全 文 :热带亚热带植物学报 2003,1 1(4):348~357
Jouma/of Tropical and Subtropical Botany
植物监测大气污染及其抗性
温 学 孔国辉 彭长连 林桂珠
薛克娜 2 陆耀东2吴芝扬2刘世忠
(1.中国科学院华南植物研究所,广东 广州I 510650;2广东省佛1h市林业科学研究所,广东 佛山 528000)
摘要:研究了在佛 -rh不同污染点东村和五星盆栽的 30种绿化植物的叶面积、Fv/Fm、叶片细胞膜渗漏率及光合色素
含量相对于清洁对照点华南植物园的差异。结果显示,大气污染条件下,绿化植物叶片的生长受到抑制 ,PSII最大光化
学效率 卜降,光合色素发生降解 ,细胞膜受到了伤害。各实验点所仃植物叶面积 、Fv/Fm及光合色素含量平均值均为:
植物园 五星 >东村,而叶片细胞膜渗漏率平均值为:植物园 <五星 <东村 ,与大气污染程度相一致 。方差分析表明,
上述指标【{j叶面积对火气污染最敏感,Fv/Fm受种问差异影响最小 受大气污染影响,各生理参数的变化具有不相关
性。各项 l 理参数均表现出抗性的种有 自挂木 rtoccwplL~ ’7)f Ms)、环榕 (Ficus annulata)、广宁油茶(Camellia
semL~errata);而枫香(Liqui&unbar r肌) 1“)为敏感种。
关键词 :大气污染监洲 ;绿化植物;生理参数;植物抗性
中图分类号:Q945.1l 文献标识码:A 文章编号:1005-3395(2003)04-0348-10
Air Pollution M onitoring by Plants and Plant Resistance
WEN Xue KONG Guo一1 L1 i’ PEY~,.Cf1ail l i atl ’ LIN Gui.zhu
XUE Ke—na LU Yao.dong WU Zhi-yang LIU Shi—zhong
r1 Soutit China Institute of ,·f“,z tl1e Chirte;
2 Foshan Institute oj’Forestr)
4 rodem一 矿. :rlerwes,Guangzhou 510650,China;
rietlcc Foshan 528000,China)
Abstracts:Several physiological parameters were compared including leaf area,cell membrane leakage rate,
Fv/Fm and photosynthetic pigments content in leaves of 30 species ofplants for urban greening. potted in two air
poluted sites,Wuxing(WX)and Dongcun(DC),Foshan City,Ouangdong Province,and one less poluted site at
South China Botanical Garden in Guangzhou(BG)for contro1.After growing for 3-5 months,the growth of leaves
was inhibited and maximal photochemical eficiency of PS II and content of photosynthetic pigments decreased in
most plants at tw o polluted sites in comparison with the less polluted site,The average values of leaf area,Fv/Fm,
an d photosynthetic pigm ents content at each site were in the order of BG>W X>DC, while the average values of
cell membran e leak age rate were in the con~ary.Data analysis showed that leaf area was the most sensitive one to
air pollution an d FV/Fm was slightly afected by diferent species.According to the tested parameters.it is
concluded that A rtocarpus hypargyreus,Ficus annulata and Camellia semiserrata are resistant species while
Liquidambar formos is sensitive one.
Key words:Air pollution monitoring;Plants for urban greening;Physiological parameters;Resistant plan t to air
pollution
收稿 日期 :2003—06—09 接受 日期 :2003—09—04
基金项目:佛山市科学技术局科技发展专项资金 (0102007A);广东省环境保护局科技开发项 目(1998—09)资助
通讯作者 Corresponding author
中国科学院华南植物研究所欧志英参与部分实验并为本文提出许多宝贵意见,在此致谢。
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第 4期 温学等:植物监测大气污染及其抗性
广东是我 国经济增长迅速 、城市化进程较快的
地区,在经济发展的同时也伴随着生态环境的日益
恶化。以广东省佛山市南海区为例,据该区环保局
公 布 的数 据 ,2001年 南 海 区煤 炭 消 费 总 量 为
1.01 Mt,燃料油消费总量为 1.20 Mt,燃料燃烧产生
工业废气 3.46x10mm ,排放二氧化硫 42 185 t,烟尘
5 333 t,工业粉尘排放量 1 605 t。与 2000年相比,废
气排放量增加 2.6%,二氧化硫增加 0.6%,主要排
污行业为火力发电业和陶瓷业。2001年,全市平均
酸雨频率为 75.8%,酸雨量占总雨量的 80.9%,降
水平均 pH值为 4.48。与 2000年相比,酸雨频率上
升 19.3%,降水平均 pH值下降 0.28个 pH单位。酸
雨频率高于, 东省平均水 ,且有上升趋势 ]。 目
前,植物在监测大气质量和改善环境污染中的作用
已日益为人们所重视。植物在吸尘吸噪音、释放氧
气、水蒸气和香气方面 的作用是其它措施所不及
的回。根据植物 受大气污染物伤 害的不同程度筛
选抗性植物,自六、七十年代以来一直是研究热点。
研 究较多的大气污染物是:SOz、C1 、NO 、O 、PAN、
氟化物、粉尘、烟尘等【3]。采用的检测手段多以叶片
外观伤害症状、植株长势等来判断植物受伤害程
度。近年又通过叶片解剖形态和生理生化特征来评
价植物的抗污能力[4 。本实验在我国主要陶瓷生产
基地之一的广东省佛 山市选择两个大气污染点,盆
栽 70余种城市绿化植物进行抗大气污染能力的评
估,比较了其 中 30种绿化植物对大气污染响应的
差异 ,探讨太气污染对植物的伤害及植物的抗性机
理 ,同时为筛选 高抗性 的城市绿化树种提供参考
依据 。
1材料和方法
实验地点 选择佛 山市南海区五星和禅城
区东村为大气污染点,两试验点周 围陶瓷工业发
达 ,因受陶瓷工业废气的影响,当地大气污染比较
严重。同时以广州华南植物园为相对清洁对照点。
植物材料 试验盆苗在佛山林科所 (位于南
海区小塘镇 )于 2002年 3月上盆栽种,苗龄 1—2 a,
个别种为营养繁殖,土壤、基肥一致 。同年 6月初,
盆苗分别放置于 3处试验点,每点每种植物 5盆重
复,常规水肥管理。2002年 9—1 1月间取当年生成熟
叶作各项分析测定。测定植物共 30种。
叶面积测定 用 CI-302激光叶面积仪测定
盆苗 白移入试验点后长 出的成熟叶片面积,每株测
2至 5片叶。
光合色素测定 以 80%丙酮提取,分光光度
计 (Beckman DU.7)测定叶绿素及类胡萝 卜素含量同。
细胞膜 的渗透 率 取数 量相等 的 叶圆片
(d=0.65 cm)用蒸馏水浸泡 3 h,以 DDS-11型 电导
仪测浸 出液在煮沸前后的电导度 ,计算相对 电导
率,以百分率表示。
叶绿素荧光测定 采用彭长连等[71的方法 ,
用脉冲调制 荧光仪 (Pulse Amplitude Modulation
Fluorometer,PAM,Walz,Germany)测定叶片的叶
绿素荧光诱导曲线。原初光 (Fo)是用暗适应 15 min
的叶片在弱调制测量光 (0.05 la mol m 2s。)诱 导下
产生的,最大荧光 (Fm)则在 Fo之后用强饱和脉冲
(5 000la mol m。2s。)激发。采样时间均为上午 9点
到 10点,采回后即时测定。
2结果和分析
2.1植物对大气污染 的响应
2.1.1叶面积
叶面积能较为直观地反映植物生长状况。与对
照相比 (表 1),在五星点和东村点生长的植物叶面
积均有不同程度减小,植物园对照点、五星点、东村
点所 测植 物 叶面 积平 均值 分 别 为 :69.64、45.63、
36.82 cm 。东村点大气污染对植物叶面积影响大于
五星点 。
与对照相比,各污染点不同植物叶面积减小程
度不同,五星点叶面积变化显著的 (>50%)是腊肠
树、盆架树、印度紫檀、海南木莲、枫香 ,东村为中国
无忧树、腊肠树、海南红豆、小叶胭脂、吊灯树、红桂
木、猫尾木、乐昌含笑,部分植株叶片已全部脱落 。
叶面积基本未受影响 (变化在 11%以下 )的种 ,在
五星点是乐昌含笑 、菩提树、海南红豆、白桂木、环
榕、灰莉、广宁油茶、山茶、仪花、乐昌含笑等,在东
村点的叶面积降幅较少 (16%-28%)者为环榕、仪
花、广宁油茶、细叶榕、菩提树、毛黄肉楠。从两试验
点看,桑科(包括菩提树、细叶榕、环榕、傅园榕、红桂
木、白桂木和小叶胭脂)和 山茶科 (包括 山茶、广宁
油茶和石笔木 )的种类叶面积受大气污染影响而变
小的程度低,即叶面积变化率较低。
2.1.2细胞膜渗漏率
细胞膜渗漏率是反映膜系统稳定性 的一个重
要指标 ,受大气污染的伤害,植物叶片细胞膜渗漏
率也发生变化 (表 2)。植物园、五星、东村点该指标
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350 热 带 亚热 带植 物 学报 第 ll卷
表 I 3个实验点的植物叶面积(锄 )
Table I I朋 f area (cm )ofplants grown at three experimental sites
’表示测定时叶片已脱落。Al the leaves had fallen when determined.
括号中的数字为相对植物 园对照点增加或减少的百分比,下同。 Numbersinparenthesesaretheincreasedordecreasedpercentages
compared withthe contro1.The s啪 eforthefollowingtables.
平均值分别为:13.87%、12.36%、17.77%,说明东村
的绿化植物叶片细胞膜受大气污染的伤害较大。
与叶面积变化不同的是,各种植物细胞膜渗漏
率有升有降,因种而异。五星点,植物中膜渗漏率明
显增加 (+41%-48%)的种是傅园榕 、菩提树、竹节
树等 ,东村点为海南木莲 、幌伞枫 、灰莉 、华润楠
(+77%-145%)。与在植物园点的膜渗漏率基本相
同的种 ,在五星点是印度紫檀、华润楠 、乐 昌含笑、
灰莉、中国无忧树和广宁油茶,东村点有乐昌含笑、
铁冬青、灰木莲、小叶胭脂、盆架树、石笔木。此外五
星点出现了渗漏明显降低的种:铁冬青、海南红豆、
白桂木、柳叶润楠和腊肠树。虽然以往熏气实验中,
出现过一些抗性种,其在污染物浓度低于伤害阈值
时,渗漏率有所降低[8一,但是降幅达 40%以上 的情
况还未出现过,原因有待进一步研究。从实验数据
看,渗漏率下降并非个别,因此即使有实验偶然误
差存在 ,仍不能忽视污染点生长的植物叶片细胞渗
漏率下降的事实。
2.1.3光合色素含量
植物叶片叶绿素的含量也受到大气污染影响,
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第 4期 温学等:植物监测大气污染及其抗性 351
衰 2 3个 实验点 檀物细 胞渗 漏率 的变化
Table 2 Cell membrane leakage rate in leaves ofplants grown at three experimental sites
有些种叶绿素含量上升而有些种则下降,以下降为
主 (表 3,4)。植物园对照点、五星点和东村点被测
植物 叶绿素 a含量 的平均值 分别 为:l9.83、l9.35、
l6.49 u g cm~,叶绿素 b含量的平均值分别为 7.42、
7.33、6.27u g cm~,东村 点叶绿 素含量 受影 响较
大。
受大气污染影响,五星点植物叶绿素 a,b含量
降低明显 的种有:印度紫檀 、中国无忧树、灰木莲
等,东村点的海南木莲、中国无忧树、枫香、乐昌含
笑的叶绿素含量也明显低于对照。叶绿素含量与对
照相当的种,在五星有柳叶润楠 、细叶榕 、灰莉、广
宁油茶 、乐昌含笑、腊肠树等,东村点有小叶胭脂、
红桂木 、华润楠 、石笔木 、细叶榕、傅园榕 、幌伞枫
等 。叶绿素含量上升较多的是五星点的竹节树、毛
黄 肉楠、铁冬青、小叶胭脂、山茶、海南红豆、红桂木
和 幌伞枫 ,东村点的竹节树 、腊肠树 、环榕和幌伞
枫。
类胡萝 卜素含量也受大气污染影响 (表 5)。多
数植物叶片的类胡萝 卜素含量在不同实验点变化
趋势与叶绿素变化趋势相同,变化幅度相近。植物
园对照点、五星点和东村点植物类胡萝 卜素含量平
均值分别为:9.49,9.63,8.52 u g cm~,也是东村点
受影响较大。
2.1.4叶绿素荧光参数
叶绿素荧光参数 F伽 代表叶绿体光系统 II
的原初光能转换效率。因其对样品的无破坏性 ,反
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352 热 带亚 热带植物 学报 第 11卷
表 3 3个实验点的植物叶片叶绿素 a含量 ( cm-2)
Table 3 Chlorophyl a contents(¨g cm‘ )in leaves ofplants grown at three experimental sites
应灵敏,测定快速lⅧ,近年来被广泛应用于植物对逆
境的响应研究。已有实验数据表明,植物的荧光参
数与大气污染程度之间具有一定的相关性 ,不同植
物的荧光参数对大气污染的响应有显著性差别,可
以作为环境评价的重要依据l“ 。从表 6看出,同种
植物 Fv/Fm在不同点受大气污染影响后降低程度
不同,各实验点所有植物叶片 Fv/Fm的平均值:植
物园对照点 0.71、五星 0.65、东村 0.61,东村 点大气
污染对该参数影响稍大于五星。
与对照相比,五星点的白桂木、海南红豆 、小叶
胭脂、幌伞枫、菩提树等 Fv/Fm值明显降低,东村点
降幅明显 的则是细叶榕 、灰莉 、山茶、傅 园榕、小叶
胭脂等。五星点降幅较小的是猫尾木、刺果番荔枝、
山茶、枫香、灰莉、仪花、柳叶润楠等,其余种均与对
照接近。东村点与对照接近的有吊灯树、乐昌含笑、
盆架树、灰木莲、红桂木、白桂木、竹节树、中国无忧
树、毛黄 肉楠 。
2.2不同生理参数受大气污染影响而变化的相互关系
方差分析表明 (表 7)各生理参数受植物种类
与污染点交互作用的影响极显著,不同实验点间,
只有光合色素含量比值的差异不显著。
将各指标的相对值作相关性分析 (两污染点相
似,以五星为例 ,见表 8),只有不同光合色素相对
含量之间存在显著相关。
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第 4期 温学等:植物监测大气污染及其抗性 353
表 4 3个实验点的植物叶片叶绿素 b含量Cug cm )
Tab1e 4 Chlorophyl b contents(u g cm。)in leaves ofplants grown at three experimental sites
3讨论
3.1大气 污染对绿化植物 的影响
本实验中,在五星点和东村点的实验植物的各
项生理参数平均值一致反映出,植物在东村受损伤
程度最大,说明东村的大气环境更不利于植物生
长。因为东村陶瓷工业较五星发达,初步测量结果
显示东村点大气中二氧化硫及氟化物含量明显高
于五星点 (结果另文发表)。表明多物种某一生理
指标的整体水平可以作为环境监测中的生物指示
因子 。
3.2不 同植物对 大气 污染的响应
理论上,根据不同植物在 同种污染物作用下的
伤害阈值不同,可 以确定不同物种对此污染物的抗
性等级 3】。由于测量大量植株多项指标的伤害阈值
不可行 ,因此可根据污染点与对照点相对值的大小
判断植物抗性 。实验数据表明,同一植物不 同生理
指标对环境污染的响应不相同,从而 ,得到的抗性
等级不同,本实验中只有少数生理指标反映出相 同
的抗性等级,五星点的枫香和刺果番荔枝是敏感
种,抗性强的种为 白桂木、柳叶润楠、铁冬青、山茶、
红桂木、环榕 、广宁油茶、乐昌含笑、细叶榕 、傅园榕
和竹节树 ;东村点抗性强的种是 白桂木、环榕 、广宁
油茶、幌伞枫 、毛黄 肉楠,敏感种是海南红豆、中国
无忧树、枫香、海南木莲、印度紫檀 。另外 ,菩提树、
海南红豆 、盆架树、铁冬青 、仪花 、灰莉等 的抗性 已
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354 热带 亚热带 植物 学报 第 11卷
表 5 3个实验点檀物叶片类胡萝 卜素的含■(pg CIn-2)
Table 5 Carotenoid contents( g cm。 )in leaves ofplants grown at three experimental sites
有试验 ,其结论与本试验五星点结果较为一致。
综合考察两点的植物抗性可知,对两地大气污染抗
性强的种是白桂木、环榕、广宁油茶,敏感种为枫香。
3.3不同检测指标对大气污染的响应及伤害机理探讨
方差分析表明,三地的大气状况使 9个分析参
数中 7个产生极显著差异,说明,大气污染直接影
响这 7个生理指标,在评价大气污染状况及植物抗
性时这些指标均可作为参考。其中,叶面积对大气
污染反应最灵敏;Fv/Fm受种间差异影响最小:叶片
细 胞 膜 渗 漏 率 种 间 变 化 趋 势 则 明 显 不 一 致 。
叶面积反映了植株的生长情况,比其他参数更
综合地反映出环境对植物的影响。叶面积变小说明
植株生长受到抑制甚至出现早衰。本实验证实叶面
积与大气污染显著相关 ,并且是几个生理参数中反
应最灵敏的,因而适合作环境评价及抗性评价指标。
已有大量实验采用细胞膜渗漏率监测植物受
污染物伤害情况。SO:熏蒸实验表明Is,g],当 SO:浓度
超过一定阈值时 ,叶组织的渗漏率大增 ,且渗漏量
越大,随后的可见伤害症状越严重,在达到阈值之
前,渗漏率随污染物浓度升高而小幅波动 ;复合熏
气实验证明,SO:和 HF对植物 叶片渗漏率的影响
不是增效反应也无拮抗效应【l51。由此可知叶组织渗
漏率能较好地反映植物受损伤程度 。本实验中,渗
漏率大体反映了大气污染对植物的影响,但出现了
渗漏率受大气污染影响而明显降低的情况,可能由
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第 4期 温 学等 :植物监测大气污染及其抗性 355
裹 6 3个 实验点 植物 叶片 Fv/Fm 的变化
Table 6 Fv/Fm in leaves ofplants grown at three experimental sites
裹 7 不同物种不同实验点爰其交互作用对各参数影响的 F值爰其丑着性水平
Table7 Fvalues andtheir significancesfortheefectsofdiferent speciesan d experimen tal sitesan dtheirinteractionsOnleafarea,
membranelea~ e rate,Fv/Fmand contentsofphotosyntheticpigmentsinplants
‘
:P≤O.05;“ :P≤0.01;“‘:P≤10’。;”” :P≤ l
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356 热 带 热带博物 学报
表 8 各指标 相对 值之 间的相 关性
Table 8 Correlation index between relative、alues of items
第 11卷
:Corelation index≥O.361; :Corelation index≥O.463(Df-28)
于对照点存在其他胁迫因子 导致某些种的渗漏率
上升,其原因有待进一步研究。因此,该牛理参数用
于评价大气污染状况或植物抗性时须同时考虑其
他参数。
叶绿素荧光参数和光合色素含量均是与光合
作用有关的生理指标。叶绿素荧光参数 已成功的用
于检测大气中臭氧对植物 的损伤及植物对臭氧的
抗性评 ,但是关于污染物 导致荧光参数 Fv/Fm
降低的机理,H前仍无定论。另外需指出的是,不
胁迫条件下,植物所需暗适应的时间会有所差异,
暗适应时间过 长或过短都会造成误差㈣,降低数据
可比性。叶绿素丧失与大气污染有关,其机理有多
种假设:Lendzian口 认为 SO2使叶缘与u.}‘脉问叶绿
体分解 ,叶绿素破坏。Halgren ”认为 SO 诱导叶绿
素 酶解 ,产生脱植基 叶绿素 ,Ziegle 的研 究则表
明,SO2熏蒸产生了脱镁叶绿素,还有一种说法是,
S02诱 导 产 牛 自 由基 ,进 而 造 成 叶 绿 素 的 破
坏 。Sakaki等 研究表明,Chla比 Chlb对 自由基
更敏感,凶f『】Chla/Chlb的下降能够作为 自由基假
说的汪据,陈小勇 、张其德等[203对个别物种熏蒸实
验结果表明 S02作用下 Chla比 Chlb略敏感。本实
验中,方差分析表明,Chla/Chlb受污染物影响不显
著,据此推测 闩『扫基诱导可能不是造成叶绿素损失
的主要原因,村苔藓及多种高等植物的研究[2.26,2 表
明叶绿素被漂 白产生脱镁叶绿素的说法似乎更合
理。另外,叶绿素相对含量 相对荧光参数之间
存在相关性,证明叶绿素含量在一定范围内的丧失
不会影响光合作用,卢从明等研究的结果㈣也表明
叶片衰老过程巾 Fv/Fm降低 明显滞后 于叶绿素含
量 的降低 。
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