8种乔木的滞尘效果及对光合作用的影响

林星宇 李彦华 李海梅 宋庆文

摘 要：【目的】研究青岛市城阳区道路绿地8种乔木的滞尘能力及其与光合作用的关系，为城市园林绿化提供科学依据。【方法】通过洗脱法对8种乔木的滞尘能力进行测定，用JEOL7500F电子显微镜进行叶表面结构的观测，用光合仪对滞尘后的光合速率进行测定。【结果】8种乔木秋季雨后平均单位叶面积滞尘量大小表现为：紫叶李Prunus cerasifera>悬铃木 Platanus orientalis>女貞Ligustrum lucidum>洋白蜡Fraxinus pennsylvanica>毛白杨Populus tomentosa >国槐Sophora japonica>栾树Koelreuteria paniculata>绦柳Salix matsudana。8种乔木滞尘后，植物叶片的净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率普遍受到抑制，在连续滞尘60 d内，8种乔木的净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率普遍呈现明显下降趋势，在滞尘后期均有一定程度地恢复。8种乔木光合特征参数损失最大的是女贞，其次是绦柳和国槐，栾树和紫叶李的光合特征参数损失率较小。8种乔木叶片光合特征参数损失率与单位叶面积滞尘量的相关分析表明，多项式方程拟合效果较好，r值均较高。【结论】紫叶李滞尘能力最强，绦柳最弱;绦柳、女贞和国槐叶片对于大气颗粒物的抗性较差，栾树和紫叶李对于大气颗粒物的抗性强，具有较强的抗粉尘污染能力;8种乔木光合特征参数损失率与滞尘量均存在着明显的正相关关系，植物叶片滞尘量越大，光合损失越多，各种光合特征参数也显示出很强的正相关性。

关键词：青岛;乔木滞尘量;光合响应;拟合关系

中图分类号：S 688;X 513文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）03-313-06

Abstract： 【objective】 Photosynthesis in relation to dust retention of leaves on 8 species of arbor trees in the city of Qingdao was studied for urban landscape planning. 【methods】The 8 species planted on the greenbelt at Chengyang District in the city were tested for their dust retention capabilities by means of water elution. Before and after a dust collecting period，surface of the tree leaves was examined under a JEOL7500F electron microscope，and the photosynthetic rate determined by a photosynthesis instrument. 【results】The average dust retained per unit leaf area of the trees after an autumn rain ranked in the order of Prunus cerasifera>Platanus orientalis>Ligustrum lucidum>Fraxinus pennsylvanica>Populus tomentosa>Sophora japonica>Koelreuteria paniculata>Salix matsudana. In general，the net photosynthetic rate，intercellular CO2 concentration，stomatal conductance and transpiration rate of the leaves all declined after a dust covering. In 60 days of continuous dust-fall on the leaves，these indicators steadily decreased and recovered only to some extent after dust removal. The greatest losses on photosynthesis among the 8 species occurred upon L. lucidum，followed by T. tapeanum and R. japonica. The losses by percentage were relatively low for K. paniculata and P. cerasifera. A correlation analysis showed a best fitted model between the rate of photosynthetic losses and the dust retention per unit leaf area for the 8 species to be a polynomial equation. 【conclusion】 Among the species，P. cerasifera exhibited the greatest dust retention capability，while S. matsudana the least. The leaves of S. matsudana，L. lucidum and R. japonica were poor in resisting atmospheric dust，while those of L. lucidum and P. cerasifera seemed strong. A significant correlation between the rate of photosynthesis loss and dust retention of tree leaves was found for the 8 species. The more dust covered the leaves，the greater degree of tree photosynthesis was in jeopardy. There also were significant correlations among the various photosynthetic indicators of the tree leaves.

Key words：Qingdao; dust retention per unit leaf area; photosynthetic response; fitting relationship

0 引言

【研究意义】环境污染关系到人类长期的生存和发展，受到了当今世界各国的普遍关注和重视，随着城市化和工业化的迅速发展，我国很多城市大气粉尘超标现象严重，对人类的健康造成了严重影响[1]。园林植物可以吸附大气颗粒物，对降低大气颗粒物污染、改善空气质量有重要作用，植物对颗粒物的吸附功能研究已成为当前城市生态学和环境科学研究的热点[2]。光合作用是植物基础物质代谢，对环境变化十分敏感，植物滞尘后的光合响应能反映植物对于粉尘抗性的强弱。近几年，人们对于植物的滞尘效益研究日渐深入，但是目前学者对于植物滞尘能力及滞尘后的光合响应的研究较少，尤其是青岛地区鲜有报道，数据资料相对缺乏，因此对于此方面的研究至关重要，这有助于筛选滞尘量大且抗粉尘污染的植物，为绿化提供科学参考。

【前人研究进展】研究表明，不同植物的滞尘效果有差异[3]。Liu等[4]通过对4种不同类型的城市树木在工业区和商业区的滞尘量研究表明，曼陀罗滞尘量最高，分别为12.723 g·m-2和1.482 g·m-2，洋紫荆最低仅为2.682 g·m-2和0.720 g·m-2。郭宏凯等[5]对北京市4个常见绿化树种的研究表明，各树种滞尘能力表现为油松>侧柏>核桃>银杏，针叶树种的滞尘能力较阔叶树种强。Sun等[6]通过对青岛市城阳区的6种灌木的滞尘能力研究表明，6种灌木的单位叶面积滞尘能力表现为大叶黄杨>火棘>金叶女贞>榆叶梅>小蜡>连翘，一般24 d就能达到单位叶面积最大滞尘量。园林植物在不同粉尘污染环境下的光响应曲线特征参数随着环境粉尘污染程度的增加呈现出明显的降低趋势，说明粉尘污染显著影响着植物光合作用的光响应特征[7]。李恩宝等[8]研究表明，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。张毓涛等[9]通过对云杉受粉尘影响后的光合生理特性的变化研究表明，受粉尘影响的叶片光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别降低了44%、44%和45%。吕东蓬[10]通过对3种垂直绿化植物滞尘效应与其对光合作用影响的研究表明，由于植物本身生物特性的不同，在同一地点下，不同植物叶片滞尘对光合特征参数的影响具有显著差异，云南黄馨滞尘前后的净光合速率平均数分别为16.66和16.16 μmol·m-2·s-1，野蔷薇滞尘前后的平均净光合速率分别为16.37和16.09 μmol·m-2·s-1，爬山虎滞尘前后的平均净光合速率分别为16.06和15.39 μmol·m-2·s-1。3种垂直绿化叶片的3种光合特征参数损失率都随叶片滞尘量的增加而增大，呈明显的正相关关系。

【本研究切入点】现阶段，滞尘对植物光合作用影响的研究不多，资料不足，基本没有涉及青岛地区。【拟解决的关键问题】本文针对青岛市城阳区，交通干道8种常见乔木进行滞尘能力测定，同时对滞尘后光合作用的变化进行研究，筛选出具有良好滞尘效果和抗粉尘污染能力强的植物，以便更好地指导园林绿化建设。

1 材料与方法

1.1 研究地点

青岛位于中国山东省东部沿海地区，研究选择青岛市北部的城阳区（120°12 ′E，36°20 ′ N），这一地区的地貌由低山丘陵和低洼的平原组成，东侧是崂山，西侧是胶州湾。气候区是大陆性季风，具有独特的微气候区，适合于各种植物生长。年平均气温12.6℃，年平均降雨量约为700 mm[6]。

1.2 材料

时间选取青岛市城阳区具有典型性和代表性的道路绿地（正阳路、长城路、春阳路）为试验区域（该区域位于区中心地带，车流量与人流量较大），选择健康的生长状况相似的8种乔木作为研究对象，每种乔木选择3个样株。

1.3 方法

1.3.1 样品的采集

一般认为，雨量达到15 mm以上，雨强达到10 mm·h-1就可以冲刷掉叶片上的粉尘，然后植物重新滞尘[11]。试验于2018年秋季月雨后每隔3 d（即3、6、9、12、15、18、21、24、27、30 d）采集一次叶片，在各采样点选择生长健康的绿化树种，每个树种用高枝剪随机采集3～4 株，并依据叶片大小差异，采10～30叶片，重复3次。在树冠外围东南西北4个方向进行均匀采样，采样高度保持一致，采集过程中尽量避免抖动，以免叶片上的灰尘脱落，將采集后的叶片小心封存于自封塑料袋中并带回实验室处理[12]。

1.3.2 单位叶面积滞尘量测定

叶片滞尘量测定采用“干洗法”称量，将成熟叶片倒入装有蒸馏水的烧杯中，因悬铃木叶片较大，因此用3 000 mL烧杯，其余叶片根据叶片大小选择500～1 000 mL烧杯，浸洗下叶片上的附着物，浸泡过程中注意要不断搅拌，以保证尘粒充分融入水中，浸泡3 h后，用毛刷洗刷叶片，再次保证尘粒融入水中。用镊子将洗净的叶片小心夹出，用已烘干至恒重的滤纸（W1）过滤浸洗液，滤完之后将滤纸置于干燥箱中烘干24 h（设置温度为65℃），再用万分之一天平称质量（W2），2次质量之差即为滞尘量。用便携式叶面积仪Yaxin-1241分别测定每种植物的叶表面积（S），则单位叶面积滞尘量Q=（W2-W1）/S[13]。

1.3.3 叶片光合指标的测定

运用 Licor-6400 便携式光合测定系统测定各项光合指标，主要包括净光合速率（A）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）。选择晴天、静风天气，在室外自然光照条件下进行光合测定。测定时间在9∶00～11∶00 和 14∶00～16∶00，此时段内叶面入射光强和叶面温度相对较稳定。各树种测定3株（即3个重复），每株树随机选择 3 片大小相似、生长良好、生长于阳面的叶片，每片叶测试 3 个有效瞬时值。把大雨后第1 d作为滞尘前的洁净叶片并设为对照值，在雨后两个月内每隔6 d（即6、12、18、24、30、36、42、48、54、60 d）测定1次数值作为滞尘后的光合变化，取滞尘前的测定结果和滞尘后（即滞尘60 d后）的光合参数的差值，根据以下公式分别计算植物净光合速率（或蒸腾速率、气孔导度）损失率（%）：△Y=（Y0-Yi）/Y0×100% 其中，△Y 即各光合指标损失率，Y0代表树种洁净叶片的光合测定值，Yi代表树种滞尘叶片的光合测定值[14]。

1.4 数据分析

采用SPSS21.0软件进行数据分析，同时采用 Microsoft Excel 2003 软件进行数据统计、整理和绘图，利用SPSS21.0对30 d内（6、12、18、24、30 d）滞尘对光合特征（净光合速率、气孔导度、蒸腾速率）的影响进行拟合分析。

2 结果与分析

2.1 8种乔木滞尘量比较

对道路绿地中8种乔木的滞尘量进行统计分析，结果（图1）表明，各乔木春季雨后30 d内的平均单位叶面积滞尘量有显著性差异（P<0.05）。

紫叶李、悬铃木和女贞单位叶面积滞尘量较大，滞尘量分别为（4.50±0.73）、（4.04±0.69）、（3.93±0.72）g·m-2，洋白蜡、毛白杨和国槐次之，分别为（3.44±0.57）、（3.02±0.52）、（2.75±0.42）g·m-2，栾树、绦柳单位叶面积滞尘量较小，分别为（2.00±0.31）、（1.56±0.28）g·m-2，其中单位叶面积滞尘量最大的紫叶李滞尘量达到最小绦柳的2.88倍左右，8乔木滞尘量表现为紫叶李>悬铃木>女贞>洋白蜡>毛白杨>国槐>栾树>绦柳，差异显著（P<0.05）。

2.2 滞尘对光合特征的影响

对8种乔木叶片滞尘后净光合速率的测定，60 d内，植物叶片的光合特征变化如图2所示。

可以看出，8种乔木滞尘后，其叶片的光合特征普遍受到抑制，在连续滞尘60 d内，8种乔木的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）及蒸腾速率（E）在滞尘后呈明显下降趋势，植物叶片的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）及蒸腾速率（E）在30～48 d内达到最低点并随着滞尘时间的增加，光合特征有一定程度的恢复。其中国槐、女贞、毛白杨、悬铃木、洋白蜡在滞尘后的30～48 d内光合特征最大抑制率均达到40% 以上，其中国槐抑制率最大，净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）及蒸腾速率（E）损失率分别达到59.84%、54.74%、47.64%、59.66%，绦柳、栾树、紫叶李的光合特征最大抑制率较低，均在30%以下。在连续滞尘后期，8种乔木的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）及蒸腾速率（E）均呈现一定程度恢复，其中洋白蜡、栾树和紫叶李的光合特征恢复程度较大，均恢复至滞尘之前的80%以上，其中洋白蜡最大抑制率较大，但后期光合特性较强，说明恢复能力较强。

2.3 光合特征参数损失率

选取雨后第1 d作为滞尘前的洁净叶片，60 d后的光合参数作为滞尘后叶片，比较8种乔木光合特征参数损失率的大小。由表1可以看出，8种乔木中女贞的光合特征参数损失率最大，其净光合损失率为35.94%，胞间CO2浓度损失率为33.32%，气孔导度损失率为37.35%，蒸腾速率损失率为33.32%，其次绦柳和国槐的光合特征损失率也较大，净光合速率（Pn）损失率、胞间CO2浓度（Ci）损失率、气孔导度（Gs）损失率及蒸腾速率（E）损失率均为30%左右，表明绦柳、女贞和国槐叶片对于大气颗粒物的抗性较差，受空气颗粒物影响大。栾树滞尘前后的光合特征参数损失最小，其净光合损失率为11.56%，胞间CO2浓度损失率为12.32%，气孔导度损失率为14.62%，蒸腾损失率为12.32%，紫叶李的光合特征参数损失率次之，其净光合损失率为15.87%，胞间CO2浓度损失率为17.75%，气孔导度损失率为14.65%，蒸腾损失率为17.75%，具有较强的抗粉尘污染能力。

2.4 植物叶片光合特征参数损失率与单位叶面积滞尘量的相关分析

表2为8种乔木的光合特征参数损失率与植物单位叶面积滞尘量的相关分析结果。结果显示，多项式方程拟合效果较好，相关系数均较高，说明短期内8种乔木光合特征参数损失率（净光合速率损失率、胞间CO2浓度、气孔导度损失率、蒸腾速率损失率）与滞尘量均存在着明显的正相关关系，植物叶片滞尘量越大，光合特征损失率越大，而各种光合特征参数也显示出很强的正相关性。

3 讨论与结论

研究结果表明，紫叶李单位叶面积滞尘量最大，悬铃木、女贞次之，国槐、洋白蜡和绦柳单位叶面积滞尘量较低，其中滞尘量最大的紫叶李是最小绦柳的2.88倍，这与之前的研究结果，树种的滞尘能力可相差 2～3 倍[15-16]一致，试验过程中发现，悬铃木、毛白杨叶片的绒毛较多，试验结果可能偏大，因此滞尘量的试验方法需要做进一步改进，避免绒毛对试验结果的影响。8种乔木的光合特征参数损失率与植物单位叶面积滞尘量均存在着明显的正相关关系，说明植物叶片滞尘量越大，光合损失率越大，这与黄慧娟[17]研究结果一致。本试验仅测定了秋季短期内光合特征的变化，参数变化并未达到稳定，所以不能反映其在长期蒙尘覆盖下的响应，对于滞尘后更长时间内光合特征的变化有待于进一步研究。本文仅研究了园林植物在粉尘污染下的光响应，没有测定光合日变化，虽然试验全部在上午9∶00～11∶00和14∶00～16∶00完成，光照比较稳定，但是前后经历60 d的试验，依然会有光强的变化，光强会越来越小，所以今后的研究者应该考虑在粉尘污染下植物的光合日变化情况以及在光强稳定的情况下进行测定。叶片的滞尘量随着日期的延长而增加，到了一定极限后，不再增加，但光合特征后期逐渐恢复，推测原因是尘污染胁迫下导致植物体内酶活性升高，葉绿素合成增加，光合速率升高，具体原因有待进一步研究。本试验研究发现，树种的滞尘能力与抗尘能力并无相关性，比如悬铃木和女贞滞尘能力较大，而抗尘能力却一般，栾树滞尘能力较低，抗尘能力却较强，这与蔡燕徽[14]研究结果一致。研究表明，植物滞尘后光合作用降低往往是因为颗粒物堵塞气孔，粉尘在叶表面结成硬壳限制了叶片气体交换，阻挡光线，或者叶片内叶绿素的含量降低造成了光合作用的下降[18]，本文只对不同乔木抗性强弱进行对比研究，没有深入研究植物抗性差别存在的原因，而且树种种类较少，缺少对灌木植物、藤本植物及草本植物的研究。因此后期应扩大试验的植物种类，进一步研究植物抗性差别存在的原因，以便于在城市生态建设中，利用科学的方法，筛选出滞尘能力强且对尘污染抗性强的树种，为园林绿化提供参考依据。

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（责任编辑：黄爱萍）