全 文 :第31卷 第5期 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Vol.31 No.5
2011年5月 Journal of Central South University of Forestry &Technology May 2011
不同PAHs污染水平对栾树幼苗光合特性
和生长量的影响
张 华1,2,闫文德3,4,郑 威3,朱 凡3,4,梁小翠3,4
(1.山西省林业技工学校,山西 太原030009;2.国家林业局,北京100714;
3.中南林业科技大学,湖南 长沙410004;4.南方林业生态应用技术国家工程实验室,湖南 长沙410004)
摘 要: 采用温室盆栽实验,用0、2、10、50g/kg柴油与土壤的混合比例来模拟4种PAHs污染水平处理,研究
了不同PAHs污染浓度处理对栾树幼苗的光合特性和生长量的影响。结果表明:PAHs污染对栾树幼苗高生长和
叶绿素含量的增加有促进作用,对地径的增长有抑制作用;随着污染浓度的增大,对植株的高生长和叶绿素含量
增加的促进作用逐渐减小,而对地径增长的抑制作用逐渐增大;PAHs污染改变了植株光合作用日变化的午休规
律,使植株净光合速率和气孔导度的日变化曲线呈单峰曲线,且净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均有不同程度的
增大。
关键词: PAHs污染;栾树;光合特性;生长量
中图分类号: S718.55;TP392 文献标志码: A 文章编号: 1673-923X(2011)05-0111-06
Effect of different polution levels of PAHs on photosynthetic
characteristics and growth of Koelreuteria paniculata seedlings
ZHANG Hua1,2,YAN Wen-de3,4,ZHENG Wei 3,ZHU Fan3,4,LIANG Xiao-cui 3,4
(1.Shanxi Forestry Technician School,Taiyuan 030009,Shanxi,China;
2.State Forestry Administration,Beijing 100714,China;
3.Central South University of Forestry &Technology,Changsha 410004,Hunan,China;4.National Engineering
Laboratory for Applied Technology of Forestry &Ecology in South China,Changsha 410004,Hunan,China)
Abstract:PAHs is a group of organic polutions which are highly carcinogenic and widely distributed in nature.
Greenhouse pot experiments were conducted to analyze the effect of different PAHs polution on photosynthetic
characteristics and plant growth of Koelreuteria paniculata seedlings.Four polution levels of PAHs were simula-
ted by mixing diesel oil with soil at rates of 0g/kg,2g/kg,10g/kg and 50g/kg.The results show that PAHs
polution promoted the growth of height and chlorophyl content but decreased the growth of ground diameter.
With the increase of PAHs concentration,the promotion on height growth and chlorophyl content gradualy de-
creased,while the inhibition on ground diameter growth was gradualy increasing.PAHs changed the characteristic
of midday depression of photosynthesis and the diurnal variation of Pn and Cond appeared a single peak curve.Pn,
Cond and Tr increased in various degree under polution.
Key words:PAHs polution;Koelreuteria paniculata;photosynthetic characteristics;increment
收稿日期:2011-01-10
基金项目:国家自然科学基金项目(31070410、30571487、30771700、30870455);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-10-
0151);长沙市科技局项目(K1003009-61);湖南省教育厅项目(08C922)
作者简介:张 华(1972-),山西河曲人,讲师,研究方向:植物学(森林培育),目前从事造林绿化管理工作
DOI:10.14067/j.cnki.1673-923x.2011.05.031
多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,简
记为PAHs)是一类结构中含有至少两个稠环的化合
物,美 国 EPA 优 先 污 染 监 测 物 中 包 括 16 种
PAHs[1],我国国家环保局第一批公布的68种优先污
染物中PAHs有7种[2]。PAHs产生于化石燃料或
者更普遍的说是含C、H物质的不完全燃烧和高温热
解过程[3],在环境中普遍存在[4]。城市中,PAHs通
过汽车尾气和固废的排放[5]以及其它工业生产过程
(如铝、钢铁、玻璃等的生产)产生而进入环境中。
PAHs可以通过土壤-植物体和空气-植物
体两种途径被植物体所吸收。土壤-植物体是
PAHs通过受污染的土壤和植物根系之间的分配
进入植物体;空气-植物体是PAHs从空气通过气
态和颗粒态沉降到叶片的蜡质表皮或通过气孔进
入植物体[6]。而PAHs进入植物体内后,对植物体
将产生怎样的影响,以往的研究多集中在草本植物
和农作物上,本研究选取具有优良抗污能力的栾树
Koelreuteria Paniculata为研究对象,研究了不同
PAHs污染水平对栾树的光合生理特性及生长量
等的胁迫作用,为将来城市森林构建及PAHs的生
物修复提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料与实验设计
实验地设在湖南省长沙市中南林业科技大学
城市生态站内,东经112°48′,北纬28°03′。当地年
平均气温17.2℃,极端最高气温40.6℃,最低气
温-12℃,年平均降水量1 400mm,无霜期为270
~300d,日照时数年均1 677.1h,属典型的亚热带
湿润季风气候。
采用1年生栾树幼苗,平均树高为99.58cm,
平均地径1.20cm,于2006年9月移栽到高35cm、
直径30cm的塑料盆中。移栽时为保证成活,将其
枝叶全部剪掉。实验设置对照组(T0)和3个浓度
处理,对照组不加柴油,其他处理组采用与柴油混
合后的土壤模拟多环芳烃污染后的土壤,混合比例
分别为2、10、50g/kg。供试土壤的理化性质见表
1。采用自来水浇灌。
实验设3个重复。实验期间苗木放置在温室
中,以排除自然干扰,通过开窗对流及空调调节保
持室内温度与环境温度基本一致。
表1 土壤的理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of studied soil
处理
PAHs含量
/(mg·kg-1)
pH值
总有机碳
/(g·kg-1)
全氮
/(g·kg-1)
土壤含水量
/%
CK 2.40 4.84 17.21 1.33 22.0
L1 9.85 5.01 19.06 1.35 18.3
L2 23.59 4.98 23.36 1.29 16.7
L3 47.06 4.86 46.26 1.16 17.0
1.2 生长量的测定
移栽后每月测定树苗的地径和树高。地径采
用游标卡尺测量,精确到0.02mm。
1.3 叶绿素含量的测定
叶绿素含量用SPAD-502叶绿素仪测定。在
测定树苗光合特性期间,每个处理每个树种随机选
取3株苗木,在每株苗木枝条中上部随机取成熟叶
片10枚,在叶片中间位置测定叶绿素含量。
1.4 光合指标的测定
光合指标用Li-6400便携式光合分析仪测定,
测定指标有净光合速率(Pn)、光合有效辐射(Par)、
胞间CO2 浓度(Ci)、气孔导度(Cond),选择晴朗天
气对栾树幼苗叶片进行不离体测定。每个污染浓
度选取2株栾树幼苗,在其上部选择当年生成熟叶
片3片,从8:00到18:00,每间隔2h测定1次,每
次测定重复记录5次,取其平均值。
2 结果与分析
2.1 不同PAHs处理下栾树幼苗生长量
各处理下栾树幼苗的平均高生长量和平均地径
生长量情况见图1。从图1可知,随着PAHs浓度的
增加,各处理组植株的平均高生长量呈降低的趋势,
但均高于对照组 T0,T1、T2、T3 分别高出对照
67.80%、27.09%、7.89%。各处理的平均地径增长
量随着浓度的增大而不断减小,且PAHs污染下的
增长量均小于对照。说明PAHs污染处理并未对栾
树幼苗的高生长产生不利影响,反而有促进其高生
长的作用,但对栾树地径的增长有抑制作用。
不同处理的植株在半年内高生长量和地径生
长的变化规律见图2和图3。从图2和3可以看
到,植株月均高生长量和地径生长量在3、4月达到
最大,7月份植株的生长基本停止。
211 张 华,等:不同PAHs污染水平对栾树幼苗光合特性和生长量的影响 第5期
图1 不同处理下栾树幼苗6个月内的高生长和地径
生长的平均增长量
Fig.1 The average increment of height growth and
ground diameter in six months with different
polution treatments
图2 各月份不同处理植株的高生长量增量
Fig.2 Increment of height growth of plant with differ-
ent treatments in each month
图3 各月份不同处理植株的地径生长量增量
Fig.3 Increment of ground diameter growth of plant
with different treatments in each month
低浓度毒物对一些高等植物的生长有刺激作
用[7-8]。关于这种促进作用Baker曾提出的假说[9]
认为:很多植物的生长激素如生长素(anxins)和赤
霉酸(gibberelins)能够促进植物茎的延长而抑制
根的伸长,而其大都具有与PAHs类似的环状结
构,因为这种结构的相似性,PAHs可能具有与生
长激素类似的作用。在本研究中设置的中、高污染
浓度对植物的高生长也起到促进作用,原因一方面
可能是土壤中微生物与植物的联合降解作用使土
壤中污染得到一定程度上的降低;另一方面可能是
因为植物体内的PAHs来自土壤中,经过植物体内
的分配、运输中间的固定与转化,使植物顶端的嫩
芽伸长部位的PAHs浓度要远远小于植物根部,没
有达到抑制生长的污染水平。而植物地径生长部
位靠近污染土壤,受PAHs影响较大,从而使地径
的生长受到抑制。
2.2 不同PAHs处理下栾树幼苗叶绿素含量
从图4可以看出,各PAHs处理组植株叶片中
的叶绿素含量的SPAD值都较对照组要高,分别高出
4.79%、4.36%、3.73%,说明PAHs污染能够促进叶
绿素含量的增加,但各处理间差异并不显著。随着
污染浓度的增大,SPAD值下降,说明随着污染浓度
的增大,其对叶绿素含量的促进作用也逐渐减小。
包括PAHs在内的常见有机污染物往往对植物叶片
中的叶绿素带来不利影响,造成植物叶片中叶绿素
含量的减少[10-11],但也有PAHs污染能刺激植物叶
片中叶绿素含量增加的情况存在[12]。
图4 不同污染处理下植株叶片的SPAD值
Fig.4 SPAD value of plant leaves with different polu-
tion treatments
311第31卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
2.3 不同PAHs处理下植株的净光合速率和气孔
导度的日变化
PAHs可以改变植物的光合日变化进程。从6
月份栾树的净光合速率日变化曲线(见图5)可以看
出,T0 处理下植株的净光合速率呈双峰曲线,其第1
个峰值出现在9:00左右,第2个峰出现在13:00左
右;而T1、T2、T3 处理的净光合速率则呈现单峰曲
线,T1、T3 峰值出现在9:00左右,与T0 的第1个峰
出现时间一样,T2 处理的峰值出现在11:00左右。
气孔导度日变化同净光合速率的变化趋势一
致(见图5)。受外界环境因素影响,无污染的对照
组呈双峰曲线,峰值出现在9:00和13:00,而在
PAHs污染下的各处理组Cond的日变化呈单峰曲
线,峰值出现在11:00。
根据Farquha和Sharkey的观点和目前国内学
者常用的光合速率降低分析方法[13-14],分析图5中
Pn和Ci的日变化曲线,可以发现,在PAHs污染
下气孔限制和非气孔限制对光合作用的影响结果
不同,在10:00到14:00之间,各处理组的净光合
速率所受限制为气孔限制,所以其净光合速率取决
于气孔导度的变化。PAHs通过影响植物叶片气
孔导度,改变其正常的午休规律,减缓午间净光合
速率下降的趋势,最终减轻植物午休现象,从而使
污染处理下的Pn日变化曲线呈单峰曲线。
2.4 不同PAHs处理下植株光合参数的响应特性
从图6可以发现,栾树叶片的Pn和Cond在
T1、T2、T3 间差异不显著,T0 与T1、T2、T3 间差异
显著;净光合速率的平均值 T1、T2、T3 分别比 T0
高出107.87%、108.62%、72.30%,气孔导度的平
均值 分 别 高 出 对 照 组 152.72%、188.50%、
143.68%。
从Tr对不同污染处理的响应(见图6)可以看
出,T1、T2、T33个污染处理组的平均Tr明显高于
对照组,分别高出158.12%、241.51%、114.32%,
差异十分显著。不同污染组之间的 Tr则是 T2>
T1>T3。
Ci对不同污染浓度处理的反应则相对不太敏
感,各处理间差异非常小。
由上述结果可知,Cond、Tr和Pn对污染处理
响应的规律十分相似。由2.3中结论可知,3个
PAHs污染水平下光合作用所受限制均为气孔限
制,所以Pn变化规律取决于Cond的变化,而Cond
在一定程度上控制着叶片的蒸腾作用,所以叶片蒸
腾速率的变化与Cond相似。
图5 6月份不同处理植株的净光合速率日变化、气孔
导度及胞间CO2 日变化
Fig.5 Diurnal variation of net photosynthetic rate
(Pn),stomatal conductance(Cond)and in-
tercelular CO2concentration(Ci)of plant in
different treatments in June
411 张 华,等:不同PAHs污染水平对栾树幼苗光合特性和生长量的影响 第5期
图6 不同污染处理下植株净光合速率(Pn)、气孔导度(Cond)、胞间CO2 浓度(Ci)及蒸腾速率(Tr)日平均值
Fig.6 Daily averages of net photosynthetic rate(Pn),stomatal conductance(Cond),intercelular CO2concen-
tration(Ci)and transpiration rate(Tr)of plant in different polution treatments
3 结论与讨论
在PAHs污染下,栾树表现出了良好的抗逆性
能。污染处理组植株的平均高生长量均高于对照
组,PAHs并未对栾树幼苗的高生长产生不利影
响,反而有促进其高生长的作用。而地径平均增长
量随着浓度的增大而不断减小,且各污染处理下的
增长量均小于对照,说明PAHs对栾树地径的增长
产生了抑制作用。这种差异可能是由于多环芳烃
在植物体内的分布不均所造成的,需要进一步
研究。
PAHs污染极大地改变了植株叶片气孔导度
的日变化规律,使其日变化呈单峰曲线,且使得污
染处理下气孔导度也远高于对照组,从而使污染处
理下的净光合速率日变化随之呈现单峰曲线。
PAHs污染处理也促进植物叶片中叶绿素含量的
增加,其叶绿素含量随着污染浓度的增大而逐渐减
小。由于叶片叶绿素含量的消长规律是反映叶片
生理活性变化的重要指标之一[15],与叶片光合机能
大小具有密切的关系,所以PAHs污染对植物光合
作用起到促进作用,使污染处理组的净光合速率、
蒸腾速率均高于对照组。这样污染处理对光合作
用的促进作用间接地也促进了污染下植物的生长
活动。而叶绿素在PAHs污染下出现增长的生理
原因还有待探讨。
参考文献:
[1] Joseph S.Exposure to carcinogenic PAHs in the environment
[J].Environment Science and Technology,1992,26 (7):
1278-1284.
[2] 中国环境优先监测研究课题组编.环境优先污染物[M].北
京:中国环境科学出版社,1989:485-489.
[3] Badger G M.Mode of formation of carcinogens in human envi-
ronment[J].National Cancer Institute monograph,1962,9:1
-16.
511第31卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
[4] Wolfgang Wilcke.SYNOPSIS Polycyclic Aromatic Hydrocar-
bons(PAHs)in Soil:a Review[J].Plant Nutr.Soil Sci.,
2000,163(3):229-248
[5] Zakaria M P,Takada H,Tsutsumi S,et al.Distribution of
polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)in rivers and estu-
aries in Malaysia:A widespread input of petrogenic PAHs
[J].Environmental Science and Technology,2002,36(9):
1907-1918.
[6] Simonnich S L,Hites R A.Organic polutant accumulation in
vegetation[J].Environment Science and Technology,1995,
29(12):2905-2914.
[7] Maliszewska-Kordybach B,Smreczak B.Ecotoxicological
activity of soils poluted with polycyclic aromatic hydrocar-
bons(PAHs)-Effect on plants[J].Environmental Technol-
ogy,2000,21(10):1099-1110
[8] 刘亚云,孙红斌,陈桂珠.多氯联苯(PCBs)污染对秋茄Kande-
lia candel生长的影响[J].海洋环境科学,2007,26(1):23
-27.
[9] Baker J M.The effects of oils on plant physiology[C]//Cow-
el E B .The Ecological Effects of Oil Polution on Littoral
Communities.England:Applied Science Publishers,1971:88
-98.
[10] 王泽港,骆剑峰,高红明,等.1,2,4-三氯苯和萘对水稻抽穗
期叶片光合特性的影响[J].中国农业科学,2005,38(6):
1113-1119.
[11] Flocco C G,Lobalbo A,Carranza M P,et al.Removal of
Phenol by Alfalfa Plants(Medicago sativa L.)Grown in
Hydroponics and its Effect on Some Physiological Parameters
[J].Acta Biotechnologia,2002,22:43-54.
[12] 陆志强.多环芳烃对秋茄幼苗的生理生态效应及其在九江口
红树林湿地的含量和分布[D].厦门:厦门大学,2002.
[13] 许大全.光合作用气孔限制分析中一些问题[J].植物生理学
通讯,1997,33(4):241-244.
[14] 关义新.水分胁迫下植物叶片光合的气孔和非气孔限制[J].
植物生理学通讯,1995,31(4):293-297.
[15] 胡昌浩,王群瑛.玉米不同叶位叶片叶绿素与光合强度变化
规律的研究[J].山东农业大学学报,1987,20(1):43-47.
[本文编校:谢荣秀
櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂
]
(上接第95页)
过氧化氢酶与磷酸酶活性呈极显著正相关(r=
0.436,p<0.01);磷酸酶与多酚氧化酶活性呈现出
极显著的正相关关系(r=0.493,p<0.01)。
参考文献:
[1] Wild S R,Jones K C.Polynuclear aromatic hydrocarbons in
the United Kingdom environment:apreliminary source inven-
tory and budget[J].Environmental Polution,1995,88:91
-108.
[2] Liang J,Ma G,Fang H,et al.Polycyclic aromatic hydrocar-
bon concentrations in urban soils representing different land
use categories in Shanghai[J].Environmental Earth Sciences,
2010,62(1),33-42.
[3] 张咏梅,周国逸,吴 宁.土壤酶学的研究进展[J].热带亚热
带植物学报,2004,12(1):83-90.
[4] 宫 璇,李培军,张海荣,等.土壤的芘污染与土壤酶活性[J].
农村生态环境,2004,20(3):53-55,59.
[5] 宫 璇,李培军,张海荣,等.菲对土壤酶活性的影响[J].农业
环境科学学报,2004,23(5):981-984.
[6] 朱 凡,田大伦,闫文德,等.多环芳烃对2种南方绿化树种生
长的影响[J].中南林业科技大学学报,2008,28(6):25-29
[7] 宋雪英,宋玉芳,孙铁珩,等.柴油污染土壤对小麦种子萌发
及幼苗生长的生态毒性效应[J].农业环境科学学报,2006,
25(3):554-559.
[8] 田大伦.杉木林生态系统定位研究方法[M].北京:科学出版
社,2004:216-217,307-311,201-203,142-144.
[9] 关松荫.土壤酶及其研究方法[M].北京:中国农业出版社,
1986:309-327.
[10] 严昶升.土壤肥力研究方法[M].北京:农业出版社,1988:
248-250.
[11] 周礼恺.土壤酶学[M].北京:科学出版社,1987.
[12] Chen Y,Wang C X,Wang Z J,et al.Assessment of the
contamination and genotoxicity of irrigated with wastewater
[J].Plant and Soil,2004,261:189-196.
[13] 马恒亮,占新华,张晓斌,等.小麦/苜蓿套作对菲污染土壤酶
活性的影响[J].环境科学,2009,30(12):3684-3690.
[本文编校:谢荣秀]
611 张 华,等:不同PAHs污染水平对栾树幼苗光合特性和生长量的影响 第5期