准东矿区降尘对梭梭光合特性的影响
2020-06-27秦璐张雯杨林红祖力克尔江·阿布都热西提阿孜古丽·阿不都拉伍德彦易鸳鸯
秦璐 张雯 杨林红 祖力克尔江·阿布都热西提 阿孜古丽·阿不都拉 伍德彦 易鸳鸯
摘要:煤礦开采过程中,产生的降尘生成量大、成分复杂,不仅是大气污染的主要来源,亦对植物的代谢、形态和发育有不可估量的损害。本文选择准东煤田为研究区,建群种梭梭(Haloxylon ammodendron)为研究对象,采用Li-6400XT(LI-COR,USA)测定梭梭样地不同时期光合特性指标,同时测定降尘量,探讨降尘量与梭梭光合生理指标变化量的关系,探究降尘量与光合响应的内在联系。结果表明:(1)6月降尘均值最大,且显著高于8月和9月(P<0.05),8月降尘最小,至9月降尘量又逐渐增加。(2)降尘与梭梭净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均呈极显著负相关(P<0.01),与胞间CO2浓度呈极显著正相关(P<0.01),且均呈线性回归模型。研究结果可为干旱区露天煤矿区大气环境污染监控、环境风险预警与防控提供理论基础。
关键词:煤矿;光合参数;干旱区;污染
中图分类号:X173 文献标识码:A 文章编号:2095-672X(2020)03-0-03
DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.115
Effect of dust precipitation on photosynthetic characteristics of Haloxylon ammodendron in Zhundong mine area
Qin Lu1,2,Zhang wen1,2,Yang Linhong1,2,Zulikeerjiang·Abudurexiti1,2,Aziguli·Abudula3,Wu Deyan1,2,Yi Yuanyang1,2
(1.Xinjiang Academy of Environment Protection Science,Urumqi Xinjiang 830011,China;2.Xinjiang Key Laboratory of Environmental Pollution Monitoring and Risk Warning,Urumqi Xinjiang 830011,China;3.Xinjiang Uygur Autonomous Region Environmental Protection Publicity and Education Center,Urumqi Xinjiang 830046,China)
Abstract:In the process of coal mining, the production of dust is large and the composition is complex, which is not only the main source of atmospheric pollution, but also has immeasurable damage to the metabolism, morphology and development of plants.This paper selects the Zhundong coal field as the research area, and constructive species Haloxylon ammodendron as the research object,the characteristics of photosynthetic characteristics of Haloxylon ammodendron leaves were determined by Li-6400XT, and the dust precipitation were also measured, the relationship between the amount of dust fall and the change of plant physiological indexes was discussed, the intrinsic relationship between dust fall and photosynthetic characteristics response. The results showed that.(1)The average dust fall in June was the largest and significantly higher than that in August and September (P<0.05).The dust precipitation in August was the smallest, and the dust fall in September gradually increased.(2) dust precipitation was negatively correlated with Pn, Gs and Tr of Haloxylon ammodendron (P<0.01), and positively correlated with Ci (P<0.01), showing linear regression model.The results can provide a theoretical basis for the monitoring and control of air pollution, early warning and prevention of environmental risk in open coal mine areas in arid area.
Key words:Coal mine;Photosynthetic parameters;Arid area;Pollution
环境污染对植物生理生态的影响一直是环境生物学研究的热点问题之一[1-5]。目前,我国大气污染总体十分严重[6],降尘是危害大气环境质量的主要因素之一,其不仅破坏环境空气质量,影响人体的健康,同时也会对植被生长造成不可估量的伤害[7,8]。
新疆地处中温带极端干旱的荒漠地带,自然生态系统平衡易遭破坏,而且破坏后难以恢复,生态环境极其脆弱。新疆煤炭资源丰富,已逐渐成为我国新的煤炭能源基地,且露天矿多。由于矿产资源开发是一种具有大规模高强度性质的生态扰动行为,在生态十分脆弱地区不重视其环境影响和生态损伤必然产生严重后果。露天煤矿开采过程中产生的降尘是主要大气污染物,对植物的生长发育产生不利影响。由于光合作用对环境的变化十分敏感,因此,植物受伤害的症状最早出现在叶片的光合指标的改变上。如,索晨[9]在不同程度降尘对青菜和水稻幼苗生长发育的研究中发现:大气降尘显著抑制了这 2 种农作物的光合速率,降低了叶片中叶绿素含量。王家强等[10]研究表明,单位叶面积降尘量与棉花叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率都表现为显著负相关。高迪[11]对矿区周边草原植物的光合测定发现,煤矿露采过程中产生的粉尘污染对植物的叶片光合与蒸腾作用有较明显的负面作用。
本文通过对新疆干旱区典型露天煤矿不同程度煤尘污染区、梭梭不同生长期的降尘量及其光合参数进行测定和分析,明晰两者的时空变化特征,探讨降尘与植物生理指标变化量的关系,探究降尘对梭梭光合特性影响特征。研究可为干旱区露天煤矿区大气环境污染监控、环境风险预警与防控提供理论基础,对矿区生态环境风险预警与受损生态系统修复具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
新疆准东露天煤矿是新疆最大的整装煤田,地处天山北麓准噶尔盆地,位于吉木萨尔县西北的五彩湾地区,距离吉木萨尔县 130 km,距离乌鲁木齐 220 km。区域内有 5 个正在开采的大型露天煤矿[12],分别为湖北宜化煤矿、大成能源煤矿、天池能源煤矿、神华新疆能源煤矿、神东天隆煤矿,区域内天然植被类型少、结构单一,植被生长矮小且稀疏,多为荒漠植被,有梭梭、琵琶柴、假木贼、沙拐枣、盐节木等,其中以梭梭为主。
1.2 采样点选取
本文选择准噶尔东部煤田为研究区,采用上风向-下风向法,以研究区常年盛行风为主方向,结合矿坑分布、植被分布等因素在研究区选取18个研究单元,这些研究单元反映煤尘污染区不同污染程度,在每一研究单元内选择梭梭群落进行植被调查。
1.3 降尘测定
每个样点放置 3 个(内径15±0.5cm,高30cm的圆筒形玻璃缸)集尘缸。各监测点均按照《环境空气降尘的测定》 规定的技术要求采样及分析,采样装置自行加工而成,于每個集尘缸内加入50mL乙二醇和 50mL水[13],将 3个集尘缸放置距地面1.5m 的不锈钢支架上。采样结束后,集尘缸罩上塑料袋带回实验室,将每个采样点的 3个集尘缸样品进行合并后测定。
1.4 光合参数测定
在6月、8月、9月选择天气晴好的连续几天,在每个研究单元的取样植株(包括重复植株)冠层4个方向上均选择长势、大小相似无病害的一簇叶,用便携式光合测定仪Li-6400XT(LI-COR,USA)簇状叶室测定野外梭梭光合参数。每个样地测定30个重复。
1.5 数据分析与处理
利用SAS8.0计算数据平均值和标准误(SE);选择单因素方差分析检验不同时期降尘含量、光合参数变化的差异性,并采用相关分析法分析降尘和梭梭光合参数的相关程度;运用Duncan检验法对显著性差异(P<0.05)进行多重比较;利用ArcGis软件绘制采样点示意图,利用Excel 2003(Microsoft,USA)辅助作图。
2 结果与分析
2.1 不同时期降尘含量变化
由表1可以看出,研究区6月降尘均值最大,为45.98±3.68 t/km3·30d,范围为7.93~70.08t/km3·30d,且显著高于8月和9月(P<0.05),8月降尘最小,为14.58±1.32t/km3·30d,至9月降尘量又逐渐增加,为20.45±1.10t/km3·30d。
2.2 不同时期梭梭光合参数变化
6月和8月、9月,研究区梭梭净光合速率(Pn)均值分别为1.79±0.29μmol·m-2·s-1、14.06±2.20μmol·m-2·s-1和10.93±1.26μmol·m-2·s-1;由图2可以看出,随着季节的变化,净光合速率先上升后下降,且6月和8月、9月之间差异显著(P<0.05),8月与9月之间差异不显著(P>0.05)。
6月和8月、9月,梭梭气孔导度(Gs)均值分别为0.03±0.004 mol·m-2·s-1、0.08±0.01mol·m-2·s-1和0.09±0.01mol·m-2·s-1,随着季节的变化,气孔导度逐渐上升,且6月和8月、9月之间差异显著(P<0.05),8月与9月之间差异不显著(P>0.05),可见,8-9月,梭梭净光合速率和气孔导度无显著差异。
6月和8月、9月,梭梭胞间CO2浓度(Ci)均值分别为237.61±17.99μmol·mol-1、100.88±17.55μmol·mol-1和148.34±19.19μmol·mol-1,胞间CO2浓度随着季节的变化呈现先降低后增加的趋势,且差异显著(P<0.05);
6月和8月、9月,梭梭蒸腾速率(Tr)均值分别为1.44±0.21μmol·m-2·s-1、4.13±0.59μmol·m-2·s-1和2.24±0.26μmol·m-2·s-1;蒸发速率则呈现出先增加后减小的变化趋势,且差异显著(P<0.05)。
2.3 降尘和梭梭光合荧光参数的相关关系
从表2可以看出,研究区降尘与梭梭净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均呈极显著负相关(P<0.01),且均呈线性回归模型(图3),即降尘量越大,梭梭净光合速率、气孔导度和蒸腾速率越小;降尘与胞间CO2浓度呈极显著正相关(P<0.01),且呈线性回归模型(图3)。
3 讨论
降尘会在植物叶片表面长期积累进而通过影响光合作用、阻塞气孔等对植物的正常生长或作物产量造成不利影响。研究区降尘与梭梭净光合速率、气孔导参数和蒸腾速率均呈极显著负相关(P<0.01),且均呈线性回归模型,即降尘量越大,梭梭净光合速率、气孔导度和蒸腾速率越小。与多数研究相同,如莫治新等[14]在塔里木盆地利用多重比较方法分析了降尘对苹果(Malus domestica Borkh.)叶片的光合作用及营养特性的影响,表明降尘使苹果叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)均下降。殷彩云等[15]研究发现,苗期降尘对棉花净光合速率、蒸腾速率的差异均达到了极显著水平,而对叶绿素含量的影响在苗期也非常显著。索晨等[9]为揭示大气降尘对作物生长和农产品品质的影响,采用不同来源和不同程度的降尘,模拟开展降尘-农作物盆栽试验,分析青菜和水稻幼苗光合及呼吸速率、叶绿素含量、地上部干物质质量以及重金属含量的变化,结果表明大气降尘显著抑制了2种农作物的光合速率。本研究结果发现,降尘与梭梭胞间CO2浓度呈极显著正相关(P<0.01),与管阳等[16]的研究结果相同,这可能是由于净光合速率降低,对CO2的消耗减少而引起的。
4 结论
(1)6月降尘均值最大,且显著高于8月和9月(P<0.05),8月降尘最小,至9月降尘量又逐渐增加。
(2)研究区降尘与梭梭净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均呈极显著负相关(P<0.01),与胞间CO2浓度呈极显著正相关(P<0.01),且均呈线性回归模型。
参考文献
[1]Naidoo G, Tuffers AV, Von Willert DJ. Changes in gas exchange and chlorophyll fluorescence characteristics of Two mangrove and a mangrove associate in response to salinity in the natural environment[J]. Trees, 2002, 16: 140-146.
[2]蘇行,胡迪琴,林植芳,林桂珠,孔国辉,彭长连.广州市大气污染对两种绿化植物叶绿素荧光特性的影响[J].植物生态学报,2002,26(5):599-604.
[3]温达志,陆耀东,旷远文,胡羡聪,张德强,薛克娜,孔国辉.39种木本植物对大气污染的生理生态反应与敏感性[J].热带亚热带植物学报,2003,11(4):341-347.
[4]马树华,王庆成,李亚藏.汽车尾气对四种北方阔叶树叶绿素荧光特性的影响[J].生态学杂志,2005,24(1): 15-20.
[5]Swami A, Chauhan D. Impact of air pollution induced by automobile exhaust pollution on air pollution tolerance index (APTI) on few species of plants[J]. INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENTIFIC RESEARCH, 2015, 4(3): 342-343.
[6]姜晨怡.2013,那些我们一起追过的话题.中国科技网—科技日报.2013-12-26/2019-12-23.http://www.wokeji.com/shouye/jzz/beijing/201312/t20131226_613685.shtml
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[7]Pariyara S, Eicherta T, Goldbacha H E, Hunscheb M, Burkhardta J n. The exclusion of ambient aerosols changes the water relations of sunflower (Helianthus annuus) and bean (Vicia faba) plants[J]. Environmental and Experimental Botany, 2013, 88: 43-52.
[8]Paoli L, Guttová A, Grassi A, Lackovi?ová A, Senko D, Sorbo S, Basile A, Loppi S. Ecophysiological and ultrastructural effects of dust pollution in lichens exposed around a cement plant (SW Slovakia) [J]. Environ Sci Pollut Res, 2015. DOI 10.1007/s11356-015-4807-x
[9]索晨,罗小三,赵朕,孙雪,张丹,陈燕.大气降尘污染对典型农作物生长发育及重金属含量的影响[J].浙江农业学报,2019,31(6):938-945.
[10]王家强,郑德明,柳维扬,赵湛.风沙灾害对南疆棉花光合特性的影响[J].环境科学与技术,2014,37(8):47-53.
[11]高迪.干旱草原区露天煤矿粉尘排放对周边草地植物生长的影响[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2014.
[12]姚峰,包安明,古丽·加帕尔,阴俊齐,李长春,张光胜.新疆准东煤田土壤重金属来源于污染评价[J].中国环境科学,2013,33(10):1821-1828.
[13]魏复盛.空气和废气监测分析方法[M].北京:中国环境科学出版社,2003:201-202.
[14]莫治新,王家强,柳维扬,王冀萍.降尘对苹果叶片光合作用及营养特性的影响[J].湖北农业科学,2015(10):118-121.
[15]殷彩云,王家强,柳维扬,牛建龙.降尘对棉花光合作用及氮素含量的影响[J].江苏农业科学,2016,44(09):116-118.
[16]管阳,纪永福,张莹花,李道明,魏林源,王旺田,王立,马瑞.风沙流对梭梭幼苗光合作用的影响[J].甘肃农业大学学报,2018,53(2):108-112.
收稿日期:2020-01-16
基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金(2016D01B053)资助。
作者简介:秦璐(1985-),女,汉族,高级工程师,博士,研究方向为干旱区生态学等。