不同程度大氣污染區綠化植物葉片生理特征比較

秦俊萍， 葛正喜

(河北美術學院，河北石家莊 050700)

伴隨著我國社會經濟的高速發展，環境問題日益加劇，尤其是霧霾等大氣污染問題嚴重[1]。近年來，我國城市大氣環境污染呈現出明顯的區域性特征，北方城市大氣環境污染嚴重，我國大氣環境污染較嚴重的6個區域中北方占4個。大氣環境呈現出區域復合型污染的特征，一個地區的大氣污染受其所處的特殊地理環境、大氣環境背景和氣象條件影響，可通過傳輸方式影響其他地區[2]。總體上看，區域內各城市大氣環境污染特征較為相似，但不同區域間城市大氣環境污染差別較大，京津冀區域是大氣污染防治的重點地區[3]。從2013年1月開始，國家環保部公布的74個環保重點城市空氣質量狀況報告顯示，空氣質量最差的10個城市中河北省每月均占一半以上[4]；2014年，空氣質量相對較差的10個城市中河北省占6個，河北省大氣質量直接影響著整個京津冀地區的大氣環境[5]。河北省作為我國的大型省份，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，嚴重威脅著城市居民的身體健康和城市生態環境[5]。在大氣污染環境條件下，了解城市綠化植物的生理特性變化，對于闡明城市大氣污染的生物效應具有現實意義，并可為深入探討大氣污染對植物的傷害和植物的抗性機制提供部分依據。

綠化植物是城市、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，可以有效降低大氣總懸浮顆粒物(total suspended particulates，簡稱TSP)，從而在改善生態環境、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[6]。綠化植物是城市綠地建設的基礎和城市環境質量的重要保障，為建立良好生態循環的城市生態系統，需要對城市綠化植物與環境相互作用的關系開展深入研究[7-8]。城市環境與綠化植物生理生態響應的關系日益成為環境生態領域研究的熱點。以葉綠素熒光為探針來研究植物對變化的環境條件的響應，由于其對樣品無破壞性，反應靈敏，測定快速，已在植物環境生理研究中被廣泛應用[9-10]。這種指標的變化出現于表現損傷癥狀和生長指標改變之前，具有明顯的優點和可預測性。因此，本研究在全面調查的基礎上，選取河北省不同污染區女貞和香樟作為供試植物，借助植物葉片鉛(Pb)和鎘(Cd)的含量、比葉重、光合色素、熒光參數來研究植物對不同環境條件的響應，探討該地區常見綠化植物對大氣污染抗性的生理機制，為河北省乃至全國范圍內的大氣環境質量的評價提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河北省位于113°27′～119°50′E，36°05′～42°40′N，地處華北、黃河下游以北，全省面積為18.77萬km2，人口為 6 744萬人。河北省屬溫帶季風氣候-暖溫帶、半濕潤-半干旱大陸性季風氣候。地勢西北高、東南低，地貌復雜多樣。全省現設石家莊、唐山、邯鄲、秦皇島、保定、張家口、承德、廊坊、滄州、衡水、邢臺共11個地級市。市下轄172個縣(市、區)，其中23個縣級市、115個縣、34個市轄區。

河北省大氣污染具有覆蓋范圍廣、持續時間長、灰霾出現頻次高、污染物復合種類多的特點，主要集中表現為地域上呈“一帶兩區”分布特征、污染物上呈“一多兩重”組成特征。“一帶”是指通過衛星遙感影像解析，從河南省北部、山東省西北部向北沿太行山山脈到燕山山脈恰好形成了1條污染物聚集帶，主要包括石家莊、邢臺、邯鄲、保定地區。在沒有較強氣流作用下，區域內排放的污染物和外來輸送的污染物就會在此逐漸集聚，累積超過大氣環境容量時，就會形成區域性重度污染。“兩區”是指以唐山為中心的重工業集中區和以衡水為中心的污染物疊加區。在重工業集中區內，污染物排放量遠高于擴散量，污染物濃度始終維持在較高水平。在污染物疊加區域，周邊污染相對都較重，呈包圍之勢，自身排放和揚塵也較重，在外來擴散影響并與自身污染物疊加的作用下，伴隨性出現重污染天氣。根據綜合指標來劃分研究區域，本研究規定達到及優于國家Ⅱ級標準時間大于200 d且空氣污染指數小于220的區域為第一區域，大氣質量良好；達到及優于國家Ⅱ級標準時間200～100 d且空氣污染指數在220～500區間的區域為第二區域，大氣狀況為輕污染；達到及優于國家Ⅱ級標準時間小于100 d且空氣污染指數大于500的區域為第三區域，大氣質量為重污染(圖1)。

1.2 試驗材料及方法

按上述劃分的區域，結合河北省環保局監測數據、研究結果及采樣點附近的環境狀況，將其分為輕度污染區、中度污染區和重度污染區，采樣點交通狀況和附近環境狀況見表1。分別在不同大氣污染區選取2種綠化植物(女貞和香樟)，試驗于2016年7至9月進行，在各采樣點選擇樹齡基本相同，人工維護狀態良好的植物，從樹冠的內外上下多點采樣。為防止采樣過程中葉片過度失水，將修枝剪剪下的帶葉片的枝條放入自封袋中封存，并注明采集日期和采樣地點，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，將葉片小心封存于錐形瓶內，帶回實驗室處理。

1.2.1 葉片重金屬含量的測定 將選取的葉片先用自來水后用蒸餾水反復沖洗，用吸水紙擦干后置于60 ℃烘箱中烘干，研磨后置于干燥器中備用。用精密度為0.000 1 g的電子天平稱取葉片樣品0.6 g于50 mL瓷坩堝中，110～130 ℃低溫炭化至無煙，在450 ℃馬弗爐中灰化6 h。將灰化后的樣品小心轉入50 mL燒杯中，加入10 mL高氯酸(HClO4)和硝酸(HNO3)混合試劑(體積比為4 ∶1)并振蕩使其充分溶解，若有殘渣過濾去除，然后用純水定容至50 mL。每個樣品作3個平行樣。試樣用TAS986型原子吸收分光光度計測定Pb、Cd含量。葉片中Pb、Cd的含量以單位干質量葉片中所含Pb、Cd的質量表示(單位為mg/kg)。

表1 河北省污染區域劃分

1.2.2 比葉重(specific leaf weight，簡稱SLW)的測定 分別選取不同采樣點的成熟葉片，女貞和香樟各8～10張，先用自來水后用蒸餾水反復沖洗，用吸水紙擦干后置于掃描儀中掃描后測定葉面積，于60 ℃烘箱中烘干48 h，稱干質量。干質量除以葉面積得到比葉重(g/m2)。每個樣品各設3個重復。

比葉重=單位面積葉干質量/單位葉面積。

1.2.3 色素含量的測定 稱取0.2 g烘干葉片，去中脈，剪碎后放入研缽中，加少量石英砂和碳酸鈣粉及96%乙醇2～3 mL，研磨至組織發白，再加96%乙醇10 mL，研成勻漿。然后將提取液過濾并用96%乙醇定容至25 mL容量瓶中，搖勻，保存于暗處24 h，備用待測，每個樣品設3個重復。以96%乙醇作為空白對照，分別在波長665、649和470 nm下測定吸光度，分別計算葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、類胡蘿卜素(Car)的濃度和葉綠素a/葉綠素b(Chla/Chlb)。

1.2.4 葉片δ13C比例的測定 將采回的葉片于105 ℃殺青，然后置于恒溫干燥箱中烘干(60 ℃，連續烘干48 h)，粉碎過80目篩制成備用樣品。每個樣品重復采用相同取樣植株數，每個重復為各植株3～5張葉片的混合樣。采用穩定碳同位素分析(測定精度為0.1‰)，取處理好的樣品3～5 mg封入真空的燃燒管，并加入催化劑和氧化劑，燃燒產生的CO2經結晶純化后，用質譜儀測定碳同位素的比例。

1.2.5 葉綠素熒光的測定 采用OS5-FL脈沖調制熒光儀(pulse modulation fluorometer)測定葉片的葉綠素熒光誘導曲線，利用誘導曲線分析植物光化學效率。原初熒光或初始熒光產量(Fo)是用暗適應15 min的葉片在弱調制測量光[0.05 μmol/(m2·s)]誘導下產生的，最大熒光(Fm)則是在Fo之后用強飽和脈沖[5 000 μmol/(m2·s)]激發的。當熒光從最大值降低到接近Fo水平時，用光照度為 200 μmol/(m2·s) 的光化光誘導熒光動力學，計算不同的熒光參數：原初光能轉化效率Fv/Fm，最大量子產量Fv/Fo，光化學淬滅系數qP，非光化學淬滅系數qN和實際量子產量ΦPSⅡ。

1.3 數據處理

用Excel 2010進行數據的統計和整理，用SPSS 18.0進行方差分析和統計學檢驗，采用LSD多重比較(顯著水平設置為0.05和0.01)，采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)比較其差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同大氣污染區綠化植物葉片Pb、Cd含量

由圖2可以看出，女貞和香樟葉片中Pb、Cd含量在不同大氣污染區具有顯著差異(ANOVA，P<0.05)，Pb、Cd含量在不同大氣污染區均表現為重度污染區>中度污染區>輕度污染區。2種植物葉片中Pb、Cd的含量無明顯差異。對女貞而言，葉片中Pb含量的變化范圍為40.2～82.1 mg/kg，Cd含量的變化范圍為18.3～23.5 mg/kg，Pb含量在不同污染區間差異均顯著(P<0.05)，重度污染區間Cd含量顯著高于中度污染區和輕度污染區(P<0.05)，而中度污染區和輕度污染區Cd含量差異不顯著。對香樟而言，Pb、Cd含量分別為38.2～83.5 mg/kg和15.6～26.9 mg/kg；不同污染區間Pb、Cd含量差異均顯著。女貞葉片中Pb、Cd的含量在中度污染區和重度污染區分別比輕度污染區提高57.96%、104.23%；7.10%、28.42%。香樟葉片中Pb、Cd的含量在中度污染區和重度污染區分別比輕度污染區提高62.04%、118.59%；36.54%、72.44%。

2.2 不同大氣污染區綠化植物葉片SLW

由圖3可以看出，女貞、香樟葉片SLW分別為82.3～105.6、62.7～67.9 g/m2，其均值分別為92.5、65.4 g/m2，女貞葉片在不同污染區的SLW均顯著或極顯著高于香樟，不同污染區綠化植物SLW均表現為重度污染區>中度污染區>輕度污染區。對于女貞，重度污染區顯著高于中度污染區和輕度污染區，中度污染區和輕度污染區間差異不顯著；對于香樟，不同污染區SLW差異均不顯著。與輕度污染區相比，中度污染區、重度污染區女貞葉片SLW分別增加了3.65%、28.31%，香樟SLW分別增加了 4.15%、8.29%。

2.3 不同大氣污染區綠化植物葉片光合色素含量

光合色素在植物光合作用的原初光反應過程中起著關鍵作用，其含量的變化往往與葉片的生理活性、植物對環境的適應性和抗逆性有關。由圖4可以看出，不同污染區Chla含量、Chlb含量、Chla/Chlb、Car含量具有顯著差異，均表現為重度污染區<中度污染區<輕度污染區；女貞光合色素含量均高于香樟。植物在大氣受到污染的環境中，其葉片Chla、Chlb遭到不同程度的破壞，二者之間的變化具有一定的同步性，這導致Chla/Chlb值與Chla、Chlb含量的變化趨勢相一致，其中不同污染區間香樟和女貞Chla、Chlb含量均有顯著差異，對于Chla/Chlb和Car含量，輕度和中度污染區差異不顯著，二者顯著高于重度污染區。女貞葉片Car含量高于香樟。處于輕度污染區的植物，其Chla/Chlb值較大，女貞葉片Chla、Chlb、Car含量在中度污染區和重度污染區分別比輕度污染區減小12.56%、39.85%；26.31%、42.96%；3.26%、16.98%。相應地，香樟則分別減小11.25%、40.39%；29.94%、53.12%；3.78%、20.13%。

2.4 不同大氣污染區綠化植物葉片δ13C比例

由圖5可以看出，女貞和香樟葉片δ13C比例分別為 -26.3‰～-23.4‰，-28.3‰～-25.4‰，其均值分別為 -25.1‰、-27.3‰，女貞葉片在不同污染區δ13C比例均顯著或極顯著高于香樟，不同污染區綠化植物δ13C比例均表現為重度污染區>中度污染區>輕度污染區。對于女貞，重度污染區δ13C比例顯著高于中度污染區和輕度污染區，中度污染區和輕度污染區間差異不顯著；對于香樟，不同污染區δ13C比例差異均不顯著。與輕度污染區相比，中度污染區和重度污染區女貞葉片δ13C比例分別增加了 3.80%、11.03%，香樟分別增加了0.71%、10.25%。

2.5 不同大氣污染區綠化植物葉綠素熒光參數

葉綠素熒光參數Fv/Fm代表原初的光能轉換效率，Fv/Fo代表從Chla/b蛋白復合體LHCP到PSⅡ的光能傳遞能力，兩者是近年來常用的研究植物對逆境響應的重要生理參數。由圖6可知，不同污染區Fv/Fm、Fv/Fo、qP、qN和ΦPSⅡ有較大差異，其中Fv/Fm、Fv/Fo、qP、ΦPSⅡ均表現為重度污染區<中度污染區<輕度污染區，而qN表現為重度污染區>中度污染區>輕度污染區；女貞在輕度與中度污染區的Fv/Fo無顯著差異，qP無顯著差異，中度與重度污染區的qN無顯著差異；女貞葉片Fv/Fm、Fv/Fo、qP和ΦPSⅡ在中度污染區、重度污染區分別比輕度污染區域小17.23%、21.00%；3.13%、39.49%；7.41%、12.35%；16.45%、28.17%；qN增加了23.69%、39.14%。相應地，香樟則分別減小8.26%、26.39%；6.23%、34.04%；13.05%、28.97%；12.15%、32.98%；qN增加了25.87%、36.54%。

2.6 不同大氣污染區綠化植物葉片生理相關性分析

表2的相關性分析結果表明，女貞和香樟葉片生理相關性分析結果相一致，其中，Pb含量與Cd含量、SLW呈極顯著正相關，與Chla、Chlb、Car、δ13C含量呈負相關，與Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ呈顯著或極顯著負相關；Cd含量與Chla含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ呈顯著或極顯著負相關，與qP、qN、Chlb含量呈負相關；SLW與Fv/Fm和ΦPSⅡ呈極顯著正相關，與Chlb含量、δ13C含量、Fv/Fo呈顯著正相關；Chla含量與Chlb含量、Fv/Fm呈極顯著正相關，與Fv/Fo、ΦPSⅡ呈顯著正相關；Chlb含量與Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ呈極顯著正相關；Car含量與Fv/Fo呈顯著正相關；δ13C含量與qN呈顯著正相關；Fv/Fm與Fv/Fo、qP、ΦPSⅡ呈極顯著正相關；Fv/Fo與qP、qN、ΦPSⅡ呈極顯著正相關；qP與qN、ΦPSⅡ呈顯著正相關。

2.7 不同大氣污染區綠化植物葉片生理特性主成分分析

主成分(principle component，簡稱PC)分析是在1組變量中找出其方差和協方差矩陣的特征量，將多個變量通過降維轉化為少數幾個綜合變量的統計分析方法，能夠從多變量中選擇少數幾個綜合獨立的新變量，來反映原來的多變量所包含的大部分信息。本研究采用SPSS軟件的相關分析模塊進行處理，以綠化植物葉片生理特性作為原變量，通過計算變量方差和協方差矩陣的特征量，將多個變量通過降維，對綠化植物葉片生理特性進行集中和提取，識別出起主導作用的生理特性指標。表3是總方差分解結果，根據特征值大于1的原則，選取了3個主成分PC1、PC2、PC3，前3個主成分對各變量的方差貢獻率分別為48.369%、72.464%、85.722%，其所含信息占總體信息的88.680%，即前3個主成分對12個變量所涵蓋的大部分息進行了概括，能夠解釋原始信息。表4顯示原有12個變量在3個主成分上的載荷，其中Cd含量、SLW、Chla在第1主成分上有較高載荷(相關系數絕對值)；SLW、Car含量、ΦPSⅡ在第2主成分上有較高載荷；SLW和ΦPSⅡ在第3主成分上有較高載荷。上述3個主成分所反映的信息很可能反映出河北省綠化植物葉片生理特性對環境污染的響應，即SLW和ΦPSⅡ對環境污染的響應較大，對環境污染起著主要的指示作用。

表2 不同大氣污染區綠化植物葉片生理相關性分析

注：“**”表示在0.01水平上顯著相關，“*”表示在0.05水平上顯著相關。

表3 觀測指標總方差分解結果

3 討論與結論

SLW反映了植物的光合碳同化能力，是衡量植物相對生長速率的重要參數，一些學者把葉片對外界環境變化的生理學適應歸因于SLW的變化[11-13]。在脅迫生境下，植物將通過根系從土壤中吸收的礦質養分貯存在葉片中，其中很大一部分物質用于構建保衛構造，如分配較多的氮于非溶性蛋白纖維以增強其細胞壁韌性或者增加葉肉細胞密度以防止高溫損傷或失水過多，同時植物體內積累脯氨酸或蔗糖等可溶性化合物以降低植物的水勢，其結果是形成厚度較大而面積較小的葉片，單位葉面積的干物質量增加，即葉片SLW增大。本研究中，不同大氣污染區植物葉片SLW隨污染程度的加劇逐漸增大。Torrent等對不同交通和工業污染脅迫下的女貞和三色女貞的葉片性狀參數進行了研究，發現交通污染和工業污染程度的增加導致三色女貞葉片SLW增大[14]；女貞在工業污染程度高的環境條件下葉片SLW增大，而在交通流量高的生境下葉片SLW值反而減小，同時，污染嚴重的采樣點生長的植物出現枯黃、落葉等癥狀，導致綠量降低，較清潔區植物葉片接受到的光照充足，葉片的光合速率高，光合碳同化的物質積累量也較多，葉片密度也會變大，所以單位面積的葉干物質含量較高。不同生境下植物葉片SLW的變化不同，可能與研究的物種有關。同種植物不同的研究者所得出的結果也會存在差異，如Torrent等對不同工業和交通污染等級下女貞得到的研究結果與本研究稍有不同[14]，可能與研究區域的氣候條件(溫度、濕度、風速、風向等)以及不同大氣污染區污染物組分、濃度等不同有關，對此有待進一步研究。

表4 主成分載荷矩陣

葉綠素含量可以反映植物葉片光合作用功能的強弱以及表征逆境脅迫下植物組織、器官的衰老狀況[15-17]。不同污染區植物葉片Chla、Chlb含量具有明顯的差異，且隨著污染程度的加劇，Chla、Chlb含量降低，這是因為植物生長于受到污染的環境中，大氣中的二氧化硫、一氧化碳、氯氣、臭氧等有毒氣體以及懸浮顆粒物和重金屬氧化物在葉片表面形成覆蓋層，可使植物體內的各種酶及光合器官等遭到破壞，植物葉中的Chla、Chlb都將發生變化[18-19]。在對葉綠素的破壞中，Chla和Chlb都會受到破壞而分解，并且具較多輔助及保護作用的Chlb比對植物光合作用起主要作用的Chla更易分解。在不同大氣污染區，葉片會提高植物體內的葉綠素含量以便充分利用光能進行生長，提高Car含量則是為了避免植物受到傷害，這也是植物在葉片水平上抵抗環境污染的一種機制[18-19]。Chla、Chlb以及Car含量在不同環境中發生變化的大小都與植物的抗性和適應性有關。抗性和適應性強的植物，受到環境的影響較小，反之，則受環境的影響較大。女貞在受污染的環境中光合色素的分解程度低于香樟，從這個意義上來講，女貞較香樟具有更強的抗性和適應性。

與SLW和葉綠素含量變化相一致，不同污染區綠化植物葉片δ13C值也隨著污染程度的增加而增加。光照條件的變化可影響植物葉綠素在葉中的分布、光合作用羧化酶的活性及其他與光合作用相關的過程。有研究表明，葉片δ13C含量能夠促進光合速率的增加[20-21]。而光環境的差異會對葉片的光合速率和氣孔開閉等造成影響。輕度污染區光合同化的CO2多，光合作用較強，造成葉片δ13C含量絕對值相對較高。相關性分析表明，葉片δ13C含量和SLW之間呈正相關，而光合色素含量與δ13C含量之間的關系較為復雜，并因樹種而異。女貞和香樟光合色素含量多，吸收的光能多，光合速率也大，但本研究發現δ13C含量與葉片的光合色素含量并不總是呈正相關的。δ13C值的變化應該是由葉片的形態、結構以及光合特性的改變引起的，因為具有較高SLW的葉片組織密度較高，生物量也較大，這些結構能增加CO2擴散的葉肉內部阻力，使胞內CO2濃度、光合作用都降低[22]。

大氣污染對綠化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，在大氣污染下，葉綠素的光還原活性降低，固定熒光Fo上升，Fv/Fm明顯降低，反映出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大氣污染的能力[23-24]。本研究中大氣污染已對綠化植物的生理生化特性產生不良的影響，導致光合色素含量和PSⅡ功能的明顯降低，綠化植物葉片主要光合色素和輔助色素受污染物的影響而出現了明顯的氧化降解現象，在光合色素降解的同時，對環境變化較為敏感的PSⅡ功能也受到了不同程度的抑制。

葉綠素熒光參數Fv/Fm代表原初的光能轉換效率，Fv/Fo代表從Chla/Chlb蛋白復合體到PSⅡ的光能傳遞能力，兩者是近年來常用的研究植物對逆境響應的重要生理參數[25]。本研究顯示，PSⅡ的原初光化學效率和從天線色素到PSⅡ反應中心的傳能效率皆受大氣污染的影響，且Fv/Fo的下降幅度大于Fv/Fm的下降幅度。結果表明，重度污染區抑制了PSⅡ的原初光能轉化和傳能效率，以傳能效率受抑更為顯著。葉綠素熒光光化學猝滅系數qP是PSⅡ開放的反應中心相對濃度或開放的PSⅡ反應中心數量的量度；非光化學猝滅系數qN代表激發能被用于非光化學反應如熱耗散等的程度，qN與葉綠體光合膜質子梯度的建立及膜的高能態有關[25]。本研究顯示，大氣污染物引起其較高比例的PSⅡ反應中心不能進行有效的電荷分離，qP的下降伴隨qN的增加，女貞qP高于香樟，而qN則相反。qP的增大和qN的降低證明大氣污染使葉綠體吸收的光能用于有效的光化學轉換的比例減少，而用于非光化學反應的耗散能量的比例增大。ΦPSⅡ是PSⅡ非環式電子傳遞的量子效率，為Fv/Fm與qP的乘積，也是PSⅡ功能的指標之一，ΦPSⅡ在不同綠化植物中的變化規律與qP和Fv/Fm相似。因此筆者認為女貞和香樟對大氣污染的耐受力較強。