阿克苏市主要行道树叶面滞尘对叶片气体交换的影响1)

2015-03-07凯丽比努尔努尔麦麦提玉米提哈力克古丽卡玛尔迪力木拉提

东北林业大学学报 2015年11期

关键词：蒙尘导度蒸腾速率

凯丽比努尔·努尔麦麦提玉米提·哈力克古丽卡玛尔·迪力木拉提

(新疆绿洲生态教育部重点实验室(新疆大学)，乌鲁木齐，830046)

阿丽亚·拜都热拉艾克热木·吾布力

(新疆农业大学) (新疆墨玉县环境监测站)

责任编辑:任俐。

我国西北干旱区较为频发的沙尘天气及其所产生的浮尘、粉尘附着于植物叶片，对叶片的呼吸和气体交换，即净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)产生明显的负面影响［1］，并降低城市绿地的生物多样性及生态系统服务功能，最终导致绿洲城市生态系统的失衡［2］。位于西北干旱区的新疆是我国沙尘天气频发区之一，在塔克拉玛干沙漠边缘的绿洲城市沙尘危害最为严重;沙尘不仅破坏人居环境，降低空气质量，影响人体身心健康［3］，而且对森林、植被和农作物的新陈代谢与生长发育造成危害［4］。沙尘暴携带的粉尘对周边地区的城市绿化树种造成严重影响，一是附着在绿化树种叶片上的沙尘影响树种的生理代谢和生长发育，对其产生一定的伤害;二是覆盖在绿化树种叶面尘长期随风二次飘入空气中，增加悬浮颗粒物密度，进而影响居民身体健康［5］。因此，研究绿化树种叶面尘对叶片气体交换的影响以及叶片蒙尘后光合速率、气孔导度和蒸腾速率的变化，可为沙尘频发的南疆地区绿化树种的科学选择、栽培以及抗逆性品种的培育提供依据［6-7］。

1 研究区概况

阿克苏市位于新疆维吾尔族自治区西部，塔里木盆地西北边缘，东经79°39'～82°01'，北纬39°30'～41°27' ，是典型的大陆性气候区，降水相应很少，光能资源丰富，昼夜温差大，适宜多种植物生长。年平均气温10.8 ℃，年平均风速2.1 m·s-1，年平均降水量74.5 mm［8］。根据阿克苏市大气环境质量监测资料显示［9］，阿克苏市空气可吸入颗粒物的浓度变化幅度较大，污染严重。根据城市不同地段的污染程度，文中选择阿克苏市3 个主要功能区行道树种作为研究对象，即工业区(IA)，选择的水泥厂;居住区(RA)，选择的电视台家属区;清洁区(CA)，选择的刀郎公园。

2 材料与方法

在树高、胸径、长势和树龄等指标相对一致的前提下，选择树干茎直、树冠圆满、树木健康的3 种行道树种作为观测对象，即法国梧桐(Platanus×acerifolia)、圆冠榆(Ulmus densa)、桑树(Morus alba)。树种基本信息如表1所示。

气体交换参数的测定:运用Licor-6400 光合测定系统(LI-COR，USA)测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)等气体交换参数指标。2014年5月份选择沙尘暴过后连续晴朗的1 周内完成测定。法国梧桐、圆冠榆和桑树3 处均为点状采样，在不同功能区随机设置300 m2的大样方，由于面积的限制，每个大样方由3 个10 m×10 m 的小样方组成。每个试验区内每个树种测定3 株树，重复3 次，选择树冠迎风面的健康叶片作为测试叶［10-11］。每株树共测定3 对枝条上生长环境类似的叶片，分别作为洁净叶片和蒙尘叶片，洁净叶片由人工冲洗得到。为了避免由立地条件如土壤含水量、栽培管理措施影响造成的误差，取洁净叶片和蒙尘叶片测定结果的差值，并根据公式(1)计算出植物3 种气体交换参数变化的相对百分数［12］。

式中，ΔY 代表植物净光合速率(或气孔导度、蒸腾速率)变化的相对百分数;Yi代表植物蒙尘叶片的气体交换参数;Y0代表植物洁净叶片的气体交换参数。

单位叶面积滞尘量的测定:采样叶片用喷水清洗法进行人工喷洗，用微孔滤膜装置(Φ=0.45 μm)过滤清洗液，对同一叶片进行了3 次清洗、过滤，前后烘干滤膜，收集附在滤膜上的降尘，并运用万分之一精密度的电子秤称量过滤后烘干的滤纸和残留物质量，分别记为W1、W2。用CI-203 激光叶面积仪测定清洗过后的叶片面积S。单位叶面积滞尘量表达式为:

式中，X 为单位叶面积滞尘量;W2为过滤完成后滤膜干质量(g);W1为滤膜干质量(g);S 为叶面积(m2)。

应用SPSS11.5 统计软件对阿克苏市3 种绿化树种在3 个不同功能区叶面尘对叶片气体交换参数的影响进行单因素方差分析、显著性检验等。通常情况下，当p≤0.01 时有极显著差异，p＞0.05 时没有显著差异，介于二者之间时有显著差异。图表用Excel2010 和统计软件制作并进行数据分析。

3 结果与分析

3.1 滞尘对树种叶片气体交换参数的影响

3.1.1 植物间净光合速率、气孔导度、蒸腾速率的差异

光合作用在绿化树种物质代谢过程中非常重要，并且对周围环境的变化十分敏感，环境条件的微小变化会引起树种叶片气体交换参数的变化，因此，叶片滞尘能力对树种叶片气体交换参数的影响表现在植物蒙尘叶片和洁净叶片之间净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的差异上［13-14］。气孔导度和净光合速率的大小跟光合作用的强弱息息相关，绝大多数植物叶片气孔导度越大，对光合作用越有利，净光合速率越大。根据表2所示，不同功能区3 种树种叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率在蒙尘叶片和洁净叶片之间差异各异。其中法国梧桐不同功能区的蒙尘叶片和洁净叶片之间的蒸腾速率差异为0.10～0.16 mmol·m-2·s-1;圆冠榆和桑树在不同功能区叶片受到沙尘污染后，与洁净叶片比较，叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均呈显著差异;圆冠榆蒙尘叶片和洁净叶片在不同功能区的气体交换参数差异极显著;桑树在3 个功能区的气体交换参数差异显著，居民区和清洁区差异极显著;在工业区法国梧桐蒙尘叶片与洁净叶片的净光合速率就没有差异。总而言之，观测树种洁净叶片3 种气体交换参数值均大于蒙尘叶片。研究表明，沙尘能够降低植物叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率［13］。

由表2可看出，植物叶片受沙尘污染后，居民区的法国梧桐和圆冠榆、工业区的桑树蒙尘叶片相比未蒙尘叶片的净光合速率下降幅最大，分别下降了54.50%、49.46%、55.76%。这主要是由于沙尘的覆盖减少叶片光合有效面积，降低光质，从而阻碍了光合作用，造成了净光合速率的下降。表2显示，不同功能区的法国梧桐、圆冠榆和桑树叶片在受到沙尘污染后，其气孔导度均下降，其中居民区桑树的下降幅度最大，下降了58.44%，法国梧桐和圆冠榆分别下降了55.56%和47.62%。这是因为树种叶片被沙尘覆盖后，随着沙尘在叶面的沉积，气孔被堵塞，气孔扩散阻力增大，阻碍了CO2的进入，从而引起了气孔导度的下降。3 种树种叶片受到沙尘污染后，蒸腾速率均呈现下降趋势，其中居民区桑树的下降幅度最大，与未蒙尘相比，下降幅度为58.44%，法国梧桐和圆冠榆的下降幅度分别为55.55%和47.62%，表明沙尘、粉尘污染对不同园林树种的蒸腾速率均有不同程度的影响(表2)。3 种树种在沙尘暴粉尘污染后叶表皮气孔开放不同，导致了气体交换参数值有所差异。

表2 不同功能区不同树种气体交换参数

3.1.2 滞尘量对不同植物叶片Pn、Gs、Tn的影响

不同树种叶片受到沙尘污染后，其净光合速率均有所下降，分布工业区和清洁区的桑树叶片净光合速率损失率(ΔPn)最大，法国梧桐最小;而居民区，3 种树种间净光合速率的损失率无明显差异，这可能是在居民区车流量不多、人为污染排放量少，沙尘污染较轻而致;气孔导度的损失率在不同功能区基本一致，法国梧桐最小，说明其对沙尘污染抗性比其他两种树种强。

表3 不同功能区植物叶片气体交换参数的变化百分率

从表3可以看出，不同功能区3 种树种叶片气体交换参数因滞尘而损失的变化率各不相同。除工业区法国梧桐净光合速率损失率之外，其他各参数变化率大小为-24.61%～-60.71%，植物叶面尘对叶片气体交换参数的负面影响较明显而不可忽略。

3.2 植物叶片气体交换参数损失率与单位叶面积滞尘量的关系

阿克苏市3 种常见绿化树种光合特性参数损失率与树种单位叶面积滞尘量的回归分析表明，损失率与滞尘量之间存在一定的正相关性(表4)。通过SPSS 多项式拟合回归方法得出两者之间的回归方程，其复相关系数较高，说明拟合方程合理，树种叶片光合特性参数变化率与树种叶片滞尘量之间存在正相关关系。

表4 不同树种叶片气体交换参数损失率与滞尘量关系的拟合方程

从表4中可以看出，拟合方程R2值均高，多项式方程拟合效果较好，说明不同树种叶片光合特性参数损失率与滞尘量间在p＜0.05 水平上存在着显著的正相关关系。对法国梧桐而言，蒸腾速率损失率与滞尘量之间的相关性极显著，为0.993 0;对圆冠榆而言，气孔导度损失率与滞尘量的相关性极显著，为0.998 2;对桑树而言，气孔导度损失率与滞尘量的相关性极显著，净光合速率损失率和滞尘量的相关性最低，分别为0.995 3 和0.909 1。说明不同绿化树种叶片不同光合特性参数损失率和滞尘量之间的相关性也不同，复相关系数为0.909 1～0.998 2。这表明叶片蒙尘后，部分气孔可能被阻塞，气孔扩散阻力增大，促进叶面温度升高，散热作用减慢，导致光和特性参数值下降［14］。同时，沙尘污染的不同功能区3 种树种叶片光和特性参数值减小是植物对逆境的一种生理适应特征。

4 结论与讨论

在自然条件下，树木的光合特性常常受到外界环境和树种本身生理因素的影响［15］，其中树木叶片滞尘量对光合特性参数的影响较明显。文中通过以上分析表明，3 种绿化树种在不同功能区的蒙尘叶片与洁净叶片气体交换参数存在显著差异。

对净光合速率而言，除了法国梧桐在工业区蒙尘叶片与洁净叶片没有显著差异外，其他树种在各功能区差异显著(p＜0.05)。研究证明［12，14］保定市居民区绿地悬铃木蒙尘叶片净光合速率损失率20.96%，而校园清洁区悬铃木蒙尘叶片净光合速率损失率12.10%，明显小于居民区绿地。在本研究中，阿克苏市电视台(居民区)达到54.50%，而刀郎公园(清洁区)法国梧桐蒙尘叶片净光合速率损失率达到24.61%，小于电视台的树种叶片净光合速率，结论与前人在保定市的研究所得结果相似，空气沙尘污染越重，叶片气体交换参数损失率越大。阿克苏市树种净光合速率均大于保定市，因为阿克苏市立地条件恶劣，沙尘污染比保定市较为严重。阿克苏市春季降水量少，叶片蒙尘滞留持久，对叶片净光合速率带来负面影响［16］。

对气孔导度而言，工业区圆冠榆蒙尘叶片气孔导度损失率最大，为57.78%，法国梧桐最小，为35.58%;居民区圆冠榆蒙尘叶片气孔导度损失率最大，法国梧桐最小;清洁区圆冠榆蒙尘叶片气孔导度损失率最大，桑树其次，法国梧桐最低;说明不同树种对逆境的生理适应特征也不一样，桑树的适应能力最强。

对蒸腾速率而言，不同树种在不同功能区蒙尘叶片蒸腾速率损失率均较明显。赵华军等［14］研究表明，沙尘暴粉尘污染后，小麦、玉米和棉花的蒸腾速率均下降，下降幅度分别达到33.64%、31.96%和27.23%。本研究3 种树种蒸腾速率不同功能区平均损失率分别为法国梧桐41.67%、圆冠榆42.96%、桑树38.01%。阿克苏市3 种绿化树种蒙尘叶片蒸腾速率损失率均高于上述3 种农作物，说明不同环境条件下植物种类对环境的适应能力不同，因为不同植物的生理生态及遗传特性存在差异［17］。另外，不同树种树高、胸径、冠幅以及叶片粗糙度、倾斜角度等自身因素通过滞尘量大小来影响树种蒸腾速率损失率的变化［18］。

综上所述，不同功能区同一树种洁净叶片和蒙尘叶片之间的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率差异明显，洁净叶片大于蒙尘叶片。同一个功能区不同树种洁净叶片和蒙尘叶片之间的气体交换参数值各不相同。树种叶片气体交换参数损失率与滞尘量之间存在正相关关系，复相关系数为0.909 1～0.998 2。沙尘污染能够降低植物叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率。树种叶片光合作用与其生存的环境条件密切相关，沙尘污染越严重，树种叶片蒙尘量越高，从而减少了光合有效面积，降低光质，严重阻碍光合作用。

致谢:本文的野外调研和室内分析工作得到阿克苏地区国土资源局合力力·阿吾提、艾尔肯·卡吾力和新疆大学资源与环境科学学院买尔当·克依木、阿布都拉·阿布力孜、塔依尔江·艾山、古力比亚·乌买尔等同学的支持与帮助，在此表示衷心感谢!

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