全 文 ：第 35 卷第 19 期
2015年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.19
Oct.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家林业公益性行业科研专项(201304301)
收稿日期:2014鄄03鄄21; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄12鄄04
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: guohh@ bjfu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201403210510
刘庆倩, 石婕, 安海龙, 曹学慧, 刘超, 尹伟伦, 夏新莉, 郭惠红.应用15N示踪研究欧美杨对 PM2.5无机成分 NH+4 和 NO-3 的吸收与分配.生态学
报,2015,35(19):6541鄄6548.
Liu Q Q, Shi J, An H L, Cao X H, Liu C, Yin W L, Xia X L, Guo H H.Absorption and Distribution of PM2.5 NH+4 and NO-3 in Populus euramericana
Neva..Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6541鄄6548.
应用 15 N示踪研究欧美杨对 PM2.5 无机成分 NH
+
4 和
NO-3 的吸收与分配
刘庆倩, 石摇 婕, 安海龙, 曹学慧, 刘摇 超, 尹伟伦, 夏新莉, 郭惠红*
北京林业大学生物科学与技术学院, 北京摇 100083
摘要:通过气溶胶发生系统模拟 PM2.5颗粒的发生,运用15N示踪技术研究了欧美杨 107(Populus euramericana Neva.)对 PM2.5中
水溶性无机成分 NH+4 和 NO
-
3 的吸收与分配规律。 结果表明,欧美杨能够有效吸收 PM2.5中的 NH
+
4 和 NO
-
3。 轻度和重度污染
下,欧美杨叶片对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收速率均于处理后第 1天达到峰值,之后,轻度污染下对 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收速率迅速降低
以后趋于稳定,而重度污染下对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收速率缓慢下降至趋于稳定。 轻度污染下的欧美杨叶片的15N含量在处理后
第 1天达到峰值,15N(NH+4)的含量为 0.11 mg / g,干重,15N(NO
-
3)的为 0.14 mg / g,干重,之后15N 含量迅速下降至趋于稳定。 重
度污染下的叶片15N含量在处理第 1天迅速增长,之后缓慢增长至处理后第 7天达到最高值,15N(NH+4 )的含量为 0.11 mg / g,干
重,15N(NO-3)的为 0.13 mg / g,干重。 处理 7 d后,欧美杨不同组织器官吸收或通过再分配获取的15N含量存在差异。 轻度污染
下,细根对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收量最高,树皮、叶柄、叶片次之,髓最低。 而重度污染下,叶片对 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收量最高,细根、
叶柄、树皮次之,髓最低。 欧美杨各组织器官中 NH+4 和 NO
-
3 的含量均表现为重度污染大于轻度污染,且两种污染程度下的欧美
杨各组织器官对 NO-3 的吸收均大于对 NH
+
4 的吸收。 重度污染下,欧美杨茎木质部对15N(NH
+
4 和 NO
-
3 )的吸收征调能力(Ndff,
Nitrogen derived from fertilizer)最大,其次为髓,叶片最小;欧美杨各组织器官中的15N 分配率表现为叶片>细根>叶柄>树皮>粗
根>茎木质部>髓。 研究结果对进一步揭示植物吸收 PM2.5的机制及有效利用植物降低颗粒物污染、净化环境提供了重要的科
学理论依据。
关键词:欧美杨;15N示踪; PM2.5; NH
+
4; NO
-
3; 吸收; 分配
Absorption and Distribution of PM2.5 NH
+
4 and NO
-
3 in Populus euramericana
Neva.
LIU Qingqian, SHI Jie, AN Hailong, CAO Xuehui, LIU Chao, YIN Weilun, XIA Xinli, GUO Huihong*
College of Biological Science and Biotechnology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
Abstract: PM2.5particles, with a diameter of 2.5 滋m or less, are the primary pollutant in the air. In this study, PM2.5
particles were generated with an aerosol generator, and absorption of NH+4 and NO
-
3 in PM2.5 and their distribution in Populus
euramericana seedlings were studied using 15N tracing techniques. The results showed that water鄄soluble inorganic
components (NH+4 and NO
-
3) in PM2.5 can be absorbed effectively by P. euramericana. Absorption rates of NH
+
4 and NO
-
3 by
P. euramericana leaves peaked one day after treatment, in both low and severe pollution treatments. Subsequently, the
absorption rates of NH+4 and NO
-
3 in the low pollution treatment decreased rapidly and then leveled off, while the absorption
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rates in the severe pollution treatment decreased slowly to a stable level. At the low pollution level, 15N content of P.
euramericana leaves peaked one day after treatment, when 15N (NH+4) content was 0.11 mg / g and that of
15N (NO-3) was
0.14 mg / g, DW. Following this peak, 15N content decreased rapidly and remained relatively steady. At the severe pollution
level, 15N content of P. euramericana leaves increased quickly in the first day of treatment before increasing slowly to reach
its maximum 7 days after treatment, when 15N (NH+4) content was 0.11 mg / g and that of
15N (NO-3) was 0.13 mg / g, DW.
15N content differed among tissues and organs of P. euramericana 7 days after treatment. In the low pollution treatment, NH+4
and NO-3 content was highest in fine roots, followed by that in bark, petiole and leaf, with the lowest content in pith.
However, in the severe pollution treatment, NH+4 and NO
-
3 content in various tissues and organs was ranked as leaf > fine
root > petiole > bark > pith. The NH+4 and NO
-
3 content of all tissues and organs of P. euramericana in the severe pollution
treatment were higher than those in the low pollution treatment. Moreover, more NO-3 was absorbed by P. euramericana than
NH+4 in both low and severe pollution treatments, which correlated well with NH
+
4 and NO
-
3 absorption rates and contents in
leaves two days after treatment. In the severe pollution treatment, the Ndff value was highest in xylem (stem), followed by
that in pith, and the lowest value was in leaf. The 15N partition rate of different tissues and organs was leaf > fine root >
petiole > bark > coarse root > xylem ( stem) > pith. Our results provide a basis for further research to elucidate the
mechanism of PM2.5absorption by plants and develop strategies to reduce particulate matter pollution using plants.
Key Words: Populus euramericana Neva.;15N tracing; PM2.5; NH
+
4; NO
-
3; absorption; distribution
工业化和城市化的迅猛发展使得大气颗粒物污染愈发严重。 大气中的颗粒物可以降低能见度、影响气候
变化[1鄄2],还会影响人及其它生物的生命健康,其中 PM2.5因其粒径小、易富集有毒有害物质、可直接经由呼吸
进入人的肺泡和血液等特点,极易诱发呼吸系统疾病甚至死亡[3],已经成为国际社会和人民群众关注的
焦点。
PM2.5由直接排入空气中的一次颗粒物和空气中的气态污染物通过化学反应生成的二次颗粒物组成。 二
次颗粒物主要由铵盐和硝酸盐组成,比如 NOx经过大气化学反应生成二次铵盐和硝酸盐,存在于大气环境
中[4]。 研究显示,水溶性无机盐是 PM2.5的主要组分,对 PM2.5质量浓度的贡献率达 40%以上,其中 NH
+
4 和
NO-3 为水溶性无机盐的主要离子[5鄄6]。 研究表明,PM2.5中亲水性较强的 NH
+
4 和 NO
-
3 对散射系数影响较大,是
PM2.5中影响能见度的主要因子[7]。 PM2.5中的 NH
+
4 和 NO
-
3 等水溶性无机离子浓度过高也会对人体健康如肺
功能产生直接影响[8]。 因此,寻求高效合理的方法消除大气中的 PM2.5,降低大气颗粒物浓度,对改善空气质
量具有重要的意义。
植物作为改善环境的天然净化器,能有效阻滞、吸附空气中的 PM2.5等颗粒物,在改善空气质量方面起着
主导作用[9鄄10]。 植物的滞尘能力与其叶片形态及叶表特征密切相关,表面粗糙、有绒毛或能够分泌黏液的叶
片更容易吸附大气中的 PM2.5等颗粒物[11]。 但之前的研究大多集中于植物叶片和枝干对大气中颗粒物的粘
附与滞留,对植物是否能够直接吸收大气中的 PM2.5等颗粒物,若能吸收其吸收及分配机制又是什么还未见研
究。 本研究借助稳定同位素15N示踪技术,以常用行道绿化树种欧美杨为研究对象,研究了其对 PM2.5无机成
分 NH+4 和 NO
-
3 的吸收与分配规律,以期为利用植物吸收 PM2.5等大气颗粒物,净化空气的理论提供科学依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 材料
供试材料为长势一致的欧美杨 107 (Populus euramericana Neva.)扦插苗,平均株高 83 cm,平均基径 0.88
cm,每株叶片数目 20片左右。 2013年 4月中旬扦插,8月中旬取材。 供试材料共 5 组(4 个处理组,1 个对照
组),每组 3株。
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1.2摇 PM2.5发生装置
气溶胶发生系统可产生固态气溶胶,是校准大气颗粒物测定的有效工具[12]。 本研究利用气溶胶发生系
统将实验溶液形成直径臆2.5 滋m的微粒,模拟 PM2.5颗粒。
图 1摇 PM2.5发生装置示意图
Fig.1摇 Illustration of the PM2.5 generation system
将15NH4NO3和 NH4 15NO3(购自上海化工研究院,丰
度为 10%)分别配制成 2 g / L 的溶液,以稳定的流速加
入气溶胶发生器(TSI3076,台湾章嘉企业有限公司)。
当植物生长室(100 cm伊50 cm伊100 cm)的气溶胶颗粒
浓度达到所需实验浓度后,将欧美杨放入植物生长室,
并通过调节流量计流速来维持实验浓度,每天处理 2 h,
处理完毕后将植物移出植物生长室,共处理 7 d。 植物
生长室内 PM2.5浓度通过 Dustmate ( DM1781, Turnkey
Instruments Ltd Northwich England)测定获得。 PM2.5发
生装置参照麦华俊等[12]的方法加以改进,如图 1所示。
1.3摇 15N同位素处理方法
当植物生长室内的 PM2.5浓度达到实验要求后,将欧美杨植株放入植物生长室。 放入前花盆上口用保鲜
膜严密覆盖,以避免室内空气中 PM2.5与土壤接触。 实验分 3组:
(1) 15NH4NO3处理摇 设置轻度污染浓度(100 滋g / m3)和重度污染浓度(200 滋g / m3)两个浓度梯度,每个
浓度梯度设 3个重复。 PM2.5浓度梯度的设置根据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)。
(2)NH4 15NO3处理摇 PM2.5浓度设置同上,每个浓度梯度设 3个重复。
(3)对照组摇 与处理组同时进行,不做通气处理。 目的是与 PM2.5处理的植株进行对照分析。
处理于每天 10:00—12:00进行,实验周期为 1周。
1.4摇 样品处理与测定指标
在处理前及处理后的 1—6d,每组样品于每日 10:00 分别从植株顶端向下第 7 片功能叶开始取样,每天
取 1片,共取 6 片。 叶片按清水寅洗涤剂寅清水寅1%盐酸寅3 次去离子水顺序冲洗后,于 105 益下杀青 30
min,随后在 80 益下烘干至恒重,电磨粉碎后过 60目筛混匀。 样品送至中国科学院植物研究所生态与环境科
学稳定同位素实验室,采用同位素比率质谱仪(型号为 DELTA V Advantage, Thermo Fisher Scientific, Inc.,
USA)测定15N丰度和全氮含量(N%)。
处理 7d后(第 7天处理的次日,即第 8天),10:00整株收获欧美杨植株。 单株样品解析为叶片、叶柄、树
皮、木质部(茎)、髓(茎)、粗根(逸2 mm)、细根( <2 mm),按上述方法测定各组织器官15N 丰度和全氮含量
(N%)。
有关计算公式[13]为:
Ndff(%)= [样品中的
15N丰度(%)-自然丰度(0.365%)]
[标记物中的15N丰度(%)-自然丰度(0.365%)]
伊100
15N吸收量(mg / g,干重)=全氮含量(mg / g,干重)伊Ndff(%)
15N分配率(%)=各组织器官从标记物中吸收的
15N量(mg / g,干重)
植株总吸收15N量(mg / g,干重)
伊100
实验数据采用 SPSS 20.0软件进行差异显著性分析,应用 Microsoft Excel 2007绘制图表。
2摇 结果与分析
2.1摇 不同处理条件下欧美杨叶片15N吸收速率和15N含量的动态变化
在轻度和重度污染处理初期,欧美杨叶片均可快速吸收 PM2.5中的 NH
+
4 和 NO
-
3(图 2)。 处理后第 1天,不
3456摇 19期 摇 摇 摇 刘庆倩摇 等:应用15N示踪研究欧美杨对 PM2.5无机成分 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收与分配 摇
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同处理条件下欧美杨叶片的15N吸收速率均达到峰值,但欧美杨叶片对15NO-3 的吸收速率均大于15NH
+
4。 轻度
污染处理下,欧美杨叶片对15N(NO-3 )的最大吸收速率为 0.135 mg g
-1 d-1,对15N(NH+4 )的最大吸收速率为
0.114 mg g-1 d-1,对15N(NO-3 )的最大吸收速率约为15N(NH
+
4 )的 1. 2 倍;重度污染处理下,欧美杨叶片对
15N(NO-3)的最大吸收速率为 0.077 mg g
-1 d-1,对15N(NH+4)的最大吸收速率为 0.058 mg g
-1 d-1,对15N(NO-3 )
的最大吸收速率约为15N(NH+4 )的 1.3 倍。 在处理 1d 内,两种轻度标记物处理的欧美杨叶片的15N 吸收速率
均大于两种重度处理,但处理 1d后,两种轻度处理的欧美杨叶片的15N吸收速率迅速下降,至处理第 2 天时15
N吸收速率已小于重度处理,之后继续缓慢下降。 两种重度处理的欧美杨叶片的15N 吸收速率在处理 1 d 后
逐渐下降,处理第 2天至处理末期逐渐趋于稳定,且均大于轻度处理的15N吸收速率。 在处理结束后,轻度污
染条件下欧美杨叶片对15NH+4 和15NO
-
3 的吸收速率无显著差异,而重度污染条件下欧美杨叶片对15NO
-
3 的吸
收速率仍大于15NH+4。
在不同污染处理的第 1天,欧美杨叶片的15N含量均显著升高(图 3),说明欧美杨叶片可快速吸收 PM2.5
中的 NH+4 和 NO
-
3。 轻度污染处理的欧美杨叶片的15N 含量均在处理第 1 天时达到峰值,15N(NH
+
4 )的含量为
0.11 mg / g,干重,15N(NO-3)的含量为 0.14 mg / g,干重。 然后,随吸收速率的迅速下降,处理后 1—3d 15N含量
显著降低,3—7d先上升后又略有下降,至处理第 7天时,欧美杨叶片的15N含量分别降至 0.045 mg / g,干重( 15
NH+4 处理)和 0.047 mg / g,干重( 15NO
-
3 处理),与处理第 1 天相比,分别下降了 59.1%和 66.4%。 重度污染处
理的欧美杨叶片的15N含量在处理第 1 天显著增长,之后,随吸收速率的缓慢降低增长趋势变缓,略有波动。
在处理后第 7天,欧美杨叶片吸收的15N含量达到最高值,重度15NH+4 处理的为 0.11 mg / g,干重,重度15NO
-
3 处
理的为 0.13 mg / g,干重。 处理 2d以后,重度处理的欧美杨叶片的15N含量均大于轻度处理,说明欧美杨叶片
对 PM2.5中 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收含量在一定浓度范围内随浓度升高而增大。 轻度和重度污染条件下,15NO
-
3 处
理的欧美杨叶片的15N含量均大于15NH+4 处理,这说明欧美杨叶片更易于吸收 PM2.5中的 NO
-
3。
摇 图 2摇 不同处理条件下欧美杨叶片15N吸收速率的动态变化
Fig.2摇 Dynamics of 15N absorption rate in P. euramericana leaves
under different treatments
摇 图 3摇 不同处理条件下欧美杨叶片15N含量的动态变化
Fig.3摇 Dynamics of 15N content in P.euramericana leaves under
different treatments
2.2摇 欧美杨不同组织器官对 PM2.5中 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收与分配
2.2.1摇 不同处理条件下欧美杨不同组织器官中的15N含量(mg / g,干重)
处理 7d后,处理组欧美杨各组织器官的15N含量均显著大于对照,说明欧美杨各组织器官均能吸收或通
过再分配获取 PM2.5中的 NH
+
4 和 NO
-
3(图 4)。 轻度和重度污染下,欧美杨不同组织器官中15N含量均有不同程
度的差异。 轻度污染下,细根的15N含量最高,树皮、叶柄、叶片次之,髓最低。 其中15NH+4 处理的细根与叶柄、
髓差异显著,与树皮、叶片差异不显著;15NO-3 处理的细根、树皮、叶柄、叶片间差异不显著,细根、叶柄与髓均
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差异显著。 而重度污染下,叶片的15N 含量最高,细根、叶柄、树皮次之,髓最低。 其中15NH+4 处理的叶片、细
根、叶柄、树皮间无显著差异,四者与髓均有显著差异;15NO-3 处理的叶片、细根、叶柄间无显著差异,三者与髓
均有显著差异。 从图 4还可得知,欧美杨各组织器官的15N含量均显示重度污染处理大于轻度污染处理,且轻
度和重度污染下的欧美杨各组织器官对 NO-3 的吸收量均大于 NH
+
4。 这与欧美杨叶片对15N 的吸收规律(图
3)一致。 重度污染下,叶片对15N(NO-3)的吸收量为 0.131 mg / g,干重,对15N(NH
+
4)的吸收量为 0.113 mg / g,干
重,对15N(NO-3)的吸收量为对15N(NH
+
4 )吸收量的 1.2 倍;细根对15N(NO
-
3 )的吸收量为 0.126 mg / g,干重,对
15N(NH+4)的吸收量为 0.097 mg / g,干重,对15N(NO
-
3)的吸收量为对15N(NH
+
4)吸收量的 1.3倍。
ABa
图 4摇 处理 7d后不同处理条件下欧美杨组织器官中的15N含量
Fig.4摇 15N content of P. euramericana tissues and organs 7 days after different treatments
误差线表示标准差,不同字母表示差异性显著(P<0.05),相同字母表示差异性不显著(P逸0.05),小写字母代表同一器官不同处理间的差
异性,大写字母代表同一处理不同器官间的差异性
2.2.2摇 不同处理条件下欧美杨不同组织器官的 Ndff(%)和15N分配率(%)
Ndff指植株器官从标记物中吸收分配到的15N 量对该器官全氮量的贡献率,它反映了植株器官对15N 的
吸收征调能力[14]。 从表 1可见,轻度污染条件下,欧美杨不同组织器官对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收征调能力无明
显规律,但叶片对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收征调能力最小。 重度污染条件下,欧美杨各组织器官对 NH
+
4 和 NO
-
3 的
吸收征调能力均为木质部最大,其次为髓,叶片最小,木质部的 Ndff 值约为叶片的 4 倍。 轻度和重度污染下,
除髓外,欧美杨各组织器官均表现为对 NO-3 的吸收征调能力大于 NH
+
4。
植株组织器官中15N占全株15N总量的百分率反映了标记物在植株体内的分布及在各组织器官迁移分配
的规律[15]。 从表 1可以看出,轻度污染条件下欧美杨各组织器官的15N 分配率亦无明显规律,但表现为细根
的15N分配率最大。 重度污染下,欧美杨各组织器官的15N 分配率表现为叶片>细根>叶柄>树皮>粗根>木质
部>髓。 叶片中15N(NH+4)和15N(NO
-
3)的分配率分别为 21.07%和 20.33%,分别为髓中15N(NH
+
4)和15N(NO
-
3)
分配率的 2.09倍和 2.42倍。 可见,叶片是欧美杨吸收 PM2.5无机成分 NH
+
4 和 NO
-
3 的最主要器官,细根是除叶
片之外吸收累积15N(NH+4 和 NO
-
3)最多的器官。
3摇 讨论
目前,虽有相关研究证实植物能够阻滞、吸附 PM2.5等颗粒物[8鄄9],但对植物是否可以吸收并分配 PM2.5等
颗粒物并无研究。 本研究通过气溶胶发生系统模拟 PM2.5发生研究欧美杨对 PM2.5中 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收与分
5456摇 19期 摇 摇 摇 刘庆倩摇 等:应用15N示踪研究欧美杨对 PM2.5无机成分 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收与分配 摇
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配,发现与对照相比,处理植株体内的 NH+4 和 NO
-
3 含量均有显著增加,证实了植物能够吸收 PM2.5颗粒物。 虽
然模拟 PM2.5颗粒物处理植株检测到的 NH
+
4 和 NO
-
3 的含量与通过叶面喷洒或涂抹处理植株后的含量相比较
低[16鄄17],但模拟 PM2.5颗粒物更能真实地反映植物对大气中 PM2.5的吸收能力,有利于揭示植物对大气中 PM2.5
颗粒物主要成分的吸收和分配机制。
表 1摇 处理 7d后不同处理条件下欧美杨组织器官的 Ndff和15N分配率
Table 1摇 Ndff and 15N partition rate of P. euramericana tissues and organs 7 days after different treatments
测定项目
Determined items
处理
Treatment
叶片
Leaf
叶柄
Petiole
树皮
Bark
木质部
Xylem
髓
Pith
粗根
Coarse root
细根
Fine root
Ndff / % 玉 0.34依0.10Cb 1.00依0.30Bb 1.03依0.12Bb 0.74依0.17BCb 1.83依0.12Ab 1.10依0.32Bb 1.07依0.35Ba
域 0.97依0.12Ca 2.15依0.45Aa 1.31依0.27BCab 1.33依0.28BCb 1.63依0.15ABb 1.24依0.40BCb 1.53依0.35BCa
芋 0.85依0.25Ea 1.93依0.35BCa 1.56依0.38CDab 3.35依0.14Aa 3.03依0.30Aa 2.18依0.50Ba 1.31依0.18DEa
郁 0.86依0.14Fa 2.49依0.42BCa 1.80依0.36DEa 3.50依0.53Aa 2.98依0.23ABa 2.20依0.14CDa 1.41依0.17EFa
15N分配率 / % 玉 17.48依3.39BCab 11.78依3.99BCDb 16.85依1.55Ba 7.57依2.07Da 10.56依1.60CDa 10.00依0.45CDa 25.76依4.58Aa
15N Partition rate 域 12.05依4.65CDb 19.49依2.27ABa 15.73依4.75BCa 9.95依3.47CDa 8.17依2.29Da 10.65依3.20CDa 23.96依4.02Aa
芋 21.07依1.90Aa 13.65依3.14BCb 12.84依2.23BCa 11.92依2.48BCa 10.08依4.56Ca 12.55依3.75BCa 17.89依4.70ABa
郁 20.33依4.18Aa 15.65依0.49BCab 13.16依2.51CDa 11.06依1.68DEa 8.40依1.24Ea 12.10依1.62CDEa 19.30依2.39ABa
摇 摇 Ndff:氮素分配率 Nitrogen derived from fertilizer; 处理玉:15NH4NO3鄄轻度;处理域:NH415NO3鄄轻度;处理芋:15NH4NO3鄄重度;处理郁:NH415NO3鄄重度
本研究发现,不同污染程度下欧美杨叶片对 PM2.5中 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收规律存在差异。 轻度污染下的欧
美杨叶片吸收的 NH+4 和 NO
-
3 含量在处理后第 1天表现出迅速增加以后,随后减少,可能是随着15N 吸收速率
的显著下降,欧美杨叶片分配至其它各组织器官的15N 含量大于从标记物中吸收的15N 含量所致,处理 3d 以
后,欧美杨叶片对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收和外运趋于平衡。 而重度污染下的欧美杨叶片对 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收量
在处理后第 1天迅速增加,之后呈缓慢增长趋势,可能是由于在此期间15N吸收速率下降的缓慢,叶片从标记
物中吸收的15N含量大于向其他各组织器官的输出。 还可能是由于轻度和重度污染下,植物对 N吸收具有不
同的平衡点所致。 关于轻度和重度污染处理后期欧美杨叶片对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收速率均较低,可能是由于
前期植物对15N产生的短期激发效应,也可能是随处理时间的延长,欧美杨叶片表面累积的 PM2.5增多,影响了
欧美杨对 PM2.5的进一步吸收。 可以推测,自然条件下,经过雨水冲洗,减小 PM2.5在叶片上的分布密度,PM2.5
被叶片吸收的速率又会有所上升。 有研究表明,植物对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收具有明显的偏好性[18]。 在本研究
中,与 NH+4 相比,欧美杨叶片(处理 2d 后)及其它组织器官对 PM2.5成分中的 NO
-
3 表现出更强的吸收和分配
能力,这与田东梅等[19]对欧美杨不同土施氮源吸收的研究结果相一致。 NO-3 被植物吸收后需先还原成 NH
+
4
才能进入后续代谢过程,因此 NO-3 易于在细胞液泡内累积,而 NH
+
4 是与 H
+进行交换吸收的,不易在细胞液泡
中累积[20鄄21],这可能是本研究欧美杨各组织器官对 PM2.5中 NO
-
3 的吸收大于 NH
+
4 的原因。
Ndff和15N分配率能够反映植株组织器官对15N 的吸收征调能力及15N 标记物在植株体内的分布和迁移
规律[14鄄15]。 本研究发现,在轻度污染条件下,欧美杨不同组织器官对 PM2.5中 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收征调能力
(Ndff)及15N分配率均无明显规律,可能与轻度污染下 PM2.5的浓度低有关。 而重度污染条件下,欧美杨茎木
质部对 PM2.5中 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收征调能力最大,其次为髓,叶片最小。 这与潘中耀[21]对橡胶树幼苗土施氮
肥的研究结果基本一致。 树干木质部和髓作为水溶性无机离子的主要运转通道及贮藏的“临时库冶 [22],可能
是欧美杨茎木质部和髓对 PM2.5中 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收征调能力较强的原因。 董雯怡等[23]在对毛白杨土施氮
肥后发现,毛白杨各器官的15N分配率为叶>根>茎。 重度污染条件下的欧美杨各组织器官的15N 分配率表现
为叶片>细根>叶柄>树皮>粗根>木质部>髓,这与前者的研究结果基本一致。 叶片是植物吸收大气中 PM2.5的
最主要器官,其吸收的15N(NH+4 和 NO
-
3)主要运输至根并在根中尤其是细根中以蛋白态形式储藏[24],这可能
是本研究中叶片和细根的15N分配率较高的原因。
6456 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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4摇 结论
(1)不同 PM2.5污染浓度下,欧美杨植株体内 NH
+
4 和 NO
-
3 含量均有增加,证实了植物能够吸收 PM2.5颗
粒物。
(2)轻度和重度污染下的欧美杨叶片均可快速吸收 PM2.5中的 NH
+
4 和 NO
-
3,并均于处理后第 1 天达到峰
值。 然后,轻度污染下的欧美杨叶片对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收速率迅速降低以后趋于稳定,而重度污染下的欧美
杨叶片对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收速率缓慢下降至趋于稳定。 处理 1d 内,欧美杨叶片对 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收速率
均表现为轻度污染大于重度污染,处理第 2天至结束,欧美杨叶片对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收速率均表现为重度污
染大于轻度污染。 整个处理期间,轻度和重度污染下的欧美杨叶片对 NO-3 的吸收速率均大于对 NH
+
4 的吸收
速率。
(3)轻度污染下,欧美杨叶片中 NH+4 和 NO
-
3 的含量于处理后第 1天达到峰值,之后迅速下降,3天以后虽
略有波动但趋于稳定。 而重度污染下,欧美杨叶片中 NH+4 和 NO
-
3 的含量在处理的第 1天迅速增长,之后仍缓
慢增长,并于处理后第 7天达到最高值。 在处理 2d后,重度污染下的欧美杨叶片的 NH+4 和 NO
-
3 的含量均大
于轻度污染下的含量,且轻度和重度污染下,欧美杨叶片对 NO-3 的吸收量均大于对 NH
+
4 的吸收量。
(4)轻度和重度污染下,欧美杨不同组织器官中 NH+4 和 NO
-
3 的含量均有不同程度的差异。 轻度污染下,
细根对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收量最高,树皮、叶柄、叶片次之,髓最低。 而重度污染下,叶片对 NH
+
4 和 NO
-
3 的吸收
量最高,细根、叶柄、树皮次之,髓最低。 重度污染下欧美杨各组织器官中 NH+4 和 NO
-
3 的含量均大于轻度污染
下的含量,且轻度和重度污染下,欧美杨各组织器官对 NO-3 的吸收量均大于对 NH
+
4 的吸收量。 这与欧美杨叶
片对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收规律一致。
(5)轻度污染下,欧美杨不同组织器官对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收征调能力(Ndff)及15N 分配率均无明显规
律。 重度污染条件下,欧美杨茎木质部对 NH+4 和 NO
-
3 的吸收征调能力最大,其次为髓,叶片最小。 欧美杨各
组织器官中 NH+4 和 NO
-
3 的分配率表现为叶片>细根>叶柄>树皮>粗根>木质部>髓。
(6)通过气溶胶发生系统模拟 PM2.5颗粒的发生,借助15N示踪技术,研究结果显示了欧美杨对 PM2.5无机
成分 NH+4 和 NO
-
3 的吸收与分配规律,对进一步揭示植物吸收 PM2.5的机制及有效利用植物降低颗粒物污染、
净化环境提供了重要的科学理论依据。
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+
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