北方冬季雾霾对4种常绿植物光合特性的影响

杨静慧，吕晨菲，张般般，李佳益，王彬彬，卢云慧



北方冬季雾霾对4种常绿植物光合特性的影响

杨静慧1a，1b，吕晨菲1a，张般般1a，李佳益1a，王彬彬2，卢云慧2

（1. 天津农学院a. 园艺园林学院，b. 农村污水处理技术研发中心，天津 300384；2. 天津绿茵景观生态建设股份有限公司，天津 300384）

为研究北方冬季雾霾条件下常绿植物的光合特性，选取天津地区具有代表性的4种常绿植物——大叶黄杨、小叶黄杨、剑麻、女贞，测定植物的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci），分析雾霾对4种常绿植物光合特性的影响、种间差异和各参数之间的关系。结果表明，晴天时，小叶黄杨的Pn最高，大叶黄杨的最低；Gs值均为大叶黄杨和剑麻的最低，小叶黄杨和女贞较高；Ci为大叶黄杨最高，女贞最低。各植物Pn的差异与Gs变化呈显著正相关，相关系数达0.923。雾霾天时，4种植物的Pn、Gs、Ci显著降低；雾霾最严重期间，剑麻的Pn值最高、Gs值较低、Ci最高。这与轻度雾霾条件下的测定有较大出入。表现为雾霾明显降低了小叶黄杨和女贞的Pn、大叶黄杨的Ci和增加了女贞的Ci。重雾霾下，4种植物Pn的差异与Gs的变化无相关性，相关系数为0.096，与晴天完全不同。2017年1月8—17日，4种常绿植物的Pn与Gs高度相关，相关系数均在0.800以上。

冬季；雾霾；常绿植物；光合特性

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（颗粒物直径在0.1～2.5 μm）对心血管系统危害严重, 引发一系列疾病，甚至可以致癌[1]。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，改善空气质量、除尘降温。园林植物可以减少汽车、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[2]。

那么雾霾条件下植物的光合特性有什么变化？不同种类和品种间有无差异？有大量的资料和研究报道是关于植物光合作用与植物的生产力和生长发育之间的关系[3-5], 对PM2.5的研究[6]也主要集中在对园林植物的滞尘、吸附能力的影响等方面, PM2.5对植物光合特性的影响，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，了解PM2.5对园林植物的影响，探讨不同种类植物对雾霾的忍耐力和抗雾霾差异，可以为北方雾霾较严重地区的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、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叶片各项光合指标的测定。每个树种选取6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8:00至11:00连续测定4种植物的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、细颗粒物（PM2.5），PM2.5进行全天测定。数据用Excel软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 轻度雾霾条件下4种常绿植物的光合特性

我国的PM2.5标准值为24 h平均浓度小于75 μg/m3为达标[7]。图1是试验期间的PM2.5浓度曲线图。由图1可知，1月9日、10日、14日、15日 PM2.5 浓度达标。这4 天4种植物的Pn、Gs、Ci差异见图2。结果显示：（1）4天均表现为小叶黄杨的Pn最高，大叶黄杨的Pn最低，9日、14日、15日的测定差异显著，4种常绿植物的净光合速率依次是小叶黄杨＞女贞＞剑麻＞大叶黄杨。（2）4天均表现为小叶黄杨和女贞的Gs较高，大叶黄杨和剑麻Gs较低，其中10日的小叶黄杨Gs最高，剑麻最低，9日、14日、15日的女贞Gs最高，大叶黄杨Gs最低；大叶黄杨Gs与剑麻的Gs无明显差异，但与小叶黄杨和女贞的Gs差异明显。（3）4天均表现为大叶黄杨的Ci最高，女贞的Ci最低。9日PM2.5浓度较低，4种常绿植物的Ci依次是大叶黄杨＞小叶黄杨＞剑麻＞女贞，小叶黄杨和剑麻的Ci无显著差异，但与大叶黄杨、女贞的Ci差异显著；10日PM2.5浓度最低，4种常绿植物的Ci依次是大叶黄杨＞剑麻＞小叶黄杨＞女贞，大叶黄杨与剑麻的Ci无显著差异，但与小叶黄杨、女贞的Ci差异显著；14日PM2.5略高于10日，大叶黄杨、小叶黄杨、剑麻的Ci无显著差异且在数值上高于女贞；15日PM2.5是3天内最高，4种常绿植物的Ci依次是大叶黄杨＞小叶黄杨＞剑麻＞女贞，小叶黄杨和剑麻的Ci无显著差异，但与大叶黄杨、女贞的Ci差异显著。（4）由图3可知，轻度雾霾条件下（1月10日），各物种Pn的差异与Gs的变化呈显著正相关，相关系数达到0.921。吴冰洁研究发现，不同叶位叶片的气孔发育状态、Gs及光合速率的变化规律与叶片生长过程中的光合特性相似，叶片Gs大的植物光合作用就强[8]。徐猛认为，影响中华楠Pn的主要因子是Gs、Ci和光照强度[9]。说明了Gs和Ci对光合作用的重要性。

总之，各植物种类的Pn变化与Gs呈显著的正相关，大叶黄杨和剑麻的Pn低的，Gs值也低，反之，小叶黄杨和女贞Pn较高的，Gs值也较高。大叶黄杨的Pn低、Gs值低和Ci高。小叶黄杨和女贞的Pn、Gs值和Ci均较高。

图1 试验期间的PM2.5曲线

图2 轻雾霾条件下4种常绿植物的的Pn、Gs、Ci差异

注：A. 1月9日；B. 1月10日；C. 1月14日；D. 1月15日；图中不同小写字母表示差异显著（＜0.05），不同大写字母表示差异极显著（＜0.01），下同

图3 轻雾霾条件下4种植物Pn的差异与Gs的变化关系

2.2 重雾霾条件下4种常绿植物的光合特性

图4所示，雾霾使4种植物的Pn、Gs、Ci显著降低。说明雾霾显著降低了植物的光合特性。这一结果与蔡燕徽、习佳林等研究一致[10-11]。雾霾会导致天气能见度的降低，太阳直接照射的时间减少。其光照时间一般会缩短3～4 h，严重的可达6～8 h，使光合作用的效能显著下降[12]。

图4 4种常绿植物试验期间的Pn、Gs、Ci变化

根据PM2.5检测网的空气质量新标准可知，PM2.5浓度大于150 μg/m3为重度污染，大于250 μg/m3为严重污染。选取了PM2.5浓度大于150 μg/m3的1月11日、17日2天测定4种常绿植物的Pn、Gs、Ci（图5），结果显示：2天雾霾最严重期间，Pn值最高，Gs值较低，剑麻的Ci最高。这与轻度雾霾条件下的测定有较大的差别。表现为雾霾较大地降低了小叶黄杨和女贞的Pn，降低了大叶黄杨的Ci和增加了女贞的Ci。晴天和雾霾天时，小叶黄杨和女贞的Gs均较高。

注：A. 1月11日；B. 1月17日

如图6所示，1月11日雾霾天气下，4种植物Pn的差异与Gs的变化无相关性，相关系数为0.096，与晴天的完全不同。说明雾霾干扰了植物的光合作用。

图6 雾霾天4种植物Pn与Gs的变化关系

2.3 北方冬季雾霾条件下4种常绿植物Pn与Gs的关系

图7显示了2017年1月8—17日，4种常绿植物的Pn与Gs之间的关系。4种植物的 Pn与Gs相关性良好。这一研究与余婷婷等的研究结果一致[13]。余婷婷等通过对叶绿素a质量分数、叶绿素b质量分数、叶绿素总质量分数、净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率等10个光合性状的相关性及QTL分析发现，Pn与Gs、Gs与Ci为中度相关。

图7 冬季4种植物Pn与Gs的关系

注：A. 大叶黄杨；B. 小叶黄杨；C. 剑麻；D. 女贞

3 结论

试验期间，各植物种类的Pn变化与Gs呈显著的正相关，大叶黄杨和剑麻的Pn低的,Gs值也低，反之，小叶黄杨和女贞Pn较高的,Gs值也较高。大叶黄杨的Pn低、Gs低和Ci高。小叶黄杨和女贞的Pn、Gs值和Ci均较高。

重度雾霾较大地降低了小叶黄杨和女贞的Pn，降低了大叶黄杨的Ci和增加了女贞的Ci。雾霾期间剑麻的Pn值最高，剑麻的Gs值较低。重雾霾条件下，4种植物Pn的差异与Gs值的变化无相关性，相关系数为0.096。说明重度雾霾干扰了植物的光合作用。

轻度雾霾条件下，不同植物的Pn和Gs值变化呈高度相关，相关系数为0.923。雾霾影响了植物的Pn和Gs，使两者不相关。相同植物的不同时间里测定的Pn和Gs值呈高度相关，相关系数大于0.800。

[1] Polichetti G，Cocco S，Spinali A，et al. Effects of particulate matter（PM（10），PM（2.5）and PM（1））on the cardiovascular system[J]. Toxicology，2009，261（1/2）：1-8.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 朱玉安. 增强紫外B（UV-B）辐射对植物生长发育和光合作用的影响[J]. 陕西农业科学，2007（4）：113-116.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 王跃思，姚利，刘子税，等. 京津冀大气霾污染及控制策略思考[J]. 中国科学院院刊，2013，28（3）：353-363.

[8] 吴冰洁. 叶片生长过程中气孔发育状态对光合作用气孔限制和叶温调节的影响[D]. 北京：北京林业大学，2015.

[9] 徐猛. 广州帽峰山常绿阔叶林2个优势种光合特征的研究[D]. 北京：中国林业科学研究院，2009.

[10] 蔡燕徽. 城市基调树种滞尘效应及其光合特性研究[D].福州：福建农林大学，2010.

[11] 习佳林，黄宝勇，周洁，等. 雾霾对设施草莓生产危害的研究[J]. 农产品质量与安全，2014（6）：62-64.

[12] 王守强. 雾霾的成因危害及防护研究[J]. 农业与技术，2012，32（10）：163-164.

[13] 余婷婷，刘朝显，梅秀鹏，等. 玉米光合性状的相关性及QTL分析[J]. 西南大学学报（自然科学版），2015，37（9）：1-10.

责任编辑：杨霞

Effects of northern winter haze on photosynthetic characteristics of four evergreen plants

YANG Jing-hui1a,1b, LÜ Chen-fei1a, ZHANG Ban-ban1a, LI Jia-yi1a, WANG Bin-bin2, LU Yun-hui2

（1. Tianjin Agricultural University a. College of Horticulture and Landscape, b. Research and Development Center for Rural Sewage Treatment, Tianjin 300384, China; 2. Tianjin LÜYIN Landscape and Ecology Construction Co.Ltd, Tianjin 300384, China）

In order to study the photosynthetic characteristics of evergreen plants in northern winter haze, net photosynthetic rate（Pn）, stomatal conductance（Gs）and intercellular carbon dioxide concentration（Ci）of the plants were measured with 4 evergreen plants in Tianjin，including Euonymus japonicus, Populus simonii, sisal and prive by CL-340 portable photosynthesis instruments. The effects of haze was analyzed on the photosynthetic characteristics of four evergreen plants , the differences and the relationship among four plants. The results show that Pn was the highest in Populus simonii and was the lowest in Euonymus japonicus in three sunny days. Gs was lowest in Euonymus japonicus and sisal, but was highest in Populus simonii and Privet. Ci was the highest in Euonymus japonicas and was the lowest in Privet. The difference of Pn in each species was positively correlated with the change of Gs, the correlation coefficient was 0.923. Pn, Gs, and Ci of the four plants were significantly decreased in haze days. Sisal has higher Pn, lowest Gs and the highest Ci under heavy haze. This conclusion was different from the sunny conditions. It means that the haze reduced Pn of Populus simonii and Privet largely, the Ci of Euonymus japonicus and increased Ci of Privet at the same time. In the case of heavy haze, the difference of net photosynthetic rate（Pn）among the four plants was not correlated with the change of stomatal conductance（Gs）, the correlation coefficient was 0.096，which is completely different from that of sunny days. From 11 to 17 in January 2017 with haze, Gs of four plants were significantly highly correlated with Pn. The correlation coefficient was above 0.8.

winter;haze;evergreen plants;photosynthetic characteristics

1008-5394（2018）04-0006-04

10.19640/j.cnki.jtau.2018.04.002

S688；X513

A

2017-03-23

天津市农委项目（201502100）；天津市科委项目（16YFZCNC00750，15PTSYJC00130）

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：jinghuiyang2@aliyun.com。