大气污染胁迫下用于城市绿化的大西洋(Atlantic)森林原生树种筛选

《Restoration Ecology》：Selection of native Atlantic Forest species for urban greening under air pollution stress

　　

摘要：空气污染耐受指数(Air Pollution Tolerance Index, APTI)被广泛用于筛选耐污染造林树种，但其最初设计未考虑污染物积累能力及生物量储存等与评估环境韧性相关的性状。本研究旨在通过评估巴西圣保罗绿带及周边四个森林片段中代表性乔木树种的空气污染耐受性、有毒元素积累能力及叶生物量，筛选适用于城市绿化与生态恢复的本地大西洋森林树种，并识别可能受大气污染危害的敏感种。研究人员采用APTI、污染负荷指数(Pollution Load Index, PLI)、过氧化氢-共轭二烯(hydroperoxide-conjugated diene, HPCD)及单位面积叶质量(leaf mass per area, LMA)四项指标进行评估，并利用多项逻辑回归(multinomial logistic regression)对树种污染耐受性进行分类。分析表明较高APTI、PLI和LMA值与耐受种相关，较高HPCD指示敏感性；模型分类准确率达97.37%。在29个物种中，6种为敏感、17种为中等、4种为耐受、2种具生境依赖性。耐受种表现出更强的生物量积累潜力与抗污染能力。综合多种生物学指标可有效区分耐受、中等及敏感物种，凸显多指标联合用于准确分类的价值。

大气污染胁迫下大西洋森林原生树种城市绿化适宜性的多指标综合评价——基于对圣保罗绿带森林片段的研究解读

研究背景与立项依据

空气污染是城市及城郊地区面临的主要环境挑战，机动交通密集与工业排放严重影响人类健康与生态系统功能。巴西东南部的大西洋森林(Atlantic Forest)是全球生物多样性热点之一，却因城市无序扩张严重片断化，其原生植被暴露于交通工具、工业排放及生物质燃烧产生的有毒化合物中。目前常用的空气污染耐受指数(Air Pollution Tolerance Index, APTI)基于叶提取液pH、相对含水量(Relative Water Content, RWC)、总叶绿素含量(Total Chlorophyll Content, TCC)和抗坏血酸(Ascorbic Acid, AA)计算，可反映植物生理稳定性，但未纳入污染物积累能力与生物量储存等对环境韧性重要的性状。此前南美地区尤其是巴西大西洋森林树种对空气污染的耐受性及其与叶片形态、生化标记的关系尚缺乏系统研究。为此，研究人员以联合国教科文组织认定的圣保罗绿带生物圈保护区(Reserva da Biosfera do Cintur?o Verde de S?o Paulo, RBCV-SP)为研究区域，假设整合生理与生化多指标能更准确识别污染耐受的原生树种，为城市绿化与生态修复提供依据。该研究成果发表于《Restoration Ecology》。

主要研究方法概述

研究人员选取圣保罗绿带内及周边的4个森林片段——城区内的Fontes do Ipiranga州立公园(PEFI)与Alfredo Volpi公园(VOLPI)，城郊的Morro Grande水厂保护区(MORRO)及邻近城郊Ipanema国家森林(FLONA)，代表城区至城郊污染梯度。从已有植物社会学调查中选出贡献最大的29种原生大西洋森林乔木，于2020年旱雨季采集每种至少5株健康成年树(DBH>5 cm)完全展开、受光的成熟叶，共376份样品。测定指标包括：APTI(含叶提取液pH、RWC、TCC、AA)、污染负荷指数(Pollution Load Index, PLI＝各元素污染因子Cf乘积之n次根，Cf＝叶元素浓度/站点背景值，背景值取各站点多物种最低浓度区间代表最小受影响条件，未洗涤叶经HNO₃-HClO₄消解后ICP-OES测定As、Pb、Cd等15种元素)、单位面积叶质量(Leaf Mass per Area, LMA＝干重/叶圆片面积)、脂类过氧化标记过氧化氢-共轭二烯(hydroperoxide-conjugated diene, HPCD，乙醇提取液A_{234 nm}按ε＝2.65×10⁴M^?1cm^?1计算)。先依Singh标准(APTI≥16耐受，12≤APTI<16中等，APTI<12敏感)作初分类，再以APTI、PLI、LMA、HPCD为自变量拟合多项逻辑回归模型预测耐受等级，并用判别分析(Discriminant Analysis)验证分类效果；各物种取夏冬两季均值作为种水平特征输入模型得到最终归类，辅以Kruskal–Wallis ANOVA on ranks及Dunn事后检验比较站点与季节差异。

研究结果

Results（结果总述与分类）

多项逻辑回归显著优于零模型(χ²＝267.21, df＝8, p＜0.001)，方差膨胀因子均近1无多重共线性。APTI、LMA和PLI值升高增加归为耐受类的概率，HPCD升高增加归为敏感类的概率，其中APTI与LMA正斜率最陡。判别分析显示组间差异极显著(Wilks' Λ＝0.159, p＜0.00001)，总体分类准确率97.37％——敏感种与耐受种100％正确，中等耐受95.83％正确。29个物种最终归类为：敏感6种(Actinostemon klotzschii除外归入耐受侧；敏感种含Heliocarpus americanus、Alchornea sidifolia、Aspidosperma polyneuron、Pouteria bullata、Alchornea triplinervia、Sloanea hirsuta及部分生境下的Cordiera myrciifolia)，中等17种，耐受4种(Actinostemon klotzschii、Eugenia cerasiflora、Eugenia excelsa、Croton floribundus，部分生境中Centrolobium tomentosum/Cupania vernalis也呈高耐受倾向)，另Cordiera myrciifolia与Eugenia excelsa在不同片段分别被归为敏感-中等或中等-耐受(生境依赖型)。各片段均有三等级分布，中等占比最高，χ²检验(p＝0.092)支持近似对称分布。

Kruskal–Wallis检验表明APTI、LMA、HPCD、PLI在站点与季节间均有显著差异(p＜0.001)。城郊站点湿季APTI略高、LMA较高、HPCD偏高(与臭氧O₃高相关)；旱季各站点PLI升高(与PM₁₀沉积相关)。城区站点因交通与工业排放颗粒物多致叶表金属沉积高，城郊站点湿季因区域传输与生物质燃烧残留O₃高致膜脂过氧化(HPCD高)。

讨论与结论(Deductions from the Discussion and Conclusions)

研究人员指出，将APTI与PLI(重金属等累积/滞留能力)、LMA(叶片结构强度与生物量/碳储存潜力)及HPCD(膜脂过氧化与氧化胁迫敏感性标记)整合，可从生理生化与形态学多维度区分树种的污染响应模式：高APTI+LMA+PLI和低HPCD组合指示耐受并能兼顾滞尘、固碳与抗逆的城市绿化备选种；高HPCD配合低APTI指示敏感种，可作生物指示种(bioindicator)预警低浓度污染；中等耐受种在群落中占多数，有助维持中等胁迫下的生态系统功能。桃金娘科(Myrtaceae)部分种(Eugenia spp.)因富含抗坏血酸等抗氧化物质对活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)清除能力强而表现较高耐受性。少数种(如Cordiera myrciifolia、Eugenia excelsa)耐受等级随采样点污染谱与环境不同而偏移，说明局部环境可调制种内响应，但多数种(如Rudgea jasminoides、Cupania oblongifolia、Alchornea sidifolia)跨生境分类稳定，反映内在功能性状主导。研究证实单纯APTI不足以全面评价城市绿化树种选择，多指标模型为巴西大西洋森林原生树种的污染适应性评估、生态修复树种选择及大气生物监测提供了量化依据，对同属热带亚热带城市化地区的植被规划具参考价值。

结论(原文结论浓缩翻译)

综合APTI、污染负荷指数(PLI)、单位面积叶质量(LMA)及过氧化氢-共轭二烯(HPCD)等生物学指标，可有效区分耐受、中等及敏感的大西洋森林原生树种，揭示物种对空气污染胁迫的特异性响应，证实多指标联合是准确划分树种空气污染耐受等级、支持城市绿化与生态恢复树种选择的有效途径。