圣倩倩，戴安琪，宋 敏，唐 睿，祝遵凌,3*

(1.南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037；3.南京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

二氧化氮(NO2)在大氣環(huán)境中呈現(xiàn)為棕紅色，并伴有刺激性臭味，對大氣能見度及光的吸收有著直接的影響[1-4]，大氣對流層NO2主要由工業(yè)生產(chǎn)和人類活動產(chǎn)生，目前汽車尾氣、火力發(fā)電站和其他工業(yè)燃?xì)鈴U料生產(chǎn)過程產(chǎn)物是NO2的主要來源，為主要大氣污染物之一[5-6]。園林植物具有吸收凈化大氣污染物的作用，是城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的重要組成部分。光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)[7-8]，大氣環(huán)境作為影響植物光合作用的主要環(huán)境因素之一，與光合作用中各反應(yīng)過程密切相關(guān)，葉綠素?zé)晒庾兓梢灾苯臃从持参锕夂舷到y(tǒng)對光能的吸收和利用情況，還用于檢測環(huán)境變化下光合機(jī)構(gòu)的響應(yīng)[9-11]。因此，研究植物光合生理特征是闡明不同環(huán)境下植物生長變化的重要途徑[12-14]。目前報(bào)道較多的有氣態(tài)NO2對草本植物尤其蔬菜類植物葉片光合作用的影響[15-18]，探討木本植物消減空氣污染已成為近年來新的研究熱點(diǎn)，尤其是木本植物對NOx同化力的研究備受關(guān)注。Morikawa等[19]研究了217種天然植物對NO2的吸收能力，表明吸收NO2能力較高的有茄科和楊柳科植物，而不同種類的植物吸收NO2的能力差異高達(dá)600多倍，同科植物吸收NO2的能力差異達(dá)26倍之多；Takahashi等[20]對70種行道樹的抗NO2能力進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)落葉樹強(qiáng)于常綠樹。但目前的研究中少有對園林珍貴植物，尤其是鵝耳櫪屬木本植物抗NO2能力的報(bào)道。此外，目前已報(bào)道的緩解NO2處理對植物損傷的研究大多采用如過氧化氫[21]、抗壞血酸[22]和硫化鈉[23]等一些外源物質(zhì)，而不加外源物質(zhì)讓植物通過自身調(diào)節(jié)恢復(fù)代謝的研究鮮見報(bào)道。筆者研究兩種鵝耳櫪在不同NO2熏氣條件下光合生理特征的差異，觀察兩種鵝耳櫪在無外界干擾情況下是否能恢復(fù)到正常的生長發(fā)育狀態(tài)，以期了解植物對NO2等大氣污染物環(huán)境的適應(yīng)性，為城市道路綠化樹種的選擇和配置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為歐洲鵝耳櫪(Carpinusbetulus)和普陀鵝耳櫪(Carpinusputoensis)1年生幼苗。試驗(yàn)地位于南京林業(yè)大學(xué)園林實(shí)驗(yàn)中心(118.82°E,32.08°N)。2017年3月挑選整齊一致、無病蟲害的健壯苗木盆栽，塑料花盆的規(guī)格為上口徑(30 cm) ×下口徑(20 cm) × 高(15 cm)，基質(zhì)為泥炭土+蛭石+珍珠巖，質(zhì)量比為1∶1∶1。每盆栽植2株，實(shí)驗(yàn)苗養(yǎng)護(hù)條件一致，常規(guī)管理。培養(yǎng)期間，每周澆水2～3次，以保持苗木濕潤，為維持苗木礦質(zhì)營養(yǎng)，每2周加1次1 L霍格蘭營養(yǎng)液。

采用筆者自制的檢測植物吸收NO2能力的熏氣裝置[24]，實(shí)時(shí)監(jiān)測熏氣室內(nèi)氣體的動態(tài)變化，精確控制進(jìn)入熏氣室的氣體量。供試苗木在栽培2個月后，移入熏氣室，進(jìn)行NO2脅迫實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)置NO2氣體脅迫處理(質(zhì)量濃度為12.0 mg/m3[24])，熏氣時(shí)間為72 h，屬于高濃度短時(shí)間處理。該濃度處理下，植物受NO2氣體脅迫葉片出現(xiàn)傷害癥狀，產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)，但不致死。對歐洲鵝耳櫪和普陀鵝耳櫪進(jìn)行人工熏氣試驗(yàn)，處理時(shí)間分別為熏氣零點(diǎn)(0 h，CK)、1、6、12、24、48 和72 h。通過NO2氣體測量儀對NO2氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(間隔時(shí)間1 min)，并通過氣體流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)氣體的設(shè)定，時(shí)間持續(xù)72 h。將花盆及盆土用保鮮膜密封包纏處理，放入熏氣室的植株，除葉片、枝條和莖干裸露在熏氣裝置里，其余部分均用保鮮膜包裹封閉，以保證盆土和植株根系微生物等被隔離，減少實(shí)驗(yàn)誤差。熏氣室設(shè)置光照時(shí)間13 h，環(huán)境溫度25～28 ℃，空氣相對濕度60%～70%，光照度為26 000～29 000 lx，大氣壓力99.3～99.5 kPa。熏氣后，將各樣株從熏氣裝置中取出，室溫培養(yǎng)30 d。植物生長條件同處理組一致。每組處理3個重復(fù)。

1.3 光合生理參數(shù)的測定方法

2017年5月中旬進(jìn)行熏氣室熏氣，每個熏氣室輸入一種濃度的NO2進(jìn)行處理，每種濃度使用3個熏氣室做重復(fù)，共使用18個熏氣室。當(dāng)熏氣室處理到對應(yīng)處理時(shí)間時(shí)，將熏氣室蓋子打開，取出植物，以測定光合生理參數(shù)。將植物取出放在室溫下培養(yǎng)30 d后(即6月中旬后)再次測定光合生理參數(shù)。

1.3.1 光響應(yīng)曲線的測定

選擇晴朗無風(fēng)的天氣，從9：00—11：30進(jìn)行光響應(yīng)測定，各處理組隨機(jī)選擇9株苗木，每個熏氣室隨機(jī)選擇3株，3個重復(fù)，選擇苗木自頂葉以下第3張起受光方向一致的葉片，采用CIRAS-2光合儀測定光合指標(biāo)，每個葉片重復(fù)記錄3次，連續(xù)測量3 d取平均值。光合儀內(nèi)的氣體流速設(shè)定為500 μmol/s，葉室中的CO2摩爾分?jǐn)?shù)控制在(380±2) μmol/mol、空氣相對濕度(65±5)%，葉片溫度設(shè)(20.0±5.0) ℃，在該條件下采用1 500 μmol/(m2·s)光強(qiáng)活化10 min。光合有效輻射(PAR)梯度設(shè)置為1 400、1 200、1 000、800、600、400、300、200、100、50、0 μmol/(m2·s)，采用自動程序測定，每種光強(qiáng)值下停留150～200 s。

測定指標(biāo)有凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等[25]，最終選取平均數(shù)進(jìn)行分析。采用不同光合有效輻射下的凈光合速率繪制光合速率的光響應(yīng)(Pn-PAR)曲線，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)的走勢，估計(jì)最大凈光合速率(Pn，max)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)的動態(tài)測定

從各處理中隨機(jī)選取9株苗木，取其頂葉下方第3片起的葉片，采用Handy PEA植物效率分析儀測定活體葉片，每株重復(fù)3片，取平均值。參考文獻(xiàn)[25]的方法，葉片暗適應(yīng)20 min，測定初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和最大PSⅡ光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)。每片重復(fù)記錄3組數(shù)據(jù)，連續(xù)測量3 d并取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2010和SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件，處理組與對照組的均值比較及差異顯著性采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和t檢驗(yàn)，小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO2脅迫下兩種鵝耳櫪表觀量子產(chǎn)率(AQY)的變化

表觀量子產(chǎn)率(AQY)用于表征光合生產(chǎn)潛力和評價(jià)光能資源利用效率。歐洲鵝耳櫪和普陀鵝耳櫪表觀量子產(chǎn)率(AQY)變化見圖1。

圖中的不同小寫字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，不同大寫字母表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。下同。Different lowercase and uppercase letters in the figure represents the significant differences at P<0.05,P<0.01,respectively.The same below.圖1 不同NO2脅迫處理時(shí)間和恢復(fù)后兩種鵝耳櫪AQY變化Fig.1 The variation of AQY in two kinds of hornbeam under different NO2 exposure time and after recovery

試驗(yàn)期間，歐洲鵝耳櫪AQY變化范圍是0.007～0.041，隨著NO2處理時(shí)間的延長AQY先增加后降低；普陀鵝耳櫪AQY變化范圍是0.007～0.045，但隨著NO2處理時(shí)間的延長AQY持續(xù)降低；兩樹種AQY在各NO2處理組和恢復(fù)組的表現(xiàn)均以恢復(fù)組的最高，72 h處理組的最低，各處理組之間AQY差異顯著(P<0.01)。因此，短期(1 h)的NO2處理可以提高歐洲鵝耳櫪AQY。

2.2 NO2脅迫下兩種鵝耳櫪4個光合參數(shù)的變化

不同濃度NO2處理下兩種鵝耳櫪主要光合指標(biāo)的變化情況見圖2。由圖2A可知，歐洲鵝耳櫪各處理組的最大凈光合速率(Pn，max)低于脅迫0 h和恢復(fù)組，隨著NO2處理時(shí)間的延長，Pn，max呈現(xiàn)下降趨勢，變化范圍為9.24～14.10 μmol/(m2·s)，且處理組間差異極顯著(P<0.01)；普陀鵝耳櫪各NO2處理組的Pn，max低于恢復(fù)組，隨著NO2處理時(shí)間的延長，其Pn，max呈下降趨勢，變化范圍為9.24～12.38 μmol/(m2·s)，處理組間Pn，max差異顯著(P<0.05)。

暗呼吸速率(Rd)主要受植物生長狀態(tài)和溫度變化的影響，不同NO2處理組變化規(guī)律不一。如圖2B所示，本研究中歐洲鵝耳櫪Rd的變化范圍是-2.42～-0.60 μmol/(m2·s)，其中72 h處理組的Rd最高；普陀鵝耳櫪Rd在不同NO2處理組變化規(guī)律不一，范圍是-2.34～-0.72 μmol/(m2s)，其中72 h處理組的Rd最低。各NO2處理組之間兩種鵝耳櫪的Rd差異均極顯著(P<0.01)。

歐洲鵝耳櫪光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)的變化范圍是33.6～129.6 μmol/(m2·s)，處理間差異顯著，但規(guī)律性不強(qiáng)，其中脅迫12 h和48 h處理組的LCP[分別是129.6和126.0 μmol/(m2·s)]，高于脅迫零點(diǎn)(0 h)和恢復(fù)組，24 h和72 h處理組的LCP差異不顯著，1 h和6 h處理組LCP最低，分別為39.6和33.6 μmol/(m2·s)，由此可知12 h和48 h處理組具有更高的利用弱光的能力。歐洲鵝耳櫪各NO2處理組之間光補(bǔ)償點(diǎn)差異極顯著(P<0.01)。

普陀鵝耳櫪的LCP變化范圍是54.4～238.4 μmol/(m2·s)，在各NO2處理間變化顯著，但規(guī)律性不明顯。各NO2處理組的LCP值均高于脅迫零點(diǎn)(0 h)和恢復(fù)組，6、24和48 h處理組的LCP高于1、12和72 h處理組。普陀鵝耳櫪各NO2處理組之間LCP差異極顯著(P<0.01)。

圖2 不同NO2脅迫處理時(shí)間和恢復(fù)后兩種鵝耳櫪Pn，max、Rd、LCP和LSP的變化Fig.2 The variation of Pn，max,Rd,LCP,LSP in two kinds of hornbeam under different NO2 exposure time and after recovery

歐洲鵝耳櫪1 h處理組的光飽和點(diǎn)(LSP)是799 μmol/(m2·s)，低于脅迫零點(diǎn)(0 h)和恢復(fù)組，隨著NO2處理時(shí)間的延長，LSP值逐漸增加，變化范圍為799.2～2 247.6 μmol/(m2·s)，且處理組間差異極顯著(P<0.01)；普陀鵝耳櫪各NO2處理組的LSP均高于脅迫零點(diǎn)(0 h)和恢復(fù)組，1 h和12 h處理組的LSP低于6、24、48和72 h處理組，變化范圍為545.6～2 262.4 μmol/(m2·s)，處理組間差異極顯著(P<0.01)。

2.3 NO2脅迫下歐洲鵝耳櫪和普陀鵝耳櫪葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

歐洲鵝耳櫪初始熒光(Fo)值隨著NO2脅迫時(shí)間的延長變化規(guī)律不明顯(圖3A)，其中恢復(fù)組的Fo值(558)低于脅迫零點(diǎn)(0 h)和各處理組，12 h和24 h 處理組的Fo值分別為713.5和728.5，高于脅迫零點(diǎn)(0 h)，處理組間的Fo差異性不顯著(P>0.05)。普陀鵝耳櫪Fo值隨著NO2脅迫時(shí)間的延長整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中1 h處理組的Fo(252)顯著低于脅迫零點(diǎn)的428，其余處理組均高于脅迫零點(diǎn)(0 h)和恢復(fù)組，處理組間的Fo值呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)。

歐洲鵝耳櫪的最大熒光(Fm)值除了12 h處理組有輕微下降，隨著NO2脅迫時(shí)間的延長整體上呈現(xiàn)下降趨勢，1、6和24 h處理組的Fm值高于脅迫零點(diǎn)(0 h)；普陀鵝耳櫪的Fm值隨NO2脅迫時(shí)間的延長呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢，其中12 h處理組高于脅迫零點(diǎn)(0 h)。歐洲鵝耳櫪和普陀鵝耳櫪處理組間的Fm值呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)。

圖3 不同NO2脅迫處理時(shí)間和恢復(fù)后兩種鵝耳櫪葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Fig.3 The variation of chlorophyll fluorescence parameters in two kinds of hornbeam under different NO2 exposure time and after recovery

脅迫零點(diǎn)(0 h)和恢復(fù)組的歐洲鵝耳櫪PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)分別是0.712和0.778，1 h和6 h處理組的Fv/Fm分別是0.759和0.775，高于脅迫零點(diǎn)(0 h)，低于恢復(fù)組，但無顯著性差異(P>0.05)。從6 h到72 h 處理組的Fv/Fm值呈現(xiàn)下降趨勢，變化范圍是0.663～0.775。普陀鵝耳櫪的Fv/Fm值在1 h 處理組相比脅迫零點(diǎn)(0 h)呈增加趨勢，隨著NO2處理時(shí)間的延長Fv/Fm值呈現(xiàn)下降趨勢，變化范圍為0.725～0.837。普陀鵝耳櫪的各處理組間其Fv/Fm值差異性不顯著(P>0.05)。

3 討 論

3.1 兩種鵝耳櫪對NO2脅迫處理時(shí)間的響應(yīng)

目前，有關(guān)NO2氣體脅迫濃度的研究結(jié)果表明，1.0～18.8 mg/m3為產(chǎn)生脅迫效應(yīng)的范圍[26-31]，其中1.0～8.0 mg/m3屬于低脅迫質(zhì)量濃度，可進(jìn)行30或60 d的處理；高濃度的NO2氣體脅迫質(zhì)量濃度主要為8.0 mg/m3以上，熏氣時(shí)間主要集中為14或48 h等。本研究結(jié)合前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定兩種鵝耳櫪的NO2熏氣為短時(shí)間高濃度處理即NO2質(zhì)量濃度設(shè)置為12 mg/m3、處理時(shí)間為72 h，在該濃度NO2處理下，兩種鵝耳櫪葉片顯示受害狀態(tài)，但不至死，有利于研究NO2脅迫對兩種鵝耳櫪的耐性機(jī)制。

3.2 NO2脅迫下兩種鵝耳櫪光合特性的變化

環(huán)境和植物內(nèi)部因子與植物的光合作用、呼吸作用以及其他的生理活動狀況之間密切相關(guān)，其中光合有效輻射(PAR)起著主導(dǎo)作用[32]。有關(guān)兩種鵝耳櫪對NO2脅迫下光合作用的前期研究中，僅測定了植物光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度的值[31]，未深入分析光合生理指標(biāo)的變化對植物生理生長的影響，為此，本研究利用光合儀測定植物光合作用獲得光響應(yīng)曲線，計(jì)算出最大凈光合速率(Pn，max)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)，有助于了解光反應(yīng)過程的效率，進(jìn)一步搞清楚環(huán)境因子對光合產(chǎn)物積累的影響[32]。LSP和LCP是植物重要的光合生理指標(biāo)，反映植物對光照條件的要求，對植物耐陰性強(qiáng)弱的判斷起著重要作用。有研究認(rèn)為：LSP和LCP都較低時(shí)，植物具有較強(qiáng)的耐陰性；LCP的高低是衡量在弱光條件下植物光合作用能力的重要指標(biāo)[33]，LCP越低說明植物利用弱光能力越強(qiáng)，越有利于有機(jī)物質(zhì)的積累；LCP低、LSP較高的植物，能適應(yīng)多種光照環(huán)境[34-36]。本研究中，兩種鵝耳櫪在NO2脅迫不同時(shí)間處理下其LCP差異顯著。6 h處理組的歐洲鵝耳櫪和1 h處理組的普陀鵝耳櫪其LCP最低?？傮w上，歐洲鵝耳櫪和普陀鵝耳櫪的LSP隨著NO2處理時(shí)間的延長而增加。相比普陀鵝耳櫪，歐洲鵝耳櫪具有較高的Pn，max和Rd，較低的LCP和較高的LSP，表明歐洲鵝耳櫪在較寬泛的光照強(qiáng)度下能夠正常生長，光適應(yīng)性更強(qiáng)。

3.3 兩種鵝耳櫪葉綠素?zé)晒鈪?shù)對NO2脅迫的響應(yīng)

綜上所述，短時(shí)間高濃度NO2脅迫下，歐洲鵝耳櫪具有較高的Pn，max和Rd，較低的LCP和較高的LSP，表明歐洲鵝耳櫪在較寬泛的光照強(qiáng)度下能夠正常生長，適應(yīng)性更強(qiáng)。歐洲鵝耳櫪與普陀鵝耳櫪在NO2脅迫1 h 的處理組Fv/Fm值增加，說明植物光化學(xué)效率提高，代謝增強(qiáng)，在經(jīng)過6 h NO2處理后，僅歐洲鵝耳櫪的Fv/Fm值增加，說明歐洲鵝耳櫪在NO2脅迫下代謝更穩(wěn)定，生長勢更好，有機(jī)體能夠有序適應(yīng)外界不良環(huán)境，耐受性更強(qiáng)。