园林养护管理论文
论文推荐 - 常见园林植物对NO₂胁迫的耐受性及吸收与恢复能力
原创 圣倩倩等 南京林业大学学报
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常见园林植物对NO₂胁迫的耐受性及吸收与恢复能力
圣倩倩1，戴安琪1，，徐晶圆1，祝遵凌1，2*
1.南京林业大学风景园林学院，南方现代林业协同创新中心2.南京林业大学艺术设计学院。
园林植物通过叶片气孔和角质层吸收大气中的多种化合物,经植物体的呼吸作用将大气污染物由体表引进体内,通过吸附、吸收或者生理代谢等活动进行消化、吸收转变为无毒的化合物,从而起到净化环境的作用。而植物叶片的结构和功能随着对环境污染物的吸收也会发生相应的变化。有研究者通过实验室人工熏气,研究北方主要经济树种对大气SO₂和NO₂的抵抗能力,观察发现,阔叶树受到NO₂的伤害后,从叶部开始出现受害症状,叶脉优先出现水渍状伤斑,之后逐渐坏死,变成白色或黄白色斑块,而后叶缘、叶脉也开始出现伤斑,最后导致叶片死亡脱落。之所以叶片出现这种症状,是因为NO₂通过气孔进入叶片后快速溶于细胞间的水相形成NO₃⁻,再被硝酸还原酶(NR)还原为NO₂⁻,进一步被亚硝酸还原酶还原成NH4+,参与氨基酸和蛋白质合成;部分抗性强、吸附能力强的植物可以利用NO₂促进自身的生长和代谢,而抗性差、吸附能力差的植物吸收NO₂后体内发生酸蚀,在叶片上表现为黄色或褐色伤斑等。
前人对NO₂胁迫后植物体的氮素吸收等开展了大量研究,不同的植物在不同NO₂熏气浓度条件下对氮素的吸收能力不同:陈卓梅研究发现,1.0和0.2 mg/m³ NO₂气体处理能够显著提高樟树幼苗叶片内氮素含量,当NO₂用量达到8.0 mg/m³时,叶片氮素含量仍表现为持续增加;滕士元等研究认为不同体积分数的NO₂胁迫下,樟树幼苗叶片氮素含量有差异,但总体上随着NO₂体积分数增加，叶片氮素含量呈现不同程度的积累,其中0.2和1.0 mg/m³ NO₂处理可显著提高樟树幼苗叶片氮素含量,而8.0 mg/m³ NO₂的影响则因熏气时段不同而不同;Morikawa等研究不同植物净化大气NO₂的能力,从217种植物种类中筛选出净化NO₂能力最强的植物,并认为所筛选出的植物能与NO₂共生,且植物体主要的氮源为NO₂,因此植物体内的氮素含量在一定程度上可以表征植物对NO₂的耐受性和吸收能力。
江苏省地处长江三角洲,植物种类丰富,城市化进程较快。据统计,2019年江苏城市绿化覆盖率为40% ,绿化植物对区域经济社会发展具有重要的意义。目前关于江苏省常见园林植物对NO₂的吸收及恢复能力的研究鲜见报道。本期论文推荐的作者所在课题组对南京市城区道路2013年1月—2018年7月近6 a的NO₂等污染物进行分析,实地监测了污染物浓度排序前列的4条道路(中山北路﹑仙林大道、诚信大道和江北大道),分析NO₂、氮氧化物(NOx)和NO₂,的周变化与日变化,得出NO₂是城市道路交通区域主要污染物的结论。在前期调研道路绿地植被种类和群落组成等基础上,结合相关文献与实践,筛选出江苏省常见的38种主要园林植物,用NO₂处理不同种类园林植物,观察植物受胁迫时其形态和生理响应的变化,比较不同植物吸收NO₂污染物的差异,分析其对NO₂的耐受性及吸收和恢复情况,以期能够为城市绿化尤其是对一些氮污染较为严重的工矿区或者道路交通流量较大地区绿化树种的选择和植物配置提供一定的参考依据。
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作者简介
第一作者
圣倩倩，女，1989年10月生，南京林业大学，主要从事园林植物应用与生态功能研究。
关键词：园林植物；NO₂耐受性；吸收能力；恢复能力；城市道路绿化
基金项目：江苏省博士后科研资助计划(2021K377C);中国博士后科学基金面上资助项目(2021M691602);国家自然科学青年科学基金项目(32101582);江苏省自然科学青年基金项目(BK20210613 ) ;江苏省高等学校自然科学研究面上项目(21KJB220008);南京市园林绿化行业科技项目(YLKJ202011ZD)。
引文格式：圣倩倩,戴安琪,张慧会,等.常见园林植物对NO,胁迫的耐受性及吸收与恢复能力[J].南京林业大学学报(自然科学版),2022,46(2);127-134.SHENG Q Q,DAI A Q,ZHANG H H,et al.Effcts of common garden plants on tolerance,absorption and recovery abilities to NO₂ stress[J].Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition),2022,46(2);127-134.DOI;10.12302/ j.issn.1000-2006.202010051.
1目的
以城市道路绿化实际应用为依据,研究江苏省境内常见的园林植物对NO₂胁迫的耐受性及吸收能力和恢复能力。
2方法
采用实验室人工熏气方法,分析江苏省常见的38种园林植物对NO₂的耐受性及吸收与恢复能力,筛选耐受性强、吸收能力强和恢复能力强的植物种类。
2.1 试验材料
供试植物材料主要为江苏省园林绿化中应用比较广泛的种类,包括柏科1种、樟科1种、银杏科2种、桦木科2种、木榔科2种和卫矛科2种等共38种园林植物,选取生长健壮且来源相同的1年生容器苗、当年播种或分盆的草本植物、当年生嫩枝扞插的藤本植物苗进行熏气试验。采用课题组自行设计的一种定时调控和记录NO₂浓度的熏气试验装置,如图1所示,检测植物熏气室内NO₂浓度,并实时查看气体的动态变化,以及精确控制进入熏气室的气体量。
▲图 1 定时调控和记录NO₂浓度的熏气试验装置
2.2 研究方法
2.2.1 待测植物的处理
2016年9月将供试植物盆栽于南京林业大学园林实验中心温室,基质为统一混合配方营养土，即泥炭土、蛭石、珍珠岩质量比为1∶1∶1 ,塑料花盆上口径×下口径×高为30 cm×20 cm x15 cm,每盆2株苗木,加入500 g营养土。实验苗栽培养护条件一致,常规管理。培养期间,浇水次数为每周2~3次以保持苗木湿润,为维持苗木矿质营养,每2周加1次1 L霍格兰营养液。栽培2个月后,进行NO₂胁迫实验。其中实验苗的生长条件控制在环境温度25~28 ℃、空气相对湿度60%~70% 、光照度26~29 klx 、大气压为99.3 ~ 99.5 kPa。
考虑到落叶植物的休眠性,试验分阶段进行。主要集中于2016年11月和2017年5月,2016年11月主要处理常春藤等常绿植物共计23种,2017年5月主要处理银杏等落叶或半常绿植物共计15种,38种植物名录见文献[9]。
2.2.2 NO₂熏气试验
熏气试验目的是从待测植物中筛选对NO₂耐受性较强的植物。将待测盆栽植物的种植盒以及裸露在外的土壤使用保鲜膜进行包裹,以减少营养土和种植盒对熏气结果的影响,尽量保证仅植物叶片和茎接触熏气室内的污染气体,以此来观察植物对污染气体的净化能力。植物放进熏气室后,盖好周边涂有凡士林的气室盖,再用锡纸包裹以加强装置的密闭性。每个熏气室放置1种植物10株,平行重复处理3次,共计30株。
以往的NO₂熏气胁迫处理包括低浓度(NO₂含量0.5 ~8.0 mg/m³)长时间(30 d或60 d)熏蒸和高浓度(NO₂含量8.0 mg/m³以上)短时间(时间集中为14 h或48 h等)熏气处理。综合考虑以上因素,结合预试验,本研究设置待测植物的生长条件为:光照时间13 h,环境温度设定为[(25~20)±3]℃,空气相对湿度(60%~50%)±4%;NO₂气体胁迫含量为12.0 mg/m³,熏气时间为72 h,气体流速为1 L/ min,属于高浓度短时间处理。该浓度下,受NO₂气体胁迫植物叶片出现伤害症状,产生应激反应,但不致死。
1) 植物对NO₂胁迫的耐受性:以叶片出现大于5%伤害率时记录的耐持续熏气时间, h ,表示耐受性;耐受性等级的划分依据见表1。其中,伤害率(%)=[伤害叶数(%)+伤害面积(%)]/2。
▼表 1 园林植物对NO₂耐受性等级划分依据
2) NO₂胁迫下叶片对NO₂的吸收能力(简称吸收能力):对比不同植物在熏气零点和熏气72 h后的生长变化以分析叶片的NO₂吸收能力。NO₂熏气72 h后,取顶叶以下第3片起没有明显伤害症状的叶片,洗净置于烘干箱内于70 ℃下烘干,经粉碎机粉碎并过孔径0.18 mm(80目)筛。用奈式比色法测定全氮含量,植物吸收NO₂能力强弱的划分以叶片全氮含量的变化为主要依据。
NO₂吸收能力(倍)=(熏气后N含量－熏气零点N含量)/熏气零点N含量。
3) NO₂胁迫下叶片恢复能力(简称恢复能力):NO₂熏气后,将植物从熏气装置中取出,不再加NO₂处理,放在上述实验苗的生长条件下培养观察,以植物受NO₂熏气产生的叶片伤害全部恢复为标准,观察时间持续30 d,对比分析30 d恢复后和72 h NO₂熏气后的植物叶片生长变化以研究叶片受NO₂胁迫后的恢复能力。
恢复能力(倍)=（恢复后氮含量－熏气后氮含量)/熏气后氮含量。
3结果
对NO₂耐受性强且吸收能力强或较强的植物有熊掌木(×Fatshedera lizei) 、龟甲冬青(Ⅰlex crenaa var.conexa)、木姜子(Litsea pungens)、常春藤(Hedera nepalensis)、金边黄杨(Euonymus japonicus‘Aurea-marginatus')、小叶黄杨(Buxus sinica var.parvifolia)、大吴风草(Farfugium japonicum);对NO₂耐受性强且恢复能力强或较强的植物包括普陀鹅耳枥(Carpinus putoensis)、熊掌木、海桐(Pittosporum tobira)、龟甲冬青、瓜子黄杨(Buxus sinica)、木姜子、金叶银杏(Ginkgo biloba‘Wamnianjin')、金边黄杨、矮麦冬(Ophiopogon jqponicus‘Nana')和金边玉簪(Hosta‘Green Gold’)等19个种;吸收能力和恢复能力均强或较强水平的植物有茶梅(Camellia sasanqua)、金边黄杨、常春藤、花叶蔓长春(Vincamajor ‘Variegata')、小叶黄杨、大吴风草和鸢尾(Iris tectorum)等;对NO₂耐受且吸收能力和恢复能力均强或较强的植物有金边黄杨、常春藤、木姜子、熊掌木、龟甲冬青、小叶黄杨和大吴风草。
3.1 NO₂胁迫下园林植物的伤害症状
植物主要通过叶片进行气体交换，当进入叶内的NO₂浓度超过植物的NO₂伤害阈值时,将会出现应激伤害症状且优先表现在叶片上。前期通过人工熏气试验对熏气植物进行形态学观察，发现不同植物对NO₂胁迫产生的应激反应不同:部分植物熏气全程伤害症状不明显,如金边莒蒲等;部分植物叶缘出现黄斑、失绿,如金边黄杨﹑普陀鹅耳枥、欧洲鹅耳枥和金边麦冬等;少数植物叶面呈现水渍状,如小叶黄杨和瓜子黄杨等;部分植物叶面出现黄斑,如波叶金桂等,而银杏和金叶银杏叶缘出现黄斑或失绿,且随着伤害程度加剧,失绿斑进一步转化为浅褐色乃至黑褐色伤斑,伤害区域与健康区域间有明显的界线;部分植物嫩叶首先出现萎蔫、卷曲、失绿,随着受害加重,如熊掌木、大吴风草、鸢尾等全株发黄，甚至叶片脱落。参试的38种植物对NO₂胁迫的伤害症状见文献[15]。
3.2 NO₂胁迫下园林植物耐受能力比较
比较38种参试植物对NO₂的耐受性见表2。
▼表 2 木本植物和草本植物的NO₂耐受性等级
由表2可知,洒金桃叶珊瑚、红王子锦带、花叶蔓长春、云南黄素馨、南天竹、铺地柏和金森女贞等9种植物的耐受性等级为弱,耐熏气时间为4~5 h,占参试物种总数的23.68%;耐受性强的植物有10种,占参试物种的26.32%。桦木科两个物种中,普陀鹅耳枥和欧洲鹅耳枥的耐受性分别为较强和强;卫矛科的金边黄杨和小叶黄杨的耐受性均为强;木榔科的金森女贞和云南黄素馨的耐受性弱，波叶金桂强;五加科的熊掌木和常春藤的耐受性分别为较强和强;银杏科的银杏和金叶银杏的耐受性强;鸢尾科的鸢尾较弱;小嬖科狭叶十大功劳耐受性强,南天竹弱。分析发现,草本植物中,有50%的植物处于耐受性较强水平,其中矮麦冬耐受性强;50%的灌木耐受性水平弱,其中卫矛科植物耐受性强;乔木树种中,83.33%的乔木耐受性强,其中银杏科物种的耐受性强,藤本植物中常春藤耐受性强。
3.3 NO₂胁迫下园林植物吸收能力和恢复能力比较
NO₂胁迫下38种植物的吸收能力和恢复能力见表3。
▼表 3 38种园林植物对NO₂胁迫的吸收能力和恢复能力等级
从表3可以看出,大部分植物NO₂吸收能力为中等和较强水平,其中NO₂吸收能力较强的有9个种,NO₂吸收能力强的有小叶黄杨和珊瑚树2种。大部分植物的NO₂恢复能力为较强水平,其中NO₂恢复能力弱的仅有八仙花1种, NO₂恢复能力较强的有29个种,占总参试植物的76.32%;NO₂恢复能力强的有3个种,分别是矮麦冬、彩叶杞柳和红王子锦带。
总的来说,NO₂吸收能力和恢复能力都弱的植物仅金边麦冬。NO₂吸收能力弱、恢复能力强或较强的有铺地柏、南天竹,狭叶十大功劳、银杏和金边莒蒲等;NO₂吸收能力和恢复能力均强或较强水平的植物有茶梅、常春藤、花叶蔓长春、金边黄杨、大吴风草、鸢尾和矮麦冬等。分析发现,草本植物中，有25%的植物其NO₂吸收能力弱或较弱,灌木和乔木植物中,吸收能力弱或较弱的比例均为16.67%。从物种分布比例看,NO₂吸收能力中等和较强的占主体,分别占52.63%和23.68% ,吸收能力强的仅有小叶黄杨和珊瑚树2个种,差异性显著。草本植物中,有12.50%的植物NO₂恢复能力弱或较弱;8.33%的灌木NO₂恢复能力弱或较弱;乔木植物中,NO₂恢复能力均为较强。裸子植物NO₂恢复能力均为较强,如金叶银杏、铺地柏和银杏等;被子植物中,植物NO₂恢复能力弱和中等的比例均为8.57%;双子叶植物NO₂恢复能力弱和中等的植物比例均为6.67%,NO₂恢复能力强或较强的植物比例为86.67%。总的来说,所研究的38种植物中，NO₂恢复能力弱和中等的植物比例均为7.89%，NO₂恢复能力强和较强的植物比例分别为7.89%和76.32% ,其中NO₂恢复能力强的物种有矮麦冬、彩叶杞柳和红王子锦带。
采用SPSS 对38种园林植物叶片NO₂吸收能力和恢复能力进行方差分析(表4)表明,植物对NO₂胁迫耐受性与对NO₂吸收和恢复能力的相关系数分别为0.16和0.38(表5),其中对NO₂胁迫耐受性与NO₂吸收能力、吸收能力与恢复能力等二者不显著相关(P>0.05),而NO₂耐受能力与恢复能力显著相关(P<0.05)。
▼表 4 38种园林植物对NO₂吸收能力和恢复能力方差分析
▼表 5 38种园林植物对NO₂吸收能力及恢复能力相关性分析
注：*.P<0.05。
4结论
在分析近6年南京市城区道路NO₂等污染物基础上,认为NO₂是南京道路交通区域主要污染物。本研究筛选出对NO₂耐受性、吸收和恢复能力强的植物种类补充和完善了传统文献中抗NO₂胁迫的园林植物名录,可为NO₂污染区及潜在污染区道路绿化树种的选择和配置提供一定的理论依据。
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