模拟酸雨对石栎（Lithocarpus glabra）生长及叶绿素荧光特性的影响

余树全，蔡梦莎，伊力塔，汪 赛，殷秀敏

（1.浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 临安 311300；2.杭州之江园林绿化艺术有限公司，杭州 310053）

我国是世界第三大酸雨区[1]，酸雨对森林生态系统产生严重影响[2]。中国酸雨频率最高的有四川和贵州、湖南和江西以及浙江地区，其酸雨频率高达80%以上，属于严重酸雨区；长江以南广大地区酸雨频率在50%以上，属于重酸雨区[3]。2004年酸雨控制区范围基本稳定，湖南、浙江和江西的部分区域污染进一步加重。浙江的酸雨主要还是以硫酸型为主，以浙江临安为例，1986～1993年降水中pH从4.7降到4.23，酸雨率从84.19%增加到98.11%[4-5]。2008年的数据表明，燃煤排放产生的SO42-仍然是临安地区降水酸化的主要无机致酸组分[5]。

石栎（Lithocarpus glabra）属于壳斗科栎属，雌雄同株，雌雄异花，是我国亚热带常绿阔叶林的主要建群种之一，多为阳性植物，对光适应的生态幅较宽。目前，国内对于石栎的研究较少，多基于野生条件下的生长与光合作用的研究[6-9]。本文利用叶绿素荧光分析技术，研究不同强度模拟酸雨胁迫下，石栎植株叶片的叶绿素含量、叶绿素荧光特性及植株生长的季节变化，揭示石栎光合生理以及生长过程对酸雨的响应机制。

1 试验地概况

试验地设在浙江临安市浙江农林大学苗圃（119°44′E，30°16′N）内，属中亚热带季风气候区，四季分明。全年日照时数1 847.3 h，年均降雨量1 628.6 mm，年均气温16.4℃，1月平均气温为3.8℃，7月平均气温为28.6℃，极端最高气温为40.4℃，极端最低气温为-9.2℃，年无霜期在250 d。土壤为红黄壤。

2 材料与方法

2.1 设计

选取长势基本一致的2年生石栎植株。盆栽于控根育苗容器中，取当地土壤作为栽培土，常规管理；试验随机分成3组，每组10～15盆健康植株，每盆1株，进行模拟酸雨处理。酸雨配置方法根据试验地酸性降水中的平均离子组成及通常模拟酸雨实验中常采用的配比，按H2SO4∶HNO3（体积比）8∶1的比例配制母液，用水稀释成pH分别为2.5、4.0和5.6的酸雨溶液。其中，pH 2.5代表重度酸雨，pH 4.0代表中度酸雨，pH 5.6则作为对照组（CK）。同时根据浙江临安地区多年月均降水量，每天每盆植物喷淋约130 mL酸雨（与当地总降水量基本持平），期间适当补水。试验处理时间为2007年7月初到2010年12月底。为避免自然降雨干扰，喷施期间用塑料薄膜遮挡。实验期间不施肥，仅去除一些杂草。分别于2010年5月（春季）、8月（夏季）和11月（秋季）测定植株株高、地茎、叶片的叶绿素相对含量和叶绿素荧光参数。

2.2 测定方法

2.2.1 生长量的测定

用3 m长的卷尺测定石栎植株株高（cm），游标卡尺测定其地径（cm）。

2.2.2 叶绿素相对含量

利用便携式叶绿素测定仪（SPAD-502，Japanese），选取不同处理的石栎植株6～10株，每株选取上部功能成熟叶片3片，在其中脉两侧，均匀选取3个点读取叶色值，平均值作为该叶片的SPAD值。每个叶片3次重复。每个实测数据都是10个点以上测定值的平均值。

2.2.3 叶绿素荧光参数的测定

用便携式调制叶绿素荧光仪（PAM-2100，Walz，Germany）选取与叶绿素含量测定相同的叶片进行测定，测定的主要参数包括：PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、Fo（最小荧光产量）、PSⅡ实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（qN），其中，Fv/Fm测定前，用PAM-2100暗适应叶夹DLC-8暗适应叶片20 min。分别于2010年5月、8月、11月，选择3个晴朗的天气，于上午9:00～11:00时，从每个酸雨处理中随机选择5株植株，取其中上部第3～5片成熟叶各一片进行连体测定，取3 d数据的平均值。

2.3 数据处理

采用SPSS软件分析酸雨和季节因素对植株的叶绿素相对含量和荧光参数及生长指标的影响。在数据分析前，对所有数据进行正态性与齐性检验（进行Duncan，s多重比较时，不同的字母表示差异显著，P＜0.05）。用SigmaPlot软件作图[10]。

3 结果与分析

3.1 模拟酸雨胁迫对植物相对叶绿素含量的影响

叶绿素含量反映了植物光合产物积累的情况，并与植物的光合能力大小有关。叶绿素含量常作为物受环境条件影响度的一种指标，一般植物在遭受胁迫的状态下其叶片的叶绿素含量呈降低趋势[12-13]，大量研究表明[14-18]，酸雨的酸度越高（pH越低），频次越多，对植物造成的伤害越重。

由图1可知，不同梯度酸雨喷淋对石栎植株叶片的SPAD有一定影响。5月和8月，各处理条件下的石栎植株叶片SPAD间有显著差异（P＜0.05），变化趋势为：对照组（pH 5.6）＞中度酸雨（pH 4.0）＞重度酸雨（pH 2.5）；11月份，各处理条件下的石栎植株SPAD之间差异不显著（P＞0.05）。

3.2 模拟酸雨对石栎植株叶绿素荧光参数的影响

3.2.1 模拟酸雨对石栎植株Fv/Fm和Fv/Fo的影响

研究表明，植物体内发出的叶绿素荧光信号包含了十分丰富的光合作用信息，其特性又极易随外界环境条件变化。因此，可以作为快速灵敏和无损伤探测多种逆境因子对植物光合作用影响的理想方法[11]。叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fv/Fo是研究植物光合生理状态的重要参数，Fv/Fm反映了植物叶片PSⅡ原初光能转化效率[19]，反映植物潜在的最大光合能力。Fv/Fo表示光反应中心PSⅡ的潜在活性。

图1 酸雨胁迫下石栎植株相对叶绿素含量的季节变化Fig.1 Seasonal variation of SPAD of Lithocarpus glabra under acid rain stress

由图2可知，经酸雨喷淋后，石栎植株Fv/Fm和Fv/Fo都有一定的变化，其中Fv/Fm都在对照组（pH 5.6）取得最大值，且显著高于其他两种处理（P＜0.05），而pH 4.0和pH 2.5两种酸雨处理下的石栎植株Fv/Fm之间差异不显著（P＞0.05）。

石栎植株的Fv/Fo在三个月份中差异性不完全相同。5月和8月，三种酸雨处理条件下的石栎植株Fv/Fo之间都存在显著差异（P＜0.05），且变化趋势为：pH 5.6（CK）＞pH 4.0＞pH 2.5；而11月，对照处理（pH 5.6）和中度酸雨胁迫处理（pH 4.0）条件下的石栎植株Fv/Fo显著高于重度酸雨胁迫处理（pH 2.5），而前两者之间差异不显著（P＞0.05）。

3.2.2 模拟酸雨对石栎植株PSⅡ量子产量（ΦPSⅡ）的影响

由图3可见，不同酸雨处理，石栎植株的PSⅡ量子产量（ΦPSⅡ）都表现为：11月＞8月＞5月。5月份，各酸雨处理条件下石栎植株的ΦPSⅡ差异不显著（P＞0.05）；8月和11月，中度酸雨胁迫处理（pH 4.0）和对照处理（pH 5.6）条件下的石栎ΦPSⅡ值显著高于重度酸雨胁迫处理（pH 2.5）（P＜0.05），而前两者之间差异不显著（P＞0.05）。

图2 酸雨处理对石栎叶片叶绿素荧光参数Fv/Fm的影响Fig.2 Comparisons of the chlorophyll fluorescence darkadaptation parameters of Lithocarpus glaber between three simulated acid rain treatments(mean±SE)

3.2.3 模拟酸雨对石栎植株光化学淬灭系数（qP）与非光化学淬灭系数（qN）的影响

三个月份中，不同酸雨处理条件下石栎植株的qP值，都存在着显著差异（P＜0.05）。5月份，对照处理（pH 5.6）条件下的石栎植株qP值显著高于中度酸雨胁迫处理（pH 4.0）和重度酸雨胁迫处理（pH 2.5），而后两者之间差异不显著（P＞0.05）；8月和11月，对照处理（pH 5.6）和中度酸雨胁迫处理（pH 4.0）条件下的石栎植株qP值显著高于重度酸雨胁迫处理（pH 2.5）（P＜0.05），而前两者之间差异不显著（P＞0.05）。

石栎植株qN值在不同酸雨处理条件下也存在一定的差异性。5月，各酸雨处理条件下的石栎植株qN之间差异不显著（P＞0.05）；8月和11月，重度酸雨处理（pH 2.5）条件下的石栎植株qN值显著高于中度酸雨处理（pH 4.0）和对照处理（pH 5.6）（P＜0.05），而后两者之间差异不显著（P＞0.05）。

图3 酸雨处理对石栎叶片叶绿素荧光参数ΦPSⅡ、qP和qN的影响Fig.3 Comparisons of the chlorophyll fluorescence photopia parameters of Lithocarpus glaber between three simulated acid rain treatments(mean±SE)

3.3 模拟酸雨对石栎植株季节生长的影响

由图4可知，酸雨喷淋对石栎植株的生长都产生了一定的影响。5月和11月，对照处理（pH 5.6）条件下的石栎株高显著高于重度酸雨（pH 2.5）处理和中度酸雨（pH 4.0）处理（P＜0.05），且后两者之间也达到差异显著（P＜0.05），其变化趋势为：对照处理（CK）＞中度酸雨处理＞重度酸雨处理；8月，对照处理（pH 5.6）条件下的石栎株高最高，而重度酸雨处理（pH 2.5）和中度酸雨处理（pH 4.0）条件下的石栎株高差异不显著（P＞0.05）。石栎植株地径变化见图4b。5月和8月，对照处理（pH 5.6）条件下的石栎地径显著高于重度酸雨（pH 2.5）处理和中度酸雨（pH 4.0）处理（P＜0.05），而后两者之间差异不显著（P＞0.05），总变化趋势为：对照（CK）＞中度酸雨＞重度酸雨。11月，各酸雨处理条件下的石栎地径之间的差异都达到了显著水平（P＜0.05），其变化趋势为：对照（CK）＞中度酸雨＞重度酸雨。

3.4 酸雨、季节及双因素交互作用对石栎植株叶绿素荧光参数的影响

结果见表1。

图4 酸雨处理间石栎的株高在三个月份的比较及方差分析结果（平均值±标准误差）Fig.4 Comparisons of the height of Lithocarpus glaber between threesimulated acid rain treatments(mean±SE)

表1 酸雨、季节及双因素交互作用对石栎植株叶绿素荧光参数的二元方差分析Table1 F-values of two-way ANOVA for the effects of acid rain(A),season(S),and their interactions(A×S)on chlorophyll fluorescence parameters of Lithocarpus glaber seedlings leaves

二元方差分析（见表1），不同酸雨处理下石栎的相对叶绿素含量、ΦPSⅡ、qP和qN具有显著差异，但Fv/Fm和Fv/Fo之间差异不显著；不同月份里石栎的相对叶绿素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ和qN都有显著差异，但qP差异不显著；酸雨和月份的交互作用对石栎的相对叶绿素含量和ΦPSⅡ有显著影响，而对其他叶绿素荧光参数的影响差异不显著。

4 讨论与结论

4.1 模拟酸雨对石栎植株叶片相对叶绿素含量的影响

本研究发现石栎的叶绿素含量在一年中随季节有一定的变化规律，春季含量较低，秋季含量较高，这与季节的温度变化有关。春季是植株一年中生长刚开始的时期，叶绿素合成代谢较弱，随着气温的升高，秋季达到植株生长的旺盛时期，因此，其叶绿素合成代谢最强，叶绿素含量增加也较多。在重度酸雨（pH 2.5）处理条件下的石栎植株叶绿素相对含量随着季节变化呈上升趋势，这可能与模拟酸雨低度胁迫可诱导植物的自我保护有关，即通过合成大量的叶绿素，提高光合作用的能力来补偿因酸雨胁迫造成的损失。因此，从某一侧面可以反映出石栎植株已产生适应强酸雨的机制，表明随着酸雨胁迫时间的延长，体内的防御系统使其适应能力增强。

4.2 模拟酸雨对石栎植株叶片荧光参数的影响

本研究结果表明，酸雨作用石栎的Fv/Fm值为11月最高，5月最高，且都在对照处理（pH 5.6）条件下取得最大值；Fv/Fo之间都存在显著差异（P＜0.05），且变化趋势为：对照（CK）＞中度酸雨＞重度酸雨，说明酸雨胁迫使PSII反应中心受到伤害,活性下降,光合电子传递受阻，从而影响植株正常光合作用的进行。

叶片的ΦPSⅡ值反映了PSⅡ反应中心在环境胁迫下的实际原初光能捕获效率，也是实际的PSⅡ反应中心进行光化学反应的效率。夏季石栎植株的ΦPSⅡ值明显高于春季与秋季，说明夏季的温度与光照强度较春秋季高，使石栎植株的光能捕获效率增加，促进其光化学反应效率，光合作用潜力升高。

qN值的大小反映了PSⅡ反应中心对天然色素吸收过量光能后的热耗散能力及光合机构的损伤程度，反映了叶片对激发能利用情况，热耗散可以防御过剩光能的破坏[21]。本试验中，不同处理石栎植株的qN值随季节推移减小，可能是因为去环氧化酶的活性降低，叶黄素循环的作用受到限制，从而引起非光化学淬灭qN的降低。

光化学淬灭系数qP值的大小反映的是PSⅡ原初电子受体QA的氧化还原状态和PSⅡ开放中心的数目，其值越大，说明PSⅡ具有较高的电子传递活性。不同处理下石栎植株qP值随季节推移增大，表明石栎植株在长期的酸雨胁迫过程中，形成了一种适应机制，提高了电子传递活性，从而进一步提高了光能的利用效率。

植物在不同季节的生长状况不同，对酸雨胁迫的反应也不相同。二元方差分析表明，不同酸雨处理下石栎的相对叶绿素含量、ΦPSⅡ、qP和qN具有显著差异；不同及季节的石栎植株相对叶绿素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ和qN都有显著差异；酸雨和月份的交互作用对石栎的相对叶绿素含量和ΦPSⅡ有显著影响。因此，研究酸雨、季节及双因素交互作用对石栎叶绿素荧光参数的影响时可以首先考虑其相对叶绿素含量以及ΦPSⅡ。

4.3 模拟酸雨对石栎植株生长的影响

植物的株高和地径是反应酸雨影响结果的外在直观表现，是评价酸雨对树木影响的最重要指标。本研究发现酸雨处理下的石栎植株株高、地径有显著影响，并且石栎在无酸或微酸处理下生长良好。结合叶绿素荧光参数的测定结果分析表明，酸胁迫条件下能抑制植株地上、地下部的生长,影响石栎植株的光合作用系统，影响其光合速率、呼吸速率酸雨引起根系周围环境酸化，这种环境变化也会对植物的生长产生影响。石栎对酸雨适应的机理有待进一步研究。

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