模拟酸雨对桉树苗木生长及生理的影响

周顺福，徐圆圆，刘世男，李春叶

(1.云南省林业调查规划院大理分院，云南 大理 671000； 2.广西大学林学院，广西 南宁 530004)

模拟酸雨对桉树苗木生长及生理的影响

周顺福1，徐圆圆2，刘世男2，李春叶1

(1.云南省林业调查规划院大理分院，云南 大理 671000； 2.广西大学林学院，广西 南宁 530004)

采用盆栽法，研究 4个不同pH(3.0、4.0、5.0、5.6)的模拟酸雨对巨尾桉9号苗木叶片苗高、地径、生物量、叶绿素含量、细胞膜透性、丙二醛含量、抗氧化物酶活性的影响。以探讨不同pH的模拟酸雨对桉树苗木生长及生理的影响。研究结果表明，随着模拟酸雨pH值的降低，巨尾桉9号苗木苗高相对生长量及地径相对生长量总体呈下降趋势，且分别在pH 3.0、pH 4.0时达到最小；不同pH的酸雨处理下，生物量变化不明显；叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量及叶绿素a/b、相对电导率、丙二醛含量随着酸雨pH值的降低总体呈上升趋势，在pH 3.0时，达到最大；随着模拟酸雨的pH的降低，巨尾桉9号叶片内超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性呈先上升再下降趋势，均在pH 4.0时达到最高，过氧化物酶活性随着模拟酸雨pH值的降低逐渐上升；苗高相对生长量与相对电导率、丙二醛含量间存在显著负相关关系；地径相对生长量与相对电导率间呈显著负相关。轻度模拟酸雨可促进巨尾桉9号生物量及叶绿素含量的积累，pH 4.0时，其相对电导率和丙二醛含量均显著高于对照，多种抗氧化酶活性达到最高，模拟酸雨对细胞膜产生了一定伤害，但对其生长影响不明显，说明巨尾桉9号对酸雨具有较强的抵抗能力。

模拟酸雨；桉树苗木；巨尾桉9号；苗木生长；叶绿素含量；相对电导率；抗氧化物酶活性

酸雨问题是当前人类最为关注的三大环境问题之一，从20世纪70年代末我国南方地区便出现了酸雨，如今我国已成为继欧洲、北美之后的世界第三大酸雨区，酸雨区覆盖面积约占我国国土面积的40%[1]。酸雨不仅会对生态系统造成严重危害，而且还会破坏建筑物，威胁着人类健康[2]。目前，有关酸雨对植物影响方面的研究不断增多，酸雨对植物的伤害有2种：1)危害植物叶子，使土壤酸化，间接对植物造成伤害。研究表明，酸雨能影响植物种子的萌发[3]，通过改变植物光合色素的组成和含量影响其光合作用，从而对其苗高、地径造成影响，使其生物量降低[4]；2)酸雨还会导致植物膜系统损伤，加剧叶片膜脂过氧化，使细胞膜透性增加，丙二醛含量积累升高，改变体内抗氧化酶活性[5,6]。不同植物对不同酸度酸雨胁迫的反应敏感程度不同，同一植物对不同酸雨浓度的反应也不同，研究指出，随着酸雨pH的下降，阔瓣含笑和红花木莲叶片中SOD活性均下降，但降幅不同，红花木莲叶中SOD活性在pH 3.5时已受到明显抑制，而阔瓣含笑在pH 2.0时才受到显著影响[7]；茶树叶片中APX活性随着酸雨pH值的减小而增加[8]。

广西桉树种植面积广泛，据统计，2013年末广西桉树人工林面积约为200万 hm2，约占中国桉树人工林总面积的45.5 %[9]，巨尾桉9号由于其生长迅速，树干通直，枝下高等优点被广西林木良种委员会审定为林木良种，是广西区内及周围地区普遍种植的桉树无性系[10]。广西地处华南，山地和盆地较多，属亚热带湿润气候，受气候、逆流层等影响频率较高，大气污染物扩散能力较差，是酸沉降最为脆弱和酸污染较为严重的地区之一[11]，近年来，酸雨频发，对桉树酸雨适应方面的研究未见报道，其适应酸性的机理尚不清楚，本文以巨尾桉9号为试验材料，采用不同酸度的酸雨喷淋试验，研究其在酸雨作用下的生长和生理反应机制，为此类树种对酸雨的耐受性方面研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验地位于南宁市广西大学林学院苗圃(22°51′20″N，108°17′14″E)，该地区属亚热带季风气候，气候温热，雨量充沛，年降水量 1 304.2 mm，年均温21.6 ℃。

1.2 试验方法1.2.1 试验设计

酸雨配制与喷施：根据广西地区酸雨监测分析资料，按SO42-∶NO3-(V/V)为 4.8∶1配制母液，用蒸馏水稀释，借助pHS-2C型精密酸度计测定而配制pH为6.0 (CK)、5.6、,5.0、4.0、3.0共5个模拟酸雨梯度。每个梯度12个重复，共计需材料5×12=60盆(5个梯度，每个梯度巨尾桉9号12株)。试验于2015年3月10日进行，历时4个月，采用喷雾法进行模拟酸雨的喷洒，喷洒频率为每月1次，共4次，每次喷至叶片滴液为宜，喷淋时间一般在下午4∶00—6∶00进行，试验结束后测定相关指标。

1.2.2 指标的测定及方法

分别于试验开始、结束时采用卷尺、游标卡尺测定试验苗木苗高和地径，并计算其苗高相对生长量和地径相对生长量；试验结束后，采用平均标准木法进行苗木生物量的测定[12]，相关计算公式如下：

苗高相对生长量：RGYH=(H1- H0)/ H0

地径相对生长量：RGYD=(D1- D0)/ D0

地上生物量=叶生物量+茎生物量

地下生物量=根生物量

总生物量=地上生物量+地下生物量

根冠比=根生物量/地上生物量

叶绿素含量采用丙酮乙醇提取法进行测定[13]，相对电导率采用电导仪法进行测定[14]，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法进行测定[15]，SOD活性采用氮蓝四唑比色法进行测定[16]，POD活性采用愈创木酚法进行测定[17]，CAT活性采用紫外吸收法进行测定[18]。

1.3 数据处理方法

采用Excel 2007软件对数据进行统计，运用SPSS 21.0软件进行方差分析和多重比较(Duncan法)；对各指标进行Pearson相关性分析。

2结果与分析

2.1 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木生长的影响

试验结果表明，随着模拟酸雨pH值的降低，巨尾桉9号苗木苗高相对生长量及地径相对生长量总体呈下降趋势(图1)。在模拟酸雨pH 3.0、4.0、5.0、5.6下苗木的苗高相对生长量及地径相对生长量均与相应的对照间存在显著差异；pH 3.0时，巨尾桉9号苗高相对生长量最小，比对照组降低了13.40%；pH 4.0时，巨尾桉9号地径相对生长量最小，为27.50%，与pH 3.0时的地径相对生长量相差不大，但与pH 5.0、5.6间差异显著。

注：不同小写字母表示不同模拟酸雨浓度处理间在0.05水平上的差异显著(下同)。

2.2 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木生物量的影响

不同pH的酸雨处理下，巨尾桉9号苗木地上生物量、地下生物量、总生物量、根冠比变化均不明显(表1)。地上生物量在pH 3.0时达到最大，为3.70 g/株，与对照间差异不显著，但与pH 5.6时的地上生物量存在显著差异，而此pH值下巨尾桉9号苗木地下生物量及根冠比均为最小；pH 5.0时，地下生物量及总生物量均达到最大，分别为0.92 g/株、4.46 g/株；pH 5.6时，巨尾桉9号苗木有较大的根冠比，为0.27。

2.3 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木叶绿素含量的影响

随着模拟酸雨pH值的降低，巨尾桉9号叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量及叶绿素a/b均呈现出先增加后减少再增加的趋势(表2)。pH 3.0时，巨尾桉9号叶绿素a及叶绿素总含量达到最大，分别为6.43 mg/g FW和9.15 mg/g FW，显著大于对照及pH 4.0时的含量；pH 5.0时，巨尾桉9号叶绿素b含量最大，显著大于对照；pH 5.6时，巨尾桉9号叶绿素a/b最大，是对照的1.14倍。

表1 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木生物量的影响

表2 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木叶绿素的影响

2.4 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木相对电导率的影响

巨尾桉9号苗木的相对电导率随着酸雨pH值的降低呈上升趋势(图2)，模拟酸雨pH 3.0时，巨尾桉9号苗木相对电导率达到最高，为0.75 %，比对照组增加了24.7%，且pH 3.0、pH 4.0、pH 5.0和pH 5.6时苗木相对电导率均显著大于对照，且随着模拟酸雨pH值的降低，其相对电导率的变化幅度逐渐减小。

图2 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木相对电导率的影响Fig.2 Effect of simulated acid rain on the relative electrical conductivity of E. grandis×E. urophylla No.9 seedlings

2.5 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木丙二醛含量的影响

巨尾桉9号苗木的丙二醛含量随着酸雨pH值的降低呈上升趋势(图3)。模拟酸雨pH 3.0时，巨尾桉9号苗木丙二醛含量为2.65 u mol/g FW，显著高于对照。pH 5.0和pH 5.6时，苗木丙二醛含量与对照相差不大，随着模拟酸雨pH值的降低，巨尾桉9号苗木叶片内丙二醛含量的变化幅度不断增大。

图3 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木丙二醛含量的影响Fig.3 Effect of simulated acid rain on the malondialdehyde content of E. grandis×E. urophylla No.9 seedlings

2.6 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木抗氧化酶活性的影响

随着模拟酸雨的pH的降低，巨尾桉9号叶片内超氧化物歧化酶活性呈先上升再下降趋势，且在pH4.0—pH 5.6间，巨尾桉9号叶片内超氧化物歧化酶活性增加的幅度较大；在pH4.0时达到最高，为902.43 U/(min·g-1) FW，比对照增加了16.7%；pH 3.0、pH 4.0、pH 5.0、pH 5.6时，4个处理下苗木超氧化物歧化酶活性均显著大于对照。巨尾桉9号叶片内过氧化物酶活性随着模拟酸雨pH值的降低总体呈上升趋势，pH 3.0时，巨尾桉9号叶片内过氧化物酶活性比对照增加了60.0%，且与对照间存在显著差异。在模拟酸雨pH为4.0时，巨尾桉9号叶片内过氧化氢酶活性为844.51 U/(min·g-1)FW，显著大于对照，且随着模拟酸雨的pH的降低，巨尾桉9号叶片内过氧化氢酶活性先上升后下降，pH 3.0时巨尾桉9号叶片内的过氧化氢酶活性是pH 4.0时的0.79倍(图4)。

2.7 指标间相关性分析

指标间相关性分析结果表明，苗高相对生长量与地径相对生长量间存在显著正相关关系，与相对电导率、丙二醛含量间存在显著负相关关系；地径相对生长量与相对电导率间呈显著负相关；叶绿素含量与相对电导率间呈显著正相关关系；SOD活性与POD活性间存在正向相关关系，相关关系达到极显著水平(表3)。

3 结论与讨论

研究表明，酸雨可以破坏植物叶表面的腊质和角质层，使酸性物质通过气孔或表皮进入体内，进而引起生理代谢紊乱，甚至导致植物死亡[19]。酸雨对幼苗生长的影响随处理水平的不同存在一定差异，随着酸雨浓度的增加，苗木生长量受到一定程度的抑制[20]，随着模拟酸雨pH值的降低，巨尾桉9号苗木苗高相对生长量及地径相对生长量总体呈下降趋势，而生物量变化不大，在pH 3.0时，其地上生物量最大；pH 5.0时，有利于其地下生物量及总生物量的积累，pH 5.6时，有较大的根冠比，表明酸雨处理在一定程度上使巨尾桉9号苗木的苗高和地径生长逐渐减缓。但pH值在3.0～5.6这个酸度范围内，植株的营养器官并未受到严重伤害，相反，轻度酸雨还有利于其生物量的积累，提高其根冠比。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素的高低直接影响光合作用的强弱，叶绿素a/b表示类囊体的垛叠程度，类囊体的垛叠程度越小，光抑制越强[21]。在正常情况下，植物体内有一套完整的活性氧清除系统，能将活性氧的产生和清除维持在动态平衡状态，这一系统由SOD、POD、CAT等抗氧化酶组成，当植物处于逆境胁迫下这种平衡会被破坏，植物体内的活性氧生产能力大于清除能力，活性氧量积累，将引起植物细胞膜脂过氧化，生物膜透性增加，影响植物的生长发育。研究表明，酸雨可使植物叶绿素含量降低[22]，而本试验中，随着模拟酸雨pH值的降低，巨尾桉9号叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量及叶绿素a/b均呈现出增加—减少—增加的趋势，相对电导率、丙二醛含量、过氧化物酶活性均不断增加，而超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性呈先上升再下降趋势，且在pH 3.0时其叶绿素a及叶绿素总含量、相对电导率、丙二醛含量均为最大，这可能是由于在较低pH模拟酸雨处理下酸雨的硫、氮肥效应可以促进叶片叶绿素的合成，从而抵消或降低了H+对苗木的负面影响，所以低pH值其叶绿素含量增加。而较高浓度(pH 4.0)的模拟酸雨处理下，酸雨中过多的H+与叶角质及其内部的阳离子进行交换, 而使叶组织结构与细胞结构受到侵蚀、破坏[23]，在叶绿素的生物合成过程中，叶绿素a/b-Por复合体合成受抑制，体内自由基、膜脂过氧化产物丙二醛积累不断增多，叶绿素的生物合成减弱，分解速度加快[24]，同时超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等抗氧化酶活性升高，以清除细胞内积累的活性氧，控制细胞的膜脂过氧化[25]。超氧化物歧化酶是植物抵御活性氧伤害的第一道防线，可以将O2-·歧化为H2O2与O2，而过氧化氢酶广泛分布于植物组织中，主要起到清除细胞内H2O2的作用，在高浓度(pH 3.0)下，超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性降低，可能是因为植物细胞“吸收”了酸雨中的H+导致细胞质中pH下降，因而改变了酶的带电性质和底物电离情况，使酶的结构受到破坏。而过氧化物酶作为一种保护酶，其活性的持续增强并没有对巨尾桉9号苗木的伤害起到有效的缓解作用，这可能与该酶生理功能的多样性有关，有研究表明，过氧化物酶对多种胁迫具有响应，在降解H2O2的同时还能参与植物细胞木质素合成、吲哚乙酸的降解[26，27]。因此，在高浓度模拟酸雨下巨尾桉9号苗木膜脂过氧化作用造成了植物细胞的损伤，同时由于活性氧的积累和过氧化物酶活性的大幅上升，导致吲哚乙酸大量氧化分解，降低了巨尾桉苗木的生长速率，而此时叶绿素含量积累明显增加，其原因有待进一步研究。

图4 模拟酸雨对巨尾桉9号苗木抗氧化酶活性的影响Fig.4 Effect of simulated acid rain on the antioxidant enzyme activity of E. grandis×E. urophylla No.9 seedlings

苗高相对生长量地径相对生长量总生物量叶绿素总含量相对电导率丙二醛含量SOD活性POD活性CAT活性苗高相对生长量1地径相对生长量0.915*1总生物量0.0690.3681叶绿素总含量-0.815-0.681-0.1351相对电导率-0.940*-0.927*-0.2200.891*1丙二醛含量-0.891*-0.7260.2510.5400.6941SOD活性-0.828-0.8510.1010.4860.7960.7971POD活性-0.867-0.8720.0860.5790.8530.8010.994**1CAT活性-0.305-0.531-0.3110.3790.575-0.0230.5430.5681

注：* 表示P<0.05的显著水平，** 表示P<0.01的极显著水平。

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Effects of Simulated Acid Rain on the Growth and Physiology ofEucalyptusgrandis×E.urophyllaNo.9 Seedlings

ZHOU Shunfu1, XU Yuanyuan2, LIU Shinan2, LI Chunye1

(1. Dali Branch, Yunnan Institute of Forestry Inventory and Planning, Dali, Yunnan 671000, China; 2. Forestry College, Guangxi University, Nanning 530004, China)

In pot experiments, we studied the effect of simulated acid rain including 4 different pH levels (3.0, 4.0, 5.0, 5.6) on the height, ground diameter, biomass, chlorophyll content, cell membrane permeability, MDA content and antioxidant enzyme activities ofE.grandis×E.urophyllaNo.9 seedlings leaves. With the decrease of PH value in simulated acid rain, the downward trend was observed in height and ground diameter relative growth rate, with the lowest value in pH 3.0 and pH 4.0 inE.grandis×E.urophyllaNo.9 seedlings; the biomass did not change significantly under different simulated acid rain. Chlorophyll a(b, a/b), total chlorophyll content, relative conductivity and MDA contentincreased with pH decreasing in simulated acid rain, the maximum was at pH 3.0; The superoxide dismutase and catalase activity in the leaves ofE.grandis×E.urophyllaNo.9 seedlings increased first and then decreased, reaching the maximum at pH 4.0, and peroxidase activity gradually increase with the decrease of pH in simulated acid rain; There was significant negative correlation observed among relative growth of seedling height, relative conductivity and MDA content, the same correlation was also observed between ground diameter and relative conductivity. Mild simulated acid rain can promote biomass and chlorophyll content inE.grandis×E.urophyllaNo.9 seedlings, both the relative conductivity and MDA content were significantly higher than that in control, a variety of antioxidant enzyme activity reached maximum, simulated acid rain damaged the cell membrane, whereas the effect was not obvious on growth, which indicating that a strong resistance to acid rain inE.grandis×E.urophyllaNo.9 seedlings.

simulated acid rain;Eucalyptusgrandisseedlings;E.urophyllaNo.9; seedling growth; chlorophyll content; relative conductivity; peroxidase activity

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.01.021

2016-12-16；

2017-01-07.

广西自然科学基金《速生桉人工纯林及混交林凋落叶分解对酸沉降的缓冲机制研究》(2015GXNSFAA139081).

周顺福(1989-)，男，云南会泽人，硕士.主要从事林业调查规划工作.Email:770216795@qq.com

李春叶(1989-)，女，云南巍山人，硕士，助理工程师.主要从事林业调查规划研究工作.

S792.39；S723.13；S718.512.1

A

1671-3168(2017)01-0092-06