臭氧胁迫下白蜡与银杏幼苗的响应差异

摘要：为了明确大气臭氧（03）浓度升高对木本植物的生长、生理生化特征的胁迫效应，本研究利用开顶式气室（OTC），以典型绿化植物白蜡（Fraxinus chinensis）和银杏（Ginkgo biloba）幼苗为研究对象，研究了3个臭氧浓度水平（环境浓度，AA；环境浓度+40nmol·mol-1，AA+40；环境浓度+80 nmol·mol-1，AA+80）下白蜡和银杏的叶片数量、叶片面积、生物量、光合速率、碳水化合物和非结构性碳水化合物的变化差异。结果表明，累积熏蒸35、51d和71d后，对比AA试验组，AA+40和AA+80浓度O3抑制了白蜡幼苗的叶片数量和叶面积生长，而促进了银杏幼苗的叶片数量和叶面积生长，并促进了白蜡的光合速率；AA+40和AA+80浓度臭氧均抑制了白蜡和银杏幼苗的叶片非结构性碳水化合物的含量和生物量。O3浓度升高和臭氧熏蒸时间延长，对白蜡和银杏幼苗的叶片生长、光合速率和非结构性化合物累积整体呈抑制，但存在银杏叶片生长和白蜡光合速率受到不同程度促进的情况。O3浓度升高会对白蜡、银杏幼苗的生长和光合作用产生胁迫，其中白蜡的叶片生长状态对O3胁迫更敏感，银杏的光合速率对O3胁迫更敏感。

关键词：白蜡；银杏；臭氧胁迫；响应差异；开顶式气室

中图分类号：S792.95；S792.99 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）08-1710-10 doi：10.11654／jaes.2024-0206

随着城市化发展进程加快，由工业废气和汽车尾气排放出的挥发性有机物浓度升高，在高温、光照条件下易形成臭氧（O3）。近年大气监测数据表明，O3逐渐成为我国五大空气污染物中唯一上升的气体，目前03污染集中发生在我国发达地区，如京津冀、珠三角等地区，因其强氧化性O3会抑制植物生长，影响昆虫授粉，造成粮食减产问等危机，还会损害人体健康，对环境、经济和社会均造成不同程度的负面影响。

O3对植物的影响，首先会破坏植物的光合生理过程，其中包括对叶片色素、气孔、光合速率等正常生理活动的抑制，严重胁迫叶片对光能的利用，影响光合产物的合成。关于O3污染的研究除了集中在粮食作物领域之外，研究人员对常规绿化树木也开展了一系列研究试验，我国已有许多研究表明O3胁迫会造成树木不同程度的损伤，导致叶片发黄枯萎、叶片数量和叶片面积减少等可见伤害，还会破坏树木的光合系统，造成生物量累积减少和根系伤害。碳水化合物是植物光合作用的主要产物，其在植物体内的存在形式分为结构性碳水化合物和非结构性碳水化合物两类，非结构性碳水化合物包括可溶性糖和淀粉，其主要参与植物的生化反应过程。黄玉源等对三种南方树木进行O3胁迫研究，发现O3污染造成植物叶片的叶绿素含量下降，从而导致光合速率下降；其次，酶活性也会受到O3的强氧化性破坏，导致细胞失活，从而影响植物的呼吸代谢、有机物质积累等功能。我国生态环境部发布的《环境空气质量报告》表明，2022年我国平均大气O3浓度均值约为80nmol·mol-1。相关学者的研究表明，O3可以引起白蜡、银杏等木本植物伤害阈值在150 nmol·mol-1至环境O3浓度的2倍之间。在日常生活中，白蜡、银杏等绿化树木在应对气候风险中扮演着重要角色，绿化树木不仅可以吸碳造氧，还能吸附空气中的污染物，尤其在O3浓度不断升高的情况下，绿化植物可以作为一道绿色屏障。

本试验采取开顶式气室熏蒸，选取白蜡（Fraxi-nus chinensis）、银杏（Ginkgo biloba）两种典型绿化植物作为试验材料，研究不同树木类别对O3胁迫响应的表现，研究结果有望在未来不确定的气候情况下，为绿化生态系统制定适应与抵御风险的应对策略，提供科学的理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验设计

本试验于2022年6月在北京市延庆区唐家堡村野外试验与示范基地（40.47°N，116.34°E）进行，该地区属于大陆性季风气候，年平均气温10℃，夏季平均气温22-25℃，年降水量443-550 mm，年日照时间2 700-2 800 h。开顶式气室（OTC）为高3.0 m，边长1.0 m的玻璃箱，正八面柱体，顶端不密封，气体由鼓风机自下方管道进入，从位于气室正中央的管道口匀速旋转溢出，在气室接触植物后再由连通大气的顶端开口溢出。高浓度O3由220 V小型O3发生器（HY003，济南创成科技有限公司）电离纯O2产生，通过高压风机（1.1 kW，1 080 Pa，19 m3·min-1，CZR，丰达，上海），将高浓度O3与环境空气混合后通入OTC内，使O3浓度增加。试验期间各OTC的O3浓度由臭氧分析仪（Model 49i，Thermo Scientific，Waltham，美国）监测。玻璃箱内的物理环境包括光线、温度、湿度、降雨等均接近于自然条件，便于模拟不同气候因素的变化对植物生长的影响。

O3熏蒸实验共设3组处理，其中一组开顶式气室内不做任何O3输入处理，为环境O3（AA），其余两组开顶式气室为环境O3的基础上添加40 nmol·mol-103（AA+40）和80 nmol·mol-1 O3（AA+80），浓度设置参考了IPCC报告中模型预测未来五十年我国城市可将会达到的O3浓度阈值，每个处理随机选择3个开顶式气室进行重复，气室内均放置4盆受试植株。图1为试验期间3个处理下OTC内平均臭氧熏蒸浓度变化散点图，处理时间为2022年6月27日至9月19日，共分为3个时期，试验取样及数据测量依次在03熏蒸第35天、第51天和第71天后进行，根据常规熏蒸试验经验，设置每日熏蒸03时长为10 h（08：00-18：00），雨天等特殊情况关闭熏气设备。熏蒸结束后将植株置于熏气装置的自然O3浓度中，进行缓冲恢复。

1.2 供试材料

O3试验选取的是两种木本植物白蜡（Fraxinus chinensis、银杏（Ginkgo biloba）的一年苗，2022年6月统一进行栽种，试验土壤均来自延庆野外试验基地内，土壤经过网筛，质地均一。试验期间对苗木进行日常管理，浇水时间为每日停止熏蒸后，将开顶式气室的门打开，保持通风状态，第二日熏蒸开始之前关闭气室门。于2022年4月19日和6月30日两日，在当日停止熏蒸后进行施肥，每盆树苗均匀施入10粒氮、磷、钾复合肥颗粒。试验熏气期间进行除草和病虫害管理，在各气室内，除03浓度外其他环境因子保持一致。

1.3 指标测量

1.3.1 叶片生长参数

（1）叶面积

在测量前，使用Li3000c（LI-COR，Lincoln，美国）进行植物离体叶片的面积扫描，同时用直尺测量同一叶片的长度和宽度，可以计算出仪器扫描的实际叶片面积与直尺测量叶片长度和宽度之间的比例系数。开始熏蒸前，在每个气室内，在白蜡和银杏样本植株中各选择一株，挑选植株一片生长状态良好的幼叶进行标签固定，用以后期持续追踪观测，其间使用直尺进行叶片长度和宽度的测量。

（2）叶片数量

与叶面积观测同时进行，开始熏蒸前，每个气室内固定一株植物进行标记，对植株上的所有叶片进行计数。

1.3.2 叶片光合速率

在每一试验植株顶部数出第五片长势良好的叶片，无病虫害，使用Li-6400便携式光合作用测定系统（LI-COR，Lincoln，美国），在晴朗的天气、光照均匀的条件下，测定不同臭氧浓度熏蒸下光合作用的光响应过程。选取叶面积追踪测量的叶片，测量时间分别选定于植株受臭氧熏蒸后第35天、51天和第71天，采用Li-6400光合仪器配置的标准叶室测量植物C02响应曲线，选取CO2浓度为800 mg·m-3时的光合速率代表叶片光合作用进行统计。

1.3.3 生物量

在熏蒸结束后，对样本植株进行全株采集，并按照不同器官进行分类，包括根、茎、叶，分别进行清洗，烘干称量直至干质量稳定。

1.3.4 有效光合面积与碳水化合物

有效光合面积是指植物所有参与光合作用的叶面积，碳水化合物的积累根据植物的光合速率与有效光合面积共同决定，分别采用如下公式计算：

S有效=N叶片×S叶（1）

Cm（H2O）n=Pn×S合数（2）

式中：S有效、S叶分别为有效光合面积和平均叶面积，cm2；N叶片为叶片数量，个；Pn为光合速率，以CO2计，μmol·cm-2·s-1; Cm（H2O）n为碳水化合物，以CO2计，μmol·s-1。

1.3.5 非结构性碳水化合物

植物的碳水化合物可分为结构性碳水化合物和非结构性碳水化合物，其中非结构性碳水化合物由可溶性糖和淀粉组成，采用蒽酮比色法测定。

1.4 数据分析

采用SPSS软件中的重复测量法分析臭氧和测量时期对叶片数量、叶面积、光合速率、生物量、碳水化合物等指标的交互作用，并对各测量时期不同指标的臭氧效应进行单因素方差分析，事后采用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较，各指标在方差分析的同时进行正态分布和方差齐性检验。文中制图均使用Origin 2022和Adobe Illustrator软件绘制。

2 结果与分析

2.1 叶片

2.1.1 叶片形态

如图2所示，AA+40和AA+80处理均对白蜡叶片数量产生抑制作用，熏蒸35 d和51d后，AA+40处理下叶片数量相对于大气处理分别减少14.9%和4.81%，AA+80处理下叶片数量分别减少30.77%和8.71%，而熏蒸7ld后，AA+40处理（-12.27%）对白蜡叶片的抑制略高于AA+80处理（- 1.12%）。在不同臭氧熏蒸时长下，银杏的叶片数量随03浓度增加呈增加趋势，熏蒸51d后，AA+40和AA+80处理下叶片数量显著增加，分别增加71.57%和97.3%；熏蒸7ld后，AA+40和AA+80浓度下银杏叶片数量分别增加26.58%和49.37%。

2.1.2 叶片面积

随着臭氧浓度增加，白蜡的平均叶片面积随着熏蒸时间延长呈下降趋势，其中熏蒸35 d后，AA+40处理与AA+80处理对叶面积生长的抑制程度接近，见图3。熏蒸51d后，相对于大气处理，AA+40和AA+80处理下白蜡叶片面积分别减少13.27%和38.84%。在3个臭氧熏蒸时长下，AA+40和AA+80处理均对银杏叶面积生长有所抑制，其中，熏蒸51d后对银杏叶面积生长的抑制更严重（P=0.025），相对于大气处理，AA+40和AA+80处理造成叶面积分别下降10.15%和20.35%。

2.1.3 有效光合面积

有效光合面积是植物叶片数量与平均叶面积的乘积，由图4可知，在不同O3处理下，白蜡的有效光合面积均受到臭氧胁迫的抑制，熏蒸35 d和71d后，AA+40和AA+80浓度臭氧熏蒸对白蜡有效光合面积的抑制程度相近。而熏蒸71d后，AA+40处理比AA+80处理对白蜡有效光合面积的抑制程度更大，相对于大气处理，AA+40处理和AA+80处理下白蜡的有效光合面积分别减少24.04%和23.96%。在不同O3处理下，AA+80处理比AA+40处理对银杏叶片有效光合面积的促进作用更大。AA+80处理下，随着熏蒸时长增加，叶片的有效光合面积逐渐增加，第35、51、71天熏蒸下，相对于大气处理，银杏光合有效面积分别增加34.34%、31.86%、25.89%。

2.2 光合速率

由图5所示，不同03熏蒸时长下，AA+40处理和AA+80处理对白蜡的光合速率产生了促进作用，白蜡在熏蒸35 d后，AA+40处理造成白蜡叶片光合速率下降33.84%，其余处理均促进了白蜡叶片的光合速率。

不同浓度的O3处理对银杏的光合作用主要表现为抑制，见图5，在熏蒸35 d后，AA+40和AA+80浓度O3均对植物的光合作用产生略微促进作用。在熏蒸51、71d后，AA+40和AA+80处理对比AA银杏光合速率均有不同程度的下降，尤其在AA+80处理下，光合速率下降显著，表现为熏蒸71d后，相比AA降低了51.64%。

2.3 生物量和碳水化合物

植物生物量的积累和叶片的碳水化合物因O3浓度和种植物类别差异而有所不同，如表1所示，在O3熏蒸71d后，AA+40处理能够促进白蜡根的生物量积累，而AA+80处理会削弱白蜡根的生物量积累。对于银杏来说，随着03浓度的升高，根的生物量也随之减小。其中白蜡、银杏的茎和叶生物量受到O3胁迫的影响趋势不如根明显，随着O3浓度升高，白蜡的茎生物量略微升高，银杏的茎生物量略微降低。两种植物的叶器官在受到O3胁迫下表现一致，AA+40处理和AA+80处理均会造成植物叶片生物量的降低。

由图6可知，在不同熏蒸时长下，AA+40处理和AA+80处理对植物合成碳水化合物能力的影响存在差异。在O3熏蒸35 d后，白蜡碳水化合物的积累能力分别下降了55.66%（AA+40）和23.7%（AA+80），熏蒸51d后，碳水化合物分别下降了70.81% （AA+40）和59.89% （AA+80）。在O3熏蒸71d后，相对于大气处理，AA+40处理促进白蜡的碳水化合物增加10.1%，而AA+80处理造成白蜡的碳水化合物的积累能力下降7.01%。熏蒸35 d后，AA+40处理和AA+80处理均表现为促进银杏碳水化合物的积累能力，相对于大气处理，分别增加4.55%和60.48%，而在熏蒸51d和71d后，AA+40处理和AA+80处理均对银杏碳水化合物的积累能力有所抑制，且在熏蒸51d时的抑制作用最明显，相对于大气处理，碳水化合物的积累分别下降63.05%和40.48%。

由碳水化合物与叶片数量、叶面积、光合速率的相关性分析结果（表2）发现，白蜡、银杏的光合速率与碳水化合物呈显著性相关，叶片数量、叶面积与碳水化合物之间不相关。有效光合面积是叶片数量和叶面积的乘积，在两种植物中与碳水化合物也未表现出较强的相关性。

2.4 非结构性碳水化合物

O3对非结构性碳水化合物的影响（图7和图8）具体表现为白蜡在熏蒸35 d和71d后，AA+40和AA+80处理下叶片的淀粉含量整体呈下降趋势，而在熏蒸51d后，AA+40和AA+80处理均对白蜡叶片淀粉的积累略有促进作用，其中淀粉含量上升，而可溶性糖含量下降。对银杏而言，在熏蒸35 d和71d后，AA+40处理促进了植物淀粉的积累；银杏熏蒸51d后，O3浓度升高促进了淀粉的水解，其中淀粉含量下降20.6%；3个熏蒸天数都表现出，随着O3浓度的增加，促进银杏可溶性糖的分解，在熏蒸第71d后，相对于大气处理，AA+40和AA+80处理下银杏可溶性糖含量分别下降4.11%和23.14%。

3 讨论

3.1 AA+40和AA+80处理O3对植株叶片和生物量的影响

叶片数量变化不仅是由于植物器官成熟、衰落导致的正常生理现象造成，还可能是因为环境条件胁迫和生物因素导致其不正常脱落。在AA+40和AA+80处理下，白蜡叶片数量整体呈下降趋势，这与白月明等、李品等，学者研究结果相一致，随着O3浓度的升高和胁迫时间的延长，植物叶片的叶绿素含量会逐渐下降，抗氧化系统活性受到抑制，活性氧（ROS）水平积累，导致叶片受到损伤，进而影响其正常的生理功能，包括叶片生长。当O3浓度增加时，银杏的叶片数量上升，且3个熏蒸时长下均表现为施加O3浓度处理促进了银杏的叶片生长，之前的O3对月季光合作用的影响研究发现短期内AA+60处理促进了月季的暗反应发生，加速CO2同化率从而促进月季生长，与本研究中O3促进植物叶片生长表现一致。此外，银杏体内的黄酮有清除氧环境的作用，也表现出一定的抗氧化性。植物叶片生长和脱落还有许多其他影响因素，关于O3促进叶片生长或减缓叶片脱落的诱因还需要进一步研究。

当O3浓度增加，白蜡与银杏的植物叶片面积表现为减小趋势，且AA+40和AA+80处理下均为减小趋势，这与之前的研究结果一致。由试验结果可知，随着O3浓度增加，白蜡的有效光合面积减小而银杏的有效光合面积增加，其中银杏的有效光合面积增加主要由于其叶片数量的增加，此外，也有可能是由于银杏植株整体响应O3胁迫，表现出一定的形态补偿效应。

植物的生物量在一定程度上表征植物的生产力，随着O3浓度的变化，白蜡根的生物量变化差异明显大于其他部分的生物量变化，且3个部分生物量变化趋势存在差异，白蜡根的生物量在AA+40处理下对比AA处理有所增加，而AA+80处理下根的生物量有所下降，表明高O3熏蒸后根部碳积累减少。白蜡茎的生物量随O3浓度的升高略微增加，叶的生物量随O3浓度升高略微下降，与白蜡叶片数量受氧化胁迫脱落相一致r32l。AA+40处理和AA+80处理对银杏3个部分的生物量积累均呈抑制作用，随着O3浓度增加，3个部分的生物量呈下降趋势。银杏的叶片数量随着03浓度增加，而生物累积量却下降，可能是由于单个叶片的质量有所下降，叶片的碳物质量累计下降。值得讨论的是，需要考虑不同取样时间下植物新陈代谢的活性，第35、51天和71天的取样时间分别接近八月、九月和十月，白蜡和银杏生长速率随着自然时节呈先上升后下降的趋势，可能也对叶片生长及生物量的积累有一定影响。

3.2 AA+40和AA+80处理O3对植物光合速率的影响

O3对植物光合作用的影响主要体现在对光能的利用、光合速率以及气孔行为的改变等方面。现有研究表明O3胁迫会导致植物的光合速率下降，影响光合产物的合成与降解。也有学者研究发现随着O3浓度增加，植物的叶绿素含量随之增加，叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，可能由于O3胁迫刺激了植物叶片的生理响应，通过叶绿素含量的增加促进了植物光合速率的增加。在本试验中，AA+40处理和AA+80处理促进了白蜡的光合速率，其中熏蒸51d和71d后对光合速率的促进作用更显著（P＜0.001）。在熏蒸前期（35 d），AA+40处理和AA+80处理对银杏的光合速率有微弱的促进作用，而在熏蒸中、后期（51、71 d），AA+40处理和AA+80处理均对银杏光合速率有显著抑制作用（P＜0．05），这与已有研究结论一致，即长时间的O3浓度积累会抑制植物光合作用的效率H5）。

3.3 AA+40和AA+80处理O3对植株碳水化合物和非结构性碳水化合物的影响

碳水化合物在一定程度可以表征植物进行光合作用的能力，AA+40和AA+80处理O3熏蒸35 d和51d后，白蜡的碳水化合物的积累能力有所抑制。银杏在03熏蒸前期（35 d），AA+40处理和AA+80处理下碳水化合物的积累能力有所促进，而熏蒸51、71d后，银杏的碳水化合物的积累能力均受到抑制。整体而言，白蜡和银杏的碳水化合物随着O3浓度增加和胁迫时间延长，均受到不同程度的抑制，碳水化合物的积累能力由植物叶片的有效光合面积和光合作用效率共同决定，O3对白蜡的叶片生长和银杏的光合速率均产生了不同程度的胁迫影响，综合导致了这两种木本植物的碳水化合物积累减少。

白蜡、银杏的光合速率与碳水化合物之间均呈显著性相关。碳水化合物是植物光合作用的产物，03对植物光合作用的影响主要导致碳水化合物累积量的变化，即其中光合速率由植物叶片结构（气孔开度、色素细胞等）和生长环境（光照、温度以及O2、CO2浓度等）共同决定，这些影响植物进行光合作用的因素与O3浓度升高的协同影响还需要进一步的试验研究。

非结构性碳水化合物是植物进行正常生命活动的重要能源物质，其含量变化可以表征植物恢复生长和储能的潜力，白蜡的淀粉含量在熏蒸中期（51d）略微受到促进，表明在此阶段白蜡受到一定03浓度胁迫后，可能启动了自身恢复补偿机制，淀粉水解成可溶性糖可直接用于自身能量供应以维持正常光合，并修复O3损伤，提高抗性。银杏叶片的淀粉含量在熏蒸前期（35 d）和后期（71 d），受到AA+40浓度O3的刺激，对比AA处理淀粉含量增加，可能由于低、中O3浓度促进了银杏的光合作用，从而促进淀粉含量的积累。可溶性糖对于植物的调节和指示相对复杂，其既是植物光合作用的直接产物，还参与了其他的植物生命活动，如植物细胞的渗透调节与环境适应。在熏蒸前期（35 d），AA+80处理对白蜡的可溶性糖含量产生了促进作用，而银杏的可溶性糖含量变化在3个熏蒸时期下，受到AA+40处理O3熏蒸的影响较小，这与之前对银杏叶片的光合作用研究结论相符。

4 结论

本试验中，白蜡和银杏两种木本植物幼苗对环境浓度+40 nmol·mol-1和环境浓度+80 nmol·mol-1处理03胁迫响应表现存在差异：

（1）形态响应表现为O3胁迫下白蜡的叶片数量变化不显著，叶片面积下降，有效光合面积下降；而银杏的叶片数量上升，叶片面积呈现下降趋势，有效光合面积增加。

（2）白蜡的光合速率随着O3浓度增加而增加，而银杏的光合速率随着O3浓度增加而减小。

（3）白蜡和银杏的淀粉和可溶性糖含量均受到O3胁迫呈下降趋势，不同熏蒸时期下，环境浓度+40nmol·mol-1和环境浓度+80 nmol·mol-1处理促进了非结构性碳水化合物含量的增加。

整体而言，环境浓度+40 nmol·mol-1和环境浓度+80 nmol·mol-1处理对白蜡的光合速率影响较弱，环境浓度+40 nmol·mol-1和环境浓度+80 nmol·mol-1处理对银杏的叶片生长影响较弱。此外，由于本试验03熏蒸时间较短且植株是一年期幼苗，具体响应差异机理还需进一步探索。

（责任编辑：叶飞）

基金项目：国家自然科学基金项目（32101359，31971509）；中国农业科学院科技创新工程