煤粉塵沉降對(duì)鄂爾多斯高原優(yōu)勢(shì)植物羊柴幼苗生長(zhǎng)的影響

楊慧玲, 魏玲玲, 葉學(xué)華, 劉國(guó)方, 楊學(xué)軍, 黃振英,*

1 中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100093 2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，鄭州　450002

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煤粉塵沉降對(duì)鄂爾多斯高原優(yōu)勢(shì)植物羊柴幼苗生長(zhǎng)的影響

楊慧玲1,2, 魏玲玲2, 葉學(xué)華1, 劉國(guó)方1, 楊學(xué)軍1, 黃振英1,*

1 中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100093 2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，鄭州450002

摘要:隨著鄂爾多斯煤礦開(kāi)采的日益加劇，開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉塵沉降已成為影響當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)的一個(gè)重要影響因子。通過(guò)近自然生境條件下的控制實(shí)驗(yàn)，以鄂爾多斯高原優(yōu)勢(shì)植物羊柴(Hedysarum laeve)為研究對(duì)象，探究不同梯度煤粉塵沉降量(0—3.5 mg/cm2)對(duì)其幼苗的光合生理特性和生長(zhǎng)的影響。研究結(jié)果表明，隨著煤粉塵沉降量的增加，羊柴葉片的氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、葉片水分飽和水汽壓虧缺(Vpdl)等因子發(fā)生了不同程度的改變，導(dǎo)致凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)降低，使得幼苗的植株高度、葉片數(shù)、地上和地下生物量降低。因而，積累到一定程度的煤粉塵顆粒通過(guò)影響葉片氣孔的水汽交換過(guò)程和降低葉片表面的光照強(qiáng)度，影響了葉片的光合生理過(guò)程，從而抑制了羊柴幼苗的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：生物量；煤粉塵沉降；羊柴；凈光合速率；鄂爾多斯高原；蒸騰速率

粉塵污染是大氣污染的一種重要形式，它不僅會(huì)破壞環(huán)境，影響人體健康[1- 4]，還會(huì)對(duì)植物個(gè)體的新陳代謝和生長(zhǎng)發(fā)育，乃至于整個(gè)植被系統(tǒng)造成不可估量的影響或破壞[5]。植物葉面覆塵后往往造成葉片部分氣孔被阻塞，從而使CO2氣體交換受阻，蒸騰作用和散熱作用減慢。如：Krajickova 和 Mejstrik用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粉塵對(duì)植物氣孔的阻塞作用[6]；黃峰對(duì)高速路塵的研究發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)植物的覆塵葉片氣孔導(dǎo)度降低[7]；而王宏煒等研究表明，灰塵連續(xù)處理40d后，大多數(shù)種類(lèi)植物的氣孔導(dǎo)度明顯下降，抑制程度接近50%[8]。光合作用是植物代謝過(guò)程中非常重要的部分，它對(duì)周?chē)h(huán)境的變化十分敏感，環(huán)境條件的微小改變會(huì)引起植物葉片凈光合速率的變化。粉塵在水分存在(霧或小雨)時(shí)，易在植株葉片、枝條和花朵上形成外殼，在阻礙光合作用所需的光線(xiàn)的同時(shí)，也限制了葉片外界層的氣體交換，能夠降低覆塵葉片的凈光合速率和蒸騰速率[7]，從而使植物的光合能力下降[9- 10]。Darley等研究發(fā)現(xiàn)水泥粉塵能夠在植物葉片上形成一層水泥結(jié)殼，影響植物的光合作用[11]。香梨(Pyrusbretschneuderi)受降塵影響后，各個(gè)生育期的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度都出現(xiàn)了降低[12]。劉俊嶺等研究證明了水泥粉塵沉降能夠?qū)е滤竞陀筒水a(chǎn)量下降[13]。葉面粉塵沉積的越多對(duì)植物的生理生態(tài)影響越大[14]。有研究表明，過(guò)量Mg2+與鎂粉塵對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)發(fā)育有顯著影響，極大地降低了葉片中的葉綠素含量[15]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市地處黃土高原西北部，是一個(gè)生態(tài)脆弱區(qū)，植被恢復(fù)困難，環(huán)境生態(tài)惡劣，是我國(guó)生態(tài)修復(fù)與生態(tài)退化的難點(diǎn)和重點(diǎn)區(qū)域[16- 17]。同時(shí)鄂爾多斯煤炭資源極其豐富，近年成為我國(guó)煤炭重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)。全市8.7萬(wàn)km2的土地上，含煤面積約占70%，現(xiàn)已探明儲(chǔ)量為1496億t[18]。全市除了卓子山煤田、東勝煤田、準(zhǔn)格爾煤田三大主要煤礦，其它小煤礦在1998年有1900多座，在2004—2010年陸續(xù)關(guān)掉一些小煤礦后截至2011年年底，全市仍有生產(chǎn)和在建的煤礦321座[19]。煤礦開(kāi)采的影響主要包括采礦沉陷及其退化的修復(fù)漏失、占用和破壞大面積土地(特別是露天開(kāi)采)、污染地表水和地下水，以及在煤炭開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉塵污染[20]。尤為值得注意的是煤粉塵污染，它屬大氣粉塵污染的一種類(lèi)型，影響巨大且難以控制[21]。煤粉塵污染可歸因于采礦(特別是露天采礦)和路面運(yùn)輸[22]。由于我國(guó)目前還沒(méi)有強(qiáng)制對(duì)煤炭進(jìn)行密封運(yùn)輸，路面運(yùn)輸產(chǎn)生的煤粉塵污染非常嚴(yán)重。有研究表明，路面行車(chē)揚(yáng)塵是煤礦最大的粉塵污染源，揚(yáng)塵量占全礦總產(chǎn)塵量的70%—90%；而在運(yùn)輸過(guò)程中，由于路基、道岔等設(shè)施造成的顛簸及風(fēng)力作用，表面的煤顆粒灑落到路面，再經(jīng)過(guò)后續(xù)車(chē)輛的碾壓，形成粒徑更小密度更高的二次揚(yáng)塵[23]。在距運(yùn)輸干線(xiàn)路邊5 m處，空氣含塵濃度高達(dá)750—800 mg/m3，超過(guò)國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)400倍左右，空氣污染相當(dāng)嚴(yán)重[23]。

與一般大氣粉塵污染相比較，煤粉塵污染具有以下特點(diǎn)：1)煤粉塵污染以礦區(qū)、堆煤場(chǎng)和運(yùn)輸干線(xiàn)為中心，呈點(diǎn)-網(wǎng)狀分布，污染源明確且常年不間斷產(chǎn)生污染[20- 21]；2)煤粉塵擴(kuò)散距離相對(duì)較短，且受風(fēng)力和風(fēng)向的影響明顯[24-25]，意味著煤粉塵的沉降相對(duì)集中；3)大部分煤粉塵是粒度大于10 μm的顆粒，很容易在大氣中自然沉降，造成植物葉片表面的煤粉塵大量聚集[26]；4)煤粉塵呈黑色，對(duì)植物葉片的獲取光的能力影響顯著。煤粉塵易沉降、不易擴(kuò)散、污染時(shí)間持續(xù)和遮光能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其對(duì)植物的光合能力等生理生態(tài)特性產(chǎn)生重要影響，最終影響植物的生長(zhǎng)和存活。

羊柴(Hedysarumlaeve)是內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原廣泛分布的優(yōu)勢(shì)種半灌木，主要生長(zhǎng)在典型草原和荒漠草原區(qū)及丘陵沙地草場(chǎng)[27]，常與沙柳(Salixpsammophila)、檸條(CaraganaKorshinskii)、草木樨(Melilotusofficinalis)、油蒿(Artemisiaordosica)和白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)等植物種組成穩(wěn)定的復(fù)合群落，是我國(guó)北方旱區(qū)的優(yōu)良牧草和防風(fēng)固沙植物。本文以鄂爾多斯高原優(yōu)勢(shì)植物種羊柴為研究對(duì)象，研究煤粉塵沉降對(duì)羊柴生長(zhǎng)的影響，旨在探討煤粉塵沉降對(duì)植物光合生理特性和生長(zhǎng)的影響機(jī)理，為礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)和干旱半干旱區(qū)植被保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)地生境概況

本實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古鄂爾多斯草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(OSES, 39°29.147′ N, 110°08.761′ E; 1296 m a.s.l.)開(kāi)展。當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁?—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的氣象數(shù)據(jù))；年平均日照時(shí)間為3011 h，太陽(yáng)輻射140.7×4.18 J/cm2；全年≥10℃積溫2754 ℃；無(wú)霜期137—154 d。該站位于鄂爾多斯高原毛烏素沙地的東北部，屬于干旱和半干旱的過(guò)渡地帶。地形地貌比較復(fù)雜，梁地、塊狀沙地與低濕灘地相間，以沙地為主，有流動(dòng)沙丘、固定及半固定沙丘。油蒿、羊柴、沙柳和沙地柏(Sabinavulgaris)是固定沙丘上的優(yōu)勢(shì)種，白沙蒿、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)和繩蟲(chóng)實(shí)(Corispermumdeclinatum)是流動(dòng)沙丘上的優(yōu)勢(shì)種[16]。

實(shí)驗(yàn)站四周分布有煤礦數(shù)十座，包括烏蘭煤炭集團(tuán)、武家梁煤礦、賽蒙特爾煤礦、淖爾壕煤礦、特拉不拉煤礦、朝陽(yáng)煤礦等；實(shí)驗(yàn)站東邊的包府路和南邊的阿新線(xiàn)均是當(dāng)?shù)孛禾窟\(yùn)輸?shù)闹鞲删€(xiàn)。公路兩邊植物和土壤因受煤粉塵沉降影響，明顯地被蒙上一層很厚的黑色煤粉塵層，煤粉塵嚴(yán)重污染了植物的生長(zhǎng)及其生境。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為羊柴(Hedysarumlaeve)，又稱(chēng)塔落巖黃芪，為豆科多年生落葉根莖半灌木。實(shí)驗(yàn)包括野外調(diào)查和控制實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。野外調(diào)查對(duì)象為自然生境中生長(zhǎng)的羊柴，調(diào)查其單位葉面積的煤粉塵沉降量，為后面的室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)處理提供依據(jù)；室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料為羊柴幼苗，研究不同程度煤粉塵沉降對(duì)羊柴幼苗光合能力及生長(zhǎng)的影響。為保證實(shí)驗(yàn)植被的整齊性，于2013年6月18日將羊柴種子置于培養(yǎng)皿中在25 ℃的光照培養(yǎng)箱，待大量萌發(fā)后，將苗齡一致的幼苗移栽到裝有沙質(zhì)生境土的盆缽(高20 cm，直徑為12 cm)內(nèi)；而為了避免降水對(duì)煤粉塵處理的沖洗干擾，控制實(shí)驗(yàn)在鄂爾多斯生態(tài)站的透明遮雨棚內(nèi)進(jìn)行，保持棚內(nèi)的溫度和光照與外界的自然生境相同；同時(shí)為保證幼苗正常生長(zhǎng)，每隔3—5天施加1次水分，保證植物生長(zhǎng)不受水分的限制。

1.3野外調(diào)查羊柴單位葉面積煤粉塵沉降量

選擇包府路55 km處路邊(距離馬路5 m)的羊柴植物自然群落進(jìn)行煤粉塵沉降量調(diào)查。隨機(jī)選擇10株羊柴植株，在每株植株靠近路面和背對(duì)路面的兩個(gè)方向各從植株上部到下部摘取完整、成熟的羊柴葉片5片，分別裝入自封袋中備測(cè)，共采集羊柴葉片100片。將葉片帶回實(shí)驗(yàn)室用蒸餾水進(jìn)行浸泡2 h，除去葉片上黏附的煤粉塵附著物，浸洗液用已稱(chēng)重(W1)的濾紙過(guò)濾，濾后將濾紙置于60 ℃烘箱中烘12 h，再次稱(chēng)重(W2)，2次重量差(W2-W1)即為采集樣品上所附著的降塵重量。新鮮葉片晾干附著在表面的水分后用Li- 3000c便攜式葉面積儀(Li-COR公司，美國(guó))測(cè)定葉片面積(S)，單位葉面積滯塵量(mg/cm2)=(W2-W1)/S。

1.4室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同程度煤粉塵沉降

本實(shí)驗(yàn)用不同濃度的煤粉塵懸浮液來(lái)模擬自然條件下不同程度大氣粉塵的煤粉塵沉降量。將煤顆粒用研缽磨碎過(guò)100目篩后備用。分別稱(chēng)取30, 60, 120 g和180 g過(guò)篩后的煤粉分別與固定容量300 mL的純凈水?dāng)嚢杈鶆蛑苽涑擅悍蹓m懸浮液，濃度分別為0.1、0.2、0.4、0.6 g/mL，同時(shí)以純凈水作為對(duì)照。實(shí)驗(yàn)共5個(gè)處理，每個(gè)處理12個(gè)重復(fù)，共60盆。其中6個(gè)重復(fù)用于光合特性的測(cè)定，而另外6個(gè)重復(fù)用于生長(zhǎng)相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

2013年8月7日，羊柴幼苗生長(zhǎng)至10葉期，對(duì)羊柴幼苗進(jìn)行涂煤粉塵液處理：先將煤粉塵液攪勻，用毛筆蘸上不同濃度的煤粉塵液，在羊柴每個(gè)葉片上均勻地涂一層，待其自然晾干。

1.5葉片光合指標(biāo)的測(cè)定

分別于8月18日、9月15日和10月5日(選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣)對(duì)每種濃度的煤粉塵液處理其中的6盆羊柴幼苗進(jìn)行了光合指標(biāo)測(cè)定：對(duì)每株幼苗，挑選1片健康、向陽(yáng)、節(jié)位一致的葉片，于12:00使用Li- 6400便攜式光合儀(標(biāo)準(zhǔn)葉室2×3 cm，Li-COR公司，美國(guó))測(cè)定其光合速率及相關(guān)參數(shù)的測(cè)定。測(cè)量的指標(biāo)主要包括葉片凈光合速率(Pn, μmolCO2m-2s-1)、蒸騰速率(Tr, mmol m-2s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs, mmol m-2s-1)、胞間CO2濃度(Ci, μmol/mol)、葉片飽和水汽壓虧缺(Vpdl, kPa)等光合生理指標(biāo)。每次讀取記錄3次瞬時(shí)值取平均值。

測(cè)定后將被測(cè)葉片剪下，裝入之前備好的自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室通過(guò)Li- 3000c便攜式葉面積儀(Li-COR公司，美國(guó))測(cè)定其葉面積。

1.6羊柴幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束于2013年10月6日，對(duì)不同煤粉塵液處理的6個(gè)重復(fù)盆羊柴幼苗進(jìn)行了收獲。測(cè)量并記錄植株高度、葉片數(shù)和分枝數(shù)；收獲后在75 ℃的烘箱中烘48 h后，用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)量地上生物量和地下生物量并計(jì)算根冠比(地下生物量/地上生物量)。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析比較各處理之間地上生物量、地下生物量、總生物量和根冠比的差異(5%水平)以及采用LSD方法進(jìn)行多重比較。對(duì)莖生物量、根生物量和總生物量進(jìn)行了對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換以保證方差齊性。采用相關(guān)分析比較煤粉塵沉降與葉片光合生理指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。所有數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計(jì)軟件 SPSS13.0(SPSS Inc., Chicago, USA)進(jìn)行。

2結(jié)果

2.1野外煤粉塵沉降量

野外羊柴葉片單位葉面積的煤粉塵沉降量范圍為0.7—2.3 mg/cm2。根據(jù)煤粉塵沉降量，制備相應(yīng)的不同濃度煤粉塵懸浮液用于室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)(表1)。其中0.4 g/mL濃度對(duì)應(yīng)于野外測(cè)定的最大沉降量2.3 mg/cm2?？紤]到野外煤粉塵沉降量受污染時(shí)間、風(fēng)、雨水等因素的影響，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)定了0.6 g/mL濃度對(duì)應(yīng)于3.5 mg/cm2，超出野外測(cè)定的最大沉降量，以研究野外可能發(fā)生的更強(qiáng)的煤灰塵沉降量對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。

表1　自然生境下羊柴葉片單位葉面積的煤粉塵沉降量及相應(yīng)的煤粉塵懸浮液不同濃度

*表示野外實(shí)測(cè)煤粉塵最大沉降量(n=100)

2.2煤粉塵對(duì)羊柴幼苗光合生理指標(biāo)的影響

隨著煤粉塵液濃度的增加，羊柴幼苗葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)降低，而胞間CO2濃度(Ci)、飽和水汽壓虧缺(Vpdl)增加(表2)。葉溫(Tl)對(duì)煤粉塵液濃度的響應(yīng)不一致，9月中旬前表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，而生長(zhǎng)季后期，呈正相關(guān)關(guān)系(表2)。10月5日煤粉塵沉降與羊柴幼苗光合生理指標(biāo)相關(guān)性不顯著(表2)，這可能是因?yàn)?0月份已是接近生長(zhǎng)季末，植物各項(xiàng)生理機(jī)能逐漸下降，煤粉塵沉降不再是影響植物生理生態(tài)的關(guān)鍵因素。

隨著Tl、Gs、Tr、Vpdl增加，葉片Pn顯著增加(表3)，而Ci是主要影響因素，與Pn呈顯著地負(fù)相關(guān)(R2=0.55，P<0.01)；隨著Gs、Tl、Vpdl增加，Tr顯著增加，其中Gs是影響葉片Tr的主要因子(R2=0.76，P<0.01)。Vpdl通過(guò)影響Tl而間接影響Tr(表3)。這意味著煤粉塵沉降通過(guò)影響Ci和Gs，從而改變?nèi)~片的Pn和Tr，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。

表2　煤粉塵沉降與羊柴幼苗光合生理的相關(guān)系數(shù)

*P<0. 05，**P<0.01;Pn：凈光合速率 net photosynthetic rate；Tr：蒸騰速率 transpiration rate；Gs：氣孔導(dǎo)度 stomatal conductance；Tl：葉溫 leaf temperature；Ci：胞間CO2濃度 intercellular CO2concentration；Vpdl：葉片飽和水汽壓虧缺 vapor pressure deficit of leaf

表3　羊柴幼苗光合生理指標(biāo)的相關(guān)矩陣

*P<0. 05，**P<0.01

2.3 煤粉塵對(duì)羊柴生長(zhǎng)特性的影響

煤粉塵對(duì)羊柴的生長(zhǎng)特性有顯著影響。隨著煤粉塵濃度的增加，羊柴幼苗植株高度和葉片數(shù)均顯著降低(圖1)。和對(duì)照相比，0.6 g/mL煤粉塵濃度處理顯著降低了植株高度(P=0.025)和葉片數(shù)(P=0.011)，而其他處理之間沒(méi)有顯著差異(圖1)。其中對(duì)照的葉片數(shù)是0.6 g/mL煤粉塵濃度處理的2.5倍。羊柴分枝數(shù)在對(duì)照條件下高于各濃度煤粉塵處理的分枝數(shù)多，但差異不顯著(P>0.05)。

圖1　不同煤粉塵液處理對(duì)羊柴植株高度、葉片數(shù)和分枝數(shù)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)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塵液濃度處理間差異顯著(P<0.05)

和對(duì)照相比，羊柴總生物量隨著煤粉塵液濃度的增加而逐漸減少，對(duì)照的生物量為(0.82±0.26) g，而0.6 g/mL處理的生物量?jī)H為(0.20±0.02) g(圖2)。羊柴植株的地上生物量隨著煤粉塵濃度增加而降低，對(duì)照和0.1 g/mL處理都與0.6 g/mL處理差異顯著，其他處理間差異不顯著。煤粉塵處理降低了羊柴地下生物量，0.6 g/mL處理?xiàng)l件下的地下生物量顯著低于對(duì)照。羊柴植株的根冠比在對(duì)照植株與各煤粉塵濃度處理的植株間差異不顯著(圖2)。

圖2　不同煤粉塵液處理對(duì)羊柴地上生物量 、地下生物量、總生物量和根冠比的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.2　Effect of coal ash water treatment on aboveground biomass, root biomass, total biomass and ratio of root to shoot masses (mean±SE)不同字母表示不同濃度煤粉塵液處理下差異顯著(P<0.05)

3討論與結(jié)論

植物葉片蒙塵對(duì)光合作用的影響是一個(gè)對(duì)各環(huán)境參數(shù)敏感的復(fù)雜生理過(guò)程[28-29]。生態(tài)因子不僅直接影響光合作用而且還通過(guò)影響植物的生理因子進(jìn)而影響光合作用，各因子之間有著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系[30]。

在自然環(huán)境下，植物被認(rèn)為是可以通過(guò)不間斷地感應(yīng)外界環(huán)境和調(diào)節(jié)氣孔至合適的開(kāi)度以維持光合作用與水分散失之間的平衡[31]。粉塵污染對(duì)植物生長(zhǎng)造成的影響主要是對(duì)光能的遮蔽作用[32]、對(duì)氣孔的阻塞作用[33]、葉表溫度的改變[34]，從而降低植物的光合作用[22]，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)以及生物量的累積[35]。隨著葉面粉塵的沉積，堵塞氣孔，導(dǎo)致葉片氣孔導(dǎo)度下降；葉片通過(guò)飽和水汽壓差來(lái)調(diào)整氣孔的閉合，進(jìn)而影響葉片胞間CO2濃度。Naidoo和Chirkoot表明，被煤炭粉塵覆蓋的葉子，二氧化碳交換量減少，而CO2是光合作用的重要原料之一，其濃度會(huì)顯著影響植物葉片的光合速率[36]。這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)毛烏素沙地羊柴進(jìn)行煤粉塵液處理的結(jié)果表明，煤粉塵沉降改變了與光合生理密切相關(guān)的指標(biāo)如胞間CO2濃度，從而降低了葉片的凈光合速率。

葉面覆塵后，葉片氣孔被阻塞，氣孔擴(kuò)散阻力增大，散熱作用減慢，導(dǎo)致蒸騰速率降低。相關(guān)分析表明，Gs和Tl對(duì)蒸騰速率影響較大，解釋度分別為76%和46%。氣孔對(duì)外來(lái)刺激有很強(qiáng)的敏感性，植物葉面塵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累，阻塞植物葉片氣孔，影響氣體交換，而H2O的氣孔擴(kuò)散速率是CO2的1.56倍[37]，因此氣孔導(dǎo)度的變化對(duì)Tr的影響比Pn大。研究結(jié)果表明，煤粉塵沉降降低了羊柴葉片的氣孔導(dǎo)度，從而降低了葉片蒸騰速率。

植物的光合能力和蒸騰速率等光合生理指標(biāo)的改變，最終會(huì)影響植物生理過(guò)程，減緩植物生長(zhǎng)[38]。對(duì)城市綠化樹(shù)種對(duì)粉塵污染響應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，植物生理生化指標(biāo)發(fā)生明顯改變，光合效率受到抑制、總?cè)~綠素、蛋白質(zhì)含量下降、脯氨酸、丙二醛、可溶性糖含量和相對(duì)電導(dǎo)率上升[39]。這主要是由于煤粉塵沉降改變了植物葉片的微環(huán)境，影響葉綠素合成等各種生理生化指標(biāo)，從而使得植物光合作用積累受影響，形態(tài)、生長(zhǎng)狀況和生理生態(tài)響應(yīng)發(fā)生明顯異常。在實(shí)驗(yàn)中，煤粉塵對(duì)羊柴植株的生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著的影響，使羊柴植株高度降低，葉片數(shù)和分枝數(shù)減少，并進(jìn)一步影響到了羊柴地上和地下的生物量，使其生物量顯著降低。

毛烏素沙地是我國(guó)典型的荒漠化地區(qū)，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，而羊柴能夠較好地適應(yīng)沙地環(huán)境，是當(dāng)?shù)胤里L(fēng)固沙的優(yōu)良物種之一，在維持毛烏素沙地植被穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用。煤粉塵沉降會(huì)對(duì)羊柴的生長(zhǎng)和存活產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響到當(dāng)?shù)毓躺持脖坏姆€(wěn)定性。本文僅研究了煤粉塵沉降對(duì)羊柴幼苗階段的光合生理以及生長(zhǎng)的影響，而沒(méi)有考慮其它的生活史階段，進(jìn)一步研究需要關(guān)注煤粉塵沉降對(duì)羊柴整個(gè)生活史階段(比如繁殖階段)的影響，從而全面認(rèn)識(shí)植物個(gè)體對(duì)煤粉塵沉降的響應(yīng)方式及其機(jī)制。此外，煤粉塵沉降對(duì)植物生長(zhǎng)和存活的影響是多方面的，還有待于進(jìn)一步研究煤粉塵中重金屬含量對(duì)植物生長(zhǎng)的影響以及煤粉塵重金屬對(duì)土壤特性和土壤微生物的影響等。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院植物研究所高瑞如、楊帆、何青山同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中提供的幫助。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]Wichmann H E, Spix C, Tuch T, W?lke G, Peters A, Heinrich J, Kreyling W G, Heyder J. Daily mortality and fine and ultrafine particles in Erfurt, Germany part 1: role of particle number and particle mass. Health Effects Institute, 2000, (98): 5- 86.

[2]Schwartz J, Zanobetti A, Bateson T F. Revised analyses of time-series studies of air pollution and health. // Revised Analyses of Time-series Studies of Air Pollution and Health. Boston: Health Effects Institute Mass, 2003, 25- 58.

[3]Anderson H R, Atkinson R W, Peacock J L, Marston L, Konstantinou K. Meta-analysis of time-series studies and panel studies of particulate matter (PM) and ozone (O3) // World Health Organization. Denmark: Copenhagen, 2004.

[4]謝昱姝. 大氣顆粒物對(duì)人體健康影響研究進(jìn)展. 鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保, 2006, 33(4): 205- 208.

[5]彭珂珊. 沙塵暴對(duì)西部發(fā)展的危害研究. 貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 社會(huì)科學(xué)版, 2002, 4(2): 56- 60.

[7]黃峰. 高速公路塵污染對(duì)植物葉片光合作用的影響[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2007: 4- 10.

[8]王宏煒, 曹瓊輝, 黃峰, 袁琳. 塵污染對(duì)植物的生理和生態(tài)特性影響. 廣西植物, 2009, 29(5): 621- 626.

[9]黃慧娟, 袁玉欣, 杜炳新, 李國(guó)棟. 保定5種主要綠化樹(shù)種葉片滯塵對(duì)氣體交換特征的影響. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 23(6): 50- 53.

[10]Singh S N, Rao D N. Certain responses of wheat plants to cement dust pollution. Environmental Pollution Series A, Ecological and Biological, 1981, 24(1): 75- 81.

[11]Darley E F, Drugger W M, Mudd J B, Ordin L, Taylor O C, Stephens E R. Plant damage by pollution derived from auto mobiles. Archives of Environmental Health: An International Journal, 1963, 6(6): 761- 770.

[12]莫治新, 張娟, 王家強(qiáng), 柳維揚(yáng), 王冀萍. 降塵對(duì)塔里木盆地香梨葉片光合特性及葉綠素含量的影響. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 52(16): 3845- 3848.

[13]劉俊嶺, 杜梅, 張克云, 陳樹(shù)元, 徐和寶, 謝明云. 水泥粉塵污染對(duì)水稻、油菜和土壤環(huán)境的影響. 植物資源與環(huán)境, 1997, 6(3): 42- 47.

[14]黃慧娟. 保定常見(jiàn)綠化植物滯塵效應(yīng)及塵污染對(duì)其光合特征的影響[D]. 保定: 河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2008: 5- 9.

[15]劉元, 牛明芬, 李微, 劉桂臣. 礦區(qū)粉塵污染對(duì)玉米幼苗生理特性的影響. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 39(16): 9544- 9545.

[16]張新時(shí). 毛烏素沙地的生態(tài)背景及其草地建設(shè)的原則與優(yōu)化模式. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 1994, 18(1): 1- 16.

[17]馬建軍. 黃土高原丘陵溝壑區(qū)露天煤礦生態(tài)修復(fù)及其生態(tài)效應(yīng)研究[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2007: 1- 7.

[18]傅堯. 黃土高原露天煤礦生態(tài)修復(fù)效果研究[D]. 吉林: 東北師范大學(xué), 2010: 3- 4.

[19]郝勝利, 楊利平, 劉宗耀. 淺談鄂爾多斯煤炭資源整合及意義. 西部資源, 2012, (4): 100- 100.

[20]范英宏, 陸兆華, 程建龍, 周忠軒, 吳鋼. 中國(guó)煤礦區(qū)主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及生態(tài)重建技術(shù). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(10): 2144- 2152.

[21]宋志宏, 周鵬. 煤炭運(yùn)輸和堆存的損耗及其環(huán)境污染. 煤礦環(huán)境保護(hù), 1993, 7(4): 52- 55.

[22]Farmer A M. The effects of dust on vegetation-a review. Environmental Pollution, 1993, 79(1): 63- 75.

[23]李杰, 王亞娥, 王志盈. 散煤在鐵路運(yùn)輸過(guò)程中的揚(yáng)塵控制研究. 鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保, 2005, 32(1): 45- 57.

[24]王曰鑫, 呂晉曉. 煤粉塵擴(kuò)散及As積累對(duì)土壤和作物的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2012, 26(3): 30- 33, 38- 38.

[25]劉平, 張強(qiáng), 杜文波, 白光潔, 李麗君, 丁玉川. 焦化廠(chǎng)煤粉塵的沉降規(guī)律及其對(duì)玉米抗氧化系統(tǒng)的影響. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011, 27(7): 249- 252.

[26]高宏樟, 張強(qiáng). 太原市煤粉塵降落量監(jiān)測(cè)及其對(duì)土壤肥力的影響. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 36(3): 55- 60.

[27]馬毓泉, 富象乾, 陳山. 內(nèi)蒙古植物志(第二版) 第四卷. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古人民出版社, 1992: 1- 339.

[28]丁啟夏, 雷虎蘭. 煤煙降塵對(duì)果類(lèi)蔬菜作物生物量的影響. 甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測(cè), 1991, 16(4): 5- 8.

[29]趙華軍, 王立, 趙明, 楊自輝, 王強(qiáng)強(qiáng). 沙塵暴粉塵對(duì)不同作物氣體交換特征的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2011, 25(3): 202- 206.

[30]金則新, 柯世省. 云錦杜鵑葉片光合作用日變化特征. 植物研究, 2002, 24(4): 447- 452.

[31]溫達(dá)志, 朱劍云, 曹洪麟, 張德強(qiáng), 葉永昌, 劉頌頌, 李果惠. 三種相思植物對(duì)短期大氣污染的響應(yīng). 生態(tài)科學(xué), 2002, 21(4): 306- 309.

[32]Thompson J R, Mueller P W, Flückiger W, Rutter A J. The effect of dust on photosynthesis and its significance for roadside plants. Environmental Pollution Series A, Ecological and Biological, 1984, 34(1): 171- 190.

[33]Riscks G R, Williams R J H. Effects of atmospheric pollution on deciduous woodland part 2: Effects of particulate matter upon stomatal diffusion resistance in leaves ofQuercuspetraes(Mattuschka) Leibl. Environmental Pollution, 1974, 6(2): 87- 109.

[34]Eller B M. Road dust induced increase of leaf temperature. Environmental Pollution, 1977, 13(2): 99- 107.

[35]Borka G. The effect of cement dust pollution on growth and metabolism ofHelianthusannuus. Environmental Pollution Series A, Ecological and Biological, 1980, 22(1): 75- 79.

[36]Naidoo G, Chirkoot D. The effects of coal dust on photosynthetic performance of the mangrove,Avicennamarinain Richards Bay, South Africa. Environmental Pollution, 2004, 127(3): 359- 366.

[37]Nobel P S. An Introduction to Biophysical Plant Physiology. San Francisco: W H Freeman & Co, 1974.

[38]Sharifi M R, Gibson A C, Rundel P W. Surface dust impacts on gas exchange in Mojave Desert shrubs. Journal of Applied Ecology, 1997, 34(4): 837- 846.

[39]姚俊. 粉塵污染對(duì)城市典型綠化樹(shù)種的生理生態(tài)影響[D]. 南京: 南京林業(yè)大學(xué), 2009: 4- 10.

Effects of coal dust deposition on seedling growth ofHedysarumlaeveMaxim., a dominant plant species on Ordos Plateau

YANG Huiling1,2, WEI Lingling2, YE Xuehua1, LIU Guofang1, YANG Xuejun1, HUANG Zhenying1,*

1StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China2HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,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. leave seedlings were negatively affected. Our study indicated that coal dust deposition negatively influences the seedling 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

基金項(xiàng)目:國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD16B03)

收稿日期:2014- 12- 19; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: zhenying@ibcas.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201412192528

楊慧玲, 魏玲玲, 葉學(xué)華, 劉國(guó)方, 楊學(xué)軍, 黃振英.煤粉塵沉降對(duì)鄂爾多斯高原優(yōu)勢(shì)植物羊柴幼苗生長(zhǎng)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),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 ofHedysarumlaeveMaxim., a dominant plant species on Ordos Plateau.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):2858- 2865.