24种园林植物抗污水能力研究

24种园林植物抗污水能力研究

随着城市化的快速发展，污染，尤其是环境污染物，已成为城市环境的严重问题。SO2和NO2为主要大气污染物之一,素有“大气污染元凶”之称。除对人体健康产生严重影响外,对森林生态系统影响很大。目前,大气污染对植物的影响研究主要集中在植物生长分析、伤害特征分析、生理生化和光合作用等方面,但采用人工模拟熏气实验,开展不同质量浓度SO2和NO2胁迫对植物生理生化的影响研究较少。本研究以红花荷等24种园林植物苗木为研究对象,利用人工气候室,研究不同质量浓度SO2和NO2胁迫对叶片相对含水量、叶绿素相对含量、细胞膜质透性、丙二醛含量、超氧化歧化酶(SOD)活性和可溶性蛋白含量的影响,并对红花荷等24种植物抗SO2和NO2能力进行科学评价,研究结果拟为重度酸污染区树种选择和应用提供基础数据和理论依据。1材料和方法1.1设置在线自动监测富宁县2.2—实验材料与设计2012年7—8月,选择红花荷等24种园林植物(植物种类见表1),每种植物设3株,将生长健壮和生长状况基本相同的2～3年生实生苗放置在人工气候室中,温度25～35℃,湿度35%～55%,光照强度600μmol·m-2·s-1,CO2摩尔分数为380～400μmol·mol-1;设SO2和NO2混合气体,质量浓度分别为:T1处理为2.86、2.05mg·m-3,T2处理为5.72、4.10mg·m-3,每个浓度环境下熏气72h,熏气前后分别对叶片相对含水量、叶绿素相对含量、相对电导率、丙二醛含量、超氧化物歧化酶活性和蛋白质含量进行测定,开展SO2和NO2胁迫对红花荷等植物生理生化影响的研究。人工气候室为封闭式自动监测熏气装置,能模拟自然界气候条件,温度、湿度、光照、CO2、NO2、SO2参数的控制可按程序设定进行,可恒定控制和渐变控制。气候室内采用红外线CO2传感器、SO2、NO2传感器测量室内的CO2、SO2、NO2值,由计算机将采集到的气候室内的CO2、SO2、NO2值与设定的CO2、SO2、NO2值进行比较,通过PID及模糊控制算法控制电子流量调节阀,调节进入气候室的CO2、SO2、NO2流量,实现精确控制。由于CO2、SO2、NO2气体分子质量均大于空气平均分子质量,因此采用送回风模式(气室底侧栅板送风,上侧栅板回风)实现气室内气体循环,同时提高混合气体的均匀性。气候室内尺寸为2.0m×1.2m×1.8m。1.2观测方法1.2.1烘干整理将新鲜叶片迅速称量,然后把叶片放到盛有蒸馏水的烧杯中,饱和6h后称饱和质量,接着置通风烘箱中105℃杀青30min,然后70℃恒温烘干24h,称干质量。计算公式:叶片相对含水量:WCfdtdR=(W-W)/(W-W)×100%。式中:RWC为叶片相对含水量;Wf为叶片鲜质量;Wt为饱和鲜质量;Wd为叶片干质量。1.2.2叶片的相对含量采用美国CCM—200的手持式叶绿素计,对木叶片叶绿素相对含量(CCI值)进行了测定,每株测定6片叶。1.2.3电导率的测定标准称取样品3份,每份0.5g,用去离子水洗净,分别置于3个烧杯中,加入20mL无离子水,并让材料完全浸在水中。室温浸泡12h,用DSSJ-308A型电导仪测定电导,最后将烧杯转入沸水浴中煮60min,冷却至室温后测定总的电导率。质膜相对透性:P=((Cl-C0)/(C2-C0))×100%,式中:C1为煮沸前的电导率,C2为煮沸后的电导率,C0为去离子水的电导率。1.2.4叶片超氧化酶sod的活性和可溶性蛋白质含量SOD活性测定采用NBT光还原法;可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝比色法。1.3测定活性物质的隶属函数值数据分析采用Excel2007和SPSS16软件分析。综合评价采用隶属函数值法对各项指标测定值用模糊数学隶属度公式进行定量转换,分别用模糊数学隶属度公式求出每种植物各指标的具体隶属函数值,U(Xij)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin),式中U(Xij)为测定指标的抗SO2和NO2污染隶属函数值,Xij为各植物指标测定值,Ximin为各植物测定指标的最小值,Ximax为各植物测定指标的最大值。用反隶属函数计算其抗SO2和NO2污染隶属函数值,其计算公式为:U(Xij)=1-(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)。在此基础上,采用系统聚类分析对红花荷等24种植物抗性能力进行等级划分。2结果与分析2.1叶绿素相对含量不同质量浓度SO2和NO2胁迫对叶片相对含水量的影响结果见表2。从表2可知,腊肠树、黄槐、红花羊蹄甲、宫粉羊蹄甲、红花荷、美丽异木棉、红千层、复羽叶栾树、蓝花楹、本地火焰木、红花风铃木、大花紫薇、穗花棋盘脚、樱花、仪花和铁刀木叶片相对含水量随着SO2和NO2浓度的增加而降低,而深山含笑、无忧树和杜鹃红山茶叶片相对含水量随SO2和NO2浓度的增加先升高后降低。通过方差分析可知,木棉和澳洲火焰木叶片相对含水量在CK、T1和T2处理间差异不显著(P>0.05),说明SO2和NO2胁迫对其叶片相对含水量影响不大;腊肠树、红花羊蹄甲、宫粉羊蹄甲、红花荷、美丽异木棉、复羽叶栾树、蓝花楹、本地火焰木、红花风铃木、广宁红山茶、杜鹃红山茶、樱花和铁刀木叶片相对含水量在CK、T1和T2处理间差异显著(P<0.05),说明不同浓度SO2和NO2胁迫对其叶片相对含水量影响较大。不同质量浓度SO2和NO2胁迫对叶片叶绿素相对含量的影响结果见表2。从表2可知,与对照相比,无忧树、宫粉羊蹄甲、红花荷、美丽异木棉、红千层、澳洲火焰木、本地火焰木、黄花风铃木、穗花棋盘脚、广宁红山茶、杜鹃红山茶和仪花叶片叶绿素相对含量随着SO2和NO2浓度的增加而降低,而深山含笑、黄槐、红花羊蹄甲、大花紫薇、小叶紫薇和铁刀木叶片叶绿素相对含量随着SO2和NO2浓度的增加先升高后降低。通过方差分析可知,红花荷、本地火焰木、红花风铃木和小叶紫薇叶片叶绿素相对含量在CK、T1和T2处理间差异不显著(P>0.05),而红千层、杜鹃红山茶、樱花和仪花叶片叶绿素相对含量在CK、T1和T2处理间差异显著(P<0.05)。2.2细胞内电解质外渗量的变化不同质量浓度SO2和NO2胁迫对叶片细胞膜质透性的影响结果见表3。从表3可知,与对照相比,深山含笑、无忧树、宫粉羊蹄甲、红花荷、美丽异木棉、红千层、复羽叶栾树、蓝花楹、澳洲火焰木、本地火焰木、大花紫薇、广宁红山茶、杜鹃红山茶、樱花、仪花和铁刀木叶片细胞膜质透性随着SO2和NO2浓度的增加呈上升趋势,这主要是由于植物在SO2和NO2污染胁迫下,植物细胞原生质膜中的不饱和脂肪酸发生过氧化作用,使质膜系统受到伤害,细胞内电解质外渗量增加。在T1和T2处理下,除木棉和小叶紫薇外,其余园林植物叶片膜质透性与对照相比均有不同程度的升高;其中,上升幅度均值(介于181%～223%)最高的为宫粉羊蹄甲、美丽异木棉、黄花风铃木和樱花,而上升幅度均值(介于5%～17%)最小的为黄槐、红花羊蹄甲、红花荷、蓝花楹和广宁红山茶。通过方差分析可知,腊肠树、黄槐、红花羊蹄甲、红花荷、木棉、蓝花楹、小叶紫薇和广宁红山茶叶片细胞膜质透性在CK、T1和T2处理间差异不显著(P>0.05);而宫粉羊蹄甲、红千层、红花风铃木、穗花棋盘脚和樱花叶片细胞膜质透性在CK、T1和T2处理间差异显著(P<0.05)。不同质量浓度SO2和NO2胁迫对叶片丙二醛含量的影响结果见表3。从表3可知,深山含笑、黄槐、无忧树、宫粉羊蹄甲、红花荷、美丽异木棉、红千层、复羽叶栾树、蓝花楹、澳洲火焰木、本地火焰木、黄花风铃木、大花紫薇、广宁红山茶、杜鹃红山茶、樱花、仪花和铁刀木叶片丙二醛含量随着SO2和NO2浓度的增加呈上升趋势,与其叶片细胞膜质透性率变化趋势基本一致。除小叶紫薇和穗花棋盘脚外,其余园林植物叶片丙二醛含量与对照相比均有不同程度的升高;其中,上升幅度均值(介于225%～499%)最高的为美丽异木棉、复羽叶栾树、蓝花楹和樱花,而上升幅度均值(介于7%～22%)最小的园林植物为腊肠树、木棉、澳洲火焰木和大花紫薇。2.3不同质量浓度园林植物对叶片抗氧化酶系统的影响不同质量浓度SO2和NO2胁迫对叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响结果见表4。从表4可知,与对照相比,深山含笑、红花羊蹄甲、木棉、红千层、复羽叶栾树、澳洲火焰木、本地火焰木、大花紫薇、樱花和铁刀木叶片SOD活性随着胁迫浓度的增加呈下降的趋势,其中,下降幅度均值(介于58%～87%)最大的园林植物为澳洲火焰木、本地火焰木和樱花,,下降幅度均值(介于5%～15%)最小的园林植物为蓝花楹、穗花棋盘脚和广宁红山茶;而美丽异木棉、蓝花楹、黄花风铃木、穗花棋盘脚、广宁红山茶、杜鹃红山茶和仪花叶片SOD活性随着胁迫浓度的增加呈先升后降的趋势,说明在较低的浓度胁迫下,上述园林植物叶片内的抗氧化酶系统启动,SOD活性明显升高,以及时清除体内产生的活性氧,避免膜脂过氧化,但随着胁迫浓度的增加,抗氧化酶防御系统可能也遭到破坏,导致SOD活性有所下降,低于其对照叶片SOD活性。通过方差分析可知,腊肠树、红花荷、美丽异木棉、红千层、复羽叶栾树、蓝花楹、本地火焰木、穗花棋盘脚、广宁红山茶和仪花叶片SOD活性在CK、T1和T2处理间差异显著(P<0.05),而深山含笑、无忧树、澳洲火焰木、樱花和铁刀木叶片SOD活性在T1和T2处理间差异不显著(P>0.05)。不同质量浓度SO2和NO2胁迫对叶片可溶性蛋白质含量的影响结果见表4。从表4可知,SO2和NO2胁迫对叶片可溶性蛋白含量影响规律不一致。其中,叶片可溶性蛋白含量随着胁迫浓度增加呈下降趋势的园林植物有红花荷、木棉、澳洲火焰木和仪花,叶片可溶性蛋白含量随着胁迫浓度增加呈上升趋势的园林植物有红千层、蓝花楹、黄花风铃木和大花紫薇,而深山含笑、腊肠树、无忧树、红花羊蹄甲、复羽叶栾树、红花风铃木、小叶紫薇和穗花棋盘脚叶片蛋白质含量随着胁迫浓度的增加表现出先降后升的趋势。通过方差分析可知,无忧树、红千层、红花风铃木、广宁红山茶、杜鹃红山茶和樱花在CK、T1和T2处理间差异不显著(P>0.05);深山含笑、小叶紫薇和铁刀木在CK、T1和T2处理间差异显著(P<0.05)。2.4抗污染能力等级评价植物受到逆境时其生理变化是错综复杂的,并受到多种因素的影响,孤立地用一个指标评价植物抗污染能力很难真实反映植物的抗性本质。因此,为综合评价各种树木抗污染能力的大小,采用隶属函数值法,即用模糊数学隶属度公式对各项指标测定值进行定量转换,具体计算方法是,对叶片相对含水量、叶片叶绿素相对含量、SOD活性和可溶性蛋白质含量采用隶属函数;对叶片相对电导率和叶片MDA含量采用反隶属函数计算;用每个园林植物各项指标隶属度的平均值作为植物抗性能力综合鉴定标准进行比较,综合评定结果见表5。采用系统聚类分析,划分园林植物抗污染能力等级,见图1。从表5和图1可知,黄槐和小叶紫薇隶属函数值最高,分别为0.66和0.69,抗污染能力强;红花荷、木棉、腊肠树、广宁红山茶、杜鹃红山茶、深山含笑、铁刀木和大花紫薇隶属函数值介于0.57～0.62,抗污染能力较强;红千层、澳洲火焰木、无忧树和穗花棋盘脚隶属函数值介于0.52～0.54,抗污染能力中等;红花羊蹄甲、红花风铃木、仪花、蓝花楹和黄花风铃木隶属函数值介于0.42～0.47,抗污染能力较弱;而美丽异木棉、复羽叶栾树、本地火焰木、宫粉羊蹄甲和樱花隶属函数值介于0.23～0.35,抗污染能力弱。3so2和no2对植物抗氧化活性、酶活性的影响(1)叶片相对含水量是标志植物水分状况的重要指标,在大气污染胁迫下,其含量的变化可反映组织的抗脱水能力。除澳洲火焰木叶片相对含水量受SO2和NO2胁迫影响小外,其余23种园林植物叶片相对含水量随着胁迫浓度增加基本呈下降的趋势,这与苗木叶片伤害症状基本一致,即在相对清洁区,叶片疏展、挺健、富有弹性、叶色油绿、富有光泽,而叶片受到SO2和NO2胁迫影响时,出现叶片失水、萎蔫、失绿、泛黄、泛白、水渍状褐色花斑等伤害特征。深山含笑、黄槐和铁刀木叶片叶绿素相对含量随SO2和NO2胁迫浓度的增加呈先升后将的趋势,这可能是由于短时间和较低浓度SO2和NO2胁迫对叶绿素的合成有一定的促进作用,但在较高浓度SO2和NO2胁迫会破坏叶片的保护层,叶绿素合成受到抑制,使叶片叶绿素含量降低。(2)膜脂过氧化作用增强对细胞造成的损伤主要是由于膜系统中的蛋白质和酶分子的聚合和交联引起的,而膜脂过氧化作用需要活化O2的摄取和超氧阴离子自由基O2-的产生。本试验研究结果表明,随SO2和NO2浓度的增加,大多数园林植物叶片细胞膜质透性和膜脂过氧化产物MDA含量都逐渐增加。从园林植物差异上看,在SO2和NO2胁迫下,细胞膜透性变化小,MDA含量保持稳定,抗污染能力较强,如黄槐、小叶紫薇、红花荷、木棉、腊肠树、广宁红山茶、杜鹃红山茶、深山含笑、铁刀木和大花紫薇;而细胞膜透性变化大,MDA含量增加多,抗污染能力较差,如美丽异木棉、复羽叶栾树、本地火焰木、宫粉羊蹄甲和樱花;这一结果与前人的研究结果是一致的。(3)SOD是生物体内清除超氧化物阴离子自由基的重要金属酶类,维护着生物体内细胞正常的生理代谢和生化反应,在许多逆境条件下,植物体内活性氧代谢系统的平衡会受到影响,活性氧产生量增加,体内活性氧含量的升高能启动膜脂过氧化作用,从而破坏膜结构。因此,植物体内的活性氧清除剂的含量或活性水平的高低对植物的抗逆能力具有重要的意义。本试验研究结果表明,随着SO2和NO2浓度的增加,深山含笑、红花羊蹄甲、木棉、红千层、复羽叶栾树、澳洲火焰木、本地火焰木、大花紫薇、樱花和铁刀木叶片SOD活性呈下降的趋势,而美丽异木棉、蓝花楹、黄花风铃木、穗花棋盘脚、广宁红山茶、杜鹃红山茶和仪花叶片SOD活性随着胁迫浓度的增加呈先升后降的趋势,说明植株体内保护