蘭州市不同空氣環境下9種園林植物葉片解剖結構特征

李娟霞，田青，李嬌珍，朱星臻，何洪盛，楊秀秀

甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070

隨著我國城市化進程的加速，城市環境污染問題日益凸顯。環境是植物生存和發展的條件（盧存福等，1998），植物生理生態功能的變化也會受植物結構的影響。在不同生境條件下形成各種適應類型，其結構特征最能體現環境因子的影響和植物對生境的適應（周智彬等，2002；白瀟等，2013）。葉片不僅是植物進行光合作用、蒸騰作用和氣體交換的主要器官，也是植物進化過程中對環境變化較敏感、可塑性較大的器官，其特征最能體現植物對環境的適應性（王勛陵等，1989）。而目前對葉解剖結構影響的研究主要集中在干旱、水分、海拔等因素對其的影響（常英俏，2012；Chartzoulakis et al.，2002；何冬梅等，2008；馬建靜等，2012；何濤等，2007），但有關空氣污染對植物葉解剖結構的研究卻比較少。相關研究表明，被NO2、SO2污染的刺槐（Robinia pseudoacacia）葉表皮組織厚度增加，而葉肉組織厚度減?。≧ashidi et al.，2012）。前人對生長在城市和農村的懸鈴木（Platanus orientalis）葉解剖性質進行比較，發現生長在城市的懸鈴木葉表皮厚度厚于農村，而葉肉組織并無明顯差異（Pourkhabbaz et al.，2010）。但也有前人對生長在污染和非污染區的槭樹（Acer platanoides）葉解剖結構做了研究，結果表明污染區葉厚度厚于對照區，且柵欄組織厚度增加最明顯（Mitrovi? et al.，2006）。汽車尾氣作為城市大氣污染的主要來源之一，長期處于汽車尾氣影響下的植物葉片都具有多種抗性解剖結構角質層，角質層變厚、柵欄組織變厚、海綿組織變薄、柵欄組織厚度與海綿組織厚度之比逐漸增大（Qin et al.，2014）。誠然，上述研究因植物種類和污染物的不同，其結果也存在一定的差異性。城市生態學家指出，當前的研究需要進一步關注長期城市環境對植物葉解剖結構影響（Balasooriya et al.，2009）。

本文以蘭州市不同生活型的常見園林綠化植物旱柳（Salix matsudana）、紫丁香（Syringa oblata）、紫葉李（Prunus cerasiferacv.pissardii）、木槿（Hibiscus syriacus）、金葉女貞（Ligustrum×vicaryi）、紅瑞木（Swida alba）、月季（Rosa chinensis）、白車軸草（Trifolium repens）、早熟禾（Poa annua）等為研究對象，研究不同大氣環境下植物葉解剖結構的差異，以期更好地了解植物對環境的適應性，為城市園林植物的選擇與配置提供科學的依據。

1 材料和方法

1.1 樣點選擇

蘭州市位于黃土高原的西北部，地勢西高東低呈東西狹長帶狀盆地特征，黃河穿城而過，南北群山環抱，市中心海拔在1500 m左右。屬溫帶大陸性氣候，夏無酷暑，冬無嚴寒，日照充足，年平均氣溫9.5—11.2 ℃，年降水為350—370 mm，主要集中在6—9月，年無霜期約180 d，年日照總時數約2446 h，自然植被主要是多年生禾草、旱生灌木和小喬木，園林綠化植物以喬木和灌木為優勢，草本植物次之（杜鵑，2008）。

1.2 實驗材料

通過調查走訪蘭州市兩個研究區并進行統計，選擇旱柳、紫丁香、紫葉李、木槿、金葉女貞、紅瑞木、月季、白車軸草和早熟禾等9種具有代表性的蘭州市常用綠化植物的當年生新鮮葉片作為樣本，基本生長情況見表1。

1.3 取樣方法

植物在秋季生理活動旺盛，且葉片內污染物含量最高（王玲，2015），本次實驗選擇在 2019年10月初進行，為了保證樣品具有代表性，在采樣點選擇多年生樹齡相近、喬灌木樹冠南面中上部葉片。對于草本植物，分別在不同采樣點選取大小均為1 m×1 m的3個小樣方，在小樣方上隨機選取3株植物，采樣時選擇具有良好長勢、生長健壯、接收光照均勻及葉位相同的成熟葉片（張家洋等，2012）。避開主脈，在中脈至葉緣 1/2處剪取若干長1.0 cm，寬0.5 cm的小片，立即用FAA固定液（70%酒精∶甲醛∶乙酸=90∶5∶5）封存（崔宏安等，2003）。本研究要求每個采樣點、每個樣本采集 3組葉片作為重復。

1.4 葉片組織結構觀察

葉片組織結構采用石蠟切片法（馬小芬等，2013）。將用FAA固定24 h以上的葉片經不同梯度酒精系列脫水；二甲苯透明，38 ℃恒溫下浸蠟，石蠟包埋、修蠟，切片機切片（切片厚度為8 μm），最后用番紅?固綠雙重染色，中性樹膠封片。用OPLYMUS CX 31光學顯微鏡觀察葉片橫切面并得到顯微圖像，用Image J（1.48 v）圖形分析軟件測量葉片厚度（TL）、上下表皮角質層厚度（CTUE，CTLE）、上下表皮細胞厚度（TUE，TLE）、柵欄組織厚度（TPT）和海綿組織厚度（TST）等指標，每個樣品測量3個樣本，每個樣本測量10個視野，求其平均值。同時按下列公式分別計算柵海比、葉片結構緊密度和葉片結構疏松度。兩采樣點9種常見園林綠化植物的葉解剖結構見圖1。

表1 9種園林植物基本生長特征Table 1 Basic growth characteristics of 9 garden plants

1.5 數據處理

利用Excel 2010和Spss 20.0進行數據統計，采樣單因素方差分析（One-way ANOVA）、Person相關性分析和主成分分析對TL、CTUE、CTLE、TUE、TLE、TPT、TST、P/S、TLS及LLS等指標進行分析，利用變異系數和可塑性指數評價不同植物葉解剖結構適應環境能力的大小。

圖1 9種園林植物葉片解剖結構Fig. 1 Anatomic structure of leaves of 9 garden plants

續圖1 9種園林植物葉片解剖結構Continued Fig. 1 Anatomic structure of leaves of 9 garden plants

2 結果與分析

2.1 各采樣點大氣污染濃度

圖2 不同研究區污染物含量年變化趨勢Fig. 2 Annual variation trend of pollutant content in different study areas

圖2由蘭州市環境監測中心站測定的2個研究區監測點2019年大氣污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3及CO變化動態。對2個研究點進行長期定位監測結果發現，污染程度大小表現為：深安大橋北岸的交通樞紐區 (污染區)＞安寧區銀灘路的商貿居住混合區（清潔區），6種大氣污染物一年內濃度大小表現為：PM10＞PM2.5＞NO2＞O3＞SO2＞CO。由圖2還可知，2個研究點間的污染程度分化較明顯。

2.2 不同植物葉片解剖結構特征及其變化

對9種不同生活型的園林植物葉解剖結構比較分析表明，旱柳為等面葉，其余植物種都為異面葉（圖1）。其中紫丁香TL最厚為1348.80 μm，上下表皮較厚，表皮細胞均為長條形，柵欄組織由2—3層長柱狀細胞組成，細胞間隙較大，其平均厚度為710.80 μm，占TL的52%，海綿組織細胞呈圓形或橢圓形，不規則排列且細胞間隙大，其平均厚度為638.00 μm，占TL的48%，P/S為1.15；旱柳柵欄組織發達，但無海綿組織分化。旱柳上下表皮各具有一層長方形表皮細胞，細胞大小不一且緊密排列，葉表皮細胞外平周壁上分布著角質層，柵欄組織緊鄰且垂直于葉上表皮，由 4—5層長圓柱狀細胞緊密排列構成，其平均厚度為325.03 μm，占TL的87%。而其它8種植物葉片的葉肉細胞明顯分化出柵欄組織和海綿組織（表2，圖1）。

由表2可知，9種植物葉解剖結構在兩采樣點間的差異性有所不同。在所選的采樣點中，多高污染性企業及較大車流量的污染區相較于車流量、廢氣排放量較少及高等院校密集的清潔區空氣污染較為嚴重。比較兩采樣點植物葉解剖結構可知，9種植物TPT表現出較明顯的差異性，都是污染區比清潔區厚，除金葉女貞，其余8種植物的TST污染區較清潔區薄；紫葉李的CTLE污染區厚于清潔區，而其他8種植物恰恰相反，都是清潔區的CTLE厚于污染區；9種植物的P/S和TLS都是污染區大于清潔區。由此可知，表皮細胞在各采樣點的差異性不明顯，而角質層除紫葉李外，其他植物都具有顯著差異，且葉肉細胞厚度和葉厚也呈現出較大的差異性。

表2 9種園林植物葉片解剖結構特征Table 2 Characteristics of leaf anatomical structure of 9 garden plants

2.3 葉解剖結構間的相關性

由表3可知，TL與TUE、TPT、TST呈極顯著正相關（P＜0.01），與TLE呈顯著正相關（P＜0.05）；CTUE與CTLE達到極顯著正相關（P＜0.01）；CTLE與TLE、TLS呈極顯著正相關（P＜0.01），與TUE達到顯著正相關關系；TUE與TLE、TST呈極顯著正相關，與TPT呈顯著正相關關系；TPT與TST、TLS均呈極顯著正相關（P＜0.01）；TST與LLS呈極顯著正相關關系，與P/S達到顯著負相關（P＜0.05）；P/S與 TLS呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與LLS呈極顯著負相關（P＜0.01）；TLS和LLS呈極顯著負相關關系（P＜0.01）。

2.4 9種植物葉解剖結構指標的變異系數和可塑性指數

葉片是植物主要的營養器官，其組織結構具有極強的變異性和可塑性，變異系數和可塑性指數高的植物對環境有較強的潛在適應能力，其適應環境的能力也就越強，因此，可利用變異系數和可塑性指數評價出植物對環境的適應能力（Valladares et al.，2000；薛靜等，2010；劉紅茹等，2012）。從表4可知，9種園林植物的變異系數均小于50%，則為弱變異，說明在不同大氣環境下葉片的變異不大。不同植物葉解剖結構的變異系數和可塑性指數均存在差異，其中TL變異度最大的植物是金葉女貞10.57%，最小的是紫丁香2.02%；TPT變異度最大的是早熟禾20.98%，最小的是旱柳3.61%；TST變異最大的是紫葉李14.66%；P/S變異度最大的是紫丁香30.39%；TLS、LLS變異度最大的都為紫丁香。9種植物可塑性指標TL最大的是紫丁香0.97，最小的是金葉女貞0.04；指標TPT、TST、P/S、TLS可塑性最大的都為紫丁香。結果表明，9種植物葉片的變異系數和可塑性指數的結果一致，均為紫丁香＞月季＞白車軸草＞早熟禾＞金葉女貞＞旱柳＞木槿＞紫葉李＞紅瑞木，這一順序反映了9種園林植物對不同環境適應能力的強弱。

2.5 9種園林植物葉解剖結構指標的主成分分析

由表5可知，前4個主成分的積累貢獻率達到83.37%，較好地概括了所測指標的大部分信息，因此提取4個主成分。載荷值的大小代表了其對主成分貢獻的大小及代表性的強弱，本研究4個主成分中各指標的載荷值差異較大。第一主成分特征值為3.583，貢獻率為35.83%，絕對載荷值排序的前3位分別是TPT、TST及TL，由于柵欄組織內含有豐富的葉綠體，海綿組織細胞間間隙較大，并有氣孔，植物可進行氣體交換，是植物進行光合作用的主要場所，第一主成分主要反映植物通過光合能力的增強，減少污染氣體進入細胞內部而抵抗環境污染。第二主成分特征值為 2.229，貢獻率為22.29%，絕對載荷值排序前 2位分別是葉片 TLS和LLS，表明第二主成分反映了植物對外界環境脅迫的抵抗力。第三主成分特征值為1.401，貢獻率為14.01%，第四主成分特征值為1.125，貢獻率為11.25%，第三、四主成分排列前 2位的均為植物CTUE、CTLE和P/S，反映了植物葉肉組織和葉表皮結構特征，角質層不僅能反映植物對環境水分狀況的適應也能防止污染物的脅迫，是植物重要的保護屏障。依分析結果看，角質層并不是所研究的9種園林植物對污染物脅迫響應的關鍵因素。綜合上述分析可看出，抵抗和適應環境脅迫最主要的場所是葉肉組織，且葉肉組織的分化程度也可用P/S來評估。

表3 園林植物葉片解剖結構指標的相關性分析Table 3 Correlation Analysis of leaf anatomical structure indexes of landscape plants

表4 變異系數與可塑性指數Table 4 The variation coefficient and plasticity index

表5 主成分載荷矩陣表Table 5 Principal components matrix

3 討論結論

3.1 討論

隨著人口劇增，環境問題日趨嚴重，特別是城市空氣污染己成為全球性最重要的環境問題之一，已不同程度地威脅到人類的生存與發展。雖植物對大氣污染物具有一定的脫毒能力，但城市大氣環境中較高的污染物也會影響其生理和形態（杜忠等，2007）。在不同的生態環境中，植物通過調節葉肉組織結構和葉表皮組織結構等生理和形態結構特征來適應外界環境的變化，是植物對特殊生境的演化適應（董小云等，2018；K?rner，1999；李芳蘭等，2007）。

不同植物在環境條件差異不大的環境下生長，其形態和解剖結構常有趨同現象，而同一植物在環境條件差異大的環境下生長，其形態和解剖結構常有趨異現象（陳慶誠等，1961）。植物葉角質層是抵制污染物的第一道屏障，本研究中有8種園林植物的CTLE清潔區都厚于污染區，且差異顯著，表明植物角質層厚度會隨外界環境而發生變化。汽車排放尾氣、粉塵等污染物對植物葉解剖結構特征存在一定影響（Qin et al.，2014；樸雪飛，2013），特別是位于葉下表皮的海綿組織，細胞間隙大，氣體、粉塵等污染物易接觸，更易受污染物的影響（Qin et al.，2014；Rashidi et al.，2012）。由于植物對污染物的抵抗，生長在污染區的植物葉片TPT變厚，TST變薄（Jahan et al.，1992）。本研究中9種園林植物的TPT污染區均厚于清潔區，除金葉女貞，其余8種植物TST相較清潔區厚于污染區，但清潔區金葉女貞的TST所占TL比污染區大。本研究結果還表明植物TPT和TST會隨環境的變化而存在較大差異，但P/S相對穩定，說明葉肉組織是植物葉片抵抗外界脅迫最主要的場所。

葉片作為營養器官其組織結構具有極強的變異性和可塑性，利用變異系數和可塑性指數可對植物適應環境的能力做出評價（薛靜等，2010）。在外界環境影響下，葉解剖結構的變異性和可塑性越強，說明其適應環境的能力越強（白瀟等，2013），植物P/S的變異性和可塑性是評價植物適應環境能力的一個重要指標（王蕊，2010）。有研究表明，在不同花苜蓿（Medicago ruthenica）居群，各解剖指標中P/S可塑性指數最大，表明在不同水分環境下植物通過改變葉肉組織的分化程度來適應環境（胡營等，2011）；也有研究表明，不同居群下唐古特白刺（Nitraria tangutorum）葉解剖特征顯示3個居群其TPT、TST變異指數較大，表明在應對環境變化時柵欄組織和海綿組織起主導作用（白瀟等，2013）。在本研究中 9種植物的 TPT、TST及 P/S變異性和可塑性較高，說明植物在應對外界環境改變時葉肉細胞起主導作用，且具有較強的環境適應能力。研究結果表明，紫丁香、月季、白車軸草的P/S較大，說明P/S在改變葉肉細胞中可能是植物對不同生境的適應性響應機制。9種植物的變異系數和可塑性指數均值大小都為紫丁香＞月季＞白車軸草＞早熟禾＞金葉女貞＞旱柳＞木槿＞紫葉李＞紅瑞木。表明紫丁香、月季、白車軸草具有較強的環境適應能力，且具有較大的P/S，可推測P/S較大有利于植物對復雜環境的適應。

本研究中不同采樣點的植物葉解剖結構指標差異性顯著，城市植物長期生長在受水分、光照等多種因素影響的環境下，其生理生化、解剖結構等發生一系列適應性變化（Pallardy，2010）。本研究僅從葉解剖結構特征分析了 9種園林植物對空氣污染的適應性，具有一定的局限性，在以后的研究中還應考慮其他因素對其的疊加效應，以期為蘭州市園林綠化植物的合理選擇和配置提供科學依據。

3.2 結論

（1）9種園林植物的解剖結構在不同采樣點間有不同程度的差異性，表皮細胞在各采樣點的差異性不明顯，而角質層除紫葉李外，其他植物都具有顯著差異，且葉肉細胞厚度和葉厚的差異性也較為顯著。

（2）9種植物葉解剖結構 TL與 TUE、TPT、TST呈極顯著正相關（P＜0.01）；CTLE與TLE、TLS呈極顯著正相關（P＜0.01）；TUE與TLE、TST呈極顯著正相關，與TPT呈顯著正相關關系；TPT與TST、TLS均呈極顯著正相關（P＜0.01）；TST與P/S達到顯著負相關（P＜0.05）。

（3）9種園林植物解剖結構指標的變異系數和可塑性指數的均值排序一致，都為紫丁香＞月季＞白車軸草＞早熟禾＞金葉女貞＞旱柳＞木槿＞紫葉李＞紅瑞木，表明9種植物的生態適應性強弱也是如此；各解剖結構中TPT、TST與P/S具有較大的可塑性，說明在應對不同環境時柵欄組織與海綿組織起主導作用。

（4）主成分分析結果表明，抵抗和適應環境脅迫最主要的場所是葉肉組織，且葉肉組織的分化程度也可用柵欄組織厚度與海綿組織厚度之比來評估。