无机氮型PM2.5对两种典型园林绿化草本植物生理代谢的影响

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在氮沉降和大气颗粒物污染日益加剧的城市生态系统中,植物吸收颗粒物对净化空气具有显著效果,与此同时这一过程也会对植物产生毒理作用。鸢尾和马齿苋作为两种适应性较强的典型园林绿化草本植物,国内外关于两者的抗性研究主要集中在干旱胁迫和盐胁迫两方面,而对于氮沉降和大气颗粒物污染环境下的抗性研究较少,这两种植物由于不同的光合作用途径在逆境中代谢机制也存在差异。因此开展对鸢尾和马齿苋在氮沉降和颗粒物污染背景下生理生态变化的研究,比较两者的差异,为指导城市园林绿化植物配置提供理论依据具有十分重要的意义。本研究在江苏省林业科学研究院中的苗圃地进行无机氮型细颗粒物(PM2.5)熏气实验,探讨鸢尾和马齿苋在无机氮型PM2.5熏气处理下生理代谢响应机制,分别从光合生理、抗氧化系统和氮素储存策略3个方面,对相关生理指标进行测定分析,研究结果表明:(1)在熏气初期气孔限制作用和熏气后期非气孔限制作用的影响下,无论是生长季还是非生长季,鸢尾和马齿苋的叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均与熏气时间显著相关(p<0.05),表现为随着熏气时间的增加呈先增加后减小的趋势,体现了光合和蒸腾过程从促进到抑制的阈值现象。鸢尾仅有净光合速率对于施氮熏气浓度产生了显著响应,而马齿苋的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率都产生了显著变化。(2)鸢尾和马齿苋的抗氧化系统对熏气时间有相同的响应机理。非生长季熏气初期,两种植物更多的依靠过氧化物酶(POD)清除活性氧;而熏气后期,则更多依靠超氧化物歧化酶(SOD)清除活性氧。鸢尾和马齿苋在无机氮型PM2.5熏气下对熏气浓度表现出不同的响应机理。额外氮素添加浓度低时鸢尾更多的依靠POD清除活性氧,马齿苋则是依靠过氧化氢酶(CAT);当氮素浓度进一步增大时,马齿苋开始提高CAT活性,而鸢尾则更多依靠POD清除活性氧。(3)无机氮型PM2.5熏气影响下,在非生长季,适宜的施氮熏气浓度下鸢尾叶肉细胞存储氮的能力更强(p<0.05),而在更多的施氮熏气浓度下,马齿苋叶肉细胞表现出更强的存储氮的能力(p<0.05)。在生长季,马齿苋表皮细胞和叶肉细胞储存氮的能力比鸢尾强(p<0.05)。无机氮型PM2.5熏气在时间尺度上对鸢尾体内氮代谢负面影响更持久。综上所述,两种植物在受到无机氮型PM2.5熏气时,都会激发抗氧化机制来抵御植物受到的活性氧伤害。不同的是,马齿苋维管束鞘细胞与叶肉细胞形成的“花环型”结构使其在光合生理方面比鸢尾对无机氮型PM2.5熏气更敏感,叶片储存氮的能力也更强;鸢尾体内氮代谢受无机氮型PM2.5的负面影响更持久,即马齿苋在应对长期、高浓度无机氮型PM2.5污染时抗性更强。这一主要结论可为含氮PM2.5日益增加的大气污染背景下指导城市园林绿化植物配置提供理论依据。
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