正常功能受阻,表皮细胞的直接伤害,可导致蒸腾速度加快,增强了植物对干旱、空气污染物及其他有害因素的敏感性。植物叶片和根系渗滤过程的改变和有机物、无机物淋洗的加速,可能影响叶、根围微生物的种群动态和共生关系,如菌根菌、固氮菌等;改变了植物与寄生物之间的关系,增加了植物对病原物及害虫的敏感性,削弱了寄生植物对病虫害的忍耐能力。酸雨的影响可能随病原物的性质、寄主的种类、年龄、生理状况、病害的发生阶段而变化。

  酸雨危害的另一重要途径是对土壤的影响,引起土壤的酸化、加速土壤营养的淋溶,减缓腐殖质的矿化速率,进而减缓生态系统中的营养循环。酸雨对土壤的另一重要作用是影响土壤中微生物的种群、种类及其活性,关系异常复杂。例如,由蜜环菌(Armillariamellea)引起的林木根腐病,在酸雨的影响下,林木的抗病性减弱,加重了根朽病的危害,但也改变了病菌的致病性。

  5、氯气(Cl2)对植物的危害。一般情况下大气中Cl2浓度很低,对植物不会产生明显的危害。只有在化工厂、电化厂、制药厂、农药厂、冶炼厂、玻璃厂、塑料厂、自来水净化工厂等企业偶然发生跑气、漏气等事故时,有Cl2散放,使植物出现急性受害。Cl2进入植物组织后,与水作用生成次氯酸。它是强氧化剂,比SO2强2~4倍,对叶内有很强的杀伤力,破坏叶绿素,使叶片产生褐色伤斑,严重时使全叶漂白、枯卷,甚至脱落。受害伤斑主要分布于脉间,或呈不规则点状或块状,受害组织与健康组织间无明显界线。针叶树(如沙松、白皮松、雪松等)受害时首先尖端失绿发黄,逐渐向下发展,严重时整个针叶枯黄脱落。

  某些树木的叶绿素被Cl2破坏后,伤斑会出现各种颜色:枫树呈棕色,女贞、杜仲、薄壳山核桃呈灰褐色,广玉兰呈红棕色。

  树木受害后,叶片两面都出现病斑,尤其以叶面为甚。植物不同叶片对Cl2的敏感程度不同,以成熟的、充分展开的叶最易受Cl2危害,老叶次之,幼嫩叶不易受害。即使植物急性受害,尖端芽叶仍可继续生长。针叶树受害时,当年生针叶比二年生、三年生受害重,特别是刚萌发的针叶最敏感。各树种对Cl2的抗性不同,例如上海地区,对Cl2抗性强的有:棕榈、罗汉松、柳树、加拿大杨、樱桃、紫荆、紫薇等。抗性中等的有:大叶黄杨、栎树、臭椿、构树、枫树、龙柏、桧柏等。抗性弱的有:悬铃木、雪松、柳杉、黑松、广玉兰等。

  森林污染的主要污染源

  大气污染物来源:

  自然源:包括火山喷发、森林火灾、自然尘(如风砂、土壤尘)、森林植物释放(主要为萜烯类碳氢化合物)、海浪飞沫颗粒物。

  人为源:燃料燃烧(如煤、石油、天然气等)、工业生产过程的排放(如石化企业、有色金属冶炼工业、磷肥厂、酸碱盐化工业、钢铁工业)、交通运输过程的排放(如汽车、船舶、飞机等)、农业活动排放(如田间施用农药)。

  水体污染物来源:

  工厂烟气、汽车尾气、采暖与居民生活排出的烟气、突发事故如井喷排出的气体等扩散到森林上空,被植物吸收。

  煤等燃烧产生的SO2.经降水形成酸雨。

  工业废水、生活污水、农业废水。

  需要注意的是,自然源和人为源在不同情况下可能对森林污染的贡献程度不同。在某些情况下,自然源可能成为主要的污染源。而人为源通常是由人类活动向大气和水体输送污染物的发生源,包括燃料燃烧、工业生产过程、交通运输以及农业活动。