粉塵污染對不同園林植物生理特性的影響

郭俊剛

摘要：以內蒙古包頭市喬木（皂莢和山楂）、灌木（丁香和榆葉梅）、草本（石竹）為試驗材料，連續2年（2013—2014年）在不同季節研究了粉塵污染對不同園林植物滯塵效應及生理特性的影響，并探討了不同園林植物滯塵量及滯塵能力大小。結果表明：（1）粉塵污染條件下，不同園林植物滯塵效應存在顯著差異（P<0.05），滯塵效應大小依次表現為皂莢>丁香>榆葉梅>山楂>石竹；（2）不同園林植物降塵粒徑主要分布在2.5～100μm之間，葉面降塵中顆粒物粒徑集中分布在100μm以下（占99%以上），降塵物主要為在大氣中經一定距離漂移的總懸浮顆粒物；（3）不同園林植物葉片氮含量依次為丁香>皂莢>榆葉梅>山楂>石竹，磷含量依次為山楂>榆葉梅>石竹>皂莢>丁香；（4）不同園林植物葉片可溶性糖含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量均表現為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹，與植物滯塵能力變化趨勢相一致，脯氨酸、丙二醛含量變化趨勢基本一致；（5）粉塵對不同園林植物具有不同程度的激發作用，激發作用基本表現為前3 d光量子產率和最大光化學量子產量隨時間的增加而增加。

關鍵詞：內蒙古；粉塵污染；園林植物；生理特性

中圖分類號：X513 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0231—05

大氣污染已成為影響人類健康的主要環境危害之一，城市大氣污染中的可吸入顆粒物已被公認為是對人體健康危害最大且最強的污染物，成分復雜且在環境空氣中持續時間長、影響范圍廣，在城市發展進程中給人類帶來了新的生存危機。粉塵污染對植物的損害作用表現在葉片上，長期負載的粉塵通過影響葉片的氣體交換，降低其光合活性輻射，或者通過吸收額外的輻射增加葉片的溫度，減緩植物生長，甚至導致植物的死亡等。內蒙古包頭市作為我國的內陸型開發城市，近年來經濟迅猛發展，隨著機動車輛的快速增長，大氣污染已經成為城市污染的主要問題，可吸入顆粒物中細顆粒的含量不斷增加，城市空氣混濁，霧日增加，嚴重威脅著人類的身體健康、城市的生態環境以及植物的生存發展。

園林植物作為城市生態環境建設的主體，是城市、自然和景觀復合生態系統中具有重要自凈功能的組成部分。對大氣中的粉塵、顆粒物有過濾、阻擋和吸附的作用，在改善生態環境、減少陽光輻射、增大空氣濕度、凈化空氣、調節氣候等方面起著“除污吐新”的作用，可通過粗糙濕潤的葉面和氣孔及毛被等微觀結構有效地滯留大氣顆粒物，經過葉表面的生理作用，產生復雜的生理生態響應，被稱為城市粉塵過濾器。不同植物因其本身的生物學特性的差異，滯塵能力及其生理特性也有較大的差異，選擇適合城市發展的滯塵能力強的綠化樹種，是城市綠地設計的基礎，也是改善城市環境質量的重要保障。為建立良好的生態循環的城市生態系統，迫切需要對園林植物的滯塵效應及葉片生理特性進行系統、深入的研究。這不僅有助于深入理解大氣顆粒物與植物相互作用的基本規律，而且拓寬了環境生物學的研究范疇，但必須采用新的研究思路和研究方法。國內外對植物受粉塵污染后其生理生化指標變化規律的研究還相當缺乏，關于葉綠素熒光響應的研究在不同園林樹種之問開展的研究也相對較少。鑒于此，筆者以內蒙古包頭市主要城區長期受粉塵污染的主要園林植物（草本、灌木、喬木）為研究對象，連續2年（2013—2014年）探討了城市道路中5種不同園林植物——喬木（皂莢和山楂）、灌木（丁香和榆葉梅）、草本（石竹）滯塵量差異、生理特性和葉綠素熒光參數的變化規律等，為不同園林植物在園林生態景觀功能性植物的配置方面提供科學依據，進一步為城市植物與環境污染相互關系的深入研究提供新的研究思路和研究方法。

1材料與方法

1.1研究區概況

內蒙古自治區位于我國北部（97°10′～126°02′E，37°30′～53°20′N），總面積110萬km²，約占全國總土地面積的1/8，地貌類型沿中山山地、低山丘陵、高平原等依次過渡，東部地區的地形以大興安嶺山地為“軸”向東西兩側展開，向西依次出現中山、低山、高原地貌，向東出現中山、低山、丘陵、平原地貌。包頭市地處中緯度，屬于半干旱、中溫帶大陸性氣候，是極地和熱帶氣團交接地帶，冷暖、干濕表征的四季變化特別明顯，冬季有明顯寒潮，1月極端氣溫達-30～40℃，≥10℃有效積溫為1 300～3 000℃，年平均氣溫8℃，年均日照時間1 523 h，無霜期295 d，降水多集中于夏季，自東向西遞減，年降水量50～500 mm，并且多雨高溫同步，局部地區受地方性水熱條件的影響，表現出隱域性土壤分布的特征，土壤類型較多，有黑土、黑鈣土、栗鈣土、棕漠土、灰漠土分布，濕度較大，地勢差異較為懸殊，為多種園林植物生長提供了有利的環境生活條件。園林植物種類繁多，可開發利用的園林觀賞植物資源豐富，據不完全統計，內蒙古的種子植物及裸子植物共2 434種，它們分別屬于128科663屬，與全國植物科屬種數相比，科占38.3%，屬占21.5%，種占9.6%，足以說明內蒙古植物區系成分的豐富。包頭市園林植物約有48科105屬278余種（含變種、變型和亞種），基本形成了形式多樣、物種豐富、布局合理、與自然環境協調一致的園林綠化格局。主要可以分為：喬木類（薔薇科、豆科、木樨科、椴樹科、榆科等）、灌木類（薔薇科、木樨科、忍冬科、虎耳草科、茄科等）、草本類（禾本科、芍藥科、景天科、鳶尾科、葡萄科等）。而近年來包頭市通過積極推行園林綠化，園林覆蓋率不斷提高，現已形成以觀賞綠地和成片防護林為中心、道路綠帶為骨架的園林系統，基本形成了形式多樣、物種豐富、布局合理，與自然環境基本相一致的園林格局。

1.2試驗材料及方法

分別于2013—2014年3月初（春）、5月初（夏）、8月初（秋）和11月初（冬）在包頭市不同街道雨后采集喬木（皂莢和山楂）、灌木（丁香和榆葉梅）、草本（石竹）新鮮葉片，每10 d同一時間采集1次樣本，采樣時帶上聚乙烯塑料手套，分別從不同方向均勻采集足夠多的成熟葉片，樣品選擇能充分接受粉塵的植物葉片，將葉片小心封存于錐形瓶內，帶回實驗室，比較5種不同園林植物滯塵差異及生理特性，所有數據為2013—2014年的平均值。

1.2.1葉片滯塵量測定 植物葉片滯塵量的分析目前尚無統一的標準方法，本試驗葉片滯塵量采用干洗法稱量，將成熟葉片封存于裝有蒸餾水的錐形瓶中，浸洗下葉片上的附著物，浸泡過程中注意要不斷地攪拌，以保證塵粒充分進入水中，浸泡2 h毛刷沖洗，再次保證塵粒完全進入水中。用鑷子將葉片小心夾出，濾紙將浸洗液過濾，60℃下烘干12 h后稱質量，2次稱質量之差（m，g），即采集樣品上所附著的降塵顆粒物的質量。夾出的葉片晾干后，采用葉面積測定儀測葉面積（A，m²），即可得出葉面積滯塵量，公式為：滯塵量=m/A。

1.2.2葉面塵粒徑測定 將新鮮植物葉片置于65℃烘干至恒質量，稱取2 g樣品過40目篩，取1.0 g溶解于300 mL蒸餾水，并使其充分擴散和溶解，采用粒度分析儀進行粒徑分析，PM₁₀、PM_2.5和總懸浮顆粒物（total suspended particulate，TSP）濃度測定用微電腦激光粉塵儀。

1.2.3葉片生理指標的測定 將上述植物新鮮葉片洗凈，于65℃烘箱烘干，粉碎后過1.5 mm篩，用凱氏定氮法測定葉片全氮含量，釩鉬黃吸光光度法測定葉片全磷含量。除去葉脈研磨混合，用80%丙酮溶液浸提測定葉綠素a、葉綠素b含量；考馬斯亮藍一G250染色法測定可溶性蛋白含量；用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；用茚三酮比色法測定游離脯氨酸含量；用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量。

1.2.4葉綠素熒光的測定 葉綠素熒光的測定采用OS5-FL脈沖調制熒光儀（pulse modulation fluorometer），各樹種選擇健康度一致的未蒙塵、24h蒙塵和長期蒙塵葉片20張，每個測定3個重復，測定其各項葉綠素熒光參數及誘導曲線，利用誘導曲線分析植物光化學效率。植物發出的熒光可分為性質不同的2個部分：固定熒光（F₀）、可變熒光（F_v）。

F₀：固定熒光或初始熒光產量，也稱基礎熒光。代表不參與PsⅡ光化學反應的光能輻射部分，是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產量，它與葉綠素濃度有關；F_v：可變熒光產量，代表可參與PSⅡ光化學反應的光能輻射部分，反映了PSⅡ原初電子受體QA的還原情況；F_m：最大熒光產量，是PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光產量，反映通過PSⅡ的電子傳遞情況。通常葉片經暗適應20 min后測得，F_m=F₀+F_v；F_v/F_m：最大光化學量子產量，反映PSⅡ反應中心內稟光能轉換效率，葉暗適應20 min后測得。在正常條件下該參數變化極小，不受物種和生長條件的影響，逆境下該參數明顯下降。F_v′/F_m′（yeild）：實際光化學量子產量，反映PSII反應中心在部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，葉片不經過暗適應在光下直接測定。

1.3數據分析

統計分析：用Excel 2007進行數據的統計和整理，SPSS21.0進行方差分析和統計學檢驗，用LSD多重比較（P<0.05表示顯著水平）、單因素方差分析（One-way ANOVA）比較差異顯著性。

2結果與分析

2.1不同園林植物滯塵能力比較

植物滯塵能力指單位葉面積單位時間中滯留粉塵量，本研究分別對內蒙古包頭市不同園林植物全年滯塵量進行測定，比較不同園林植物滯塵能力大小。由表1可知，不同植物滯塵能力具有顯著差異，植物滯塵量依次表現為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹，不同園林植物滯塵量差異均顯著（P<0.05），滯塵量最大的是皂莢，其滯塵量達916.61g/年，丁香次之，其滯塵量達854.27g/年，榆葉梅、石竹滯塵量分別僅為560.22、516.50g/年。皂莢的滯塵量約是石竹的2倍，表明不同植物植株滯塵量差異較大。

2.2不同園林植物葉面降塵粒徑與含量

內蒙古包頭市不同園林植物降塵粒徑主要分布在2.5～100.0μm之間，葉面降塵中顆粒物粒徑集中分布在100μm以下（占99%以上），說明內蒙古包頭市降塵物主要為在大氣中經一定距離漂移的TSP。一般認為，PM₁₀（粒徑≤10μm）是危害人類健康的最主要顆粒物，而PM_2.5（粒徑≤2.5μm）則是能直接進入人體肺部導致肺泡發炎的顆粒物。由圖1可知，不同園林植物降塵物中PM_2.5、PM₁₀TSP相對含量均以皂莢最高，其中植物降塵物中PM_2.5含量大小依次表現為皂莢>山楂>丁香>榆葉梅>石竹，皂莢和山楂PM_2.5含量差異不顯著；植物降塵物中PM₁₀含量大小依次表現為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹，皂莢和丁香PM₁₀含量差異不顯著；物降塵物中TSP含量大小依次表現為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹，不同植物TSP含量差異均不顯著；不同植物降塵物粒徑大小依次表現為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹，山楂和丁香降塵物粒徑差異并不顯著；不同園林植物降塵物PM^2.5范圍在0.8～1.9 mg/m³之間，PM₁₀范圍在45～69 mg/m³之間，TSP范圍在85～92 mg/m³之間，平均粒徑范圍在3.8～9.8μm之間。

2.3不同園林植物葉片氮、磷含量

由圖2可知，不同園林植物葉片氮含量變化范圍在24.1～29.3 mg/kg之間，大小依次為丁香>皂莢>榆葉梅>山楂>石竹，其中丁香葉片氮含量顯著高于其他園林植物（P<0.05），皂莢、榆葉梅葉片氮含量差異不顯著，山楂、石竹葉片氮含量差異不顯著；不同園林植物葉片磷含量變化范圍在1.2～1.8 mg/kg之間，大小依次為山楂>榆葉梅>石竹>皂莢>丁香，其中山楂葉片磷含量顯著高于丁香（P<0.05），但與其他植物葉片磷含量差異不顯著；不同園林植物葉片氮磷比變化范圍在13.4～24.4之間，大小依次為丁香>皂莢>石竹>榆葉梅>山楂，丁香、皂莢葉片氮磷比顯著高于其他園林植物（P<0.05），榆葉梅、石竹葉片氮磷比差異不顯著，山楂葉片氮磷比顯著低于其他園林植物（P<0.05）。

2.4不同園林植物葉片生理指標

由表2可知，不同園林植物可溶性蛋白含量變化范圍在105.38～135.89μg/g，可溶性糖含量變化范圍在0.09%～0.32%，葉綠素a含量變化范圍在1.27～3.97 mg/g，葉綠素b含量變化范圍在0.78～1.95 mg/g，脯氨酸含量變化范圍在5.23～9.26μg/g，丙二醛含量變化范圍在15.27～26.38μmol/g；其中可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量均以皂莢最高，并且均顯著高于其他園林植物（P<0.05）；其中可溶性蛋白含量大小依次為皂莢>山楂>丁香>石竹>榆葉梅，可溶性糖含量大小依次為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹，葉綠素a和葉綠素b呈現出一致的變化規律，大小依次為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹，丙二醛含量大小依次為石竹>榆葉梅>丁香>山楂>皂莢，脯氨酸含量大小依次為石竹>榆葉梅>山楂>丁香>皂莢。

3討論與結論

作為空氣質量監測的重要方法，園林植物葉片滯塵量在一定程度上反映了空氣中顆粒物含量。本研究分別對內蒙古包頭市不同園林植物2013—2014年（分春、夏、秋、冬4季）滯塵量進行測定，不同植物滯塵能力存在顯著差別，大小依次為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹。不同植物植株滯塵量的差異較大，皂莢平均滯塵量最高導致其植株滯塵量最大；山楂葉片小（單株葉面積僅415.78 m²），而其冠層大、枝葉茂密，雖然單位葉面積滯塵量不及榆葉梅，但是由于平均滯塵量較大，因此其植株滯塵量較高；丁香單株總葉面積最高，達到597.39 m²，但由于其平均滯塵量并非最大，其植株滯塵量僅次于皂莢。由此可知，皂莢、丁香可以作為滯塵能力優良的城市園林植物，主要受單葉面積大小、葉片組織結構、樹冠密集度、整株葉量等因子制約，導致各滯塵量和滯塵效應不盡一致。同時，植物葉片滯塵作用與所在街道、人為干擾情況、植物本身屬性、自然環境的因子有關。此外，皂莢、丁香生長速度快、葉片繁密，這種特性有利于阻擋風力等惡劣環境；石竹生長較為緩慢，葉片易受風力、沉降等外界環境的干擾，從而不利于接受地面的揚塵。

大氣顆粒物通過干、濕沉降到植物的葉表面，本研究中不同園林植物葉片之間細微結構的差異導致葉片的支持和固定作用效果也不盡一致。本研究中喬木（皂莢和山楂）滯塵量最大，粒徑偏小，一定程度上反映了該喬木所處街道的粉塵污染狀況較為嚴重，并且喬木MP_2.5、MP₁₀的比例均高于灌木（丁香和榆葉梅）和草本（石竹），說明葉面降塵與所處地區的環境狀況有一定關系。不同功能區滯塵量與葉面塵可吸入顆粒物百分比變化不一致，可能是因為各樣點大氣環境中顆粒物組分不同。污染物為可吸入顆粒物，不同植物葉片所吸收的灰塵中，PM_1.0在不同地區均占了一定比例，說明內蒙古包頭市不同園林植物均能夠滯留可吸入顆粒物，起到改善環境質量的作用。

葉綠素作為植物光合作用的物質基礎和光敏化劑，在光合作用過程中起著接受和轉換能量的作用；可溶性蛋白、可溶性糖包含一些代謝的酶，其含量的多少與植株體內的代謝強度有關。本研究中不同園林植物可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量均以喬木（皂莢、山楂）最高，并且葉綠素a含量、葉綠素b含量呈現出一致的變化規律，大小均表現為皂莢>丁香>山楂>榆葉梅>石竹。相比較可知，喬木更能夠利用光能和轉化光能，從而為光合補償生長提供物質和能量基礎。通過不同園林植物的滯塵效應可知，喬木所在街道環境中粉塵含量較少，空氣相對清潔，植物生長狀況好，而草本植物所在街道汽車尾氣與揚起的粉塵使植物長期處于污染環境下，不利的生境條件引起生長狀況出現差異，使得不同植物生理性質變化差異較大。除此之外，粉塵污染使樹木葉片中可溶性糖含量上升是由于粉塵污染較輕時，植物積累大量的可溶性糖轉化成其他的物質來抵抗粉塵污染，各種酶和葉綠素遭到破壞，導致葉片中葉綠素含量下降所致，這些影響機理還缺乏生物學及生理學上的解釋。不同園林植物葉片脯氨酸含量則與可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量呈相反的變化趨勢，說明污染脅迫下植物體內脯氨酸含量會不斷累積，支持了前人的研究結果。在逆境條件下，植物體內會產生大量的自由基，脯氨酸含量的增加是植物對逆境脅迫的一種生理生化反應，具有多種生理功能。由于草本植株較低的光合利用效率導致體內脯氨酸大量積累，其含量低于喬木，最終使得草本植物體內各項生理指標均低于喬木和灌木；另一方面，園林植物在高濃度粉塵污染下，能夠產生大量自由基，與可溶性糖含量一同積累，以阻止和減輕植物細胞膜脂過氧化程度，緩和細胞膜透性的變化，這是植物抵御大氣污染脅迫的適應和表現之一。丙二醛含量作為膜脂氧化的最終產物能夠衡量植物細胞膜傷害的程度。粉塵污染會影響葉片活性氧清除系統，致使抗氧化酶系統活性上升，并使植物體內丙二醛含量積累增加，丙二醛含量積累越多說明植物受傷害越嚴重，植物所處環境越惡劣，這與前人的研究結果相一致。本研究中植物丙二醛含量與脯氨酸含量表現一致的變化趨勢，這與細胞膜系統受損傷和酶活性的改變有關，在粉塵污染條件下，草本植株體內細胞膜透性增加，細胞內溶物滲出導致活性氧積累，從而降低了各項生理功能，產生代謝失調，而喬木植物較高的光合利用率對膜具有一定的保護和修復作用，這也是園林植物對于環境的脅迫所表現出來的細胞過氧化產物增多而啟動的一種應激機制。通過測定不同植株體內氮、磷含量可知，不同園林植株體內氮、磷含量變化不相一致，這與粉塵污染下植物自身的生理特性有關。

粉塵污染對植物葉綠素熒光參數的影響可能是多方面的，可以直接引發光合機構的損傷，同時影響光合電子傳遞和光合磷酸化以及暗反應的有關酶系；同時，在粉塵脅迫下，葉綠素的光還原活性降低，固定熒光F₀上升，F_v/F_m明顯降低，反映PSⅡ的潛在活性和原初光能轉換效率的減弱，它們的變化程度可以用來鑒別植物的不同抵抗或忍耐粉塵污染的能力，為粉塵污染區綠化樹種選擇提供科學依據。本研究粉塵對不同園林植物具有不同程度的激發作用，粉塵覆蓋對不同園林植物的激發作用基本表現為前3d光量子產率（yield）和PSⅡ原初光能轉化效率（F_v/F_m）增加，第4天后光量子產率、F_v/F_m明顯下降，第5天趨于穩定；粉塵覆蓋對丁香葉片光合生理的激發在前2 d表現明顯，2 d后光量子產率則開始緩慢下降并最終保持穩定。不同植物葉片受粉塵污染后各項指標均表現出先下降后上升的趨勢，這與相關學者的結論具有一致性，而粉塵污染對植物葉片的激發響應效應有待進一步試驗論證。