不同浓度PAHs对4种绿化树种光合特性的影响

李忠文，闫文德，郑 威，梁小翠

（1.中南林业科技大学，湖南长沙410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙410004）

不同浓度PAHs对4种绿化树种光合特性的影响

李忠文1,2，闫文德1,2，郑 威1,2，梁小翠1,2

（1.中南林业科技大学，湖南长沙410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙410004）

利用盆栽试验对樟树、栾树、广玉兰、马褂木4种绿化树种进行不同浓度的PAHs污染处理，研究在不同污染浓度处理下，不同浓度PAHs处理对4种树种的光合特性（光合速率、气孔导度日变化，胞间CO2浓度）的影响。结果表明：PAHs污染处理下，4个树种的光合日进程均受到影响。污染处理组栾树、樟树、马褂木3个树种的净光合速率Pn和气孔导度VCond的日变化曲线呈现单峰曲线，而对照组为双峰曲线，污染处理改变了3个树种的午休机制。栾树和马褂木在低、中、高污染下的VCond值均要大于对照，马褂木的VCond值随浓度升高而增大；樟树和广玉兰的VCond在中浓度时最大且大于对照，高浓度污染下VCond最小且小于对照。栾树污染处理下的Ci高于无污染对照，而污染下樟树和广玉兰的Ci则小于对照，马褂木仅在高浓度污染下Ci大于对照组。研究结果对于研究利用植物修复PAHs污染具有积极的指导意义。

PAHs 光合速率；气孔导度；胞间CO2浓度；樟树； 栾树；广玉兰；马褂木

多环芳烃（PAHs）指一种具有两个或两个以上苯环的芳香族有机污染物[1]，常见环境中普遍存在，具有致癌、致畸、致突变的三致效应[2-7]。随着社会经济发展及城市化加快，环境中的污染物剧增，燃料的不完全燃烧以及工业交通所排放的PAHs已成为环境污染的最大威胁之一。

当前国内外有关PAHs污染方面研究修复技术主要有物理修复、化学修复和生物修复技术，其中前两者操作耗费较高，而且大范围实施难度较高，还可能造成资源浪费。生物修复相比生物化学修复，具有安全、经济、二次污染较少等明显优点，被认为是最好的污染修复技术[8]。植物是各种污染物质的天然受体，能够阻挡、滞留、吸附、吸收、积累空气中的各种污染物质[9-10]。利用植物吸收、降解以及根际圈降解的作用方式将污染物从环境中彻底去除，具有经济环保及可持续利用等优点。近年来许多学者在植物体对PAHs的腹肌机理方面做了大量的工作[11-13]，对植物受体影响程度也有一定的研究，如PAHs对绿化树种生长的影响[14]，盆栽植物对PAHs胁迫响应[15]等，但是对植物光合特性的影响方面的研究较少。

本文以长沙市主要的绿化树种常绿树种樟树Cinnamomum camphora、落叶树种栾树Koelreuteria Paniculat、常绿树种广玉兰Magnolia grandiflora、落叶树种马褂木Liriodendron chinese Sarg为研究对象。研究在不同PAHs浓度处理下，4种绿化树种根、干、枝各部分PAHs的含量比例，以及对光合速率、气孔导度日变化的影响。不仅对深入探讨不同浓度PAHs对植物光合特性的定量影响, 不同植物抵御PAHs的种间差异，以及为大气环境质量预报提供科学参考数据, 而且可为城市绿化抗污树种的合理选择和配置提供科学依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验地概况

实验地地处 112°48′E，28°03′N，位于湖南省长沙市中南林业科技大学城市生态站内，处在湖南省城市生态重点实验室不锈钢微框架结构的温室之内，面积为22 m×6 m。年均气温17.2℃，极端高温40.6 ℃，极端低温-12 ℃，年均降雨1 400 mm。无霜期为270～300 d，日照时数年均1 677.1 h。属典型的亚热带湿润季风气候。

1.2 实验材料

选 取 樟 树Cinnamomum camphora、 栾树Koelreuteria Paniculat、 广 玉 兰Magnolia grandiflora、马褂木Liriodendron chinese Sarg 4种南方常见城市绿化树种为研究对象。所选树苗均为无病虫害、生长正常、且重量大小等相近的1年生幼苗，其中栾树取自中南林业科技大学夕阳红苗圃园，平均株高99.58 cm，地径1.203 cm。樟树、广玉兰、马褂木幼苗取自浏阳市柏加苗木基地，其平均株高分别为100.97 cm、58.00 cm、58.64 cm，平均地径分别为1.507 cm、1.10 cm、0.796 cm。

1.3 实验设计

实验所用土壤是中南林业科技大学长沙校区土壤与株洲校区夕阳红苗圃园土壤混合而成，混合比例约为1∶1，经自然风干后过筛。

每个树种分别设置3个污染浓度处理及空白对照（T0处理），采用过筛后的土壤与柴油混合模拟PAHs污染土壤，混合比例为2 g/kg、10 g/kg、50 g/kg，记为T1、T2、T3处理。为防止下渗，塑料薄膜上完成混合操作。充分搅拌混合土壤后，放置48小时以充分平衡。采用高30 cm、直径35 cm的圆形塑料盆分装平衡后的土壤，于2006年10月移栽树苗至盆中，移栽时将树苗枝叶及部分根系剪去，以减少树苗蒸发耗水保证成活。每个处理组设12个重复，分四个季度取3个重复样测定所需指标。

实验期间苗木放置在温室中，以排除自然干扰，通过开窗对流及空调调节保持室内温度与环境温度基本一致。每周浇水两次。

1.4 光合特性的测定方法

1.4.1 光响应曲线的测定

于2006年6月、7月中旬选择晴天的9:00～11:00进行光响应曲线测定，并保持外界正常的温度、湿度和CO2浓度，同时利用系统人工光源设 置 2000、1500、1200、800、500、300、150、50、20、10、0 μmol·m-2s-1光合有效辐射，每个点最短等待时间是120 s，最长等待时间是180 s，仪器标定好进入工作状态后，自动记录测定数据。

1.4.2 光合、蒸腾日进程的测定

采用LI-cor6400便携光合测定系统对叶片进行不离体光合测定。在晴天的8:00～18:00期间进行测定，每2 h测定一次。每株植物上部选择3片处理后萌发的当年生成熟叶片，每片重复记录5组数据，结果取其平均值。测定的指标有净光合速率Pn、气孔导度Cond。

1.4.3 相关公式及数据处理

1.4.3.1 净光合速率

其 中 Pn为 净 光 合速率（µmol·m-2s-1），Cr(µmol·mol-1)和 Cs（µmol·mol-1）分别为对照与样品通道内的 CO2浓度，F（µmol·s-1）为通道内气流的流量，Trmmol（mmol·m-2s-1）为蒸腾速率，S（cm2）为叶面积。

1.4.3.2 气孔导度

VCond（mol·m-2s-1）为气孔总导度，Kf是根据K（叶片一侧对另一侧的气孔比或者气孔比的估计值）计算得到，gtw（mol·m-2s-1）为叶片总导度，gbw（mol·m-2s-1）为边界层导度，其值取决于叶片两侧的气孔分布状况。

1.5 数据处理

研究所获得的数据采用SPSS13. 0进行相应的统计和分析，用Excel做图。

2 结果与分析

2.1 PAHs污染对各树种光合速率、气孔导度日变化的影响

栾树对照组T0的净光合速率日变化曲线呈双峰型（图1），出现明显的午休现象。早晨尽管胞间CO2浓度比较高（图3），但是由于光合有效辐射低，所以Pn较低；但随着气温和光合有效辐射的上升，Pn迅速增高，其第一个峰值出现在9:00左右，为 2.068 µmol·m-2s-1，第二个峰出现在 13:00左右，为 2.136 µmol·m-2s-1，中间出现明显的午休现象，结合Cond（图2）及Ci值的变化，可以判定栾树的午休是由于环境条件的改变导致Cond的变化，从而影响Pn值。在15:00之后，虽然气孔导度减小，但Ci值没有减少，说明此后的Pn的变化为非气孔限制。而T1、T2、T3处理的净光合速率Pn及气孔导度Cond的日变化则呈现单峰曲线，T1、T3峰值出现在9:00左右，分别为3.798µmol·m-2s-1、3.865 µmol·m-2s-1，与 T0的第一个峰出现时间一样，T2处理的峰值出现在11:00左右，值为 4.383 µmol·m-2s-1。T1、T2、T3处理的各时间的Pn值均要大于对照组。

由图3可以看出，经过夜间的富集，除樟树T2、T3处理组外，其他各树种的胞间CO2浓度在清晨较高，12:00以前呈下降趋势，以后呈上升趋势，其中胞间CO2浓度在12:00左右达到一天中的最低值，这与光合作用午休时间相对应。

图1 栾树、樟树、马褂木、广玉兰的净光合速率日变化Fig.1 Diurnal variations of Pn of K. Paniculat, C. camphora, L. chinese and M. grandiflora seedlings in different treatments

图2 栾树、樟树、马褂木、广玉兰气孔导度日变化Fig.2 Diurnal variations of VCond of K. Paniculat, C. camphora, L. chinese Sarg and M. grandiflora seedlings in different treatments

图3 栾树、樟树、马褂木、广玉兰胞间CO2浓度日变化Fig.3 Diurnal variations of Ci of K. Paniculat, C. camphora, L. chinese and M. grandiflora seedlings in different treatments

樟树T0对照组的Pn和Cond的日变化呈双峰曲线，而其他3个污染处理组则呈单峰曲线（图1和图2），污染改变了樟树的光合日进程，对照组Pn的两个峰值分别出现在9:00、13:00，为2.672µmol·m-2s-1、2.437 µmol·m-2s-1， 而 T1、T3处 理 的峰值则出现在11:00左右，其Cond值在9:00至13:00时段与Ci(胞间CO2的浓度)的变化并不一致（图1,图2），可见并非是Cond的减小而导致了Ci的减小，而是由其它因素导致Ci的减少，从而影响Pn。T2处理组的峰值出现在9:00左右，其峰值达到6.634 µmol·m-2s-1，远高于其他处理组，气孔导度Cond和Ci也没有表现出明显的相关性。表明PAHs污染通过影响樟树的Cond及Ci而影响其Pn的值。

PAHs污染改变了马褂木Pn的光合日进程，对照组Pn日变化为双峰曲线，而T1、T2、T3处理呈单峰曲线（图1），T0两个高峰出现在9:00、13:00，值为 1.648 µmol·m-2s-1、1.608 µmol·m-2s-1，T1、T2、T3的峰值出现在10:00左右，其峰值从小到大依次为T1＜T2＜T3。Cond的变化同Pn相似，但各污染处理组Ci值却未随气孔导度变化而变化，说明马褂木光合的午休现象为非气孔限制因素所控制，PAHs是通过影响其内在机制改变了其午休现象。

广玉兰则与其他3个树种不同，其对照组和污染处理组Pn的光合日变化均为双峰曲线（图1），但其峰值出现时间不同。T0、T1的Pn日变化曲线峰值出现时间一样，其峰值出现在9:00、13:00，分 µmol·m-2s-1和 3.823 µmol·m-2s-1、3.407 µmol·m-2s-1，T1处理组的 Pn值要大于 T0。T2、T3处理组的峰值则要延迟于对照组，出现在11:00、15:00左右，两者差别不大。说明只有中高浓度污染对广玉兰光合日变化产生明显的影响。广玉兰各处理的Ci的变化趋势一致，没有明显的差异，说明PAHs污染对广玉兰Ci影响较小。

2.2 PAHs污染对各树种光合参数的影响

污染处理组栾树叶片的Pn和Cond值大于T0对照组的Pn和Cond（图4），T1、T2、T3的Pn值分别高出107.87%、108.62%、72.30%，T1、T2、T3与之间差异均达到显著，其中T1、T2处理与T0间差异极其显著（p＜0.01），但污染处理组之间差异性不显著；T1、T2、T3组Cond值分别高出对照组152.72%，188.50%，143.68%，与对照组之间差异显著。Ci污染处理组均高于对照组，但与对照组之间差异性不显著。说明污染通过影响栾树的Cond及Ci影响了树种的Pn，其中污染对Cond的影响尤为严重。

图4 PAHs污染对栾树、樟树3个光合因子的影响Fig.4 Effect of PAHs on three factors of K. Paniculat and C. camphora seedlings in different treatments

樟树T2处理组的Pn高出对照组110.06%，差异显著，其它组Pn的大小关系为T1＞T0＞T3，但三者间差别很小。T2的Cond值也要明显高出对照组及其他污染处理组，其高出对照组97.30%，差异显著；T1和T3则小于对照组，但差别不明显。对照组的Ci要大于3个污染处理组，但各处理间差异不显著，污染抑制了樟树的Ci。说明中浓度PAHs污染对樟树光合特性影响明显，污染通过改变Cond的变化规律影响了Pn的变化。

马褂木的Pn和Cond随浓度变化表现出明显的规律性，均为 T0＜ T1＜ T2＜ T3，T1、T2、Pn分别高于T0对照组25.93%、70.48%、172.51%，T3处理组与T0、T1、T2处理组之间差异均达到显著。T1、T2、T3处理组的Cond分别高于T0对照组306.29%、147.29%、67.95%， T3处理组与T0、T1、T2组之间差异均达到显著，T2与T0之间也存在显著性差异。污染处理组马褂木的Ci随污染浓度增大而增大，但只有T3处理组大于T0组，T1、T2处理组则小于对照。

图5 PAHs污染对马褂木、广玉兰3个光合因子的影响Fig.5 Effect of PAHs on three factors of L. chinese and M. grandiflora seedlings in different treatments

广玉兰T1、T2、T3处理组的Pn均高于T0对照组，分别高出44.90%、47.01%、11.71%，但各组间的差异不明显；Cond的则只有T2处理组高于对照组，T1、T3与T0间几乎没有差别；广玉兰对照组的Ci要高于3个污染处理组，但T1、T2、T3处理间差异不明显。

2.3 PAHs污染对树种光响应曲线的影响

栾树对照组与污染处理组的光响应曲线有着明显的差别（图6），污染处理明显增大了树种的光饱和点，对照组的光饱和点为150 µmol·m-2s-1，而T1、T2、T3污染处理的光饱和点为 800 µmol·m-2s-1。在光合有效辐射PAR高于50 µmol·m-2s-1后污染处理组的净光合速率均明显高于对照组。3个污染处理组的光响应曲线比较一致，差别很小。可见污染明显提高了树种的光合速率，提高了树种的光饱和点。

不同污染处理下樟树的光响应曲线存在差异，T0处理的光合有效辐射在 500 µmol·m-2s-1达到光饱和，此时 Pn为 3.89 µmol·m-2s-1；T2处理组的光饱和点 为 800 µmol·m-2s-1，Pn值 为 7.36 µmol·m-2s-1；T1、T3处理组的光饱和点为 300 µmol·m-2s-1。可见中浓度污染对樟树的光响应曲线影响最大，污染处理加大了Pn及光饱和点，T1和T3处理光合作用受到抑制。

3 小结与讨论

PAHs污染处理下，4个树种的光合日进程均受到影响。污染处理组栾树、樟树、马褂木3个树种的净光合速率Pn和气孔导度Cond的日变化曲线呈现单峰曲线，而对照组为双峰曲线，污染处理改变了3个树种的午休机制。4个树种Pn和Cond的日变化趋势相对一致。各处理组广玉兰的Pn和Cond日变化均呈现双峰曲线，但其峰值出现时间出现了明显不同。

图6 PAHs污染对樟树、栾树、马褂木、广玉兰光响应曲线的影响Fig.6 Effect of PAHs pollution on light curve response of K. Paniculat, C. camphora, L. chinese and M. grandiflora seedling

关于引起树种光合速率产生“午休”的内在机制，大体上有2种解释：一种是气孔因素导致的，进入叶片受阻，胞间CO2浓度降低，光合速率下降，进而引起了植物“午休”。另一种是由非气孔因素造成的[16]。根据Farquhar等[17]的观点，判断气孔关闭是不是光合降低的原因，最重要的依据是细胞间隙CO2浓度是否也同时降低，气孔和非气孔限制的界限是细胞间隙CO2浓度的变化方向，而不是气孔限制与非气孔限制值的相对大小。

可以看出，无污染时4个树种午休期间气孔导度Cond与胞间CO2浓度变化较为一致，说明自然状态下各树种的光合午休均为气孔限制因素决定。而污染下除栾树的Cond的变化与Ci保持一致外，樟树、马褂木、广玉兰Ci变化与Cond变化之间一致性不明显，污染下3个树种的午休变为非气孔限制，说明污染影响了树种的光合机制，其原因有待进一步研究。

污染处理下栾树、樟树、马褂木、广玉兰4个树种的净光合速率Pn的日均值均要高于对照组（樟树T3处理除外），其中马褂木Pn随污染浓度增加而增大，其余树种的Pn为在低、中污染下高于重污染。一般认为PAHs污染会损害植物的光合系统或导致植物受毒害时增强其呼吸作用而导致净光合速率下降，最后会导致幼苗生长量和生物量的减少，但在本实验中4个树种的幼苗几乎在所有处理下Pn均要高于对照，而中低污染下的高生长量也未受到抑制，原因有待于更深入的研究。

栾树和马褂木在低、中、高污染下的Cond值均要大于对照，马褂木的Cond值随浓度升高而增大；樟树和广玉兰的Cond在中浓度时最大且大于对照，高浓度污染下Cond最小且小于对照。

PAHs直接影响[18]或水势降低都可能引起Cond的降低[19]，但栾树和马褂木的Cond值均未出现降低，可能是土壤中的PAHs浓度已经低于产生危害作用产生的临界值。樟树和广玉兰的最大浓度下Cond均受到抑制，可能意味着栾树和马褂木的耐受性要高于樟树和广玉兰。

栾树污染处理下的Ci高于无污染对照，而污染下樟树和广玉兰的Ci则小于对照，马褂木只有高浓度污染下Ci大于对照组。

樟树、马褂木、广玉兰在污染下Ci与Cond的关系发生了明显的改变。

[1] 石忆邵. 世博会与长江三角洲经济一体化的发展和对策[J].同济大学学报：社会科学版, 2004,15(1): 6-11.

[2] Sims R C, Overcash M R. Fate of polycyclic aromatic compounds(PNAs) in soil-plant system[J]. Residue Reviews,1983,88:1-68.

[3] 闫文德, 田大伦, 康文星, 等. 樟树林生态系统水文学过程中多环芳烃的迁移与转化机理[J]. 生态学报, 2006, 26(6): 1882-1888.

[4] Harald G Z, Stefan D, Daniela H, et al. Pilot study on road traffc emissions ( PAHs, Heavy Metals) measured by using mosses in a tunnel experiment in Vienna, Austria. Road Traffc Emissions[J].2006, 13(6):398-405.

[5] Srog iK. Monitoring of environmental exposure to polycyclic arom atic hydrocaibons: a review. Environmental Chemistry Letters[J]. 2007, 5: 169-195.

[6] Barak at A O. PAHs and petroleum markers in the atmospheric environment of alexand ria city, Egypt. Water, Air, and Soil Pollution[J]. 2002, 139:289-310.

[7] 朱 凡, 田大伦, 闫文德, 等. 四种绿化树种土壤酶活性对不同浓度多环芳烃的响应[J]. 生态学报, 2008,28(9):4195-4202.

[8] 梁小翠, 闫文德, 田大伦, 等. 樟树对土壤中PAHs 的修复及其影响因子[J]. 中南林业科技大学学报,2012,32(12):176-180.

[9] 曹晓光, 闰凌君. 利用植物净化汽车排放污染物的探索研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2007, 27(2): 133-136.

[10] 田晓雪, 周国逸, 彭平安. 珠江三角洲地区主要树种叶片多环芳烃含量特征及影响因素分析[J].环境科学, 2008, 29(4):849-854.

[11] Bacci E, Calamari D,Gaggi C, et al. Bioconcentration of organic chemical vapors in plant leaves: experimental measurements and correlation[J]. Environ Sci Technol, 1990, 24(6):885- 889.

[12] Schreiber L,Schoenherr J. Uptake of organic chemicals in conifer needles: surface adsorption and permeability of cuticles[J].Environ. Sci.Technol,1992,26(1):153-159.

[13] Tolls J, McLachlan M S. Partitioning of semivolatile organic compounds between air and Loilum multifiorum (Welsh Ray Grass)[J]. Environ Sci Technol,1994,28(1):159-166.

[14] 朱 凡, 田大伦 ,闫文德, 等. 多环芳烃对2种南方绿化树种生长的影响[J].中南林业科技大学学报, 2008, 28(6): 25-29.

[15] 梁小翠, 朱 凡, 闫文德, 等. 马褂木盆栽土壤酶活性对PAHs胁迫的响应[J]. 中南林业科技大学学报, 2011, 31(5): 92-96.

[16] 张大鹏, 黄丛林, 王学臣, 等. 葡萄叶片光合速率与量子效率日变化的研究及利用[J]. 植物学报, 1995, 37(1): 23-25.

[17] Farquhar G.D., Sharkey T.D. StomataleonduetaneeandPhotosynt hesis[J]. Ann Rev Plant Physiol, 1982, 33: 317-345.

[18] Youssef T, Ghanem A. Salt secretion and stomatal behaviour in Avicennia marina seedings fumigated with the volatile fraction of light Arabian crude oil. Environmental Pollution[J].2002,116:215-223.

[19] Herppich W B, Von Willert D J. Dynamic changes in leaf bulk water relations during stomatal oscillations in mangrove species.Continuous analysis using a dewpoint hygrometer[J]. Physiologia Plantarum. 1995, 49: 479-485.

Effects on different concentrations of PAHs on photosynthesis characteristics of 4 greening tree species

LI Zhong-wen1,2, YAN Wen-de1,2, ZHENG-Wei1,2, LIANG Xiao-cui1,2
(1. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China)

Pot experiments were carried out on Cinnamomum camphora, Koelreuteria paniculata, Magnolia grandiflora, Liriodendron chinese Sarg 4 tree species with different concentrations of PAHs pollution treatment. The effects of different concentrations of PAHs on photosynthetic characteristics of 4 tree species (photosynthetic rate, daily variation in stomatal conductance, intercellular CO2concentration) were investigated. The results show that the 4 species’ diurnal photosynthetic processes were affected by PAHs pollution treatments; the net photosynthetic rate (Pn) and stomatal conductance (VCond) curves of pollution treatment group of K. paniculata, C.camphora and L. chinese Sarg 3 species appeared diurnal variation of unimodal curve, while the control group appeared a bimodal curve,the pollution treatments altered the lunch break mechanism of 3 tree species; the VCondvalues of K. paniculata and L. chinese with low,middle, high pollution were greater than the control’s, that of L. chinese raised with the increase of of VCondconcentration value; the VCondof C. camphora and M. grandiflora with middle concentration were greater than that of the control’s, the VCondof C. camphora and M.grandiflora with high concentration were the minimal and less than the control’s; the Ciof K. paniculata with pollution treatment was higher than that of no pollution and pollution control’s, the Ciof C. camphora and M. grandiflora was less than that of the control, the Ciof L. chinese only with high concentration was higher than that of control group. The fndings of the study on phytoremediation of contaminated by PAHs has a positive guiding signifcance.

PAHs; photosynthetic rate; stomatal conductance; intercellular concentration of CO2; Cinnamomum camphora; Koelreuteria Paniculat; Magnolia grandiflora; Liriodendron chinese Sarg

S792.23

A

1673-923X(2013)08-0129-08

2013-03-13

国家自然科学基金项目（31070410、30571487、30870455）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-10-0151）；湖南省高校创新平台开放基金项目（12K070）长沙市科技局项目（K1003009-61）；中南林业科技大学青年科学研究基金重点项目（QJ2010008A）资助

李忠文（1987-）女，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事城市生态学研究工作

闫文德（1969-）男，甘肃武威人，教授，博士生导师，主要从事城市生态学教学研究工作

吴 彬]