南京市7种适生彩叶植物抗NO2能力及生态功能研究

圣倩倩，祝遵凌

（南京林业大学 a.南方现代林业协同创新中心；b.风景园林学院；c.艺术设计学院，江苏 南京 210037）

NO2是空气中主要的氮氧化污染物，通过气孔进入植物叶片，快速溶于气孔周围的胞壁连续区水相中，形成NO3-和NO2-。长时间暴露于NO2气体中的植物会受到伤害。Morikawa等[1]研究了217种天然植物同化NO2的情况，发现不同植物同化能力的差异达600多倍，可筛选“嗜NOx植物”，因此研究NO2对植物的胁迫机理及修复机制具有一定的理论意义。硝酸还原酶（NR）是植物氮代谢中一个重要的调节酶和限速酶[2]。前人已开展了关于植物暴露于NO2的生长生理指标研究，但多在观赏草及作物间开展[3-4]，极少针对园林绿化植物开展，目前仅发现有报道NO2熏气对樟树生理生化的影响[5]，但对彩叶植物的生长生理研究目前尚未被报道。通过外施某些化学物质如外源水杨酸提高植物抗NO2能力，对改善植物修复环境NO2污染具有一定的指导意义，而室外用于园林绿化的彩叶植物是否能不加外源化学物质在自然生长条件下进行自我修复，以及是否能修复到原有正常生理水平，目前尚未见报道。因此，本研究采用江苏省园林绿化常见的7种适生彩叶植物（金边黄杨Buxus megistophylla、南天竹Nandina domestica、金森女贞Ligustrum japonicum、红花檵木Loropetalum chinense、洒金桃叶珊瑚Aucuba japonica、金叶银杏Ginkgo biloba、金边玉簪Hosta plantaginea）为试验材料，研究其受到NO2熏气后的生理响应机理。此外经NO2熏气后的彩叶植物不再加NO2处理，在温室条件下，经过30 d的植物自身生长修复，观察植物修复情况，为NO2污染区及潜在污染区绿化植物配置提供一定的理论依据。

1　实验材料与方法

1.1　实验材料

实验材料是南京市7种适生彩叶植物，分别来自中国常州的一年生金边黄杨、南天竹、金森女贞、红花檵木、洒金桃叶珊瑚、金叶银杏、金边玉簪。试验在南京林业大学园林植物实验室和温室进行。2016年9月挑选整齐一致，健壮、无病虫害的正常苗木移入南京林业大学风景园林学院温室进行基质栽培。实验苗的基质为泥炭土∶蛭石∶珍珠岩=1∶1∶1的混合土，用规格为上径口（30 cm）×下径口（20 cm）×高（15 cm）塑料花盆进行盆栽，盆底有排水孔并置于托盘中，每盆装500 g 干土，每盆2株。在条件一致的环境下自然生长，常规管理，培养期间，每周浇水2～3次以保持湿润，两周加一次1 L霍格兰营养液，培养2个月后，进行NO2胁迫实验，各植物重复40株。植物生长条件控制在环境温度25～28 ℃，空气相对湿度60%～70%，光照强度 500 ～ 900 μmol·m-2s-1。

1.2　实验设计

人工模拟熏气装置（0.5 m×0.5 m×0.5 m）：一种定时调控和记录NO2浓度的熏气试验装置，其结构包括NO2气瓶、减压阀、电磁阀、进气管、NO2传感器、电脑终端、熏气室；其中，NO2气瓶的出气端与减压阀的进气端相接，减压阀的出气端与电磁阀的进气端相接，电磁阀的出气端与进气管的进气口相接，进气管的出气口位于在熏气室内，熏气室内设有NO2传感器，NO2传感器透过距离熏气室底部与电脑终端连接。

熏气条件：熏气速率设定为6 µl/L，熏气时间：48 h，环境温度17～27 ℃，湿度40%～60%。

自我修复：熏气后，各植物从熏气装置取出，不再加NO2，放在温室培养30 d。植物生长条件控制在环境温度25～28 ℃，空气相对湿度60% ～ 70%，光照强度 1 500 μmol·m-2s-1。

1.3　测定方法

植物叶绿素含量、硝态氮含量、NR活性（离体法）、全氮含量、MDA含量、蛋白质含量（考马斯亮蓝法）和过氧化物酶（采用愈创木酚比色法）的测定分别见张志良等[6]的方法。上述所有试验至少重复3次，图表中所有数值均为平均值。

1.4　数据统计分析

采用SPSS16.0 软件对所得数据进行统计分析，所有数据均以平均值表示。

2　结果与分析

2.1　伤害症状

叶片是植物进行气体交换的器官。它以庞大的表面积和空气相接触，而NO2会随着空气一起通过气孔进入叶内。当NO2气体质量分数超过植物受NO2伤害阀值时，植物叶首先出现伤害症状。在本次人工熏气试验中，如表1所示，7种彩叶植物叶片的伤害症状主要表现为：叶片尖端和边缘首先出现伤斑，进而沿叶脉向中部及基部扩展。部分植物表现为叶片中部沿叶脉出现伤斑，嫩叶萎焉、卷曲、失去光泽等。伤斑初期为失绿斑，坏死斑的颜色有灰黄、红褐、褐色等。

表 1　7种彩叶植物NO2熏气后形态变化Table 1　Morphological changes of seven kinds of colored plants after exposed to NO2

2.2　叶绿素含量的测定

从表2可以看出，植物种类不同，受到NO2熏气后叶绿素含量及自身修复能力有所差异。7种彩叶植物受到NO2熏气后，叶绿素a浓度均有所下降，其中红花檵木叶片叶绿素a下降的最多，是对照处理的0.866倍。下降速率最小的是南天竹，为对照处理的0.389倍。温室环境下自然修复30 d后，叶绿素a增长速率最高的是红花檵木，高达对照组的2.056倍，而金森女贞增长速率最低，为对照组的0.572倍。

表 2 7种彩叶植物叶片叶绿素a，叶绿素b，类胡萝卜素以及叶绿素含量变化†Table 2　Content changes of chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoid and chlorophyll on seven kinds of color leaf plant

7种彩叶植物受到NO2熏气后，Chl b含量变化不一致。除金森女贞Chl b含量有所增长外，其余6种植物Chl b均下降。30 d的修复后，金边黄杨，洒金桃叶珊瑚，南天竹，红花檵木增长率分别为对照组的64.9%，69.9%，69.9%和197.9%。而金森女贞和金边银杏Chl b有所下降，是对照组的0.96，0.77倍。

类胡萝卜素含量在7种彩叶植物中分布不均，其中除洒金桃叶珊瑚受NO2熏气后类胡萝卜素含量有所增长，增长率达8.3%外，其余6种植物受NO2熏气后类胡萝卜素均下降。30 d的修复后，金边黄杨、洒金桃叶珊瑚、南天竹和红花檵木等4种彩叶植物类胡萝卜素含量上升，是对照组的1.47，1.357，1.261和2.412倍，其中红花檵木增加的最多。

叶绿素总含量在7种彩叶植物受NO2胁迫后，叶绿素含量均呈现下降趋势，金边黄杨、金森女贞、洒金桃叶珊瑚、南天竹、红花檵木、金叶银杏和金边玉簪的下降率分别是对照组的0.516、0.250、0.155、0.419、0.146、0.412和0.429倍，总叶绿素含量下降率从小到大排序依次为红花檵木、洒金桃叶珊瑚、金森女贞、南天竹、金叶银杏、金边玉簪和金边黄杨。在30 d的修复后，叶绿素含量增长显著，其中金边黄杨、洒金桃叶珊瑚、南天竹和红花檵木的增长是对照组的1.811、1.372、1.604和2.466倍。红花檵木、洒金桃叶珊瑚、金森女贞、南天竹、金叶银杏、金边玉簪和金边黄杨修复后总叶绿素增长率大小排序依次为红花檵木、洒金桃叶珊瑚、金边黄杨、南天竹、金叶银杏、金森女贞和金边玉簪。分析认为，红花檵木和洒金桃叶珊瑚的抗性和修复能力均较强，金边黄杨的抗性较弱、但修复能力很强，金森女贞的抗性较强、但修复能力较弱，南天竹和金叶银杏的抗性和修复能力中等，金边玉簪的抗性和修复能力均较弱。

2.3　过氧化物酶活性、可溶性蛋白含量、丙二醛含量的测定

如图1（a）所示，7种彩叶植物在NO2熏蒸后过氧化物酶活性均有所提高，其中与对照组相比，过氧化物酶活性增加最多的为金边黄杨，达4倍多，分析认为金边黄杨受到NO2胁迫后，自身保护酶系统启动，通过提高抗氧化酶活性增强自身抗性；增加最少的为红花檵木，增加1.83倍，分析认为红花檵木在受到NO2胁迫后，自身仍能进行正常的生理代谢。不加NO2熏气，经过30 d的自然修复后，7种彩叶植物的过氧化物酶活性均显著下降（P＜0.05），其中金边黄杨、金森女贞、洒金桃叶珊瑚、南天竹和红花檵木均下降到低于对照，金叶银杏和金边玉簪过氧化酶活性与对照相仿。红花檵木、洒金桃叶珊瑚、金森女贞、南天竹、金叶银杏、金边玉簪和金边黄杨NO2熏气后过氧化物酶活性增长率由低到高排序依次为红花檵木、金森女贞、南天竹、金边玉簪、洒金桃叶珊瑚、金边黄杨、金叶银杏，修复后过氧化物酶活性增长率由低到高排序为洒金桃叶珊瑚、红花檵木、金森女贞、南天竹、金边黄杨、金边玉簪、金叶银杏。分析认为，红花檵木、金森女贞和南天竹的抗氧化性和修复能力均较强，金边黄杨的抗性较弱、但修复能力很强，洒金桃叶珊瑚的抗氧化性较弱、但修复能力很强，金边黄杨和金叶银杏的抗性和修复能力中等。

在NO2熏气 后，7种彩叶植物可溶性蛋白含量均显著上升。图1（b）中红花檵木可溶性蛋白含量增加最高，比对照组高3.1倍，分析认为红花檵木暴露于NO2气体中，为植物生长代谢中可溶性蛋白的合成提供丰富的氮源，有利于蛋白质的合成；增加值最低的为金边玉簪，高于对照组1.268倍。30 d的自然修复后，金边黄杨叶片的可溶性蛋白含量下降极显著，仅为对照组的0.229倍（P＜0.05），其次是红花檵木，是对照的0.99倍。丙二醛含量在NO2熏气及修复30 d后，如图1（c）所示，7种彩叶植物呈现先增加后降低的趋势，其中NO2熏气后金边黄杨的丙二醛含量增加最多，为对照组的7倍，而在经过30 d的修复后，下降到仅为对照组的3.684倍，分析认为丙二醛是细胞膜脂过氧化作用的产物之一，其产生能加剧膜的损伤，金边黄杨叶片丙二醛合成较多，发生膜脂过氧化。而金边黄杨、红花檵木和洒金桃叶珊瑚均在30 d的自然修复后丙二醛含量降低到对照以下，分别是对照的0.568、0.886、0.956倍。

图1　7种彩叶植物叶片过氧化物酶活性、可溶性蛋白含量、丙二醛的含量Fig. 1　The determination of leaf peroxidase activity, soluble protein content, nalondialdehyde content on seven kinds of color leaf plant

2.4　氮素含量、硝态氮含量和硝酸还原酶活性的测定

受到NO2熏气前后，如表3所示，7种彩叶植物叶片内氮素含量变化不一，其中金边黄杨、金森女贞、洒金桃叶珊瑚、南天竹、红花檵木、金叶银杏和金边玉簪叶片的氮素含量是对照组的5倍、1.098倍、1倍、0.333倍、1倍、1倍、1.2倍，增加量从小到大依次是南天竹、红花檵木、金叶银杏、洒金桃叶珊瑚、金森女贞、金叶玉簪和金边黄杨。7种彩叶植物受到NO2熏气后，除金叶银杏和金边玉簪硝态氮含量下降外，其余5种植物的硝态氮含量均有所上升，其中洒金桃叶珊瑚上升的最多，为对照组10.662倍，而在30 d的自然修复后，洒金桃叶珊瑚的硝态氮含量下降到对照值以下。不同植物的硝态氮含量变化差异极显著（P＜0.05）。金边黄杨、红花檵木和金叶银杏在受到NO2熏气后硝酸还原酶活性呈现下降趋势，而金森女贞、洒金桃叶珊瑚、南天竹和金边玉簪的硝酸还原酶活性有所上升，其中洒金桃叶珊瑚的硝酸还原酶活性上升最多，为对照组3.131倍，而在自然修复30 d 后，7种彩叶植物的硝酸还原酶活性值均下降到对照以下。因此，从叶片氮素含量、硝态氮含量和硝酸还原酶活性变化角度分析，南天竹、红花檵木、金叶银杏、洒金桃叶珊瑚的抗性和修复能力较强，金边黄杨、金森女贞和金边玉簪的抗性和修复能力较弱。

表 3　7种彩叶植物叶片氮素含量、硝态氮含量和硝酸还原酶活性测定Table 3　The determination of leaf nitrogen content, nitrate content and nitrate reductase activity on seven kinds of color leaf plant

3　结论与讨论

3.1　NO2熏气对7种彩叶植物生理生化代谢的影响

研究显示，NO2进入叶片后极有可能是作为信号分子介导植物生长、营养吸收和代谢[7]。而对某些敏感植物就会受到可见或不可见的伤害[8]。有些生理生化指标的变化明确显示NO2胁迫引发叶片产生氧化胁迫伤害，如MDA含量显著升高，抗氧化酶被诱导等。氧化胁迫是由ROS过量产生引发的[9-10]。当植物受到逆境胁迫时，根据胁迫的类型和程度，ROS可在细胞的不同区域产生[11]。目前，普遍接受的观点是光合作用的减弱时导致植物产生氧化胁迫的直接原因之一[12-13]，因此，从理论上讲，凡是能降低光合作用的环境因素都有可能造成植物氧化胁迫伤害。而光合作用的部位在叶绿素，叶绿素含量的高低直接影响光合作用强弱，虽然本试验数据不足以阐明NO2引发细胞产生氧化胁迫的确切机理，但从叶绿素含量的降低、MDA含量升高、抗氧化酶活性增加与NO2暴露后表现的对应关系上看，应存在密切的相关性。本试验研究7种彩叶植物生理响应，其中红花檵木叶片，在暴露于NO2后，叶绿素a下降最多，但修复后增加的也最多。红花檵木、洒金桃叶珊瑚、金森女贞、南天竹、金叶银杏、金边玉簪和金边黄杨经NO2熏气后过氧化物酶活性增长率由低到高排序依次为红花檵木、金森女贞、南天竹、金边玉簪、洒金桃叶珊瑚、金边黄杨、金叶银杏，修复后过氧化物酶活性增长率由低到高排序为洒金桃叶珊瑚、红花檵木、金森女贞、南天竹、金边黄杨、金边玉簪、金叶银杏。此外，暴露于NO2后可溶性蛋白增加最多，抗氧化酶合成最少，分析认为红花檵木叶片具有星状绒毛，可以吸附较多的NO2，且叶片小而厚，能够更好的抵御外界不良环境，此外，形态上观察暴露于NO248 h后红花檵木全株无明显受害症状，因而推测红花檵木的抗性位于所研究7种彩叶植物之首，其次是洒金桃叶珊瑚和南天竹。而金边玉簪和金边黄杨暴露于NO236 h全株萎焉、发黄，呈现出明显的受害症状，生理指标检测金边黄杨抗氧化酶活性合成最多，丙二醛含量增长最多，金边玉簪可溶性蛋白含量最少，分析认为金边玉簪和金边黄杨叶片薄而通透，表面绒毛少，不易吸附NO2，NO2易穿透表皮，伤害组织，抗性最差。以上分析认为，从叶绿素含量、过氧化物酶活性、可溶性蛋白和丙二醛活性等方面分析，红花檵木、金森女贞和南天竹的抗氧化性和修复能力均较强，金边黄杨的抗性较弱、但修复能力很强，洒金桃叶珊瑚的抗氧化性较弱、但修复能力很强，金边黄杨和金叶银杏的抗性和修复能力中等。

一般认为，NO2通过气孔进入叶片后快速溶于细胞间的水相形成NO3-，后者被硝酸还原酶（NR）还原为NO2-，进一步被亚硝酸还原酶还原成NH4+，用于氨基酸和蛋白质合成[14]，部分抗性强、吸附能力强的植物可以利用NO2，利于自身的生长和代谢。本试验中，除南天竹外，其余6种植物在受NO2熏气后，叶片内全氮含量均有所提高，这可能与NR活力提高有关。NO2熏气后，金边银杏和金边玉簪硝态氮含量下降，说明植物受熏气后，气孔开放度变小，甚至出现关闭，减少NO2的吸收，以维持植物正常生理代谢。洒金桃叶珊瑚、南天竹的硝态氮含量在受NO2熏气后分别升高10.662和3.657倍，其NR活力也相应提高3.131和1.362倍，即NR活力随提供的NO3-浓度增加而增强，这已在欧洲赤松Pinus sylvestris、欧洲桤木Alnus cremastogyne和其他一些果树上得到证实[15]。本研究中，金边黄杨、红花檵木和金叶银杏的NR受到NO2熏气后以及在自我修复后活性降低，即NR活力受到抑制，说明NR活力与NO3-供应量之间的正相关性只存在于一定植物种类内。当NO3-供应量超过一定范围内反而引起NR活力的下降。从叶片氮素含量、硝态氮含量和硝酸还原酶活性变化角度分析，南天竹、红花檵木、金叶银杏、洒金桃叶珊瑚的抗性和修复能力较强，金边黄杨、金森女贞和金边玉簪的抗性和修复能力较弱。

本研究中，在NO2熏气后，7种彩叶植物叶片抗氧化酶活性总体上升，在经过30 d自我修复后，除金叶银杏和金边玉簪活性上升外，其余4种植物活性总体下降[16]，分析认为NR活力降低可能与NO2引发的氧化伤害有关，但具体NO2引发的氧化伤害机理和植物发生的N代谢分子机理如何，需进一步通过试验验证。因此，综合分析各生理指标可知，红花檵木、洒金桃叶珊瑚和南天竹等三种植物抗NO2污染能力较强，金叶银杏、金边黄杨、金森女贞和金边玉簪等4种植物抗NO2污染能力次之。

3.2　彩叶植物园林生态功能及其应用

彩叶植物的生态功能是指彩叶植物利用自身群体效应对环境产生的有效作用。彩叶植物在森林生态系统、园林绿化等生态系统中所起的生态作用均不容忽视，在植物滞尘和吸收二氧化氮等污染气体等方面也有重要作用，为南京市功能型园林绿化的植物选择和生态景观林带建设提供了科学依据。

3.2.1彩叶植物的滞尘功能及其应用

园林植物覆盖地表，可减少空气中粉尘的出现和移动，特别是一些结构复杂的植物群体对空气污染物的阻挡，使污染物不能大面积传播，有效地杜绝了二次扬尘[17]。园林植物特别是木本植物有繁茂的树冠，能降低风速，空气中携带的大颗粒灰尘随风速降低下沉到乔木或灌木的叶片或地面而产生滞尘效应[18-19]。而江胜利[20]对杭州地区常见园林绿化植物实地调查，通过实验测定进行了滞尘效益相关方面的研究，认为灌木的的滞尘能力强于乔木和草本植物。园林植物叶片表面有的多绒毛，有的叶分泌粘性的油脂和汁液等，能吸附大量的降尘和飘尘。园林植物叶片在光合作用和呼吸作用过程中，通过气孔、皮孔等吸收一部分包含重金属的粉尘[21]。植物叶表的密致绒毛、深沟壑、网状脉和高密度气孔结构及叶片的微卷缩型态均有利于滞尘[22-26]。本研究中筛选出的红花檵木和洒金桃叶珊瑚抗NO2能力较强，与段嵩岚等[27]对福州市11种绿化灌木春季滞留颗粒物效应的研究认为具有星状绒毛的红花檵木的滞留能力最强和高架桥下的洒金桃叶珊瑚的能力较强的结论一致，两个树种处于高人车流的位置，研究认为其总滞尘的能力随着环境颗粒物浓度的增大而增强，但存在一个饱和限度，而洒金桃叶珊瑚等单叶滞留颗粒物能力强于其他狭窄、短小的树种。江胜利等[28]对杭州常见道路绿化灌木秋季滞尘能力进行了研究，认为红花檵木、金森女贞和金边黄杨均有较强的滞尘能力。

3.2.2植物吸收NO2等大气污染气体功能及其应用

城市中化石燃料燃烧产生大量的SO2，汽车尾气、工业生产等所产生的NO2、O3等空气污染物质，已严重影响到城市的环境质量。园林植物在其生命活动过程中，通过气孔和角质层吸收大气中的多种化学物质，经由呼吸作用吸收有毒气体，将有毒气体转变为无毒的物质，从而在一定程度上起到净化环境的作用。植物叶片在改善空气质量方面具有重要的作用，同时叶片的结构和功能又会受到空气质量的影响，导致叶面润湿性的变化[29-31]。通过湿润的植物表面吸收可溶性污染物如 SO2、NO2和 Cl2等。

园林植物种类的不同，在减污能力上也表现出较大的差异。缪宇明等[32]对浙江省38种园林绿化植物苗木对NO2气体的抗性及吸收能力研究，认为不同树种对NO2的吸收量不同，有些树种间差异很大，吸收能力最强的为火棘，而抗性最强的为茶花，抗性最弱的为美人蕉和火棘。李德生等[33]研究经济树种苗木对SO2和NO2的抗性，认为同等浓度下，对NO2的抗性要比SO2强，两种污染物对植物的伤害有所不同，但对SO2和NO2的抗性以银杏最强，而作为银杏其中一个品种，本研究中金叶银杏具有一定的抗NO2污染能力，二者结果一致。

因此，综合分析各生理指标以及园林植物生态功能应用可知，在园林植物设计过程中进行彩叶植物配置时可以在NO2污染非常重的绿地优先选择红花檵木、洒金桃叶珊瑚和南天竹等植物，而在NO2潜在污染区可以选择金叶银杏、金边黄杨、金森女贞和金边玉簪。有利于进一步将理论研究扎根于实践行为中，为功能型园林绿化的植物选择和生态景观林带建设提供一定的理论基础和科学依据。