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植物学论文出版 植物作用

2018-11-21 11:41:48来源:组稿人论文网作者:婷婷

  【研究意义】当前,环境问题随着我国经济的高速发展与社会的快速进步而不断加剧,最为严重的大气污染问题当属雾和霾。从近年我国城市大气环境污染情况来看,区域性特征非常明显,具体表现在北方城市存在着严重的大气环境污染,根据检测数据显示,在我国前6个大气污染严重的区域中有4个在北方。区域复合型污染是当前我国城市大气环境污染过程中的一个明显特征,气象条件、大气环境背景、地理环境都会对一个地区的大气污染产生重要影响,通过也会对影响到其他地方,即主要是通过传输方式的途径。从实际的污染情况来看,同一个区域内的不同城市表现为较为相似的大气环境污染特征,不同区域之间的则有着较大差别的大气环境污染特征,当前我国大气污染防治的重点区域为京津冀区域。【前人研究进展】国家环保部从2013年1月开始定期公布全国74个环保重点城市空气质量状况,结果显示在每次公布的城市质量排行榜中,空气质量最差的十个城市中平均每次都有一半以上的城市是河北省的;而到了2014年,每次最差空气质量最差的城市中平均每次有6个属于河北省,而整个京津冀地区的大气环境都直接受到河北省大气质量的影响。作为我国重要的大型省份,河北省在近年来发展迅速,但在经济发展过程中不可避免的遇到了城市污染的问题,尤其是近年来越来越受到人们重视且对人们健康造成威胁的可吸入颗粒物中细颗粒的含量问题不断突出,已经对城市生态环境和居民健康造成了严重的威胁。掌握城市绿化植物在大气污染环境中的生理特征变化现实意义重大,即一方面能够对城市大气污染的生物效应进行科学的阐明,另一方面能够为成为对大气污染对植物的伤害和植物的抗性机理进行深入、科学探讨过程中的重要依据。作为不管是自然、城市还是景观复合生态系统中自净作用的重要部分,绿化植物起着重要的作用,通过吸附、过滤、阻挡大气中的各种颗粒物及粉尘,能够对大气中的TSP(悬浮颗粒物)起到有效的降低作用,进而在调节区域气候、改善生态环境、净化区域空气、增加空气湿度、减少阳光辐射等方面承担着“除污吐新”的角色。在保障一个城市环境质量方面,绿化植物是城市绿地建设的基础,为各个城市生态系统的健康的稳定运行建立了良好的生态循环就必须对城市绿化植物与环境之间的关系进行深入的研究。当前,环境生态领域研究的热点主要集中在城市环境与绿化植物生理生态响应之间的关系上。在当年对植物对变化的环境条件响应的研究中,使用较为广泛的方法就是以叶绿素荧光为探针,主要原因是叶绿素荧光对于样品无破坏性,反应灵敏,测定快速的显著特征。这种指标的变化出现的时间在尤为重要,主要是先于生长指标和损伤症状改变时间点,明显的优点使得具有优良的可测性。【本研究切入点】本着全面调查的原则,本实验在供试植物的选择上选取的是河北省不同污染区的香樟和女贞来对植物对不同环境条件的响应情况进行深入的研究,在研究的过程中主要是借助女贞和香樟叶片中荧光参数、比叶重、Pb和Cd的含量以及光合色素等指标,进而对河北省常见绿化植物对区域大气污染抗性的生理机理进行科学的探讨。【拟解决的关键问题】通过研究为河北省乃至全国范围内的大气环境质量的准确评价提供有益的科学依据。

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  1 材料与方法

  1.1 研究区概况

  河北省的大气污染的主要特点表现为污染物复合种类多、覆盖范围广、灰霾出现频次高、持续时间长,在污染物方面表现为“一多两重”的特点,在地域上表现为“一带两区”的特点。

  具体而言,“一带”指的是污染物聚集带,主要横跨了河北北部、山西西北部向北沿太行山脉到燕山山脉,大致包括石家庄、邢台、邯郸、保定地的污染物聚集带。如果气流作用很弱,外来输送的污染物和区域内排放的污染物就会逐渐集聚在此地,一旦集聚的量超过了大气环境所能容量的最大量时,区域性重度污染就此产生。“两区”具体是指污染物叠加区和重工业集中区,分别以衡水、唐山为中心。在以衡水为中心的污染物叠加区域内,周边污染物呈现包围之势,有着较为严重的周边污染,此外,其区域内的扬尘和污染排放也十分严重,在此情况下,自身污染物与周边扩散而来的排放物叠加作用,重污染天气随之产生。在以唐山为中心的重工业区域内,污染物浓度较高,因为其排放量远远高于扩散量。在本研究中,对于研究区域的划分主要是根据综合指标,在本文中规定大气质量良好的第一区域为空气污染指数不大于220,且达到及优于国家II级标准天数大于200 天的区域;大气状况为轻污染的第二区域界定为污染指数在220-500之间且达到及优于国家II级标准天数200~100 天的区域;大气质量为重污染的第三区域界定为空气污染指数大于500且达到及优于国家II级标准天数小于100 d天的区域。

  1.2 试验材料及方法

  1.2.1 测定叶片重金属含量先后用自来水和蒸馏水反复冲洗选取的叶片,接着用吸水纸将其擦干,并通过60℃烘箱进行烘干处理,烘干后对于研磨,再放置在干燥器中进行备用。接下来进行取样,即用00001g的电子天平取出0.6g叶片样品,并放入50mL的瓷坩埚之中,进行110-130℃的低温碳化处理直至无烟状态,接着通过450℃高温的马弗炉中进行6小时灰化处理,后放置在50mL烧杯,并加入10mL体积比例为4:1的HClO4和HNO3混合试剂后进行震荡,使其充分溶解在混合试剂之中。如果在震荡过程中存在残渣则应进行过滤掉,接着用纯水把混合试剂定容到50mL。在此过程中,对于每个样品应该要做3个平行样。在测定试样中Pb、Cd含量时应该采用TAS986型原子吸收分光光度计,其含量用mg/kg表示,即以单位干重叶片中Pb、Cd的质量。

  1.2.2 测定比叶重(SLW)选取8-10片不同采样点的女贞和香樟成熟叶片,先后用自来水和蒸馏水反复冲洗女贞和香樟成熟叶片,接着用吸水纸将其擦干,并放入扫描仪中对其叶面积进行准确的测定,然后通过60℃烘箱进行48h的烘干处理后称重,在此过程中,对于每个样品应该要各设3个重复。最后计算比叶重用g/m2表示,即单位面积叶干重与单位叶面积的比值。

  1.2.3 测定色素含量取上述1.2.2中0.2g烘干叶片,并进行去中脉处理,然后将其剪碎并放置在加有少量石英砂和碳酸钙粉及96%乙醇2~3 mL研钵之中进行研磨,直至出现组织发白的现象,接着再加入10mL96%乙醇,继续研磨成匀浆状态,再将提取液进行过滤处理,同时加入96%乙醇定容至25 mL容量瓶中,并进行摇匀操作,最后将其置于暗处保存24 h,备用待测。值得注意的是,在此过程汇总对于每个样品应该设3个重复。在测量过程中,空白对照是用96%的乙醇,测定吸光度时分别在665nm、649nm以及470nm这三种不同的波长下进行,由此可计算叶绿素a/b、叶绿素b(Chl b)、叶绿素a(Chl a)、以及类胡萝卜素(Car)的浓度。

  1.2.5 测定叶绿素荧光在测定叶片的叶绿素荧光诱导曲线上采用的是OS5-FL脉冲调制荧光仪(Pulse Modulation Fluorometer),从而通过诱导曲线来对植物光化学效率进行深入的分析。在弱调制测量光(0.05 μmol·m-2·s-1)诱导下,暗适应15 min的叶片能够产生原初荧光或初始荧光产量(Fo),用强饱和脉冲(5000 μmol·m-2·s-1)激发Fo则会产生最大荧光(Fm)。当荧光从Fm不断接近Fo时,用光强为200 μmol·m-2·s-1的光化光诱导荧光动力学,根据Schreiber等的方法来计算Fv/Fm,Fv/Fo,qP,qN和ΦPSⅡ等一系列不同的荧光参数。

  3讨论

  LMA是衡量植物种相对生长速度的一个重要参数,因为它能够反映植物光合碳同化能力,正因为如此,某些学者也认为LMA的变化引起了植物叶片对于外界环境变化的生理学适应。植物处于胁迫生境中会利用其根系从土壤中吸收矿质养分贮存在叶片中,这些贮存的养分大部分都是用于植物本身来进行保卫构造的构建,例如为了避免高温损伤或者是失水过多,就需要植物增加其叶肉细胞密度或者是增强其细胞壁的韧性,这就需要通过分配较多的氮于非溶性蛋白纤维来进行实现,植物水势的降低取决于其体内积累的可溶性化合物,如蔗糖或脯氨酸,这就导致植物的叶片面积较小而厚度却比较大的情形,增加了其单位叶面积的干物质,这也就是植物叶片的LMA增大。在本次研究当中,植物叶片的LMA随着大气污染区的不同而不同,且差异较大,LMA值随着污染程度的加剧而不断增大。Carreras等通过研究女贞和三色女贞在不同工业污染和交通污染胁迫下的叶片性状参数发现,三色女贞叶片LMA值增大的原因归咎于工业污染和交通污染程度的增加,其中在女贞在交通流量高的生境下,其叶片的LMA值出现减少的情形,但在工业污染程度较高的生境下LMA值不断呈现增大的情形。落叶、枯黄等症状是污染严重的采样点植物生长特点,自然绿量不高,在清洁区的植物叶片光合速率高、阳光接受充足,导致较多的光合碳同化的物质积累,叶片密度很厚,最后导致较高的单位面积叶干物质含量。可能是研究物种的缘故,植物叶片LMA的变化因生境不同而存在差异。即使是不同的研究者来研究同样的植物,其结果也会不同,如与本文研究相同的Carreras等最后的研究结果也与本文存在差异,具体原因可能是气候条件、污染区中污染物的浓度、组分等各种因素的不同导致。

  植物叶片光合作用的强弱、逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况等都可以用叶绿素含量来表示。植物叶片Chl a、Chl b、Car含量因处于不同污染区、污染程度等因素不同而不同,Chl a、Chl b与污染程度存在负相关关系,原因是植物体内的各种酶以及光合器官会被污染环境中的各种有毒气体破坏而导致了其内的Chl a、Chl b含量变化。如果叶绿素遭到破坏,则Chl a和Chl b也会随之分解。在胁迫不同大气污染区,,为了更好的利用光能进行生长,叶片会提高其体内的叶绿素含量,而为了防止植物收到外界伤害则会提高Car含量,这是植物在叶片水平上的一种环境污染记性抵抗的有效机制。在不同的环境中,植物的抗性和适应性直接影响到Chl a、Chl b以及Car含量的大小。受环境影响程度较小的植物具有较高的抗性和适应性。在受到污染的环境中,香樟光合色素的分解程度要高于女贞,这表明女贞抗性和适应性比香樟强。

  绿化植物叶绿素荧光参数受大气污染的影响方面众多,损伤光合机构以及相关酶系、降低叶绿素的光还原活性,增加固定荧光Fo、降低Fv/Fm,这就能显示原初光能转换效率以及PSⅡ的潜在活性在减弱,这种变化可以对植物忍耐和抵抗大气污染能力进行鉴别。在本次研究当中,绿化植物的生理生化特性受到了大气污染的不良影响,进而降低了PSⅡ功能以及光合色素含量,污染物的影响使得绿化植物叶片主要光合色素和辅助色素发生了氧化降解,此时光合色素受到降解,也在一定程度上抑制了对环境变化较为敏感的PSⅡ功能。

  近年来,研究原初的光能转换效率和Chla/b蛋白复合体LHCP到PSⅡ的光能传递能力是研究植物对逆境响应的常用且重要生理参数,分别用Fv/Fm、Fv/Fo表示。大气污染影响了从天线色素到PSⅡ反应中心的传能效率、PSⅡ的原初光化学效率,并且Fv/Fm的下降小于Fv/Fo的下降。这显示PSⅡ的原初光能转化和传能效率受到了重度污染区的抑制,对传能效率更甚。PSⅡ开放的反应中心相对浓度或开放的PSⅡ反应中心数目的量度是叶绿素荧光光化学猝灭系数qP;激发能被用于非光化学反应如热耗散等的程度则用非光化学猝灭系数qN表示,而且膜的高能态、叶绿体光合膜质子梯度的建立都与qN密切相关。本文的研究表明较高比例的PSⅡ反应中心主要是由大气污染物引起,且电荷分离的效率不高,qN的增加主要是由qP的下降导致,且香樟qN要比女贞的qN低,但比女贞的qP高。qP的降低以及qN的增大能够说明大气污染减少了叶绿体吸收的光能中那些能够用于有效的光化学转换的比例,但是增大了那些能够用于非光化学反应的耗散能量的比例。Fv′/Fm′与qP的乘积为ΦPSⅡ,PSⅡ功能的指标之一,表示PSⅡ非环式电子传递的量子效率,通过分析ΦPSⅡ在不同绿化植物的变化规律可以发现其与qP和Fv/Fm类似。由此可证,香樟和女贞有着较强的大气污染耐受力。

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