空气污染耐受指数揭示的热电厂排放相关红树物种差异性脆弱性

《Frontiers in Environmental Science》：Differential vulnerability of mangrove species associated with thermoelectric power plant emissions revealed by the air pollution tolerance index

　　

红树林生态系统为可持续生活提供重要的商品和服务。许多森林正面临人为压力和空气污染。本研究评估了暴露于热电厂排放物的红树林物种的空气污染耐受指数（Air Pollution Tolerance Index，APTI），评价其空气污染胁迫响应。位于墨西哥湾坦帕马乔科泻湖（拉姆萨尔湿地）的红树林受周边地区及气候强迫事件影响，凸显了红树林面临的多重胁迫因素。研究在旱季和雨季对四种红树物种开展。测定的叶片生化参数包括总叶绿素、pH、抗坏血酸和相对含水量。总体而言，总叶绿素和抗坏血酸含量在旱季较低，雨季恢复。大气颗粒物浓度旱季高于雨季。Avicennia germinans在两个季节中均最敏感，平均APTI最低（6.71），因此被提议作为污染生物指示物。Rhizophora mangle表现出中等且相对稳定的响应（平均APTI为7.95）。Laguncularia racemosa表现出中至高等耐受性（平均APTI为7.61），而Conocarpus erectus表现出最高耐受性（平均APTI为8.50）。研究结果表明，红树林的APTI与叶片相对含水量及强抗氧化剂抗坏血酸密切相关。靠近热电厂设施及城市区域的污染物对坦帕马乔科泻湖的红树林构成多重胁迫，威胁其健康。研究结果凸显了APTI作为暴露于大气排放和人类活动的红树林生态系统生物监测工具的有效性。

**研究背景与意义**

红树林是位于海陆交错带的关键沿海生态系统，广泛分布于热带、亚热带和暖温带潮间带区域。其独特的物理结构和较高的初级生产力支撑着海岸侵蚀防护、极端天气缓冲、水生及陆生物种栖息地供给等一系列重要生态系统服务，并在蓝色碳汇框架中作为自然碳汇发挥核心作用。然而，红树林正面临多重人为胁迫，其中空气污染尤为突出。常规热电厂是空气污染的主要来源之一，排放二氧化硫（SO₂）和氮氧化物（NO_x）等有毒气体及颗粒物，颗粒物沉降可减少入射光、诱导气孔关闭并改变植物热平衡，直接影响植物光合作用等生理过程。空气污染耐受指数（APTI）基于叶片总叶绿素浓度、抗坏血酸（AA）浓度、相对含水量（RWC）和叶片提取液pH四项生化变量，已被广泛用于评估城市森林植物对空气污染的耐受性或敏感性，但尚未应用于红树林生态系统。墨西哥拥有全球第四大红树林覆盖面积，坦帕马乔科泻湖（拉姆萨尔湿地1602号）周边的红树林长期暴露于热电厂（CTPALM）排放烟羽，此前研究已证实该排放对红树（Rhizophora mangle）叶片大小、气孔数量和叶绿素含量的影响。本研究首次将APTI应用于红树林生态系统，旨在评估坦帕马乔科泻湖四种红树物种APTI的时空变化及其与卫星大气污染数据的关联，以识别最敏感和最耐受物种，为红树林生物监测与保护提供新工具。该论文发表在《Frontiers in Environmental Science》。

**主要技术方法**

研究于旱季（2023年5月）和雨季（2024年10月）在墨西哥湾坦帕马乔科泻湖沿岸7个样点（Canal、La Bajita、Pipiloya、CFE、La Mata、El Río、Jácome）开展，覆盖该区域全部四种红树物种：Rhizophora mangle、Laguncularia racemosa、Avicennia germinans和Conocarpus erectus。研究人员采集成熟无损伤叶片，测定总叶绿素（TCh）、AA、叶片提取液pH和RWC，按Singh等（1991）公式计算APTI。采用Kruskal-Wallis检验和Dunn多重比较评估差异，运用层次聚类分析（UPGMA）、主成分分析（PCA）和Spearman秩相关分析解析响应模式。利用HYSPLIT模型模拟CTPALM排放烟羽扩散，并结合NASA MERRA-2再分析数据获取污染物月均通量。

**研究结果**

3.1 红树物种生化参数的时空变化

AA浓度旱季较低（0.044-0.085 mg/g），雨季升高（最高0.22 mg/g），但季节间无显著差异。叶片提取液pH为4.91-6.08，均呈酸性，L. racemosa在样点间变异最大。TCh含量旱季显著低于雨季（p<0.05），旱季为0.014-0.061 mg/g，雨季升至0.164-0.643 mg/g，表明雨季光合色素恢复。RWC为55.58%-88.05%，A. germinans旱季最低（55.58%-56.86%）。

3.2 红树物种APTI的差异

所有样本APTI值均低于12，按分级标准归为敏感类。A. germinans在两个季节中均最敏感（旱季均值5.66，雨季7.77），且季节差异显著（p<0.05）；R. mangle平均APTI为7.95，表现中等且相对稳定；L. racemosa平均APTI为7.61，呈中至高等耐受性；C. erectus平均APTI为8.50，耐受性最高。

3.3 生化参数与APTI的关系

Spearman相关分析显示，AA与TCh呈中等正相关（r=0.430，p<0.05），与pH呈中等负相关（r=-0.598，p<0.05）；APTI与RWC呈强正相关（r=0.997，p<0.05），表明RWC是红树林APTI的主要决定因素。

3.4 多变量分析

PCA前两轴解释了78.37%的方差。C. erectus因具有最高的TCh、RWC和APTI值在旱雨季均突出；雨季物种总体呈现较高TCh、RWC和APTI值。层次聚类分析进一步将物种分为耐受性不同的群组，验证了生化参数和APTI的协同响应模式。Pipiloya和La Mata位点在旱雨季均使A. germinans和L. racemosa表现出低RWC、TCh和APTI值，是促进敏感性的关键位点。

3.5 污染物扩散模拟

HYSPLIT模型模拟表明，旱季（2023年5月）东南风以6-10 m/s为主导，将CTPALM排放烟羽导向西北方向，覆盖La Bajita、Canal、Pipiloya和CFE位点；雨季（2024年10月）东北风以1-4 m/s为主导，烟羽转向西南。MERRA-2数据表明，旱季PM_2.5通量（20.92×10^-9 kg/m²·s）约为雨季（9.9×10^-9 kg/m²·s）的两倍。

**讨论与结论**

讨论指出，红树林APTI耐受性受AA抗氧化功能、叶片pH对AA合成的调节、叶绿素光合效率及RWC保水能力的多重生化机制协调控制。红树林叶片高RWC特征使其成为APTI的主要贡献因子，这与陆地植物中AA为主导因子的模式不同。坦帕马乔科泻湖红树林叶片较低的pH可能损害AA合成与再生所需酶活性，导致其APTI值低于其他植物物种。研究强调，除CTPALM排放外，城市交通