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近地层空气中臭氧(O3)浓度升高对农业、森林以及人类的健康可产生严重危害。园林绿地植物作为城市植被的重要组成部分,在固碳释氧、净化空气、吸附和清除空气中的悬浮颗粒、降温增湿等方面都发挥着十分重要的作用。研究园林绿地植物对臭氧污染的响应可为筛选适应高浓度臭氧环境的物种和品种提供理论依据。以我国常见的园林乔木(海棠)、灌木(红瑞木等)、草本植物(早熟禾等)、藤本植物(忍冬)作为试材,利用上部开口式同化箱(OTC),通过模拟臭氧浓度升高(70ngg-1),研究了园林植物对臭氧污染的响应。主要研究结果如下:
(1)通过比较园林乔木——海棠两个不同叶色(Malus spp.)品种的幼树,‘王族’(红色叶)和‘火焰’(绿色叶),对臭氧熏蒸(臭氧浓度为70ngg-1,每天处理7小时,共处理31天)的响应,发现,高浓度臭氧显著降低了‘王族’的净光合速率(PN)(-27.2%)、光系统Ⅱ光化学量子产额(ΦPSⅡ)(-22.1%)和非环式电子传递速率(ETR)(-21.8%)(P<0.01),而‘火焰’却没有变化。‘王族’海棠的日间呼吸(Resp)、羧化效率(CE)、Rubisco酶活体最大反应速率(Vcmax)和最大电子传递速率(Jmax)在臭氧处理下也显著降低(P<0.01),降低程度分别为55.3%,74.8%,34.4%和46.1%;而‘火焰’海棠的这些参数受臭氧的影响不明显。以上结果表明,红色叶品种的光合作用比绿色叶的对臭氧有更高的敏感性。
(2)高浓度臭氧(臭氧浓度为70ngg-1,每天处理7小时,共处理65天)显著降低了园林灌木[丝棉木(Euonymus bungeanus),红叶石楠(Photinia×fraseri‘Red Robin’),流苏(Chionanthus retusus)和红瑞木(Cornus alba)]幼树的净同化速率,然而胞间/胞外CO2比值(Ci/Ca)在所有的品种中都保持稳定或者增大,说明在臭氧熏蒸下净光合同化的降低很可能是因为叶肉细胞受到损伤所导致而不是气孔限制造成的。另外,通过参数的相关性分析发现,净光合同化速率的降低程度与ΦPSⅡ和ETR的降低程度呈显著正相关关系,这也表明了净光合同化的降低主要受光反应过程的影响。然而不同物种对臭氧的反应存在很大差异。其中丝棉木的净同化速率降低程度最大(-49.6%),而流苏的降低程度最小(-36.5%)。臭氧显著的降低了丝棉木的ΦPSⅡ和ETR而增加了流苏的ΦPSⅡ和ETR。丝棉木的光反应受到严重的伤害,但是流苏通过增加电子传递速率减轻了净光合同化受到的伤害。由此可见,丝棉木对臭氧的敏感性可能是最高的,而流苏是最耐受的物种。红叶石楠和红瑞木对臭氧的敏感性介于两者之间,而且红瑞木和红叶石楠的敏感性差异不显著。流苏比较适合在臭氧污染地区应用,而丝棉木则不合适。
(3)通过比较三种不同功能型草本植物:早熟禾(Poa annua)、高丹草(Sorghum bicolor×S.Sudanense)、苜蓿(Medicago Sativa)对臭氧熏蒸处理(臭氧浓度为70ngg-1,每天处理7小时,共处理31天)的响应,发现,C4植物高丹草和豆科植物苜蓿PN显著降低,而且后者降低的程度大于前者,而C3植物早熟禾的PN对高浓度臭氧并不敏感。臭氧导致豆科植物苜蓿发生了光抑制(暗适应下最大光化学效率--Fv/Fm降低),而且导致ETR和ΦPSⅡ显著降低;臭氧也导致高丹草发生了轻微光抑制,但是ETR和ΦPSⅡ并没有受到显著影响;而臭氧对C3植物早熟禾没有引起光抑制效应,而且ETR和Φ PSⅡ也没有受到显著的影响。臭氧处理降低了高丹草地上部分生物量(-36.4%)、地下部分生物量(-51.1%)和总生物量(-41.8%)。高浓度臭氧处理对苜蓿的生物量的影响程度更大。与对照相比,其地上部分生物量(-43.8%)、地下部分生物量(-81.6%)和总生物量均显著降低(-55.2%)。C3植物早熟禾与前两种植物不同,高浓度的臭氧熏蒸并没有降低其生物量的积累。综合三种植物在臭氧处理下气体交换参数、叶绿素荧光参数以及生物量积累和分配的变化规律,可以得出,豆科植物苜蓿对臭氧的敏感性最高,C3植物早熟禾最低,而C4植物高丹草介于两者之间。早熟禾适宜在臭氧污染地区中用做绿化植物。
(4)通过比较藤本植物——忍冬(Lonicera japonica Thunb.)二倍体品种及其同源四倍体对高浓度臭氧污染的生理生态响应(臭氧浓度为70ngg-1,每天处理7小时,共处理31天),发现,两个品种的PN都由于臭氧熏蒸而显著降低(P<0.01),尽管每个处理下的每个品种的PN和气孔导度(gs)均呈显著的正相关,但是由于Ci/Ca的比值很稳定或者增大,说明臭氧熏蒸导致gs降低很可能是PN降低后的结果而不是导致其降低的原因。臭氧显著降低饱和CO2浓度下的PN(PNsat)和羧化效率,表明卡尔文循环过程受到了伤害。臭氧污染降低了叶绿素荧光参数如Fv/Fm,ΦPSⅡ,ETR,光化学猝灭(qP),非光化学猝灭(NPQ),Vcmax和Jmax的值,这表明光捕获和电子传递过程受到破坏也是导致忍冬在高浓度臭氧处理下PN的降低一个重要原因。与二倍体相比,四倍体的蒸腾速率(E),gs,PNsat,Vcmax和Jmax受臭氧污染的影响较大,而且臭氧处理和品种对PN有近似显著的交互作用(P=0.086),表明四倍体忍冬的光合过程比二倍体对臭氧更为敏感。
以上结果表明,不同园林植物对臭氧污染的敏感性不同。乔木类植物海棠红色叶品种对臭氧敏感性高于绿色叶品种;灌木类植物中丝绵木对臭氧的敏感性最高,而流苏的抗性最好;草本植物中C3植物早熟禾的敏感性最低,而豆科植物苜蓿的敏感性最大,C4植物高丹草介于两者中间;藤本植物忍冬的二倍体品种对臭氧抗性好于其同源四倍体,染色体加倍反而增加了忍冬的敏感性。因此,在筛选/选育园林绿化植物种/品种时必须考虑其对臭氧污染的敏感性。