城市化進程對冬青葉片氣孔特征的影響

張子軼 游云龍

指導教師：陳 娟1 周正朝2

（1.四川大學附屬中學, 四川 成都 610021; 2.陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062）

近年來，隨著經濟水平的持續飛速發展，城市化進程也日益嚴重。這就會造成在從城市——郊區——農村的地區過渡過程中，各地區的溫度、濕度、光照、水分等生態因子產生差異[1-3]。氣孔是蒸騰過程中水蒸氣從體內排到體外的主要出口，也是光合作用和呼吸作用與外界氣體交換的“大門”，它在植物的碳同化、呼吸、蒸騰作用等氣體代謝中發揮著重要的作用；并且氣孔具有不穩定的特性[4]，容易受所處環境條件的影響。很多學者僅研究了一種生態因子對植物葉片氣孔特征的影響，并沒有考慮自然生態系統下多種生態因子對植物的綜合影響[5-7]。因此用氣孔參數來反映城市化程度具有重要意義。本文通過對西安市不同地區同種植物氣孔特征與城市化程度關系的研究，闡明了氣孔特征與生態環境變化的關系。

一．材料和方法

1.材料的選取

本實驗中所選取的冬青樣品均取自西安市南郊和西郊，在2013年3月，選取天氣晴朗的日子在上午9：00——11：00采集樣品。從西安市中心鐘樓出發，分別向南、向西每隔1000米采一次樣，每個采樣點采集10片健康、成熟的葉片，一直延續到農村，中間過渡的郊區采集密度要高一些，將采集后的葉片放在自封袋內，帶回實驗室進行分析。

2.制片方法

從采集的樣品中分別選出3片健康、成熟的葉片（較大，且無蟲叮咬痕跡），用脫脂棉蘸乙醇輕輕擦拭其下表皮灰塵，然后在下表皮中部靠近主脈的部位快速涂上一層薄薄的透明指甲油，約1-1.5cm見方，待其風干結成膜后，用透明膠帶將印模粘住輕輕地從葉片上取下，平鋪在載玻片上，制成印像后的載玻片用中性樹膠封片，制成臨時裝片，于數碼圖像顯微鏡下進行觀測[5，8-13]。

3.氣孔密度和形態特征的觀測

氣孔密度和形態特征的觀測利用130萬像素的DMB5-223IPL數碼顯微鏡攝像系統（Motic Digital Imaging 中國）。Motic Tek 模塊能夠將捕捉到的圖像導入電腦，圖像分辨率為1280×1024活動像素，圖像處理系統采用Motic Images Advancd 3.0軟件，該軟件可自動顯示測量結果，并直接導出為*.jpg文檔，進行數據分析[5，8-14]。

(1) 氣孔密度的觀測

每份樣品各制成3個臨時裝片，于40倍的數碼顯微鏡下進行觀測，每個裝片隨機選取10個視野，共30張圖片，計算出每張圖片上所含的氣孔個數，分別取氣孔數目的平均值后除以圖片面積，統計出每平方毫米葉片上的氣孔數目，即氣孔密度（n·mm-2）。

(2) 氣孔形態特征的觀測

每份樣品各制成3個臨時裝片，于40倍數碼顯微鏡下進行觀測，每一裝片隨機選取10個視野，共30張圖片。從每幅圖片上隨機選取8個氣孔進行測量。測量氣孔的長徑、短軸和面積，Motic Images Advanced 3.0 圖像處理軟件能夠自動顯示測量結果，然后對各數據進行統計分析。需要說明的是：本實驗是在氣孔張開狀態下對植物氣孔的長徑、短軸及面積均進行測定的；氣孔長徑是指平行于氣孔器的最長值；氣孔短軸是指垂直于氣孔器的最寬值。

4.數據分析

應用SPSS統計軟件對數據進行顯著性檢驗和相關分析。

二．結果和分析

1.冬青葉下表皮氣孔特征

冬青葉片氣孔特征與分布（如圖1），其氣孔均勻的分布于葉片的下表面，保衛細胞為半月形，氣孔類型為無規則型（沒有副衛細胞，幾個普通的表皮細胞不規則地圍繞著氣孔），氣孔壁無角質化現象[13]。

圖1 城市（A）、郊區（B）、農村（C）冬青葉片下表皮氣孔特征與分布

2.南郊從城市到農村冬青葉下表皮氣孔特征變化

根據設計交通狀況和人口密度的相似程度，將鐘樓、長安立交、吳家墳劃分為一組，屬于城市；三森國際家居、老區政府、太陽新城、新區政府劃分為一組，屬于郊區；陜西師范大學長安校區和北小張村劃分為一組，屬于農村。在從城市——郊區——農村的地區過渡中，冬青的氣孔特征呈現出一定的變化趨勢（如圖2）。

圖2 南郊冬青氣孔長徑（A）、短軸（B）、面積（C）和密度（D）變化趨勢不同（小寫字母表示同一測定指標在3個地區之間具有顯著性差異（P＜0.05）

圖2顯示，從總的趨勢看，隨著城市化程度的減弱，冬青的氣孔長徑、短軸和面積均呈現出增長的趨勢，且氣孔長徑和面積的增長幅度比較明顯，短軸的增長并不十分明顯；氣孔密度的變化呈下降趨勢。城市中的氣孔長徑、短軸和面積均顯著低于農村中的，而城市中的氣孔密度顯著高于農村的。

3.西郊從城市到農村冬青葉下表皮氣孔特征變化

根據設計交通狀況和人口密度的相似程度，將鐘樓、廣濟街、勞動路劃分為一組，屬于城市；絲綢群雕、棗園、三民村和三橋交易市場劃分為一組，屬于郊區；西寶立交和天臺八路中段劃分為一組，屬于農村。在從城市——郊區——農村的過渡中，冬青的氣孔長徑、短軸和面積均呈現出增長的趨勢，其中，氣孔長徑的增長比較明顯，氣孔短軸和面積的變化并不是很明顯；氣孔密度呈現出先增長后略微下降的趨勢。城市中的氣孔長徑和面積均顯著高于農村的，而氣孔短軸和密度的相關性并不顯著（如圖3所示）。

圖3 西郊冬青氣孔長徑（A）、短軸（B）、面積（C）和密度（D）變化趨勢不同（小寫字母表示同一測定指標在3個地區之間具有顯著性差異（P＜0.05）

4.南郊、西郊冬青氣孔長徑、短軸、面積與密度的相關性分析

為了更清晰地體現出密度與長徑、短軸和面積之間的關系，對其進行了相關性分析，得出結論: 無論是南郊還是西郊，冬青氣孔長徑、短軸、面積與密度整體上呈負相關；并且當氣孔密度發生變化時，對氣孔形態特征各項指標的影響依次為：面積＞長徑＞短軸（如圖4，圖5所示）。

圖4 南郊冬青氣孔長徑與密度（a）、短軸與密度（b）、面積與密度（c）之間的相關性n=27

圖5 西郊冬青氣孔長徑與密度（a）、短軸與密度（b）、面積與密度（c）之間的相關性n=27

5.南郊、西郊氣孔形態特征比較

為了更形象地體現城市化進程對植物葉片氣孔特征的影響，選取南郊和西郊不同地段氣孔形態特征參數的平均值進行比較（如表1所示）。

表1 南郊、西郊氣孔形態特征參數對照表

表1顯示，從城市到農村，南郊冬青葉片氣孔長徑、短軸和面積變化總體呈上升趨勢，增長率分別為13.26%、8.67%和11.02%；西郊冬青葉片氣孔長徑、短軸和面積雖然也呈增長趨勢，但增長并不明顯，增長率分別為7.77%、3.16%和5.21%。由此可以看出，南郊冬青葉片氣孔長徑、短軸和面積的變化率明顯高于西郊的。并且無論是南郊還是西郊，氣孔長徑的變化率都比氣孔短軸的變化率大，說明氣孔短軸是個相對比較穩定的性狀[5，13]。

三、討論

近年來，隨著社會經濟水平的持續、飛速發展，越來越多的農村人口向城市遷移；城市不斷向周圍的郊區、農村地區延伸；產業結構中，農業、工業及其他行業的比重此消彼長，不斷變化；城市化進程日益嚴重。這是人類進步必然要經過的過程，是人類社會結構變革中的一個重要線索，與此同時，城市化的程度是衡量一個國家和地區經濟、文化、科技水平的重要標準，也是衡量一個國家和地區社會組織程度和管理水平的重要標志。城市化的發展表明，城市化可以促進經濟繁榮和社會進步，能夠集約利用土地，能夠提高能源利用效率，并且能夠促進教育、健康和社會服務的進行。然而，城市化也會給我們帶來一些負面效應，其中最主要的就是生態環境問題。

第一方面，人口的增加勢必會使交通工具的數量、燃料的使用量以及空調、冰箱等家用電器的使用量隨之增加，使得城市中的二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等有害氣體及粉塵含量增加，對大氣環境造成嚴重的污染，同時，這些物質還可吸收環境中熱輻射的能量，再加上二氧化碳等溫室氣體濃度的增高，城市中的溫度明顯要高于郊區和農村。

第二方面，城市不斷向周圍的郊區、農村地區延伸，不透水地面的面積增加，大部分降水通過地表徑流的方式進入排水系統，滲入地下的水很少，地下水含量降低；并且城市中的地表大多數是由水泥、混凝土和柏油馬路所組成，而郊區的地表是由植被和土壤組成的，兩者的熱量平衡特征也存在著顯著的差別，會影響到城市中的水分和溫度條件。

第三方面，城市中高大建筑物的數量多，其表面的裝飾材料對太陽輻射有很強的反射、散射作用，使城市中的光照條件發生變化；并且在高樓林立的城市中大氣環流減弱，城市中的污染物及熱量很難向周圍擴散，使城市中的溫度不斷升高。總而言之，隨著城市化的加劇，城市中的環境會與郊區、農村產生明顯的差異。

植物對環境有很好的指示作用，它可以通過自身調節來適應環境。而氣孔是植物與外界進行氣體交換的門戶和控制蒸騰的結構，它在植物的碳同化、呼吸、蒸騰作用等氣體代謝中起著重要的作用；并且氣孔具有不穩定性的特征[5]，會受到所處環境條件的影響。當生態環境發生變化時，植物氣孔的長徑、短軸、面積和密度都會發生改變[2]。

本文通過對西安市南郊、西郊冬青葉下表皮氣孔特征的觀察，我們可以發現：隨著城市化程度的不斷減弱，氣孔長徑、短軸和面積均呈現出增長的趨勢，這是因為城市中的二氧化碳濃度高，水分含量少，而植物在吸收二氧化碳的同時又不可避免會散失大量的水分，為了減少對二氧化碳的吸收及水分的散失，最有效的方式莫過于減小氣孔開度，從而達到以最小的蒸騰作用換取最大的光合作用效果。但是，南郊的氣孔密度卻呈現出下降的趨勢，這是因為隨著單個氣孔長徑、短軸的增加，面積也會隨之增加，相同單位面積內所含氣孔數量會相應減少。通過對南郊、西郊冬青氣孔長徑、短軸、面積與密度的相關性分析，得出結論：氣孔長徑與密度、短軸與密度、面積與密度整體上呈負相關，且氣孔密度對面積的影響較大，其次為長徑，最后為短軸。

另外，通過對南郊、西郊氣孔形態特征的比較發現：從城市到農村，南郊氣孔形態特征各項指標的增長率要比西郊的明顯。這說明：西郊的城市化進程比南郊的嚴重。西郊為工業區，并且是通往高速公路的重要道路，車輛、人口的流動量與城市差異不大。然而，南郊是文教區，許多高校和科研單位都建在這里，與城市相比，車流量和人流量差距很大。因此，即使是在同一城市的不同地區，城市化的程度也不同。并且無論是南郊還是西郊，氣孔長徑的變化率都比氣孔短軸的變化率大，說明氣孔短軸是個相對比較穩定的性狀[5，13]。

現在，城市化進程正在以驚人的速度向我們走來，我們必須處理好環境的污染與破壞問題，否則將直接阻礙城市的發展。因此，要真正了解其對生態環境產生的影響，必須以自然生態系統為研究對象，綜合考慮多種因素來進行研究，為某一地區的長遠規劃和生態環境的可持續發展提供理論依據。

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