8種喬木的滯塵效果及對光合作用的影響

林星宇 李彥華 李海梅 宋慶文

摘 要：【目的】研究青島市城陽區(qū)道路綠地8種喬木的滯塵能力及其與光合作用的關(guān)系，為城市園林綠化提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^洗脫法對8種喬木的滯塵能力進行測定，用JEOL7500F電子顯微鏡進行葉表面結(jié)構(gòu)的觀測，用光合儀對滯塵后的光合速率進行測定?！窘Y(jié)果】8種喬木秋季雨后平均單位葉面積滯塵量大小表現(xiàn)為：紫葉李Prunus cerasifera>懸鈴木 Platanus orientalis>女貞Ligustrum lucidum>洋白蠟Fraxinus pennsylvanica>毛白楊Populus tomentosa >國槐Sophora japonica>欒樹Koelreuteria paniculata>絳柳Salix matsudana。8種喬木滯塵后，植物葉片的凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率普遍受到抑制，在連續(xù)滯塵60 d內(nèi)，8種喬木的凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率普遍呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在滯塵后期均有一定程度地恢復(fù)。8種喬木光合特征參數(shù)損失最大的是女貞，其次是絳柳和國槐，欒樹和紫葉李的光合特征參數(shù)損失率較小。8種喬木葉片光合特征參數(shù)損失率與單位葉面積滯塵量的相關(guān)分析表明，多項式方程擬合效果較好，r值均較高?！窘Y(jié)論】紫葉李滯塵能力最強，絳柳最弱;絳柳、女貞和國槐葉片對于大氣顆粒物的抗性較差，欒樹和紫葉李對于大氣顆粒物的抗性強，具有較強的抗粉塵污染能力;8種喬木光合特征參數(shù)損失率與滯塵量均存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系，植物葉片滯塵量越大，光合損失越多，各種光合特征參數(shù)也顯示出很強的正相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：青島;喬木滯塵量;光合響應(yīng);擬合關(guān)系

中圖分類號：S 688;X 513文獻標識碼：A文章編號：1008-0384（2019）03-313-06

Abstract： 【objective】 Photosynthesis in relation to dust retention of leaves on 8 species of arbor trees in the city of Qingdao was studied for urban landscape planning. 【methods】The 8 species planted on the greenbelt at Chengyang District in the city were tested for their dust retention capabilities by means of water elution. Before and after a dust collecting period，surface of the tree leaves was examined under a JEOL7500F electron microscope，and the photosynthetic rate determined by a photosynthesis instrument. 【results】The average dust retained per unit leaf area of the trees after an autumn rain ranked in the order of Prunus cerasifera>Platanus orientalis>Ligustrum lucidum>Fraxinus pennsylvanica>Populus tomentosa>Sophora japonica>Koelreuteria paniculata>Salix matsudana. In general，the net photosynthetic rate，intercellular CO2 concentration，stomatal conductance and transpiration rate of the leaves all declined after a dust covering. In 60 days of continuous dust-fall on the leaves，these indicators steadily decreased and recovered only to some extent after dust removal. The greatest losses on photosynthesis among the 8 species occurred upon L. lucidum，followed by T. tapeanum and R. japonica. The losses by percentage were relatively low for K. paniculata and P. cerasifera. A correlation analysis showed a best fitted model between the rate of photosynthetic losses and the dust retention per unit leaf area for the 8 species to be a polynomial equation. 【conclusion】 Among the species，P. cerasifera exhibited the greatest dust retention capability，while S. matsudana the least. The leaves of S. matsudana，L. lucidum and R. japonica were poor in resisting atmospheric dust，while those of L. lucidum and P. cerasifera seemed strong. A significant correlation between the rate of photosynthesis loss and dust retention of tree leaves was found for the 8 species. The more dust covered the leaves，the greater degree of tree photosynthesis was in jeopardy. There also were significant correlations among the various photosynthetic indicators of the tree leaves.

Key words：Qingdao; dust retention per unit leaf area; photosynthetic response; fitting relationship

0 引言

【研究意義】環(huán)境污染關(guān)系到人類長期的生存和發(fā)展，受到了當今世界各國的普遍關(guān)注和重視，隨著城市化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，我國很多城市大氣粉塵超標現(xiàn)象嚴重，對人類的健康造成了嚴重影響[1]。園林植物可以吸附大氣顆粒物，對降低大氣顆粒物污染、改善空氣質(zhì)量有重要作用，植物對顆粒物的吸附功能研究已成為當前城市生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究的熱點[2]。光合作用是植物基礎(chǔ)物質(zhì)代謝，對環(huán)境變化十分敏感，植物滯塵后的光合響應(yīng)能反映植物對于粉塵抗性的強弱。近幾年，人們對于植物的滯塵效益研究日漸深入，但是目前學(xué)者對于植物滯塵能力及滯塵后的光合響應(yīng)的研究較少，尤其是青島地區(qū)鮮有報道，數(shù)據(jù)資料相對缺乏，因此對于此方面的研究至關(guān)重要，這有助于篩選滯塵量大且抗粉塵污染的植物，為綠化提供科學(xué)參考。

【前人研究進展】研究表明，不同植物的滯塵效果有差異[3]。Liu等[4]通過對4種不同類型的城市樹木在工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)的滯塵量研究表明，曼陀羅滯塵量最高，分別為12.723 g·m-2和1.482 g·m-2，洋紫荊最低僅為2.682 g·m-2和0.720 g·m-2。郭宏凱等[5]對北京市4個常見綠化樹種的研究表明，各樹種滯塵能力表現(xiàn)為油松>側(cè)柏>核桃>銀杏，針葉樹種的滯塵能力較闊葉樹種強。Sun等[6]通過對青島市城陽區(qū)的6種灌木的滯塵能力研究表明，6種灌木的單位葉面積滯塵能力表現(xiàn)為大葉黃楊>火棘>金葉女貞>榆葉梅>小蠟>連翹，一般24 d就能達到單位葉面積最大滯塵量。園林植物在不同粉塵污染環(huán)境下的光響應(yīng)曲線特征參數(shù)隨著環(huán)境粉塵污染程度的增加呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢，說明粉塵污染顯著影響著植物光合作用的光響應(yīng)特征[7]。李恩寶等[8]研究表明，珊瑚樹和毛竹葉片受粉塵污染后，其凈光合速率和氣孔導(dǎo)度在相同條件下較其他植物損失小，即抗粉塵污染能力較強;而香樟、雷竹的損失率較大，即抗粉塵污染能力較弱。張毓?jié)萚9]通過對云杉受粉塵影響后的光合生理特性的變化研究表明，受粉塵影響的葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率分別降低了44%、44%和45%。呂東蓬[10]通過對3種垂直綠化植物滯塵效應(yīng)與其對光合作用影響的研究表明，由于植物本身生物特性的不同，在同一地點下，不同植物葉片滯塵對光合特征參數(shù)的影響具有顯著差異，云南黃馨滯塵前后的凈光合速率平均數(shù)分別為16.66和16.16 μmol·m-2·s-1，野薔薇滯塵前后的平均凈光合速率分別為16.37和16.09 μmol·m-2·s-1，爬山虎滯塵前后的平均凈光合速率分別為16.06和15.39 μmol·m-2·s-1。3種垂直綠化葉片的3種光合特征參數(shù)損失率都隨葉片滯塵量的增加而增大，呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

【本研究切入點】現(xiàn)階段，滯塵對植物光合作用影響的研究不多，資料不足，基本沒有涉及青島地區(qū)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文針對青島市城陽區(qū)，交通干道8種常見喬木進行滯塵能力測定，同時對滯塵后光合作用的變化進行研究，篩選出具有良好滯塵效果和抗粉塵污染能力強的植物，以便更好地指導(dǎo)園林綠化建設(shè)。

1 材料與方法

1.1 研究地點

青島位于中國山東省東部沿海地區(qū)，研究選擇青島市北部的城陽區(qū)（120°12 ′E，36°20 ′ N），這一地區(qū)的地貌由低山丘陵和低洼的平原組成，東側(cè)是嶗山，西側(cè)是膠州灣。氣候區(qū)是大陸性季風(fēng)，具有獨特的微氣候區(qū)，適合于各種植物生長。年平均氣溫12.6℃，年平均降雨量約為700 mm[6]。

1.2 材料

時間選取青島市城陽區(qū)具有典型性和代表性的道路綠地（正陽路、長城路、春陽路）為試驗區(qū)域（該區(qū)域位于區(qū)中心地帶，車流量與人流量較大），選擇健康的生長狀況相似的8種喬木作為研究對象，每種喬木選擇3個樣株。

1.3 方法

1.3.1 樣品的采集

一般認為，雨量達到15 mm以上，雨強達到10 mm·h-1就可以沖刷掉葉片上的粉塵，然后植物重新滯塵[11]。試驗于2018年秋季月雨后每隔3 d（即3、6、9、12、15、18、21、24、27、30 d）采集一次葉片，在各采樣點選擇生長健康的綠化樹種，每個樹種用高枝剪隨機采集3～4 株，并依據(jù)葉片大小差異，采10～30葉片，重復(fù)3次。在樹冠外圍東南西北4個方向進行均勻采樣，采樣高度保持一致，采集過程中盡量避免抖動，以免葉片上的灰塵脫落，將采集后的葉片小心封存于自封塑料袋中并帶回實驗室處理[12]。

1.3.2 單位葉面積滯塵量測定

葉片滯塵量測定采用“干洗法”稱量，將成熟葉片倒入裝有蒸餾水的燒杯中，因懸鈴木葉片較大，因此用3 000 mL燒杯，其余葉片根據(jù)葉片大小選擇500～1 000 mL燒杯，浸洗下葉片上的附著物，浸泡過程中注意要不斷攪拌，以保證塵粒充分融入水中，浸泡3 h后，用毛刷洗刷葉片，再次保證塵粒融入水中。用鑷子將洗凈的葉片小心夾出，用已烘干至恒重的濾紙（W1）過濾浸洗液，濾完之后將濾紙置于干燥箱中烘干24 h（設(shè)置溫度為65℃），再用萬分之一天平稱質(zhì)量（W2），2次質(zhì)量之差即為滯塵量。用便攜式葉面積儀Yaxin-1241分別測定每種植物的葉表面積（S），則單位葉面積滯塵量Q=（W2-W1）/S[13]。

1.3.3 葉片光合指標的測定

運用 Licor-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)測定各項光合指標，主要包括凈光合速率（A）、蒸騰速率（E）、氣孔導(dǎo)度（Gs）。選擇晴天、靜風(fēng)天氣，在室外自然光照條件下進行光合測定。測定時間在9∶00～11∶00 和 14∶00～16∶00，此時段內(nèi)葉面入射光強和葉面溫度相對較穩(wěn)定。各樹種測定3株（即3個重復(fù)），每株樹隨機選擇 3 片大小相似、生長良好、生長于陽面的葉片，每片葉測試 3 個有效瞬時值。把大雨后第1 d作為滯塵前的潔凈葉片并設(shè)為對照值，在雨后兩個月內(nèi)每隔6 d（即6、12、18、24、30、36、42、48、54、60 d）測定1次數(shù)值作為滯塵后的光合變化，取滯塵前的測定結(jié)果和滯塵后（即滯塵60 d后）的光合參數(shù)的差值，根據(jù)以下公式分別計算植物凈光合速率（或蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度）損失率（%）：△Y=（Y0-Yi）/Y0×100% 其中，△Y 即各光合指標損失率，Y0代表樹種潔凈葉片的光合測定值，Yi代表樹種滯塵葉片的光合測定值[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS21.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，同時采用 Microsoft Excel 2003 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、整理和繪圖，利用SPSS21.0對30 d內(nèi)（6、12、18、24、30 d）滯塵對光合特征（凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率）的影響進行擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 8種喬木滯塵量比較

對道路綠地中8種喬木的滯塵量進行統(tǒng)計分析，結(jié)果（圖1）表明，各喬木春季雨后30 d內(nèi)的平均單位葉面積滯塵量有顯著性差異（P<0.05）。

紫葉李、懸鈴木和女貞單位葉面積滯塵量較大，滯塵量分別為（4.50±0.73）、（4.04±0.69）、（3.93±0.72）g·m-2，洋白蠟、毛白楊和國槐次之，分別為（3.44±0.57）、（3.02±0.52）、（2.75±0.42）g·m-2，欒樹、絳柳單位葉面積滯塵量較小，分別為（2.00±0.31）、（1.56±0.28）g·m-2，其中單位葉面積滯塵量最大的紫葉李滯塵量達到最小絳柳的2.88倍左右，8喬木滯塵量表現(xiàn)為紫葉李>懸鈴木>女貞>洋白蠟>毛白楊>國槐>欒樹>絳柳，差異顯著（P<0.05）。

2.2 滯塵對光合特征的影響

對8種喬木葉片滯塵后凈光合速率的測定，60 d內(nèi)，植物葉片的光合特征變化如圖2所示。

可以看出，8種喬木滯塵后，其葉片的光合特征普遍受到抑制，在連續(xù)滯塵60 d內(nèi)，8種喬木的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）及蒸騰速率（E）在滯塵后呈明顯下降趨勢，植物葉片的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）及蒸騰速率（E）在30～48 d內(nèi)達到最低點并隨著滯塵時間的增加，光合特征有一定程度的恢復(fù)。其中國槐、女貞、毛白楊、懸鈴木、洋白蠟在滯塵后的30～48 d內(nèi)光合特征最大抑制率均達到40% 以上，其中國槐抑制率最大，凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）及蒸騰速率（E）損失率分別達到59.84%、54.74%、47.64%、59.66%，絳柳、欒樹、紫葉李的光合特征最大抑制率較低，均在30%以下。在連續(xù)滯塵后期，8種喬木的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）及蒸騰速率（E）均呈現(xiàn)一定程度恢復(fù)，其中洋白蠟、欒樹和紫葉李的光合特征恢復(fù)程度較大，均恢復(fù)至滯塵之前的80%以上，其中洋白蠟最大抑制率較大，但后期光合特性較強，說明恢復(fù)能力較強。

2.3 光合特征參數(shù)損失率

選取雨后第1 d作為滯塵前的潔凈葉片，60 d后的光合參數(shù)作為滯塵后葉片，比較8種喬木光合特征參數(shù)損失率的大小。由表1可以看出，8種喬木中女貞的光合特征參數(shù)損失率最大，其凈光合損失率為35.94%，胞間CO2濃度損失率為33.32%，氣孔導(dǎo)度損失率為37.35%，蒸騰速率損失率為33.32%，其次絳柳和國槐的光合特征損失率也較大，凈光合速率（Pn）損失率、胞間CO2濃度（Ci）損失率、氣孔導(dǎo)度（Gs）損失率及蒸騰速率（E）損失率均為30%左右，表明絳柳、女貞和國槐葉片對于大氣顆粒物的抗性較差，受空氣顆粒物影響大。欒樹滯塵前后的光合特征參數(shù)損失最小，其凈光合損失率為11.56%，胞間CO2濃度損失率為12.32%，氣孔導(dǎo)度損失率為14.62%，蒸騰損失率為12.32%，紫葉李的光合特征參數(shù)損失率次之，其凈光合損失率為15.87%，胞間CO2濃度損失率為17.75%，氣孔導(dǎo)度損失率為14.65%，蒸騰損失率為17.75%，具有較強的抗粉塵污染能力。

2.4 植物葉片光合特征參數(shù)損失率與單位葉面積滯塵量的相關(guān)分析

表2為8種喬木的光合特征參數(shù)損失率與植物單位葉面積滯塵量的相關(guān)分析結(jié)果。結(jié)果顯示，多項式方程擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)均較高，說明短期內(nèi)8種喬木光合特征參數(shù)損失率（凈光合速率損失率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度損失率、蒸騰速率損失率）與滯塵量均存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系，植物葉片滯塵量越大，光合特征損失率越大，而各種光合特征參數(shù)也顯示出很強的正相關(guān)性。

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果表明，紫葉李單位葉面積滯塵量最大，懸鈴木、女貞次之，國槐、洋白蠟和絳柳單位葉面積滯塵量較低，其中滯塵量最大的紫葉李是最小絳柳的2.88倍，這與之前的研究結(jié)果，樹種的滯塵能力可相差 2～3 倍[15-16]一致，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，懸鈴木、毛白楊葉片的絨毛較多，試驗結(jié)果可能偏大，因此滯塵量的試驗方法需要做進一步改進，避免絨毛對試驗結(jié)果的影響。8種喬木的光合特征參數(shù)損失率與植物單位葉面積滯塵量均存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系，說明植物葉片滯塵量越大，光合損失率越大，這與黃慧娟[17]研究結(jié)果一致。本試驗僅測定了秋季短期內(nèi)光合特征的變化，參數(shù)變化并未達到穩(wěn)定，所以不能反映其在長期蒙塵覆蓋下的響應(yīng)，對于滯塵后更長時間內(nèi)光合特征的變化有待于進一步研究。本文僅研究了園林植物在粉塵污染下的光響應(yīng)，沒有測定光合日變化，雖然試驗全部在上午9∶00～11∶00和14∶00～16∶00完成，光照比較穩(wěn)定，但是前后經(jīng)歷60 d的試驗，依然會有光強的變化，光強會越來越小，所以今后的研究者應(yīng)該考慮在粉塵污染下植物的光合日變化情況以及在光強穩(wěn)定的情況下進行測定。葉片的滯塵量隨著日期的延長而增加，到了一定極限后，不再增加，但光合特征后期逐漸恢復(fù)，推測原因是塵污染脅迫下導(dǎo)致植物體內(nèi)酶活性升高，葉綠素合成增加，光合速率升高，具體原因有待進一步研究。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，樹種的滯塵能力與抗塵能力并無相關(guān)性，比如懸鈴木和女貞滯塵能力較大，而抗塵能力卻一般，欒樹滯塵能力較低，抗塵能力卻較強，這與蔡燕徽[14]研究結(jié)果一致。研究表明，植物滯塵后光合作用降低往往是因為顆粒物堵塞氣孔，粉塵在葉表面結(jié)成硬殼限制了葉片氣體交換，阻擋光線，或者葉片內(nèi)葉綠素的含量降低造成了光合作用的下降[18]，本文只對不同喬木抗性強弱進行對比研究，沒有深入研究植物抗性差別存在的原因，而且樹種種類較少，缺少對灌木植物、藤本植物及草本植物的研究。因此后期應(yīng)擴大試驗的植物種類，進一步研究植物抗性差別存在的原因，以便于在城市生態(tài)建設(shè)中，利用科學(xué)的方法，篩選出滯塵能力強且對塵污染抗性強的樹種，為園林綠化提供參考依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：黃愛萍）