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        城市典型綠化植物對二氧化硫的抗性生理研究

        2018-05-30 05:00:37趙麗娜
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年9期
        關(guān)鍵詞:紫穗槐增長量二氧化硫

        李 晶, 趙麗娜

        (河北工程技術(shù)學(xué)院,河北石家莊 050091)

        工業(yè)化和城市化的發(fā)展加劇了石油、天然氣等能源消耗,同時(shí)城鎮(zhèn)化帶來的大批建筑工程建設(shè)也在大量消耗著鋼鐵、水泥等能源,這些能源在制造過程中會產(chǎn)生很大污染,尤其是以煤炭為主要能源的時(shí)期。另外,農(nóng)村秸稈焚燒及燒火做飯等產(chǎn)生的大量煙霧也是重要的污染源之一,目前的大氣污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重[1-2]。近年來,隨著機(jī)動車輛的不斷增多,二氧化硫(主要為二氧化硫)排放量日益增多,帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重,就全球大氣污染而言,最為嚴(yán)重的20座城市中約有1/2位于我國[3-5]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),大氣污染最主要的污染源之一是二氧化硫排放,二氧化硫污染物使得空氣質(zhì)量下降、空氣中可懸浮顆粒增多,直接損害人體的呼吸系統(tǒng),加劇冬季天氣的霧霾現(xiàn)象[6];除了給人體健康帶來損害之外,二氧化硫污染更是直接給植物的正常生長帶來了不利影響[7-9],二氧化硫可直接附著在植物的葉片表層,損害葉片的氣體交換功能,導(dǎo)致其光合作用明顯降低,進(jìn)而導(dǎo)致植物生長所需的能量大大降低,影響植物的正常生長甚至?xí)?dǎo)致其逐漸枯萎死亡[10-11]。

        城市綠植不僅能為城市增加了綠色的美感,也能夠吸收污染物和粉塵等懸浮顆粒,對降低城市的陽光輻射、凈化大氣等具有顯著效果[12-14]。城市綠植利用其粗糙濕潤的葉面表層、微小的氣孔及毛被對大氣污染物中的懸浮顆粒進(jìn)行過濾、吸附等處理,素有粉塵過濾器的美稱[15-16]。當(dāng)然不同植物對大氣污染物中懸浮顆粒等的吸附作用不同,因此為保障城市綠植切實(shí)發(fā)揮降塵、吸附懸浮顆粒的良好效果,必須選擇適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)特征且具有明顯降塵及顆粒吸附效應(yīng)的綠植作為城市植物,并作好綠植設(shè)計(jì),從而建立良好的城市生態(tài)。因此,須對植物生長特征與二氧化硫污染物間的相互關(guān)系進(jìn)行深入研究,從而確定如何選擇相應(yīng)的城市綠植來降低粉塵及懸浮顆粒物含量。為此,本研究針對河南省鄭州市的氣候特點(diǎn),選擇木槿、連翹、紫葉李、白景天、紫穗槐作為研究對象,并進(jìn)行連續(xù)3年的數(shù)據(jù)跟蹤,對不同城市綠植的生長特性及相應(yīng)的生理、生化特性進(jìn)行分析對比,以期為不同綠植的錯配提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        鄭州市作為河南省的人口大市和經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的省會城市,位于河南省中部偏北,地處黃河中游的南岸,形成了西臨嵩山、北靠黃河、東南為廣闊黃淮平原的地理特點(diǎn)。該地理特性形成了暖溫帶的大陸性季風(fēng)氣候,呈現(xiàn)出夏季高溫多雨、冬季寒冷多風(fēng)的鮮明氣候特點(diǎn),年均氣溫為14.4 ℃,夏季最高氣溫達(dá)45 ℃左右,冬季最低溫度達(dá)-10 ℃左右,其中氣溫最高的月份為7月,月平均氣溫達(dá)27.3 ℃;氣溫最低的月份一般為1月,月平均氣溫低至0.2 ℃。超過1/2的降水量在夏季6—8月份,年降水量可達(dá)652.9 mm。該地區(qū)土壤具有多樣性,自西向東不僅有棕壤土、紅黏土,還有褐土、潮褐土、潮土等,其中褐土的分布面積最大,達(dá)64%左右;其次是潮土,其分布面積達(dá)總土壤面積的30%。早在20世紀(jì)80年代中期,鄭州市就提出擴(kuò)大城市綠化面積,打造綠色鄭州,并于2006年被評為“國家園林城市”,目前因大面積的工程建設(shè),其綠化面積有待進(jìn)一步增加,以緩解二氧化硫排放等導(dǎo)致的大氣污染問題。

        1.2 研究方法

        2016年8月,為了以對比效果展現(xiàn)綠植對二氧化硫的作用效果,對鄭州市主要街道的植物生長特性進(jìn)行對比,以確定綠植對二氧化硫污染的耐受程度。將二氧化硫濃度設(shè)為 0.3、0.5、0.8、1.2、1.5、2.0 mg/m3,對選取的5種綠化植物進(jìn)行5 d的二氧化硫處理,為提升綠植的適應(yīng)性,在進(jìn)行處理前1 d將綠植放入氣室,對照在相同條件無污染物的環(huán)境中進(jìn)行(正常生長),培養(yǎng)試驗(yàn)在08:00開始,直至第6天的08:00結(jié)束,同時(shí)記錄試驗(yàn)初始和結(jié)束后的植株高度。二氧化硫處理完畢之后,從每種植物上選取3個新梢,每個新稍自中部采集成熟葉片10片作為1個混合樣,進(jìn)行指標(biāo)測定,將3個小區(qū)的平均值作為最終數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采樣完畢后,將之取出,然后放入清潔環(huán)境中,此階段的測試時(shí)間為15 d,每天取1次樣,測定植被生理指標(biāo)。

        1.3 測量指標(biāo)

        利用樣品葉片測定其多種生理指標(biāo),為提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,對各項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)測定。首先將葉片洗凈,烘干,烘箱溫度要求達(dá)到65 ℃,烘干后進(jìn)行粉碎處理,并用 1.5 mm 篩進(jìn)行葉脈去除,最后進(jìn)行研磨混合處理。葉片葉綠素a、b含量的測定采用丙酮溶液浸提比色分析法進(jìn)行,其中丙酮溶液的濃度為80%;可溶性蛋白利用考馬斯亮藍(lán)染色法予以測定;丙二醛(malondialdehyde,簡稱MDA)含量的測定采取硫代巴比妥酸法;超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,簡稱SOD)活性的測定采用氮藍(lán)四唑(nitroblue tetrazolium,NBT)光化還原法進(jìn)行;過氧化物酶活性(peroxidase,簡稱POD)的測定采用愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行[17]。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),采取SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn),同時(shí)在0.05顯著性水平下進(jìn)行LSD多重比較分析,并在單因素方差分析下對差異是否顯著進(jìn)行判定。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 二氧化硫?qū)υ囼?yàn)植物生長的影響

        2.1.1 二氧化硫?qū)χ旮咴鲩L量的影響 為直觀觀察植物在二氧化硫環(huán)境下的生長差異,本研究采用生長計(jì)量法測量植株的冠幅、株高以及冠徑。由表1可知,時(shí)間處理和濃度處理的植株株高增長量比值都大于80%。在時(shí)間處理的物種中木槿的植株增長量比值大于90%,紫葉李、白景天、連翹和紫穗槐增長量比值小于90%。在濃度處理中,紫葉李、白景天、連翹和紫穗槐增長量比值均大于100%,只有木槿植株增長量小于100%。結(jié)果表明,在2種二氧化硫環(huán)境下木槿最不敏感,抗性最強(qiáng),之后依次是連翹、紫葉李、白景天、紫穗槐。

        表1 二氧化硫?qū)χ仓旮叨仍鲩L量的影響

        2.1.2 二氧化硫?qū)χ仓旯趶皆鲩L量的影響 從表2可以看出,時(shí)間處理和濃度處理的植株冠徑增長量比值都大于50%。在時(shí)間處理中,二氧化硫?qū)ψ纤牖钡挠绊懽钚?,其次是木槿,對紫葉李和連翹的影響最大。在濃度處理中,二氧化硫濃度對紫穗槐的冠徑增長量影響最大,對連翹的影響最小,而對紫葉李、白景天和木槿的影響處于二者之間。

        表2 二氧化硫?qū)χ仓旯趶皆鲩L量的影響

        2.1.3 二氧化硫?qū)χ仓旯诜鲩L量的影響 從表3可以看出,在時(shí)間處理中,二氧化硫?qū)ψ先~李的冠幅增長量影響最大,對其他植物冠幅的影響相對較?。欢跐舛忍幚碇?,二氧化硫?qū)ψ纤牖钡墓诜鲩L量影響最大,對木槿的影響最小。

        表3 二氧化硫?qū)χ仓旯诜鲩L量的影響

        2.2 二氧化硫?qū)χ参锷碇笜?biāo)的影響

        生理指標(biāo)作為衡量植物抵抗大氣污染能力大小的標(biāo)準(zhǔn),在植物的抗性評價(jià)及抗性物種的選擇中具有重要的作用。由圖1可知,在正常生長條件下,5種植物葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量大致表現(xiàn)為連翹>紫葉李>紫穗槐>木槿>白景天;在二氧化硫處理下,5種植物葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量呈現(xiàn)出不一致的變化規(guī)律,以紫葉李和紫穗槐較高,且二氧化硫處理下5種植物葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量均低于正常生長,由此說明二氧化硫可降低試驗(yàn)植被葉片的生理特性。

        由圖2可知,在正常生長條件下,5種植物葉片過氧化氫酶活性、超氧化物歧化酶活性均以連翹較高,紫葉李和紫穗槐次之,白景天和木槿較??;丙二醛含量則表現(xiàn)為木槿和白景天較高,紫葉李、連翹和紫穗槐較低;過氧化物酶活性表現(xiàn)為紫葉李含量較高,連翹和紫穗槐次之,白景天和木槿較低。在二氧化硫處理下,葉片的過氧化氫酶活性、超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量、過氧化物酶活性表現(xiàn)出與正常生長整體一致的趨勢,且二氧化硫處理下的葉片過氧化氫酶活性、超氧化物歧化酶活性和過氧化物酶活性均低于正常生長,而二氧化硫處理下的葉片丙二醛含量高于正常生長。

        2.3 試驗(yàn)植物綜合生長的主成分分析

        主成分分析是處理數(shù)據(jù)降維的一種方法,能夠通過線性變換從多個變量中選出較少個數(shù)重要變量。主成分個數(shù)的提取原則是相對應(yīng)特征值大于1的前m個主成分,且一般要求累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85%。因此,通過方差分解主成分分析,共提取出3個主成分(表3),在正常生長條件下,不同植物生長指標(biāo)提取的主成分1、主成分2分別能解釋變量方差的62.13%、81.15%,前3個主成分累積方差貢獻(xiàn)率達(dá) 94.29%。在二氧化硫處理下,不同植物生長指標(biāo)提取的主成分1、主成分2分別能解釋變量方差的63.25%、80.51%,前3個主成分累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)94.54%,因此第1主成分、第2主成分和第3主成分為本研究所要解釋的主成分(表4)。

        主成分分析結(jié)果顯示了不同生長指標(biāo)在3個主成分上的載荷值(表5),初始載荷因子反映主成分與二氧化硫的相關(guān)系數(shù),載荷因子越高表示二氧化硫?qū)χ鞒煞值挠绊懺酱?。由?可知,在正常生長條件下,與第1主成分具有較高相關(guān)性的生長指標(biāo)有植株株高、葉綠素a含量和葉綠素b含量;與第2主成分具有較高相關(guān)性的生長指標(biāo)有植株株高、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量;與第3主成分具有較高相關(guān)性的生長指標(biāo)有可溶性糖含量和丙二醛含量。在二氧化硫處理?xiàng)l件下,與第1主成分具有較高相關(guān)性的生長指標(biāo)植株株高、冠徑、葉綠素a含量和葉綠素b含量;與第2主成分具有較高相關(guān)性的生長指標(biāo)有葉綠素a含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量;與第3主成分具有較高相關(guān)性的生長指標(biāo)有可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、過氧化氫酶活性。

        表4 方差分解主成分提取分析

        表5 生長指標(biāo)的主成分載荷因子

        2.4 試驗(yàn)植物綜合生長狀況評價(jià)

        由于植物對二氧化硫的反應(yīng)非常復(fù)雜,單一生長指標(biāo)難以準(zhǔn)確評價(jià)植物的受影響程度,因此針對幾個生長指標(biāo)采用綜合生長比值法對植物進(jìn)行排序。綜合增長比值越高,表示植物受二氧化硫的影響越小,生長較為正常;反之,則受二氧化硫的影響較大,生長受到較嚴(yán)重的抑制。從表6可以看出,在二氧化硫時(shí)間處理下,相對抗性由強(qiáng)到弱的排序?yàn)樽纤牖薄⒛鹃?、白景天、連翹、紫葉李。在二氧化硫濃度處理下,抗性由強(qiáng)到弱的排序?yàn)樽纤牖?、木槿、白景天、連翹、紫葉李。

        表6 綜合生長指標(biāo)

        3 討論與結(jié)論

        二氧化硫能夠通過綠植的氣孔進(jìn)入其體內(nèi),而微粒則附著在葉片表層,影響植物的光合作用,從而影響綠植的正常生長[18-19]。綠植的受害程度一方面取決于自身的生長特性,另一方面取決于有害氣體的種類、濃度及持續(xù)時(shí)間。二氧化硫中的有害成分可導(dǎo)致綠植體內(nèi)自由基濃度上升[20-21]。自由基積累能夠誘發(fā)和加劇細(xì)胞膜脂過氧化,導(dǎo)致細(xì)胞膜破壞,葉綠素分解,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致植物細(xì)胞死亡[22]。

        葉綠素作為植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)和光敏化劑,在光合作用過程中起著接受和轉(zhuǎn)換能量的作用;可溶性蛋白和可溶性糖包含一些代謝的酶,其含量的多少與植株體內(nèi)的代謝強(qiáng)度有關(guān)[23]。有研究表明,植物葉片受到二氧化硫影響后,其葉片中的葉綠素a、葉綠素b均會受到破壞而分解,致使葉綠素含量下降[24]。研究表明,葉綠素含量受二氧化硫等污染氣體影響嚴(yán)重,且受影響程度與二氧化硫濃度和持續(xù)時(shí)間存在正相關(guān)關(guān)系,一旦發(fā)現(xiàn)葉片出現(xiàn)了可見傷害癥狀,說明葉綠素含量已經(jīng)發(fā)生了大幅下降[25]。本研究發(fā)現(xiàn),不同樹種之間的葉綠素含量明顯不同,其中葉綠素含量下降最大的是紫葉李,這直接取決于樹種的耐受性,由此可知,二氧化硫?qū)θ~綠體具有明顯的破壞作用。

        最近有學(xué)者發(fā)現(xiàn),葉綠素?zé)晒馓匦詫Χ趸蛞卜浅C舾?。二氧化硫?qū)夂仙禺a(chǎn)生傷害的作用機(jī)制有兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為,二氧化硫進(jìn)入葉片細(xì)胞后增加了氧自由基的形成,進(jìn)而導(dǎo)致葉綠素分解。曹洪法等認(rèn)為,二氧化硫可以在3個方面影響葉綠素,即漂白(如顏色的消失)、葉綠素脫鎂(葉綠素分子降解為無光合活性的脫鎂葉綠素)和色素光譜特性的變化[26-27]。二氧化硫在水中溶解為亞硫酸,降解葉綠素分子的葉琳環(huán),使Mg+流失。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,二氧化硫?qū)χ参锕夂仙氐膫?,一般不會?dǎo)致脫鎂葉綠素的形成和吸收光譜的移位,主要是亞硫酸離子在氧化為硫酸過程中產(chǎn)生大量自由基的作用[20-21]。相比較可知,木槿和紫穗槐更能夠利用光能和轉(zhuǎn)化光能,為光合補(bǔ)償生長提供物質(zhì)和能量基礎(chǔ)。

        細(xì)胞膜作為細(xì)胞的核心組成部分,在調(diào)控細(xì)胞內(nèi)外能量交換方面起著不可忽視的屏障作用,能夠保護(hù)細(xì)胞免受一般的侵害。但如果綠植長期處于污染的生長環(huán)境中,那么污染物容易導(dǎo)致膜脂過氧化,進(jìn)而形成相應(yīng)的丙二醛產(chǎn)物,其含量的高低表示膜脂過氧化發(fā)生的強(qiáng)弱,質(zhì)膜透性的大小表示質(zhì)膜受損的程度[28]。當(dāng)綠植處于正常生長環(huán)境中時(shí),其體內(nèi)活性氧會根據(jù)生長需要而產(chǎn)生并可進(jìn)行及時(shí)的清除處理,活性氧含量處于一種平衡狀態(tài);但二氧化硫污染物的入侵會打破這種平衡,綠植體內(nèi)的活性氧不斷產(chǎn)生,卻不能及時(shí)去除,而活性氧的積累很容易導(dǎo)致膜脂過氧化,進(jìn)而形成較多的丙二醛,從側(cè)面說明當(dāng)綠植受污染程度較為明顯時(shí),意味著二氧化硫污染問題較為明顯[29-30]。本研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過二氧化硫的處理,綠植葉片內(nèi)的丙二醛含量上升,這與以往學(xué)者的研究結(jié)果[26-27]一致。

        植物體內(nèi)存在過氧化氫酶和超氧化物歧化酶[31-32]等2種重要保護(hù)酶,它們能夠利用超氧化歧化反應(yīng)對氧自由基進(jìn)行有效去除,從而對細(xì)胞膜進(jìn)行保護(hù),降低污染物對植物的傷害程度。一系列的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),植物的耐受性與SOD活性存在正相關(guān)關(guān)系,說明能夠?qū)OD作為植物的耐受性指標(biāo)之一[33]。韓陽等認(rèn)為,植物對二氧化硫污染物的綜合耐受性能夠通過SOD活性氧代謝能力來體現(xiàn),并由此進(jìn)行植物耐受性的等級劃分[34]。

        本研究中紫穗槐的SOD活性變化非常迅速,說明紫穗槐的SOD活性對二氧化硫非常敏感。在二氧化硫處理中,POD活性各樹種間存在很大差異,其中紫穗槐POD活性對二氧化硫的忍耐力最強(qiáng),在最終的綜合評定中也表現(xiàn)出強(qiáng)的抗性,這與前人的研究結(jié)果[20-21]一致。本研究認(rèn)為,高活性的POD仍然是植物抗污染能力的重要評價(jià)因子。因?yàn)槌趸锲缁冈谇宄杂苫瑫r(shí)生成過氧化氫,而葉綠體中參加卡爾文循環(huán)的一些酶(如RuBp)非常敏感,會影響光合作用中碳的固定,因此產(chǎn)生的自由基必須立即被清除,且新產(chǎn)生的自由基能與O2反應(yīng)而生成氧化性和破壞性更大的羥基自由基。因此說明POD活性依然能夠作為植物污染耐受性的一個重要指標(biāo)。

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