北方冬季霧霾對4種常綠植物光合特性的影響

楊靜慧，呂晨菲，張般般，李佳益，王彬彬，盧云慧

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北方冬季霧霾對4種常綠植物光合特性的影響

楊靜慧1a，1b，呂晨菲1a，張般般1a，李佳益1a，王彬彬2，盧云慧2

（1. 天津農(nóng)學(xué)院a. 園藝園林學(xué)院，b. 農(nóng)村污水處理技術(shù)研發(fā)中心，天津 300384；2. 天津綠茵景觀生態(tài)建設(shè)股份有限公司，天津 300384）

為研究北方冬季霧霾條件下常綠植物的光合特性，選取天津地區(qū)具有代表性的4種常綠植物——大葉黃楊、小葉黃楊、劍麻、女貞，測定植物的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci），分析霧霾對4種常綠植物光合特性的影響、種間差異和各參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，晴天時，小葉黃楊的Pn最高，大葉黃楊的最低；Gs值均為大葉黃楊和劍麻的最低，小葉黃楊和女貞較高；Ci為大葉黃楊最高，女貞最低。各植物Pn的差異與Gs變化呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.923。霧霾天時，4種植物的Pn、Gs、Ci顯著降低；霧霾最嚴(yán)重期間，劍麻的Pn值最高、Gs值較低、Ci最高。這與輕度霧霾條件下的測定有較大出入。表現(xiàn)為霧霾明顯降低了小葉黃楊和女貞的Pn、大葉黃楊的Ci和增加了女貞的Ci。重霧霾下，4種植物Pn的差異與Gs的變化無相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.096，與晴天完全不同。2017年1月8—17日，4種常綠植物的Pn與Gs高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.800以上。

冬季；霧霾；常綠植物；光合特性

霧霾已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)生活和身體健康。研究顯示：PM2.5（顆粒物直徑在0.1～2.5 μm）對心血管系統(tǒng)危害嚴(yán)重, 引發(fā)一系列疾病，甚至可以致癌[1]。園林植物是城市生態(tài)環(huán)境的主體，可有效阻滯粉塵、吸收有害氣體，改善空氣質(zhì)量、除塵降溫。園林植物可以減少汽車、工廠排出的二氧化碳，對保持空氣清新、減緩溫室效應(yīng)等有十分重要的作用。據(jù)報道，常綠闊葉林每年吸收的二氧化碳和釋放氧氣的量分別為29、22 t/hm2，其中25 m2的樹林吸收的二氧化碳相當(dāng)于一個人釋放的二氧化碳，并同時提供所需的氧氣[2]。

那么霧霾條件下植物的光合特性有什么變化？不同種類和品種間有無差異？有大量的資料和研究報道是關(guān)于植物光合作用與植物的生產(chǎn)力和生長發(fā)育之間的關(guān)系[3-5], 對PM2.5的研究[6]也主要集中在對園林植物的滯塵、吸附能力的影響等方面, PM2.5對植物光合特性的影響，特別是冬季常綠植物的影響未見報道。研究冬季PM2.5與常綠植物的光合特性的關(guān)系，了解PM2.5對園林植物的影響，探討不同種類植物對霧霾的忍耐力和抗霧霾差異，可以為北方霧霾較嚴(yán)重地區(qū)的園林植物的配置提供依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2017年1月上中旬在天津城建大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行，以北方冬季常綠植物大葉黃楊、劍麻、女貞、小葉黃楊為試驗(yàn)材料。

選擇植株生長一致、健壯、栽植較為密集且分布均勻的地塊為樣地。用隨機(jī)取樣法選擇樣株，樣株要求生長勢較強(qiáng)和無病蟲害。選取植株中上部外側(cè)枝條中部的葉片進(jìn)行葉片各項(xiàng)光合指標(biāo)的測定。每個樹種選取6株進(jìn)行測定，即為6次重復(fù)。每個葉片重復(fù)測定5次。用CL-340便攜式光合作用測定系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。從8:00至11:00連續(xù)測定4種植物的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、細(xì)顆粒物（PM2.5），PM2.5進(jìn)行全天測定。數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 輕度霧霾條件下4種常綠植物的光合特性

我國的PM2.5標(biāo)準(zhǔn)值為24 h平均濃度小于75 μg/m3為達(dá)標(biāo)[7]。圖1是試驗(yàn)期間的PM2.5濃度曲線圖。由圖1可知，1月9日、10日、14日、15日 PM2.5 濃度達(dá)標(biāo)。這4 天4種植物的Pn、Gs、Ci差異見圖2。結(jié)果顯示：（1）4天均表現(xiàn)為小葉黃楊的Pn最高，大葉黃楊的Pn最低，9日、14日、15日的測定差異顯著，4種常綠植物的凈光合速率依次是小葉黃楊＞女貞＞劍麻＞大葉黃楊。（2）4天均表現(xiàn)為小葉黃楊和女貞的Gs較高，大葉黃楊和劍麻Gs較低，其中10日的小葉黃楊Gs最高，劍麻最低，9日、14日、15日的女貞Gs最高，大葉黃楊Gs最低；大葉黃楊Gs與劍麻的Gs無明顯差異，但與小葉黃楊和女貞的Gs差異明顯。（3）4天均表現(xiàn)為大葉黃楊的Ci最高，女貞的Ci最低。9日PM2.5濃度較低，4種常綠植物的Ci依次是大葉黃楊＞小葉黃楊＞劍麻＞女貞，小葉黃楊和劍麻的Ci無顯著差異，但與大葉黃楊、女貞的Ci差異顯著；10日PM2.5濃度最低，4種常綠植物的Ci依次是大葉黃楊＞劍麻＞小葉黃楊＞女貞，大葉黃楊與劍麻的Ci無顯著差異，但與小葉黃楊、女貞的Ci差異顯著；14日PM2.5略高于10日，大葉黃楊、小葉黃楊、劍麻的Ci無顯著差異且在數(shù)值上高于女貞；15日PM2.5是3天內(nèi)最高，4種常綠植物的Ci依次是大葉黃楊＞小葉黃楊＞劍麻＞女貞，小葉黃楊和劍麻的Ci無顯著差異，但與大葉黃楊、女貞的Ci差異顯著。（4）由圖3可知，輕度霧霾條件下（1月10日），各物種Pn的差異與Gs的變化呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.921。吳冰潔研究發(fā)現(xiàn)，不同葉位葉片的氣孔發(fā)育狀態(tài)、Gs及光合速率的變化規(guī)律與葉片生長過程中的光合特性相似，葉片Gs大的植物光合作用就強(qiáng)[8]。徐猛認(rèn)為，影響中華楠Pn的主要因子是Gs、Ci和光照強(qiáng)度[9]。說明了Gs和Ci對光合作用的重要性。

總之，各植物種類的Pn變化與Gs呈顯著的正相關(guān)，大葉黃楊和劍麻的Pn低的，Gs值也低，反之，小葉黃楊和女貞Pn較高的，Gs值也較高。大葉黃楊的Pn低、Gs值低和Ci高。小葉黃楊和女貞的Pn、Gs值和Ci均較高。

圖1 試驗(yàn)期間的PM2.5曲線

圖2 輕霧霾條件下4種常綠植物的的Pn、Gs、Ci差異

注：A. 1月9日；B. 1月10日；C. 1月14日；D. 1月15日；圖中不同小寫字母表示差異顯著（＜0.05），不同大寫字母表示差異極顯著（＜0.01），下同

圖3 輕霧霾條件下4種植物Pn的差異與Gs的變化關(guān)系

2.2 重霧霾條件下4種常綠植物的光合特性

圖4所示，霧霾使4種植物的Pn、Gs、Ci顯著降低。說明霧霾顯著降低了植物的光合特性。這一結(jié)果與蔡燕徽、習(xí)佳林等研究一致[10-11]。霧霾會導(dǎo)致天氣能見度的降低，太陽直接照射的時間減少。其光照時間一般會縮短3～4 h，嚴(yán)重的可達(dá)6～8 h，使光合作用的效能顯著下降[12]。

圖4 4種常綠植物試驗(yàn)期間的Pn、Gs、Ci變化

根據(jù)PM2.5檢測網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)可知，PM2.5濃度大于150 μg/m3為重度污染，大于250 μg/m3為嚴(yán)重污染。選取了PM2.5濃度大于150 μg/m3的1月11日、17日2天測定4種常綠植物的Pn、Gs、Ci（圖5），結(jié)果顯示：2天霧霾最嚴(yán)重期間，Pn值最高，Gs值較低，劍麻的Ci最高。這與輕度霧霾條件下的測定有較大的差別。表現(xiàn)為霧霾較大地降低了小葉黃楊和女貞的Pn，降低了大葉黃楊的Ci和增加了女貞的Ci。晴天和霧霾天時，小葉黃楊和女貞的Gs均較高。

注：A. 1月11日；B. 1月17日

如圖6所示，1月11日霧霾天氣下，4種植物Pn的差異與Gs的變化無相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.096，與晴天的完全不同。說明霧霾干擾了植物的光合作用。

圖6 霧霾天4種植物Pn與Gs的變化關(guān)系

2.3 北方冬季霧霾條件下4種常綠植物Pn與Gs的關(guān)系

圖7顯示了2017年1月8—17日，4種常綠植物的Pn與Gs之間的關(guān)系。4種植物的 Pn與Gs相關(guān)性良好。這一研究與余婷婷等的研究結(jié)果一致[13]。余婷婷等通過對葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉綠素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率等10個光合性狀的相關(guān)性及QTL分析發(fā)現(xiàn)，Pn與Gs、Gs與Ci為中度相關(guān)。

圖7 冬季4種植物Pn與Gs的關(guān)系

注：A. 大葉黃楊；B. 小葉黃楊；C. 劍麻；D. 女貞

3 結(jié)論

試驗(yàn)期間，各植物種類的Pn變化與Gs呈顯著的正相關(guān)，大葉黃楊和劍麻的Pn低的,Gs值也低，反之，小葉黃楊和女貞Pn較高的,Gs值也較高。大葉黃楊的Pn低、Gs低和Ci高。小葉黃楊和女貞的Pn、Gs值和Ci均較高。

重度霧霾較大地降低了小葉黃楊和女貞的Pn，降低了大葉黃楊的Ci和增加了女貞的Ci。霧霾期間劍麻的Pn值最高，劍麻的Gs值較低。重霧霾條件下，4種植物Pn的差異與Gs值的變化無相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.096。說明重度霧霾干擾了植物的光合作用。

輕度霧霾條件下，不同植物的Pn和Gs值變化呈高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.923。霧霾影響了植物的Pn和Gs，使兩者不相關(guān)。相同植物的不同時間里測定的Pn和Gs值呈高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.800。

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[9] 徐猛. 廣州帽峰山常綠闊葉林2個優(yōu)勢種光合特征的研究[D]. 北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2009.

[10] 蔡燕徽. 城市基調(diào)樹種滯塵效應(yīng)及其光合特性研究[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2010.

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[13] 余婷婷，劉朝顯，梅秀鵬，等. 玉米光合性狀的相關(guān)性及QTL分析[J]. 西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，37（9）：1-10.

責(zé)任編輯：楊霞

Effects of northern winter haze on photosynthetic characteristics of four evergreen plants

YANG Jing-hui1a,1b, Lü Chen-fei1a, ZHANG Ban-ban1a, LI Jia-yi1a, WANG Bin-bin2, LU Yun-hui2

（1. Tianjin Agricultural University a. College of Horticulture and Landscape, b. Research and Development Center for Rural Sewage Treatment, Tianjin 300384, China; 2. Tianjin LüYIN Landscape and Ecology Construction Co.Ltd, Tianjin 300384, China）

In order to study the photosynthetic characteristics of evergreen plants in northern winter haze, net photosynthetic rate（Pn）, stomatal conductance（Gs）and intercellular carbon dioxide concentration（Ci）of the plants were measured with 4 evergreen plants in Tianjin，including Euonymus japonicus, Populus simonii, sisal and prive by CL-340 portable photosynthesis instruments. The effects of haze was analyzed on the photosynthetic characteristics of four evergreen plants , the differences and the relationship among four plants. The results show that Pn was the highest in Populus simonii and was the lowest in Euonymus japonicus in three sunny days. Gs was lowest in Euonymus japonicus and sisal, but was highest in Populus simonii and Privet. Ci was the highest in Euonymus japonicas and was the lowest in Privet. The difference of Pn in each species was positively correlated with the change of Gs, the correlation coefficient was 0.923. Pn, Gs, and Ci of the four plants were significantly decreased in haze days. Sisal has higher Pn, lowest Gs and the highest Ci under heavy haze. This conclusion was different from the sunny conditions. It means that the haze reduced Pn of Populus simonii and Privet largely, the Ci of Euonymus japonicus and increased Ci of Privet at the same time. In the case of heavy haze, the difference of net photosynthetic rate（Pn）among the four plants was not correlated with the change of stomatal conductance（Gs）, the correlation coefficient was 0.096，which is completely different from that of sunny days. From 11 to 17 in January 2017 with haze, Gs of four plants were significantly highly correlated with Pn. The correlation coefficient was above 0.8.

winter;haze;evergreen plants;photosynthetic characteristics

1008-5394（2018）04-0006-04

10.19640/j.cnki.jtau.2018.04.002

S688；X513

A

2017-03-23

天津市農(nóng)委項(xiàng)目（201502100）；天津市科委項(xiàng)目（16YFZCNC00750，15PTSYJC00130）

楊靜慧（1961 -），女，教授，博士，主要從事園藝植物栽培、抗逆生理和分子育種研究。E-mail：jinghuiyang2@aliyun.com。