森林与环境学报  2017, Vol. 37 Issue (2): 236-240   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2017.02.018
0

文章信息

李恩宝, 刘美华, 吕连宏, 裘璐函, 王立竹, 伊力塔
LI Enbao, LIU Meihua, LÜ Lianhong, QIU Luhan, WANG Lizhu, YI Lita
临安市8种绿化植物滞尘能力及光合响应差异
Differences of dust retention capacity and plant photosynthesis of eight green plants in Lin'an
森林与环境学报,2017, 37(2): 236-240.
Journal of Forest and Environment,2017, 37(2): 236-240.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2017.02.018

文章历史

收稿日期: 2016-10-18
修回日期: 2017-02-24
临安市8种绿化植物滞尘能力及光合响应差异
李恩宝1, 刘美华1, 吕连宏2, 裘璐函1, 王立竹1, 伊力塔1     
1. 浙江农林大学林业与生物技术学院, 浙江 临安 311300;
2. 中国环境科学研究院环境与经济研究室, 北京 100012
摘要:为研究临安市常见绿化植物的滞尘能力及光合响应差异,选择阔叶树和竹子共8种常见绿化植物为研究对象,通过野外观测和室内试验相结合,对其在秋季雨后5、10和15 d的叶片滞尘能力进行测定,并研究粉尘污染对植物净光合速率和气孔导度的影响,比较不同类型植物对粉尘污染的抗性优劣。结果表明:所选植物均有一定的滞尘能力,且叶片的滞尘能力在相同污染环境下,表现为广玉兰>木荷>毛竹>雷竹>香樟>珊瑚树>苦槠>黄山栾树;珊瑚树和毛竹叶片受粉尘污染后,其净光合速率和气孔导度在相同条件下较其他植物损失小,即抗粉尘污染能力较强;而香樟、雷竹的损失率较大,即抗粉尘污染能力较弱。在选择植物作为行道树时,考虑植物叶片滞尘能力的同时,更要参考其抗粉尘能力,综合评价选择绿化植物。
关键词临安市    绿化植物    粉尘污染    滞尘能力    光合响应参数    
Differences of dust retention capacity and plant photosynthesis of eight green plants in Lin'an
LI Enbao1, LIU Meihua1, LÜ Lianhong2, QIU Luhan1, WANG Lizhu1, YI Lita1     
1. School of Forestry and Bio-technology, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Lin'an, Zhejiang 311300, China;
2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences Environmental and Economic Research, Beijing 100012, China
Abstract: Eight kinds of common green plants in Lin'an City, including broad-leaved trees and bamboo, were selected to measure the dust retention capacity raining after 5, 10, 15 d in autumn through a combination of natural observation and laboratory test, and the influence of dust on the change of plant net photosynthetic rate and stomatal conductance were also studied to compare the resistances against dust pollution of different types of plants. The results showed that the selected plants had a certain dust-retention capacities and the rank of dust detention capacties was Magnolia grandiflora L. > Schima superba Gardn. et Champ. > Phyllostachys edulis (Carr.) H. deLeh. > Phyllostachys violascens (Carr.) A. Rivet C. Riv. > Cinnamomum camphora (L.) Presl > Viburnum odoratissimum Ker-Gawl. > Castanopsis sclerophylla (Lindl.) Schott. > Koelreuteria bipinnata Franch. var. integrifolia (Merr.) T. Chen in the same environment. In the process of dust retention, net photosynthetic rate and stomatal conductance loss of V. odoratissimum and Phyllostachys edulis were relative smaller which indicated they have stronger resistance to the dust pollution while Cinnamomum camphora and Phyllostachys violascens loss rate were relative larger suggestting the anti-dust pollution capacity was weak. The paper conclude that choosing greening tree seeds should not only considerr leaf dust retention ability, but also the tree performance to dust retention so that to comprehensively select and evaluate the green plants.
Key words: Lin'an City     green plants     dust pollution     dust retention capacity     photosynthetic response parameters    

自第一次工业革命以来,随着经济高速发展,城市化进程加快,随之而来的就是生态环境恶化,尤其是城市空气中粉尘污染增多,严重危害着人们的身心健康[1-2]。粉尘污染不仅危害人体健康,降低生活质量,而且对植物的生长、发育,甚至是整个生态系统的功能调节都可能造成严重影响[3]。因此,日益突出的大气环境污染问题,已逐渐受到公众关注,亟需采取有效措施加以控制,颗粒物污染防治是当前大气污染治理的首要问题。在不能完全解决污染源的情况下,植被滞尘是改善城市颗粒物污染的有效途径之一[4]。相关研究表明[5],在植物对抗大气颗粒物污染方面,增加地表覆盖率、提高叶面积、丰富植物群落层次,能够有效增强植物对颗粒物的消减能力。在植被吸附颗粒物的能力、过程及作用机理等方面的研究已取得一定的成果[5],但联合植被信息、环境因子以及颗粒物污染水平等因素的综合性研究仍较少。因此,在相关研究的基础上,通过对不同植物单位叶面积滞尘量的测定,并在相应条件下开展植物生理生态指标变化规律研究,揭示不同植物的滞尘能力以及对粉尘的抗逆性,可为区域绿化植被选择提供数据支撑。

据相关数据,研究区临安市粉尘污染主要来源于汽车尾气及附近工业园区的废气和城市工地的扬尘,粉尘污染受制于杭城“三面云山一面城”的特殊地形而经久不散。根据环保部门监测报告,临安市2011年的粉尘污染时间为16 d,而2014年上升至97 d,2015年降为74 d,2015年粉尘污染的浓度比上一年下降17.7%,但仍保持较高水平。我国仍有半数以上的城市空气质量未达到国家二级标准,并证实影响城市空气质量的主要污染物是粉尘颗粒物[6]

1 研究区概况

试验样地位于浙江省杭州市西郊临安市浙江农林大学校内及其周边地区,北纬29°56′~30°23′,东经118°51′~119°52′,属中亚热带季风气候区,温暖湿润,四季分明,山地立体气候效应十分明显,全年降水量1 628.6 mm,全年平均气温16.4 ℃,全年日照时间1 847.3 h,森林覆盖率76.5%[7]。土壤以红壤土、黄壤土和岩性土为主,地势自西北向东南倾斜,三面环山,蜿蜒起伏,低山丘陵和宽谷盆地交错分布。临安市乡土植物枫香 (Liquidambar formosana Hance)、合欢 (Albizia julibrissin Durazz.)、杜英 (Elaeocar pusdecipiens Hemsl.)、苦槠[Castanopsis sclerphylla(Lindl.) Schott.]、香樟[Cinnamomum camphora (L.) Presl]、木荷 (Schima superba Gardn. et Champ.)、广玉兰 (Magnolia grandiflora L.)、珊瑚树 (Viburnum odoratissimum Ker-Gawl.)、雷竹[Phyllostachys violascens (Carr.) A. Riv et C. Riv.]、毛竹[Phyllostachys edulis (Carr.) H. de Leh.]、黄山栾树[Koelreuteria bipinnata Franch. var. integrifolia (Merr.) T.Chen]、杉木[Cunninghamia lanceolate (lamb.) Hook.]、马尾松 (Pinus massoniana Lamb.) 等在园林道路绿化上的运用较为广泛。

2 材料与方法 2.1 植物的选择

在样地的选择上尽可能集中布设,保证污染源相同,为使研究结果具有区域的代表性,选择了临安市城市绿化具有代表性的阔叶树和竹子为研究对象,其中阔叶树6种 (苦槠、香樟、木荷、广玉兰、珊瑚树、黄山栾树),竹子2种 (雷竹、毛竹) 并以树龄一致、生长正常、无病虫害为原则选择样本。

2.2 试验方法 2.2.1 叶片滞尘能力测定

当降水量大于15 mm时即可冲洗掉植物叶片的粉尘,降雨过后叶片将重新开始进入滞尘的过程[8]。春夏两季为植物生长发育的高峰期,新叶生长更新频繁,且植物体内代谢较快,进而会影响树叶滞尘的稳定性以及准确性,又因冬季植物生长代谢缓慢,树叶进入凋落期不便测定,在春季、夏季和冬季对植物叶片滞尘能力测定的数据较不稳定,因此采样时间定为秋季15 mm降水量后5、10、15 d[9]。采集位于植株中层生长状态良好且具有代表性的叶片,立即封存于干净塑封袋中带回实验室,因试验持续时间较长,需将叶片尽快存放入4 ℃冰箱中保存。由于试验叶片数量与叶片面积大小有关,其中单叶较大的阔叶树植物叶片为10~20片,单叶较小的竹子植物叶片为20~30片[10],每种植物叶片重复采集3次。

单位叶面积滞尘量的测定:将植物叶片放入盛有蒸馏水的烧杯中,利用软毛刷多次清洗叶表面,并及时将清洗液依次通过孔径为2.5 μm的滤膜 (40 ℃烘干) 过滤,过滤后的滤膜置于40 ℃烘箱中烘干至恒质量 (W2),其与干净滤膜的质量 (W1) 之差即为叶片滞留颗粒物量。利用Photoshop、Image J软件,获得不同植物叶片的总叶面积 (S),单位叶面积滞尘量=(W2-W1)/S[11]

2.2.2 叶片光合能力测定

在秋季降水量大于15 mm后的5、10、15 d上午9: 00—11: 00,用Li-6400便携式光合作用测定仪测定其净光合速率和气孔导度,对所测植物的中层树叶重复测定3次[12-13]

2.3 数据处理

运用Excel 2010和SPSS 18.0软件进行数据统计分析,用单因素方差分析不同植物间单位叶面积滞尘量的差异,用双变量相关性分析不同植物间净光合速率与滞尘量、气孔导度与滞尘量之间的相关性。

3 结果与分析 3.1 不同植物的滞尘能力

不同植物叶片滞尘能力不同,结果如图 1所示。雨后5 d,滞尘能力最强的3种植物依次为毛竹>木荷>广玉兰;雨后10 d,滞尘能力最强的3种植物依次为木荷>广玉兰>雷竹;雨后15 d,滞尘能力最强的3种植物依次为广玉兰>雷竹>木荷。其中,广玉兰的单位叶面积滞尘总量最大 (0.237 mg·cm-2),其次是木荷 (0.220 mg·cm-2),毛竹第三 (0.198 mg·cm-2),黄山栾树最低 (0.146 mg·cm-2)。

图 1 植物滞尘量的差异性 Fig. 1 Differences in plant dust retention

方差分析结果表明,雨后5 d,苦槠、广玉兰和毛竹的滞尘能力差异显著 (P < 0.05);雨后10 d,木荷与其他植物差异显著;雨后15 d,广玉兰与其他植物的滞尘能力差异显著。在秋季雨后5~15 d,8种植物的滞尘能力均有上升趋势。

3.2 滞尘量对植物叶片光合特性参数的影响 3.2.1 植物间净光合速率与滞尘量的相关性

植物因生长特性和外部环境的差异其净光合速率也有所不同,结果如表 1所示。除广玉兰和黄山栾树外,植物的净光合速率均有着显著差异 (P < 0.05),其中净光合速率最大的是香樟 (8.094 μmol·m-2·s-1),其次是珊瑚树 (7.952 μmol·m-2·s-1),广玉兰的净光合速率最低 (2.684 μmol·m-2·s-1)。在秋季雨后5~15 d,8种植物的净光合速率都有下降的趋势。

表 1 植物净光合速率与滞尘量的相关性1) Table 1 Correlation between net photosynthetic rate of plants and dust
植物
Species
净光合速率Net photosynthetic rate/(μmol·m-2·s-1) Sig.值
Sig. value
相关系数R
雨后5 d
5 d after rain
雨后10 d
10 d after rain
雨后15 d
15 d after rain
平均值
Average value
苦槠Castanopsis sclerophylla 7.374±0.098 2.461±0.164 1.561±0.035 3.799 0.00 -0.726*
香樟Cinnamomum camphora 11.236±0.123 8.580±0.051 4.466±0.070 8.094 0.00 -0.930**
木荷S. superba 5.453±0.034 1.882±0.012 0.892±0.016 2.742 0.00 -0.883**
广玉兰M. grandiflora 4.166±0.096 2.608±0.039 1.278±0.074 2.684 0.25 -0.872**
珊瑚树V. odoratissimum 11.24±0.184 6.475±0.093 6.142±0.029 7.952 0.00 -0.520
雷竹Phyllostachys violascens 4.511±0.144 3.070±0.108 0.648±0.020 2.743 0.00 -0.871**
毛竹Phyllostachys edulis 4.848±0.036 3.247±0.112 2.751±0.045 3.615 0.00 -0.497
黄山栾树K. bipinnata var. integrifolia 5.335±0.091 3.777±0.066 2.404±0.070 3.839 0.36 -0.702*
  1)Sig. < 0.05差异显著;*表示显著相关,**表示极显著相关。Note: in the sig. value is less than 0.05, showed significant differences. *represent significant correlation; ** represent extremely significant correlation.

植物叶片的滞尘能力是由其结构特性差异所决定的,其净光合速率又受到滞尘量的影响 (表 1)。通过对雨后5、10、15 d植物净光合速率与滞尘量的相关性分析可以看出,所测植物的净光合速率与其滞尘量均呈显著负相关,说明在这过程中其净光合速率受滞尘量影响,呈下降趋势。其中香樟、木荷、广玉兰和雷竹的净光合速率与其滞尘量呈极显著负相关,说明在这期间该植物的净光合速率受滞尘量影响最大;珊瑚树和毛竹的净光合速率受其滞尘量影响较小。

3.2.2 植物间气孔导度与滞尘量的相关性

在雨后5、10、15 d中,气孔导度最大的是黄山栾树 (0.076 mol·m-2·s-1),其次是香樟 (0.063 mol·m-2·s-1),珊瑚树第三 (0.061 mol·m-2·s-1),木荷的气孔导度最低 (0.016 mol·m-2·s-1)。通过差异性分析可知 (表 2),在秋季雨后5~15 d,8种植物的气孔导度差异均不显著,且都有下降趋势。

表 2 植物气孔导度与滞尘量的相关性1) Table 2 Correlation between stomatal conductance of plants and dust
植物
Species
气孔导度Stomatal conductance/(mol·m-2·s-1) Sig.值
Sig. value
相关系数R
雨后5 d
5 d after rain
雨后10 d
10 d after rain
雨后15 d
15 d after rain
平均值
Average value
苦槠Castanopsis sclerophylla 0.083±0.014 0.059±0.008 0.012±0.001 0.051 0.30 -0.843**
香樟Cinnamomum camphora 0.117±0.014 0.052±0.001 0.020±0.001 0.063 0.15 -0.780*
木荷S. superba 0.025±0.003 0.013±0.006 0.009±0.001 0.016 0.44 -0.735*
广玉兰M. grandiflora 0.037±0.009 0.032±0.005 0.007±0.001 0.025 0.22 -0.729*
珊瑚树V. odoratissimum 0.104±0.011 0.052±0.015 0.027±0.001 0.061 0.34 -0.553
雷竹Phyllostachys violascens 0.041±0.008 0.020±0.001 0.005±0.001 0.022 0.62 -0.772*
毛竹Phyllostachys edulis 0.040±0.007 0.019±0.002 0.006±0.001 0.022 0.42 -0.384
黄山栾树K. bipinnata var. integrifolia 0.118±0.052 0.070±0.015 0.039±0.004 0.076 0.84 -0.121
  1)Sig. < 0.05差异显著;*表示显著相关,**表示极显著相关。Note: in the sig. value is less than 0.05, showed significant differences. *represent significant correlation; ** represent extremely significant correlation.

经过相关性分析 (表 2),在雨后5、10、15 d中,所测植物的气孔导度与其滞尘量呈显著负相关,说明在这过程中其气孔导度受滞尘量影响,呈下降趋势。其中苦槠的气孔导度与其滞尘量呈极显著负相关,说明在这期间该植物的气孔导度受滞尘量影响最大,影响植物正常生长发育;而珊瑚树、毛竹和黄山栾树的气孔导度受其滞尘量影响较小。

4 结论与讨论

所选取的临安市8种常见绿化植物均有一定的滞尘能力。其中,广玉兰、木荷的单位叶面积滞尘量较大;相反,香樟、雷竹滞尘能力相对较小,这与植物本身叶貌形态有直接关系。植物叶片在受粉尘污染的过程中,滞尘量均出现随时间推移而增加的现象,而且随着滞尘量的增加,植物叶片净光合速率和气孔导度随之降低。其中,珊瑚树和毛竹的净光合速率和气孔导度在相同条件下与其他植物相比损失较小,即抗粉尘污染能力较强,苦槠、香樟、雷竹的损失率相对较大,即抗粉尘污染能力较弱。综合叶片滞尘能力和光合特征,珊瑚树和毛竹具有较强滞尘能力的同时,在受粉尘污染后光合能力相对较好,可初步判断具有一定的抗性。因此,珊瑚树和毛竹可作为滞尘绿化植物的优先选择树种;相反,香樟、雷竹不宜在环境污染较严重的区域种植或作为滞尘植物进行栽植。

植物叶片都有一定的滞尘能力,但不同植物的滞尘能力差异显著,这是由其叶片大小、质地以及冠形所决定的。植物叶片减少粉尘污染的方式主要有以下3种:一是滞留或停留,即粉尘随机地落在叶表面[14];二是附着,叶表面的沟壑结构能够吸附一定量粉尘;三是粘附,依靠叶表面特殊的分泌物沾粘粉尘[15]。叶片上下表皮具有毛的形状、数量,分泌物以及叶片的粗糙程度等不同的形态特征又是决定植物间滞尘能力差异的主要因素[16-18]。因此,广玉兰、木荷由于其单位叶面积较大,从而滞尘能力较好。

植物的生存环境是影响其光合能力的主要因素之一[18-19]。植物叶片的蒙尘过程也可视为胁迫条件,在此胁迫条件下,不同植物光合能力是否有所变化是本研究的重点。在相同污染源条件下,测定了临安市8种常见的绿化植物 (苦槠、香樟、木荷、广玉兰、珊瑚树、雷竹、毛竹和黄山栾树) 在雨后5、10、15 d的叶片光合特征参数,不同植物对蒙尘胁迫的光合响应有所差异,可初步作为植物滞尘能力的判断依据,但由于树种覆盖面有限,也未涉及藤本植物,具有一定的局限性。由于本试验仅测定了秋季短期内植物滞尘量与光合响应参数的相关性,并不能充分反映其在长期蒙尘下的特征变化,仍需进一步研究植物在长期受粉尘影响下光合参数的变化规律。除此之外,国内外关于粉尘污染对植物叶片光合参数影响的研究较少,叶片蒙尘影响气孔导度随之降低净光合速率成为了共识,但不同植物产生的差异仍需进一步深入探讨。

参考文献(References)
[1] 梁淑英. 南京地区常见城市绿化树种的生理生态特性及净化大气能力的研究[D]. 南京: 南京林业大学, 2005.
[2] 李海梅, 何兴元, 陈玮, 等. 中国城市森林研究现状及发展趋势[J]. 生态学杂志, 2004, 23(2): 55–59.
[3] 戴海夏, 宋伟民. 大气PM2.5的健康影响[J]. 国外医学卫生学分册, 2001, 28(5): 299–303.
[4] SONG Y S, MAHER B A, LI F, et al. Particulate matter deposited on leaf of five evergreen species in Beijing, China: source identification and size distribution[J]. Atmospheric Environment, 2015, 105: 53–60.
[5] 吕铃钥, 李洪远, 杨佳楠. 植物吸附大气颗粒物的时空变化规律及其影响因素的研究进展[J]. 生态学杂志, 2016, 35(2): 524–533.
[6] 李锋, 刘旭升, 王如松. 城市森林研究进展与发展战略[J]. 生态学杂志, 2003, 22(4): 55–59.
[7] 王国新, 杨晓娜, 苏飞. 临安市山地气候旅游资源时空分布特征[J]. 浙江农林大学学报, 2015, 32(2): 298–307. DOI:10.11833/j.issn.2095-0756.2015.02.019
[8] 柴一新, 祝宁, 韩焕金. 城市绿化树种的滞尘效应:以哈尔滨市为例[J]. 应用生态学报, 2002, 13(9): 1121–1126.
[9] 柴一新, 王晓春, 孙洪志, 等. 中国城市森林研究热点[J]. 东北林业大学学报, 2004, 32(2): 75–77.
[10] 潘瑞, 涂志华, 吴幼容, 等. 福州市江滨西大道10种观赏竹夏季滞尘效应研究[J]. 福建林学院学报, 2012, 32(2): 125–130.
[11] 刘璐, 管东生, 陈永勤. 广州市常见行道树种叶片表面形态与滞尘能力[J]. 生态学报, 2013, 33(8): 2604–2614.
[12] 郑淑霞, 上官周平. 8种阔叶树种叶片气体交换特征和叶绿素荧光特性比较[J]. 生态学报, 2006, 26(4): 1080–1087.
[13] 温达志, 孔国辉, 张德强, 等. 30种园林植物对短期大气污染的生理生态反应[J]. 植物生态学报, 2003, 27(3): 311–317. DOI:10.17521/cjpe.2003.0047
[14] 吴海龙, 余新晓, 师忱, 等. PM2.5特征及森林植被对其调控研究进展[J]. 中国水土保持科学, 2012, 10(6): 116–122.
[15] 赵晨曦, 王玉杰, 王云琦, 等. 细颗粒物 (PM2.5) 与植被关系的研究综述[J]. 生态学杂志, 2013, 32(8): 2203–2210.
[16] BECKETT K P, FREER-SMITH P H, TAYLOR G. Urban woodlands: their role in reducing the effects of particulate pollution[J]. Environmental Pollution, 1998, 99(3): 347–360.
[17] 石辉, 王会霞, 李秧秧, 等. 女贞和珊瑚树叶片表面特征的AFM观察[J]. 生态学报, 2011, 31(5): 1471–1477.
[18] 王会霞, 石辉, 李秧秧. 城市绿化植物叶片表面特征对滞尘能力的影响[J]. 应用生态学报, 2010, 21(12): 3077–3082.
[19] 周志翔, 邵天一, 王鹏程, 等. 武钢厂区绿地景观类型空间结构及滞尘效应[J]. 生态学报, 2002, 22(12): 2036–2040. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2002.12.003