禿瓣杜英幼苗對模擬酸雨的熒光響應及養分元素分配特征

陳圣賢，董蓮春，伊力塔，俞 飛，陳景鋒

（浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州311300）

隨著經濟和工業化的發展，酸雨污染日益成為中國重要的環境問題［1］。ZHAO等［2］和楊東貞等［3］發現：1999-2006年浙江省杭州市臨安地區降水中除硫酸根離子（SO42-）外，硝酸根離子（NO3-）亦明顯增加，尤其是2001年后NO3-對降水酸度的貢獻逐步加大，降雨屬于硫酸與硝酸混合型酸雨［4］。研究認為：酸雨抑制植物養分、水分的吸收和運輸，導致植物無法正常生長［5-7］。酸雨可直接破壞葉肉細胞結構，使葉片細胞膜通透性增大，細胞膜保護酶的活性下降，膜脂過氧化作用加劇，植物體內清除活性氧平衡被打破，從而影響光合、呼吸以及代謝等生理生化進程而使植物受害［8-10］。禿瓣杜英Eleocarpus glabripetalus系杜英科Elaeocarpaceae杜英屬Elaeocarpus常綠喬木，適于中性或微酸性的山地紅壤、黃壤上生長，是亞熱帶地區常見樹種，常在評價酸雨對亞熱帶地區森林系統影響時作為試材。研究發現：模擬酸雨處理下禿瓣杜英的生物量積累［11-12］、PSⅡ原初光能轉化效率和PSⅡ潛在活性均有所上升［11］。俞飛等［13］則發現：不同酸雨處理下，杜英應對酸雨脅迫的途徑不同。目前，有關酸雨影響植物生理與養分的研究較多，但對酸雨影響杜英生理和養分元素分配的協同探索較少，因此，本試驗在研究不同酸雨梯度影響禿瓣杜英幼苗PSⅡ反應中心和幼苗養分分配的基礎上，進一步探索禿瓣杜英幼苗響應酸雨脅迫的機制，為生物響應酸雨脅迫研究提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

試驗地位于浙江省杭州市臨安區浙江農林大學平山試驗基地大棚（30°16′N，119°44′E）。屬于中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，年平均降水量約1 400.0 mm，全年平均氣溫為16.4℃，年無霜期250.0 d左右。區域森林覆蓋率為76.5%。土壤類型為紅壤。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料 選取高度為40～60 cm的1年生禿瓣杜英幼苗，于2011年1月移栽到高40 cm，直徑30 cm的塑料花盆中，采用試驗地紅黃壤作為栽培土。幼苗隨機分成10組，7株·組-1，苗木編號、掛牌后置于智能溫室大棚內，保持棚內溫度23～33℃，濕度55%～75%。緩苗期間用自來水澆灌，常規管理，2011年3月開始模擬酸雨噴灑［14］。模擬酸雨采用噴霧法，隔3 d噴灑1次，處理期間植物不澆水。

1.2.2 試驗設計 參照該地區酸性降水中平均離子組成和試驗通用配比，按V（H2SO4）∶V（HNO3）＝8∶1配制母液，再用蒸餾水稀釋成pH 2.5，pH 4.0及pH 5.6的酸雨水溶液，作為重度酸雨處理（T2.5），中度酸雨處理（T4.0）和輕度酸雨處理（T5.6）［15］。根據臨安區近10 a平均降水量統計數據［13］， 計算每個酸雨等級所需的酸雨量，同時以等量的清水澆灌幼苗作為對照組（ck）。

1.3 測定方法

1.3.1 葉綠素熒光參數測定 2015年7月晴朗天氣的9：00-11：00采用便攜式葉綠素熒光儀（PAM-2100，Walz，德國）測定初始熒光值（Fo），黑暗中最大熒光值（Fm），實時熒光值（Ft），最大光化學量子產量光系統Ⅱ（PSⅡ）的最大光化學效率（Fv/Fm），實際光化學量子產量（Yield），光化學猝滅系數（qP）等葉綠素熒光參數。隨機選取5株·處理-1，并在每株不同方位中上部隨機選取5片成熟葉片進行測定。所得數據為3d的平均值。

1.3.2 葉綠素相對含量的測定 選取進行熒光測定相同的葉片，用便攜式葉綠素含量測定儀（SPAD-502，日本）測定葉綠素相對含量，測定3次·葉片-1，以5個葉片作為各組的平均值。

1.3.3 植物礦質元素的測定 2015年8月初，選擇之前進行熒光實驗的5株植株，各植株上中下各部位采集禿瓣杜英葉3片。幼苗葉氮元素質量分數用半微量凱式定氮法測定，磷元素質量分數用鉬銻抗比色法測定［16-17］；鉀、鎂元素利用電感耦合等離子體發射光譜儀（PerkinElmer Inc.，美國）進行測定［18］。

1.3.4 生物量的測定 2015年11月全株收獲，將黏附于禿瓣杜英幼苗上的泥土和污物用水沖洗干凈，105℃下殺青5 min后，60℃下于烘箱中烘至恒量，分別稱量地上部分和地下部分的生物量。

1.3.5 土壤元素的測定 將取回來的土樣自然風干后磨碎，過100目篩。取各處理的土壤樣品0.15 g預消解過夜，移入微波消解儀中消解至變色。得到的澄清、透明溶液搖勻靜置待測，同時制備空白［19］。用電感耦合等離子體發射光譜儀測定金屬銅和金屬鋅的質量分數，重復3次·樣品-1。

1.3.6 轉移系數和生物富集系數 轉移系數（TF）可以表征植物地上部分金屬與根部中金屬質量分數的比值［20］，表示如下：轉移系數＝地上部分金屬質量分數/根部金屬質量分數。生物富集系數（BCF）是植物體內某種金屬元素的質量分數與土壤內該種金屬元素的總質量分數之比［20］，表示如下：富集系數＝植物體內金屬元素質量分數/土壤內金屬元素質量分數。

1.4 數據處理

用SPSS 16.0軟件統計禿瓣杜英幼苗的生長參數、葉綠素相對含量、熒光參數以及植株和土壤元素，對所有數據進行正態性與齊性檢驗后，利用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）比較不同數據組間的差異，用Excel軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同酸雨梯度對幼苗葉綠素參數的影響

由圖1可知：酸雨處理組的葉綠素相對含量均高于對照組，且葉綠素相對含量隨著酸雨pH值的降低而升高，但是各處理組與對照組間差異不顯著（P＞0.05）。Fv/Fm的變化跟葉綠素相對含量一致，也是隨著酸雨pH值的降低而升高的，但各處理組與對照組之間均有顯著差異（P＜0.05），T5.6，T4.0和T2.5分別較對照組升高4.22%，6.07%和6.86%，說明酸雨有利于葉片PSⅡ原初光能轉化效率的提高。同樣地，Yield和qP也是隨著酸雨pH的降低而升高，其中重度酸雨處理組Yield顯著高于對照組（P＜0.05），重、中度酸雨處理組qP顯著高于對照組（P＜0.05）。

2.2 不同酸梯度對幼苗生物量的影響

由圖2可知：地上部生物量最高的是對照組，隨著酸雨pH值的降低，各處理組的地上部生物量相比對照組分別降低了29.27%，4.88%和26.83%；根系生物量最低的是對照組，隨著酸雨pH值的降低，各處理組的根系生物量相比對照組分別提高了22.22%，5.56%和33.33%。但無論地上部或根系，各處理組與對照組之間差異均不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同酸雨處理下禿瓣杜英幼苗葉綠素參數Figure 1 Changes of chlorophyll fluorescence parameters of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments

2.3 不同酸雨梯度對幼苗器官中元素的影響

由圖3A可知：禿瓣杜英幼苗中氮元素主要存在于葉片；與對照組相比，各處理組葉片氮質量分數均有所提高，但差異不顯著（P＞0.05）；各處理組莖中氮質量分數與對照組相比，均無顯著性差異（P＞0.05）；輕度酸雨處理組根氮質量分數顯著大于其他組（P＜0.05）。

圖3B顯示：所有器官磷質量分數總和最高的是對照組；對照組與處理組葉中的磷質量分數均無顯著性差異（P＞0.05）；莖中磷質量分數從大到小依次為對照組，T4.0，T2.5和T5.6，除中度酸雨組外，其他處理組與對照組差異顯著（P＜0.05）；根中磷質量分數表現為重、中度酸雨組顯著高于對照組（P＜0.05）。

各處理組與對照組葉片中鉀質量分數無顯著差異（P＞0.05）；莖中鉀質量分數最高的是對照組，顯著高于重、輕度酸雨組（P＜0.05）；根中鉀質量分數最低的是中度酸雨組，與對照組差異顯著（P＜0.05）。

各器官中鎂質量分數各組之間均無顯著差異（P＞0.05），總量最高的是對照組。葉片中鎂質量分數從大到小依次為T4.0，T5.6，T2.5和對照， 在根中排序為對照，T5.6，T2.5和T4.0， 在莖中排序為T4.0，對照， T5.6和T2.5。

圖2 不同酸雨處理下禿瓣杜英幼苗各組織生物量變化Figure 2 Changes of each tissue biomass of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments

圖3 不同酸雨梯度下禿瓣杜英幼苗器官中的元素質量分數變化Figure 3 Changes of N， P， K and Mg in the organs of E.glabripetalus seedlings with different acid rain treatments

2.4 幼苗對重金屬的吸收特征

由表1可知：處理組幼苗組織中銅元素和鋅元素主要集中在地上部分。重、中度酸雨處理下，幼苗地上部銅質量分數顯著高于對照組（P＜0.05）；根系銅質量分數低于對照組，其中重度酸雨組與對照組差異顯著（P＜0.05）。各處理組禿瓣杜英幼苗的地上部鋅質量分數均高于對照組，其中，重度酸雨組與對照組之間差異顯著（P＜0.05）。重、中度酸雨組根系鋅質量分數顯著小于對照組（P＜0.05）。

幼苗在酸雨處理下的轉移系數值由表2所示。幼苗中銅轉移系數隨酸雨pH值的降低而升高，重度酸雨處理下幼苗中銅轉移系數最高，為2.27。各處理組鋅轉移系數均高于對照組，其中重、中度酸雨處理與對照組差異顯著（P＜0.05），中度酸雨處理下鋅轉移系數最高，為16.79。說明酸雨處理增加了禿瓣杜英幼苗對重金屬的轉移能力。

酸雨處理后銅元素的生物富集系數為0.011～0.019，均小于對照組，說明酸雨處理不利于禿瓣杜英幼苗對重金屬銅的積累；處理組鋅的生物富集系數均顯著高于對照組（P＜0.05），說明酸雨處理提高了禿瓣杜英幼苗對重金屬鋅的積累能力。

表1 禿瓣杜英幼苗在不同酸雨酸度下各組織中銅和鋅質量分數Table 1 Heavy metal Cu and Zn concentrations in different tissues of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments

表2 不同酸雨酸度下禿瓣杜英幼苗中銅、鋅的轉移系數和生物富集系數Table 2 Translocation factor and bioconcentration factor of Cu and Zn with different acid rain treatments

3 結論與討論

測定植物葉片的葉綠素相對含量可以間接反映植物葉片葉綠素的情況［21-24］，葉綠素熒光動力學技術可以獲得植物耐受環境脅迫的能力和各種脅迫已經損害光系統的程度等信息［25］。研究發現：重度酸雨下，楊梅Myrica rubra葉綠素各熒光參數均降低［26］；在pH 2.5條件下，水稻Oryza sativa葉片質膜（H+-ATPase）活性， 細胞滲透勢和鉀離子（K+）和鎂離子（Mg2+）明顯下降［27］； 五爪金龍Ipomoea cairica葉片凈光合速率隨酸雨pH值的下降而降低［28］。也有得出相反結論。田大倫等［29］發現：pH 3.0和pH 4.0的酸雨提高了樟樹Cinnamomum camphora最大凈光合速率和表觀量子效率；在pH 2.5的酸雨強度下，青岡Quercus glauca幼苗的光合參數、葉綠素熒光參數與對照組相比，明顯增加［30］。

本研究發現禿瓣杜英幼苗葉綠素參數隨不同酸雨變化而變化。隨著酸雨pH值降低，葉綠素相對含量，Fv/Fm，Yield和qP均升高，說明酸雨提高了幼苗的葉綠素含量，增強禿瓣杜英幼苗的光合能力。

對各試驗組幼苗組織生物量的測定可知：所有酸雨處理組地上部生物量均小于對照組，而根系生物量大于對照組，說明酸雨導致植物生物量重新分配，使禿瓣杜英幼苗根系更加健壯；根系通過吸收土壤中的礦質元素，使植物的生長效能提高，植物對環境脅迫的抵抗力增強，由此認為：禿瓣杜英具有一定的抗酸特性，即酸雨促進禿瓣杜英幼苗的生長，提高幼苗適應不良環境的能力。

氮是構成蛋白質的重要元素，對植物的光合作用起著重要的影響。研究發現：禿瓣杜英幼苗中氮元素主要存在于葉片，酸雨處理組葉片中氮質量分數均高于對照組，說明酸雨促進禿瓣杜英葉片對氮元素的吸收，有利于禿瓣杜英的光合作用，與WOOD等［31］在北美喬松Pinus strobus的模擬酸雨試驗中發現pH 4.0以下的模擬酸雨可促進幼苗生長的結論一致，并指出是由于酸雨中硝酸根（NO3-）的施肥作用的效果，即酸雨處理后對禿瓣杜英幼苗起到一定的氮補給作用。磷、鉀作為植物各種生理代謝活動的重要參與者，對植物同化力的形成非常重要。酸雨處理組莖、葉部磷鉀質量分數均小于對照組，而重、中度酸雨處理組根部磷鉀質量分數大于對照組，表明酸雨抑制禿瓣杜英莖、葉對磷鉀元素吸收的同時促進根系對磷鉀元素的吸收，這可能是導致酸雨處理組的地上部生物量小于對照組，而酸雨組根部生物量大于對照組的原因。鎂是組成葉綠素的重要成分，對植物光合作用非常重要，酸雨組葉片鎂質量分數均大于對照組，但酸雨組與對照組各器官中鎂質量分數無顯著差異，這與段小華等［32］研究模擬酸雨對茶樹根莖和葉中鎂含量沒有明顯影響的結果是一致的。

銅和鋅是植物正常生長和發育所必需的元素，但土壤中過量的鋅和銅會抑制植物的生長。LEVY等［33］報道稱，植物中銅質量分數正常范圍為3～30 mg·kg-1，鋅為10～150 mg·kg-1；本試驗發現：各組織中銅質量分數的變化為5.93～27.15 mg·kg-1，鋅為6.12～177.16 mg·kg-1，說明銅沒有對禿瓣杜英產生毒害，而是作為必要元素用以構成銅蛋白，參與植物光合作用和氮素代謝，提高了葉綠素的穩定性。重度酸雨處理后，植物中銅轉移系數增大，說明葉片獲得了更多銅元素，從而提高葉片葉綠素含量。相比之下，酸雨處理后禿瓣杜英幼苗葉片鋅質量分數超出了正常范圍，根部盡管屬于正常范圍內，但轉移系數和富集系數均高于對照組，說明禿瓣杜英通過迅速轉移根部的鋅到地上部分來避免根系受到鋅的毒害，禿瓣杜英在酸雨刺激下對重金屬鋅的忍耐作用得到了提高。王菊等［34］和嚴明理等［35］研究均發現：酸雨促進重金屬的轉移和釋放，但地下部重金屬含量較地上部多，與本研究結果相反，說明重金屬的轉移和釋放不僅取決于酸雨pH值，可能還與植物本身有關。

綜上所述：模擬酸雨處理禿瓣杜英幼苗后，幼苗沒有受到酸雨的極度危害；隨著酸雨pH值的降低，酸雨各葉綠素熒光參數有所增加，說明酸雨提高了禿瓣杜英幼苗的光合能力。幼苗對酸雨的忍耐性主要表現在：澆酸之后，酸雨進入土壤，受土壤本身理化特性的緩沖作用，未對根系造成直接危害；其中的氮元素被植物逐漸吸收，使得幼苗葉片氮質量分數增加。酸雨對土壤中某些元素的活化作用，使得酸雨處理增加了幼苗葉片鎂元素和地上部銅元素，對植物生長有利。隨著酸雨pH值的降低，禿瓣杜英幼苗地上部生物量積累下降，根系生物量積累增加，與對照組存在顯著差異；其原因首先是葉片磷、鉀元素的減少，對幼苗的新陳代謝造成影響，其次則可能是為避免鋅對禿瓣杜英根系產生毒害，部分能量用于轉移根系鋅元素。這也是禿瓣杜英耐酸的一種機理，因此，今后可加強對禿瓣杜英耐酸性機制的研究。