北方冬季4种常绿植物叶片光合特性与大气PM2.5的关系

杨静慧，罗虹，张般般，冀馨宁，周强，赵立伟



北方冬季4种常绿植物叶片光合特性与大气PM2.5的关系

杨静慧1，罗虹1，张般般1，冀馨宁1，周强1，赵立伟2

（1. 天津农学院 园艺园林学院，天津 300384；2. 天津市北方绿业生态科技有限公司，天津 300304）

为研究冬季雾霾天对北方常绿植物叶片光合特性的影响，选取天津地区4种具有代表性的植物大叶黄杨、剑麻、女贞、小叶黄杨为材料，用CL-340光合仪测定分析其叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度的动态变化和物种间的差异。结果表明：雾霾使所有植物的光合特性指标显著下降，4种植物的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均与PM2.5浓度呈负相关。其中大气中PM2.5浓度变化与大叶黄杨、女贞、剑麻、小叶黄杨4种植物的净光合速率的相关系数依次为-0.87、-0.78、-0.88、-0.84，表明有较强的相关性；与蒸腾速率的相关系数依次为-0.82、-0.80、-0.72、-0.67，即大叶黄杨和女贞的相关性均在-0.80以上，有较强的相关性；与气孔导度的相关系数依次为-0.737、-0.895、-0.794、-0.783，与剑麻具有强的相关性。此外，雾霾对不同种类植物净光合速率有较大影响，综合显示：剑麻对雾霾天有较强的抗性。

冬季；常绿植物；光合特性；PM2.5；相关性

近些年，雾霾已经严重影响了人们的生产生活和身体健康。研究显示，PM2.5浓度每增加10 μg/m3，心力衰竭患者的住院率增加1.28%[1]，PM2.5对心血管系统危害严重，能引发一系列疾病，甚至可以致癌[2]。园林植物是城市生态环境的主体，可有效阻滞粉尘、吸收有害气体，在改善空气质量、除尘降温、维护生态平衡中起着不可替代的作用。空气中二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物是雾霾的主要成分。可吸入颗粒物与雾气结合在一起使天空变得灰暗阴沉，成为雾霾天气污染的罪魁祸首。而二氧化硫、氮氧化物为气态污染物，可通过植物吸收转化为其他物质。植物通过降解、转化以及同化和超同化作用等来转化雾霾中气态污染物。例如，在低浓度二氧化硫污染时，植物可产生同化作用，使空气中二氧化硫成为植物生长的养料，即亚硫酸和亚硫酸根离子[3]。园林植物可以通过蒸腾作用降低大气中的颗粒浓度。因为植物具有较强的蒸腾作用，可以产生大量的水蒸气。较高的空气湿度有利于大气颗粒物的凝结，使其加速沉降，从而减少大气颗粒物的含量。据测定，绿地比空旷地的空气湿度高10%～20%，有林区比无林区降雨量高17.4%～27.6%[4]。园林植物可以通过光合作用增加空气的清新度，以减少汽车、工厂排出的二氧化碳，对保持空气清新、减缓温室效应等有十分重要的作用。据报道，常绿阔叶林每年吸收的二氧化碳和释放氧气的量分别为14.10 t/hm2和29.22 t/hm2，其中25 m2的树林吸收的二氧化碳相当于一个人释放的二氧化碳，并同时提供所需的氧气[5]。

有大量资料和研究报道植物光合作用、蒸腾作用与植物的生产力和生长发育之间的关系[6-10]，对PM2.5（颗粒物质的直径在0.1～2.5 μm[11]）的研究也主要集中在对园林植物的滞尘、吸附能力的影响等方面，但PM2.5对植物的光合特性的影响，特别是冬季常绿植物的影响未见报道。研究冬季PM2.5与常绿植物的光合特性的关系，一方面可以了解北方常见常绿植物在冬季的生长生理特性，了解PM2.5对园林植物的影响，另一方面了解不同种类植物对雾霾的忍耐力和抗雾霾差异，为北方雾霾较严重地区园林植物的配置提供依据。

1 材料与方法

试验于2017年1月上中旬在天津城建大学校园内进行，以北方冬季常绿植物大叶黄杨、剑麻、女贞、小叶黄杨为试验材料。

选择植株生长一致、健壮、植株栽植较为密集、且分布均匀的地块为样地。用随机取样法选择样株，样株要求生长势较强和无病虫害。选取植株中上部外侧枝条中部的叶片进行各项光合指标的测定。每个树种选取6株植株进行测定，即为6次重复。每个叶片重复测定5次。用CL-340便携式光合作用测定系统进行各项指标的测定。从13：00—15：00连续测定4种植物的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、气孔导度（C），及其4种植物测定叶片周围PM2.5的浓度。数据用Excel软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 冬季大气PM2.5浓度变化对4种常绿植物净光合速率的影响

图1 为2017年1月8—17日4种常绿植物净光合速率（Pn）随PM2.5浓度的变化曲线，4 种常绿植物大叶黄杨、剑麻、女贞、小叶黄杨的净光合速率与PM2.5浓度呈较明显的负相关。其中1月8—10日，大气中PM2.5浓度逐渐降低，与此同时，4种植物的净光合速率均呈现上升趋势；在1月11日，大气中PM2.5浓度达到10天中的最高值，此时4种植物的净光合速率也均降到最低；1月12—14日，天气中PM2.5浓度缓慢降低， 4种常绿植物的净光合速率也逐渐增加；1月15—17日，4种植物的净光合速率随着大气中PM2.5浓度的增加而降低。

图1 冬季大气PM2.5浓度变化对4种常绿植物净光合速率的影响

通过回归分析，发现4种植物的净光合速率与大气中PM2.5浓度变化的相关系数分别为：大叶黄杨-0.87、女贞-0.78、剑麻-0.88、小叶黄杨-0.84，表明有较强的相关性（图2）。

图2 4种植物净光合速率与冬季大气中PM2.5浓度的关系

2.2 冬季大气PM2.5浓度变化对4种常绿植物蒸腾速率的影响

图3 为1月8—17日4种常绿植物蒸腾速率（E）随PM2.5浓度的变化曲线图，4 种常绿植物大叶黄杨、剑麻、女贞、小叶黄杨的蒸腾速率与PM2.5浓度呈较明显的负相关，且与净光合速率的变化趋势一致。

图3 冬季大气PM2.5浓度变化对4种常绿植物蒸腾速率的影响

通过回归分析，发现4种植物的蒸腾速率与大气中PM2.5浓度变化的相关系数分别：为大叶黄杨-0.82、女贞-0.80、剑麻-0.72、小叶黄杨-0.67，即大叶黄杨和女贞的结果有较强的相关性（图4）。

图4 4种常绿植物蒸腾速率与PM2.5浓度的关系

2.3 冬季大气PM2.5浓度变化对4种常绿植物气孔导度的影响

图5 为1月8—17日4种常绿植物气孔导度（C）随PM2.5浓度的变化而变化的曲线，4 种常绿植物大叶黄杨、剑麻、女贞、小叶黄杨的气孔导度与PM2.5浓度呈较明显的负相关，且与净光合速率和蒸腾速率的变化趋势一致。

图5 冬季大气PM2.5浓度变化对4种常绿植物气孔导度的影响

通过回归分析，发现4种植物的气孔导度与大气中PM2.5浓度变化的相关系数分别为：大叶黄杨-0.737、女贞-0.895、剑麻-0.794、小叶黄杨-0.783（图6）

图6 4种常绿植物气孔导度与PM2.5浓度的关系

2.4 雾霾条件下不同种类植物的净光合速率差异

图7为4种常绿植物在1月11日PM2.5浓度值达到320 μg/m3时植株叶片的净光合速率，以1月10日PM2.5浓度为12 μg/m3为对照。

图7 雾霾条件下不同种类植物的净光合速率差异

注：a：PM2.5＝12 μg/m3；b：PM2.5＝320 μg/m3

图7显示，在PM2.5浓度（12 μg/m3）较低时，4种植物的Pn大小顺序为：小叶黄杨＞女贞＞剑麻＞大叶黄杨，剑麻和大叶黄杨差异不显著。而在PM2.5浓度（320 μg/m3）较高的雾霾天，4种植物的Pn大小顺序为：剑麻＞女贞＞小叶黄杨＞大叶黄杨，剑麻与大叶黄杨差异显著，表明雾霾对不同种类植物的净光合速率有较大影响。

3 讨论与结论

植物的光合作用受环境的影响非常显著，颗粒物污染（PM2.5）使植物叶片蒙尘量越高，阻碍光合作用越严重[6]。植物叶片的光合特征随叶片的PM2.5含量的增加而呈现明显的负相关。

植物叶片对光能的吸收、传递和利用除受大气环境因子的影响外还决定于物种本身[12]，北方冬季是大气污染较为严重的季节，PM2.5对常绿植物的影响可以通过连续观测植物叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度各项指标的变化间接地反映出来。在相同PM2.5浓度下，植物的Pn、E、C 均下降，而下降的幅度因植物种类的不同而异，即不同植物在同一PM2.5浓度下的适应能力存在差异。本试验中，大叶黄杨和剑麻的光合速率受PM2.5浓度的影响较小，而小叶黄杨和女贞的光合速率受PM2.5浓度影响较大。

植物对环境的调节作用既受到植物的生理特性、植物树冠、叶片的形态结构等内部因素的影响，同时还受到大气中光照、温度、风等外因的影响[11]。叶片的植物学性状、表面的物理特性等对此有重要影响，比如叶片的表皮毛、蜡质层和分泌物的性质。多皱、多绒毛、多分泌物的叶片结构具有更大的滞尘能力；而叶片表面粗糙度的差异对滞尘能力也有影响，叶表皮具沟状组织、密集纤毛的树种滞尘能力强，叶表皮具瘤状或疣状突起的树种滞尘能力较差。若树种具有较大的比表面积和表面粗糙度，则滞尘能力强。植物叶片由于生物学特性的不同导致在不同的大气环境下，PM2.5浓度的大小影响光合特征参数的变化。试验结果表明，北方冬季4种常绿植物的光合特性与PM2.5浓度之间呈现明显的负相关，也间接体现出净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的正相关关系[6]。PM2.5对4种常绿植物光合特性的影响，以小叶黄杨和女贞波动最大，大叶黄杨和剑麻波动较小，这主要与植物叶片的形态结构有关，小叶黄杨的叶片较小且浓密，女贞叶片膜质光滑，受外部影响较大，故波动较大；大叶黄杨和剑麻叶片革质且大，受PM2.5浓度的影响减小，故波动较小。4 种植物蒸腾速率和净光合速率关系密切，蒸腾速率强，净光合速率高，释放出的氧气就多；气孔导度和蒸腾速率的关系密切，气孔打开，蒸腾作用就强。故PM2.5浓度对植物光合特性参数的影响是连续的。

[1] 叶依. 钟南山传[M]. 北京：作家出版社，2010.

[2] Polichetti G，Cocco S，Spinali A，et al. Effects of particulate matter（PM10，PM2.5 and PM1）on the cardiovascular system[J]. Toxicology，2009，261（1/2）：1-8.

[3] 张平平. 浅析园林绿化现场种植在治理矿厂区灰尘污染的应用[J]. 现代园艺，2013（2）：71-71.

[4] 卓丽环，陈龙清. 园林树木学[M]. 北京：中国农业出版社，2004.

[5]孙淑萍. 北京城区绿化对空气中可吸入颗粒物与降尘的影响[D]. 北京：中国农业大学，2003.

[6]李永秀，娄运生，张富存. 冬小麦气孔导度模型的比较[J].中国农业气象，2011，32（1）：106-110.

[7]张峰，上官铁梁. 山西翅果油树群落种间关系的数量分析[J]. 植物生态学报，2000，24（3）：351-355.

[8]李建民，谢芳，陈存及，等. 光皮桦天然林群落优势种群的种间联结性研究[J]. 应用生态学报，2001，12（2）：168-170.

[9]张丽霞，张峰，上官铁梁. 芦芽山植物群落种间关系的研究[J]. 西北植物学报，2001，21（6）：1085-1091.

[10]冯建灿，张玉洁. 喜树光合速率日变化及其影响因子的研究[J]. 林业科学，2002，38（4）：34-39.

[11]黄慧娟. 保定常见绿化植物滞尘效应及尘污染对其光合特征的影响[D]. 保定：河北农业大学，2008.

[12]陈洪国. 四种常绿植物蒸腾速率、净光合速率的日变化及对环境的影响[J]. 福建林业科技，2006，33（1）：76-79.

责任编辑：杨霞

Relationship between photosynthetic characteristics of 4 evergreen and PM2.5 in winter of north

YANG Jing-hui1, LUO Hong1, ZHANG Ban-ban1, JI Xin-ning1, ZHOU Qiang1, ZHAO Li-wei2

（1. College of Horticulture and Landscape, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. Tianjin North Green Ecology Technology Co. Ltd , Tianjin 300304 , China）

In order to study the influence of haze on the photosynthetic characteristics of evergreen in winter in North China, the net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate, stonmatal conductance of leaves were analyzed by CL-340 and difference between species was compared with 4 representative evergreen（）in Tianjin. The results showed that the photosynthetic characteristic of all plants decreased significantly，and the net photosynthetic rate, transpiration rate, stonmatal conductance of 4 species were negatively correlated with PM2.5. The correlation coefficient of the PM2.5 content in the atmosphere and the net photosynthetic rate of the 4 species,varwere respectively -0.87、-0.78、-0.88、-0.84，which showed a strong correlation; the correlation coefficient with transpiration rate of leaves were -0.82、-0.80、-0.72、-0.67 successively, meaning stronger correlation inandwhich were above 0.80; the correlation coefficient with stonmatal conductance were -0.737、-0.895、-0.794、-0.783 successively，which had a strong correlation with. Meanwhile，the net photosynthetic rate of 4 species were siginificantly different under influence of haze. It shows：has strong resistance to haze.

winter; evergreen plant; photosynthetic characteristic; PM2.5; correlation

S687.9

A

1008-5394（2018）01-0029-04

10.19640/j.cnki.jtau.2018.01.007

2017-03-16

天津市农委项目（201502100）；天津市科委项目（16YFZCNC00750，15YFNZNC00010）

杨静慧（1961 -），女，教授，博士，主要从事园艺植物栽培、抗逆生理和分子育种研究。E-mail：ajinghuiyang2@aliyun.com。