常见园林植物对NO2胁迫的耐受性及吸收与恢复能力

圣倩倩，戴安琪，张慧会，徐晶圆，祝遵凌,2*

(1.南京林业大学风景园林学院,南方现代林业协同创新中心,江苏 南京 210037;2.南京林业大学艺术设计学院，江苏 南京 210037)

前人对NO2胁迫后植物体的氮素吸收等开展了大量研究，不同的植物在不同NO2熏气浓度条件下对氮素的吸收能力不同：陈卓梅[5]研究发现，1.0和0.2 mg/m3NO2气体处理能够显著提高樟树幼苗叶片内氮素含量，当NO2用量达到8.0 mg/m3时，叶片氮素含量仍表现为持续增加；滕士元等[6]研究认为不同体积分数的NO2胁迫下，樟树幼苗叶片氮素含量有差异，但总体上随着NO2体积分数增加，叶片氮素含量呈现不同程度的积累，其中0.2和1.0 mg/m3NO2处理可显著提高樟树幼苗叶片氮素含量，而8.0 mg/m3NO2的影响则因熏气时段不同而不同；Morikawa等[7]研究不同植物净化大气NO2的能力，从217种植物种类中筛选出净化NO2能力最强的植物，并认为所筛选出的植物能与NO2共生，且植物体主要的氮源为NO2，因此植物体内的氮素含量在一定程度上可以表征植物对NO2的耐受性和吸收能力。

江苏省地处长江三角洲，植物种类丰富，城市化进程较快。据统计，2019年江苏城市绿化覆盖率为40%，绿化植物对区域经济社会发展具有重要的意义。目前关于江苏省常见园林植物对NO2的吸收及恢复能力的研究鲜见报道。笔者所在课题组对南京市城区道路 2013年1月—2018年7月近6 a的NO2等污染物进行分析，实地监测了污染物浓度排序前列的4条道路(中山北路、仙林大道、诚信大道和江北大道)，分析NO2、氮氧化物(NOx)和NO2/NOx的周变化与日变化，得出 NO2是城市道路交通区域主要污染物的结论[8]。在前期调研道路绿地植被种类和群落组成等基础上，结合相关文献与实践，筛选出江苏省常见的38种主要园林植物，用NO2处理不同种类园林植物，观察植物受胁迫时其形态和生理响应的变化，比较不同植物吸收NO2污染物的差异，分析其对NO2的耐受性及吸收和恢复情况，以期能够为城市绿化尤其是对一些氮污染较为严重的工矿区或者道路交通流量较大地区绿化树种的选择和植物配置提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物材料主要为江苏省园林绿化中应用比较广泛的种类，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种等共38种园林植物[9]，选取生长健壮且来源相同的1年生容器苗、当年播种或分盆的草本植物、当年生嫩枝扦插的藤本植物苗进行熏气试验。采用课题组自行设计的一种定时调控和记录NO2浓度的熏气试验装置[9]，如图1所示，检测植物熏气室内NO2浓度，并实时查看气体的动态变化，以及精确控制进入熏气室的气体量。

图1 定时调控和记录NO2浓度的熏气试验装置Fig.1 A fumigation test apparatus for timing control and recording of NO2 concentration

1.2 试验方法

1.2.1 待测植物的处理

2016年9月将供试植物盆栽于南京林业大学园林实验中心温室，基质为统一混合配方营养土，即泥炭土、蛭石、珍珠岩质量比为1∶1∶1，塑料花盆上口径 ×下口径 × 高为30 cm×20 cm ×15 cm，每盆2株苗木，加入500 g 营养土。实验苗栽培养护条件一致，常规管理。培养期间，浇水次数为每周2～3次以保持苗木湿润，为维持苗木矿质营养，每2周加1次1 L霍格兰营养液。栽培2个月后，进行NO2胁迫实验。其中实验苗的生长条件控制在环境温度25 ～28 ℃、空气相对湿度60%～70%、光照度26 ～29 klx、大气压为99.3 ～99.5 kPa。考虑到落叶植物的休眠性，试验分阶段进行。主要集中于2016年11月和2017年5月，2016年11月主要处理常春藤等常绿植物共计23种，2017年5月主要处理银杏等落叶或半常绿植物共计15种，38种植物名录见文献[9]。

1.2.2 NO2熏气试验

熏气试验目的是从待测植物中筛选对NO2耐受性较强的植物。将待测盆栽植物的种植盒以及裸露在外的土壤使用保鲜膜进行包裹，以减少营养土和种植盒对熏气结果的影响，尽量保证仅植物叶片和茎接触熏气室内的污染气体，以此来观察植物对污染气体的净化能力。植物放进熏气室后，盖好周边涂有凡士林的气室盖，再用锡纸包裹以加强装置的密闭性。每个熏气室放置1种植物10株，平行重复处理3次，共计30株。

以往的NO2熏气胁迫处理包括低浓度(NO2含量0.5 ～8.0 mg/m3)长时间(30 d或60 d)熏蒸和高浓度(NO2含量8.0 mg/m3以上)短时间(时间集中为14 h或48 h等)熏气处理[10-14]。综合考虑以上因素，结合预试验，本研究设置待测植物的生长条件为：光照时间13 h，环境温度设定为[(25～20) ± 3]℃，空气相对湿度(60%～50%)± 4%；NO2气体胁迫含量为12.0 mg/m3，熏气时间为72 h，气体流速为1 L/min，属于高浓度短时间处理。该浓度下，受NO2气体胁迫植物叶片出现伤害症状，产生应激反应，但不致死[9]。

1)植物对NO2胁迫的耐受性：以叶片出现大于5%伤害率时记录的耐持续熏气时间，h，表示耐受性；耐受性等级的划分依据见表1。其中，伤害率(%)=[伤害叶数(%)+伤害面积(%)]/2[3-5]。

表1 园林植物对NO2耐受性等级划分依据Table 1 The classification of NO2 tolerance of garden plants

2)NO2胁迫下叶片对NO2的吸收能力(简称吸收能力)[3-5]：对比不同植物在熏气零点和熏气72 h后的生长变化以分析叶片的NO2吸收能力。NO2熏气72 h后，取顶叶以下第3片起没有明显伤害症状的叶片，洗净置于烘干箱内于70 ℃下烘干，经粉碎机粉碎并过孔径0.18 mm(80目)筛。用奈式比色法测定全氮含量，植物吸收NO2能力强弱的划分以叶片全氮含量的变化[5]为主要依据。

NO2吸收能力(倍)=(熏气后N含量-熏气零点N含量)/熏气零点N含量。

3)NO2胁迫下叶片恢复能力(简称恢复能力)[5]：NO2熏气后，将植物从熏气装置中取出，不再加NO2处理，放在上述实验苗的生长条件下培养观察，以植物受NO2熏气产生的叶片伤害全部恢复为标准，观察时间持续30 d，对比分析30 d恢复后和72 h NO2熏气后的植物叶片生长变化以研究叶片受NO2胁迫后的恢复能力。

恢复能力(倍) = (恢复后氮含量-熏气后氮含量)/熏气后氮含量。

1.3 数据处理

所有数据均采用Excel 和SPSS统计软件进行分析处理，各处理间差异显著性分析采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，方差显著的置信区间为α=0.05和α=0.01。用Person相关分析进行植物耐受性、吸收能力和恢复能力间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 NO2胁迫下园林植物的伤害症状

植物主要通过叶片进行气体交换，当进入叶内的NO2浓度超过植物的NO2伤害阈值时，将会出现应激伤害症状且优先表现在叶片上。前期通过人工熏气试验对熏气植物进行形态学观察，发现不同植物对NO2胁迫产生的应激反应不同[9]：部分植物熏气全程伤害症状不明显，如金边菖蒲等；部分植物叶缘出现黄斑、失绿，如金边黄杨、普陀鹅耳枥、欧洲鹅耳枥和金边麦冬等；少数植物叶面呈现水渍状，如小叶黄杨和瓜子黄杨等；部分植物叶面出现黄斑，如波叶金桂等，而银杏和金叶银杏叶缘出现黄斑或失绿，且随着伤害程度加剧，失绿斑进一步转化为浅褐色乃至黑褐色伤斑，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蔫、卷曲、失绿，随着受害加重，如熊掌木、大吴风草、鸢尾等全株发黄，甚至叶片脱落。参试的38种植物对NO2胁迫的伤害症状见文献[15]。

2.2 NO2胁迫下园林植物耐受能力比较

比较38种参试植物对NO2的耐受性见表2。

表2 木本植物和草本植物的NO2耐受性等级Table 2 The tolerance level of xylophyta and herbaceous plants to NO2

由表2可知，洒金桃叶珊瑚、红王子锦带、花叶蔓长春、云南黄素馨、南天竹、铺地柏和金森女贞等9种植物的耐受性等级为弱，耐熏气时间为4～5 h，占参试物种总数的23.68%；耐受性强的植物有10种，占参试物种的26.32%。桦木科两个物种中，普陀鹅耳枥和欧洲鹅耳枥的耐受性分别为较强和强；卫矛科的金边黄杨和小叶黄杨的耐受性均为强；木樨科的金森女贞和云南黄素馨的耐受性弱，波叶金桂强；五加科的熊掌木和常春藤的耐受性分别为较强和强；银杏科的银杏和金叶银杏的耐受性强；鸢尾科的鸢尾较弱；小檗科狭叶十大功劳耐受性强，南天竹弱。分析发现，草本植物中，有50%的植物处于耐受性较强水平，其中矮麦冬耐受性强；50%的灌木耐受性水平弱，其中卫矛科植物耐受性强；乔木树种中，83.33%的乔木耐受性强，其中银杏科物种的耐受性强，藤本植物中常春藤耐受性强。

2.3 NO2胁迫下园林植物吸收能力和恢复能力比较

NO2胁迫下38种植物的吸收能力和恢复能力见表3。

表3 38种园林植物对NO2胁迫的吸收能力和恢复能力等级Table 3 The absorption and recovery abilities of xylophyta and herbaceous plants under NO2 stress

从表3可以看出，大部分植物NO2吸收能力为中等和较强水平，其中NO2吸收能力较强的有9个种，NO2吸收能力强的有小叶黄杨和珊瑚树2种。大部分植物的NO2恢复能力为较强水平，其中NO2恢复能力弱的仅有八仙花1种，NO2恢复能力较强的有29个种，占总参试植物的76.32%；NO2恢复能力强的有3个种，分别是矮麦冬、彩叶杞柳和红王子锦带。

总的来说，NO2吸收能力和恢复能力都弱的植物仅金边麦冬。NO2吸收能力弱、恢复能力强或较强的有铺地柏、南天竹、狭叶十大功劳、银杏和金边菖蒲等；NO2吸收能力和恢复能力均强或较强水平的植物有茶梅、常春藤、花叶蔓长春、金边黄杨、大吴风草、鸢尾和矮麦冬等。分析发现，草本植物中，有25%的植物其NO2吸收能力弱或较弱，灌木和乔木植物中，吸收能力弱或较弱的比例均为16.67%。从物种分布比例看，NO2吸收能力中等和较强的占主体，分别占52.63%和23.68%，吸收能力强的仅有小叶黄杨和珊瑚树2个种，差异性显著。草本植物中，有12.50%的植物NO2恢复能力弱或较弱；8.33% 的灌木NO2恢复能力弱或较弱；乔木植物中，NO2恢复能力均为较强。裸子植物NO2恢复能力均为较强，如金叶银杏、铺地柏和银杏等；被子植物中，植物NO2恢复能力弱和中等的比例均为8.57%；双子叶植物NO2恢复能力弱和中等的植物比例均为6.67%，NO2恢复能力强或较强的植物比例为86.67%。总的来说，所研究的38种植物中，NO2恢复能力弱和中等的植物比例均为7.89%，NO2恢复能力强和较强的植物比例分别为7.89%和76.32%，其中NO2恢复能力强的物种有矮麦冬、彩叶杞柳和红王子锦带。

采用SPSS对38种园林植物叶片NO2吸收能力和恢复能力进行方差分析(表4)表明，植物对NO2胁迫耐受性与对NO2吸收和恢复能力的相关系数分别为0.16和0.38(表5)，其中对NO2胁迫

表4 38种园林植物对NO2吸收能力和恢复能力方差分析Table 4 The variance analye of NO2 absorption and recovery capacities of 38 garden plants

耐受性与NO2吸收能力、吸收能力与恢复能力等二者不显著相关(P>0.05)，而NO2耐受能力与恢复能力显著相关(P<0.05)。

表5 38种园林植物对NO2吸收能力及恢复能力相关性分析Table 5 The correlation analye of NO2 absorption capacity and recovery capacities of 38 garden plants

3 讨 论

影响园林植物的大气污染物有SO2、氟化氢、氯气、氨气和氯化氢等[16-19]，不同的大气污染物对植物叶片伤害产生不同症状，同一污染物对不同植物产生伤害的时间及相关症状也不一样。本研究主要分析短时间高浓度NO2处理对植物造成急性伤害[16]的表现，观察不同园林植物伤害症状的差异性。研究显示，NO2进入植物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[20]，而某些敏感植物就会受到可见或不可见的伤害[21]。本研究中，38种植物对高浓度短时间NO2胁迫产生的应激反应不同，尤其是植物叶片的表面受害症状差异明显：如金边菖蒲在熏气全程的伤害症状不明显，有些植物如金边黄杨等叶缘出现黄斑、失绿，少数植物叶面呈现水渍状或出现黄斑，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，如部分植物嫩叶首先出现萎蔫、卷曲、失绿，且随着受害加重，全株发黄甚至叶片脱落[15]。这与阔叶树受到NO2的伤害后，从叶部开始出现受害症状，直至最后脱落的结论[4]一致。分析认为，不同种植物的叶片表面结构不一样，笔者前期研究7种适生彩叶植物对NO2的抗性研究时发现[22]，抗性强的红花檵木在24 h熏气的全程没有明显的受伤症状，是因为这类对污染物耐受性强的植物，其叶片表面有的多绒毛，或者叶片分泌的黏性油脂和汁液能够吸附大量的飘尘以阻碍NO2等气体进入植物体，同时达到消减环境污染物含量的效果。

本研究还发现，江苏省常见园林植物中，对NO2耐受性强或较强的植物有波叶金桂、普陀鹅耳枥、矮麦冬等；吸收NO2能力强或较强的植物有茶梅、金边黄杨、常春藤、花叶蔓长春、小叶黄杨、珊瑚树、大吴风草和鸢尾等；NO2污染后恢复能力强的植物有彩叶杞柳、红王子锦带和矮麦冬等。部分植物抗粉尘、SO2和O3的能力较强[23]。李博[24]在研究6种花灌木对汽车尾气胁迫的生理反应及抗性后认为红王子锦带的抵抗能力较强。此外，刘凯伦等[25]研究5种灌木对PM2.5的净化作用认为，红花檵木的净化能力最强。可以看出，植物对污染气体的抗性不等同于其吸收能力，二者之间并不存在明显的相关性，这与缪宇明等[3]发现不同植物对NO2的抗性和吸收能力存在较大差异的结论一致，如火棘的抗性最弱但吸收能力却最强。本研究中，对NO2耐受且吸收能力强或较强的植物有熊掌木、龟甲冬青、木姜子、常春藤、金边黄杨、小叶黄杨、大吴风草等；对NO2耐受且恢复能力强或较强的植物有普陀鹅耳枥、熊掌木、海桐、龟甲冬青、瓜子黄杨、木姜子、金叶银杏、金边黄杨、矮麦冬和金边玉簪等19个种；吸收能力和恢复能力均强或较强的植物有茶梅、金边黄杨、常春藤、花叶蔓长春、小叶黄杨、大吴风草和鸢尾等；对NO2耐受且吸收能力和恢复能力均强或较强的植物有金边黄杨、常春藤、木姜子、熊掌木、龟甲冬青、小叶黄杨和大吴风草。这一筛选结果补充和完善了传统文献中对NO2污染具有较强耐受性的园林植物名录。本研究筛选的这些植物均是华东地区常见园林绿化植物，来源广泛，部分种类是华东地区乡土植物，适应性强；部分种类虽不是华东地区乡土植物，但通过不同栽培技术方法和驯化手段，植物已经充分适应本地环境，可以正常生长。