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大气NO_2污染下园林植物的光谱特征及光合特性研究

赵磊  
【摘要】:大气N02污染问题日益严重,已成为我国主要城市大气污染物之一,并严重危害了人类健康和生态环境,探讨并筛选在大气NO2污染区具有修复型功能的园林植物具有重要的参考价值和实际意义。本文选用重污染区武钢焦化区(简称武钢)、一般污染区青山和平公园(简称青山)和对照区华中农业大学校园(简称华农)24种常见园林植物为研究对象,通过便携式光合仪(Li-6400)、便携式光谱仪(ASD FieldSpec HandHeld)、叶绿素仪(SPAD-502)和自动定氮仪(kjeltec2300)分别测定了所选植物样叶片光和特征值、光谱反射率、叶绿素含量和含氮量;通过分析植物对大气NO2污染物的抗性和吸收能力,筛选出了大气NO2污染地区适宜的修复型园林植物;并通过对植物光谱数据与植物叶片含氮量的研究、建模和检验,建立了基于光谱数据估测植物叶片含氮量的光谱反演模型,也为监测空气污染水平提供了参考依据。主要研究结果如下: 1.不同污染区的大气NO2浓度测定表明,对照区华农的大气NO2浓度最低,一般污染区青山大气NO2浓度是对照区华农的1.18倍,而重污染区武钢大气NO2浓度较高,是对照区华农的3.07倍。 2.同种植物的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、水分利用率和胞间CO2浓度在3个区域均呈现华农青山武钢的现象,且气孔导度下降幅度较大,水分利用率下降较小;而植物叶面水汽压亏缺却随污染程度增加呈上升趋势,且上升幅度较大。说明了在大气NO2污染下,对光合作用的影响主要通过限制气孔导度来实现,植物需通过不间断的感应外界环境变化以适应性调节自身气孔开张程度或部分关闭,从而有效维持水分散失和光合作用之间的平衡。 3.与对照区植物相比,大气NO2污染区植物的光能利用率和叶绿素浓度均下降,最大净光合速率和表观量子效率也出现不同程度的降低,光补偿点则出现不同程度的增加,而光饱和点则无规律的上下波动。说明受大气NO2污染的影响,植物光能利用率的下降主要是降低了其绿素浓度,且下降程度与植物本身的抗污染性有关,即植物抗污染性越强,其叶绿素浓度和光响应指标变化越小,反之亦然。 4.通过隶属函数法对净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度、水分利用率、叶面水汽压亏缺和叶绿素浓度等7个抗性指标进行综合评价,得出19种植物的抗N02污染能力较强的有女贞(Ligustrum lucidum)、栾树(Koelreuteria paniculata)、法国冬青(Viburnum odoratissimum var.awabuki)、樟树(Cinnamomum camphor a)、广玉兰(Magnolia grandiflora);中等的有桂花(Osmanthus fragrans)、海桐(Pittosporum tobira)、悬铃木(Platanus orientalis)、石楠(Photinia serndata)、紫叶李(Prunus ceraifera)、红继木(Loropetalum chinense var. rubrum)、杜鹃(Rhododendron)、枇杷(Eriobotrya japonica)、山杜英(Elaeocarpus sylvestris);较弱的有紫薇(Lagerstroemia indica)、夹竹桃(Nerium oleander)、十大功劳(Mahonia beaill)、银杏(Ginkgo biloba)、吉祥草(Reineckia triandra)。 5.吸收N02污染气体较强和中等的植物叶片含氮量与其土壤中含氮量的相关性并不显著,说明了植物叶片含氮量的差异主要来源于植物叶片对空气NO2气体的吸收。在所研究的植物中,吸污性较强和中等的植物有桑树(Morus alba L)、夹竹桃(Nerium oleander)、竹子(Bambusoideae)、泡桐(Paulownia)、木芙蓉、云南黄馨(Jasminum mesnyi)、广玉兰(Magnolia grandiflora)、紫薇(Lagerstroemia indica)、吉祥草(Reineckia triandra)、红继木(Loropetalum chinense var. rubrum)、石楠(Photinia serndata)、构树(Broussonetia papyrifera)等;吸污性较差的植物有银杏(Ginkgo biloba)、悬铃木(Platanus orientalis)、女贞(Ligustrum lucidum)、桂花(Osmanthus fragrans)、海桐(Pittosporum tobira)、杜鹃(Rhododendron)、紫叶李(Prunus ceraifera)、樟树(Cinnamomum camphora)、法国冬青(Viburnum odoratissimum var.awabuki)、山杜英(Elaeocarpus sylvestris)、枇杷(Eriobotrya japonica)等。 6.根据所研究园林植物对大气NO2污染气体的抗性和吸收能力,确定了大气NO2污染地区种植的植物等级。适宜植物有:广玉兰(Magnolia grandiflora)、桑树(Morus alba L)、竹子(Bambusoideae)、木芙蓉(Cottonrose Hibiscus)和构树(Broussonetia papyrifera);较适宜植物:女贞(Ligustrum lucidum)、悬铃木(Platanus orientalis)、桂花(Osmanthus fragrans)、石楠(Photinia serndata)、海桐(Pittosporum tobira)、樟树(Cinnamomum camphora)、法国冬青(Viburnum odoratissimum var.awabuki)、夹竹桃(Nerium oleander)、泡桐(Paulownia)、云南黄馨(Jasminum mesnyi)、紫薇(Lagerstroemia indica)、吉祥草(Reineckia triandra)和红继木(Loropetalum chinense var. Rubrum);不适宜植物:银杏(Ginkgo biloba)、杜鹃(Rhododendron)、紫叶李(Prunus ceraifera)、山杜英(Elaeocarpus sylvestris)、枇杷(Eriobotrya japonica)和十大功劳(Mahonia beaill)。 7.所研究园林植物叶片的光谱曲线整体大致相似,主要差异性体现在绿峰、红谷和近红外等敏感波段的光谱反射率,其他波段差异不明显;植物叶片光谱反射率的一阶和二阶微分光谱曲线能较清新的呈现不同植物叶片的变化特征,在敏感波段差异较大,其他波段差异不明显;可将这些敏感波段作为建立植物叶片含氮量的光谱反演模型的参考指标。 8.植物叶片含氮量与原始光谱的微分光谱,尤其是二阶微分光谱相关性较显著;且一阶微分光谱与植物叶片含氮量的相关性曲线有较强的规律性,在400-700nm波段范围内表现出规律性的下降和上升,其余波段波动性较大,但相关性均较显著。 9.单个参量如绿峰、红谷和黄边内最大一阶微分值对应的波长与植物叶片含氮量显著相关,但相关性较显著的却出现在复合参量中;红边参数和蓝边参数、黄边参数分别构成的组合参数相关性都较显著,可作为反演模型的变量。 10.通过筛选、建模和精度检验,最终确定以参量SR75071o为自变量的最优植物叶片含氮量反演模型为:y=0.8312x2-7.1923x+30.736,R2=0.4569。


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