不同程度大气污染区绿化植物叶片生理特征比较

秦俊萍， 葛正喜

(河北美术学院，河北石家庄 050700)

伴随着我国社会经济的高速发展，环境问题日益加剧，尤其是雾霾等大气污染问题严重[1]。近年来，我国城市大气环境污染呈现出明显的区域性特征，北方城市大气环境污染严重，我国大气环境污染较严重的6个区域中北方占4个。大气环境呈现出区域复合型污染的特征，一个地区的大气污染受其所处的特殊地理环境、大气环境背景和气象条件影响，可通过传输方式影响其他地区[2]。总体上看，区域内各城市大气环境污染特征较为相似，但不同区域间城市大气环境污染差别较大，京津冀区域是大气污染防治的重点地区[3]。从2013年1月开始，国家环保部公布的74个环保重点城市空气质量状况报告显示，空气质量最差的10个城市中河北省每月均占一半以上[4]；2014年，空气质量相对较差的10个城市中河北省占6个，河北省大气质量直接影响着整个京津冀地区的大气环境[5]。河北省作为我国的大型省份，近年来经济迅猛发展，随着机动车辆的快速增长，大气污染已经成为城市污染的主要问题，可吸入颗粒物中细颗粒的含量不断增加，城市空气混浊，雾日增加，严重威胁着城市居民的身体健康和城市生态环境[5]。在大气污染环境条件下，了解城市绿化植物的生理特性变化，对于阐明城市大气污染的生物效应具有现实意义，并可为深入探讨大气污染对植物的伤害和植物的抗性机制提供部分依据。

绿化植物是城市、自然和景观复合生态系统中具有重要自净功能的组成部分，对大气中的粉尘、颗粒物有过滤、阻挡和吸附的作用，可以有效降低大气总悬浮颗粒物(total suspended particulates，简称TSP)，从而在改善生态环境、减少阳光辐射、增大空气湿度、净化空气、调节气候等方面起着“除污吐新”的作用[6]。绿化植物是城市绿地建设的基础和城市环境质量的重要保障，为建立良好生态循环的城市生态系统，需要对城市绿化植物与环境相互作用的关系开展深入研究[7-8]。城市环境与绿化植物生理生态响应的关系日益成为环境生态领域研究的热点。以叶绿素荧光为探针来研究植物对变化的环境条件的响应，由于其对样品无破坏性，反应灵敏，测定快速，已在植物环境生理研究中被广泛应用[9-10]。这种指标的变化出现于表现损伤症状和生长指标改变之前，具有明显的优点和可预测性。因此，本研究在全面调查的基础上，选取河北省不同污染区女贞和香樟作为供试植物，借助植物叶片铅(Pb)和镉(Cd)的含量、比叶重、光合色素、荧光参数来研究植物对不同环境条件的响应，探讨该地区常见绿化植物对大气污染抗性的生理机制，为河北省乃至全国范围内的大气环境质量的评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北省位于113°27′～119°50′E，36°05′～42°40′N，地处华北、黄河下游以北，全省面积为18.77万km2，人口为 6 744万人。河北省属温带季风气候-暖温带、半湿润-半干旱大陆性季风气候。地势西北高、东南低，地貌复杂多样。全省现设石家庄、唐山、邯郸、秦皇岛、保定、张家口、承德、廊坊、沧州、衡水、邢台共11个地级市。市下辖172个县(市、区)，其中23个县级市、115个县、34个市辖区。

河北省大气污染具有覆盖范围广、持续时间长、灰霾出现频次高、污染物复合种类多的特点，主要集中表现为地域上呈“一带两区”分布特征、污染物上呈“一多两重”组成特征。“一带”是指通过卫星遥感影像解析，从河南省北部、山东省西北部向北沿太行山山脉到燕山山脉恰好形成了1条污染物聚集带，主要包括石家庄、邢台、邯郸、保定地区。在没有较强气流作用下，区域内排放的污染物和外来输送的污染物就会在此逐渐集聚，累积超过大气环境容量时，就会形成区域性重度污染。“两区”是指以唐山为中心的重工业集中区和以衡水为中心的污染物叠加区。在重工业集中区内，污染物排放量远高于扩散量，污染物浓度始终维持在较高水平。在污染物叠加区域，周边污染相对都较重，呈包围之势，自身排放和扬尘也较重，在外来扩散影响并与自身污染物叠加的作用下，伴随性出现重污染天气。根据综合指标来划分研究区域，本研究规定达到及优于国家Ⅱ级标准时间大于200 d且空气污染指数小于220的区域为第一区域，大气质量良好；达到及优于国家Ⅱ级标准时间200～100 d且空气污染指数在220～500区间的区域为第二区域，大气状况为轻污染；达到及优于国家Ⅱ级标准时间小于100 d且空气污染指数大于500的区域为第三区域，大气质量为重污染(图1)。

1.2 试验材料及方法

按上述划分的区域，结合河北省环保局监测数据、研究结果及采样点附近的环境状况，将其分为轻度污染区、中度污染区和重度污染区，采样点交通状况和附近环境状况见表1。分别在不同大气污染区选取2种绿化植物(女贞和香樟)，试验于2016年7至9月进行，在各采样点选择树龄基本相同，人工维护状态良好的植物，从树冠的内外上下多点采样。为防止采样过程中叶片过度失水，将修枝剪剪下的带叶片的枝条放入自封袋中封存，并注明采集日期和采样地点，采样时带上聚乙烯塑料手套，分别从不同方向均匀采集足够多的成熟叶片，将叶片小心封存于锥形瓶内，带回实验室处理。

1.2.1 叶片重金属含量的测定 将选取的叶片先用自来水后用蒸馏水反复冲洗，用吸水纸擦干后置于60 ℃烘箱中烘干，研磨后置于干燥器中备用。用精密度为0.000 1 g的电子天平称取叶片样品0.6 g于50 mL瓷坩埚中，110～130 ℃低温炭化至无烟，在450 ℃马弗炉中灰化6 h。将灰化后的样品小心转入50 mL烧杯中，加入10 mL高氯酸(HClO4)和硝酸(HNO3)混合试剂(体积比为4 ∶1)并振荡使其充分溶解，若有残渣过滤去除，然后用纯水定容至50 mL。每个样品作3个平行样。试样用TAS986型原子吸收分光光度计测定Pb、Cd含量。叶片中Pb、Cd的含量以单位干质量叶片中所含Pb、Cd的质量表示(单位为mg/kg)。

表1 河北省污染区域划分

1.2.2 比叶重(specific leaf weight，简称SLW)的测定 分别选取不同采样点的成熟叶片，女贞和香樟各8～10张，先用自来水后用蒸馏水反复冲洗，用吸水纸擦干后置于扫描仪中扫描后测定叶面积，于60 ℃烘箱中烘干48 h，称干质量。干质量除以叶面积得到比叶重(g/m2)。每个样品各设3个重复。

比叶重=单位面积叶干质量/单位叶面积。

1.2.3 色素含量的测定 称取0.2 g烘干叶片，去中脉，剪碎后放入研钵中，加少量石英砂和碳酸钙粉及96%乙醇2～3 mL，研磨至组织发白，再加96%乙醇10 mL，研成匀浆。然后将提取液过滤并用96%乙醇定容至25 mL容量瓶中，摇匀，保存于暗处24 h，备用待测，每个样品设3个重复。以96%乙醇作为空白对照，分别在波长665、649和470 nm下测定吸光度，分别计算叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、类胡萝卜素(Car)的浓度和叶绿素a/叶绿素b(Chla/Chlb)。

1.2.4 叶片δ13C比例的测定 将采回的叶片于105 ℃杀青，然后置于恒温干燥箱中烘干(60 ℃，连续烘干48 h)，粉碎过80目筛制成备用样品。每个样品重复采用相同取样植株数，每个重复为各植株3～5张叶片的混合样。采用稳定碳同位素分析(测定精度为0.1‰)，取处理好的样品3～5 mg封入真空的燃烧管，并加入催化剂和氧化剂，燃烧产生的CO2经结晶纯化后，用质谱仪测定碳同位素的比例。

1.2.5 叶绿素荧光的测定 采用OS5-FL脉冲调制荧光仪(pulse modulation fluorometer)测定叶片的叶绿素荧光诱导曲线，利用诱导曲线分析植物光化学效率。原初荧光或初始荧光产量(Fo)是用暗适应15 min的叶片在弱调制测量光[0.05 μmol/(m2·s)]诱导下产生的，最大荧光(Fm)则是在Fo之后用强饱和脉冲[5 000 μmol/(m2·s)]激发的。当荧光从最大值降低到接近Fo水平时，用光照度为 200 μmol/(m2·s) 的光化光诱导荧光动力学，计算不同的荧光参数：原初光能转化效率Fv/Fm，最大量子产量Fv/Fo，光化学淬灭系数qP，非光化学淬灭系数qN和实际量子产量ΦPSⅡ。

1.3 数据处理

用Excel 2010进行数据的统计和整理，用SPSS 18.0进行方差分析和统计学检验，采用LSD多重比较(显著水平设置为0.05和0.01)，采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)比较其差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同大气污染区绿化植物叶片Pb、Cd含量

由图2可以看出，女贞和香樟叶片中Pb、Cd含量在不同大气污染区具有显著差异(ANOVA，P<0.05)，Pb、Cd含量在不同大气污染区均表现为重度污染区>中度污染区>轻度污染区。2种植物叶片中Pb、Cd的含量无明显差异。对女贞而言，叶片中Pb含量的变化范围为40.2～82.1 mg/kg，Cd含量的变化范围为18.3～23.5 mg/kg，Pb含量在不同污染区间差异均显著(P<0.05)，重度污染区间Cd含量显著高于中度污染区和轻度污染区(P<0.05)，而中度污染区和轻度污染区Cd含量差异不显著。对香樟而言，Pb、Cd含量分别为38.2～83.5 mg/kg和15.6～26.9 mg/kg；不同污染区间Pb、Cd含量差异均显著。女贞叶片中Pb、Cd的含量在中度污染区和重度污染区分别比轻度污染区提高57.96%、104.23%；7.10%、28.42%。香樟叶片中Pb、Cd的含量在中度污染区和重度污染区分别比轻度污染区提高62.04%、118.59%；36.54%、72.44%。

2.2 不同大气污染区绿化植物叶片SLW

由图3可以看出，女贞、香樟叶片SLW分别为82.3～105.6、62.7～67.9 g/m2，其均值分别为92.5、65.4 g/m2，女贞叶片在不同污染区的SLW均显著或极显著高于香樟，不同污染区绿化植物SLW均表现为重度污染区>中度污染区>轻度污染区。对于女贞，重度污染区显著高于中度污染区和轻度污染区，中度污染区和轻度污染区间差异不显著；对于香樟，不同污染区SLW差异均不显著。与轻度污染区相比，中度污染区、重度污染区女贞叶片SLW分别增加了3.65%、28.31%，香樟SLW分别增加了 4.15%、8.29%。

2.3 不同大气污染区绿化植物叶片光合色素含量

光合色素在植物光合作用的原初光反应过程中起着关键作用，其含量的变化往往与叶片的生理活性、植物对环境的适应性和抗逆性有关。由图4可以看出，不同污染区Chla含量、Chlb含量、Chla/Chlb、Car含量具有显著差异，均表现为重度污染区<中度污染区<轻度污染区；女贞光合色素含量均高于香樟。植物在大气受到污染的环境中，其叶片Chla、Chlb遭到不同程度的破坏，二者之间的变化具有一定的同步性，这导致Chla/Chlb值与Chla、Chlb含量的变化趋势相一致，其中不同污染区间香樟和女贞Chla、Chlb含量均有显著差异，对于Chla/Chlb和Car含量，轻度和中度污染区差异不显著，二者显著高于重度污染区。女贞叶片Car含量高于香樟。处于轻度污染区的植物，其Chla/Chlb值较大，女贞叶片Chla、Chlb、Car含量在中度污染区和重度污染区分别比轻度污染区减小12.56%、39.85%；26.31%、42.96%；3.26%、16.98%。相应地，香樟则分别减小11.25%、40.39%；29.94%、53.12%；3.78%、20.13%。

2.4 不同大气污染区绿化植物叶片δ13C比例

由图5可以看出，女贞和香樟叶片δ13C比例分别为 -26.3‰～-23.4‰，-28.3‰～-25.4‰，其均值分别为 -25.1‰、-27.3‰，女贞叶片在不同污染区δ13C比例均显著或极显著高于香樟，不同污染区绿化植物δ13C比例均表现为重度污染区>中度污染区>轻度污染区。对于女贞，重度污染区δ13C比例显著高于中度污染区和轻度污染区，中度污染区和轻度污染区间差异不显著；对于香樟，不同污染区δ13C比例差异均不显著。与轻度污染区相比，中度污染区和重度污染区女贞叶片δ13C比例分别增加了 3.80%、11.03%，香樟分别增加了0.71%、10.25%。

2.5 不同大气污染区绿化植物叶绿素荧光参数

叶绿素荧光参数Fv/Fm代表原初的光能转换效率，Fv/Fo代表从Chla/b蛋白复合体LHCP到PSⅡ的光能传递能力，两者是近年来常用的研究植物对逆境响应的重要生理参数。由图6可知，不同污染区Fv/Fm、Fv/Fo、qP、qN和ΦPSⅡ有较大差异，其中Fv/Fm、Fv/Fo、qP、ΦPSⅡ均表现为重度污染区<中度污染区<轻度污染区，而qN表现为重度污染区>中度污染区>轻度污染区；女贞在轻度与中度污染区的Fv/Fo无显著差异，qP无显著差异，中度与重度污染区的qN无显著差异；女贞叶片Fv/Fm、Fv/Fo、qP和ΦPSⅡ在中度污染区、重度污染区分别比轻度污染区域小17.23%、21.00%；3.13%、39.49%；7.41%、12.35%；16.45%、28.17%；qN增加了23.69%、39.14%。相应地，香樟则分别减小8.26%、26.39%；6.23%、34.04%；13.05%、28.97%；12.15%、32.98%；qN增加了25.87%、36.54%。

2.6 不同大气污染区绿化植物叶片生理相关性分析

表2的相关性分析结果表明，女贞和香樟叶片生理相关性分析结果相一致，其中，Pb含量与Cd含量、SLW呈极显著正相关，与Chla、Chlb、Car、δ13C含量呈负相关，与Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ呈显著或极显著负相关；Cd含量与Chla含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ呈显著或极显著负相关，与qP、qN、Chlb含量呈负相关；SLW与Fv/Fm和ΦPSⅡ呈极显著正相关，与Chlb含量、δ13C含量、Fv/Fo呈显著正相关；Chla含量与Chlb含量、Fv/Fm呈极显著正相关，与Fv/Fo、ΦPSⅡ呈显著正相关；Chlb含量与Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ呈极显著正相关；Car含量与Fv/Fo呈显著正相关；δ13C含量与qN呈显著正相关；Fv/Fm与Fv/Fo、qP、ΦPSⅡ呈极显著正相关；Fv/Fo与qP、qN、ΦPSⅡ呈极显著正相关；qP与qN、ΦPSⅡ呈显著正相关。

2.7 不同大气污染区绿化植物叶片生理特性主成分分析

主成分(principle component，简称PC)分析是在1组变量中找出其方差和协方差矩阵的特征量，将多个变量通过降维转化为少数几个综合变量的统计分析方法，能够从多变量中选择少数几个综合独立的新变量，来反映原来的多变量所包含的大部分信息。本研究采用SPSS软件的相关分析模块进行处理，以绿化植物叶片生理特性作为原变量，通过计算变量方差和协方差矩阵的特征量，将多个变量通过降维，对绿化植物叶片生理特性进行集中和提取，识别出起主导作用的生理特性指标。表3是总方差分解结果，根据特征值大于1的原则，选取了3个主成分PC1、PC2、PC3，前3个主成分对各变量的方差贡献率分别为48.369%、72.464%、85.722%，其所含信息占总体信息的88.680%，即前3个主成分对12个变量所涵盖的大部分息进行了概括，能够解释原始信息。表4显示原有12个变量在3个主成分上的载荷，其中Cd含量、SLW、Chla在第1主成分上有较高载荷(相关系数绝对值)；SLW、Car含量、ΦPSⅡ在第2主成分上有较高载荷；SLW和ΦPSⅡ在第3主成分上有较高载荷。上述3个主成分所反映的信息很可能反映出河北省绿化植物叶片生理特性对环境污染的响应，即SLW和ΦPSⅡ对环境污染的响应较大，对环境污染起着主要的指示作用。

表2 不同大气污染区绿化植物叶片生理相关性分析

注：“**”表示在0.01水平上显著相关，“*”表示在0.05水平上显著相关。

表3 观测指标总方差分解结果

3 讨论与结论

SLW反映了植物的光合碳同化能力，是衡量植物相对生长速率的重要参数，一些学者把叶片对外界环境变化的生理学适应归因于SLW的变化[11-13]。在胁迫生境下，植物将通过根系从土壤中吸收的矿质养分贮存在叶片中，其中很大一部分物质用于构建保卫构造，如分配较多的氮于非溶性蛋白纤维以增强其细胞壁韧性或者增加叶肉细胞密度以防止高温损伤或失水过多，同时植物体内积累脯氨酸或蔗糖等可溶性化合物以降低植物的水势，其结果是形成厚度较大而面积较小的叶片，单位叶面积的干物质量增加，即叶片SLW增大。本研究中，不同大气污染区植物叶片SLW随污染程度的加剧逐渐增大。Torrent等对不同交通和工业污染胁迫下的女贞和三色女贞的叶片性状参数进行了研究，发现交通污染和工业污染程度的增加导致三色女贞叶片SLW增大[14]；女贞在工业污染程度高的环境条件下叶片SLW增大，而在交通流量高的生境下叶片SLW值反而减小，同时，污染严重的采样点生长的植物出现枯黄、落叶等症状，导致绿量降低，较清洁区植物叶片接受到的光照充足，叶片的光合速率高，光合碳同化的物质积累量也较多，叶片密度也会变大，所以单位面积的叶干物质含量较高。不同生境下植物叶片SLW的变化不同，可能与研究的物种有关。同种植物不同的研究者所得出的结果也会存在差异，如Torrent等对不同工业和交通污染等级下女贞得到的研究结果与本研究稍有不同[14]，可能与研究区域的气候条件(温度、湿度、风速、风向等)以及不同大气污染区污染物组分、浓度等不同有关，对此有待进一步研究。

表4 主成分载荷矩阵

叶绿素含量可以反映植物叶片光合作用功能的强弱以及表征逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况[15-17]。不同污染区植物叶片Chla、Chlb含量具有明显的差异，且随着污染程度的加剧，Chla、Chlb含量降低，这是因为植物生长于受到污染的环境中，大气中的二氧化硫、一氧化碳、氯气、臭氧等有毒气体以及悬浮颗粒物和重金属氧化物在叶片表面形成覆盖层，可使植物体内的各种酶及光合器官等遭到破坏，植物叶中的Chla、Chlb都将发生变化[18-19]。在对叶绿素的破坏中，Chla和Chlb都会受到破坏而分解，并且具较多辅助及保护作用的Chlb比对植物光合作用起主要作用的Chla更易分解。在不同大气污染区，叶片会提高植物体内的叶绿素含量以便充分利用光能进行生长，提高Car含量则是为了避免植物受到伤害，这也是植物在叶片水平上抵抗环境污染的一种机制[18-19]。Chla、Chlb以及Car含量在不同环境中发生变化的大小都与植物的抗性和适应性有关。抗性和适应性强的植物，受到环境的影响较小，反之，则受环境的影响较大。女贞在受污染的环境中光合色素的分解程度低于香樟，从这个意义上来讲，女贞较香樟具有更强的抗性和适应性。

与SLW和叶绿素含量变化相一致，不同污染区绿化植物叶片δ13C值也随着污染程度的增加而增加。光照条件的变化可影响植物叶绿素在叶中的分布、光合作用羧化酶的活性及其他与光合作用相关的过程。有研究表明，叶片δ13C含量能够促进光合速率的增加[20-21]。而光环境的差异会对叶片的光合速率和气孔开闭等造成影响。轻度污染区光合同化的CO2多，光合作用较强，造成叶片δ13C含量绝对值相对较高。相关性分析表明，叶片δ13C含量和SLW之间呈正相关，而光合色素含量与δ13C含量之间的关系较为复杂，并因树种而异。女贞和香樟光合色素含量多，吸收的光能多，光合速率也大，但本研究发现δ13C含量与叶片的光合色素含量并不总是呈正相关的。δ13C值的变化应该是由叶片的形态、结构以及光合特性的改变引起的，因为具有较高SLW的叶片组织密度较高，生物量也较大，这些结构能增加CO2扩散的叶肉内部阻力，使胞内CO2浓度、光合作用都降低[22]。

大气污染对绿化植物叶绿素荧光参数的影响可能是多方面的，可以直接引发光合机构的损伤，同时影响光合电子传递和光合磷酸化以及暗反应的有关酶系，同时，在大气污染下，叶绿素的光还原活性降低，固定荧光Fo上升，Fv/Fm明显降低，反映出PSⅡ的潜在活性和原初光能转换效率的减弱，它们的变化程度可以用来鉴别植物的不同抵抗或忍耐大气污染的能力[23-24]。本研究中大气污染已对绿化植物的生理生化特性产生不良的影响，导致光合色素含量和PSⅡ功能的明显降低，绿化植物叶片主要光合色素和辅助色素受污染物的影响而出现了明显的氧化降解现象，在光合色素降解的同时，对环境变化较为敏感的PSⅡ功能也受到了不同程度的抑制。

叶绿素荧光参数Fv/Fm代表原初的光能转换效率，Fv/Fo代表从Chla/Chlb蛋白复合体到PSⅡ的光能传递能力，两者是近年来常用的研究植物对逆境响应的重要生理参数[25]。本研究显示，PSⅡ的原初光化学效率和从天线色素到PSⅡ反应中心的传能效率皆受大气污染的影响，且Fv/Fo的下降幅度大于Fv/Fm的下降幅度。结果表明，重度污染区抑制了PSⅡ的原初光能转化和传能效率，以传能效率受抑更为显著。叶绿素荧光光化学猝灭系数qP是PSⅡ开放的反应中心相对浓度或开放的PSⅡ反应中心数量的量度；非光化学猝灭系数qN代表激发能被用于非光化学反应如热耗散等的程度，qN与叶绿体光合膜质子梯度的建立及膜的高能态有关[25]。本研究显示，大气污染物引起其较高比例的PSⅡ反应中心不能进行有效的电荷分离，qP的下降伴随qN的增加，女贞qP高于香樟，而qN则相反。qP的增大和qN的降低证明大气污染使叶绿体吸收的光能用于有效的光化学转换的比例减少，而用于非光化学反应的耗散能量的比例增大。ΦPSⅡ是PSⅡ非环式电子传递的量子效率，为Fv/Fm与qP的乘积，也是PSⅡ功能的指标之一，ΦPSⅡ在不同绿化植物中的变化规律与qP和Fv/Fm相似。因此笔者认为女贞和香樟对大气污染的耐受力较强。