準(zhǔn)東礦區(qū)降塵對梭梭光合特性的影響

秦璐 張雯 楊林紅 祖力克爾江·阿布都熱西提 阿孜古麗·阿不都拉 伍德彥 易鴛鴦

摘要：煤礦開采過程中，產(chǎn)生的降塵生成量大、成分復(fù)雜，不僅是大氣污染的主要來源，亦對植物的代謝、形態(tài)和發(fā)育有不可估量的損害。本文選擇準(zhǔn)東煤田為研究區(qū)，建群種梭梭（Haloxylon ammodendron）為研究對象，采用Li-6400XT（LI-COR，USA）測定梭梭樣地不同時期光合特性指標(biāo)，同時測定降塵量，探討降塵量與梭梭光合生理指標(biāo)變化量的關(guān)系，探究降塵量與光合響應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明：（1）6月降塵均值最大，且顯著高于8月和9月（P<0.05），8月降塵最小，至9月降塵量又逐漸增加。（2）降塵與梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且均呈線性回歸模型。研究結(jié)果可為干旱區(qū)露天煤礦區(qū)大氣環(huán)境污染監(jiān)控、環(huán)境風(fēng)險預(yù)警與防控提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：煤礦;光合參數(shù);干旱區(qū);污染

中圖分類號：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）03-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.115

Effect of dust precipitation on photosynthetic characteristics of Haloxylon ammodendron in Zhundong mine area

Qin Lu1，2，Zhang wen1，2，Yang Linhong1，2，Zulikeerjiang·Abudurexiti1，2，Aziguli·Abudula3，Wu Deyan1，2，Yi Yuanyang1，2

（1.Xinjiang Academy of Environment Protection Science，Urumqi Xinjiang 830011，China;2.Xinjiang Key Laboratory of Environmental Pollution Monitoring and Risk Warning，Urumqi Xinjiang 830011，China;3.Xinjiang Uygur Autonomous Region Environmental Protection Publicity and Education Center，Urumqi Xinjiang 830046，China）

Abstract：In the process of coal mining， the production of dust is large and the composition is complex， which is not only the main source of atmospheric pollution， but also has immeasurable damage to the metabolism， morphology and development of plants.This paper selects the Zhundong coal field as the research area， and constructive species Haloxylon ammodendron as the research object，the characteristics of photosynthetic characteristics of Haloxylon ammodendron leaves were determined by Li-6400XT， and the dust precipitation were also measured， the relationship between the amount of dust fall and the change of plant physiological indexes was discussed， the intrinsic relationship between dust fall and photosynthetic characteristics response. The results showed that.（1）The average dust fall in June was the largest and significantly higher than that in August and September （P<0.05）.The dust precipitation in August was the smallest， and the dust fall in September gradually increased.（2） dust precipitation was negatively correlated with Pn， Gs and Tr of Haloxylon ammodendron （P<0.01）， and positively correlated with Ci （P<0.01）， showing linear regression model.The results can provide a theoretical basis for the monitoring and control of air pollution， early warning and prevention of environmental risk in open coal mine areas in arid area.

Key words：Coal mine;Photosynthetic parameters;Arid area;Pollution

環(huán)境污染對植物生理生態(tài)的影響一直是環(huán)境生物學(xué)研究的熱點問題之一[1-5]。目前，我國大氣污染總體十分嚴(yán)重[6]，降塵是危害大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素之一，其不僅破壞環(huán)境空氣質(zhì)量，影響人體的健康，同時也會對植被生長造成不可估量的傷害[7，8]。

新疆地處中溫帶極端干旱的荒漠地帶，自然生態(tài)系統(tǒng)平衡易遭破壞，而且破壞后難以恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。新疆煤炭資源豐富，已逐漸成為我國新的煤炭能源基地，且露天礦多。由于礦產(chǎn)資源開發(fā)是一種具有大規(guī)模高強度性質(zhì)的生態(tài)擾動行為，在生態(tài)十分脆弱地區(qū)不重視其環(huán)境影響和生態(tài)損傷必然產(chǎn)生嚴(yán)重后果。露天煤礦開采過程中產(chǎn)生的降塵是主要大氣污染物，對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響。由于光合作用對環(huán)境的變化十分敏感，因此，植物受傷害的癥狀最早出現(xiàn)在葉片的光合指標(biāo)的改變上。如，索晨[9]在不同程度降塵對青菜和水稻幼苗生長發(fā)育的研究中發(fā)現(xiàn)：大氣降塵顯著抑制了這 2 種農(nóng)作物的光合速率，降低了葉片中葉綠素含量。王家強等[10]研究表明，單位葉面積降塵量與棉花葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率都表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)。高迪[11]對礦區(qū)周邊草原植物的光合測定發(fā)現(xiàn)，煤礦露采過程中產(chǎn)生的粉塵污染對植物的葉片光合與蒸騰作用有較明顯的負(fù)面作用。

本文通過對新疆干旱區(qū)典型露天煤礦不同程度煤塵污染區(qū)、梭梭不同生長期的降塵量及其光合參數(shù)進(jìn)行測定和分析，明晰兩者的時空變化特征，探討降塵與植物生理指標(biāo)變化量的關(guān)系，探究降塵對梭梭光合特性影響特征。研究可為干旱區(qū)露天煤礦區(qū)大氣環(huán)境污染監(jiān)控、環(huán)境風(fēng)險預(yù)警與防控提供理論基礎(chǔ)，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險預(yù)警與受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆準(zhǔn)東露天煤礦是新疆最大的整裝煤田，地處天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地，位于吉木薩爾縣西北的五彩灣地區(qū)，距離吉木薩爾縣 130 km，距離烏魯木齊 220 km。區(qū)域內(nèi)有 5 個正在開采的大型露天煤礦[12]，分別為湖北宜化煤礦、大成能源煤礦、天池能源煤礦、神華新疆能源煤礦、神東天隆煤礦，區(qū)域內(nèi)天然植被類型少、結(jié)構(gòu)單一，植被生長矮小且稀疏，多為荒漠植被，有梭梭、琵琶柴、假木賊、沙拐棗、鹽節(jié)木等，其中以梭梭為主。

1.2 采樣點選取

本文選擇準(zhǔn)噶爾東部煤田為研究區(qū)，采用上風(fēng)向-下風(fēng)向法，以研究區(qū)常年盛行風(fēng)為主方向，結(jié)合礦坑分布、植被分布等因素在研究區(qū)選取18個研究單元，這些研究單元反映煤塵污染區(qū)不同污染程度，在每一研究單元內(nèi)選擇梭梭群落進(jìn)行植被調(diào)查。

1.3 降塵測定

每個樣點放置 3 個（內(nèi)徑15±0.5cm，高30cm的圓筒形玻璃缸）集塵缸。各監(jiān)測點均按照《環(huán)境空氣降塵的測定》 規(guī)定的技術(shù)要求采樣及分析，采樣裝置自行加工而成，于每個集塵缸內(nèi)加入50mL乙二醇和 50mL水[13]，將 3個集塵缸放置距地面1.5m 的不銹鋼支架上。采樣結(jié)束后，集塵缸罩上塑料袋帶回實驗室，將每個采樣點的 3個集塵缸樣品進(jìn)行合并后測定。

1.4 光合參數(shù)測定

在6月、8月、9月選擇天氣晴好的連續(xù)幾天，在每個研究單元的取樣植株（包括重復(fù)植株）冠層4個方向上均選擇長勢、大小相似無病害的一簇葉，用便攜式光合測定儀Li-6400XT（LI-COR，USA）簇狀葉室測定野外梭梭光合參數(shù)。每個樣地測定30個重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

利用SAS8.0計算數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤（SE）;選擇單因素方差分析檢驗不同時期降塵含量、光合參數(shù)變化的差異性，并采用相關(guān)分析法分析降塵和梭梭光合參數(shù)的相關(guān)程度;運用Duncan檢驗法對顯著性差異（P<0.05）進(jìn)行多重比較;利用ArcGis軟件繪制采樣點示意圖，利用Excel 2003（Microsoft，USA）輔助作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時期降塵含量變化

由表1可以看出，研究區(qū)6月降塵均值最大，為45.98±3.68 t/km3·30d，范圍為7.93～70.08t/km3·30d，且顯著高于8月和9月（P<0.05），8月降塵最小，為14.58±1.32t/km3·30d，至9月降塵量又逐漸增加，為20.45±1.10t/km3·30d。

2.2 不同時期梭梭光合參數(shù)變化

6月和8月、9月，研究區(qū)梭梭凈光合速率（Pn）均值分別為1.79±0.29μmol·m-2·s-1、14.06±2.20μmol·m-2·s-1和10.93±1.26μmol·m-2·s-1;由圖2可以看出，隨著季節(jié)的變化，凈光合速率先上升后下降，且6月和8月、9月之間差異顯著（P<0.05），8月與9月之間差異不顯著（P>0.05）。

6月和8月、9月，梭梭氣孔導(dǎo)度（Gs）均值分別為0.03±0.004 mol·m-2·s-1、0.08±0.01mol·m-2·s-1和0.09±0.01mol·m-2·s-1，隨著季節(jié)的變化，氣孔導(dǎo)度逐漸上升，且6月和8月、9月之間差異顯著（P<0.05），8月與9月之間差異不顯著（P>0.05），可見，8-9月，梭梭凈光合速率和氣孔導(dǎo)度無顯著差異。

6月和8月、9月，梭梭胞間CO2濃度（Ci）均值分別為237.61±17.99μmol·mol-1、100.88±17.55μmol·mol-1和148.34±19.19μmol·mol-1，胞間CO2濃度隨著季節(jié)的變化呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且差異顯著（P<0.05）;

6月和8月、9月，梭梭蒸騰速率（Tr）均值分別為1.44±0.21μmol·m-2·s-1、4.13±0.59μmol·m-2·s-1和2.24±0.26μmol·m-2·s-1;蒸發(fā)速率則呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，且差異顯著（P<0.05）。

2.3 降塵和梭梭光合熒光參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

從表2可以看出，研究區(qū)降塵與梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），且均呈線性回歸模型（圖3），即降塵量越大，梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率越小;降塵與胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且呈線性回歸模型（圖3）。

3 討論

降塵會在植物葉片表面長期積累進(jìn)而通過影響光合作用、阻塞氣孔等對植物的正常生長或作物產(chǎn)量造成不利影響。研究區(qū)降塵與梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)參數(shù)和蒸騰速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），且均呈線性回歸模型，即降塵量越大，梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率越小。與多數(shù)研究相同，如莫治新等[14]在塔里木盆地利用多重比較方法分析了降塵對蘋果（Malus domestica Borkh.）葉片的光合作用及營養(yǎng)特性的影響，表明降塵使蘋果葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）均下降。殷彩云等[15]研究發(fā)現(xiàn)，苗期降塵對棉花凈光合速率、蒸騰速率的差異均達(dá)到了極顯著水平，而對葉綠素含量的影響在苗期也非常顯著。索晨等[9]為揭示大氣降塵對作物生長和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，采用不同來源和不同程度的降塵，模擬開展降塵-農(nóng)作物盆栽試驗，分析青菜和水稻幼苗光合及呼吸速率、葉綠素含量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量以及重金屬含量的變化，結(jié)果表明大氣降塵顯著抑制了2種農(nóng)作物的光合速率。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降塵與梭梭胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與管陽等[16]的研究結(jié)果相同，這可能是由于凈光合速率降低，對CO2的消耗減少而引起的。

4 結(jié)論

（1）6月降塵均值最大，且顯著高于8月和9月（P<0.05），8月降塵最小，至9月降塵量又逐漸增加。

（2）研究區(qū)降塵與梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且均呈線性回歸模型。

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收稿日期：2020-01-16

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2016D01B053）資助。

作者簡介：秦璐（1985-），女，漢族，高級工程師，博士，研究方向為干旱區(qū)生態(tài)學(xué)等。