干旱胁迫下的城市林木生长和水分利用对臭氧污染的响应机制研究

我国北方城市森林不但受到干旱气候的缺水影响，而且还会受到城市热岛效应和硬化地面的高温干旱胁迫。近年来的空气污染加剧，特别是臭氧（O3）浓度的升高不但会直接影响到城市林木的生长发育和服务功能，而且还会影响到城市林木对干旱胁迫的响应。本研究以北京常见绿化林木油松和白蜡为研究对象，将开顶式熏气实验罩（OTC）、小型蒸渗仪(Lysimeter)和包裹式茎流仪技术相结合，模拟O3浓度升高和干旱胁迫环境，建立自动连续实时监测O3浓度、林木生长和蒸腾的新型模拟系统，研究不同O3浓度和水分亏缺处理下林木的生长和水分利用规律，并通过测定林木叶片的生理生态学效应参数（如光合速率、气孔导度、脂质过氧化和抗氧化酶系统等）和稳定性碳同位素丰度的变化，探讨O3和干旱对林木复合作用的气孔调节和抗氧化适应的生理生态学机制，为确定城市空气O3浓度临界负荷和绿化林木水分管理提供科学根据。

随着快速城市化及其伴随的大量氮氧化物排放，强氧化性的臭氧（O3）浓度升高已经严重威胁到城市林木的生长。同时我国北方城市林木还要受到干旱气候及城市热岛效应引起的高温干旱胁迫。本研究通过建立原位型开顶式熏气实验装置，研究了O3浓度升高和水分亏缺处理下林木的生长及其叶片的生理生态学效应，探讨了O3和干旱对林木复合作用的生理生态学机制，目的是为确定城市空气O3浓度临界负荷和绿化林木水分管理提供科学根据。按计划完成了各项研究任务。在国内外核心期刊发表论文13篇, 其中 SCI 论文6篇。主要研究结论包括：（1）通过林木叶片气孔电镜观测分析，发现实验后期，O3、干旱及复合胁迫处理下气孔密度明显增加，气孔长度、宽度和开度明显减小。表明 O3对气孔影响具有累积效应, 但是干旱限制了O3摄入量从而减小了O3对植物伤害。（2）通过植物生长和生理生态参数观测，发现O3和干旱胁迫均显著降低了叶片比叶重、气孔导度和光饱和净光合速率及地上和地下生物量。臭氧和干旱共同处理后，干旱虽然可以减轻O3造成的叶片受害和叶片色素下降，但是由于碳固定量的减少, O3导致的光合速率和总生物量下降量在共同处理后分别增加了23.7%, 15.5% 和8.1%。表明当把植株作为整体进行考虑时, 干旱并没有缓解臭氧对林木幼苗的胁迫作用。（3）通过早生叶片和晚生叶片的生化指标测定，发现O3浓度升高和干旱胁迫都会造成叶片总叶绿素和类胡萝卜素下降、花青苷和类黄酮相对含量及脱落酸含量增加，这些生理变化导致了叶片提前变红、叶片早衰和提前脱落。早生叶对O3处理响应大于晚生叶, 而晚生叶对干旱更敏感。两者的复合作用虽然缓解了叶片总叶绿素的下降和花青苷的上升，但总体上还是加速了叶片衰老和脱落风险。进一步对叶片比叶重、叶面积、单叶重、叶片N、S元素含量等分析，发现O3和干旱处理对早生叶的影响程度大于晚生叶。干旱和O3胁迫存在拮抗作用, 除叶面积外, 干旱处理一定程度能缓解O3对叶片的胁迫作用。(4)通过对北京远郊区O3浓度监测点和植物调查，发现北京远郊区已经有15种植物出现了比较明显的O3伤害症状, 表现为出现点状、块状黄斑或褐色灼伤状干枯, 首次报道了中国植物已经受到了空气O3污染危害的证据。因此，在干旱地区应该制定更加严格的O3污染控制标准和选用抗性植物，才能保证城市绿化植物的健康生长。