北京典型綠化樹種對氮氧化物的抗性1)

李佳贏 房佳興 李少寧 王夢雪 張俊杰 趙娜 徐曉天 魯紹偉

(北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所,北京,100093)

隨著大氣污染問題日益加劇,城市可持續(xù)發(fā)展受到阻礙[1]。大氣污染物中,NOx排放量在近年來雖有下降,但仍是酸沉降、光化學(xué)煙霧、灰霾、臭氧等環(huán)境問題的主要源頭[2]。NOx在大氣中的來源有自然來源和人為排放源兩大類。其中,自然來源主要包括：受雷電作用催化后,大氣中N2和O2反應(yīng)形成NOx;平流層中光化學(xué)反應(yīng);農(nóng)田土壤與動物排泄物中含氮化合物反應(yīng)轉(zhuǎn)化;海洋中有機(jī)物分解等。人為排放源主要包括：生物質(zhì)燃燒(如汽車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、工業(yè)爐燃燒過程)、取暖季鍋爐燃料燃燒、植物體焚燒等。

研究發(fā)現(xiàn),植物在減緩空氣污染方面發(fā)揮重要作用,對一定濃度范圍內(nèi)的空氣污染物具有明顯吸收能力[3]。有些植物可以很好地利用NO2,例如刺槐(Robiniapseudoacacia)、黑楊(Populusnigra)等植物可將NO2作為體內(nèi)N素來源,用于其生長代謝[3-4]。盡管植物能夠吸收NO2,但此過程也會帶來一定負(fù)面影響并對植物本身進(jìn)行破壞,這是由于NO2進(jìn)入植物機(jī)體的方式通常是通過氣孔[5],此時,適當(dāng)?shù)腘O2質(zhì)量濃度刺激植物生長,而超過一定質(zhì)量濃度不僅會引起葉片損傷,還會引發(fā)植物復(fù)雜的生理生化響應(yīng)[6]。因此,研究NOx對植物生理生長及酶活性的影響對利用植物凈化NOx十分重要,這也是當(dāng)前研究的熱點。目前,已廣泛開展了關(guān)于NO2對谷類、蔬菜、其他園林植物的生理(光合作用、PSⅡ最大光化學(xué)效率、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù))生化(超氧化物歧化酶活性、硝酸還原酶活性、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù))變化過程中產(chǎn)生的顯著影響的研究[7-8]。不同NO2質(zhì)量濃度或不同處理時間對各植物葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不同。低質(zhì)量濃度NO2短時間處理時部分植物葉片葉綠素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)間差異不顯著[9],有些則增加[10],而隨著NO2質(zhì)量濃度升高,葉綠素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉綠素a、葉綠素b均下降[11]。繆宇明[11]發(fā)現(xiàn),用不同質(zhì)量濃度的NO2熏蒸樟樹幼苗時,超氧化物歧化酶活性整體呈先上升后下降的趨勢。潘文等[9]發(fā)現(xiàn),隨著NO2污染質(zhì)量濃度的增加,藍(lán)花楹超氧化物歧化酶活性先呈上升趨勢,但隨著NO2污染質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加,其活性則呈下降趨勢。這表明在污染質(zhì)量濃度較低的情況時,植物葉片內(nèi)部的抗氧化酶系統(tǒng)開始啟動,清除了體內(nèi)多余的活性氧并預(yù)防植物膜質(zhì)過氧化,但當(dāng)污染質(zhì)量濃度增加,其可能會破壞抗氧化酶防御機(jī)制,同時導(dǎo)致超氧化物歧化酶活性下降。

幾十年來已開展許多關(guān)于大氣污染物對植物影響的研究,但這些研究多采用野外監(jiān)測采樣,難以進(jìn)行定量分析,且環(huán)境因子復(fù)雜難控。人工控制熏氣試驗可以直接測定植物個體的吸收量,還可以控制環(huán)境變量,進(jìn)而定量研究NO2對植物的生理生化作用,表征植物凈化空氣污染物的能力。相較于一次性熏氣,持續(xù)熏氣法應(yīng)用較廣泛,可以探究持續(xù)熏蒸NO2對植物的影響,判斷植物的抗污染能力[12],分析植物對NO2的吸收能力[13]。一次性熏氣試驗雖然開展較少,但也取得很大成果,如Ryu et al.[14]通過一次性熏氣試驗,研究了常春藤(Hederanepalensis)和虎尾蘭(Sansevieriatrifasciata)的PM2.5去除率。在過往研究的基礎(chǔ)上,本研究主要探究了在一次性人工熏氣條件時不同質(zhì)量濃度NO2對植物生理生化指標(biāo)的影響,并在此基礎(chǔ)上對各指標(biāo)進(jìn)行綜合性評價分析,探討不同典型綠化樹種對NO2的抗性,以期為園林綠化應(yīng)用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗樹種選擇

本研究選擇北京廣泛分布且具代表性的典型綠化樹種6種(針葉樹種油松(Pinustabuliformis)、白皮松(Pinusbungeana);闊葉樹種銀杏(Ginkgobiloba)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、旱柳(Salixmatsudana)、國槐(Sophorajaponica)),各樹種盆栽幼樹基本情況見表1。

表1 各典型綠化樹種盆栽幼樹的基本情況

試驗開始前,利用PVC環(huán)直接取原狀土進(jìn)行盆栽,保存于苗圃內(nèi)。試驗進(jìn)行時,同一樹種統(tǒng)一選擇2～3年生,生長健壯,樹齡、高度、基徑、冠幅相近的苗木,以減少試驗誤差。試驗開始前定期補(bǔ)充水分和肥料,保持植株生長狀況良好。

1.2 試驗裝置

在室內(nèi)放入4個人工熏氣箱(鋁合金框架,封閉性好、耐腐蝕的特氟龍薄膜封閉)作為封閉式熏氣設(shè)備(圖1),體積為1 m3,能模擬外界環(huán)境條件(光照、溫度、空氣、濕度)。試驗用NO2氣瓶連接減壓閥、流量計、進(jìn)氣管,實現(xiàn)NO2流量的精確控制。將進(jìn)氣管伸入熏氣箱底部環(huán)繞一周,管壁每隔10 cm鉆均勻小孔,使NO2均勻流入熏氣箱,箱內(nèi)放入擴(kuò)散式氣體分析儀,實時監(jiān)測NO2氣體質(zhì)量濃度變化。

圖1 人工熏氣裝置示意圖

1.3 試驗設(shè)計

本研究采用一次性熏氣法,NO2熏氣質(zhì)量濃度處理根據(jù)北京市歷史污染狀況,設(shè)置高、中、低3個質(zhì)量濃度梯度,分別為50、150、250 μg·m-3。在室內(nèi)將外部環(huán)境維持在恒定條件(溫度25～30 ℃、濕度40%～60%)后,對試驗樹種進(jìn)行人工熏氣試驗,當(dāng)熏氣箱內(nèi)NO2質(zhì)量濃度達(dá)到設(shè)定質(zhì)量濃度且穩(wěn)定時停止充氣,模擬污染的產(chǎn)生過程,以便精確監(jiān)測由于植物存在帶來的質(zhì)量濃度變化。

以有植物無熏氣處理為對照組,有植物且熏氣處理為試驗組,每個熏氣箱內(nèi)放3盆植物,所有植物花盆均用特氟龍薄膜包裹,以防止花盆和土壤吸附NO2,減小試驗誤差,每組試驗進(jìn)行3次重復(fù)。24 h后對試驗樹種進(jìn)行生理指標(biāo)(葉片凈光合速率、PSⅡ最大光化學(xué)效率、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù))和酶活性(超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硝酸還原酶活性)測定,分析數(shù)據(jù)變化,探究不同NO2質(zhì)量濃度對各樹種的影響。

1.4 指標(biāo)測定

葉片光合作用測定：試驗后使用CI340便攜式光合作用測量系統(tǒng)測量試驗樹種的凈光合速率,隨機(jī)選取各樣樹1/3上層樹冠、陽面、受光一致、生長健康的相同部位葉片,重復(fù)3次,取均值,對試驗后樹種的光合速率變化特征進(jìn)行分析。

葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定：試驗后隨機(jī)選取樣樹,選擇樹冠、陽面、受光一致、生長健康的新鮮葉片,稱約0.1 g剪碎,用蒸餾水洗干凈。由于葉綠素對光敏感,因此需在黑暗或弱光條件下充分研磨(難磨葉片可以添加少量石英砂助磨),然后轉(zhuǎn)移至10 mL玻璃試管中靜置,提取上液并上機(jī)檢測,分析葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。

熒光參數(shù)測定：熒光參數(shù)及光合作用測定同步進(jìn)行。在試驗后使用葉綠素?zé)晒鈨x對樹種幼苗測量可變熒光(Fv)和最大熒光(Fm),計算光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)及葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù),分析NO2質(zhì)量濃度對各樹種幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響及差異。

酶活性測定：熏氣試驗結(jié)束后,將試驗樹種的部分鮮葉放入超低溫冰箱-80 ℃保存待用。利用試劑盒法分別對葉片可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硝酸還原酶活性、超氧化物歧化酶活性進(jìn)行檢測,分析不同NO2質(zhì)量濃度下酶活性的差異。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用單因素方差分析(ANOVA)和鄧肯多重比較對同一樹種不同質(zhì)量濃度抗性指標(biāo)差異的顯著性進(jìn)行分析,并利用主成分分析法對不同NO2質(zhì)量濃度時典型綠化樹種抗性進(jìn)行綜合評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO2對典型綠化樹種生理活性的影響

2.1.1NO2對光合作用的影響

如表2所示,在不同質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種凈光合速率受到不同程度影響。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,NO2促進(jìn)各樹種凈光合速率,與對照相比,各樹種凈光合速率均有不同程度增加,增幅為3.78%～38.89%,其中,欒樹、國槐、白皮松的增加顯著(P<0.05)。中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種凈光合速率增加,除柳樹及國槐外,其他樹種均有顯著增加(P<0.05),但該處理時,欒樹、國槐、白皮松的凈光合速率與低質(zhì)量濃度NO2處理時相比,增幅下降。高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,6個樹種凈光合速率均受到抑制,出現(xiàn)下降,除銀杏外,其他樹種凈光合速率下降顯著(P<0.05),其中,柳樹降幅最大,為56.41%,且闊葉樹種降幅為6.12%～56.41%,受影響程度大于針葉樹。

表2 各典型綠化樹種在不同質(zhì)量濃度NO2處理時的凈光合速率及F值

2.1.2NO2對PSⅡ最大光化學(xué)效率的影響

由表3可知,不同質(zhì)量濃度NO2熏氣處理對各樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率的影響有顯著差異。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,NO2對各樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率起促進(jìn)作用,與對照相比,PSⅡ最大光化學(xué)效率增加,增幅為0.24%～1.79%,其中,欒樹及白皮松的增加顯著(P<0.05)。中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率仍上升,其中,針葉樹種中油松及白皮松的增幅變化顯著(P<0.05),分別為1.55%及1.56%,闊葉樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率增幅為0.47%～0.72%。中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理與低質(zhì)量濃度處理相比,欒樹、國槐、白皮松PSⅡ最大光化學(xué)效率增幅下降。高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,闊葉樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率均受到抑制,出現(xiàn)下降;針葉樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率上升且有顯著增加(P<0.05)。與中濃度熏氣處理下相比,高質(zhì)量濃度NO2處理的PSⅡ最大光化學(xué)效率增幅明顯下降。這說明高質(zhì)量濃度的NO2對各樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率均產(chǎn)生影響,且闊葉樹種受影響程度大于針葉樹種。

表3 各典型綠化樹種在不同質(zhì)量濃度NO2處理時PSⅡ最大光化學(xué)效率及F值

2.1.3NO2對葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表4可知,不同樹種葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同質(zhì)量濃度NO2處理時的變化有顯著差異(P<0.05)。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,NO2促進(jìn)各樹種葉片葉綠素合成,與對照相比,各樹種葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加,增幅為5.10%～58.27%,其中,白皮松的增加顯著(P<0.05)。中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,除欒樹的葉綠素合成明顯受到抑制,其他樹種葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加,但國槐及白皮松的增幅明顯低于低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時。高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種的葉綠素合成均受到影響,其中,白皮松葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,但與中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時相比,增幅明顯下降,為17.61%,其他樹種葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均下降,降幅為6.17%～54.25%,其中,欒樹、國槐的有明顯下降(P<0.05),且闊葉樹種受影響程度大于針葉樹種。

表4 各典型綠化樹種在不同質(zhì)量濃度NO2處理時葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及F值

2.2 NO2對典型綠化樹種酶活性的影響

2.2.1NO2對超氧化物歧化酶活性的影響

超氧化物歧化酶在一定程度反映植物逆境抵御能力。由表5可知,不同質(zhì)量濃度NO2熏氣處理對各樹種超氧化物歧化酶活性的影響有明顯差異(P<0.05)。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理下時,與對照相比,各樹種超氧化物歧化酶活性均顯著升高(P<0.05),增幅為16.74%～49.43%,其中,欒樹的增幅最大。中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種超氧化物歧化酶活性均顯著升高,增幅為19.75%～67.37%(P<0.05);與低濃度熏氣處理相比,該處理時各樹種超氧化物歧化酶活性增幅均增加,其中,油松的增幅最大,是低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時的2.56倍。高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種超氧化物歧化酶活性仍升高,且變化顯著(P<0.05);與中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理相比,該處理的銀杏、國槐、旱柳的增幅增加,欒樹、油松、白皮松的增幅下降,說明欒樹、油松、白皮松的超氧化物歧化酶活性受到高質(zhì)量濃度NO2影響時有所降低。

表5 各典型綠化樹種在不同質(zhì)量濃度NO2處理時的超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硝酸還原酶活性及F值

2.2.2NO2對可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低反映樹種新陳代謝是否正常。表5可知,不同質(zhì)量濃度NO2熏氣處理對各樹種可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生的影響有明顯差異。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度增加,增幅為5.86%～31.43%,其中,國槐的增幅最大,且整體來看,闊葉樹種的增幅(8.98%～31.43%)大于針葉樹種的(5.86%～6.94%)。中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均繼續(xù)增加,增幅為9.05%～34.62%,且各樹種可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅大于低質(zhì)量濃度熏氣處理的,其中,油松的增幅最大。高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍增加,其中,旱柳的增幅變化顯著(P<0.05);與中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理相比,該處理時欒樹、旱柳、白皮松可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增幅增加,而銀杏、國槐、油松的下降。

2.2.3NO2對硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶活性變化如表5所示,不同質(zhì)量濃度NO2熏氣處理對各樹種硝酸還原酶活性產(chǎn)生不同影響。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,6個樹種硝酸還原酶活性均有不同程度升高,增幅為9.97%～50.06%,其中,除銀杏外,其他樹種硝酸還原酶活性上升顯著(P<0.05),旱柳的硝酸還原酶活性增幅最大,其次為國槐。中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,各樹種硝酸還原酶活性均繼續(xù)升高且變化顯著(P<0.05);與低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理相比,該處理時各樹種硝酸還原酶活性增幅均增加,其中,銀杏的增幅最大,為70.30%,油松的增幅最小,為41.06%。高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,與對照相比,油松硝酸還原酶活性顯著降低,降幅為22.95%(P<0.05),其他樹種硝酸還原酶活性有不同程度升高,增幅為6.44%～48.51%,除白皮松外,銀杏、欒樹、國槐、旱柳硝酸還原酶活性變化顯著(P<0.05);與中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理相比,該處理時各樹種硝酸還原酶活性升高幅度明顯降低,可見,各樹種硝酸還原酶活性均受到NO2影響。

2.3 不同質(zhì)量濃度NO2處理時典型綠化樹種抗性綜合評價

主成分分析方法是指通過恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換,使新變量主成分成為原變量的線性組合,并選取少數(shù)幾個在變差總信息量中比例較大的主成分來分析事物的一種方法。主成分在變差信息量中的比例越大,其在綜合評價中的作用就越大[15]。為兼顧不同質(zhì)量濃度NO2處理時樹種抗性的代表性和全面性,本試驗將各樹種的生理(凈光合速率、PSⅡ最大光化學(xué)效率、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù))、酶活性(超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硝酸還原酶活性)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

各樹種指標(biāo)綜合評價結(jié)果見表6。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,樹種抗性由大到小依次為白皮松、國槐、銀杏、欒樹、旱柳、油松;中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,樹種抗性最強(qiáng)的是油松,其次為白皮松,旱柳、銀杏為中等,較弱的為國槐、欒樹;高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,樹種抗性最強(qiáng)的是白皮松,其次為油松、銀杏、旱柳、欒樹,國槐的抗性較差。可見,在中、高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,白皮松及油松抗性最好,國槐及欒樹的抗性較差。整體而言,針葉樹種的抗性要強(qiáng)于闊葉樹種。

表6 各典型綠化樹種指標(biāo)綜合評價結(jié)果

3 討論

凈光合速率、PSⅡ最大光化學(xué)效率及葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是衡量植物生長情況的重要參考指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn),低質(zhì)量濃度的NO2對各典型綠化樹種生理指標(biāo)有促進(jìn)作用,高質(zhì)量濃度NO2則有抑制。

光合作用不僅是植物生命體必要的代謝過程,更是衡量植物生長情況的重要參考指標(biāo)之一[16]。繆宇明等[5]對樟樹幼苗熏入不同質(zhì)量濃度NO2發(fā)現(xiàn),隨NO2質(zhì)量濃度增加,樟樹幼苗凈光合速率呈下降趨勢,本研究結(jié)果與之類似,且不同樹種在不同質(zhì)量濃度NO2處理的影響下其凈光合速率的變化有所差異。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,試驗選用的6個樹種受NO2刺激,其凈光合速率相對于對照均有所增加;中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,銀杏、旱柳、油松的凈光合速率繼續(xù)增加,欒樹、國槐、白皮松的增加幅度開始下降;高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種均受到影響,其中受影響最大的是旱柳。該現(xiàn)象說明,低質(zhì)量濃度NO2刺激氣孔張開,促進(jìn)光合作用,當(dāng)外部環(huán)境中有害氣體質(zhì)量濃度達(dá)到一定程度時,植物可以通過減少氣孔的形態(tài)和個數(shù)來限制有害氣體進(jìn)入,進(jìn)而影響其光合作用。

PSⅡ最大光化學(xué)效率反映了葉綠體光系統(tǒng)II的光能轉(zhuǎn)換效率,代表光系統(tǒng)II利用光能的能力。在正常生理條件下,植物葉片的最大光化學(xué)效率很少變化,但在環(huán)境脅迫下,最大光化學(xué)效率明顯下降,因此PSⅡ最大光化學(xué)效率是衡量植物功能是否良好的重要指標(biāo)[17]。本研究表明,各樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率在不同質(zhì)量濃度NO2處理時有明顯差異。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率與對照相比均有不同程度的增加,原因是PSⅡ最大光化學(xué)效率受到NO2刺激出現(xiàn)短暫增加,植物光化學(xué)效率提高,代謝增強(qiáng);中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,部分樹種葉綠體光系統(tǒng)Ⅱ的原初光能轉(zhuǎn)換效率開始受到抑制;高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種PSⅡ最大光化學(xué)效率均受到影響,闊葉樹種的出現(xiàn)下降,且國槐的下降幅度最大,針葉樹種的出現(xiàn)升高,但升高幅度呈下降趨勢,這表明PSⅡ最大光化學(xué)效率下降幅度和污染加劇程度具有一致性,空氣污染物的增加抑制了葉片中光系統(tǒng)II的活性。

在污染脅迫時,植物葉綠體結(jié)構(gòu)受到不同程度破壞,葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會發(fā)生變化[18-19]。NO2對植物葉綠素的作用受其質(zhì)量濃度的影響。在低質(zhì)量濃度時,NO2可增加葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù),反之葉綠素會受到抑制[20-21]。本研究還發(fā)現(xiàn),低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加,其中,白皮松的增幅最大;中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,除欒樹的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)受到抑制,出現(xiàn)下降,其他樹種均增加,但國槐、白皮松的增幅出現(xiàn)下降,表明該處理時,欒樹、國槐、白皮松葉綠素合成開始受到抑制;高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種葉綠素合成均受到影響,其中,欒樹的降幅最大,油松的降幅最小。葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加是由于NO2起到施肥作用或NO2刺激了葉綠體的生物合成[20]。葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降,是因為空氣污染物與細(xì)胞組分發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧致使光合色素解體[22],但這種影響因樹種不同具有一定差異。

超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硝酸還原酶活性是植物體內(nèi)清除活性氧、調(diào)節(jié)氮代謝、合成蛋白質(zhì)等的重要物質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn),低質(zhì)量濃度NO2會提高各典型綠化樹種酶活性,而高質(zhì)量濃度NO2則對其出現(xiàn)抑制。

較高的超氧化物歧化酶活性是植物抵抗逆境脅迫的生理基礎(chǔ)[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn),低、中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種超氧化物歧化酶活性均升高;高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,除銀杏、國槐、旱柳超氧化物歧化酶活性繼續(xù)升高外,欒樹、油松、白皮松升高幅度下降。這表明,植物受到較低質(zhì)量濃度脅迫時,其抗氧化酶系統(tǒng)被激活,超氧化物歧化酶活性水平顯著提升,及時清除了體內(nèi)活性氧物質(zhì),避免了膜脂發(fā)生過氧化反應(yīng)。在受到較高質(zhì)量濃度脅迫時,植物抗氧化酶防御系統(tǒng)可能遭受破壞,導(dǎo)致植物體內(nèi)超氧化物歧化酶活性水平下降[9]。銀杏、國槐、旱柳超氧化物歧化酶活性在高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時未下降,表明該質(zhì)量濃度未達(dá)到使超氧化物歧化酶活性下降的處理濃度,抗氧化酶防御系統(tǒng)未遭到破壞。

NO2脅迫會對不同樹種葉片中可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響,且各樹種間差異明顯。在低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加;中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,油松的增幅最大;高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,欒樹、旱柳、白皮松可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍增加,而銀杏、國槐、油松的增加幅度相對于中質(zhì)量濃度NO2處理出現(xiàn)了下降。這主要是由于NO2脅迫導(dǎo)致植物葉片中蛋白質(zhì)代謝平衡被破壞,進(jìn)而觸發(fā)植物適應(yīng)性生理調(diào)整。NO2質(zhì)量濃度不斷上升導(dǎo)致植物體內(nèi)離子積累劇增,引發(fā)離子中毒,擾亂植物體內(nèi)微環(huán)境,削弱蛋白質(zhì)代謝平衡,并超過其生理調(diào)節(jié)能力,從而加速蛋白質(zhì)向不同氨基酸分解,并使可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。欒樹、旱柳、白皮松可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)未下降,表明NO2沒有達(dá)到使其可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降的質(zhì)量濃度,未擾亂原有的蛋白質(zhì)代謝平衡。

研究表明,NO2質(zhì)量濃度上升時,硝酸還原酶活性呈上升趨勢。此外,在小麥[25]和冬棗[26]等植物上開展的相關(guān)試驗也印證了該結(jié)論。本研究中,經(jīng)不同質(zhì)量濃度NO2熏蒸處理的各樹種硝酸還原酶活性變化各有差異。低質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種硝酸還原酶活性各有不同程度升高,由大到小依次為旱柳、國槐、欒樹、白皮松、油松、銀杏;中質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種硝酸還原酶活性相對于對照均有明顯升高,其中,銀杏的增量最多;高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,各樹種硝酸還原酶活性均受到抑制,油松的顯著下降,銀杏、欒樹、國槐、旱柳、白皮松的增加幅度相對于中質(zhì)量濃度NO2處理時明顯下降,表明NO2熏氣處理引發(fā)了植物幼苗葉片氧化傷害,抗壞血酸分解,游離脯氨酸積累,從而抑制硝酸還原酶活力[27]。

氣體污染對樹種的影響較為深遠(yuǎn),由于植物體內(nèi)生理變化受多種因素影響,生理過程異常復(fù)雜,因此需要綜合評價樹種各項指標(biāo)。潘文等[9]通過人工熏氣試驗對24種園林樹種進(jìn)行各指標(biāo)測定,并采用隸屬函數(shù)值法和聚類分析法對樹種抗性進(jìn)行綜合評價,該研究發(fā)現(xiàn)不同樹種對NO2的抗性有所差異。本研究通過對6個樹種在不同質(zhì)量濃度NO2處理時各項指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評價,發(fā)現(xiàn)不同樹種抗性不同,該現(xiàn)象表明樹種抗性與其生理特性有關(guān)。部分樹種能夠通過其生理過程將污染物轉(zhuǎn)化為其他形態(tài),以減緩污染物對植株本身的毒害,且不同樹種在這些生理機(jī)制方面存在差異。已有學(xué)者發(fā)現(xiàn),植物可以通過轉(zhuǎn)化空氣中的NOx為N2或體內(nèi)的N素,并利用種類特異性的超氧化物歧化酶、過氧化物酶等生物酶將污染物吸收并轉(zhuǎn)化為O3[28]。本研究發(fā)現(xiàn),在中、高質(zhì)量濃度NO2熏氣處理時,油松及白皮松的抗性較強(qiáng),銀杏及旱柳的抗性中等,國槐及欒樹的抗性相對一般。整體而言,針葉樹種抗性要強(qiáng)于闊葉樹種。

4 結(jié)論

低質(zhì)量濃度的NO2促進(jìn)各樹種凈光合速率、PSⅡ最大光化學(xué)效率、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù),高質(zhì)量濃度時則出現(xiàn)抑制。低質(zhì)量濃度NO2處理時試驗各樹種凈光合速率、PSⅡ最大光化學(xué)效率、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比對照均升高,增幅分別為3.78%～38.89%、0.24%～1.79%、5.10%～58.27%。中質(zhì)量濃度與低質(zhì)量濃度NO2處理相比,銀杏、旱柳、油松凈光合速率、PSⅡ最大光化學(xué)效率均增加,增幅分別為6.85%～17.61%、0.24%～1.19%,欒樹、國槐、白皮松的增幅下降了10.19%～21.37%、0.23%～0.24%;油松、旱柳、銀杏葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅增加了8.70%～52.11%,國槐及白皮松葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)下降,欒樹葉綠素合成受到抑制。高質(zhì)量濃度NO2處理時試驗樹種的凈光合速率、PSⅡ最大光化學(xué)效率、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個指標(biāo)均表現(xiàn)為闊葉樹種受影響程度大于針葉樹種。

低質(zhì)量濃度NO2對各樹種超氧化物歧化酶活性、硝酸還原酶活性、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)有促進(jìn)作用,高質(zhì)量濃度NO2則有抑制作用。低質(zhì)量濃度NO2處理時各樹種超氧化物歧化酶活性、硝酸還原酶活性、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比對照均升高,增幅分別為5.86%～31.43%、16.74%～49.43%、9.97%～50.06%;中質(zhì)量濃度NO2處理與低質(zhì)量濃度相比,這3種指標(biāo)也升高,增幅分別為0.16%～29.56%、2.99%～41.01%、5.62%～60.33%;高質(zhì)量濃度NO2處理與中質(zhì)量濃度處理相比,各樹種可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)及超氧化物歧化酶活性增幅有增有減,硝酸還原酶活性均下降。

整體而言,針葉樹種抗性強(qiáng)于闊葉樹種。低質(zhì)量濃度NO2處理時,白皮松、國槐NO2抗性較強(qiáng),銀杏、欒樹中等,旱柳、油松較差;中、高質(zhì)量濃度NO2處理時,油松、白皮松抗性較強(qiáng),銀杏、旱柳中等,國槐、欒樹較差。