城市臭氧污染对观赏竹水分利用效率的影响及机制

Ozone(O3) is a kind of phytotoxicity secondary air pollutant. Nowadays, the continuously rising atmospheric O3 concentrations have threatened the growth and realization of ecosystem service functions of urban vegetation. Water use efficiency is a key process linking the urban green growth and water management. Therefore, how to precisely estimate the transpiration water consumption and the response of water use efficiency to elevated O3 concentration of urban vegetation is a critical important issue. In order to investigate water use efficiency and its correlation with O3 exposure indexes, clarify O3 damage mechanism from water use perspective, we plan to take urban ornamental bamboo as the object of study, the effects of four levels of elevated O3 concentrations on leaf and plant water use(sap flow, evaporation rates, 13C and 18O rates), morphological character (whole plant, leaves, bamboo stem), physiological characters (O3 absorption flux, gas exchange, stomatal structure) and biochemical indexes(phytochrome, hormone and related antioxidant system) will be investigated using automatic open top chamber system. This research will also provide scientific basis for evaporation estimation of ornamental bamboo species and urban green water management in future.

臭氧(O3)是一种具有植物毒害作用的二次空气污染物。不断升高的O3浓度已对城市植被的生长和生态功能的实现造成了严重威胁。水分利用效率是城市植被健康生长和水分管理间的关键环节, 如何准确估测城市景观植被蒸腾耗水和水分利用效率对大气O3浓度升高的响应及机制是目前亟待解决的一个重要的问题。我们选择观赏竹为研究对象, 采用开顶式气室和热消散树干液流技术, 通过研究四种大气O3浓度升高条件对叶片和植株水分利用(树干液流、蒸腾速率、13C和18O值、耗水量)、形态特征(叶片、竹秆)、生理特征(光合、气孔结构)和生化指标(抗氧化系统、色素、激素)的影响, 阐明不同观赏竹水分利用效率对大气O3浓度变化的生理生态学响应过程, 从水分生理角度解释植株O3受害机理, 明确水分利用效率变化和O3浓度暴露指标之间的定量关系。这一研究将为未来城市观赏竹种的选择、城市植被蒸腾耗水评估和绿地水分管理提供科学依据。

利用开顶式气室（OTCs）设置了低（大气对照）、中（大气对照+60 ppb O3）、高（大气对照+120 ppb O3）3个O3浓度处理，研究O3浓度升高对美丽箬竹(I. decorus)水分蒸腾、水分利用效率以及对生长和碳代谢的影响。结果表明：1. 与对照相比，整个实验期间高浓度O3处理后植株总耗水量显著下降了9.40%。生长季随着臭氧累积剂量（AOT40）的增加，3个处理耗水量分别呈现显著的线性上升，拟合方程结果显示AOT40每增加10 mmol.h，中和高浓度处理植株耗水量分别比对照减少5.35和5.08kg。2. 处理后美丽箬竹昼间和晚间植株蒸腾呈相反的变化趋势。与对照和中浓度处理相比，高浓度处理后美丽箬竹蒸腾量白天下降23.50%和20.97%而夜间显著升高35.18%和29.17%。3. 在6‒9月整个季节生长期间，不同处理美丽箬竹植株水分利用效率随O3浓度升高而降低，高浓度处理植株水分利用效率较低、中浓度处理分别显著下降26.52%和19.59%，中浓度和低浓度处理之间未见显著差异。4. 高浓度处理下的美丽箬竹光合受到非气孔限制而出现显著下降，叶绿素分解，膜质过氧化加剧，抗氧化物质含量升高。电镜结果表明高浓度处理下，叶片气孔内陷，气孔大部分呈关闭状态，同时气孔密度、气孔宽度和气孔面积均显著升高。5. O3浓度升高导致总生物量显著下降, 鞭芽和茎秆生物量未见显著变化。O3处理后植株地下部分鞭和芽中的淀粉和可溶性糖含量上升。综上，O3浓度升高导致美丽箬竹植株光合下降，生物量降低，耗水量减少，水分利用效率降低，但是鞭生芽生物量未见显著变化，植株倾向于分配更多能量物质到下一代的生长中。