范偉偉，武曉紅，王孟本

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學院 資源環(huán)境系，太原 030027；2.山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 林學系，太原 030009；3.山西大學 黃土高原研究所，太原 030006）

大氣顆粒物污染是環(huán)境污染的主要方式之一[1]，其來源主要是化石燃料燃燒、汽車尾氣等[2].大氣顆粒物大量聚集不僅會降低能見度、產(chǎn)生光化學煙霧，還會削弱近地層紫外線，致使大氣中病菌活性增強，易引發(fā)支氣管及呼吸道等疾病，嚴重影響人類健康[3-4].目前，利用滯塵能力強的樹種治理大氣顆粒物污染已成為當前治理大氣污染的主要途徑之一[5].大量研究表明，城市園林綠化植物具有明顯的凈化功能，其通過過濾、阻擋和吸附可有效降低大氣中的總懸浮顆粒物（粒徑小于100 μm的懸浮顆粒物，TSP）含量，起到城市粉塵過濾器的作用[6-7].植物滯塵能力往往與自身的生長特性密切相關(guān)，如葉片大小、毛被、氣孔等[8]，不同園林綠化植物的生物學特性存在明顯差異，對懸浮顆粒物的吸附和過濾能力也不相同.

太原市是我國重要的煤炭重工業(yè)城市，大氣污染一直是城市污染的主要問題之一，尤其是可吸入顆粒物含量較高，嚴重影響城市生態(tài)環(huán)境和居民的身心健康.本研究以太原市汾河公園5種常見濕地植物為研究對象，對5種植物的滯塵能力以及滯塵對植物光合作用的影響進行比較研究，篩選出滯塵能力強且光合作用受滯塵影響小的濕地植物，以期為城市大氣污染治理中合理配置園林綠化樹種提供科學依據(jù).

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究以太原市汾河濕地公園芳草渡景區(qū)內(nèi)的5種濕地植物為研究對象，包括香蒲（Typha orientalis Presl）、千屈菜（LythrumsalicariaL.）、蘆葦（Phragmitesaustralis）、水芹菜（Oenanthe javanica）和美人蕉（Canna indica L.），其以群植為主，偶有叢植，于2012年種植，密度分別為10、22、35、30和7株/m2.

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品采集

分別在2017年7月15日（18 mm降雨后0 d）、7月21日（雨后5 d）、7月26日（雨后10 d）、7月31日（雨后15 d）和8月5日（雨后20 d）進行采樣，每種植物隨機選擇5株，從同一植株的上、中、下3個部位各采集葉片5～10片，裝入自封袋并標記，在采集及運輸過程中盡量減少震動以避免顆粒物脫落.

1.2.2 測定指標及方法

參照文獻[9]的水洗測量方法測定單位葉面積滯塵量；參照文獻[10]的微孔濾膜法測定不同粒徑顆粒物所占比例及平均粒徑；采用文獻[11]的方法測定單株總?cè)~面積及滯塵量.于采集當天的10∶00—11∶00，取從下往上數(shù)第4片功能葉，用蒸餾水洗凈并于-20℃保存，采用乙醇-丙酮比色法測定葉綠素含量.選取每種植株從下往上數(shù)第3片功能葉，利用Li-6400XT型便攜式光合作用儀（美國LI-COR公司）測定光合作用參數(shù)，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、細胞間隙CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）.選取每種植株從下往上數(shù)第3片功能葉，用FMS-2型便攜脈沖調(diào)制式熒光測定儀（英國Hansatech公司）測定葉綠素熒光參數(shù)，具體方法：在測定前將植株暗適應20 min，之后在Fv/Fm模式下，用0.12 μmol/（m2·s）光進行照射并測定初始熒光Fo；然后用4 000 μmol/（m2·s）強飽和脈沖光進行激發(fā)并測定最大熒光Fm，脈沖時間為0.7 s；在自然光照射后，用4 000 μmol/（m2·s）強飽和脈沖光進行激發(fā)，測定光適應下的最大熒光Fm′；關(guān)閉自然光后，立即用遠紅光進行照射，測定穩(wěn)態(tài)熒光Fs及光適應下的初始熒光Fo′.計算各參數(shù)：PSⅡ潛在最大光合效率（Fv/Fm）=1-Fo/Fm；PSⅡ?qū)嶋H光合效率（ΦPSⅡ）=1-Fs/Fm′；光化學淬滅系數(shù)（qP）=（Fm′-Fs）/（Fm′-Fo′）；非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）=Fm/Fm′-1.

在采集當天取從上往下數(shù)第5片功能葉保存于-80℃條件下，采用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的試劑盒測定核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（RuBPCase）、Rubisco活化酶（RCA）、景天庚酮糖-1，7-二磷酸酯酶（SBPase）和果糖-1，6-二磷酸醛縮酶（FBA）的活性.

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)整理、計算及作圖；用SPSS 18.0軟件進行差異性分析，分別采用單因素和Duncan進行方差分析和多重比較，用Pearson法進行滯塵量和生理指標間的相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地植物滯塵能力的比較

比較5種常見濕地植物的滯塵能力，結(jié)果如圖1所示.由圖1可知，隨著滯塵時間的延長，5種濕地植物的單位葉面積滯塵量和單株滯塵量均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢.不同植物的單位葉面積滯塵量和單株滯塵量均存在顯著差異，由大到小排序均為美人蕉＞蘆葦＞香蒲＞千屈菜＞水芹菜.滯塵時間達到20 d時，水芹菜的單位葉面積滯塵量為0.902 mg/cm2，單株滯塵量為0.99 g/株，香蒲、千屈菜、蘆葦和美人蕉的單位葉面積滯塵量分別比水芹菜高23.61%、13.75%、33.59%和42.75%，單株滯塵量分別比水芹菜高29.80%、8.99%、78.28%和119.29%.可見，5種濕地植物的滯塵能力存在顯著差異，美人蕉滯塵能力最強，其余由強到弱依次為蘆葦、香蒲、千屈菜和水芹菜，這可能與植物葉片的表面結(jié)構(gòu)、氣孔數(shù)目及大小、分泌物等特征有關(guān).

圖1 5種濕地植物的滯塵量Fig.1 Dust retention ability of five wetland plants

2.2 濕地植物滯塵粒徑的比較

比較5種濕地植物的滯塵粒徑，結(jié)果如表1所示.

表1 5種濕地植物的滯塵粒徑Tab.1 Particle size of dust retention of five wetland plants

由表1可知，美人蕉中PM2.5、PM10和TSP的含量均最高，其余由高到低依次為蘆葦、香蒲、千屈菜和水芹菜.其中，美人蕉和蘆葦?shù)腜M2.5含量相近（P＞0.05），均顯著高于香蒲、千屈菜和水芹菜的數(shù)值（P＜0.05）；美人蕉的PM10含量顯著高于其余4種植物的數(shù)值（P＜0.05）；5種植物的TSP占比均超過99%，差異不具有統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；5種植物中粒徑＞100 μm顆粒物的含量均較小，美人蕉中的含量顯著低于香蒲、蘆葦和水芹菜的數(shù)值（P＜0.05）.5種植物滯塵顆粒物的平均粒徑范圍為9.32～10.98 μm，其中，美人蕉和蘆葦?shù)钠骄较嘟?，二者與香蒲、千屈菜和水芹菜的差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）.這說明太原市5種常見濕地植物的滯塵粒徑主要集中于2.5～100 μm，粒徑＜100 μm的滯塵顆粒物的含量均超過了99%，即降塵物以大氣中的TSP為主.

2.3 滯塵過程對5種濕地植物葉綠素含量的影響

不同滯塵時間內(nèi)5種植物葉片的葉綠素含量如圖2所示.由圖2可知，隨著滯塵時間的延長，5種植物葉片的葉綠素含量均呈逐漸降低趨勢.不同植物的葉綠素含量由大到小排序為美人蕉＞蘆葦＞香蒲＞千屈菜＞水芹菜.滯塵時間為20 d時，香蒲、千屈菜、蘆葦、水芹菜和美人蕉的葉綠素含量分別為2.01、1.76、2.15、1.68和2.29 mg/g，比0 d時分別降低了32.09%、37.81%、25.61%、39.78%和23.67%.5種濕地植物葉綠素含量的下降幅度存在明顯差異，其中，水芹菜下降幅度最高，其余依次為千屈菜、香蒲、蘆葦和美人蕉，可能與植株對大氣顆粒物的抗性強弱有關(guān).

圖2 不同滯塵時間5種濕地植物的葉綠素含量Fig.2 Chlorophyll content of five wetland plants at different dust retention time

2.4 滯塵過程對5種濕地植物光合作用的影響

不同滯塵時間下5種植物的光合作用參數(shù)如圖3所示.由圖3可以看出，5種植物的凈光合速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率均隨著滯塵時間的延長呈現(xiàn)降低趨勢.滯塵時間達到20 d時，同0 d時相比，香蒲、千屈菜、蘆葦、水芹菜和美人蕉的凈光合速率分別降低31.84%、38.48%、29.15%、39.89%和24.11%；氣孔導度分別降低37.74%、46.92%、35.07%、50.38%和31.44%；胞間二氧化碳濃度分別降低36.85%、41.41%、31.19%、46.22%和28.31%；蒸騰速率 分 別 降 低43.75%、47.86%、37.93%、50.99%和33.80%.這說明滯塵對5種植物的光合作用具有普遍抑制作用，抑制程度由高到低依次為水芹菜＞千屈菜＞香蒲＞蘆葦＞美人蕉，可能是由于滯塵弱化了光照強度并且阻礙了葉片氣孔所致[12-13].

圖3 不同滯塵時間5種濕地植物的光合作用參數(shù)Fig.3 Photosynthetic parameters of five wetland plants at different dust retention time

2.5 滯塵對5種濕地植物葉綠素熒光參數(shù)的影響

不同滯塵時間下5種濕地植物的葉綠素熒光參數(shù)如圖4所示.由圖4可以看出，隨著滯塵時間的延長，5種植物葉片的PSⅡ潛在最大光合效率、PSⅡ?qū)嶋H光合效率及光化學淬滅系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，而非光化學淬滅系數(shù)則呈現(xiàn)逐漸上升趨勢.滯塵時間達到20 d時，同0 d時相比，香蒲、千屈菜、蘆葦、水芹菜和美人蕉的Fv/Fm分別降低34.88%、37.65%、31.03%、41.18%和27.91%；ΦPSⅡ分別降低40.68%、46.67%、38.33%、48.33%和35.00%；qP分別降低39.19%、42.67%、36%、44.59%和32.00%；NPQ則分別上升77.94%、89.86%、66.18%、91.43%和56.52%.這說明滯塵對5種濕地植物存在著普遍的光抑制作用，抑制程度由高到低依次為水芹菜＞千屈菜＞香蒲＞蘆葦＞美人蕉，這可能與滯塵導致的弱光環(huán)境以及植物氣體交換能力下降有關(guān).

圖4 不同滯塵時間5種濕地植物的葉綠素熒光參數(shù)Fig.4 Fluorescence parameters of five wetland plants at different dust retention time

2.6 滯塵過程對5種濕地植物光合關(guān)鍵酶活性的影響

不同滯塵時間下5種植物光合關(guān)鍵酶的活性如圖5所示.由圖5可以看出，隨著滯塵時間的延長，5種植物葉片的核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶活性、Rubisco活化酶活性均呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，而景天庚酮糖-1，7-二磷酸脂酶活性和果糖-1，6-二磷酸醛縮酶活性則表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢.滯塵時間達到20 d時，同0 d時相比，香蒲、千屈菜、蘆葦、水芹菜和美人蕉的RuBPCase活性分別降低54.55%、61.80%、48.73%、64.79%和45.33%；RCA活性分別降低56.76%、60.53%、50.00%、61.11%和47.37%；SBPase活性分別降低21.48%、22.56%、18.52%、23.88%和17.65%；FBA活性則分別降低30.21%、36.73%、25.00%、37.11%和22.45%.這說明滯塵可以顯著降低5種濕地植物的光合酶活性和碳同化能力，抑制程度由高到低依次為水芹菜＞千屈菜＞香蒲＞蘆葦＞美人蕉.

圖5 不同滯塵時間5種濕地植物的光合關(guān)鍵酶活性Fig.5 Key photosynthetic enzyme activities of five wetland plants at different dust retention time

2.7 滯塵量與光合指標的相關(guān)性分析

分析植物光合指標與滯塵量的相關(guān)性，結(jié)果如表2所示.

表2 滯塵量與光合指標的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of dust retention and photosynthetic index

由表2可以看出，5種濕地植物的滯塵量與葉綠素含量、Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP、核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶和Rubisco活化酶活性均呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），與NPQ呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與景天庚酮糖-1，7-二磷酸脂酶和果糖-1，6-二磷酸醛縮酶活性呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）.這說明葉片滯塵會導致植物光合效率降低，且滯塵量越大，光合效率越低.

3 討論與結(jié)論

綠化滯塵是治理大氣顆粒物污染的主要途徑之一，因葉片大小、數(shù)量、結(jié)構(gòu)及分泌物等不同，導致不同植物滯塵能力差異顯著[14].本文對太原市汾河公園的香蒲、千屈菜、蘆葦、水芹菜和美人蕉5種濕地植物的滯塵能力進行比較研究，結(jié)果表明，隨著滯塵時間的延長，5種植物的單位葉面積滯塵量和單株滯塵量均呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，這與范舒欣等[11]和孫曉丹等[14]的研究結(jié)果一致.5種濕地植物的滯塵能力存在顯著差異，從大到小依次為美人蕉＞蘆葦＞香蒲＞千屈菜＞水芹菜.雨后滯塵時間達到20 d時，香蒲、蘆葦和美人蕉的單位葉面積滯塵量分別較水芹菜顯著提升23.61%、33.59%和42.75%（P＜0.05），單株滯塵量分別較水芹菜顯著提升29.8%、78.28%和119.29%（P＜0.05）.大氣顆粒物中PM10是危害人類健康的最主要顆粒物，PM2.5常引起人體肺泡發(fā)炎[4].本研究結(jié)果表明，5種植物的滯塵顆粒物均以TSP為主，這說明降塵物主要以在大氣中經(jīng)一定距離漂移的TSP為主.美人蕉的TSP相對含量最高，且平均粒徑最小，其余依次為蘆葦、香蒲、千屈菜和水芹菜.

粉塵污染會明顯抑制植物的光合作用，光合參數(shù)的下降幅度與滯塵程度呈顯著正相關(guān)[12-13].本研究結(jié)果表明，隨著滯塵時間的延長，5種常見濕地植物葉片的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且不同植物的降低幅度存在顯著差異，從小到大依次為美人蕉＜蘆葦＜香蒲＜千屈菜＜水芹菜.本結(jié)果與李恩寶等[12]和孫西嶺等[13]的研究結(jié)果一致，原因可能是：①粉塵覆蓋葉片導致葉綠素下降；②粉塵顆粒在一定程度上堵塞了葉片氣孔，致使氣體交換受阻，胞間CO2濃度和蒸騰速率明顯降低，葉溫升高；③粉塵顆粒往往含有多種污染成分，如石灰、水泥等堿性物質(zhì)和Pb、Hg等重金屬元素，對植物葉組織造成直接傷害，從而抑制光合作用.逆境下葉綠素熒光參數(shù)的變化可反映植物光合作用中電子傳遞的受破壞程度，其中，PSⅡ潛在最大光合效率（Fv/Fm）和PSⅡ?qū)嶋H光合效率（ΦPSⅡ）是衡量植物光合作用受抑制程度的重要指標，光化學淬滅系數(shù)（qP）反映了用于光化學電子傳遞的能量，非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）則反映了以熱耗散形式散發(fā)的能量[15-16].本研究結(jié)果表明，隨著滯塵時間的延長，5種常見濕地植物葉片的Fv/Fm、ΦPSⅡ及qP均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，而NPQ則逐漸上升，且不同濕地植物相關(guān)參數(shù)的升高（或降低）幅度存在顯著差異，從小到大依次為美人蕉＜蘆葦＜香蒲＜千屈菜＜水芹菜.這說明滯塵過程會破壞濕地植物的光合機制，引起光抑制現(xiàn)象，從而造成光合效率的下降.本研究結(jié)果與裘璐函等[15]和許小江等[16]的研究結(jié)果一致.

逆境脅迫常造成植物光合碳同化效率下降，主要是因為脅迫會降低光合酶的活性[17-18].核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶可催化RuBP的羧化和加氧反應，其活性直接影響光合碳同化效率；Rubisco活化酶主要負責調(diào)節(jié)RuBPCase活性大小，進而影響CO2同化效率；景天庚酮糖-1，7-二磷酸酯酶和果糖-1，6-二磷酸醛縮酶是碳同化過程中的重要限速酶，與RuBP的再生速率密切相關(guān)，控制著碳的固定和流量[18-19].本研究結(jié)果表明，隨著滯塵時間的延長，5種濕地植物葉片的RuBPCase活性和RCA活性均逐漸降低，而SBPase活性和FBA活性則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且不同濕地植物的降低幅度存在顯著差異，從小到大依次為美人蕉＜蘆葦＜香蒲＜千屈菜＜水芹菜.本結(jié)果與畢煥改等[17]和李翔等[19]的研究結(jié)果較為一致.

綜上所述，滯塵過程會顯著影響濕地植物的光合作用.5種濕地植物中，美人蕉和蘆葦?shù)臏m能力較強且光合抑制程度較小，在城市園林綠化中可作為優(yōu)先選擇的物種.