石　辉，武云飞，唐占铎，王会霞，2 ，王彦辉

(1 西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西省环境工程重点实验室，西安 710055； 2 中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所，北京 100091)



植物叶的波动性不对称对空气污染的响应及其指示功能

石辉1，武云飞1，唐占铎1，王会霞1，2，王彦辉2*

(1 西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西省环境工程重点实验室，西安 710055； 2 中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所，北京 100091)

植物发育的波动性不对称(fluctuating asymmetry，FA)与环境之间具有密切的关系。该研究以城市常用绿化树种大叶女贞(LigustrumlucidumAit.)和小叶女贞(LigustrumquihouiCarr.)为对象，在西安市区9个空气质量监测点采集了两树种成熟叶片样品，以叶脉为对称轴测定叶左右两边的半宽度、半周长和半面积，计算其相应FA，考察植物叶片FA对空气环境条件变化的响应特征，探讨叶FA作为空气质量指标的可行性。结果表明：大叶女贞叶周长(FAP)、宽度(FAW)和面积(FAA)波动性不对称分别为0.051、0.063和0.082，小叶女贞分别为0.043、0.082和0.102，均以FAA最大，FAP最小；FAP、FAW和FAA在树种间、立地环境间均具有极显著的差异；两树种的FAP与空气中SO2浓度之间存在显著相关性。可见，大叶女贞和小叶女贞叶的波动性不对称特征对不同环境条件具有敏感的反应，具有作为生物监测指标的潜力，但在合适监测物种和叶特征指标的选择、样本数确定以及FA与空气特征污染物的关系等方面有待深入探讨。

叶片；波动性不对称；发育稳定性；空气污染；环境质量

生物在发育过程中由于生物和非生物的因素干扰，经常会出现一些小的、随机性的偏离；波动性不对称(fluctuating asymmetry，FA)反映了双边对称结构偏离的强弱，被用于反映发育稳定性的一个指标[1-4]。一些研究表明，植物叶的FA与环境污染之间有密切的关系，可以用作环境质量的指示物[5]。如人工培养实验中的海草Halophilaovalis叶FA与Cu离子浓度之间具有显著的相关性，而与Pb离子浓度之间的关系不显著[6]；在天然水体中不同位置的海草ZosteracapricorniAschers.叶FA差异显著，但与水体中重金属(Cd、Pb、Cu、Zn、Se)的浓度高低没有一致性[7]；暴露的Pb可显著降低湿地入侵植物紫色金钱草(Lythrumsalicaria)茎叶的长度、数量和生物量，但却增加了其叶的FA[8]；冶炼厂周边的桦树(Betulapendula)及其2个亚种(B.pubescensssp.pubescens和B.pubescensssp.tortuosa)叶FA随着环境污染程度的增加而增大，FA与叶中的Ni浓度正相关[9]；上海市行道树二球悬铃木(Platanusacerifolia)叶宽度的FA与环境胁迫等级之间的关系密切，而叶的偏向性FA与环境胁迫等级之间没有显著的联系[10]。但是，关于叶的FA与环境胁迫之间还存在一些相反的观点， 如 Wuytack等[11]研究表明白柳(Salixalba)叶面积的FA不受空气污染和一些气候环境因子的影响；Velickovic等[5]的结果更是表明车前草(Plantagomajor)的FA在非污染区域有较大的值，意味着其在非污染区域的不对称性高于污染区域。

生物监测是利用生物对环境中污染物质的反应来判断环境污染状况的一种手段；植物常年静止在栖息地，其对环境变化的响应更能反映长期污染对生物的影响[12]。因此，进一步认识植物叶FA与环境胁迫之间的关系，对于探索叶FA对环境的指示作用、特别是复合环境污染物的协同效应具有重要的意义。大叶女贞(LigustrumlucidumAit.)和小叶女贞(L.quihouiCarr.)是常用的城市空气污染监测植物[13]，也是西安市常见的绿化植物。本试验以西安大叶女贞和小叶女贞为对象，研究其叶的宽度、周长和面积的波动性不对称对空气污染的响应特征，探讨叶FA作为评价空气质量指标的可行性。

1　材料和方法

1.1样品采集

样品采集于2014年5月中旬进行，主要采样点位于西安市高新西区、高压开关厂、广运潭、经开区、曲江、市体育场、小寨、兴庆小区、纺织城，具体位置见图1。这9个点是西安市环境监测点，具有相应的空气环境监测数据。在每个采样点周边选取胸径、树高相近的大叶女贞和小叶女贞各6棵；每棵树在冠层的2/3处、沿东南西北4个方向，每个方向采集2片成熟叶，即每棵树采集8片叶，每个样点为48片叶。总计大叶女贞和小叶女贞各432片树叶带回实验室清洗后备用。

1.2数据获取

将清洗干净的树叶编号并进行扫描存贮，叶半宽度、半面积及半周长指标的测定采用ImageJ1.48软件进行。为减少误差，每片树叶3个特征值均测量3次,取其平均值分别作为指标的单叶测定结果。叶半宽度测定时在ImageJ中连接叶尖和叶根描绘出主脉，然后作2条主脉的平行线使其恰好与叶片的左右边缘相切，最后作出3条平行线的垂线，分别测定左右半宽的程度。叶半周长测定时，在ImageJ中使用折线沿着叶片边缘勾勒出左右两侧叶尖至叶根的轮廓，点击‘分析—测量’，即可得到半周长值。在ImageJ中使用折线沿着叶片边缘勾勒出叶尖至叶根的轮廓，再顺着主脉回到起点构成一个封闭图形，点击‘分析-测量’，即可得到左右半面积的数值。

图中1～9号采样点依次为高压开关厂、兴庆小区、纺织城、小寨、市体育场、高新西区、经开区、曲江和广运潭图1　试验采样点分布示意图The digits in map are sampling site numbers，and 1-9 stand for High Voltage Switchgear Factory, Xingqing Residential Area, Fangzhi City or Textile City, Xiaozhai, Xi’an Stadium, Western High-Tech Zone, Xi’an Economic Development Zone, Qujiang Park, and Guangyuntan, respectivelyFig. 1　Map showing the sampling sites, Xi’an, Shaanxi, China

1.3波动性不对称FA值的计算

利用式(1)计算叶的FA，式中L为叶左侧的特征值(包括左半周长、左半宽、左半面积等)，R为叶右侧特征值(包括右半周长、右半宽、右半面积等)，FA为无量纲。其中分别用FAW、FAP和FAA表示叶宽、叶周长和叶面积的波动性不对称参数。

(1)

2　结果与分析

2.1叶半宽度、半周长和半面积的正态性分析

由于FA是从生物两侧完全对称的形态特征中

发生的随机偏差，其统计特点是左右两侧特征值(例如半周长、半宽、半面积)之差是均值为零的正态分布[14]。利用Kolmogorov-Smimov检验对左半周长-右半周长、左半宽-右半宽、左半面积-右半面积的结果进行正态性检验；再根据箱式图剔除少量异常值后，对每个采样点剩余数据进行Kolmogorov-Smimov检验，结果显示半周长、半宽、半面积这3项指标的左右特征值之差均符合正态分布且均值为零(P>0.05)(表1)，所以大叶女贞和小叶女贞叶片周长、宽、面积具有波动性不对称的特征。

2.2不同采样点空气污染物浓度

大叶女贞和小叶女贞的叶寿命在2年左右，一般在3月初(初春)发新叶；因此采集的成熟叶片大致有1年的叶龄，可近似地认为是2013年3月初发的新叶发育而来。从2013年3月到2014年5月不同采样点的主要空气污染物浓度月均值见表2。这期间的SO2浓度最大值为样点2兴庆小区的43.91μg·m-3，最小值为样点3纺织城的22.97μg·m-3，满足国家二级空气质量标准(GB3096-2012)的要求。NO2浓度最大值为样点2兴庆小区的83.64μg·m-3，最小值为样点8曲江的58.05 μg·m-3，各样点全部超过国家二级空气质量标准年均浓度40 μg·m-3的要求，最大点兴庆小区超标1倍；由于是NO2交通污染的指示物质之一，说明交通污染是这些样点的主要污染来源。CO浓度远远高于国家二级质量标准，分别是标准的4～10倍；O3浓度满足二级质量标准要求。以PM2.5为代表的颗粒物浓度，远远高于二级质量标准的年均35 μg·m-3，是标准的3～4倍。不同的污染物浓度在不同的采样点之间存在着显著的差异(表2)。

表1　大叶女贞与小叶女贞半周长、半宽度、半面积的正态性检验

表2　各采样点空气污染物浓度月均值

2.3不同采样点叶宽度、周长和面积的FA特征

大叶女贞和小叶女贞叶宽度、周长和面积的波动性不对称特征见表3。对于大叶女贞而言，其叶周长FA(FAP)最大值为样点2(兴庆小区)的0.067、最小值为样点3(纺织城)的0.033，平均为0.051，样点之间具有极显著的差异(P=0.004)；其叶宽度FA(FAW)最大值为样点1(高压开关厂)的0.094、最小值为样点4(小寨)的0.036，平均为0.063，样点之间也具有极显著的差异(P=0.000)；其叶面积FA(FAA)最大值为样点7(经开区)的0.140、最小值为样点9(广运潭)的0.046，平均为0.082，样点之间同样具有极显著的差异(P=0.000)。在大叶女贞叶的3个不同叶片FA特征参数中，FAA的值最大，其次为FAW，最小为FAP，但这3个指标之间的相关性并不显著。

同时，对于小叶女贞来说，其叶周长FA最大的为样点5(市体育场)的0.067、最小的为样点3(纺织城)和样点4(小寨)的0.035，平均为0.045，样点之间具有极显著的差异(P=0.004)；其叶宽度FA最大的为样点1(高压开关厂)的0.109、最小的为样点9(广运潭)的0.052，平均为0.082，样点之间具有极显著的差异(P=0.000)；对于叶面积FA最大的为样点1(高压开关厂)的0.122、最小的为样点4(小寨)的0.080，平均为0.102，样点之间具有极显著的差异(P=0.000)。在小叶女贞的3个特征参数中，同样表现出FAA最大，其次为FAW，FAA最小，三者之间的相关关系同样不显著。

另外，对大叶女贞和小叶女贞的FAP、FAW和FAA三个指标进行成对t检验，发现FAP和FAA在两个物种间具有较明显差异(P=0.079)，而FAW在物种之间具有显著差异(P=0.047)。

以上结果说明大叶女贞和小叶女贞叶宽度、周长和面积的波动性不对称特征对空气环境反应都很敏感，且以叶左右半面积的不对称程度受样点环境因素的影响较大；两树种各FA参数对环境的反应存在明显差异，并以叶宽度不对称程度表现更明显。

2.4叶FA与空气质量之间的关系

对大叶女贞和小叶女贞叶片FAP、FAW和FAA三个指标与立地主要空气污染物浓度的相关性进行分析(表4)，无论是大叶女贞还是小叶女贞，仅周长的波动不对称性FAP都与空气中SO2的浓度达到了5%显著水平的正相关，大叶女贞的FAW与空气中CO具有5%水平上的负相关；其他指标之间的相关关系均不显著。但从整体角度来看，FAP与大多数环境因子之间的相关性要高于FAW和FAA，说明空气环境对叶的影响，有可能对叶周长的影响大于其它。

表3　不同采样点大叶女贞、小叶女贞的叶半宽度、半周长和半面积的FA特征

注：FAP、FAW和FAA 分别表示叶周长、宽度和面积的FA

Note:The FAP, FAW and FAA is leaf fluctuating asymmetry of half-perimeter, half-width and half-area, respectively

表4　叶FA特征与空气质量之间的相关性

3　讨　论

Kozlov等[15]对苏格兰松(Pinussylverstris)的研究发现，在污染环境下即使其针叶的显微结构已经发生了明显的改变，但传统的生长速率、冠层透光强度以及叶失色绿等仍没有变化，而此时的叶长度和重量的波动性不对称指标与对照相比增长40%和30%，认为FA是灵敏的环境污染指示指标。Klisaric等[16]在刺槐(Robiniapseudoacacia)上的研究显示，污染区和对照区的FA具有显著的差异，刺槐的FA是一个有潜力的生物指示物。Shadrina等[17]发现白桦(BetulaplatyphyllaS.)在化学和粉尘污染严重区域，叶的发育不稳定增加，FA变化增大。因此，Retting等[18]认为FA提供了一个灵敏的可以反映低剂量胁迫的指标。但是，Wuytack等[11]在白柳上的研究发现FA对环境的变化并不敏感，他认为主要的原因可能与样本数量、白柳特性有关(白柳对环境胁迫不敏感)；同时由于一些生理活动和形态变化能缓冲或减轻环境胁迫的影响，致使FA不敏感[12]。本研究的9个采样点中，只有NO2和颗粒物污染物浓度超过了国家二级空气质量标准，同时采样调查过程中也没有发现大叶女贞和小叶女贞有明显的受害症状，但各个采样点间叶的FAP、FAW、FAA具有显著差异，说明这些指标可以较为灵敏地反映立地环境胁迫的危害。本研究中，大叶女贞和小叶女贞叶宽度、周长和面积的波动性不对称特征对空气环境反应都很敏感，且以叶左右半面积的不对称程度受样点环境因素的影响较大。叶片发育形成初生分生组织之后，不同区域生长速度出现了不同，远轴面长得快、近轴面长得慢，叶片向茎尖弯曲；同时伴随着近—远轴的不对称发育，叶片沿着中—边轴向伸展，形成扁平的叶片[19]。这一过程中，叶片的宽度和周长影响了叶面积的大小和形状，叶面积对周长和叶宽的变异可能存在放大效应，致使大叶女贞和小叶女贞均表现出FAA最高。

遗传和环境因素是影响植物发育的主要形成机制，由于遗传产生的微小变异以及环境因素诱导的酶活性变化，会在不同层次上影响发育的稳定性[20]；而这种发育的非稳态化，可以缓冲不利条件对植物的伤害[21]，波动性不对称则表征了这种微小的偏差。由于环境条件是多因素的综合表现，城市的绿化植物除受空气环境质量监测的SO2、NO2、O3和各种颗粒物的影响之外，还受到了水分胁迫、热污染以及土壤污染的伤害，而这些胁迫也会对FA产生影响。在不同的立地环境中，植物叶片FAP、FAW、FAA的显著差异是这种综合环境因素协同效应的反映。Velickovic等[22]在车前草上的研究发现，即使同一植株的叶宽和叶脉宽度的波动性不对称值对环境的响应是不同的，说明了叶的部分FA特征可以表征为一些主导因素的影响。在本研究结果中，女贞叶片FAW和FAA与空气中SO2、NO2、O3和PM10、PM2.5颗粒物浓度的相关性不显著，仅仅FAP与空气SO2的浓度具有密切的正相关关系。这一方面可能由于空气中O3和PM10、PM2.5本身对女贞叶片的发育影响较小；另一方面城市环境中的大叶女贞和小叶女贞处于N素营养相对不足的环境，少量的N输入有利于生长发育而不出现胁迫，而植物对S的需求相对较少，其浓度较高时就易出现胁迫症状。如Kozlov等[15]在苏格兰松上也发现FA与空气的S沉降有密切的关系。

环境对叶片FA的影响，主要通过资源和代谢物的分配来改变个体或群体的生理投资，叶FA的增加是生理投资分配的一个体现[19]。但是，当植物完全适应了这种环境之后，其生理投资达到新的平衡，导致FA消失[16]。因此，利用FA监测环境质量时，采用何种植物、植物叶的何种指标、样本数量以及植物年龄等均有待于进一步研究；如何建立FA与特征污染物的定量关系也应该是FA生物监测的关注点。

综上所述，在不同的城市环境条件下，大叶女贞和小叶女贞植物叶半周长、半宽度、半面积的波动性不对称特征存在一定的差异；同一环境下不同物种叶的波动性不对称特征也有较大差异；叶半周长的波动性不对称与空气中的SO2浓度之间具有显著的线性关系。虽然植物叶的波动性不对称特征对不同环境条件具有敏感的反应，但存在物种的差异；同时植物叶的波动性不对称特征受到定居环境中各种因素的综合作用，建立叶的波动性不对称特征与空气中特征污染物的关系也是今后亟待研究的问题。

[1]PALMER A R, STROBECK C. Fluctuating asymmetry as a measure of developmental stability: implication of non-normal distributions and power of statistical tests[J].ActaZoologicaFennica, 1992, 191: 57-72.

[2]FREEMAN D C, GRAHAM J H， EMLEN J M. Developmental stability in plants: symmetries, stress and epigenesist[J].Genetica, 1993, 89: 97-119.

[3]MOLLER A P, SWADDLE J P. Asymmetry, Developmental Stability, and Evolution[M]. New York: Oxford University Press. 1997.

[4]GRAHAM J H, RAZ S, HEL-OR H,etal. Fluctuating asymmetry: methods, theory, and applications[J].Symmetry, 2010, 2, 466-540; doi:10.3390/sym2020466.

[5]VELICKOVIC M, PERISIC S. Leaf fluctuating asymmetry of common plantain as an indicator of habitat quality[J].PlantBiosystems, 2006，140(2): 138-145.

[6]AMBO-RAPPE R, LAJUS D L, SCHREIDER M J. Heavy metal impact on growth and leaf asymmetry seagrass,Halophilaovalis[J].JournalofEnvironmentalChemistryandEcotoxicology, 2011, 3(6):149-159.

[7]AMBO-RAPPE R, LAJUS D L, SCHREIDER M J. Translational fluctuating asymmetry and leaf dimension in seagrass,ZosteracapricorniAschers in a gradient of heavy metals[J].EnvironmentalBioindicators, 2007, 2(2):99-116.

[8]MAL T K, UVEGES J L, TURK K W. Fluctuating asymmetry as an ecological indicator of heavy metal stress inLythrumsalicaria[J].EcologicalIndicators, 2002, 1(3): 189-195.

[9]KOZLOV M V, WILSEY B J, HAUKIOJA E. Fluctuating asymmetry of birch leaves increases under pollution impact[J].JournalofAppliedEcology, 1996, 33: 1 489-1 495.

[10]张浩， 王祥荣. 城市环境胁迫下悬林木叶片发育稳定性及在环境指示中的应用研究[J]. 生态学杂志，2005, 24(7): 719-723.

ZHANG H, WANG X R. Leaf development stability ofPlatanusacerifoliaunder urban environmental stress and its implication for environmental indicator[J].ChineseJournalofEcology, 2005, 24(7): 719-723.

[11]WUYTACK T, WUYTS K, VAN D S,etal. The effect of air pollution and other environmental stressors on leaf fluctuating asymmetry and specific leaf area ofSalixalbaL.[J].EenvironmentalPollution, 2011, 159(10): 2 405-2 411.

[12]RAZ S, GRAHAM J H, HEL-OR H,etal. Developmental instability of vascular plants in contrasting microclimates at ‘Evolution Canyon’ [J].BiologicalJournaloftheLinneanSociety, 2011, 102(4): 786-797.

[13]CARRERAS H, CANAS M S, PIGNATA M L. Differences in responses to urban air pollutions byLigustrumlucidumAit. andLigustrumLucidumAit. F.Tricolor(Rehd.) Rehd[J].EnvironmentalPollution, 1996, 93(2): 211-218.

[14]PALMER A R. Fluctuating Asymmetry Analyses: a Primer. Developmental Instability: Its Origins and Evolutionary Implications[M]. Springer Netherlands, 1994: 335-364.

[15]KOZLOV M V, NIEMELP, JUNTTILA J. Needle fluctuating asymmetry is a sensitive indicator of pollution impact on Scots pine (Pinussylvestris)[J].EcologicalIndicators, 2002, 1: 271-277.

[17]SHADRINA E, VOL′PERT Y, SOLDATOVA V,etal. Evaluation of environmental conditions in two cities of east Siberia using bio-indication methods (fluctuating asymmetry value and mutagenic activity of soils)[J].InternationalJournalofBiology, 2015, 7(1): 20-32.

[18]RETTING J E, FULLER R C, CORBETT A T. Fluctuating asymmetry indicates levels of competition in an even-aged poplar clone[J].Oikos, 1997, 80: 123-127.

[19]QI J Y, WANG Y, YU T,etal. Auxin depletion from leaf primordia contributes to organ patterning[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences, 2014, 111(52): 18 769-18 774.

[20]VELICKOVIC M, T SAVIC. Patterns of leaf asymmetry changes inPlantagomajor(ssp. major) natural populations exposed to different environmental conditions[J].PlantSpeciesBiology, 2012, 27:59-68.

[21]PARSONS P A. Fluctuating asymmetry: a biological monitor of environmental and genomic stress[J].Heredity, 1992, 68: 361-364.

(编辑:裴阿卫)

Leaf Fluctuating Asymmetry in Response to Air Pollution and Indicator Function

SHI Hui1, WU Yunfei1, TANG Zhanduo1, WANG Huixia1,2, WANG Yanhui2*

(1 School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology， Key Laboratory of Environmental Engineering in Shaanxi Province, Xi’an 710055; 2 Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forest, Beijing 100091)

The fluctuating asymmetry (FA) of biological development stability has a close relationship with environmental conditions. TheLigustrumlucidumandL.quihouiwere selected as experimental materials, which are commonly urban greening tree species in Xi’an. The mature leaves of these plants were sampled from 9 air environmental monitoring sites. The leaf half-perimeter, half-width, and half-area were measured and the each FA was calculated, which the vein is symmetry axis. The response characteristics of 2 kinds leaf FA to envrionmental air condition were researched, and the potential of leaf FA as an air quality indicator was explored. The values of fluctuating asymmetry of perimeter, width, and area (abbreviated as FAP, FAW and FAA, respectively) were 0.051, 0.063 and 0.082 forL.lucidum, respectively. The FAP, FAW and FAA ofL.quihouiwere 0.043, 0.082 and 0.102, respectively. The each FA showed significant differences between different plant species sampling sites and enviromental sites. There were close relationship between the FAP and air SO2concentrations for each plant species. The leaf FA has high sensitivity to different environmental conditions, and it has the potential as a biological monitoring indicator. However, the choice of suitable species for monitoring, leaf characteristic indexes, the number of samples, FA and characteristics of pollutants relations should further research.

leaf blade; fluctuating asymmetry; development stability; air pollution; environmental quality

1000-4025(2016)07-1450-06

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.07.1450

2016-03-01;修改稿收到日期:2016-06-30

陕西省自然科学基金重点项目(2014JZ011)；国家林业公益专项(201304301-05)

石辉(1968-)，博士，教授，主要从事环境生态学方面的教学研究工作。E-mail：shihui06@126.com

王彦辉，研究员，博士生导师，主要从事森林生态与森林水文方面的研究工作。E-mail：wangyh@caf.ac.cn

Q945. 11

A