模拟不同程度酸雨对秃瓣杜英和青冈光合生理特征的影响

商天其，叶诺楠

（浙江农林大学，浙江 临安 311300）

酸雨是全球生态系统面临的严峻环境问题，而我国有40%的区域正在遭受酸雨的污染。浙江省地处华东区域，是国内酸雨污染最严重的地区之一。据降水酸度数据显示，浙江省的降水酸度一直呈上升趋势，且酸雨降水范围也在不断扩大[1-2]。临安是酸雨的重灾区，年酸雨频率达到95%以上，酸度大于杭州市其他地区，且相关研究表明临安酸雨pH值呈现日益下降的走势[3]。酸雨胁迫会对植物造成严重的损害。植物在生长期受到酸雨胁迫时，不仅生长发育会受到抑制，使得植物叶片失绿、枯落，光合作用受阻，生长减缓，生物量下降[4]，甚至会导致森林大面积植被死亡或发育不良的现象，从而带来巨大的生态、经济效益的损耗。所以，鉴于酸雨污染对临安的森林植被造成日趋严重的生存威胁，研究该地域酸雨胁迫对植物的影响具有非常重要的意义。

目前，已有众多学者开展了区域内多种常见绿化、造林植物的模拟酸雨实验，关于当地植物应对外界酸雨胁迫的光合生理响应过程以及 抗酸树种的筛选已具有较多的研究基础。郭慧媛等[5]通过对毛竹Phyllostachys heterocycla进行模拟酸雨实验发现，毛竹通过调节保护酶活性、可溶性蛋白质含量和释放绿叶挥发物来提高适应环境的能力。季晓燕等[6]对杉木Cunninghamia lanceolata、香樟Cinnamomum camphora、银杏Ginkgo biloba进行酸雨模拟对比实验，发现杉木受酸雨影响最大，香樟和银杏受酸雨影响较小。于晓鹏等[7]对杨梅Myrica rubra 幼苗进行模拟酸雨实验，发现适当的酸雨胁迫利于促进杨梅幼苗叶绿素荧光反应，重度酸雨胁迫下叶绿素荧光参数显著降低。当然，在其他地域相关的模拟酸雨实验也在开展，如黄志勇等[8]发现，酸雨胁迫对广玉兰幼苗对不同矿物质元素的吸收具有差异，体现了在不同酸雨胁迫下植物自身会调节对不同矿物质元素的需求水平以适应外界酸雨环境。类似的结果在红花檵木Loropetalum chinense、杜鹃Rhododendron simsii、夏鹃Rhododendron indicum也有被发现[9]。金清等[10]对马尾松Pinus massoniana、 甜 槠 Castanopsis eyrei、 苦 槠Castanopsis sclerophylla进行酸雨胁迫，发现其光合效率随酸雨浓度增加呈现上升趋势。蒋馥蔚等[11]通过对比乐东拟单性木兰Parakmeria lotungensis、石栎Lithocarpus glaber和山核桃Carya cathayensis在酸雨胁迫下光合特征参数，发现乐东拟单性木兰具有更强的酸雨适应能力。无疑，在全球酸雨危害日益严重的背景下，通过大量的模拟酸雨基础研究，可以为我们在实际生产实践中筛选抗酸雨能力强的优良树种提供重要参考依据。

基于大量的研究材料下，结合区域常见树种分布，以秃瓣杜英Elaeocarpus glabripetalus（秃瓣杜英科秃瓣杜英属，生长迅速，在中性、微酸性的山地红壤、黄壤上均可生长，是优良的园林观赏树种）和青冈Cyclobalanopsis glauca（壳斗科Fagaceae栎属Quercus，多生长在微碱性或中性石灰岩土壤中，也多见于多石砾的山地之中，气候适应能力强，是中亚热带常绿阔叶林中的常见优势种）为研究对象，采用盆栽法，对它们进行模拟酸雨实验。在前期关于酸雨的研究中发现该2个物种在模拟酸雨处理下，它们的光合能力、PSⅡ原初光能转化效率和PSⅡ潜在的活性都出现随着酸雨酸性增强而升高的现象[12-13]。因此，进一步通过不同程度酸雨对秃瓣杜英和青冈进行酸雨胁迫实验，对比分析该2个物种光合参数指标、叶绿素含量以及生物量对酸雨处理的响应，一方面可探索酸雨对亚热带树木的影响机制，另一方面也可为亚热带常绿树种的栽培和推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取1年生同一品种的实生秃瓣杜英幼苗、青冈幼苗各100株，栽植于高40 cm、直径30 cm的黑色塑料花盆中，每盆栽植一株，采用当地红黄壤进行种植。种植后，将200盆植株放置于浙江农林大学平山实验基地智能温室大棚中(棚内温度23～33℃，湿度55%～75%)，第一次浇灌需用水浇透，之后正常水肥管理，定期清理盆中杂草，每天记录植株生长及浇灌情况。缓苗2个月后，选取生长健康、长势一致的青冈和秃瓣杜英幼苗各60株，供模拟酸雨试验用。

1.2 试验方法

1.2.1 酸雨配置及浇灌安排

依据浙江省酸雨离子构成的平均浓度，用密度1.84 g·mL-1的H2SO4溶液（浓度98%）和密度1.4 g·mL-1的HNO3溶液（浓度68%）配制体积比为8∶1的模拟酸雨[14]。试验设置3个酸雨梯度：对照组（pH值7.0）、轻度酸雨胁迫（pH值5.6）和重度酸雨胁迫（pH值2.5），每个处理设置7个重复。试验模拟酸雨月喷淋量设置参考临安区近10 a月平均降水量（见图1）确定，再将月喷淋量平均分配到每周，每周喷淋2～3次，喷淋4个月，喷淋方式为全淋，即在植株上方50 cm处均匀喷淋酸雨。

图1 临安区近10年月平均降水量Fig.1 Average monthly rainfall in Lin-an area recent 10 years

1.2.2 指标的测定

1）光合参数的测定：试验采用便携式光合作用测定系统（Li-6400, USA）的内置式红蓝光源（6400-02B）测定秃瓣杜英和青冈在不同程度酸雨胁迫下的光合生理参数和光响应曲线。在天气晴朗的上午，随机选取每个处理中的5株，每株重复选择当年生的成熟叶片进行光合生理参数和光响应曲线的测定，测定时设置仪器叶室温度25℃，气体流量 500 μmol·s-1，相对湿度为 60%，叶室CO2浓度为大气CO2浓度，光强设置由强到弱，依 次 为 2 000、1 500、1 000、600、300、200、100、80、50、20 和 0 μmol·m-2s-1[15]。测定前先在光强1 000 μmol·m-2s-1处对叶片进行光合诱导，待净光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）和气孔导度（Stomatal conductance，Gs）稳定后，再由高光强向低光强分别进行手动打点，每个叶片记录1条光响应曲线。

2）叶绿素含量的测定：采用乙醇比色法测定叶绿素含量[16]。

3）生物量的测定：为保证数据时效性，在保证测量的光合生理数据有效性的前提下，将测定完的植株从花盆中取出，洗去表面泥土杂质后，分成根、茎、叶3部分，分别置于70℃烘箱中，等质量恒定不变后称量根、茎、叶干质量[14]，不同处理不同重复单独称量。

1.3 数据处理

利用SPSS22.0统计分析软件中的非线性回归功能对2物种在不同程度酸雨胁迫下的光合—光响应结果进行非直角双曲线模型拟合[17]，非直角双曲线模型公式如下：

式中：Pn为净光合速率；I为光照强度；α为光响应曲线在光照强度为0时的斜率，即初始量子效率（Initial quantum efficiency，IQE）；θ是响应曲线的曲角参数，取值0＜θ≤1；Pnmax为最大净光合速率；Rd为暗呼吸速率。光补偿点LCP）和光饱和点（LSP）由Photosyn Assistant软件计算得到[18]。

利用SPSS22.0统计分析软件中单因素方差（One-way ANOVA）分析2物种在不同程度酸雨胁迫下的光合特性、叶绿素以及生物量指标的差异，采用LSD多重比较分别检验2物种在不同程度酸雨胁迫下差异显著性（差异显著水平为α=0.05）[19]。为使数据分析具有效性，在方差分析前，对全部数据进行方差齐性检验。最后，采用SigmaPlot绘图软件完成结果出图。

2 结果与分析

2.1 正常环境下秃瓣杜英和青冈的光合参数

秃瓣杜英和青冈在无酸雨（对照组）条件下的光合模型曲线如图2所示。对照组的秃瓣杜英和青冈的Pn均随着PAR的升高呈现线性增加，增长走势相似，在整个过程中Pn差异均不显著（P＞0.05），说明在正常环境条件下，秃瓣杜英和青冈在弱光强下光合效率基本相同。将2个物种在酸雨处理前的光合参数进行对比（见图3），发现秃瓣杜英和青冈在进行酸胁迫之前IQE、Pnmax、Rd、LSP、LCP均不存在显著性差异，说明该两个物种在正常生境下的生存能力、光强范围基本相同。

图2 正常环境下秃瓣杜英和青冈光响应曲线Fig.2 Light response curves of E.glabripetalus and C.glauca under normal circumstances

图3 正常环境下秃瓣杜英和青冈光合指标的比较Fig.3 Comparison of photosynthetic indexes of E.glabripetalus and C.glauca under normal circumstances

2.2 不同程度酸雨胁迫对秃瓣杜英和青冈光合参数的影响

酸雨对秃瓣杜英和青冈的光合参数均产生一定程度的影响（见表1）。轻度酸雨胁迫使得秃瓣杜英的Pnmax和LSP显著升高（P＜0.05），分别升高了13.652%和29.635%，其他参数无显著变化；轻度酸雨迫使青冈的Pnmax、Rd、LSP显著降低（P＜0.05），分别下降了4.615%、45.073%、21.995%，其他参数无显著变化。

表1 不同程度酸雨胁迫对秃瓣杜英和青冈光合指标的影响†Table 1 Effects of different levels of acid rain on photosynthetic indexes of E.glabripetalus and C.glauca

与轻度酸雨胁迫相比，重度酸雨胁迫进一步促进了秃瓣杜英Pnmax和LSP的上升（P＜0.05），相比于对照组分别升高了18.394%和34.100%；而Rd和LCP开始显著下降（P＜0.05），相比于对照组分别下降了70.349%和65.000%；IQE已经无显著变化（P＞0.05）。在重度酸雨胁迫下，青冈幼苗的Pnmax、Rd、LSP显著低于对照组（P＜0.05），分别下降了37.865%、54.774%、41.707%，其余参数无显著变化。总体而言，在酸雨胁迫环境下，青冈光合指标受到的负面影响较大，而对秃瓣杜英幼苗产生的影响则较为积极。

2.3 不同程度酸雨胁迫对秃瓣杜英和青冈叶绿素含量的影响

在酸雨胁迫下，轻度酸雨胁迫显著降低了秃瓣杜英和青冈的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量（P＜0.05），秃瓣杜英分别下降了25.322%、29.184%、26.558%，青冈分别下降了20.360%、19.694%、20.175%，但对2物种的叶绿素a/b比值没有造成显著影响（P＞0.05）。相比于轻度酸雨胁迫，重度酸雨胁迫进一步降低了秃瓣杜英的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量，相比于对照组分别下降了28.439%、29.416%、28.757%，但对叶绿素a/b比值无显著影响；而相比于对照组，重度酸雨胁迫显著增加了青冈的叶绿素a含量（P＜0.05），增加率为3.897%，其他叶绿素指标无显著变化（P＞0.05）。

2.4 不同程度酸雨胁迫对秃瓣杜英和青冈生物量的影响

不同强度的酸雨对2物种的生物量具有显著影响。在轻度酸雨胁迫下，相比于对照组，秃瓣杜英除叶干质量无显著变化外（P＞0.05），茎干质量、根干质量、总干质量都出现显著下降（P＜0.05），降低的百分比分别为40.877%、31.099%、33.684%；而对于青冈而言，除茎干质量无显著变化外（P＞0.05），其余指标也显著下降（P＜0.05），叶干质量下降了31.736%，根干质量下降了37.329%，总干质量下降了32.159%。在重度酸雨胁迫下，相比于对照组，秃瓣杜英的叶干质量、茎干质量、根干质量、总干质量都显著下降（P＜0.05），降低的百分比分别为38.583%，44.632%、37.276%、40.797%；而青冈除茎干质量依旧无显著变化外（P＞0.05），其余指标也出现显著下降（P＜0.05），叶干质量下降了23.960%，根干质量下降了42.948%，总干质量下降了32.599%。

表2 不同程度酸雨胁迫对秃瓣杜英和青冈叶绿素含量的影响Table 2 Effects of different levels of acid rain on chlorophyll contents of E.glabripetalus and C.glauca

表3 不同程度酸雨胁迫对秃瓣杜英和青冈生物量的影响Table 3 Effects of different levels of acid rain on biomass of E.glabripetalus Merr.and C.glauca g

3 结论与讨论

植物作为固着性生物，自身生理活动与周围环境存在密切联系，在长期的进化过程中不同植物为了适应环境形成不同的生理表现特性[20]，主要体现为光合效率的差异性。一般认为，植物的光合效率受温度、光强、CO2浓度等环境因素以及电子传递速率、呼吸作用、叶绿素含量、气孔导度等生理因素的综合影响。光是植物光合作用必不可少的条件，故而植物对光利用能力的高低是影响植物光合速率的一个重要因素[21]。当植物吸收的光能过低时，光合作用的核心环节光化学反应过程受到限制，不能充分将光能转变为化学能，从而使得光合反应过程中能量供给降低，光合速率受限[22]。但当外界光能过量时，植物的光合速率也会受到抑制，严重时还会破坏光合结构[23]。据研究，光饱和点和光补偿点是指示植物可利用光强范围的重要指标，初始量子效率则可以指示植物对低光的利用效率，最大净光合速率可指示植物的光合效率[23]。因此，在模拟酸雨胁迫前，将秃瓣杜英、青冈的光合参数进行方差分析，发现两者的这些指标都无显著差异，说明在无酸雨胁迫下，秃瓣杜英和青冈的光合效率及对光的适应能力不存在显著差别。

当植物受到外界环境胁迫时，其光合生理特性会发生改变[24-26]。在对秃瓣杜英和青冈进行不同程度的酸雨胁迫时，发现酸雨对该2种植物的影响存在差异。秃瓣杜英在受到轻度或重度酸雨胁迫时，最大净光合速率和光能利用范围都显著上升，且随着酸雨胁迫程度的加强，上升幅度越大，说明在一定程度上酸雨环境可以促进秃瓣杜英的光合效率和光能利用范围。模拟酸雨促进植物光合的现象已有诸多报道，Reich et al.[27]发现随着酸雨pH值的降低，美国五叶松的光合速率显著升高；鲁美娟等[23]发现在春季，杨梅受轻度酸雨胁迫后光合速率显著升高。但青冈在酸雨处理下光合速率和光能利用范围都显著下降，且随着酸雨胁迫程度的加强，下降幅度越大，说明在应对外界酸雨胁迫时，与青冈相比，秃瓣杜英的光合系统更能适应酸雨环境。

叶绿素作为植物进行光合作用的重要色素，对植物的光合效率起着关键作用。植物在受到酸雨胁迫时，叶绿素含量会发生变化。王梓廷等[28]发现小麦叶片受酸雨胁迫后叶绿素a和叶绿素b都显著下降。李志国等[29]发现乐东拟单性木兰叶片受酸雨胁迫后叶绿素含量显著降低。已有研究指出，造成叶绿素含量下降的原因是酸雨中存在的H+等离子的毒害作用会加快叶绿素分解，但也有研究表明，硝酸型酸雨中的硝酸根等离子的施肥作用会加快叶绿素的合成，当后者效应大于前者时，促进植物生长，反之则抑制[30]。因此，结合试验结果，猜测秃瓣杜英在受到酸雨胁迫时，酸雨中H+等离子对叶片的毒害作用大于硝酸根等离子对叶绿素合成的促进作用，而青冈叶片的中的叶绿素变化在轻度酸雨胁迫下也与秃瓣杜英表现出相似规律，但随着酸雨酸度的增加硝酸根等离子对青冈叶绿素的合成促进作用得到体现，特别是很大程度上促进了叶绿素a的合成。

植物对外界环境胁迫的防御能力不仅体现在光合速率方面，也表现在植物的呼吸速率上。呼吸速率是植物生长发育过程中消耗物质能量的过程，其速率的改变可以指示植物组织受损伤的程度[31]。而线粒体作为植物呼吸作用的主要场所，可通过植物呼吸效率的改变来判断外界胁迫对线粒体的损害程度，而暗呼吸速率是植物在外界没有光源时的净光合速率绝对值，可指示植物的呼吸效率。在本文中，我们发现在轻度酸雨胁迫下，秃瓣杜英的暗呼吸速率与对照相比无显著变化，但在重酸胁迫下秃瓣杜英的暗呼吸速率显著下降，说明秃瓣杜英的线粒体能够抵御轻度的酸雨胁迫，在重度酸雨胁迫下易被破坏，青冈则是在酸雨胁迫下其暗呼吸速率都出现显著下降，说明青冈线粒体对酸雨的抵御能力要弱于秃瓣杜英。

生物量是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质的总量，是植物在经历一段时间生长后的生理指示值，可以代表植物在过去一段时间内的生长发育情况。本研究结果表明，秃瓣杜英在受到一段时间酸雨胁迫后，其根茎叶生物量出现显著下降的现象，这与秃瓣杜英在酸雨胁迫后表现为更高的光合效率和更低的呼吸效率的现象相矛盾。结合植物光合效率和生物量指标本身的特性，猜测在一段时间酸雨胁迫后，秃瓣杜英能通过调节自身呼吸速率和对光的利用范围，提升自身光合效率，在试验结束后表现出对酸雨环境较高的适应性，但生物量指标作为植物某一生长过程的物质积累量，与光合效率的改变存在滞后性，再加之，植物在面对外界胁迫初期都会主动消耗自身积累物质产生次生代谢产物以建立防御机制[32-33]，保证自身生理过程的正常进行，因此造成秃瓣杜英生物量的下降原因更可能是因为酸雨胁迫前期，其为适应酸雨胁迫主动消耗自身物质造成的，但其中具体的生理变化过程还需要进一步探究。青冈光合速率下降的同时生物量积累下降，说明酸雨环境完全抑制了青冈的正常生长水平。因此，受到酸雨胁迫时，秃瓣杜英比青冈表现为更为强大的酸雨防御响应。

植物在应对外界环境胁迫时，其内部的生理响应过程是复杂的、多变的，积极的响应过程有利于植物在逆境环境中获得更大的生存机会，在群落演替过程中则表现为该物种推迟或者提前退出演替进程[34]。从本文结果可知，在酸雨环境下，秃瓣杜英通过调节自身对光能的利用范围、降低呼吸速率、提高光合效率以合成更多的物质用于建立酸雨防御机制，其光合能力更能适应外界环境因子的改变。而青冈对酸雨的适应能力弱，其光合能力易受酸雨影响被抑制。因此，在酸雨地区，可优选种植秃瓣杜英，在培育过程中也可适当追加氮肥，以促进叶片合成叶绿素，避免外界其他环境影响下加剧叶绿素含量下降，而导致叶片失绿，丧失光合作用的能力。当然，从区域森林群落演替角度考虑，在酸雨环境下，秃瓣杜英也可能会晚于青冈退出演替进程，这也对酸雨污染严重地区自然林的恢复重建提供了一个实践指导方向。

本研究通过对比分析秃瓣杜英和青冈在轻度和重度酸雨胁迫下的光合生理参数、叶绿素含量、生物量的差异，有利于探究两者对酸雨胁迫的响应机制，但相比于其他研究，本研究在前期数据指标测定时，缺少了对植物体内光合反应效率具有重要指示意义的叶绿素荧光参数，另外，模拟酸雨的方式也较为单一，不能确定酸雨对植株的哪一部分（地上部分或地下部分）造成的胁迫影响最大。同时，在文中也提及植物次生代谢产物对防御机制建立的重要性。因此，在未来的模拟酸雨研究中，除以上研究内容外，可重点结合植物次生代谢产物释放差异，探究不同程度酸雨对植株不同部位单独胁迫后，对植物抗酸雨响应过程进行更全面、更具有针对性的探究，也能更全面地解析植株建立酸雨防御机制的内在过程。