模拟酸雨胁迫对樟树幼苗光合作用和水分利用特性的影响

赵巍巍， 江 洪，2， 马元丹

（1. 浙江农林大学 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地/浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室， 浙江 临安311300； 2. 南京大学 国际地球系统科学研究所， 江苏 南京210093）

自工业革命以来， 人类在生产、 生活等活动中， 使用了大量化石燃料（如石油和煤等）， 产生了大量硫和氮的氧化物， 在大气中反应生成硫酸和硝酸， 并随着降雨和降雪形成酸雨。 国际上统一将pH 值低于5.6 的降雨称为酸雨［1］。 目前， 中国受酸雨危害的重灾区主要分布在以江苏、 浙江、 福建、 四川等省为首的沿海和内陆区域［2－3］。 已有研究［4－6］表明， 酸雨胁迫会对植物产生严重的危害， 表现为破坏叶片结构， 增加膜透性， 加快呼吸速率， 降低蒸腾速率， 降低酶活性， 降低叶绿素含量等， 但是不同种类的植物对酸雨胁迫的响应不同。 目前， 酸雨对植物的伤害研究主要集中在树木和农作物方面。 作为中国亚热带地区的植被恢复和城市绿化的主要树种之一［7］——樟树Cinnamomum camphora 是包括杭州在内的多个城市的市树， 是亚热带常绿阔叶林的代表树种， 国家二级重点保护植物。 樟树对温度的适应性较强， 在最低气温－7.0 ℃或年均温度16.0 ℃以上的地区均可正常生长。 目前， 对酸雨胁迫下的樟树生理特性的研究主要集中在光合作用［8－10］与叶绿素荧光特性［11］等方面， 但对樟树幼苗水分利用特性的研究还鲜有报道。 本研究以3 年生樟树幼苗为研究材料， 模拟酸雨条件下樟树幼苗的光合作用与水分生理特性， 目的是要了解不同时期的不同强度酸雨对樟树幼苗光合作用和水分利用特性的影响， 以期为在酸雨频发地区樟树的引种和栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在浙江省临安市的浙江农林大学（30°16′N，119°44′E）的酸雨大棚内。 临安地处浙江省西北部， 属中亚热带季风气候区， 年平均气温为16.4 ℃， 极端最高气温41.9 ℃， 极端最低气温－9.2 ℃， 全年日照时数为1 847.3 h， 年平均降水量为1 628.6 mm， 无霜期237 d。 土壤为红黄壤。

1.2 研究方法

1.2.1 试验材料 供试苗木选用健康的长势一致的3 年生樟树幼苗45 株， 苗高60～90 cm， 地径1.572～1.756 cm。 将幼苗栽于内径22 cm， 深26 cm 的花盆中， 置于浙江农林大学实验基地的酸雨大棚中。 栽培土为当地土壤即红黄壤， 常规管理。 试验设3 个处理， 15 盆·处理-1， 将植株随机分成3 组进行模拟酸雨处理。

1.2.2 试验处理 在2008 年春季（4 月初）至2009 年秋季（10 月末）， 根据浙江省酸雨的平均离子组成以及常用的模拟酸雨试验中的配比［12－13］， 按硫酸∶硝酸为8 ∶1 的体积比比例配制母液， 加水稀释成3 种不同梯度的酸溶液： pH 2.5（重度酸雨）、 pH 4.0（中度酸雨）和pH 5.6（对照）的酸雨溶液。 根据当地的多年的每月平均降水量确定喷淋量， 约喷淋酸雨130 mL·盆-1·d-1， 这与当地总降水量基本一致, 夏季适当补水， 喷淋期间用塑料薄膜遮蔽防止自然降水的干扰。

1.2.3 叶片水分生理指标的测定 利用便携式红外气体分析仪（Licor， 美国）于2008 和2009 年的4， 7和10 月测定叶片光合速率（Pn， μmol·m－2·s－1）， 气孔导度（Gs， mol·m－2·s－1）， 蒸腾速率（Tr， mmol·m－2·s－1）。Li-6400 的开路系统测定光响应曲线设置由高光强至低光强开始测定， 梯度为： 2 000， 1 500， 1 000， 600，300， 200， 100， 80， 50， 20， 0 μmol·m－2·s－1（用光合有效辐射表示光强）。 在各个酸雨处理组中各随机选择5 株樟树幼苗， 共15 盆， 挑选幼苗上当年成熟的中上部叶片在晴天上午9:00-11:00 进行测定。

1.3 数据处理

首先利用Excel 2003 对实验数据进行整理， 再使用SPSS 18.0 对数据进行正态性和齐性检验， 最后采用一般线性模型（GLM）多因素方差分析来分析酸雨、 年份、 季节因素对樟树幼苗水分生理的影响， 并用最小显著差异法（LSD）比较不同酸雨梯度下所获数据组间的差异显著性， 最终利用Sigma Plot 10.0 软件成图［14］。

2 结果分析

2.1 光强对樟树叶片净光合速率的影响

当光强为0～200 μmol·m－2·s－1时， 不同季节和年份各处理的樟树幼苗净光合速率Pn均与光强均呈线性关系， 不同酸雨处理条件下樟树幼苗净光合速率值都随着光强的升高而增加， 在达到光饱和点后逐渐变缓（图1）。

图1 不同年份、 季节和酸雨处理下樟树幼苗光合速率变化Figure 1 Variation of Pn of Cinnamomum camphora seedlings in different treatments

研究发现： 当光强为1 500～2 000 μmol·m－2·s－1时， 只有2008 年夏季pH 2.5 处理下的樟树幼苗净光合速率呈现下降的趋势， 其余处理和其他时期中均未出现下降的趋势， 所以樟树幼苗在整体上是能适应高光强的。 2008 年的中度酸雨 （pH 4.0）处理下幼苗的净光合速率高于重度处理组和对照组， 表示樟树幼苗在受到酸雨胁迫的初期， 中度酸雨增强了它利用200 μmol·m－2·s－1以上光强的能力。 在2008 的夏、秋两季和2009 年的春、 秋两季的重度酸雨处理下， 樟树幼苗的净光合速率最低， 说明重度酸雨对樟树幼苗的净光合速率影响较大； 但在对2009 年夏季处理的分析中发现净光合速率表现为pH 2.5＞pH 4.0＞pH 5.6。

樟树幼苗的净光合速率随季节、 年份和酸雨强度的不同而变化， 三者的单独作用及交互作用对樟树幼苗的Pn有显著影响（表1）。

表1 季节、 年份、 酸雨及其交互作用对樟树幼苗水分生理特性影响的多元方差分析Table 1 Multivariate analysis of variance for the effects of season， year， acid rain， and their interactions on water physiological characteristics of Cinnamomum camphora seedlings

图2 不同年份、 季节和酸雨处理下樟树幼苗的气孔导度变化Figure 2 Variation of Gs of Cinnamomum camphora seedlings in different treatments of years， seasons and acid rain

2.2 光强对叶片气孔导度的影响

如图2 所示： 不同酸雨梯度处理下的樟树幼苗气孔导度Gs的变化不同。 在各季节、 年份、 梯度酸雨的处理下发现， 当光强低于300 μmol·m－2·s－1时， 气孔导度随光强的上升速度最快， 当光强达到300 μmol·m－2·s－1时出现转折， 气孔导度上升速度变慢。

在同一光强下， 2008 年的春、 夏和2009 年的秋季的中度酸雨（pH 4.0）处理对樟树幼苗的气孔导度促进作用最强。 在2008 年的秋季和2009 年的春季， 则是pH 5.6＞pH 4.0＞pH 2.5， 说明随酸雨强度的升高樟树幼苗的气孔导度下降， 而在2009 年的夏季则是pH 2.5＞pH 4.0＞pH 5.6， 表示夏季的蒸腾速率增强， 对重度酸雨的胁迫具有一定的抗性。

季节、 年份、 酸雨强度单独和交互作用中， 季节和酸雨的交互作用对气孔导度没有显著影响（表1），其余均对樟树幼苗的气孔导度有显著影响。

图3 不同年份、 季节和酸雨处理下樟树幼苗的蒸腾速率的变化Figure 3 Variation of Tr of Cinnamomum camphora seedlings in different treatments of years， seasons and acid rain

2.3 光强对叶片蒸腾速率的影响

当光强为0～200 μmol·m－2·s－1时（图3）， 在不同季节、 年份、 不同强度酸雨处理下， 樟树幼苗的蒸腾速率Tr均与光强呈线性关系， 且蒸腾速率随光强的升高而上升较快， 当光强大于300 μmol·m－2·s－1时，蒸腾速率的开始上升速度渐缓。

2008 和2009 年的夏季， 同一光强下， 樟树幼苗的蒸腾速率随酸雨强度的变化为pH 5.6＞pH 4.0＞pH 2.5， 表明在夏季酸雨强度越高对樟树的蒸腾速率抑制作用越大； 2008 和2009 年的秋季的变化是一致的， 为pH 4.0＞pH 5.6＞pH 2.5， 说明秋季pH 4.0 的酸雨促进了植物的蒸腾速率。 在2009 年的春季处理中， 不同梯度酸雨胁迫下的蒸腾速率均未有明显变化。 由表1 可见： 樟树幼苗的蒸腾速率在年份的单独作用下无显著影响。

2.4 光强对叶片水分利用效率的影响

樟树幼苗的水分利用效率EWU在光强增加的起始阶段随光强度变强呈增高趋势， 当达到某一光强值， 水分利用效率达到最大值， 然后随着光强的继续增强而呈现下降趋势（2009 年春季pH 5.6 处理除外， 图4）。 酸雨环境下的樟树幼苗在不同年份、 不同季节处于水分利用效率最大值的光强不同。 春季的水分利用效率值较夏秋两季高， 夏季其次， 秋季水分利用效率值最低。

在处理的初期， 即2008 年春季， 水分利用效率随pH 值变化为pH 4.0＞pH 2.5＞pH 5.6， 表示酸雨增强了樟树幼苗的水分利用效率且中度酸雨的增强作用最大； 2009 年的春季， 水分利用效率则是对照组大于处理组。 在2 年的夏季处理中， 相同光合有效辐射强度下， 水分利用效率变化为pH 2.5＞pH 4.0＞pH 5.6， 说明酸雨越强， 水分利用效率越大， 2 年的秋季处理时， 水分利用效率的变化趋势在3 个梯度酸雨影响下基本一致， 其中2009 年秋季的水分利用效率在3 个梯度酸雨下未出现差异。

图4 不同年份、 季节、 酸雨处理下樟树幼苗的水分利用率变化Figure 4 Variation of EWU of Cinnamomum camphora seedlings in different treatments of years， seasons and acid rain

如表1 所示： 季节、 年份、 酸雨单独和交互作用中除季节和年份作用外， 其余均对水分利用效率产生了显著的影响。

3 讨论和结论

3.1 酸雨对光合速率的影响

酸雨对光合速率的影响会因研究对象的不同或酸雨pH 值的差异而得到不一样的结果， 即随着酸雨酸性的增强， 植物光合作用明显降低［15］， 或影响不明显， 或其光合作用明显增加［25，30］。 研究发现： 不同年份、 季节以及不同pH 值的酸雨对樟树的光合速率产生不同影响。 pH 2.5 的酸雨处理下樟树幼苗的光合速率最低， 这与对山核桃Carya cathayensis［13］和黑壳楠Lindera megaphylla［16］的研究结果一致。 pH 4.0的酸雨使得樟树幼苗的最大净光合速率增强， 与已有对樟树的研究［9－11］结论一致， 但与对山核桃［13］， 苦槠Castanopsis sclerophylla［17］， 甜槠Castanopsis eyrei［17］和马尾松Pinus massoniana［17］幼苗在pH 4.0 下的研究结果不同， 这可能是由于植物对酸雨抗性因其种类不同而有差异所导致的［18］。

3.2 酸雨对气孔导度的影响

当叶片接触酸雨时， 植物叶表面的蜡质和角质层首先被破坏， 随之植物的表皮受到伤害， 酸性物质会通过气孔破坏植物生理生化代谢。 作为自身的一种保护反应， 气孔导度会降低或者是气孔直接关闭，因此， 影响植物与外界的气体、 水分的交换， 并直接影响植物的光合作用和蒸腾作用。 本实验发现pH 4.0 的酸雨在处理的前期阶段增强了樟树幼苗的气孔导度， 这与陈睿等［19］的研究结果相似。 实验中期随着酸雨酸度的增加气孔导度降低。 而pH 2.5 的酸雨使得樟树幼苗的气孔导度降低， 但并未出现因保卫细胞的渗透压下降导致气孔关闭的现象［20］。 引起植物气孔导度降低的原因可能有3 种： 由于质壁分离引起保卫细胞膨胀导致气孔关闭［21－23］； 酸雨中大量的氢离子破坏了保卫细胞的离子平衡， 导致气孔功能紊乱［24－25］；钾离子的出入影响着气孔的开关， 由于酸雨的使得钾离子的减少， 直接影响气孔的开口大小。

3.3 酸雨对蒸腾速率的影响

蒸腾速率在夏季对酸雨的反应明显强于春、 秋两季。 说明夏季植物生长较快， 而春秋因气温降低植物的生理活动趋于平缓。 随着时间的推移， 植物的蒸腾速率对酸雨的反应差异变小， 说明樟树幼苗对酸雨的抗性逐渐加强， 对酸雨胁迫的适应性较强。 也有研究表明中、 强度酸雨降低了植物的蒸腾速率［26］并使气孔阻抗增高。 这与本研究pH 2.5 处理下的结果相同， 樟树幼苗的蒸腾速率降低、 生理活动受到抑制，但未出现气孔关闭现象， 表明樟树对酸雨具有一定的抗性。

3.4 酸雨对水分利用效率的影响

2 a 的处理中， 不同强度酸雨胁迫下的樟树幼苗水分利用效率随时间变化， 其差异逐渐变小； 另外，在2 a 的夏季中酸雨处理下的水分利用效率均高于对照组， 说明樟树幼苗对酸雨具有较强的适应性。 有研究［27］表明： 植物的形态特性与对酸雨的抗性有关， 樟树的叶表面光滑且具有蜡质层， 且有研究认为酸雨促进了樟树幼苗的根系生长［9］。

综上所述： 对樟树幼苗3 个季节的光合作用与水分生理特性测定发现， 随着时间的推移， 樟树在长期酸雨胁迫下对酸雨逐渐产生了一定程度的抗性。 其中中等强度的酸雨（pH 4.0）增强了樟树幼苗的光合速率与气孔导度， 说明樟树幼苗本身具备一定的抗酸性。 实验后期的蒸腾速率和水分利用效率对酸雨的反应差异较实验前期小， 表明樟树幼苗在酸雨的长期胁迫下抗酸性逐渐加强。 因此， 樟树可以在酸雨区引种栽培。

致谢： 感谢西南大学的蒋馥蔚和浙江农林大学的李佳对本研究实验数据测定的帮助。

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