酸雨对大豆影响的研究进展

李丽丽,刘 博，李红铁

(1.邯郸市农业科学院，河北 邯郸 056001；2.山西省农业科学院 小麦研究所，山西 临汾 041000；)

1 酸雨的成因与界定

酸雨是一个普遍且严重的环境问题。据报道，酸雨已覆盖我国国土面积的40%。酸雨的危害突出表现在许多方面，例如：建筑物、文物古迹、水生生态系统和农田系统等[1]。对农田系统而言，农作物作为农田系统的主体，在遭遇酸雨时，会引起生长发育不良，影响产量和品质。酸雨既可直接作用于植物表面，破坏植物形态结构，损伤植物细胞，抑制植物代谢功能，减弱植物叶绿体的光合作用以及影响种子的发芽率；又可进入土壤，改变土壤理化性质，间接的影响植物生长[2]。

一般认为，酸雨是人类活动排放的含硫、含氮化合物经过复杂的化学反应而成，这些含硫、含氮化合物会在大气中被氧化成硫酸和硝酸溶于水中并降落至地面。起初研究认为，pH值<5.6的大气降水为酸雨，但考虑到各地水文、地质和生态等环境条件的不同，降水pH背景值存在差异，使用同一标准界定酸雨并不科学和准确。后来研究认为，海洋降水以pH值4. 8，内陆降水以pH值5.0作为定义酸雨的阈值更为合理[2]。

2 酸雨对大豆的影响

2.1 酸雨对大豆生产和生长的影响

张国正等[3]利用1992-2013年江苏省酸雨观测资料和大豆的产量，计算酸雨致灾损失率，筛选大豆酸雨敏感期，依据酸雨灾害损失率和酸雨发生频率确定风险指数模型，对淮北地区的大豆生产进行酸雨影响的风险性区划。结果显示，大豆受酸雨影响平均灾损率为8%～20%，各生育期的降水pH与大豆产量灾损率呈现显著负相关趋势，其中，开花-结荚期和播种-出苗期是大豆的酸雨敏感期。而当酸雨pH为3.0时，会引起大豆籽粒重下降，从而造成大豆的产量减低[4]。

酸雨除了造成大豆生产中产量下降外，还会影响种子萌发和大豆苗生长。当pH值为2.5时，大豆的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和异状发芽率等5个参数均为0，即无法萌发；当pH值为3.5时，大豆的发芽势和发芽指数均显著下降[5]。对于大豆幼苗，当pH≥3时，酸雨对大豆幼苗的生长发育影响不大，而pH<3时，则影响显著[6]。此外，酸雨可抑制大豆幼苗根系生长，阻碍根系对营养元素(NO3-、P、K、Mg、Zn和Mo)的吸收，导致根系膜的渗透性增加，以pH为3.0时抑制作用较明显，当pH为2.0时，处理大豆幼苗3d会造成其根系死亡[7,8]。经过酸雨的处理，大豆苗株高降低，鼓粒期单株叶数下降，单株叶面积下降，叶柄长降低。而且，酸雨胁迫会引起大豆的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量降低，进而影响大豆的光合作用，造成大豆叶片的净光合速率逐渐下降，且大豆叶片净光合速率随酸雨的酸度增强而降低[9]。酸雨胁迫下，大豆产量构成因素单株荚数、每株荚粒数、百粒重和单株产量均显著降低。在品质方面，随酸雨酸度的增强，大豆籽粒中蛋白质含量降低，脂肪含量变化不显著，籽粒中不同微量元素含量的变化差异较大。其中，铁、铜含量上升，且铜的含量增幅较大；钙、钾和锌含量下降；镁和钠含量随酸雨酸度的增强变化不显著[10]。

2.2 酸雨与其他胁迫因子对大豆的复合效应

酸雨与铅复合处理会引起净光合速率(Pn)、叶绿素(Chl)质量比、Hill反应活性以及Mg2+-ATPase活性的降幅较单一酸雨胁迫增大，表现出协同效应[11,12]。酸雨和La3+共同作用下会明显破坏细胞的叶绿体超微结构，且对大豆根系细胞质膜造成的伤害程度较单一酸雨胁迫明显[13,14]。而且，在酸雨和Cd2+联合处理中观察到类似的毒性作用，并且联合处理较单一处理表现出更大的毒性效应[15]。酸雨与UV-B辐射的复合处理，降低了大豆幼苗的株高、叶数、叶面积、干质量、叶绿素和蒸腾速率，复合胁迫的下降幅度明显高于单一因子的胁迫。因而，UV-B辐射与酸雨处理在抑制大豆幼苗生长上表现出协同效应[16]。

2.3 酸雨对大豆生理生化代谢活动的影响

大豆糖代谢各项指标和淀粉酶活性之间的关系表明，可溶性糖、还原糖以及蔗糖含量的变化幅度随酸雨胁迫强度的增大而增加，可视为大豆对酸雨胁迫的反应[17]。在种子萌发方面，酸雨胁迫会引起大豆种子萌发过程中积累大量的自由基，并分散呼吸链底物的电子，抑制萌发种子的呼吸[18]，进一步分析发现，酸雨对淀粉酶活性的影响是导致萌发改变的内在因素之一[19]。利用pH值为2.5的酸雨单次处理大豆，抗氧化系统遭到破坏，并引起过氧化物酶和过氧化氢酶的活性降低，损伤细胞膜结构，进而降低了大豆种子的发芽率[15,20]。经过酸雨处理，大豆幼苗的叶绿素含量、Hill反应速率、Mg2+-ATPase活性和最大光化学效率(Fv/Fm)降低，而 F0和最大量子产率Y增加[21]。

2.4 酸雨对大豆基因调控的影响

模拟酸雨条件下，利用RNA-seq测序，研究了大豆苗期对酸雨胁迫的响应。通过构建cDNA表达文库，在5个生长阶段中共找到表达基因73 320个，差异表达基因2 016个，其中与酸雨胁迫响应密切相关的基因有385个。在酸雨条件下，大豆光合作用光反应I、光反应II和光合电子传递相关基因表达均受到明显抑制，多数与碳代谢相关的基因表现下调，在氮代谢和硫代谢途径中，许多与谷胱甘肽合成相关的基因均表现为上调，与谷胱甘肽降解相关的酶类均受到抑制，所有与活性氧降解相关的超氧化物歧化酶、过氧化氢酶以及过氧化物酶合成基因表达均受到明显促进作用。因此，该研究探索了酸雨胁迫下大豆苗期基因调控及其作用机制，为探寻大豆抗酸雨胁迫相关的关键基因和大豆抗酸雨育种提供了参考[22]。

2.5 酸雨对大豆及大豆田土壤N运转的影响

氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体，农田生态系统是其重要的排放源。张寒等模拟酸雨条件，设置4个pH值为6.7(CK)、4.0(T1)、3.0(T2)和2.0(T3)处理，采用静态箱-气相色谱法测定N2O排放通量，研究了酸雨对大豆田土壤N2O排放通量及植株与土壤氮含量的影响，结果显示，与CK相比，在大豆鼓粒期，T1和T3处理使土壤N2O的平均排放通量分别增加了35.1%和71.2%；经酸雨处理显著降低了开花-结荚期大豆植株地下的生物量，T1和T3处理使地下生物量显著下降了31.93%和24.30%；在分枝期、开花-结荚期和鼓粒期，酸雨处理降低了叶片可溶性蛋白质含量；在开花-结荚期，酸雨处理降低了叶片全氮和硝态氮含量。然而，酸雨处理未显著改变土壤有机碳及全氮含量，但在分枝期和开花-结荚期，酸雨处理显著减少了土壤硝态氮含量[23]。崔海羚[24]研究表明，酸雨处理可显著增加土壤-大豆系统N2O平均排放量，增加N2O累积排放量。

2.6 酸雨对大豆及大豆田土壤CO2和CH4运转的影响

史艳姝等[25]通过模拟酸雨处理冬小麦-大豆轮作农田，发现pH为2.0的模拟酸雨降低了大豆田土壤呼吸速率以及CO2的产生速率。周迎平[26]采用pH值为1.0的模拟酸雨，每2周浇灌大豆苗一次，通过田间试验测定土壤-作物系统、土壤CO2和CH4通量，结果表明，酸雨处理显著增加了开花-结荚期的土壤CH4通量。

3 减缓酸雨对大豆影响的方法和机理

3.1 外源钙对酸雨胁迫的缓解效应

钙是植物生长和发育的必需元素之一，作为信号转导的第二信使，通过调节植物细胞生理变化和细胞对环境的反应，增强植物非生物胁迫条件下的抗逆性。施用外源钙是植物上抵御酸雨危害的一种常见方法。经过外源钙(5 mM)处理大豆后，pH为4.5的酸雨对大豆有关参数影响不显著。分析表明，外源钙可减缓酸雨对质膜H+-ATPase活性和转录水平GmPHA1表达的抑制作用，有利于维持营养物质(NO3-、P、K 、Mg和Zn)的吸收，进而缓解干重生物量和叶绿素含量的降低。然而，外源钙对质膜H+-ATPase活性的调节作用会受酸雨胁迫强度的限制[8]。而且，外源Ca2+(5 mM CaCl2)也可通过调节质膜H+-ATPase的活性减轻大豆根中的铵盐增加，抑制硝酸盐和磷的减少，进而减轻酸雨的危害，促进大豆产量和品质提升。值得一提的是，外源Ca2+对大豆所受酸雨危害的缓解作用在苗期表现最显著[27]。此外，外施Ca2+可通过调节质膜质子泵的活性，缓解酸雨对大豆生长的影响。经过外施Ca2+的处理，酸雨胁迫下大豆的质膜质子泵活性提高，加速ATP的水解，并调控大豆对NO3-、P、K、Mg和Zn的吸收。Ca2+对质膜质子泵活性能力影响由强到弱的时期为:幼苗期>鼓粒期>结荚期，此顺序跟酸雨危害敏感性以及Ca2+缓解有效性一致。经过分析发现，Ca2+调节酸雨胁迫下大豆质子泵活性的机制在于Ca2+对GmPHA1基因转录水平的调控[28]。

3.2 耐酸雨大豆品种的筛选

缓解酸雨胁迫对大豆生产的不利影响，除施用外源钙(外因-环境因素)调控外，还可以利用品种自身耐酸雨特性(内因-基因)来培育耐酸雨大豆品种。可通过设置不同的pH值来模拟不同程度的酸雨，对不同的大豆资源进行耐酸雨性鉴定。孙金月等[29]研究指出，pH值2 .0 的酸雨是筛选耐酸雨性大豆品种较为合理的指标，并且利用这一指标对我国不同来源的1 033份大豆种质资源进行了耐酸雨性鉴定，筛选出1级耐酸雨性大豆品种68份，其中6份为强耐酸雨性品种。

4 展望

随着社会的高速发展，人类在工业、农业和生活等各方面排放污染物(特别是硫、氮化合物)的量增长。酸雨对建筑物、文物古迹、水生生态系统、农田系统和人体健康等造成了巨大损失，该现象越来越受到许多专家的关注和重视。应以管理、科技为抓手，逐渐减轻或解决酸雨所产生的问题。在管理方面，重视政策、法律和法规，严格控制硫、氮化合物的排放总量。在科技方面，一方面，逐步改善煤、石油等化石燃料为主的能源结构，增加水能、风能、太阳能和核能等洁净能源或新能源比重，实现排放源头的控制；另一方面，通过产业结构提升，工艺升级，治污设备改造，精准生产避免浪费等途径实现酸雨产生过程中的控制。在农业生产上，通过外源物质调控(如外源钙)，培育耐酸雨植物(内因)等实现酸雨终端控制。在育种方面，需要加强耐酸雨种质资源的发掘、鉴定、应用和推广等，研发快速、大通量以及准确筛选耐酸雨性大豆种质资源的方法。

对于大豆而言，一方面，通过遗传学、分子生物学、生物信息学、基因组、转录组、蛋白组、代谢组和表型组学等多学科相结合，重视耐酸雨性大豆基因的鉴定、转化、编辑和应用；另一方面，重视从野生大豆中发掘抗源材料并鉴定和利用，实现抗酸雨品种或种质的创新，并应用于市场来减缓酸雨带来的危害。此外，也可研发出高效新型的抗酸雨性外源物质，通过外源物质的调控减缓酸雨对大豆的危害。