準(zhǔn)東礦區(qū)降塵對(duì)梭梭光合特性的影響

秦璐 張?chǎng)? 楊林紅 祖力克爾江·阿布都熱西提 阿孜古麗·阿不都拉 伍德彥 易鴛鴦

摘要：煤礦開(kāi)采過(guò)程中，產(chǎn)生的降塵生成量大、成分復(fù)雜，不僅是大氣污染的主要來(lái)源，亦對(duì)植物的代謝、形態(tài)和發(fā)育有不可估量的損害。本文選擇準(zhǔn)東煤田為研究區(qū)，建群種梭梭（Haloxylon ammodendron）為研究對(duì)象，采用Li-6400XT（LI-COR，USA）測(cè)定梭梭樣地不同時(shí)期光合特性指標(biāo)，同時(shí)測(cè)定降塵量，探討降塵量與梭梭光合生理指標(biāo)變化量的關(guān)系，探究降塵量與光合響應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明：（1）6月降塵均值最大，且顯著高于8月和9月（P<0.05），8月降塵最小，至9月降塵量又逐漸增加。（2）降塵與梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且均呈線性回歸模型。研究結(jié)果可為干旱區(qū)露天煤礦區(qū)大氣環(huán)境污染監(jiān)控、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防控提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：煤礦;光合參數(shù);干旱區(qū);污染

中圖分類(lèi)號(hào)：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）03-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.115

Effect of dust precipitation on photosynthetic characteristics of Haloxylon ammodendron in Zhundong mine area

Qin Lu1，2，Zhang wen1，2，Yang Linhong1，2，Zulikeerjiang·Abudurexiti1，2，Aziguli·Abudula3，Wu Deyan1，2，Yi Yuanyang1，2

（1.Xinjiang Academy of Environment Protection Science，Urumqi Xinjiang 830011，China;2.Xinjiang Key Laboratory of Environmental Pollution Monitoring and Risk Warning，Urumqi Xinjiang 830011，China;3.Xinjiang Uygur Autonomous Region Environmental Protection Publicity and Education Center，Urumqi Xinjiang 830046，China）

Abstract：In the process of coal mining， the production of dust is large and the composition is complex， which is not only the main source of atmospheric pollution， but also has immeasurable damage to the metabolism， morphology and development of plants.This paper selects the Zhundong coal field as the research area， and constructive species Haloxylon ammodendron as the research object，the characteristics of photosynthetic characteristics of Haloxylon ammodendron leaves were determined by Li-6400XT， and the dust precipitation were also measured， the relationship between the amount of dust fall and the change of plant physiological indexes was discussed， the intrinsic relationship between dust fall and photosynthetic characteristics response. The results showed that.（1）The average dust fall in June was the largest and significantly higher than that in August and September （P<0.05）.The dust precipitation in August was the smallest， and the dust fall in September gradually increased.（2） dust precipitation was negatively correlated with Pn， Gs and Tr of Haloxylon ammodendron （P<0.01）， and positively correlated with Ci （P<0.01）， showing linear regression model.The results can provide a theoretical basis for the monitoring and control of air pollution， early warning and prevention of environmental risk in open coal mine areas in arid area.

Key words：Coal mine;Photosynthetic parameters;Arid area;Pollution

環(huán)境污染對(duì)植物生理生態(tài)的影響一直是環(huán)境生物學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1-5]。目前，我國(guó)大氣污染總體十分嚴(yán)重[6]，降塵是危害大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素之一，其不僅破壞環(huán)境空氣質(zhì)量，影響人體的健康，同時(shí)也會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)造成不可估量的傷害[7，8]。

新疆地處中溫帶極端干旱的荒漠地帶，自然生態(tài)系統(tǒng)平衡易遭破壞，而且破壞后難以恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。新疆煤炭資源豐富，已逐漸成為我國(guó)新的煤炭能源基地，且露天礦多。由于礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)是一種具有大規(guī)模高強(qiáng)度性質(zhì)的生態(tài)擾動(dòng)行為，在生態(tài)十分脆弱地區(qū)不重視其環(huán)境影響和生態(tài)損傷必然產(chǎn)生嚴(yán)重后果。露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的降塵是主要大氣污染物，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響。由于光合作用對(duì)環(huán)境的變化十分敏感，因此，植物受傷害的癥狀最早出現(xiàn)在葉片的光合指標(biāo)的改變上。如，索晨[9]在不同程度降塵對(duì)青菜和水稻幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的研究中發(fā)現(xiàn)：大氣降塵顯著抑制了這 2 種農(nóng)作物的光合速率，降低了葉片中葉綠素含量。王家強(qiáng)等[10]研究表明，單位葉面積降塵量與棉花葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率都表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)。高迪[11]對(duì)礦區(qū)周邊草原植物的光合測(cè)定發(fā)現(xiàn)，煤礦露采過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵污染對(duì)植物的葉片光合與蒸騰作用有較明顯的負(fù)面作用。

本文通過(guò)對(duì)新疆干旱區(qū)典型露天煤礦不同程度煤塵污染區(qū)、梭梭不同生長(zhǎng)期的降塵量及其光合參數(shù)進(jìn)行測(cè)定和分析，明晰兩者的時(shí)空變化特征，探討降塵與植物生理指標(biāo)變化量的關(guān)系，探究降塵對(duì)梭梭光合特性影響特征。研究可為干旱區(qū)露天煤礦區(qū)大氣環(huán)境污染監(jiān)控、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防控提供理論基礎(chǔ)，對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與受損生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆準(zhǔn)東露天煤礦是新疆最大的整裝煤田，地處天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地，位于吉木薩爾縣西北的五彩灣地區(qū)，距離吉木薩爾縣 130 km，距離烏魯木齊 220 km。區(qū)域內(nèi)有 5 個(gè)正在開(kāi)采的大型露天煤礦[12]，分別為湖北宜化煤礦、大成能源煤礦、天池能源煤礦、神華新疆能源煤礦、神東天隆煤礦，區(qū)域內(nèi)天然植被類(lèi)型少、結(jié)構(gòu)單一，植被生長(zhǎng)矮小且稀疏，多為荒漠植被，有梭梭、琵琶柴、假木賊、沙拐棗、鹽節(jié)木等，其中以梭梭為主。

1.2 采樣點(diǎn)選取

本文選擇準(zhǔn)噶爾東部煤田為研究區(qū)，采用上風(fēng)向-下風(fēng)向法，以研究區(qū)常年盛行風(fēng)為主方向，結(jié)合礦坑分布、植被分布等因素在研究區(qū)選取18個(gè)研究單元，這些研究單元反映煤塵污染區(qū)不同污染程度，在每一研究單元內(nèi)選擇梭梭群落進(jìn)行植被調(diào)查。

1.3 降塵測(cè)定

每個(gè)樣點(diǎn)放置 3 個(gè)（內(nèi)徑15±0.5cm，高30cm的圓筒形玻璃缸）集塵缸。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均按照《環(huán)境空氣降塵的測(cè)定》 規(guī)定的技術(shù)要求采樣及分析，采樣裝置自行加工而成，于每個(gè)集塵缸內(nèi)加入50mL乙二醇和 50mL水[13]，將 3個(gè)集塵缸放置距地面1.5m 的不銹鋼支架上。采樣結(jié)束后，集塵缸罩上塑料袋帶回實(shí)驗(yàn)室，將每個(gè)采樣點(diǎn)的 3個(gè)集塵缸樣品進(jìn)行合并后測(cè)定。

1.4 光合參數(shù)測(cè)定

在6月、8月、9月選擇天氣晴好的連續(xù)幾天，在每個(gè)研究單元的取樣植株（包括重復(fù)植株）冠層4個(gè)方向上均選擇長(zhǎng)勢(shì)、大小相似無(wú)病害的一簇葉，用便攜式光合測(cè)定儀Li-6400XT（LI-COR，USA）簇狀葉室測(cè)定野外梭梭光合參數(shù)。每個(gè)樣地測(cè)定30個(gè)重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

利用SAS8.0計(jì)算數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤（SE）;選擇單因素方差分析檢驗(yàn)不同時(shí)期降塵含量、光合參數(shù)變化的差異性，并采用相關(guān)分析法分析降塵和梭梭光合參數(shù)的相關(guān)程度;運(yùn)用Duncan檢驗(yàn)法對(duì)顯著性差異（P<0.05）進(jìn)行多重比較;利用ArcGis軟件繪制采樣點(diǎn)示意圖，利用Excel 2003（Microsoft，USA）輔助作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期降塵含量變化

由表1可以看出，研究區(qū)6月降塵均值最大，為45.98±3.68 t/km3·30d，范圍為7.93～70.08t/km3·30d，且顯著高于8月和9月（P<0.05），8月降塵最小，為14.58±1.32t/km3·30d，至9月降塵量又逐漸增加，為20.45±1.10t/km3·30d。

2.2 不同時(shí)期梭梭光合參數(shù)變化

6月和8月、9月，研究區(qū)梭梭凈光合速率（Pn）均值分別為1.79±0.29μmol·m-2·s-1、14.06±2.20μmol·m-2·s-1和10.93±1.26μmol·m-2·s-1;由圖2可以看出，隨著季節(jié)的變化，凈光合速率先上升后下降，且6月和8月、9月之間差異顯著（P<0.05），8月與9月之間差異不顯著（P>0.05）。

6月和8月、9月，梭梭氣孔導(dǎo)度（Gs）均值分別為0.03±0.004 mol·m-2·s-1、0.08±0.01mol·m-2·s-1和0.09±0.01mol·m-2·s-1，隨著季節(jié)的變化，氣孔導(dǎo)度逐漸上升，且6月和8月、9月之間差異顯著（P<0.05），8月與9月之間差異不顯著（P>0.05），可見(jiàn)，8-9月，梭梭凈光合速率和氣孔導(dǎo)度無(wú)顯著差異。

6月和8月、9月，梭梭胞間CO2濃度（Ci）均值分別為237.61±17.99μmol·mol-1、100.88±17.55μmol·mol-1和148.34±19.19μmol·mol-1，胞間CO2濃度隨著季節(jié)的變化呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，且差異顯著（P<0.05）;

6月和8月、9月，梭梭蒸騰速率（Tr）均值分別為1.44±0.21μmol·m-2·s-1、4.13±0.59μmol·m-2·s-1和2.24±0.26μmol·m-2·s-1;蒸發(fā)速率則呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，且差異顯著（P<0.05）。

2.3 降塵和梭梭光合熒光參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

從表2可以看出，研究區(qū)降塵與梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），且均呈線性回歸模型（圖3），即降塵量越大，梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率越小;降塵與胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且呈線性回歸模型（圖3）。

3 討論

降塵會(huì)在植物葉片表面長(zhǎng)期積累進(jìn)而通過(guò)影響光合作用、阻塞氣孔等對(duì)植物的正常生長(zhǎng)或作物產(chǎn)量造成不利影響。研究區(qū)降塵與梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)參數(shù)和蒸騰速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），且均呈線性回歸模型，即降塵量越大，梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率越小。與多數(shù)研究相同，如莫治新等[14]在塔里木盆地利用多重比較方法分析了降塵對(duì)蘋(píng)果（Malus domestica Borkh.）葉片的光合作用及營(yíng)養(yǎng)特性的影響，表明降塵使蘋(píng)果葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）均下降。殷彩云等[15]研究發(fā)現(xiàn)，苗期降塵對(duì)棉花凈光合速率、蒸騰速率的差異均達(dá)到了極顯著水平，而對(duì)葉綠素含量的影響在苗期也非常顯著。索晨等[9]為揭示大氣降塵對(duì)作物生長(zhǎng)和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，采用不同來(lái)源和不同程度的降塵，模擬開(kāi)展降塵-農(nóng)作物盆栽試驗(yàn)，分析青菜和水稻幼苗光合及呼吸速率、葉綠素含量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量以及重金屬含量的變化，結(jié)果表明大氣降塵顯著抑制了2種農(nóng)作物的光合速率。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降塵與梭梭胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與管陽(yáng)等[16]的研究結(jié)果相同，這可能是由于凈光合速率降低，對(duì)CO2的消耗減少而引起的。

4 結(jié)論

（1）6月降塵均值最大，且顯著高于8月和9月（P<0.05），8月降塵最小，至9月降塵量又逐漸增加。

（2）研究區(qū)降塵與梭梭凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且均呈線性回歸模型。

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收稿日期：2020-01-16

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2016D01B053）資助。

作者簡(jiǎn)介：秦璐（1985-），女，漢族，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)生態(tài)學(xué)等。