NO2胁迫下38种园林植物的形态伤害指数分析

圣倩倩，徐晶圆，宋 敏，祝遵凌，c

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

氮氧化物（NOx，包括NO 和NO2）是对流层中臭氧及气溶胶产生的重要化学物质[1]。生活中的各种燃烧过程都会产生氮氧化物，在光照下发生光化学反应产生臭氧，臭氧和光化学烟雾的不断增多，严重影响了对流层化学结构[2]。NO2是一种棕红色有刺激性臭味的气体，对大气能见度及光的吸收有着直接的影响[3-6]，为主要大气污染物之一。已有研究表明，当前平流层NO2含量相对稳定，对流层NO2主要由工业生产和人类活动造成的，主要来源于汽车尾气、火力发电站和其他工业燃气废料生产过程产物[7-8]。NO2对人体的危害主要是影响呼吸系统，引起支气管炎；NO2会刺激呼吸器官，侵入肺部，与细胞液结合形成亚硝酸和硝酸，产生强烈的刺激甚至腐蚀，引起肺气肿，有时还会刺激眼黏膜，麻痹嗅觉。如大气中NO2浓度达1.0 mg/m3，它会影响哮喘患者，使其陷入危险状态。根据福建一家工厂急性中毒事件，在浓度约30.08 mg/m3NO2暴露20 min 后，会出现头晕、恶心、呕吐、呼吸困难、四肢乏力等症状，甚至晕倒[9]。因此，空气中的NO2浓度含量被当成是度量人类污染强弱的指标之一[10]。

中国环境状况公报（2015）报道了31 个省（区、市）NO2污染浓度[11]，发达城市中如北京、上海，大气NO2平均浓度分别为50 μg/m3和46 μg/m3，近年来一直保持高位。2013—2016年，江苏省大气NO2的年平均浓度分别为46、41、39 和37 μg/m3，逐年整体呈下降趋势，但仍然是城市主要污染物[12]。2015年，南京地区大气NO2的平均浓度50 μg/m3，成为南京市第一主要污染物[13]。大量的数据和实例将空气污染防治推向社会的前沿，成为公众关注的焦点。建立大气污染物防治体系，逐步提高大气环境质量已经成为当前社会各界亟待解决的问题之一。园林植物是城市生态环境建设中的重要组成部分，它不仅让城市有着四季的变化，还是具有吸收和分解大气中有害气体的功能，也可以冷却和加湿、消除灰尘和噪音，在净化空气和调节气候方面发挥重要作用。目前，在研究具有抗性和降解能力的植物方面，已有学者做了一些探索。其中，Elena 等[14]研究认为，大气中的NO2浓度影响了欧洲黑松Pinus nigra的花粉活力。Farkhondeh[15]认为多酚化合物是植物应激显示器。Misa 等[16]也共同认为，NO2作为植物的一种多功能信号，能够刺激植物正常生长、吸收机体所需营养和必要的新陈代谢。因此，为弄清大气污染物对园林植物的相互影响，科学指导江苏省常用园林植物的实践应用，本研究在课题组多年调研和掌握道路绿地植物种类等本底资料的基础上，结合相关文献与实践，选出江苏省园林绿化常用的和潜在推广的38 种主要园林植物，进行实验室NO2熏气，从形态上观察分析不同园林植物对NO2胁迫的伤害症状，计算伤害指数，筛选出伤害指数较小的园林植物。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取38 种园林植物，包括柏科1 种、樟科1 种、银杏科2 种、桦木科2 种、木樨科2 种和卫矛科2种等38 种园林植物进行熏气试验。试验材料选取生长健壮、栽培条件基本相同的1年生容器苗。草本植物为当年播种或分盆，藤本植物为当年生嫩枝扦插苗。各植物重复株30 株，植物名称及分布特征见表1。

试验于2016年9月在南京林业大学园林实验中心（地理坐标为118.82°E，32.08°N）进行。供试材料来自中国常州苗木市场。试验场地为南京林业大学园林实验中心。挑选整齐一致，健壮、无病虫害的正常的苗木移入实验中心进行基质栽培。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（后面熏气室内每盆植物数需要根据实际熏气情况重新栽植）。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1 次1 L 霍格兰营养液。培养2 个月后，进行NO2胁迫实验。植物放置于自动化温室内，控制生长条件为环境温度25～28 ℃，空气相对湿度60%～70%，光照26～29 klx，大气压力99.3～99.5 kPa。

1.2 试验方法和熏气处理

目前有关NO2气体胁迫浓度的研究主要集中于1.0～18.8 mg/m3[17-22]，其中1.0～8.0 mg/m3属于低胁迫浓度，可进行长时间胁迫处理，主要为30 d 或60 d 的NO2气体胁迫；高浓度的NO2气体胁迫浓度主要为8.0 mg/m3以上，熏气时间主要集中为14 h 或48 h 等短时间。

综合考虑以上因素，结合预试验，设置的NO2气体胁迫浓度为12.0 mg/m3，超标60 倍（NO2国家小时污染浓度标准为0.2 mg/m3），总的熏气处理时间72 h，属于高浓度短时间处理。该浓度下，植物受NO2气体胁迫叶片出现伤害症状，产生应急反应，但不致死。基于此，研究植物NO2耐受能力较为科学。此外，植物种类不同，对NO2污染物的症状和伤害指数有所差异。

对38 种园林植物进行熏气试验，共设置两个胁迫处理，即熏气零点（0 h）和高浓度NO2（12.0 mg/m3，72 h）胁迫处理，NO2气体由购买的NO2气体钢瓶提供。熏气装置尺寸为50 cm×50 cm×50 cm，NO2气瓶的出气端连接带有减压阀的电磁阀与微电脑开关定时系统，按照实验设计输入NO2。熏气容器内设置NO2传感器监测气体浓度，传感器的另一端与NO2气体测量仪的进气口连接，NO2气体测量仪通过RS-485 接口与电脑终端连接，通过电脑上安装的NO2气体监测软件实时记录熏气容器内NO2浓度变化。该装置具有方便监测装置内NO2浓度，可以实时监测熏气室内气体的动态变化，可以精确控制进入熏气室的气体量，方便应用（图1）。

表1 38 种植物名称及分类特征Table 1 38 plant names and classification features

图1 定时调控和记录NO2 浓度的熏气试验装置Fig.1 Timing regulation and recording of NO2 concentration in the fumigation test device

将待处理的1年生植物的花盆及盆土用保鲜膜密封包缠处理，以排除土壤和根际微生物的影响，每盆植物按照个体大小和发叶数种植3～8株不等，每熏气室保证30 株植物，共使用38 个熏气室，进行3 次平行重复试验。其中熏气室每天的光照时间控制在13 h。72 h 熏气后，各植物从熏气装置中取出，不再加NO2，放在室温培养30 d，常规条件管养，观察植株自我恢复后形态变化。熏气室放置于南京林业大学中心温室内，熏气室外植物的整体外界生长条件可通过中心温室自动化控制，即环境温度25～28℃，空气相对湿度60～70%，光照26～29 klx，大气压力99.3～99.5 kPa。

园林植物受到NO2胁迫处理72 h 后，部分植物会出现受害症状，主要表现为叶片失绿、反卷、下垂、泛黄、焦枯等；部分植物表现出形态损伤，甚至造成整株死亡。针对园林植物受NO2胁迫叶片伤害现象，参考邵在胜等[23]和郜怀峰等[24]的试验方法，统计叶片的伤害情况，只要叶片上出现萎焉、水渍状、失绿和黄斑等症状，均认为受到伤害。统计单株植物顶6 叶受伤害症状指数，每组3 个重复，计算平均值，即为该植株受伤害指数。具体操作为：伤害指数=植株上表现的伤害症状的面积和/检测叶片总面积和×100%。

1.3 数据分析

数据统计分析采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 16.0 统计软件，处理组与熏气零点组的均值比较及差异显著性采用单因素方差分析（Oneway ANOVA）和t 检验，不同小写字母表示差异显著（P＜0.05），不同大写字母表示差异极显著（P＜0.01）。

2 结果与分析

2.1 园林植物对NO2 胁迫的伤害症状

叶片以其庞大的表面积和空气进行气体交换，气态NO2随着空气进入植物叶内。当NO2浓度超过植物的NO2伤害阀值时，植物的叶片会表现出伤害的症状。本次试验中的叶片伤害症状主要表现为：部分植物熏气全程伤害症状不明显，如金边菖蒲；部分植物叶缘出现黄斑、失绿，如金边黄杨、普陀鹅耳枥、欧洲鹅耳枥、金边麦冬、金森女贞、花叶美人蕉、矮麦冬、八仙花、金边玉簪、珊瑚树、毛鹃、狭叶十大功劳、红花檵木和常春藤；少数植物叶面呈现水渍状，如小叶黄杨和瓜子黄杨；部分植物叶面出现黄斑，如波叶金桂、木姜子和夏蜡梅，银杏和金叶银杏叶缘出现黄斑或失绿。随着伤害程度的加剧，失绿斑进一步转化为浅褐色、黄褐色、褐色及黑褐色伤斑；伤害区域与健康区域间有明显的界线；部分植物嫩叶首先出现萎焉、卷曲和失绿，如洒金桃叶珊瑚；全株发黄，受害较重的植物如熊掌木、海桐、大吴风草、鸢尾、万年青、龟甲冬青和铺地柏；甚至叶片脱落，如彩叶杞柳、花叶蔓长春、六月雪、南天竹、红王子锦带、云南黄素馨、茶梅和小叶栀子（图2）。

2.2 园林植物对NO2 胁迫的伤害指数

植株的外部形态变化是受到NO2胁迫伤害最直接的表现，不同种类的园林植物受NO2胁迫伤害现象类似，但伤害程度存在一定差异。叶片伤害指数是从表观现象上衡量NO2胁迫对园林植物的伤害程度。从表2中可以看出，叶片受到伤害程度最大的有大吴风草、花叶蔓长春、茶梅、龟甲冬青、彩叶杞柳、海桐、小叶栀子、云南黄素馨、六月雪、金边麦冬、南天竹和铺地柏等12 种，伤害指数高达100%，而金边菖蒲、花叶美人蕉、金边玉簪、夏蜡梅等伤害指数为1.47%～8.53%，受害较轻。草本中，金边菖蒲伤害指数最小，为1.47%；灌木中，夏腊梅伤害指数最小，为8.53%；乔木中，欧洲鹅耳枥伤害指数最小，为13.53%，其次是金叶银杏和木姜子，伤害指数分别为15.19%和15.28%，银杏居第四，普陀鹅耳枥居第五，伤害指数分别为18.26%和19.15%。

图2 38 种园林植物NO2 熏气处理前后形态变化Fig.2 The growth change of 38 garden plants before and after NO2 fumigation treatment

3 讨论与结论

NO2对植物造成伤害的症状往往表现为叶片萎黄、斑枯及叶片未成熟脱落，这些特征可以通过控制性熏气实验来证实。但类似的叶片症状也可能出现在植物受到其他污染气体、炎热和干旱等胁迫因子的影响或秋季植物休眠开始时[24-25]。当受到一定浓度的大气污染后，植物的叶片会表现出急性和慢性伤害损伤的症状。急性伤害，是指在较高的NO2浓度下，接触时间较短的情况下，植物发生的症状。根据李德生等[26]研究发现，阔叶树伤害症状始于叶部，在叶脉间出现伤斑，逐渐坏死，在叶缘、叶柄上出现白色、黄白色坏死斑，直至叶片脱落；针叶树的伤害症状不同，主要表现在叶中部或顶部黄白色或褐色伤斑，叶逐渐死亡但不脱落。慢性伤害症状，是长期暴露于植物中低浓度NO2引起的症状，一般表现为生长发育不良、容易衰老和坏死等现象。本研究的侧重点主要集中于园林植物受到短时间高浓度NO2污染后产生的急性伤害症状，观赏不同植物的形态伤害症状和伤害指数。

表2 38 种园林植物对NO2 胁迫的伤害指数†Table 2 Damage index of 38 garden plants under NO2 stress

同时，目前已有的研究结论表明，不同植物在同一污染环境中会表现对NO2伤害的不同反应。产生这种现象的原因可能是由于植物个体之间的遗传差异性，在自然生态系统中，很多植物繁衍的过程和经历不一样，对NO2胁迫的生态适应性也不同，植物叶片是近地层大气中NO2进入植物组织的主要通道，是植物对NO2胁迫的最初感应器[25]，NO2进入叶片内，降低叶片光合作用、破坏膜结构的完整性、加剧植物叶片膜脂过氧化，叶片损伤并加速衰老，导致细胞死亡[27-29]。研究表明，通过熏气装置等试验手段模拟NO2高浓度短时间对植物造成的急性伤害，确定了一些植物在短时间高浓度的区域性NO2伤害指数。有一些对NO2胁迫敏感的植物种类，如本研究中叶片受到伤害程度最大的大吴风草、花叶蔓长春、茶梅、龟甲冬青、彩叶杞柳、海桐、小叶栀子、云南黄素馨、六月雪、金边麦冬、南天竹和铺地柏等12 种，伤害指数高达100%，可以作为区域性NO2伤害的指示植物。由于NO2对不同植物的叶片以及对同一植物不同生长状态的叶片，造成伤害的表现特征存在显著差异和不确定性，对一些叶片出现类似NO2伤害特征的植物种类，并不能明确其具体原因，还需要进一步研究证实。

不同植物在高浓度短时间NO2危害下出现的伤害斑点的颜色和面积具有明显差异，可能是由于植物本身的生理生化特征不同[30-31]，造成由气孔进入植物体的NO2与植物组织产生氧化反应的过程存在差异，伤害结果和伤害程度因此表现不同。植物所处环境中的水分、光照等生态因子的差异也有可能缓解或者加剧了NO2对植物叶片造成的伤害。此外，NO2对植物的伤害可能与植物叶片成熟时期有关。一些欧美学者[32]利用熏气装置研究发现，NO2伤害造成的深色斑点或尖烧现象多数发生在较成熟的叶片上，因叶片的成熟时期不同，高浓度NO2对植物叶片形成伤害的时间长短也就存在差异，因而表现出了斑点颜色由浅及深的叶片伤害特征。

本研究观测到了南京市常用的38 种园林植物，在受到高浓度短时间NO2胁迫后出现的植物伤害症状以及相关伤害指数分析，结果表明，NO2胁迫下不同植被类型表现出来的受害症状不一，其中，叶片伤害症状主要表现为：部分植物熏气全程伤害症状不明显，如金边菖蒲；部分植物叶缘出现黄斑、失绿，如欧洲鹅耳枥；少数植物叶面呈现水渍状，如小叶黄杨；部分植物叶面出现黄斑，如夏蜡梅，银杏和金叶银杏叶缘出现黄斑或失绿。随着伤害程度加剧，失绿斑进一步转化为浅褐色、黄褐色、褐色及黑褐色伤斑；伤害区域与健康区域间有明显的界线；部分植物嫩叶首先出现萎焉、卷曲和失绿，如洒金桃叶珊瑚；有的植物全株发黄，受害较重的植物如熊掌木等；甚至叶片脱落，如彩叶杞柳。叶片伤害指数是从表观现象上衡量NO2胁迫对园林植物的伤害程度。研究结果表明，草本中，金边菖蒲伤害指数最小，为1.47%；灌木中，夏腊梅伤害指数最小，为8.53%；乔木中，欧洲鹅耳枥伤害指数为13.53%，位居第一。结合当地环境NO2气体污染气体情况，说明南京市区的一些园林植物在短期NO2气体污染情况下，植物通过吸收或者吸附NO2气体等降解方式，通过自身叶片的伤害反应来达到净化大气NO2的危害作用。因此，加强对NO2气体胁迫的抗性植物筛选，对丰富功能型绿化材料，消减城市交通污染和保护生态系统具有重要意义。