NO2脅迫下38種園林植物的形態(tài)傷害指數(shù)分析

圣倩倩，徐晶圓，宋 敏，祝遵凌，c

（南京林業(yè)大學 a.風景園林學院；b.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心；c.藝術設計學院，江蘇 南京 210037）

氮氧化物（NOx，包括NO 和NO2）是對流層中臭氧及氣溶膠產(chǎn)生的重要化學物質(zhì)[1]。生活中的各種燃燒過程都會產(chǎn)生氮氧化物，在光照下發(fā)生光化學反應產(chǎn)生臭氧，臭氧和光化學煙霧的不斷增多，嚴重影響了對流層化學結(jié)構(gòu)[2]。NO2是一種棕紅色有刺激性臭味的氣體，對大氣能見度及光的吸收有著直接的影響[3-6]，為主要大氣污染物之一。已有研究表明，當前平流層NO2含量相對穩(wěn)定，對流層NO2主要由工業(yè)生產(chǎn)和人類活動造成的，主要來源于汽車尾氣、火力發(fā)電站和其他工業(yè)燃氣廢料生產(chǎn)過程產(chǎn)物[7-8]。NO2對人體的危害主要是影響呼吸系統(tǒng)，引起支氣管炎；NO2會刺激呼吸器官，侵入肺部，與細胞液結(jié)合形成亞硝酸和硝酸，產(chǎn)生強烈的刺激甚至腐蝕，引起肺氣腫，有時還會刺激眼黏膜，麻痹嗅覺。如大氣中NO2濃度達1.0 mg/m3，它會影響哮喘患者，使其陷入危險狀態(tài)。根據(jù)福建一家工廠急性中毒事件，在濃度約30.08 mg/m3NO2暴露20 min 后，會出現(xiàn)頭暈、惡心、嘔吐、呼吸困難、四肢乏力等癥狀，甚至暈倒[9]。因此，空氣中的NO2濃度含量被當成是度量人類污染強弱的指標之一[10]。

中國環(huán)境狀況公報（2015）報道了31 個?。▍^(qū)、市）NO2污染濃度[11]，發(fā)達城市中如北京、上海，大氣NO2平均濃度分別為50 μg/m3和46 μg/m3，近年來一直保持高位。2013—2016年，江蘇省大氣NO2的年平均濃度分別為46、41、39 和37 μg/m3，逐年整體呈下降趨勢，但仍然是城市主要污染物[12]。2015年，南京地區(qū)大氣NO2的平均濃度50 μg/m3，成為南京市第一主要污染物[13]。大量的數(shù)據(jù)和實例將空氣污染防治推向社會的前沿，成為公眾關注的焦點。建立大氣污染物防治體系，逐步提高大氣環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)成為當前社會各界亟待解決的問題之一。園林植物是城市生態(tài)環(huán)境建設中的重要組成部分，它不僅讓城市有著四季的變化，還是具有吸收和分解大氣中有害氣體的功能，也可以冷卻和加濕、消除灰塵和噪音，在凈化空氣和調(diào)節(jié)氣候方面發(fā)揮重要作用。目前，在研究具有抗性和降解能力的植物方面，已有學者做了一些探索。其中，Elena 等[14]研究認為，大氣中的NO2濃度影響了歐洲黑松Pinus nigra的花粉活力。Farkhondeh[15]認為多酚化合物是植物應激顯示器。Misa 等[16]也共同認為，NO2作為植物的一種多功能信號，能夠刺激植物正常生長、吸收機體所需營養(yǎng)和必要的新陳代謝。因此，為弄清大氣污染物對園林植物的相互影響，科學指導江蘇省常用園林植物的實踐應用，本研究在課題組多年調(diào)研和掌握道路綠地植物種類等本底資料的基礎上，結(jié)合相關文獻與實踐，選出江蘇省園林綠化常用的和潛在推廣的38 種主要園林植物，進行實驗室NO2熏氣，從形態(tài)上觀察分析不同園林植物對NO2脅迫的傷害癥狀，計算傷害指數(shù)，篩選出傷害指數(shù)較小的園林植物。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取38 種園林植物，包括柏科1 種、樟科1 種、銀杏科2 種、樺木科2 種、木樨科2 種和衛(wèi)矛科2種等38 種園林植物進行熏氣試驗。試驗材料選取生長健壯、栽培條件基本相同的1年生容器苗。草本植物為當年播種或分盆，藤本植物為當年生嫩枝扦插苗。各植物重復株30 株，植物名稱及分布特征見表1。

試驗于2016年9月在南京林業(yè)大學園林實驗中心（地理坐標為118.82°E，32.08°N）進行。供試材料來自中國常州苗木市場。試驗場地為南京林業(yè)大學園林實驗中心。挑選整齊一致，健壯、無病蟲害的正常的苗木移入實驗中心進行基質(zhì)栽培。實驗苗的基質(zhì)為泥炭土∶蛭石∶珍珠巖=1∶1∶1的混合土，用規(guī)格為上徑口（30 cm）×下徑口（20 cm）×高（15 cm）塑料花盆進行盆栽，盆底有排水孔并置于托盤中，每盆裝500 g 干土，每盆2 株（后面熏氣室內(nèi)每盆植物數(shù)需要根據(jù)實際熏氣情況重新栽植）。在條件一致的環(huán)境下自然生長，常規(guī)管理，培養(yǎng)期間，每周澆水2～3 次以保持濕潤，兩周加1 次1 L 霍格蘭營養(yǎng)液。培養(yǎng)2 個月后，進行NO2脅迫實驗。植物放置于自動化溫室內(nèi)，控制生長條件為環(huán)境溫度25～28 ℃，空氣相對濕度60%～70%，光照26～29 klx，大氣壓力99.3～99.5 kPa。

1.2 試驗方法和熏氣處理

目前有關NO2氣體脅迫濃度的研究主要集中于1.0～18.8 mg/m3[17-22]，其中1.0～8.0 mg/m3屬于低脅迫濃度，可進行長時間脅迫處理，主要為30 d 或60 d 的NO2氣體脅迫；高濃度的NO2氣體脅迫濃度主要為8.0 mg/m3以上，熏氣時間主要集中為14 h 或48 h 等短時間。

綜合考慮以上因素，結(jié)合預試驗，設置的NO2氣體脅迫濃度為12.0 mg/m3，超標60 倍（NO2國家小時污染濃度標準為0.2 mg/m3），總的熏氣處理時間72 h，屬于高濃度短時間處理。該濃度下，植物受NO2氣體脅迫葉片出現(xiàn)傷害癥狀，產(chǎn)生應急反應，但不致死?；诖耍芯恐参颪O2耐受能力較為科學。此外，植物種類不同，對NO2污染物的癥狀和傷害指數(shù)有所差異。

對38 種園林植物進行熏氣試驗，共設置兩個脅迫處理，即熏氣零點（0 h）和高濃度NO2（12.0 mg/m3，72 h）脅迫處理，NO2氣體由購買的NO2氣體鋼瓶提供。熏氣裝置尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，NO2氣瓶的出氣端連接帶有減壓閥的電磁閥與微電腦開關定時系統(tǒng)，按照實驗設計輸入NO2。熏氣容器內(nèi)設置NO2傳感器監(jiān)測氣體濃度，傳感器的另一端與NO2氣體測量儀的進氣口連接，NO2氣體測量儀通過RS-485 接口與電腦終端連接，通過電腦上安裝的NO2氣體監(jiān)測軟件實時記錄熏氣容器內(nèi)NO2濃度變化。該裝置具有方便監(jiān)測裝置內(nèi)NO2濃度，可以實時監(jiān)測熏氣室內(nèi)氣體的動態(tài)變化，可以精確控制進入熏氣室的氣體量，方便應用（圖1）。

表1 38 種植物名稱及分類特征Table 1 38 plant names and classification features

圖1 定時調(diào)控和記錄NO2 濃度的熏氣試驗裝置Fig.1 Timing regulation and recording of NO2 concentration in the fumigation test device

將待處理的1年生植物的花盆及盆土用保鮮膜密封包纏處理，以排除土壤和根際微生物的影響，每盆植物按照個體大小和發(fā)葉數(shù)種植3～8株不等，每熏氣室保證30 株植物，共使用38 個熏氣室，進行3 次平行重復試驗。其中熏氣室每天的光照時間控制在13 h。72 h 熏氣后，各植物從熏氣裝置中取出，不再加NO2，放在室溫培養(yǎng)30 d，常規(guī)條件管養(yǎng)，觀察植株自我恢復后形態(tài)變化。熏氣室放置于南京林業(yè)大學中心溫室內(nèi)，熏氣室外植物的整體外界生長條件可通過中心溫室自動化控制，即環(huán)境溫度25～28℃，空氣相對濕度60～70%，光照26～29 klx，大氣壓力99.3～99.5 kPa。

園林植物受到NO2脅迫處理72 h 后，部分植物會出現(xiàn)受害癥狀，主要表現(xiàn)為葉片失綠、反卷、下垂、泛黃、焦枯等；部分植物表現(xiàn)出形態(tài)損傷，甚至造成整株死亡。針對園林植物受NO2脅迫葉片傷害現(xiàn)象，參考邵在勝等[23]和郜懷峰等[24]的試驗方法，統(tǒng)計葉片的傷害情況，只要葉片上出現(xiàn)萎焉、水漬狀、失綠和黃斑等癥狀，均認為受到傷害。統(tǒng)計單株植物頂6 葉受傷害癥狀指數(shù)，每組3 個重復，計算平均值，即為該植株受傷害指數(shù)。具體操作為：傷害指數(shù)=植株上表現(xiàn)的傷害癥狀的面積和/檢測葉片總面積和×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 16.0 統(tǒng)計軟件，處理組與熏氣零點組的均值比較及差異顯著性采用單因素方差分析（Oneway ANOVA）和t 檢驗，不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05），不同大寫字母表示差異極顯著（P＜0.01）。

2 結(jié)果與分析

2.1 園林植物對NO2 脅迫的傷害癥狀

葉片以其龐大的表面積和空氣進行氣體交換，氣態(tài)NO2隨著空氣進入植物葉內(nèi)。當NO2濃度超過植物的NO2傷害閥值時，植物的葉片會表現(xiàn)出傷害的癥狀。本次試驗中的葉片傷害癥狀主要表現(xiàn)為：部分植物熏氣全程傷害癥狀不明顯，如金邊菖蒲；部分植物葉緣出現(xiàn)黃斑、失綠，如金邊黃楊、普陀鵝耳櫪、歐洲鵝耳櫪、金邊麥冬、金森女貞、花葉美人蕉、矮麥冬、八仙花、金邊玉簪、珊瑚樹、毛鵑、狹葉十大功勞、紅花檵木和常春藤；少數(shù)植物葉面呈現(xiàn)水漬狀，如小葉黃楊和瓜子黃楊；部分植物葉面出現(xiàn)黃斑，如波葉金桂、木姜子和夏蠟梅，銀杏和金葉銀杏葉緣出現(xiàn)黃斑或失綠。隨著傷害程度的加劇，失綠斑進一步轉(zhuǎn)化為淺褐色、黃褐色、褐色及黑褐色傷斑；傷害區(qū)域與健康區(qū)域間有明顯的界線；部分植物嫩葉首先出現(xiàn)萎焉、卷曲和失綠，如灑金桃葉珊瑚；全株發(fā)黃，受害較重的植物如熊掌木、海桐、大吳風草、鳶尾、萬年青、龜甲冬青和鋪地柏；甚至葉片脫落，如彩葉杞柳、花葉蔓長春、六月雪、南天竹、紅王子錦帶、云南黃素馨、茶梅和小葉梔子（圖2）。

2.2 園林植物對NO2 脅迫的傷害指數(shù)

植株的外部形態(tài)變化是受到NO2脅迫傷害最直接的表現(xiàn)，不同種類的園林植物受NO2脅迫傷害現(xiàn)象類似，但傷害程度存在一定差異。葉片傷害指數(shù)是從表觀現(xiàn)象上衡量NO2脅迫對園林植物的傷害程度。從表2中可以看出，葉片受到傷害程度最大的有大吳風草、花葉蔓長春、茶梅、龜甲冬青、彩葉杞柳、海桐、小葉梔子、云南黃素馨、六月雪、金邊麥冬、南天竹和鋪地柏等12 種，傷害指數(shù)高達100%，而金邊菖蒲、花葉美人蕉、金邊玉簪、夏蠟梅等傷害指數(shù)為1.47%～8.53%，受害較輕。草本中，金邊菖蒲傷害指數(shù)最小，為1.47%；灌木中，夏臘梅傷害指數(shù)最小，為8.53%；喬木中，歐洲鵝耳櫪傷害指數(shù)最小，為13.53%，其次是金葉銀杏和木姜子，傷害指數(shù)分別為15.19%和15.28%，銀杏居第四，普陀鵝耳櫪居第五，傷害指數(shù)分別為18.26%和19.15%。

圖2 38 種園林植物NO2 熏氣處理前后形態(tài)變化Fig.2 The growth change of 38 garden plants before and after NO2 fumigation treatment

3 討論與結(jié)論

NO2對植物造成傷害的癥狀往往表現(xiàn)為葉片萎黃、斑枯及葉片未成熟脫落，這些特征可以通過控制性熏氣實驗來證實。但類似的葉片癥狀也可能出現(xiàn)在植物受到其他污染氣體、炎熱和干旱等脅迫因子的影響或秋季植物休眠開始時[24-25]。當受到一定濃度的大氣污染后，植物的葉片會表現(xiàn)出急性和慢性傷害損傷的癥狀。急性傷害，是指在較高的NO2濃度下，接觸時間較短的情況下，植物發(fā)生的癥狀。根據(jù)李德生等[26]研究發(fā)現(xiàn)，闊葉樹傷害癥狀始于葉部，在葉脈間出現(xiàn)傷斑，逐漸壞死，在葉緣、葉柄上出現(xiàn)白色、黃白色壞死斑，直至葉片脫落；針葉樹的傷害癥狀不同，主要表現(xiàn)在葉中部或頂部黃白色或褐色傷斑，葉逐漸死亡但不脫落。慢性傷害癥狀，是長期暴露于植物中低濃度NO2引起的癥狀，一般表現(xiàn)為生長發(fā)育不良、容易衰老和壞死等現(xiàn)象。本研究的側(cè)重點主要集中于園林植物受到短時間高濃度NO2污染后產(chǎn)生的急性傷害癥狀，觀賞不同植物的形態(tài)傷害癥狀和傷害指數(shù)。

表2 38 種園林植物對NO2 脅迫的傷害指數(shù)?Table 2 Damage index of 38 garden plants under NO2 stress

同時，目前已有的研究結(jié)論表明，不同植物在同一污染環(huán)境中會表現(xiàn)對NO2傷害的不同反應。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于植物個體之間的遺傳差異性，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，很多植物繁衍的過程和經(jīng)歷不一樣，對NO2脅迫的生態(tài)適應性也不同，植物葉片是近地層大氣中NO2進入植物組織的主要通道，是植物對NO2脅迫的最初感應器[25]，NO2進入葉片內(nèi)，降低葉片光合作用、破壞膜結(jié)構(gòu)的完整性、加劇植物葉片膜脂過氧化，葉片損傷并加速衰老，導致細胞死亡[27-29]。研究表明，通過熏氣裝置等試驗手段模擬NO2高濃度短時間對植物造成的急性傷害，確定了一些植物在短時間高濃度的區(qū)域性NO2傷害指數(shù)。有一些對NO2脅迫敏感的植物種類，如本研究中葉片受到傷害程度最大的大吳風草、花葉蔓長春、茶梅、龜甲冬青、彩葉杞柳、海桐、小葉梔子、云南黃素馨、六月雪、金邊麥冬、南天竹和鋪地柏等12 種，傷害指數(shù)高達100%，可以作為區(qū)域性NO2傷害的指示植物。由于NO2對不同植物的葉片以及對同一植物不同生長狀態(tài)的葉片，造成傷害的表現(xiàn)特征存在顯著差異和不確定性，對一些葉片出現(xiàn)類似NO2傷害特征的植物種類，并不能明確其具體原因，還需要進一步研究證實。

不同植物在高濃度短時間NO2危害下出現(xiàn)的傷害斑點的顏色和面積具有明顯差異，可能是由于植物本身的生理生化特征不同[30-31]，造成由氣孔進入植物體的NO2與植物組織產(chǎn)生氧化反應的過程存在差異，傷害結(jié)果和傷害程度因此表現(xiàn)不同。植物所處環(huán)境中的水分、光照等生態(tài)因子的差異也有可能緩解或者加劇了NO2對植物葉片造成的傷害。此外，NO2對植物的傷害可能與植物葉片成熟時期有關。一些歐美學者[32]利用熏氣裝置研究發(fā)現(xiàn)，NO2傷害造成的深色斑點或尖燒現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在較成熟的葉片上，因葉片的成熟時期不同，高濃度NO2對植物葉片形成傷害的時間長短也就存在差異，因而表現(xiàn)出了斑點顏色由淺及深的葉片傷害特征。

本研究觀測到了南京市常用的38 種園林植物，在受到高濃度短時間NO2脅迫后出現(xiàn)的植物傷害癥狀以及相關傷害指數(shù)分析，結(jié)果表明，NO2脅迫下不同植被類型表現(xiàn)出來的受害癥狀不一，其中，葉片傷害癥狀主要表現(xiàn)為：部分植物熏氣全程傷害癥狀不明顯，如金邊菖蒲；部分植物葉緣出現(xiàn)黃斑、失綠，如歐洲鵝耳櫪；少數(shù)植物葉面呈現(xiàn)水漬狀，如小葉黃楊；部分植物葉面出現(xiàn)黃斑，如夏蠟梅，銀杏和金葉銀杏葉緣出現(xiàn)黃斑或失綠。隨著傷害程度加劇，失綠斑進一步轉(zhuǎn)化為淺褐色、黃褐色、褐色及黑褐色傷斑；傷害區(qū)域與健康區(qū)域間有明顯的界線；部分植物嫩葉首先出現(xiàn)萎焉、卷曲和失綠，如灑金桃葉珊瑚；有的植物全株發(fā)黃，受害較重的植物如熊掌木等；甚至葉片脫落，如彩葉杞柳。葉片傷害指數(shù)是從表觀現(xiàn)象上衡量NO2脅迫對園林植物的傷害程度。研究結(jié)果表明，草本中，金邊菖蒲傷害指數(shù)最小，為1.47%；灌木中，夏臘梅傷害指數(shù)最小，為8.53%；喬木中，歐洲鵝耳櫪傷害指數(shù)為13.53%，位居第一。結(jié)合當?shù)丨h(huán)境NO2氣體污染氣體情況，說明南京市區(qū)的一些園林植物在短期NO2氣體污染情況下，植物通過吸收或者吸附NO2氣體等降解方式，通過自身葉片的傷害反應來達到凈化大氣NO2的危害作用。因此，加強對NO2氣體脅迫的抗性植物篩選，對豐富功能型綠化材料，消減城市交通污染和保護生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。