常見園林植物對(duì)NO2脅迫的耐受性及吸收與恢復(fù)能力

圣倩倩，戴安琪，張慧會(huì)，徐晶圓，祝遵凌,2*

(1.南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院,南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

前人對(duì)NO2脅迫后植物體的氮素吸收等開展了大量研究，不同的植物在不同NO2熏氣濃度條件下對(duì)氮素的吸收能力不同：陳卓梅[5]研究發(fā)現(xiàn)，1.0和0.2 mg/m3NO2氣體處理能夠顯著提高樟樹幼苗葉片內(nèi)氮素含量，當(dāng)NO2用量達(dá)到8.0 mg/m3時(shí)，葉片氮素含量仍表現(xiàn)為持續(xù)增加；滕士元等[6]研究認(rèn)為不同體積分?jǐn)?shù)的NO2脅迫下，樟樹幼苗葉片氮素含量有差異，但總體上隨著NO2體積分?jǐn)?shù)增加，葉片氮素含量呈現(xiàn)不同程度的積累，其中0.2和1.0 mg/m3NO2處理可顯著提高樟樹幼苗葉片氮素含量，而8.0 mg/m3NO2的影響則因熏氣時(shí)段不同而不同；Morikawa等[7]研究不同植物凈化大氣NO2的能力，從217種植物種類中篩選出凈化NO2能力最強(qiáng)的植物，并認(rèn)為所篩選出的植物能與NO2共生，且植物體主要的氮源為NO2，因此植物體內(nèi)的氮素含量在一定程度上可以表征植物對(duì)NO2的耐受性和吸收能力。

江蘇省地處長(zhǎng)江三角洲，植物種類豐富，城市化進(jìn)程較快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年江蘇城市綠化覆蓋率為40%，綠化植物對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要的意義。目前關(guān)于江蘇省常見園林植物對(duì)NO2的吸收及恢復(fù)能力的研究鮮見報(bào)道。筆者所在課題組對(duì)南京市城區(qū)道路 2013年1月—2018年7月近6 a的NO2等污染物進(jìn)行分析，實(shí)地監(jiān)測(cè)了污染物濃度排序前列的4條道路(中山北路、仙林大道、誠(chéng)信大道和江北大道)，分析NO2、氮氧化物(NOx)和NO2/NOx的周變化與日變化，得出 NO2是城市道路交通區(qū)域主要污染物的結(jié)論[8]。在前期調(diào)研道路綠地植被種類和群落組成等基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)與實(shí)踐，篩選出江蘇省常見的38種主要園林植物，用NO2處理不同種類園林植物，觀察植物受脅迫時(shí)其形態(tài)和生理響應(yīng)的變化，比較不同植物吸收NO2污染物的差異，分析其對(duì)NO2的耐受性及吸收和恢復(fù)情況，以期能夠?yàn)槌鞘芯G化尤其是對(duì)一些氮污染較為嚴(yán)重的工礦區(qū)或者道路交通流量較大地區(qū)綠化樹種的選擇和植物配置提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物材料主要為江蘇省園林綠化中應(yīng)用比較廣泛的種類，包括柏科1種、樟科1種、銀杏科2種、樺木科2種、木樨科2種和衛(wèi)矛科2種等共38種園林植物[9]，選取生長(zhǎng)健壯且來源相同的1年生容器苗、當(dāng)年播種或分盆的草本植物、當(dāng)年生嫩枝扦插的藤本植物苗進(jìn)行熏氣試驗(yàn)。采用課題組自行設(shè)計(jì)的一種定時(shí)調(diào)控和記錄NO2濃度的熏氣試驗(yàn)裝置[9]，如圖1所示，檢測(cè)植物熏氣室內(nèi)NO2濃度，并實(shí)時(shí)查看氣體的動(dòng)態(tài)變化，以及精確控制進(jìn)入熏氣室的氣體量。

圖1 定時(shí)調(diào)控和記錄NO2濃度的熏氣試驗(yàn)裝置Fig.1 A fumigation test apparatus for timing control and recording of NO2 concentration

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 待測(cè)植物的處理

2016年9月將供試植物盆栽于南京林業(yè)大學(xué)園林實(shí)驗(yàn)中心溫室，基質(zhì)為統(tǒng)一混合配方營(yíng)養(yǎng)土，即泥炭土、蛭石、珍珠巖質(zhì)量比為1∶1∶1，塑料花盆上口徑 ×下口徑 × 高為30 cm×20 cm ×15 cm，每盆2株苗木，加入500 g 營(yíng)養(yǎng)土。實(shí)驗(yàn)苗栽培養(yǎng)護(hù)條件一致，常規(guī)管理。培養(yǎng)期間，澆水次數(shù)為每周2～3次以保持苗木濕潤(rùn)，為維持苗木礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，每2周加1次1 L霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液。栽培2個(gè)月后，進(jìn)行NO2脅迫實(shí)驗(yàn)。其中實(shí)驗(yàn)苗的生長(zhǎng)條件控制在環(huán)境溫度25 ～28 ℃、空氣相對(duì)濕度60%～70%、光照度26 ～29 klx、大氣壓為99.3 ～99.5 kPa。考慮到落葉植物的休眠性，試驗(yàn)分階段進(jìn)行。主要集中于2016年11月和2017年5月，2016年11月主要處理常春藤等常綠植物共計(jì)23種，2017年5月主要處理銀杏等落葉或半常綠植物共計(jì)15種，38種植物名錄見文獻(xiàn)[9]。

1.2.2 NO2熏氣試驗(yàn)

熏氣試驗(yàn)?zāi)康氖菑拇郎y(cè)植物中篩選對(duì)NO2耐受性較強(qiáng)的植物。將待測(cè)盆栽植物的種植盒以及裸露在外的土壤使用保鮮膜進(jìn)行包裹，以減少營(yíng)養(yǎng)土和種植盒對(duì)熏氣結(jié)果的影響，盡量保證僅植物葉片和莖接觸熏氣室內(nèi)的污染氣體，以此來觀察植物對(duì)污染氣體的凈化能力。植物放進(jìn)熏氣室后，蓋好周邊涂有凡士林的氣室蓋，再用錫紙包裹以加強(qiáng)裝置的密閉性。每個(gè)熏氣室放置1種植物10株，平行重復(fù)處理3次，共計(jì)30株。

以往的NO2熏氣脅迫處理包括低濃度(NO2含量0.5 ～8.0 mg/m3)長(zhǎng)時(shí)間(30 d或60 d)熏蒸和高濃度(NO2含量8.0 mg/m3以上)短時(shí)間(時(shí)間集中為14 h或48 h等)熏氣處理[10-14]。綜合考慮以上因素，結(jié)合預(yù)試驗(yàn)，本研究設(shè)置待測(cè)植物的生長(zhǎng)條件為：光照時(shí)間13 h，環(huán)境溫度設(shè)定為[(25～20) ± 3]℃，空氣相對(duì)濕度(60%～50%)± 4%；NO2氣體脅迫含量為12.0 mg/m3，熏氣時(shí)間為72 h，氣體流速為1 L/min，屬于高濃度短時(shí)間處理。該濃度下，受NO2氣體脅迫植物葉片出現(xiàn)傷害癥狀，產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，但不致死[9]。

1)植物對(duì)NO2脅迫的耐受性：以葉片出現(xiàn)大于5%傷害率時(shí)記錄的耐持續(xù)熏氣時(shí)間，h，表示耐受性；耐受性等級(jí)的劃分依據(jù)見表1。其中，傷害率(%)=[傷害葉數(shù)(%)+傷害面積(%)]/2[3-5]。

表1 園林植物對(duì)NO2耐受性等級(jí)劃分依據(jù)Table 1 The classification of NO2 tolerance of garden plants

2)NO2脅迫下葉片對(duì)NO2的吸收能力(簡(jiǎn)稱吸收能力)[3-5]：對(duì)比不同植物在熏氣零點(diǎn)和熏氣72 h后的生長(zhǎng)變化以分析葉片的NO2吸收能力。NO2熏氣72 h后，取頂葉以下第3片起沒有明顯傷害癥狀的葉片，洗凈置于烘干箱內(nèi)于70 ℃下烘干，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎并過孔徑0.18 mm(80目)篩。用奈式比色法測(cè)定全氮含量，植物吸收NO2能力強(qiáng)弱的劃分以葉片全氮含量的變化[5]為主要依據(jù)。

NO2吸收能力(倍)=(熏氣后N含量-熏氣零點(diǎn)N含量)/熏氣零點(diǎn)N含量。

3)NO2脅迫下葉片恢復(fù)能力(簡(jiǎn)稱恢復(fù)能力)[5]：NO2熏氣后，將植物從熏氣裝置中取出，不再加NO2處理，放在上述實(shí)驗(yàn)苗的生長(zhǎng)條件下培養(yǎng)觀察，以植物受NO2熏氣產(chǎn)生的葉片傷害全部恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)，觀察時(shí)間持續(xù)30 d，對(duì)比分析30 d恢復(fù)后和72 h NO2熏氣后的植物葉片生長(zhǎng)變化以研究葉片受NO2脅迫后的恢復(fù)能力。

恢復(fù)能力(倍) = (恢復(fù)后氮含量-熏氣后氮含量)/熏氣后氮含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析處理，各處理間差異顯著性分析采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，方差顯著的置信區(qū)間為α=0.05和α=0.01。用Person相關(guān)分析進(jìn)行植物耐受性、吸收能力和恢復(fù)能力間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO2脅迫下園林植物的傷害癥狀

植物主要通過葉片進(jìn)行氣體交換，當(dāng)進(jìn)入葉內(nèi)的NO2濃度超過植物的NO2傷害閾值時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)激傷害癥狀且優(yōu)先表現(xiàn)在葉片上。前期通過人工熏氣試驗(yàn)對(duì)熏氣植物進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)不同植物對(duì)NO2脅迫產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)不同[9]：部分植物熏氣全程傷害癥狀不明顯，如金邊菖蒲等；部分植物葉緣出現(xiàn)黃斑、失綠，如金邊黃楊、普陀鵝耳櫪、歐洲鵝耳櫪和金邊麥冬等；少數(shù)植物葉面呈現(xiàn)水漬狀，如小葉黃楊和瓜子黃楊等；部分植物葉面出現(xiàn)黃斑，如波葉金桂等，而銀杏和金葉銀杏葉緣出現(xiàn)黃斑或失綠，且隨著傷害程度加劇，失綠斑進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為淺褐色乃至黑褐色傷斑，傷害區(qū)域與健康區(qū)域間有明顯的界線；部分植物嫩葉首先出現(xiàn)萎蔫、卷曲、失綠，隨著受害加重，如熊掌木、大吳風(fēng)草、鳶尾等全株發(fā)黃，甚至葉片脫落。參試的38種植物對(duì)NO2脅迫的傷害癥狀見文獻(xiàn)[15]。

2.2 NO2脅迫下園林植物耐受能力比較

比較38種參試植物對(duì)NO2的耐受性見表2。

表2 木本植物和草本植物的NO2耐受性等級(jí)Table 2 The tolerance level of xylophyta and herbaceous plants to NO2

由表2可知，灑金桃葉珊瑚、紅王子錦帶、花葉蔓長(zhǎng)春、云南黃素馨、南天竹、鋪地柏和金森女貞等9種植物的耐受性等級(jí)為弱，耐熏氣時(shí)間為4～5 h，占參試物種總數(shù)的23.68%；耐受性強(qiáng)的植物有10種，占參試物種的26.32%。樺木科兩個(gè)物種中，普陀鵝耳櫪和歐洲鵝耳櫪的耐受性分別為較強(qiáng)和強(qiáng)；衛(wèi)矛科的金邊黃楊和小葉黃楊的耐受性均為強(qiáng)；木樨科的金森女貞和云南黃素馨的耐受性弱，波葉金桂強(qiáng)；五加科的熊掌木和常春藤的耐受性分別為較強(qiáng)和強(qiáng)；銀杏科的銀杏和金葉銀杏的耐受性強(qiáng)；鳶尾科的鳶尾較弱；小檗科狹葉十大功勞耐受性強(qiáng)，南天竹弱。分析發(fā)現(xiàn)，草本植物中，有50%的植物處于耐受性較強(qiáng)水平，其中矮麥冬耐受性強(qiáng)；50%的灌木耐受性水平弱，其中衛(wèi)矛科植物耐受性強(qiáng)；喬木樹種中，83.33%的喬木耐受性強(qiáng)，其中銀杏科物種的耐受性強(qiáng)，藤本植物中常春藤耐受性強(qiáng)。

2.3 NO2脅迫下園林植物吸收能力和恢復(fù)能力比較

NO2脅迫下38種植物的吸收能力和恢復(fù)能力見表3。

表3 38種園林植物對(duì)NO2脅迫的吸收能力和恢復(fù)能力等級(jí)Table 3 The absorption and recovery abilities of xylophyta and herbaceous plants under NO2 stress

從表3可以看出，大部分植物NO2吸收能力為中等和較強(qiáng)水平，其中NO2吸收能力較強(qiáng)的有9個(gè)種，NO2吸收能力強(qiáng)的有小葉黃楊和珊瑚樹2種。大部分植物的NO2恢復(fù)能力為較強(qiáng)水平，其中NO2恢復(fù)能力弱的僅有八仙花1種，NO2恢復(fù)能力較強(qiáng)的有29個(gè)種，占總參試植物的76.32%；NO2恢復(fù)能力強(qiáng)的有3個(gè)種，分別是矮麥冬、彩葉杞柳和紅王子錦帶。

總的來說，NO2吸收能力和恢復(fù)能力都弱的植物僅金邊麥冬。NO2吸收能力弱、恢復(fù)能力強(qiáng)或較強(qiáng)的有鋪地柏、南天竹、狹葉十大功勞、銀杏和金邊菖蒲等；NO2吸收能力和恢復(fù)能力均強(qiáng)或較強(qiáng)水平的植物有茶梅、常春藤、花葉蔓長(zhǎng)春、金邊黃楊、大吳風(fēng)草、鳶尾和矮麥冬等。分析發(fā)現(xiàn)，草本植物中，有25%的植物其NO2吸收能力弱或較弱，灌木和喬木植物中，吸收能力弱或較弱的比例均為16.67%。從物種分布比例看，NO2吸收能力中等和較強(qiáng)的占主體，分別占52.63%和23.68%，吸收能力強(qiáng)的僅有小葉黃楊和珊瑚樹2個(gè)種，差異性顯著。草本植物中，有12.50%的植物NO2恢復(fù)能力弱或較弱；8.33% 的灌木NO2恢復(fù)能力弱或較弱；喬木植物中，NO2恢復(fù)能力均為較強(qiáng)。裸子植物NO2恢復(fù)能力均為較強(qiáng)，如金葉銀杏、鋪地柏和銀杏等；被子植物中，植物NO2恢復(fù)能力弱和中等的比例均為8.57%；雙子葉植物NO2恢復(fù)能力弱和中等的植物比例均為6.67%，NO2恢復(fù)能力強(qiáng)或較強(qiáng)的植物比例為86.67%?？偟膩碚f，所研究的38種植物中，NO2恢復(fù)能力弱和中等的植物比例均為7.89%，NO2恢復(fù)能力強(qiáng)和較強(qiáng)的植物比例分別為7.89%和76.32%，其中NO2恢復(fù)能力強(qiáng)的物種有矮麥冬、彩葉杞柳和紅王子錦帶。

采用SPSS對(duì)38種園林植物葉片NO2吸收能力和恢復(fù)能力進(jìn)行方差分析(表4)表明，植物對(duì)NO2脅迫耐受性與對(duì)NO2吸收和恢復(fù)能力的相關(guān)系數(shù)分別為0.16和0.38(表5)，其中對(duì)NO2脅迫

表4 38種園林植物對(duì)NO2吸收能力和恢復(fù)能力方差分析Table 4 The variance analye of NO2 absorption and recovery capacities of 38 garden plants

耐受性與NO2吸收能力、吸收能力與恢復(fù)能力等二者不顯著相關(guān)(P>0.05)，而NO2耐受能力與恢復(fù)能力顯著相關(guān)(P<0.05)。

表5 38種園林植物對(duì)NO2吸收能力及恢復(fù)能力相關(guān)性分析Table 5 The correlation analye of NO2 absorption capacity and recovery capacities of 38 garden plants

3 討 論

影響園林植物的大氣污染物有SO2、氟化氫、氯氣、氨氣和氯化氫等[16-19]，不同的大氣污染物對(duì)植物葉片傷害產(chǎn)生不同癥狀，同一污染物對(duì)不同植物產(chǎn)生傷害的時(shí)間及相關(guān)癥狀也不一樣。本研究主要分析短時(shí)間高濃度NO2處理對(duì)植物造成急性傷害[16]的表現(xiàn)，觀察不同園林植物傷害癥狀的差異性。研究顯示，NO2進(jìn)入植物葉片后極有可能是作為信號(hào)分子介導(dǎo)植物生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)吸收和代謝[20]，而某些敏感植物就會(huì)受到可見或不可見的傷害[21]。本研究中，38種植物對(duì)高濃度短時(shí)間NO2脅迫產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)不同，尤其是植物葉片的表面受害癥狀差異明顯：如金邊菖蒲在熏氣全程的傷害癥狀不明顯，有些植物如金邊黃楊等葉緣出現(xiàn)黃斑、失綠，少數(shù)植物葉面呈現(xiàn)水漬狀或出現(xiàn)黃斑，隨著傷害程度加劇，失綠斑進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為淺褐色、黃褐色、褐色及黑褐色傷斑；傷害區(qū)域與健康區(qū)域間有明顯的界線，如部分植物嫩葉首先出現(xiàn)萎蔫、卷曲、失綠，且隨著受害加重，全株發(fā)黃甚至葉片脫落[15]。這與闊葉樹受到NO2的傷害后，從葉部開始出現(xiàn)受害癥狀，直至最后脫落的結(jié)論[4]一致。分析認(rèn)為，不同種植物的葉片表面結(jié)構(gòu)不一樣，筆者前期研究7種適生彩葉植物對(duì)NO2的抗性研究時(shí)發(fā)現(xiàn)[22]，抗性強(qiáng)的紅花檵木在24 h熏氣的全程沒有明顯的受傷癥狀，是因?yàn)檫@類對(duì)污染物耐受性強(qiáng)的植物，其葉片表面有的多絨毛，或者葉片分泌的黏性油脂和汁液能夠吸附大量的飄塵以阻礙NO2等氣體進(jìn)入植物體，同時(shí)達(dá)到消減環(huán)境污染物含量的效果。

本研究還發(fā)現(xiàn)，江蘇省常見園林植物中，對(duì)NO2耐受性強(qiáng)或較強(qiáng)的植物有波葉金桂、普陀鵝耳櫪、矮麥冬等；吸收NO2能力強(qiáng)或較強(qiáng)的植物有茶梅、金邊黃楊、常春藤、花葉蔓長(zhǎng)春、小葉黃楊、珊瑚樹、大吳風(fēng)草和鳶尾等；NO2污染后恢復(fù)能力強(qiáng)的植物有彩葉杞柳、紅王子錦帶和矮麥冬等。部分植物抗粉塵、SO2和O3的能力較強(qiáng)[23]。李博[24]在研究6種花灌木對(duì)汽車尾氣脅迫的生理反應(yīng)及抗性后認(rèn)為紅王子錦帶的抵抗能力較強(qiáng)。此外，劉凱倫等[25]研究5種灌木對(duì)PM2.5的凈化作用認(rèn)為，紅花檵木的凈化能力最強(qiáng)。可以看出，植物對(duì)污染氣體的抗性不等同于其吸收能力，二者之間并不存在明顯的相關(guān)性，這與繆宇明等[3]發(fā)現(xiàn)不同植物對(duì)NO2的抗性和吸收能力存在較大差異的結(jié)論一致，如火棘的抗性最弱但吸收能力卻最強(qiáng)。本研究中，對(duì)NO2耐受且吸收能力強(qiáng)或較強(qiáng)的植物有熊掌木、龜甲冬青、木姜子、常春藤、金邊黃楊、小葉黃楊、大吳風(fēng)草等；對(duì)NO2耐受且恢復(fù)能力強(qiáng)或較強(qiáng)的植物有普陀鵝耳櫪、熊掌木、海桐、龜甲冬青、瓜子黃楊、木姜子、金葉銀杏、金邊黃楊、矮麥冬和金邊玉簪等19個(gè)種；吸收能力和恢復(fù)能力均強(qiáng)或較強(qiáng)的植物有茶梅、金邊黃楊、常春藤、花葉蔓長(zhǎng)春、小葉黃楊、大吳風(fēng)草和鳶尾等；對(duì)NO2耐受且吸收能力和恢復(fù)能力均強(qiáng)或較強(qiáng)的植物有金邊黃楊、常春藤、木姜子、熊掌木、龜甲冬青、小葉黃楊和大吳風(fēng)草。這一篩選結(jié)果補(bǔ)充和完善了傳統(tǒng)文獻(xiàn)中對(duì)NO2污染具有較強(qiáng)耐受性的園林植物名錄。本研究篩選的這些植物均是華東地區(qū)常見園林綠化植物，來源廣泛，部分種類是華東地區(qū)鄉(xiāng)土植物，適應(yīng)性強(qiáng)；部分種類雖不是華東地區(qū)鄉(xiāng)土植物，但通過不同栽培技術(shù)方法和馴化手段，植物已經(jīng)充分適應(yīng)本地環(huán)境，可以正常生長(zhǎng)。