5種觀花園林樹木對NO2的抗性評價

祝浩翔， 賴小紅， 李留彬， 王海洋

1.西南大學 園藝園林學院，重慶 400715；2.重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400060；3.中國林業集團有限公司，北京 100026

隨著經濟的發展和人口的增長，城市規模不斷擴大，環境污染問題尤其是大氣污染日益突出，嚴重威脅著城市居民的身體健康和城市生態環境的安全[1-3]．NO2是大氣污染的主要來源之一，在目前NO2污染發生源治理尚待提升的情況下，依靠城市園林植物對NO2的吸收將是防控城市大氣污染的有效途徑之一[4-5]．有研究表明，園林植物對于一定濃度范圍內的大氣NO2污染物，不僅具有顯著的抵抗力，而且具有一定程度的吸收能力[6]，甚至有些植物還可以利用NO2[7]．目前，國內外學者就NO2污染物對園林植物的影響已開展了相關研究，主要集中在植物功能性狀變化[8-10]、器官傷害癥狀[11-12]、生理生化特征[13-15]和光合作用響應[16-19]等方面．相關研究結果揭示了不同園林植物對NO2污染的適應與響應差異，對預測城市NO2污染可能帶來的植物生態策略和刷選抗逆性強的園林植物具有重要意義．

植物種類和種植地域不同，對NO2污染的抗性也不同，如圣倩倩等[20]對7種適生植物抗NO2能力進行研究發現，紅花檵木和灑金桃葉珊瑚的抗性較強，南天竹的抗性中等，金邊黃楊和金葉銀杏的抗性較弱．重慶作為內陸唯一的直轄市，根據《重慶市環境質量簡報》(2015-2018)和《重慶市環境狀況公報》(2015-2018)提供的數據，近3年重慶市主城區NO2年均濃度均超標，NO2污染問題仍然存在．在重慶市運用園林植物抗大氣污染方面，已有部分學者開展了相應的研究，如張靈藝等[21]對重慶主城區城市主干道路的綠帶滯塵效應進行了綜合評價，范修遠等[22]分析了重慶主城區10種主要綠色植物葉片的硫含量．但到目前為止，有關重慶市這個重工業城市的抗NO2植物篩選的研究還很少，尤其是對一些在園林美化方面起重要作用的觀花園林樹木的研究更是鮮有報道．鑒于此，本研究選擇重慶市城市綠化常用的5種觀花園林樹木為試驗材料，進行開頂式熏氣實驗，測定其在短期不同質量濃度NO2污染脅迫下生理生態指標，分析各指標的變化特征，以探討植物體對NO2脅迫下的生理生態響應機制，并采用隸屬函數法和灰色關聯度法對其抗性進行綜合評價，為重慶地區觀花園林樹木選擇和應用提供科學的參考依據．

1 材料和方法

1.1 試驗材料

因城市綠化的植物群落幾乎全為人為配置，具有美化與生態價值的大多數植物為成年植株，因此，試驗材料選擇重慶城市綠化中應用廣泛的日本晚櫻、紫荊、紫葉桃、春鵑和紫薇5種觀花園林樹木(表1)，每種植物選擇生長健壯、規格一致、長勢基本相同的3年成株苗．采用植生袋栽培，土壤與水肥管理條件一致．

表1 5種觀花園林樹木的基本情況

1.2 NO2質量濃度處理

結合《HJ633-2016 環境空氣質量指數(AQI)技術規定》以及借鑒前人在其他園林植物上NO2的設定質量濃度[23]，設計4個試驗組，質量濃度設置分別為：0 mg/m3(CK)，(0.25±0.03) mg/m3(T1)，(0.50±0.05) mg/m3(T2)，(0.75±0.05) mg/m3(T3)．

1.3 試驗設計

1.3.1 裝置設計

采用開頂式熏氣裝置對NO2質量濃度進行控制，熏氣裝置的長、寬、高分別為 8，3，2 m，頂部呈收口狀敞開，壁框架表面由透明性好、無毒耐用的聚氯乙烯塑料薄膜圍成．NO2氣體進氣系統主要由NO2瓶鋼、減壓閥和進氣管道組成，將流經減壓裝置的NO2氣體由導管導入進氣管道，進氣管道一頭連接鼓風機出風口，另一頭連接熏氣室，進氣質量濃度通過減壓閥調節，對照組僅通過鼓風機通入空氣．氣體檢測儀采用GT-1000H(深圳市科爾諾電子科技有限公司)．

1.3.2 植物處理

試驗于2019-2020 年在重慶市北碚區西南大學歇馬十字花科基地進行，苗木在露地進入旺盛生長期后，將植物移入不同質量濃度的開頂式熏氣裝置，待適應2周后開始進行熏氣處理，每種植物5株．持續熏氣20 d，每天熏氣4 h(上午7：00-11：00)，熏氣室內溫度與大氣環境溫度差小于±1 ℃，濕度差小于±5%．熏氣結束后進行相關葉性狀指標測定．

1.4 測定指標及方法

采用便攜式光合儀(Licor-6400)測定凈光合速率(Pn，μmol/(m2·s))、氣孔導度(Gs，mol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr，mmol/(m2·s) )等指標；采用便攜式葉綠素儀(SPAD-502)測定葉片相對葉綠素含量；采用電導法測定細胞膜透性[24]；采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)的含量[25-26]；采用的氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[24]，采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[24]．

1.5 抗NO2性綜合評價方法

1.5.1 隸屬函數法

為了消除單個指標帶來的片面性，用隸屬函數法將各指標擴展到[0，1]閉區間上，分別計算各指標的隸屬函數值，進行抗性評價[27]．

正相關：

U(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

負相關：

U(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

式中，U(Xij)表示i種類j指標的抗旱隸屬函數值，Xij表i種類j指標的測定值，Xjmin表示所有種類j指標的最小值，Xjmax表示所有種類j指標的最大值，i表示某個品種；j表示某項指標．

1.5.2 灰色關聯度分析

按照灰色系統理論，將所有測定指標視為一個灰色系統，而每個測定指標是該系統中的一個因素．設參考數列為X0，比較數列為Xi(i=1，2，…，n)，則參考數列X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(n)}，比較數列Xi={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n)}．對各指標進行處理[28]，用X′i(k)=Xi(k)-XiSi對原始數據進行無量綱化處理，其中Xi(k)是原始數據，Xi和Si是同一指標的平均值和標準差．

關聯系數為：

(3)

式中：Δi(k) =|X0(k)-Xi(k)|，表示X0數列與Xi數列在第k點的絕對值；minminΔi(k)為二級最小差，maxmaxΔi(k)為二級最大差；ρ為分辨系數，取值范圍為0～1，本研究試驗取值0.5．

等權關聯度為：

(4)

權重計算公式為：

(5)

加權關聯度為：

(6)

2 結果與分析

2.1 NO2對5種觀花園林樹木光合生理的影響

如圖1a所示，低質量濃度NO2脅迫處理下(T1)，日本晚櫻、紫葉桃和春鵑等3種植物的凈光合速率與對照(CK)相比均有不同程度的上升，說明低質量濃度NO2脅迫能促進植物苗木的光合作用．當NO2質量濃度達到高質量濃度脅迫條件時(T3)，5種觀花園林樹木凈光合速率下降幅度明顯高于T1和T2．在T1處理下，除紫薇外，其余4種植物的凈光合速率與T2處理相比差異有統計學意義(p>0.05)；在T3處理下5種觀花園林樹木凈光合速率與CK相比差異均有統計學意義(p<0.05)．

從圖1b可知，在T1處理下，除紫荊外，其余4種觀花園林樹木的氣孔導度與CK相比均有不同程度的上升，從此處可以看出低質量濃度NO2脅迫會刺激葉片增大氣孔開度．在T1和T2處理下，5種觀花園林樹木的氣孔導度與CK相比差異有統計學意義(p<0.05)，說明NO2脅迫對5種觀花園林樹木氣孔導度影響較大．日本晚櫻、紫葉桃氣孔導度在T1和T2處理間差異無統計學意義(p>0.05)，而紫荊、春鵑和紫薇氣孔導度在T1和T2處理間差異有統計學意義(p<0.05)．在T3處理下，紫葉桃氣孔導度與對照相比差異無統計學意義(p>0.05)，其余園林植物差異均有統計學意義(p<0.05)．

從圖1c可知，在CK組中，5種觀花園林樹木的葉片蒸騰速率大小范圍在(1.283±0.316)～(7.604±0.226) mmol/(m2·s) ，其中紫荊蒸騰速率最大．在T1處理下，除紫荊外，其余4種園林植物蒸騰速率與CK相比均有上升，這與T1處理下植物的氣孔導度變化基本一致．隨著脅迫的增加，在T2處理時，除春鵑外，其余4種植物與T1處理時相比都有不同程度的增加，但5種觀花園林樹木的蒸騰速率在T1和T2脅迫處理下差異無統計學意義(p>0.05)．當脅迫濃度達到T3時，5種觀花園林樹木蒸騰速率(Tr)與CK相比均有下降，其中紫荊蒸騰速率下降幅度最大，達60.5%，除紫薇外，其余4種園林植物蒸騰速率與CK相比差異均有統計學意義(p<0.05)．

2.2 NO2對5種觀花園林樹木相對葉綠素含量的影響

圖1 NO2對5種觀花園林樹木光合生理的影響

圖2 NO2對5種觀花園林樹木相對葉綠素含量的影響

從圖2可知，在CK和T1，T2，T3脅迫處理下，日本晚櫻、紫葉桃和春鵑的相對葉綠素含量間差異無統計學意義(p>0.05)；紫荊和紫薇的相對葉綠素含量在CK處理下和T3處理下的相對葉綠素含量差異有統計學意義(p<0.05)，而T1，T2脅迫處理下紫荊和紫薇的相對葉綠素含量差異無統計學意義(p>0.05)．以上研究結果表明，NO2污染脅迫對日本晚櫻、紫葉桃和春鵑的相對葉綠素含量影響小．除T2處理下的紫荊和T3處理下的紫葉桃外，其余在不同質量濃度脅迫下與CK相比均有不同程度的降低，其中，紫荊的相對葉綠素含量與CK相比下降幅度最大，下降幅度達到23.70%．

2.3 NO2對5種觀花園林樹木葉片膜脂過氧化的影響

由圖3可以看出，5種觀花園林樹木葉片的MDA含量隨NO2質量濃度的增加而迅速增加，葉片MDA含量與NO2質量濃度呈正相關關系，在NO2處理質量濃度為T3時候，日本晚櫻、紫荊、紫葉桃、春鵑、紫薇葉片MDA含量分別比CK增加了42.93%，156.54%，178.43%，116.90%和90.84%，方差結果表明，處理與CK差異均極有統計學意義(p<0.01)．隨NO2質量濃度增加，5種觀花園林樹木葉片細胞膜透性迅速上升，當NO2質量濃度達到T2之后，日本晚櫻和紫荊果葉片細胞膜透性呈緩慢增加趨勢，而紫葉桃、春鵑和紫薇葉片細胞膜透性呈直線增加趨勢．在NO2處理質量濃度為T3時，5種觀花園林樹木葉片細胞膜透性分別比CK增加了61.75%，114.78%，152.98%，90.97%和129.60%，方差分析顯示，各處理與CK差異均極有統計學意義(p<0.01)．

2.4 NO2對5種觀花園林樹木抗氧化酶活性的影響

圖3 NO2對5種觀花園林樹木葉片膜脂過氧化的影響

由圖4可知，與CK相比，日本晚櫻和紫薇葉片SOD活性隨著脅迫質量濃度的增加呈下降的趨勢；而紫葉桃、紫荊、春鵑葉片SOD活性隨著脅迫質量濃度的增加呈先升后降的趨勢，在T1質量濃度下，3種觀花園林樹木SOD活性均最強，具體數值分別為(563.37±25.7)、(815.42±56.21)和(543.88±44.94) U/g，說明在較低的質量濃度脅迫下，被試園林植物葉片內的抗氧化酶系統啟動，SOD活性明顯升高，但隨著脅迫質量濃度的增加，抗氧化酶防御系統可能也遭到破壞，導致SOD活性有所下降．NO2脅迫后，隨處理質量濃度的增加，5種觀花園林樹木葉片POD活性呈先上升后下降趨勢．5種觀花園林樹木在0.5 mg/m3時POD活性均達到最大值，具體數值分別為(72.22±3.9)、(75±1.08)、(60.24±1.92)、(64.31±3.96)和(58.78±2.5) U/g，之后活性開始下降．

2.5 5種觀花園林樹木抗NO2能力的綜合評定

植物受到環境脅迫時其生理變化是十分復雜的，用單一指標評價植物的抗污染能力很難真實地反映其抗性大小．因此，為了綜合評價5種觀花園林樹木的抗污染能力的大小，對葉片凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、相對葉綠素含量、細胞膜透性、MDA含量、SOD和POD活性采用隸屬函數計算，用每個植物的各項指標隸屬度的平均值作為綜合評定標準進行評價，綜合評定結果見表2．5種觀花園林樹木的抗污染能力從大到小依次排列為：紫葉桃、春鵑、紫薇、日本晚櫻、紫荊．

圖4 NO2對5種觀花園林樹木抗氧化酶活性的影響

表2 5種觀花園林樹木對NO2抗性的綜合評定結果

由于各指標對植物抗NO2的重要程度不同，在評價不同指標的關聯程度時還應根據其重要程度賦予不同的權重，并以加權關聯度對各指標進行評價．故將各項指標與平均隸屬值的關聯系數、等權關聯度、權重和加權關聯度按照公式進行計算，結果見表3，MDA含量和細胞膜透性的關聯度都在0.7以上，與5種觀花園林樹木的抗NO2能力關聯性最強；SOD和POD活性的關聯度在0.6～0.7之間，與植物的抗NO2能力關聯性也較為重要；而凈光合速率、相對葉綠素含量、蒸騰速率和氣孔導度的關聯度在0.6以下，說明它們與5種觀花園林樹木的抗NO2能力關系不緊密．

表3 5種觀花園林樹木各抗NO2指標的關聯度及權重

3 討論

1) 植物通過氣孔吸收同化CO2的同時也不斷向外擴散水分，在調節碳收獲和水分散失過程中起中樞作用[29]，因此在理論上植物凈光合速率、氣孔導度與蒸騰速率之間存在密切關系，從圖1中可以看出凈光合速率、氣孔導度與蒸騰速率整體變化趨勢較為一致，說明大多數植物都能夠通過感應環境變化來調節氣孔的開張，這是植物對脅迫環境的一種適應策略．但污染脅迫的加劇，使凈光合速率、氣孔導度與蒸騰速率變化趨勢也發生改變，體現了不同種類植物對污染脅迫響應的復雜性以及適應策略的多樣性．這3項指標的等權關聯度排序都較靠后，說明在當前脅迫濃度下光合生理變化不是植物對NO2抗性的主要鑒定指標．

2) 相對葉綠素含量與葉綠素含量具有顯著的相關性，能較好地反映葉綠素含量的變化[30]．NO2脅迫處理對5種觀花園林樹木相對葉綠素含量均有不同程度的影響，紫荊的相對葉綠素含量隨NO2脅迫質量濃度的增加呈先升后降的趨勢，這可能是由于短時間和較低質量濃度NO2脅迫對葉綠素的合成有一定的促進作用，但隨著質量濃度升高，吸收、積累的NO2超過植物葉片的需要量，就會造成代謝混亂和抑制葉綠素合成，使葉片葉綠素含量降低．

3) NO2污染對植物影響的研究表明，當植物處于逆境脅迫時，細胞內產生大量的自由基，致使細胞內自由基產生和清除的平衡遭到破壞而出現自由基積累，并誘發或加劇細胞膜脂過氧化，進一步導致細胞膜破壞，嚴重時導致植物細胞死亡[31]．本試驗研究結果證明，隨NO2處理質量濃度的增加，5種觀花園林樹木葉片細胞膜透性和MDA含量都逐漸增加，這與潘文等[27]的研究結論一致．這2項指標的加權關聯度在所有指標中排列較前，說明細胞膜透性和MDA含量是鑒定這5種觀花園林樹木對NO2抗性強弱的重要指標．

4) SOD和POD是細胞抵御活性氧傷害的主要保護酶類，在清除氧自由基、過氧化物以及阻止或減少自由基形成方面起重要作用．本試驗結果表明，在NO2脅迫下，5種觀花園林樹木抗氧化酶活性發生了明顯的變化，隨NO2質量濃度增加，SOD和POD活性先上升，當達到一定濃度后開始下降，說明植株體內保護酶系統的活力和平衡受到破壞，是活性氧積累，啟動并加劇膜脂過氧化而造成整體膜的損傷[32]．這2項指標的等權關聯度位于第3和第4，說明它們也是鑒定NO2抗性的重要指標．

4 結論

綜上所述，5種觀花園林樹木抗NO2污染能力存在差異，且許多生理生化指標均與植物的抗NO2能力有關，因此，在評價植物抗NO2污染能力時必須將這些生理指標綜合聯系在一起才能作出正確的評價．灰色關聯度法評價結果表明，在所選的8個指標中，MDA含量、細胞膜透性、SOD活性和POD活性等指標均可作為觀花園林樹木對NO2抗性的重要鑒定指標，對后續刷選抗NO2的園林樹木具有重要的參考意義．通過綜合隸屬函數分析可知，5種觀花園林樹木中紫葉桃和春鵑抗NO2能力相對較強，可用作交通繁忙地段和工業區的綠化美化樹，紫荊和日本晚櫻抗NO2能力相對較弱，可在車流量小的園林景觀路上應用．同時，在選擇抗NO2的園林植物進行城市綠化美化時，可結合植物生長型和開花的時節特性進行組合搭配，以達到更好的生態、經濟和社會的效益．