红叶石楠吸附不同粒径颗粒物能力及光合响应

2018-10-11吴海天刘美华郑国良

福建农林大学学报（自然科学版） 2018年5期

吴海天, 杨山, 陈健, 王彬, 刘美华, 沈剑, 郑国良

(1.浙江农林大学省部共建亚热带森林培育国家重点实验室，浙江杭州 311300；2.金华市林业技术推广站，浙江金华 321000)

颗粒物是国内外大多数城市空气的首要污染物[1]，不仅可以影响气象环境，同时也是雾霾形成的主要因素[2-3].粒径小于10 μm的颗粒物能对人体健康造成严重威胁[4]，有研究表明PM2.5每年都将造成全球范围内接近80万人的死亡[5].植物可以做为生物过滤器有效地滞留空气中的颗粒物.Nowak在美国10个城市的研究表明[6-7],当地的植物每年都将直接滞留空气中4.7～64.5 t的PM2.5，道路旁的植被滞尘效果更加明显.目前大部分研究集中在植物叶表面或蜡质层的滞尘能力分析[8-10]，颗粒物对植物光合影响的研究总体较少[11].陈雄文等[12]研究显示随着叶表灰尘量的增加和蒙尘时间的延长，颗粒物对光合的影响越显著，也有研究表明超细颗粒物(粒径<0.1 μm)可以直接通过气孔进入叶组织，较大的颗粒物在叶面不断沉积，改变叶片的光合特性[13].光合作用是植物固碳的基础，对缓解全球气候变暖、稳定和降低大气中温室气体浓度有极为重要的作用[14]，但其很容易受到外界环境的影响[15]，已有的研究结果在分析颗粒物对叶片光合的影响时多使用固定光强[16]，无法观测到滞尘后叶片对不同光强的响应能力，很难判断植物利用弱光或强光的能力是否发生改变.

红叶石楠(Photiniafraseri)为蔷薇科石楠属的常绿小乔木，生长迅速，生态适应性强，在中国黄河以南绝大部分地区均可种植，如今已成为城市道路绿化中主要的树种之一，据统计2015年红叶石楠的国内市场需求量已突破10亿株[17-18].红叶石楠大量运用于街道绿化，但是关于红叶石楠滞尘的研究很少，颗粒物对红叶石楠光合影响的研究鲜有报道.因此本研究以红叶石楠为例，通过比较光响应曲线及光响应特征参数的变化，分析不同粒径颗粒物对红叶石楠光合的影响，为城市滞尘树种选择及后期管理提供新的思考.

1 材料与方法

1.1 采集样地选择

样地位于浙江省杭州市临安市高速路口(119°45′0″E，30°23′20″N)，属中亚热带季风气候区，温暖湿润，四季分明，全年平均气温16.4 ℃；样地内颗粒物污染严重，5 km以内无其他污染源；供试树种红叶石楠为高速路口绿篱，树高2.5 m；为避免由于外界条件差异导致的试验误差，试验样地为较小的狭长地块，样地内的生态因子(光照、降雨、风速、温度、湿度、土壤等)可视为无差异[33]；该区域的红叶石楠栽植与道路建设属同期，后期管理属于同一机构，因此样本的经营管理措施也可以认为是相同的.采样地选择高速路口路中绿篱3处，每个样地选取3株生长良好、无病虫害且树龄相近的个体植株.

1.2 试验方法

临安地区四季多雨，秋冬两季降雨天数较少，但冬季降雨频度分布平均很难使植物达到充分滞尘(表1)，秋季降雨主要集中在11月份，9—10月出现较长时间非降水天气，为提高试验的可行性，本研究选取在2015年9—11月(秋季)，采样时间选择在降雨量超过18.35 mm后保持天气晴朗连续8 d以上的晴天[19].为避开植物日变化进程中光合“午休”现象[20]，试验定于早上10∶00至12∶00.

表1 2015年临安地区天气情况表Table 1 Weather conditions for Lin'an area in 2015

1.2.1 叶片对不同粒径颗粒物的滞量测定每株红叶石楠冠层中部的东、南、西、北4个方向各采集4片大小相近的叶片，用铝箔纸包装，留待试验.

将孔径100、10(Whatman type 91)、2.5(Whatman type 42)、0.2 μm(PTFE)的滤膜于60 ℃的烘干箱中烘干2 h，取出后置入干燥皿中保存2 h达到稳定后称重.将叶片于蒸馏水中震荡5 min依次过滤，60 ℃烘干2 h，并置于干燥器皿中保存24 h再次称重.差值即叶片吸附的悬浮颗粒量(sPMi, g).将颗粒物粒径10～100 μm记为sPM100，2.5～10 μm记为sPM10，0.2～2.5 μm记为sPM2.5.

蜡质层中的颗粒物是植物叶片长时间累积的结果，蜡质较稳定且不溶于水，一般只有当蜡质脱去时，其所吸附的颗粒物才能重新回到大气中[21]，Przybysz et al[16]研究表明,单位蜡质滞尘量与蜡质层厚度呈正相关，而蜡质厚度差异主要与植物叶片的成熟度有关[22].本试验采集的叶片均为红叶石楠冠层中部的成熟叶片，在短时间内其叶片蜡质层含量变化极小，因此本研究不考虑蜡质层短时间内滞留颗粒物的增量变化.

将经过蒸馏水滤洗的叶片放入盛有三氯甲烷的中搅动1 min，使叶片蜡质层中颗粒物充分溶解，再次进行3次过滤并称重，最后得到每种样品“蜡质层颗粒物”的滞留量(wPMi, g).将颗粒物粒径10～100 μm记为wPM100，2.5～10 μm记为wPM10，0.2～2.5 μm记为wPM2.5.

1.2.2 光响应曲线测定为避免光响应曲线测量造成的叶面颗粒物物理抖落，对颗粒物采样叶片旁形态、朝向、大小相近的功能叶进行标记并测量.每株选择乔木冠层中部不同方向的功能叶片3片作为重复.

用红外气体分析法(LICOR 6400 photosynthesis system lincoln, nebraska USA)测其充分滞尘后的光响应曲线：控制叶温在(25±1) ℃，CO2浓度380 μmol·m-2·s-1，空气湿度(60±10)%的条件下，通过人工调节光强变化，梯度为2 000，1 800，1 600，1 400，1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，25，0 μmol·m-2·s-1，最大等待时间200 s，最小等待时间120 s.傍晚时将测试后的叶片用蒸馏水洗净并用穿孔的透气塑料袋包住叶片减少降尘，待次日相同时间测量作为对照(CK).

1.2.3 叶表面形态的测定采样图像处理法，将晾干后的叶片放在标准A4白纸上，利用数码相机拍照获取叶片和A4白纸的图像，导入Adobe Photoshop CS6软件统计像素计算.

1.2.4 光合作用响应模型试验采取非直角双曲线模型[23-24]非线性拟合光响应曲线的相关参数，即最大净光合速率(Pnmax)、光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQY).

拟合公式为：

其中，Pn为净光合速率，PAR为光合有效辐射辐射，AQY为表观量子效率，Pnmax为最大净光合速率，Rd为暗呼吸速率，K是拟合曲线曲角.规定初始值AQY(0.05)，K(0.5)，Rd(2)，Pnmax(30).限制0≤K≤1，Pnmax≤50，AQE≤0.125.

光响应曲线PAR 200 μmol·m-2·s-1以下的的线性方程，与非直线双曲线中y=Amax和y=0这两条平行直线相交，得出交点.当y=Amax的时即为LSP，而当y=0时即为LCP，线性方程斜率即为AQY[25-27].

1.2.5 数据处理数据处理分析应用SPSS 13.0软件，计量采用均数±标准差表示．组间差异采用单因素方差分析ANOVA(α=0.05)，相关分析采用Spearman分析.

2 结果与分析

2.1 叶片对空气中悬浮颗粒物的吸附

根据图1，红叶石楠叶表面吸附颗粒物(sPM)极显著大于蜡质层吸附颗粒物(wPM)(P=0.005≤0.01).大颗粒物方面：sPM100是wPM100的10.78～15.05倍；粗颗粒物方面：sPM10是wPM10的1.07～2.69倍；细颗粒物方面：wPM2.5是sPM2.5的1.09～3.31倍.虽然红叶石楠叶面吸附大颗粒物的能力极显著(P=0.003≤0.01)高于蜡质层，但是在吸附粗颗粒物(P=0.466≥0.05)和细颗粒物 (P=0.422≥0.05)上蜡质层和叶表面没有显著差异.

2.2 叶片滞尘前后光合特性比较

2.2.1 滞尘前后叶片光响应曲线比较光合响应反映了植物光合速率(Pn)随光照强度改变的变化规律.当PAR大于400 μmol·m-2·s-1时，植物滞尘后样本与对照样本的光合速率均趋于平稳，但CK的光合速率显著高于滞尘后样本.当PAR在200 μmol·m-2·s-1以下时，两者光合速率均呈线性上升.其中，对照样本(CK)的光合速率在8～10 μmol·m-2·s-1之间趋于稳定，而滞尘后的光合速率在4～6 μmol·m-2·s-1之间趋于稳定，两者具有显著差异(P=0.047<0.05)(图2).

2.2.2 滞尘前后叶片光响应参数比较由表2可知，滞尘后几种植物的光响应特征参数与CK相比都表现出降低.滞尘后样本的Pnmax降低了56.86%～63.94%，达到显著水平； AQY降低了58.25%～68.38%，达到显著水平； LSP降低了52.15%～53.90%，达到极显著水平.尽管Rd和LCP也降低了57.20%～63.40%和39.99%～61.48%，但无显著差异(P>0.05).

2.3 红叶石楠滞尘后光响应参数与单位叶面积吸附PM的相关性

根据红叶石楠光响应特征参数与单位面积吸附颗粒物量的相关性(表3).光响应特征参数中除了Rd外，其它指标均与颗粒物呈负相关关系.Pnmax和AQY与叶表面颗粒物的负相关关系随颗粒物粒径减小而不断变大，并在sPM2.5上达到显著负相关水平.Rd和LSP都与sPM10和wPM2.5表现出显著相关关系.

图1 红叶石楠单位叶面积吸附颗粒物的量Fig.1 Mass of PM retained on per unit leaf area of P. fraseri

图2 红叶石楠净光合速率对光强的响应Fig.2 Response of photosynthetic rate to the light intensity in P. fraseri

光响应特征参数滞尘后对照显著性表观量子效率/(mol·mol-1)0.028±0.0010.036±0.0010.045*暗呼吸速率/(μmol·m-2·s-1)-0.770±0.139-1.176±0.03460.081最大净光合速率/(μmol·m-2·s-1)7.289±0.31411.195±0.5480.017*光饱和点/(μmol·m-2·s-1)278.500±1.610314.500±5.9880.010**光补偿点/(μmol·m-2·s-1)7.000±0.9007.500±0.4300.865

1)*在0.05水平上显著差异P<0.05;**在0.01水平上显著差异P<0.01.

表3 红叶石楠光合响应特征参数与单位面积吸附颗粒物量的相关性1)Table 3 Correlation coefficient of Pn-PAR curve characteristic parameters and mass of particulate matters retained on per unit leaf area of Photinia fraseri

1)*在0.05水平上显著差异P<0.05;**在0.01水平上显著差异P<0.01.

在颗粒物自身相关性方面，高速路口的红叶石楠吸附的总颗粒物量较高，主要与吸附的sPM100、wPM100、wPM10的量关系较大，其相关性达到显著水平；在蜡质层中，wPM10与wPM100显著相关(0.895).而且蜡质层与叶表面吸附的颗粒物量之间也存在着相关关系： wPM10与sPM100显著相关，wPM2.5与sPM10达到极显著相关水平(0.987).

3 讨论

3.1 红叶石楠吸附颗粒物能力分析

红叶石楠作为常用城市绿化树种之一，其蜡质层和叶表面均具有滞留颗粒物的能力.叶面吸附的颗粒物占总颗粒物量的多数，但会因降雨或风吹等发生迁移[28].蜡质层吸附的颗粒物占总颗粒物的11%，但却无法被水洗去，并能较长时间固定在叶片中，这和Popek et al[6]的研究结果相同.根据试验结果可以发现红叶石楠蜡质层吸附颗粒物总量相对较少，但吸附PM2.5的量却大于叶表面的吸附量[(7.91±2.17) μg·cm-2≥(4.14±1.10) μg·cm-2]，因此忽略蜡质层，直接通过通过叶表面吸附颗粒物量评估植物的滞尘能力，特别是对粗、细以及极细颗粒物的评估易发生较大误差.

在叶面吸附颗粒物方面，本研究中红叶石楠吸附PM100的量(392.20±27.70) μg·cm-2较大且测量值在不同植株个体和环境下均表现出较大的波动，该现象与Song et al[12]的研究结果相似；红叶石楠吸附PM10的量也较高(24.10±7.18) μg·cm-2与G.Sgrigna et al在意大利翁布里亚区对冬青栎(Quercusilex)秋季的研究(19.76±5.5) μg·cm-2相近[29]，这两种植物虽不同科属但叶片物理属性相仿，因此造成差异的因素是不同环境下空气污染程度的差异[7]；在吸附PM2.5方面，实验表明滞尘后红叶石楠单位面积吸附PM2.5的量为(4.14±1.10) μg·cm-2大于Song YS在北京对冬青卫矛(Euonymusjaponicus)(3.10±0.73) μg·cm-2、白皮松(Pinusbungeana)(2.94±1.86) μg·cm-2、侧柏(Platycladusorientalis)(2.90±1.59) μg·cm-2、油松(PinusTableulaeformis)(1.64±0.71) μg·cm-2的试验结果.房瑶瑶在陕西关中地区关于植物滞尘能力的研究也与本实验结果相似，说明红叶石楠叶表面对细颗粒物具有较强的吸附能力[19].另外，环保部《2013年中国机动车污染防治年报》指出，1辆机动车平均每天的颗粒物排放量是8.1 g.根据试验结果，1棵红叶石楠充分滞尘将滞留空气中7.15 g颗粒物，占1辆车1天排放量的88.27%，说明红叶石楠对颗粒物治理作用显著.

3.2 光合响应特征参数分析

Pal et al[21]研究表明，叶片会因气孔被颗粒物堵塞导致光合作用减弱，植物生长速度变缓.另有大量的研究结果表明附着在植物叶片上的粉尘最先影响的就是植物的光合作用，进而影响植物的新陈代谢和生长发育，甚至会加速植物的衰老[34-35].本研究发现当红叶石楠叶片滞尘后，其光合响应特征参数，即表观量子效率(AQY)、光饱和点(LSP)、最大净光合速率(Pnmax)显著下降.Pnmax是衡量植物叶片光合作用潜力的重要指标，Pnmax的显著下降表明颗粒物对红叶石楠的光合作用形成胁迫，光能转换效率下降，干物质积累削弱；AQY表征弱光条件下的光合能力，滞尘后红叶石楠的AQY已经低于一般植物AQY范围的(0.03～0.05)的下限[30]，说明红叶石楠吸收与转换光能的色素蛋白复合体减少，利用弱光的能力显著减弱；LSP显著降低反映了滞尘后红叶石楠对强光的利用范围减小，光照生态幅变窄[25].该研究结果与Vardaka和Arkadiusz[31-32]的研究结果相似：颗粒物在叶片上的不断沉积与叶片的光合效率等特征参数有负相关关系.

在颗粒物与光合响应特征参数的相关性分析中发现：红叶石楠的各项光响应特征参数除暗呼吸速率(Rd)，其它参数均与颗粒物呈负相关关系.其中粒径较小的粗、细颗粒物(sPM10、sPM2.5、wPM2.5)与Rd、AQY、LSP的相关性较显著，而大粒径颗粒物(sPM100、wPM100)并无显著关系，这与Przybysz et al[16]和Hirano et al[32]得出的结论“颗粒物对叶片的影响主要与颗粒物的尺寸有关，颗粒物粒径越小影响越大”相似，说明细颗粒物在叶面及蜡质层不断沉积导致气孔堵塞，甚至携带重金属进入气孔导致红叶石楠光合能力下降，但是Takagi et al[36]研究表明，颗粒物在铁冬青(Ilexrotunda)叶表面的沉积减缓了光抑制现象从而增加了光合能力，对此结合本试验细颗粒物阻碍光合的结论提出假设：粗、大颗粒物覆盖在叶片上可以保护叶片避免光抑制而不堵塞气孔，该假设是否成立需要进一步研究.但这并不表示颗粒物有助于植物生长，城市中汽车尾气及工业污染所排放的颗粒物中有远超于自然界的大量规则型细颗粒物，因此植物在城市拥挤地段及工业区依旧无法避免光合受阻.

另外，植物的生长具有周期性，其中落叶植物的表现尤为明显，在不同季节植物对不同胁迫的响应并不恒定.本研究由于临安地区气候对植物滞尘的影响，只选择了10月份进行实验.望研究者在后续的试验中增加其他季节里颗粒物对红叶石楠光合响应的影响.