城市化进程对冬青叶片气孔特征的影响

张子轶 游云龙

指导教师：陈 娟1 周正朝2

（1.四川大学附属中学, 四川 成都 610021; 2.陕西师范大学 旅游与环境学院, 陕西 西安 710062）

近年来，随着经济水平的持续飞速发展，城市化进程也日益严重。这就会造成在从城市——郊区——农村的地区过渡过程中，各地区的温度、湿度、光照、水分等生态因子产生差异[1-3]。气孔是蒸腾过程中水蒸气从体内排到体外的主要出口，也是光合作用和呼吸作用与外界气体交换的“大门”，它在植物的碳同化、呼吸、蒸腾作用等气体代谢中发挥着重要的作用；并且气孔具有不稳定的特性[4]，容易受所处环境条件的影响。很多学者仅研究了一种生态因子对植物叶片气孔特征的影响，并没有考虑自然生态系统下多种生态因子对植物的综合影响[5-7]。因此用气孔参数来反映城市化程度具有重要意义。本文通过对西安市不同地区同种植物气孔特征与城市化程度关系的研究，阐明了气孔特征与生态环境变化的关系。

一．材料和方法

1.材料的选取

本实验中所选取的冬青样品均取自西安市南郊和西郊，在2013年3月，选取天气晴朗的日子在上午9：00——11：00采集样品。从西安市中心钟楼出发，分别向南、向西每隔1000米采一次样，每个采样点采集10片健康、成熟的叶片，一直延续到农村，中间过渡的郊区采集密度要高一些，将采集后的叶片放在自封袋内，带回实验室进行分析。

2.制片方法

从采集的样品中分别选出3片健康、成熟的叶片（较大，且无虫叮咬痕迹），用脱脂棉蘸乙醇轻轻擦拭其下表皮灰尘，然后在下表皮中部靠近主脉的部位快速涂上一层薄薄的透明指甲油，约1-1.5cm见方，待其风干结成膜后，用透明胶带将印模粘住轻轻地从叶片上取下，平铺在载玻片上，制成印像后的载玻片用中性树胶封片，制成临时装片，于数码图像显微镜下进行观测[5，8-13]。

3.气孔密度和形态特征的观测

气孔密度和形态特征的观测利用130万像素的DMB5-223IPL数码显微镜摄像系统（Motic Digital Imaging 中国）。Motic Tek 模块能够将捕捉到的图像导入电脑，图像分辨率为1280×1024活动像素，图像处理系统采用Motic Images Advancd 3.0软件，该软件可自动显示测量结果，并直接导出为*.jpg文档，进行数据分析[5，8-14]。

(1) 气孔密度的观测

每份样品各制成3个临时装片，于40倍的数码显微镜下进行观测，每个装片随机选取10个视野，共30张图片，计算出每张图片上所含的气孔个数，分别取气孔数目的平均值后除以图片面积，统计出每平方毫米叶片上的气孔数目，即气孔密度（n·mm-2）。

(2) 气孔形态特征的观测

每份样品各制成3个临时装片，于40倍数码显微镜下进行观测，每一装片随机选取10个视野，共30张图片。从每幅图片上随机选取8个气孔进行测量。测量气孔的长径、短轴和面积，Motic Images Advanced 3.0 图像处理软件能够自动显示测量结果，然后对各数据进行统计分析。需要说明的是：本实验是在气孔张开状态下对植物气孔的长径、短轴及面积均进行测定的；气孔长径是指平行于气孔器的最长值；气孔短轴是指垂直于气孔器的最宽值。

4.数据分析

应用SPSS统计软件对数据进行显著性检验和相关分析。

二．结果和分析

1.冬青叶下表皮气孔特征

冬青叶片气孔特征与分布（如图1），其气孔均匀的分布于叶片的下表面，保卫细胞为半月形，气孔类型为无规则型（没有副卫细胞，几个普通的表皮细胞不规则地围绕着气孔），气孔壁无角质化现象[13]。

图1 城市（A）、郊区（B）、农村（C）冬青叶片下表皮气孔特征与分布

2.南郊从城市到农村冬青叶下表皮气孔特征变化

根据设计交通状况和人口密度的相似程度，将钟楼、长安立交、吴家坟划分为一组，属于城市；三森国际家居、老区政府、太阳新城、新区政府划分为一组，属于郊区；陕西师范大学长安校区和北小张村划分为一组，属于农村。在从城市——郊区——农村的地区过渡中，冬青的气孔特征呈现出一定的变化趋势（如图2）。

图2 南郊冬青气孔长径（A）、短轴（B）、面积（C）和密度（D）变化趋势不同（小写字母表示同一测定指标在3个地区之间具有显著性差异（P＜0.05）

图2显示，从总的趋势看，随着城市化程度的减弱，冬青的气孔长径、短轴和面积均呈现出增长的趋势，且气孔长径和面积的增长幅度比较明显，短轴的增长并不十分明显；气孔密度的变化呈下降趋势。城市中的气孔长径、短轴和面积均显著低于农村中的，而城市中的气孔密度显著高于农村的。

3.西郊从城市到农村冬青叶下表皮气孔特征变化

根据设计交通状况和人口密度的相似程度，将钟楼、广济街、劳动路划分为一组，属于城市；丝绸群雕、枣园、三民村和三桥交易市场划分为一组，属于郊区；西宝立交和天台八路中段划分为一组，属于农村。在从城市——郊区——农村的过渡中，冬青的气孔长径、短轴和面积均呈现出增长的趋势，其中，气孔长径的增长比较明显，气孔短轴和面积的变化并不是很明显；气孔密度呈现出先增长后略微下降的趋势。城市中的气孔长径和面积均显著高于农村的，而气孔短轴和密度的相关性并不显著（如图3所示）。

图3 西郊冬青气孔长径（A）、短轴（B）、面积（C）和密度（D）变化趋势不同（小写字母表示同一测定指标在3个地区之间具有显著性差异（P＜0.05）

4.南郊、西郊冬青气孔长径、短轴、面积与密度的相关性分析

为了更清晰地体现出密度与长径、短轴和面积之间的关系，对其进行了相关性分析，得出结论: 无论是南郊还是西郊，冬青气孔长径、短轴、面积与密度整体上呈负相关；并且当气孔密度发生变化时，对气孔形态特征各项指标的影响依次为：面积＞长径＞短轴（如图4，图5所示）。

图4 南郊冬青气孔长径与密度（a）、短轴与密度（b）、面积与密度（c）之间的相关性n=27

图5 西郊冬青气孔长径与密度（a）、短轴与密度（b）、面积与密度（c）之间的相关性n=27

5.南郊、西郊气孔形态特征比较

为了更形象地体现城市化进程对植物叶片气孔特征的影响，选取南郊和西郊不同地段气孔形态特征参数的平均值进行比较（如表1所示）。

表1 南郊、西郊气孔形态特征参数对照表

表1显示，从城市到农村，南郊冬青叶片气孔长径、短轴和面积变化总体呈上升趋势，增长率分别为13.26%、8.67%和11.02%；西郊冬青叶片气孔长径、短轴和面积虽然也呈增长趋势，但增长并不明显，增长率分别为7.77%、3.16%和5.21%。由此可以看出，南郊冬青叶片气孔长径、短轴和面积的变化率明显高于西郊的。并且无论是南郊还是西郊，气孔长径的变化率都比气孔短轴的变化率大，说明气孔短轴是个相对比较稳定的性状[5，13]。

三、讨论

近年来，随着社会经济水平的持续、飞速发展，越来越多的农村人口向城市迁移；城市不断向周围的郊区、农村地区延伸；产业结构中，农业、工业及其他行业的比重此消彼长，不断变化；城市化进程日益严重。这是人类进步必然要经过的过程，是人类社会结构变革中的一个重要线索，与此同时，城市化的程度是衡量一个国家和地区经济、文化、科技水平的重要标准，也是衡量一个国家和地区社会组织程度和管理水平的重要标志。城市化的发展表明，城市化可以促进经济繁荣和社会进步，能够集约利用土地，能够提高能源利用效率，并且能够促进教育、健康和社会服务的进行。然而，城市化也会给我们带来一些负面效应，其中最主要的就是生态环境问题。

第一方面，人口的增加势必会使交通工具的数量、燃料的使用量以及空调、冰箱等家用电器的使用量随之增加，使得城市中的二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等有害气体及粉尘含量增加，对大气环境造成严重的污染，同时，这些物质还可吸收环境中热辐射的能量，再加上二氧化碳等温室气体浓度的增高，城市中的温度明显要高于郊区和农村。

第二方面，城市不断向周围的郊区、农村地区延伸，不透水地面的面积增加，大部分降水通过地表径流的方式进入排水系统，渗入地下的水很少，地下水含量降低；并且城市中的地表大多数是由水泥、混凝土和柏油马路所组成，而郊区的地表是由植被和土壤组成的，两者的热量平衡特征也存在着显著的差别，会影响到城市中的水分和温度条件。

第三方面，城市中高大建筑物的数量多，其表面的装饰材料对太阳辐射有很强的反射、散射作用，使城市中的光照条件发生变化；并且在高楼林立的城市中大气环流减弱，城市中的污染物及热量很难向周围扩散，使城市中的温度不断升高。总而言之，随着城市化的加剧，城市中的环境会与郊区、农村产生明显的差异。

植物对环境有很好的指示作用，它可以通过自身调节来适应环境。而气孔是植物与外界进行气体交换的门户和控制蒸腾的结构，它在植物的碳同化、呼吸、蒸腾作用等气体代谢中起着重要的作用；并且气孔具有不稳定性的特征[5]，会受到所处环境条件的影响。当生态环境发生变化时，植物气孔的长径、短轴、面积和密度都会发生改变[2]。

本文通过对西安市南郊、西郊冬青叶下表皮气孔特征的观察，我们可以发现：随着城市化程度的不断减弱，气孔长径、短轴和面积均呈现出增长的趋势，这是因为城市中的二氧化碳浓度高，水分含量少，而植物在吸收二氧化碳的同时又不可避免会散失大量的水分，为了减少对二氧化碳的吸收及水分的散失，最有效的方式莫过于减小气孔开度，从而达到以最小的蒸腾作用换取最大的光合作用效果。但是，南郊的气孔密度却呈现出下降的趋势，这是因为随着单个气孔长径、短轴的增加，面积也会随之增加，相同单位面积内所含气孔数量会相应减少。通过对南郊、西郊冬青气孔长径、短轴、面积与密度的相关性分析，得出结论：气孔长径与密度、短轴与密度、面积与密度整体上呈负相关，且气孔密度对面积的影响较大，其次为长径，最后为短轴。

另外，通过对南郊、西郊气孔形态特征的比较发现：从城市到农村，南郊气孔形态特征各项指标的增长率要比西郊的明显。这说明：西郊的城市化进程比南郊的严重。西郊为工业区，并且是通往高速公路的重要道路，车辆、人口的流动量与城市差异不大。然而，南郊是文教区，许多高校和科研单位都建在这里，与城市相比，车流量和人流量差距很大。因此，即使是在同一城市的不同地区，城市化的程度也不同。并且无论是南郊还是西郊，气孔长径的变化率都比气孔短轴的变化率大，说明气孔短轴是个相对比较稳定的性状[5，13]。

现在，城市化进程正在以惊人的速度向我们走来，我们必须处理好环境的污染与破坏问题，否则将直接阻碍城市的发展。因此，要真正了解其对生态环境产生的影响，必须以自然生态系统为研究对象，综合考虑多种因素来进行研究，为某一地区的长远规划和生态环境的可持续发展提供理论依据。

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