全 文 ：第 ３６ 卷第 １０ 期
２０１６年 ５月
生 态 学 报
ＡＣＴＡ ＥＣＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１０
Ｍａｙ，２０１６
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题（２０１２ＢＡＤ１６Ｂ０３）
收稿日期：２０１４⁃１２⁃１９； 　 　 网络出版日期：２０１５⁃０９⁃２８
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈｅｎｙｉｎｇ＠ ｉｂｃａｓ．ａｃ．ｃｎ
ＤＯＩ： １０．５８４６ ／ ｓｔｘｂ２０１４１２１９２５２８
杨慧玲， 魏玲玲， 叶学华， 刘国方， 杨学军， 黄振英．煤粉尘沉降对鄂尔多斯高原优势植物羊柴幼苗生长的影响．生态学报，２０１６，３６（１０）：
２８５８⁃２８６５．
Ｙａｎｇ Ｈ Ｌ， Ｗｅｉ Ｌ Ｌ， Ｙｅ Ｘ Ｈ， Ｌｉｕ Ｇ Ｆ， Ｙａｎｇ Ｘ Ｊ， Ｈｕａｎｇ Ｚ Ｙ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈｅｄｙｓａｒｕｍ ｌａｅｖｅ Ｍａｘｉｍ．， ａ ｄｏｍｉｎａｎｔ
ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｏｎ Ｏｒｄｏｓ Ｐｌａｔｅａｕ．Ａｃｔａ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１６，３６（１０）：２８５８⁃２８６５．
煤粉尘沉降对鄂尔多斯高原优势植物羊柴幼苗生长的
影响
杨慧玲１，２， 魏玲玲２， 叶学华１， 刘国方１， 杨学军１， 黄振英１，∗
１ 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京　 １０００９３
２ 河南农业大学生命科学学院，郑州　 ４５０００２
摘要：随着鄂尔多斯煤矿开采的日益加剧，开采和运输过程中产生的煤粉尘沉降已成为影响当地植物生长的一个重要影响因
子。 通过近自然生境条件下的控制实验，以鄂尔多斯高原优势植物羊柴（Ｈｅｄｙｓａｒｕｍ ｌａｅｖｅ）为研究对象，探究不同梯度煤粉尘沉
降量（０—３．５ ｍｇ ／ ｃｍ２）对其幼苗的光合生理特性和生长的影响。 研究结果表明，随着煤粉尘沉降量的增加，羊柴叶片的气孔导
度（Ｇｓ）、胞间二氧化碳浓度（Ｃｉ）、叶片水分饱和水汽压亏缺（Ｖｐｄｌ）等因子发生了不同程度的改变，导致净光合速率（Ｐｎ）和蒸
腾速率（Ｔｒ）降低，使得幼苗的植株高度、叶片数、地上和地下生物量降低。 因而，积累到一定程度的煤粉尘颗粒通过影响叶片
气孔的水汽交换过程和降低叶片表面的光照强度，影响了叶片的光合生理过程，从而抑制了羊柴幼苗的生长。
关键词：生物量；煤粉尘沉降；羊柴；净光合速率；鄂尔多斯高原；蒸腾速率
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈｅｄｙｓａｒｕｍ ｌａｅｖｅ Ｍａｘｉｍ．， ａ
ｄｏｍｉｎａｎｔ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｏｎ Ｏｒｄｏｓ Ｐｌａｔｅａｕ
ＹＡＮＧ Ｈｕｉｌｉｎｇ１，２， ＷＥＩ Ｌｉｎｇｌｉｎｇ２， ＹＥ Ｘｕｅｈｕａ１， ＬＩＵ Ｇｕｏｆａｎｇ１， ＹＡＮＧ Ｘｕｅｊｕｎ１， ＨＵＡＮＧ Ｚｈｅｎｙｉｎｇ１，∗
１ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｏｔａｎｙ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９３， Ｃｈｉｎａ
２ Ｈｅｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００２， Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｏｎ Ｏｒｄｏｓ Ｐｌａｔｅａｕ， Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ， ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｈａｓ
ｂｅｃｏｍｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｓｕｒｖｉｖａｌ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ． Ｈｅｄｙｓａｒｕｍ ｌａｅｖｅ Ｍａｘｉｍ． （Ｆａｂａｃｅａｅ），
ａ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｐｌａｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｏｎ Ｏｒｄｏｓ Ｐｌａｔｅａｕ， ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘａｍｉｎｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ ｓｏｍｅ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ
ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｄｕｒｉｎｇ ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｇｒｏｗｔｈ． Ｂｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｎｅａｒ⁃ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ， ｗｅ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈ． ｌａｅｖｅ ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ （０， ０．７， １．６， ２．３， ａｎｄ ３．５ ｍｇ ／ ｃｍ２）． Ｔｈｅ Ｌｉ⁃６４００ＸＴ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ
ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｈ． ｌａｅｖｅ ｌｅａｖｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄａｔｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｇｒｏｗｉｎｇ ｓｅａｓｏｎ ｏｆ ２０１３． Ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ
ａｎａｌｙｓｅｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ， ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ａｎｄ ｓｅｅｄｌｉｎｇ
ｇｒｏｗｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｈ． ｌａｅｖｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ： （１） ｓｔｏｍａｔａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ， ｉｎｔｅｒｎａｌ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｌｅａｆ⁃
ｔｏ⁃ａｉｒ ｖａｐｏｒ ｐｒｅｓｓｅｒ ｄｅｆｉｃｉｔ ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ
ｎｅｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ， ａｎｄ （２） ｈｅｉｇｈｔ， ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｌｅａｖｅｓ， ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｂｒａｎｃｈｅｓ， ａｎｄ ｂｉｏｍａｓｓ ｏｆ
Ｈ． ｌｅａｖｅｓｅｅｄｌｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ． Ｏｕｒ ｓｔｕｄｙ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｓｅｅｄｌｉｎｇ
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｈ． ｌａｅｖｅ ｂｙ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｓｔｏｍａｔａ ａｎｄ ａｄｖｅｒｓｅｌｙ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｇａｓ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｌｅａｖｅｓ， ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌｅａｖｅｓ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｒｅ
ｒｅｄｕｃｅｄ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： ｂｉｏｍａｓｓ； ｃｏａｌ ｄｕｓｔ； Ｈｅｄｙｓａｒｕｍ ｌａｅｖｅ； ｎｅｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒａｔｅ； Ｏｒｄｏｓ Ｐｌａｔｅａｕ； ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ
粉尘污染是大气污染的一种重要形式，它不仅会破坏环境，影响人体健康［１⁃４］，还会对植物个体的新陈代
谢和生长发育，乃至于整个植被系统造成不可估量的影响或破坏［５］。 植物叶面覆尘后往往造成叶片部分气
孔被阻塞，从而使 ＣＯ２气体交换受阻，蒸腾作用和散热作用减慢。 如：Ｋｒａｊｉｃｋｏｖａ 和 Ｍｅｊｓｔｒｉｋ 用实验证实了粉
尘对植物气孔的阻塞作用［６］；黄峰对高速路尘的研究发现绝大多数植物的覆尘叶片气孔导度降低［７］；而王宏
炜等研究表明，灰尘连续处理 ４０ｄ后，大多数种类植物的气孔导度明显下降，抑制程度接近 ５０％［８］。 光合作
用是植物代谢过程中非常重要的部分，它对周围环境的变化十分敏感，环境条件的微小改变会引起植物叶片
净光合速率的变化。 粉尘在水分存在（雾或小雨）时，易在植株叶片、枝条和花朵上形成外壳，在阻碍光合作
用所需的光线的同时，也限制了叶片外界层的气体交换，能够降低覆尘叶片的净光合速率和蒸腾速率［７］，从
而使植物的光合能力下降［９⁃１０］。 Ｄａｒｌｅｙ等研究发现水泥粉尘能够在植物叶片上形成一层水泥结壳，影响植物
的光合作用［１１］。 香梨（Ｐｙｒｕｓ ｂｒｅｔｓｃｈｎｅｕｄｅｒｉ）受降尘影响后，各个生育期的净光合速率、气孔导度和胞间二氧化
碳浓度都出现了降低［１２］。 刘俊岭等研究证明了水泥粉尘沉降能够导致水稻和油菜产量下降［１３］。 叶面粉尘
沉积的越多对植物的生理生态影响越大［１４］。 有研究表明，过量 Ｍｇ２＋与镁粉尘对玉米幼苗生长发育有显著影
响，极大地降低了叶片中的叶绿素含量［１５］。
内蒙古自治区鄂尔多斯市地处黄土高原西北部，是一个生态脆弱区，植被恢复困难，环境生态恶劣，是我
国生态修复与生态退化的难点和重点区域［１６⁃１７］。 同时鄂尔多斯煤炭资源极其丰富，近年成为我国煤炭重点
开发区。 全市 ８．７万 ｋｍ２的土地上，含煤面积约占 ７０％，现已探明储量为 １４９６亿 ｔ［１８］。 全市除了卓子山煤田、
东胜煤田、准格尔煤田三大主要煤矿，其它小煤矿在 １９９８ 年有 １９００ 多座，在 ２００４—２０１０ 年陆续关掉一些小
煤矿后截至 ２０１１年年底，全市仍有生产和在建的煤矿 ３２１座［１９］。 煤矿开采的影响主要包括采矿沉陷及其退
化的修复漏失、占用和破坏大面积土地（特别是露天开采）、污染地表水和地下水，以及在煤炭开采和运输过
程中产生的煤粉尘污染［２０］。 尤为值得注意的是煤粉尘污染，它属大气粉尘污染的一种类型，影响巨大且难以
控制［２１］。 煤粉尘污染可归因于采矿（特别是露天采矿）和路面运输［２２］。 由于我国目前还没有强制对煤炭进
行密封运输，路面运输产生的煤粉尘污染非常严重。 有研究表明，路面行车扬尘是煤矿最大的粉尘污染源，扬
尘量占全矿总产尘量的 ７０％—９０％；而在运输过程中，由于路基、道岔等设施造成的颠簸及风力作用，表面的
煤颗粒洒落到路面，再经过后续车辆的碾压，形成粒径更小密度更高的二次扬尘［２３］。 在距运输干线路边 ５ ｍ
处，空气含尘浓度高达 ７５０—８００ ｍｇ ／ ｍ３，超过国家卫生标准 ４００倍左右，空气污染相当严重［２３］。
与一般大气粉尘污染相比较，煤粉尘污染具有以下特点：１）煤粉尘污染以矿区、堆煤场和运输干线为中
心，呈点⁃网状分布，污染源明确且常年不间断产生污染［２０⁃２１］；２）煤粉尘扩散距离相对较短，且受风力和风向
的影响明显［２４⁃２５］，意味着煤粉尘的沉降相对集中；３）大部分煤粉尘是粒度大于 １０ μｍ 的颗粒，很容易在大气
中自然沉降，造成植物叶片表面的煤粉尘大量聚集［２６］；４）煤粉尘呈黑色，对植物叶片的获取光的能力影响显
著。 煤粉尘易沉降、不易扩散、污染时间持续和遮光能力强等特点，使其对植物的光合能力等生理生态特性产
生重要影响，最终影响植物的生长和存活。
羊柴（Ｈｅｄｙｓａｒｕｍ ｌａｅｖｅ）是内蒙古鄂尔多斯高原广泛分布的优势种半灌木，主要生长在典型草原和荒漠草
原区及丘陵沙地草场［２７］，常与沙柳 （ Ｓａｌｉｘ ｐｓａｍｍｏｐｈｉｌａ）、柠条 （ Ｃａｒａｇａｎａ Ｋｏｒｓｈｉｎｓｋｉｉ）、草木樨 （Ｍｅｌｉｌｏｔｕｓ
ｏｆｆｉｃｉｎａｌｉｓ）、油蒿（Ａｒｔｅｍｉｓｉａ ｏｒｄｏｓｉｃａ）和白沙蒿（Ａｒｔｅｍｉｓｉａ ｓｐｈａｅｒｏｃｅｐｈａｌａ）等植物种组成稳定的复合群落，是我国
北方旱区的优良牧草和防风固沙植物。 本文以鄂尔多斯高原优势植物种羊柴为研究对象，研究煤粉尘沉降对
９５８２　 １０期 　 　 　 杨慧玲　 等：煤粉尘沉降对鄂尔多斯高原优势植物羊柴幼苗生长的影响 　
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羊柴生长的影响，旨在探讨煤粉尘沉降对植物光合生理特性和生长的影响机理，为矿区的生态修复和干旱半
干旱区植被保护提供理论基础。
１　 材料与方法
１．１　 实验地生境概况
本实验在内蒙古鄂尔多斯草地生态系统国家野外科学观测研究站（ＯＳＥＳ， ３９°２９．１４７′ Ｎ， １１０°０８．７６１′ Ｅ；
１２９６ ｍ ａ．ｓ．ｌ．）开展。 当地年均气温 ６—９ ℃；年均降水 ３４５ ｍｍ，降水分布不均，８０％的降水主要集中在 ５—９
月（基于 １９５９—２００９的气象数据）；年平均日照时间为 ３０１１ ｈ，太阳辐射 １４０．７×４．１８ Ｊ ／ ｃｍ２；全年≥１０℃积温
２７５４ ℃；无霜期 １３７—１５４ ｄ。 该站位于鄂尔多斯高原毛乌素沙地的东北部，属于干旱和半干旱的过渡地带。
地形地貌比较复杂，梁地、块状沙地与低湿滩地相间，以沙地为主，有流动沙丘、固定及半固定沙丘。 油蒿、羊
柴、沙柳和沙地柏（Ｓａｂｉｎａ ｖｕｌｇａｒｉｓ）是固定沙丘上的优势种，白沙蒿、沙蓬（Ａｇｒｉｏｐｈｙｌｌｕｍ ｓｑｕａｒｒｏｓｕｍ）和绳虫实
（Ｃｏｒｉｓｐｅｒｍｕｍ ｄｅｃｌｉｎａｔｕｍ）是流动沙丘上的优势种［１６］。
实验站四周分布有煤矿数十座，包括乌兰煤炭集团、武家梁煤矿、赛蒙特尔煤矿、淖尔壕煤矿、特拉不拉煤
矿、朝阳煤矿等；实验站东边的包府路和南边的阿新线均是当地煤炭运输的主干线。 公路两边植物和土壤因
受煤粉尘沉降影响，明显地被蒙上一层很厚的黑色煤粉尘层，煤粉尘严重污染了植物的生长及其生境。
１．２　 实验材料
实验材料为羊柴（Ｈｅｄｙｓａｒｕｍ ｌａｅｖｅ），又称塔落岩黄芪，为豆科多年生落叶根茎半灌木。 实验包括野外调
查和控制实验两个部分。 野外调查对象为自然生境中生长的羊柴，调查其单位叶面积的煤粉尘沉降量，为后
面的室内控制实验处理提供依据；室内控制实验的实验材料为羊柴幼苗，研究不同程度煤粉尘沉降对羊柴幼
苗光合能力及生长的影响。 为保证实验植被的整齐性，于 ２０１３ 年 ６ 月 １８ 日将羊柴种子置于培养皿中在 ２５
℃的光照培养箱，待大量萌发后，将苗龄一致的幼苗移栽到装有沙质生境土的盆钵（高 ２０ ｃｍ，直径为 １２ ｃｍ）
内；而为了避免降水对煤粉尘处理的冲洗干扰，控制实验在鄂尔多斯生态站的透明遮雨棚内进行，保持棚内的
温度和光照与外界的自然生境相同；同时为保证幼苗正常生长，每隔 ３—５天施加 １ 次水分，保证植物生长不
受水分的限制。
１．３　 野外调查羊柴单位叶面积煤粉尘沉降量
选择包府路 ５５ ｋｍ处路边（距离马路 ５ ｍ）的羊柴植物自然群落进行煤粉尘沉降量调查。 随机选择 １０ 株
羊柴植株，在每株植株靠近路面和背对路面的两个方向各从植株上部到下部摘取完整、成熟的羊柴叶片 ５ 片，
分别装入自封袋中备测，共采集羊柴叶片 １００片。 将叶片带回实验室用蒸馏水进行浸泡 ２ ｈ，除去叶片上黏附
的煤粉尘附着物，浸洗液用已称重（Ｗ１）的滤纸过滤，滤后将滤纸置于 ６０ ℃烘箱中烘 １２ ｈ，再次称重（Ｗ２），２
次重量差（Ｗ２－Ｗ１）即为采集样品上所附着的降尘重量。 新鲜叶片晾干附着在表面的水分后用 Ｌｉ⁃ ３０００ｃ 便携
式叶面积仪（Ｌｉ⁃ＣＯＲ公司，美国）测定叶片面积（Ｓ），单位叶面积滞尘量（ｍｇ ／ ｃｍ２）＝ （Ｗ２－Ｗ１） ／ Ｓ。
１．４　 室内控制实验模拟不同程度煤粉尘沉降
本实验用不同浓度的煤粉尘悬浮液来模拟自然条件下不同程度大气粉尘的煤粉尘沉降量。 将煤颗粒用
研钵磨碎过 １００目筛后备用。 分别称取 ３０， ６０， １２０ ｇ和 １８０ ｇ过筛后的煤粉分别与固定容量 ３００ ｍＬ的纯净
水搅拌均匀制备成煤粉尘悬浮液，浓度分别为 ０．１、０．２、０．４、０．６ ｇ ／ ｍＬ，同时以纯净水作为对照。 实验共 ５ 个处
理，每个处理 １２个重复，共 ６０盆。 其中 ６个重复用于光合特性的测定，而另外 ６个重复用于生长相关指标的
测定。
２０１３年 ８月 ７日，羊柴幼苗生长至 １０叶期，对羊柴幼苗进行涂煤粉尘液处理：先将煤粉尘液搅匀，用毛笔
蘸上不同浓度的煤粉尘液，在羊柴每个叶片上均匀地涂一层，待其自然晾干。
１．５　 叶片光合指标的测定
分别于 ８月 １８日、９月 １５日和 １０月 ５日（选择晴朗无风的天气）对每种浓度的煤粉尘液处理其中的 ６盆
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羊柴幼苗进行了光合指标测定：对每株幼苗，挑选 １片健康、向阳、节位一致的叶片，于 １２：００ 使用 Ｌｉ⁃ ６４００ 便
携式光合仪（标准叶室 ２×３ ｃｍ，Ｌｉ⁃ＣＯＲ公司，美国）测定其光合速率及相关参数的测定。 测量的指标主要包
括叶片净光合速率（Ｐｎ， μｍｏｌＣＯ２ ｍ
－２ ｓ－１）、蒸腾速率（Ｔｒ， ｍｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１）、气孔导度（Ｇｓ， ｍｍｏｌ ｍ－２ ｓ－１）、胞间
ＣＯ２浓度（Ｃｉ， μｍｏｌ ／ ｍｏｌ）、叶片饱和水汽压亏缺（Ｖｐｄｌ， ｋＰａ）等光合生理指标。 每次读取记录 ３次瞬时值取平
均值。
测定后将被测叶片剪下，装入之前备好的自封袋中，带回实验室通过 Ｌｉ⁃ ３０００ｃ 便携式叶面积仪（Ｌｉ⁃ＣＯＲ
公司，美国）测定其叶面积。
１．６　 羊柴幼苗生长指标的测定
室内模拟实验结束于 ２０１３年 １０月 ６日，对不同煤粉尘液处理的 ６个重复盆羊柴幼苗进行了收获。 测量
并记录植株高度、叶片数和分枝数；收获后在 ７５ ℃的烘箱中烘 ４８ ｈ后，用万分之一天平称量地上生物量和地
下生物量并计算根冠比（地下生物量 ／地上生物量）。
１．７ 　 数据分析
采用单因素方差分析比较各处理之间地上生物量、地下生物量、总生物量和根冠比的差异（５％水平）以
及采用 ＬＳＤ方法进行多重比较。 对茎生物量、根生物量和总生物量进行了对数转换以保证方差齐性。 采用
相关分析比较煤粉尘沉降与叶片光合生理指标的相关关系。 所有数据分析采用统计软件 ＳＰＳＳ１３．０（ＳＰＳＳ
Ｉｎｃ．， Ｃｈｉｃａｇｏ， ＵＳＡ）进行。
２　 结果
２．１　 野外煤粉尘沉降量
野外羊柴叶片单位叶面积的煤粉尘沉降量范围为 ０．７—２．３ ｍｇ ／ ｃｍ２。 根据煤粉尘沉降量，制备相应的不
同浓度煤粉尘悬浮液用于室内模拟实验（表 １）。 其中 ０．４ ｇ ／ ｍＬ 浓度对应于野外测定的最大沉降量 ２．３ ｍｇ ／
ｃｍ２。 考虑到野外煤粉尘沉降量受污染时间、风、雨水等因素的影响，室内模拟实验设定了 ０．６ ｇ ／ ｍＬ浓度对应
于 ３．５ ｍｇ ／ ｃｍ２，超出野外测定的最大沉降量，以研究野外可能发生的更强的煤灰尘沉降量对植物生长的影响。
表 １　 自然生境下羊柴叶片单位叶面积的煤粉尘沉降量及相应的煤粉尘悬浮液不同浓度
Ｔａｂｌｅ １　 Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
测定指标 Ｉｎｄｅｘ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
叶片样品序号 Ｎｏ． ｏｆ ｌｅａｆ ｓａｍｐｌｅｓ
１ ２ ３ ４ ５
煤粉尘溶液浓度 ／ （ｇ ／ ｍＬ）
Ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ０ ０．１ ０．２ ０．４ ０．６
煤粉尘实际沉降量 ／ （ｍｇ ／ ｃｍ２）
Ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
０ ０． ７ １．６ ２．３∗ ３．５
　 　 ∗表示野外实测煤粉尘最大沉降量（ｎ＝ １００）
２．２　 煤粉尘对羊柴幼苗光合生理指标的影响
随着煤粉尘液浓度的增加，羊柴幼苗叶片的净光合速率（Ｐｎ）、蒸腾速率（Ｔｒ）、气孔导度（Ｇｓ）降低，而胞间
ＣＯ２浓度（Ｃｉ）、饱和水汽压亏缺（Ｖｐｄｌ）增加（表 ２）。 叶温（Ｔｌ）对煤粉尘液浓度的响应不一致，９月中旬前表现
出负相关关系，而生长季后期，呈正相关关系（表 ２）。 １０月 ５ 日煤粉尘沉降与羊柴幼苗光合生理指标相关性
不显著（表 ２），这可能是因为 １０月份已是接近生长季末，植物各项生理机能逐渐下降，煤粉尘沉降不再是影
响植物生理生态的关键因素。
随着 Ｔｌ、Ｇｓ、Ｔｒ、Ｖｐｄｌ增加，叶片 Ｐｎ显著增加（表 ３），而 Ｃｉ是主要影响因素，与 Ｐｎ 呈显著地负相关（Ｒ２ ＝
０．５５， Ｐ＜０．０１）；随着 Ｇｓ、Ｔｌ、Ｖｐｄｌ增加，Ｔｒ显著增加，其中 Ｇｓ 是影响叶片 Ｔｒ 的主要因子（Ｒ２ ＝ ０．７６，Ｐ＜０．０１）。
Ｖｐｄｌ通过影响 Ｔｌ而间接影响 Ｔｒ（表 ３）。 这意味着煤粉尘沉降通过影响 Ｃｉ 和 Ｇｓ，从而改变叶片的 Ｐｎ 和 Ｔｒ，
对植物生长产生影响。
１６８２　 １０期 　 　 　 杨慧玲　 等：煤粉尘沉降对鄂尔多斯高原优势植物羊柴幼苗生长的影响 　
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表 ２　 煤粉尘沉降与羊柴幼苗光合生理的相关系数
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｅａｖｅｓ′ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｈ． ｌａｅｖｅ ｓｅｅｄｌｉｎｇ
日期 Ｄａｔｅ
光合生理指标 Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆａｃｔｏｒｓ
Ｐｎ Ｔｒ Ｇｓ Ｔｌ Ｃｉ Ｖｐｄｌ
０８⁃１８ －０．９５２∗∗ －０．６７６∗∗ －０．６３３∗∗ －０．８３８∗∗ ０．９１２∗∗ －０．３６４∗
０８⁃３０ －０．７４４∗∗ －０．６１１∗∗ －０．６３８∗∗ ０．１９６ ０．７３２∗∗ ０．４９９∗∗
０９⁃１５ －０．６８３∗∗ －０．２９７∗ －０．２６２ －０．５３４∗∗ ０．７３２∗∗ ０．４９９∗∗
０９⁃２５ －０．５６５∗∗ －０．２０５ －０．２４９ ０．４２７∗∗ ０．３７５∗ ０．６３９∗∗
０９⁃３０ －０．６０２∗∗ ０．２７０ ０．０７８ ０．９０１∗∗ ０．６３６∗∗ ０．８４４∗∗
１０ ＼ ｜ ０５ ０．００２ ０．２８４ ０．０１７ ０．９２８∗∗ －０．０６４ ０．９３５∗∗
全部 Ｔｏｔａｌ －０．５７８∗∗ －０．１８５∗∗ －０．２８９∗∗ ０．０９９ ０．４３３∗∗ ０．１６７∗∗
　 　 ∗Ｐ＜０． ０５，∗∗Ｐ＜０．０１；Ｐｎ：净光合速率 ｎｅｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒａｔｅ；Ｔｒ：蒸腾速率 ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ；Ｇｓ：气孔导度 ｓｔｏｍａｔａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ；Ｔｌ：叶温 ｌｅａｆ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；Ｃｉ：胞间 ＣＯ２浓度 ｉｎｔｅｒｃｅｌｌｕｌａｒ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；Ｖｐｄｌ：叶片饱和水汽压亏缺 ｖａｐｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｅｆｉｃｉｔ ｏｆ ｌｅａｆ
表 ３　 羊柴幼苗光合生理指标的相关矩阵
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｈ． ｌａｅｖｅ ｓｅｅｄｌｉｎｇ
光合生理指标 Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆａｃｔｏｒｓ
Ｐｎ Ｔｒ Ｇｓ Ｔｌ Ｃｉ
Ｔｒ ０．５０２∗∗
Ｇｓ ０．４７９∗∗ ０．８７３∗∗
Ｔｌ ０．２６２∗∗ ０．６８１∗∗ ０．３６０∗∗
Ｃｉ －０．７４０∗∗ －０．２９３∗∗ －０．２２７∗∗ －０．１５７∗∗
Ｖｐｄｌ ０．２８８∗∗ ０．４４６∗∗ ０．１０２ ０．５５１∗∗ －０．２７０∗∗
　 　 ∗Ｐ＜０． ０５，∗∗Ｐ＜０．０１
２．３　 煤粉尘对羊柴生长特性的影响
煤粉尘对羊柴的生长特性有显著影响。 随着煤粉尘浓度的增加，羊柴幼苗植株高度和叶片数均显著降低
（图 １）。 和对照相比，０．６ ｇ ／ ｍＬ煤粉尘浓度处理显著降低了植株高度（Ｐ ＝ ０．０２５）和叶片数（Ｐ ＝ ０．０１１），而其
他处理之间没有显著差异（图 １）。 其中对照的叶片数是 ０．６ ｇ ／ ｍＬ煤粉尘浓度处理的 ２．５ 倍。 羊柴分枝数在
对照条件下高于各浓度煤粉尘处理的分枝数多，但差异不显著（Ｐ＞０．０５）。
和对照相比，羊柴总生物量随着煤粉尘液浓度的增加而逐渐减少，对照的生物量为（０．８２±０．２６） ｇ，而 ０．６
ｇ ／ ｍＬ处理的生物量仅为（０．２０±０．０２） ｇ（图 ２）。 羊柴植株的地上生物量随着煤粉尘浓度增加而降低，对照和
０．１ ｇ ／ ｍＬ处理都与 ０．６ ｇ ／ ｍＬ处理差异显著，其他处理间差异不显著。 煤粉尘处理降低了羊柴地下生物量，
０．６ ｇ ／ ｍＬ处理条件下的地下生物量显著低于对照。 羊柴植株的根冠比在对照植株与各煤粉尘浓度处理的植
株间差异不显著（图 ２）。
３　 讨论与结论
植物叶片蒙尘对光合作用的影响是一个对各环境参数敏感的复杂生理过程［２８⁃２９］。 生态因子不仅直接影
响光合作用而且还通过影响植物的生理因子进而影响光合作用，各因子之间有着错综复杂的关系［３０］。
在自然环境下，植物被认为是可以通过不间断地感应外界环境和调节气孔至合适的开度以维持光合作用
与水分散失之间的平衡［３１］。 粉尘污染对植物生长造成的影响主要是对光能的遮蔽作用［３２］、对气孔的阻塞作
用［３３］、叶表温度的改变［３４］，从而降低植物的光合作用［２２］，进而影响植物生长以及生物量的累积［３５］。 随着叶
面粉尘的沉积，堵塞气孔，导致叶片气孔导度下降；叶片通过饱和水汽压差来调整气孔的闭合，进而影响叶片
胞间 ＣＯ２浓度。 Ｎａｉｄｏｏ和 Ｃｈｉｒｋｏｏｔ表明，被煤炭粉尘覆盖的叶子，二氧化碳交换量减少，而 ＣＯ２是光合作用的
重要原料之一，其浓度会显著影响植物叶片的光合速率［３６］。 这与本实验结果一致。 对毛乌素沙地羊柴进行
煤粉尘液处理的结果表明，煤粉尘沉降改变了与光合生理密切相关的指标如胞间 ＣＯ２浓度，从而降低了叶片
２６８２ 　 生　 态　 学　 报　 　 　 ３６卷　
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图 １　 不同煤粉尘液处理对羊柴植株高度、叶片数和分枝数的影响（平均值±标准误差）
Ｆｉｇ．１　 Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏａｌ ａｓｈ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｐｌａｎｔ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｌａｎｔ ｈｅｉｇｈｔ， ｌｅａｖｅｓ ｎｕｍｂｅｒ， ａｎｄ ｂｒａｎｃｈ ｎｕｍｂｅｒ
（ｍｅａｎ±ＳＥ）
不同字母表示不同煤粉尘液浓度处理间差异显著（Ｐ＜０．０５）
的净光合速率。
叶面覆尘后，叶片气孔被阻塞，气孔扩散阻力增大，散热作用减慢，导致蒸腾速率降低。 相关分析表明，Ｇｓ
和 Ｔｌ对蒸腾速率影响较大，解释度分别为 ７６％和 ４６％。 气孔对外来刺激有很强的敏感性，植物叶面尘经过长
期积累，阻塞植物叶片气孔，影响气体交换，而 Ｈ２Ｏ 的气孔扩散速率是 ＣＯ２的 １．５６ 倍［３７］，因此气孔导度的变
化对 Ｔｒ的影响比 Ｐｎ大。 研究结果表明，煤粉尘沉降降低了羊柴叶片的气孔导度，从而降低了叶片蒸腾速率。
植物的光合能力和蒸腾速率等光合生理指标的改变，最终会影响植物生理过程，减缓植物生长［３８］。 对城
市绿化树种对粉尘污染响应的研究发现，植物生理生化指标发生明显改变，光合效率受到抑制、总叶绿素、蛋
白质含量下降、脯氨酸、丙二醛、可溶性糖含量和相对电导率上升［３９］。 这主要是由于煤粉尘沉降改变了植物
叶片的微环境，影响叶绿素合成等各种生理生化指标，从而使得植物光合作用积累受影响，形态、生长状况和
生理生态响应发生明显异常。 在实验中，煤粉尘对羊柴植株的生长产生了显著的影响，使羊柴植株高度降低，
叶片数和分枝数减少，并进一步影响到了羊柴地上和地下的生物量，使其生物量显著降低。
毛乌素沙地是我国典型的荒漠化地区，生态环境非常脆弱，而羊柴能够较好地适应沙地环境，是当地防风
固沙的优良物种之一，在维持毛乌素沙地植被稳定性方面发挥着重要的作用。 煤粉尘沉降会对羊柴的生长和
存活产生显著影响，进而影响到当地固沙植被的稳定性。 本文仅研究了煤粉尘沉降对羊柴幼苗阶段的光合生
理以及生长的影响，而没有考虑其它的生活史阶段，进一步研究需要关注煤粉尘沉降对羊柴整个生活史阶段
（比如繁殖阶段）的影响，从而全面认识植物个体对煤粉尘沉降的响应方式及其机制。 此外，煤粉尘沉降对植
物生长和存活的影响是多方面的，还有待于进一步研究煤粉尘中重金属含量对植物生长的影响以及煤粉尘重
金属对土壤特性和土壤微生物的影响等。
３６８２　 １０期 　 　 　 杨慧玲　 等：煤粉尘沉降对鄂尔多斯高原优势植物羊柴幼苗生长的影响 　
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图 ２　 不同煤粉尘液处理对羊柴地上生物量 、地下生物量、总生物量和根冠比的影响（平均值±标准误差）
Ｆｉｇ．２　 Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏａｌ ａｓｈ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄ ｂｉｏｍａｓｓ， ｒｏｏｔ ｂｉｏｍａｓｓ， ｔｏｔａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｒｏｏｔ ｔｏ ｓｈｏｏｔ ｍａｓｓｅｓ （ｍｅａｎ±
ＳＥ）
不同字母表示不同浓度煤粉尘液处理下差异显著（Ｐ＜０．０５）
致谢：感谢中国科学院植物研究所高瑞如、杨帆、何青山同学在实验中提供的帮助。
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