模拟酸雨对上海青幼苗生长及生理特性的影响

查燕， 牛天新， 汤婕

(1.杭州市农业科学研究院，浙江 杭州 310024； 2.安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230061)

酸雨通常是指pH值小于5.6的雨、雪、雾、雹等大气降水，其给陆地生态系统带来不利影响。研究表明，我国已成为继欧洲、北美之后的世界第三大酸雨区[1]，在中国南方地区观测到大量酸雨[2]。作为农业大国，我国农作物生长体系的自然环境相对脆弱，酸雨对农作物的影响已成为关注热点和难点[3-4]。值得注意的是，农作物叶片不仅是酸雨最直接的危害对象，同时也是植物器官中对环境胁迫响应较为敏感的器官。因此，叶菜类蔬菜相比其他植物更易受到酸雨的影响[5]，且pH越低，其对农作物的伤害程度越大。研究发现，酸雨会影响种子萌发，破坏叶肉组织的结构和功能[6-7]，打破其内部的酸碱平衡，导致植物生理机能损伤[8]。Biswojit等[9]研究发现，当酸雨胁迫强度为2.5时，番茄幼苗生长、光合作用和氧化损伤即达到严重程度。钟嘉文等[10]研究发现，pH 3.0的模拟酸雨对生菜的光合系统及其地上部产量影响显著。此外，不同类型农作物的抗氧化系统对酸雨胁迫响应有所不同。pH值3.0、4.0和5.0的模拟酸雨均能提高生菜超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量[10]；水稻抗氧化系统对酸雨胁迫响应的敏感程度由强到弱依次为SOD、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸(AsA)[11]。随着酸雨强度的增加，SOD、CAT和过氧化物酶(POD)的活性呈先升高后降低的趋势[12]。

作为绿色植物，蔬菜不仅是连接大气和土壤的主要环境介质，而且在农业生态系统的物质循环和能量流动过程中发挥着关键作用。本研究以上海青为研究材料，探究不同pH梯度的模拟酸雨对上海青的生长、叶绿素相对含量及抗氧化系统的影响，以期为上海青在酸雨频发地区的栽培管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为上海青德高508青梗菜(河南省大禹种业公司)。试验地位于杭州市农业科学研究院科研基地，年均气温15.7 ℃。试验土壤为杭州市临安区亚仙家庭农场的优良黄土。经测定，土壤pH值为5.47，有机质为17.71 g·kg-1，有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁分别为11.60、240.41、2 639.98和686.60 mg·kg-1。土壤经暴晒、打细后过2 mm筛，剔除残茬、石块、枯叶、砂砾等杂质后备用。为保证上海青正常生长，搭建试验大棚以避免自然降雨的干扰。种植盆为内径15 cm的塑料花盆，期间给予正常水肥管理。

1.2 处理设计

本研究采用密度1.4 g·mL-1的98%H2SO4和密度1.84 g·mL-1的65%H2NO3配制体积比为4∶1的模拟酸雨。试验设3个酸雨梯度，pH 7.0(CK)、pH 5.5(轻度酸雨)和pH 3.5(重度酸雨)。每处理重复6次。根据当地降水量，将每月酸雨喷淋量设为85 mm，喷雾装置以5 mm·h-1的速率对幼苗进行喷淋，喷淋方式为全淋，即在植株上方60 cm处均匀喷淋酸雨。每次喷1 h，在1 d内重复3次，每次重复间隔4 h以上，确保1 d内降雨量达到15 mm。当上海青地上部分长出第三片真叶时开始进模拟试验。从模拟酸雨沉降当天开始，每隔3 d进行1次模拟。模拟喷淋后分别在第5、10和15天进行试验采样。取健康叶片分别装入自封袋，并带回实验室于-80 ℃超低温冰箱中保存，备用。

1.3 测定方法

叶绿素相对含量。采用柯尼卡美能达SPAD-502 Plus便携式叶绿素仪器来测定，每片叶取3次测定平均值。每次采样时，从3个不同模拟酸雨pH值的试验大棚里分别随机选取3株上海青，根土分离后用超纯水洗净表面污泥，并吸干水分待用。

生长指标。将上海青的食用部分和根部分离，用直尺测量单株的茎叶长度和根长(测其最长部位)，并测定食用部分质量。

抗氧化酶活性。称取0.1 g新鲜叶片放入离心管中，并置入数粒玻璃珠，加入1 mL试剂盒内提取液，在高通量组织研磨仪中匀浆研磨，取出玻璃珠后在8 000g、4 ℃条件下离心10 min。用移液枪取上清液为样本溶液，置冰上，在特定吸光度下用紫外分光光度计测定上述指标。整个试验在4 ℃下进行，上述指标均采用生物试剂盒(北京索莱宝生物科技有限公司)测定。

1.4 数据处理与分析

利用SPSS 21.0对数据进行统计与多重比较分析，用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨对上海青叶绿素相对含量的影响

由图1可知，相比CK(pH 7.0)，第5天的pH 5.5的模拟酸雨处理增加了叶绿素相对含量，为CK的1.03倍，但两者间差异不显著；第10和15天的pH 5.5的模拟酸雨处理的叶绿素相对含量均低于CK处理，但其间差异不显著。整个试验期内，pH 3.5的模拟酸雨处理显著降低了叶绿素相对含量。在酸雨的持续胁迫下，pH 3.5的模拟酸雨处理对叶绿素相对含量的影响越发明显，其中第15天的pH 3.5的模拟酸雨处理的叶绿素相对含量较CK下降11.24%。

叶绿素是植物进行光合作用的重要物质，叶绿素含量在一定程度上与植物光合作用呈正相关。其中，叶绿素相对含量是评价植物光合作用的关键指标[13]。本研究中，第5天的pH 5.5的模拟酸雨处理对上海青叶绿素合成起到促进作用，而第5天的pH 3.5的酸雨处理则显著降低了上海青叶绿素相对含量，说明酸雨抑制了上海青叶绿素的合成，导致其光合作用下降。张利霞等[14]研究发现，随着营养液pH的降低，夏枯草叶片叶绿素含量呈下降趋势。王春燕[15]研究发现，随着酸雨pH的降低，华重楼叶片叶绿素含量及比值均有所下降，上述研究结果均与本研究结论一致。

2.2 模拟酸雨对上海青幼苗生长的影响

由图2可知，不同模拟酸雨处理对上海青第5天鲜重和茎叶长的影响未达显著差异。在第5和第10天，pH 5.5的模拟酸雨处理的鲜重与CK(pH 7.0)间差异不显著；在第10和第15天，pH 3.5的模拟酸雨处理的鲜重和茎叶长分别较CK显著降低。综上可知，在整个试验期内，pH 5.5的模拟酸雨处理的鲜重和茎叶长均与CK几乎相同，而pH 3.5的模拟酸雨处理对上海青的鲜重和茎叶长的抑制强度随着酸雨胁迫时间的增加而增加。陈佳月等[16]研究发现，与其各自空白对照(pH=6.5)相比，随着酸雨强度的增大，玉米植株的鲜重呈先促后抑的趋势；易晓芹等[17]研究发现，pH 4.5模拟酸雨处理对茶树植株表型无明显伤害，而pH 3.5模拟酸雨处理下茶树生长受到抑制，这都与本研究结论一致。

图2 模拟酸雨对上海青生长的影响

随着酸雨胁迫时间的增加，pH 5.5和3.5的模拟酸雨处理对上海青根长的影响与CK无显著差异。究其原因，可能是本研究在模拟酸雨沉降的过程中采用塑料薄膜隔离土壤，与植株地下部分未受到酸雨的影响有关。

2.3 模拟酸雨对上海青叶片中MDA含量的影响

由图3可知，相比CK，不同浓度酸雨处理显著提高了上海青MDA的含量。在第5天和第10天，pH 5.5和3.5的模拟酸雨处理的叶片MDA含量均显著高于CK，且在第10天，pH 3.5的叶片MDA含量显著高于pH 5.5；第15天，pH 5.5模拟酸雨处理下的叶片MDA活性与CK无显著差异，但显著低于pH 3.5处理。

图3 模拟酸雨对上海青MDA含量的影响

MDA在植物体内的含量是膜系统受到伤害程度的重要指标[17]。研究表明，酸雨处理会增加植物MDA含量[18]。王春燕[15]研究表明，不同pH的酸雨可对华重楼叶片造成不同程度的伤害，且随着酸雨pH值的降低，MDA含量明显增加。本研究中，pH 5.5和3.5的模拟酸雨对MDA含量的主效应均有显著影响，表明弱酸雨会对上海青细胞膜造成损害，这与钟嘉文等[10]的研究结论一致。

2.4 模拟酸雨对上海青叶片中SOD、POD、CAT活性的影响

2.4.1 模拟酸雨对上海青叶片中SOD活性的影响

由图4可知，在第5天，不同浓度模拟酸雨处理的叶片SOD活性与CK均无显著差异；在第10和第15天，pH 5.5和3.5的模拟酸雨处理均显著提高了叶片SOD活性。由此可知，在第10和15天，pH 5.5和pH 3.5模拟酸雨处理下的上海青叶片SOD活性显著提高，说明酸雨对上海青的抗氧化系统有激活作用，这与钟嘉文[10]和陶巧静[19]的研究结果一致。但钟嘉文等[10]研究发现，在第40天时，pH 3.0的模拟酸雨处理下生菜叶片SOD活性反而显著下降，可能是由于长时间的极强酸雨胁迫的累积效应导致酶失活。在本研究中，上海青在受酸雨胁迫20 d内未出现SOD活性下降的现象，说明在此期间上海青对酸雨胁迫的抵抗性较好。

2.4.2 模拟酸雨对上海青叶片中POD活性的影响

由图5可知，在第5天，不同浓度模拟酸雨处理的叶片POD活性与CK均无显著性差异。在第10天，pH 5.5和3.5的模拟酸雨处理均显著提高了叶片POD活性，分别较CK提高9.84%和22.71%。在第15天，pH 3.5的模拟酸雨处理下的POD活性显著高于pH 5.5和CK，较CK提高30.39%；pH 5.5的模拟酸雨处理提高了叶片POD活性，较CK提高6.39%，但其间差异不显著。

2.4.3 模拟酸雨对上海青叶片中CAT活性的影响

由图6可知，在整个试验期内，不同浓度酸雨处理均显著提高了叶片CAT活性。在第5天，pH 3.5和5.5模拟酸雨处理的叶片CAT活性均显著高于CK，分别比CK提高19.06%和23.09%。在第10天，pH 5.5和3.5模拟酸雨处理下的叶片CAT活性均显著高于CK，分别比CK提高12.58%和28.74%。在第15天，pH 5.5和3.5的模拟酸雨处理下的叶片CAT活性均显著高于CK，分别比CK提高14.34%和23.54%。

图6 模拟酸雨对上海青CAT活性的影响

CAT和POD是自由基清除过程中2个重要的酶，在pH 5.5和3.5的模拟酸雨处理下，两者活性均高于对照。本研究结果显示，在pH 3.5和5.5模拟酸雨处理下，POD和CAT的活性随着酸雨强度的增大而上升，这表明上海青幼苗受到外界酸雨胁迫后，机体内累积的过多的H2O2被CAT转化成H2O和O2，使得体内过多的H2O2得到清除[20]。俞飞等[21]研究发现，不同酸雨浓度梯度处理均显著增加了秃瓣杜英幼苗POD和CAT活性，其中以pH 2.5酸雨浓度影响最为显著，这与本研究结论一致。

2.5 酸雨及时间处理的上海青生长及生理指标的双因素分析

由表1可知，不同酸雨处理对上海青叶绿素相对含量、茎叶长、根长、MDA含量及SOD、POD和CAT的活性的主效应均具有十分显著的影响(P<0.001)，但对上海青鲜重的主效应无显著性影响(P=0.061)。处理时间对上海青叶绿素含量、茎叶长的主效应无显著影响，对上海青鲜重、根长、MDA、SOD、POD和CAT的主效应具有十分显著的影响(P<0.001)。不同强度的酸雨处理和处理时间的交互作用对上海青根长、POD和CAT活性具有显著影响(P<0.05)，对MDA含量和SOD活性具有十分显著的影响(P<0.001)，但对上海青叶绿素相对含量、鲜重、茎叶长均无显著影响(P>0.05)。

表1 酸雨与时间对上海青幼苗生长及生理指标的影响

3 小结

在整个试验期内，pH 5.5模拟酸雨处理对上海青叶绿素相对含量、鲜重、茎叶长和根长均无显著影响，但会激活上海青的抗氧化系统，提高POD、SOD和CAT抵御酸雨带来的胁迫。pH 3.5模拟酸雨处理的上海青叶片MDA含量均显著高于pH 7.0，造成细胞膜系统损伤，使上海青叶绿素相对含量、鲜重和茎叶长均显著下降。总体上，尽管酸雨胁迫显著抑制了上海青生长，但其对酸雨具有一定的耐受性，主要通过提高抗氧化酶活性缓解酸雨胁迫。