模擬酸雨對石櫟（Lithocarpus glabra）生長及葉綠素熒光特性的影響

余樹全，蔡夢莎，伊力塔，汪 賽，殷秀敏

（1.浙江農林大學林業與生物技術學院，浙江 臨安 311300；2.杭州之江園林綠化藝術有限公司，杭州 310053）

我國是世界第三大酸雨區[1]，酸雨對森林生態系統產生嚴重影響[2]。中國酸雨頻率最高的有四川和貴州、湖南和江西以及浙江地區，其酸雨頻率高達80%以上，屬于嚴重酸雨區；長江以南廣大地區酸雨頻率在50%以上，屬于重酸雨區[3]。2004年酸雨控制區范圍基本穩定，湖南、浙江和江西的部分區域污染進一步加重。浙江的酸雨主要還是以硫酸型為主，以浙江臨安為例，1986～1993年降水中pH從4.7降到4.23，酸雨率從84.19%增加到98.11%[4-5]。2008年的數據表明，燃煤排放產生的SO42-仍然是臨安地區降水酸化的主要無機致酸組分[5]。

石櫟（Lithocarpus glabra）屬于殼斗科櫟屬，雌雄同株，雌雄異花，是我國亞熱帶常綠闊葉林的主要建群種之一，多為陽性植物，對光適應的生態幅較寬。目前，國內對于石櫟的研究較少，多基于野生條件下的生長與光合作用的研究[6-9]。本文利用葉綠素熒光分析技術，研究不同強度模擬酸雨脅迫下，石櫟植株葉片的葉綠素含量、葉綠素熒光特性及植株生長的季節變化，揭示石櫟光合生理以及生長過程對酸雨的響應機制。

1 試驗地概況

試驗地設在浙江臨安市浙江農林大學苗圃（119°44′E，30°16′N）內，屬中亞熱帶季風氣候區，四季分明。全年日照時數1 847.3 h，年均降雨量1 628.6 mm，年均氣溫16.4℃，1月平均氣溫為3.8℃，7月平均氣溫為28.6℃，極端最高氣溫為40.4℃，極端最低氣溫為-9.2℃，年無霜期在250 d。土壤為紅黃壤。

2 材料與方法

2.1 設計

選取長勢基本一致的2年生石櫟植株。盆栽于控根育苗容器中，取當地土壤作為栽培土，常規管理；試驗隨機分成3組，每組10～15盆健康植株，每盆1株，進行模擬酸雨處理。酸雨配置方法根據試驗地酸性降水中的平均離子組成及通常模擬酸雨實驗中常采用的配比，按H2SO4∶HNO3（體積比）8∶1的比例配制母液，用水稀釋成pH分別為2.5、4.0和5.6的酸雨溶液。其中，pH 2.5代表重度酸雨，pH 4.0代表中度酸雨，pH 5.6則作為對照組（CK）。同時根據浙江臨安地區多年月均降水量，每天每盆植物噴淋約130 mL酸雨（與當地總降水量基本持平），期間適當補水。試驗處理時間為2007年7月初到2010年12月底。為避免自然降雨干擾，噴施期間用塑料薄膜遮擋。實驗期間不施肥，僅去除一些雜草。分別于2010年5月（春季）、8月（夏季）和11月（秋季）測定植株株高、地莖、葉片的葉綠素相對含量和葉綠素熒光參數。

2.2 測定方法

2.2.1 生長量的測定

用3 m長的卷尺測定石櫟植株株高（cm），游標卡尺測定其地徑（cm）。

2.2.2 葉綠素相對含量

利用便攜式葉綠素測定儀（SPAD-502，Japanese），選取不同處理的石櫟植株6～10株，每株選取上部功能成熟葉片3片，在其中脈兩側，均勻選取3個點讀取葉色值，平均值作為該葉片的SPAD值。每個葉片3次重復。每個實測數據都是10個點以上測定值的平均值。

2.2.3 葉綠素熒光參數的測定

用便攜式調制葉綠素熒光儀（PAM-2100，Walz，Germany）選取與葉綠素含量測定相同的葉片進行測定，測定的主要參數包括：PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）、Fo（最小熒光產量）、PSⅡ實際光化學量子產量（ΦPSⅡ）、光化學淬滅系數（qP）和非光化學淬滅系數（qN），其中，Fv/Fm測定前，用PAM-2100暗適應葉夾DLC-8暗適應葉片20 min。分別于2010年5月、8月、11月，選擇3個晴朗的天氣，于上午9:00～11:00時，從每個酸雨處理中隨機選擇5株植株，取其中上部第3～5片成熟葉各一片進行連體測定，取3 d數據的平均值。

2.3 數據處理

采用SPSS軟件分析酸雨和季節因素對植株的葉綠素相對含量和熒光參數及生長指標的影響。在數據分析前，對所有數據進行正態性與齊性檢驗（進行Duncan，s多重比較時，不同的字母表示差異顯著，P＜0.05）。用SigmaPlot軟件作圖[10]。

3 結果與分析

3.1 模擬酸雨脅迫對植物相對葉綠素含量的影響

葉綠素含量反映了植物光合產物積累的情況，并與植物的光合能力大小有關。葉綠素含量常作為物受環境條件影響度的一種指標，一般植物在遭受脅迫的狀態下其葉片的葉綠素含量呈降低趨勢[12-13]，大量研究表明[14-18]，酸雨的酸度越高（pH越低），頻次越多，對植物造成的傷害越重。

由圖1可知，不同梯度酸雨噴淋對石櫟植株葉片的SPAD有一定影響。5月和8月，各處理條件下的石櫟植株葉片SPAD間有顯著差異（P＜0.05），變化趨勢為：對照組（pH 5.6）＞中度酸雨（pH 4.0）＞重度酸雨（pH 2.5）；11月份，各處理條件下的石櫟植株SPAD之間差異不顯著（P＞0.05）。

3.2 模擬酸雨對石櫟植株葉綠素熒光參數的影響

3.2.1 模擬酸雨對石櫟植株Fv/Fm和Fv/Fo的影響

研究表明，植物體內發出的葉綠素熒光信號包含了十分豐富的光合作用信息，其特性又極易隨外界環境條件變化。因此，可以作為快速靈敏和無損傷探測多種逆境因子對植物光合作用影響的理想方法[11]。葉綠素熒光參數Fv/Fm、Fv/Fo是研究植物光合生理狀態的重要參數，Fv/Fm反映了植物葉片PSⅡ原初光能轉化效率[19]，反映植物潛在的最大光合能力。Fv/Fo表示光反應中心PSⅡ的潛在活性。

圖1 酸雨脅迫下石櫟植株相對葉綠素含量的季節變化Fig.1 Seasonal variation of SPAD of Lithocarpus glabra under acid rain stress

由圖2可知，經酸雨噴淋后，石櫟植株Fv/Fm和Fv/Fo都有一定的變化，其中Fv/Fm都在對照組（pH 5.6）取得最大值，且顯著高于其他兩種處理（P＜0.05），而pH 4.0和pH 2.5兩種酸雨處理下的石櫟植株Fv/Fm之間差異不顯著（P＞0.05）。

石櫟植株的Fv/Fo在三個月份中差異性不完全相同。5月和8月，三種酸雨處理條件下的石櫟植株Fv/Fo之間都存在顯著差異（P＜0.05），且變化趨勢為：pH 5.6（CK）＞pH 4.0＞pH 2.5；而11月，對照處理（pH 5.6）和中度酸雨脅迫處理（pH 4.0）條件下的石櫟植株Fv/Fo顯著高于重度酸雨脅迫處理（pH 2.5），而前兩者之間差異不顯著（P＞0.05）。

3.2.2 模擬酸雨對石櫟植株PSⅡ量子產量（ΦPSⅡ）的影響

由圖3可見，不同酸雨處理，石櫟植株的PSⅡ量子產量（ΦPSⅡ）都表現為：11月＞8月＞5月。5月份，各酸雨處理條件下石櫟植株的ΦPSⅡ差異不顯著（P＞0.05）；8月和11月，中度酸雨脅迫處理（pH 4.0）和對照處理（pH 5.6）條件下的石櫟ΦPSⅡ值顯著高于重度酸雨脅迫處理（pH 2.5）（P＜0.05），而前兩者之間差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 酸雨處理對石櫟葉片葉綠素熒光參數Fv/Fm的影響Fig.2 Comparisons of the chlorophyll fluorescence darkadaptation parameters of Lithocarpus glaber between three simulated acid rain treatments(mean±SE)

3.2.3 模擬酸雨對石櫟植株光化學淬滅系數（qP）與非光化學淬滅系數（qN）的影響

三個月份中，不同酸雨處理條件下石櫟植株的qP值，都存在著顯著差異（P＜0.05）。5月份，對照處理（pH 5.6）條件下的石櫟植株qP值顯著高于中度酸雨脅迫處理（pH 4.0）和重度酸雨脅迫處理（pH 2.5），而后兩者之間差異不顯著（P＞0.05）；8月和11月，對照處理（pH 5.6）和中度酸雨脅迫處理（pH 4.0）條件下的石櫟植株qP值顯著高于重度酸雨脅迫處理（pH 2.5）（P＜0.05），而前兩者之間差異不顯著（P＞0.05）。

石櫟植株qN值在不同酸雨處理條件下也存在一定的差異性。5月，各酸雨處理條件下的石櫟植株qN之間差異不顯著（P＞0.05）；8月和11月，重度酸雨處理（pH 2.5）條件下的石櫟植株qN值顯著高于中度酸雨處理（pH 4.0）和對照處理（pH 5.6）（P＜0.05），而后兩者之間差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 酸雨處理對石櫟葉片葉綠素熒光參數ΦPSⅡ、qP和qN的影響Fig.3 Comparisons of the chlorophyll fluorescence photopia parameters of Lithocarpus glaber between three simulated acid rain treatments(mean±SE)

3.3 模擬酸雨對石櫟植株季節生長的影響

由圖4可知，酸雨噴淋對石櫟植株的生長都產生了一定的影響。5月和11月，對照處理（pH 5.6）條件下的石櫟株高顯著高于重度酸雨（pH 2.5）處理和中度酸雨（pH 4.0）處理（P＜0.05），且后兩者之間也達到差異顯著（P＜0.05），其變化趨勢為：對照處理（CK）＞中度酸雨處理＞重度酸雨處理；8月，對照處理（pH 5.6）條件下的石櫟株高最高，而重度酸雨處理（pH 2.5）和中度酸雨處理（pH 4.0）條件下的石櫟株高差異不顯著（P＞0.05）。石櫟植株地徑變化見圖4b。5月和8月，對照處理（pH 5.6）條件下的石櫟地徑顯著高于重度酸雨（pH 2.5）處理和中度酸雨（pH 4.0）處理（P＜0.05），而后兩者之間差異不顯著（P＞0.05），總變化趨勢為：對照（CK）＞中度酸雨＞重度酸雨。11月，各酸雨處理條件下的石櫟地徑之間的差異都達到了顯著水平（P＜0.05），其變化趨勢為：對照（CK）＞中度酸雨＞重度酸雨。

3.4 酸雨、季節及雙因素交互作用對石櫟植株葉綠素熒光參數的影響

結果見表1。

圖4 酸雨處理間石櫟的株高在三個月份的比較及方差分析結果（平均值±標準誤差）Fig.4 Comparisons of the height of Lithocarpus glaber between threesimulated acid rain treatments(mean±SE)

表1 酸雨、季節及雙因素交互作用對石櫟植株葉綠素熒光參數的二元方差分析Table1 F-values of two-way ANOVA for the effects of acid rain(A),season(S),and their interactions(A×S)on chlorophyll fluorescence parameters of Lithocarpus glaber seedlings leaves

二元方差分析（見表1），不同酸雨處理下石櫟的相對葉綠素含量、ΦPSⅡ、qP和qN具有顯著差異，但Fv/Fm和Fv/Fo之間差異不顯著；不同月份里石櫟的相對葉綠素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ和qN都有顯著差異，但qP差異不顯著；酸雨和月份的交互作用對石櫟的相對葉綠素含量和ΦPSⅡ有顯著影響，而對其他葉綠素熒光參數的影響差異不顯著。

4 討論與結論

4.1 模擬酸雨對石櫟植株葉片相對葉綠素含量的影響

本研究發現石櫟的葉綠素含量在一年中隨季節有一定的變化規律，春季含量較低，秋季含量較高，這與季節的溫度變化有關。春季是植株一年中生長剛開始的時期，葉綠素合成代謝較弱，隨著氣溫的升高，秋季達到植株生長的旺盛時期，因此，其葉綠素合成代謝最強，葉綠素含量增加也較多。在重度酸雨（pH 2.5）處理條件下的石櫟植株葉綠素相對含量隨著季節變化呈上升趨勢，這可能與模擬酸雨低度脅迫可誘導植物的自我保護有關，即通過合成大量的葉綠素，提高光合作用的能力來補償因酸雨脅迫造成的損失。因此，從某一側面可以反映出石櫟植株已產生適應強酸雨的機制，表明隨著酸雨脅迫時間的延長，體內的防御系統使其適應能力增強。

4.2 模擬酸雨對石櫟植株葉片熒光參數的影響

本研究結果表明，酸雨作用石櫟的Fv/Fm值為11月最高，5月最高，且都在對照處理（pH 5.6）條件下取得最大值；Fv/Fo之間都存在顯著差異（P＜0.05），且變化趨勢為：對照（CK）＞中度酸雨＞重度酸雨，說明酸雨脅迫使PSII反應中心受到傷害,活性下降,光合電子傳遞受阻，從而影響植株正常光合作用的進行。

葉片的ΦPSⅡ值反映了PSⅡ反應中心在環境脅迫下的實際原初光能捕獲效率，也是實際的PSⅡ反應中心進行光化學反應的效率。夏季石櫟植株的ΦPSⅡ值明顯高于春季與秋季，說明夏季的溫度與光照強度較春秋季高，使石櫟植株的光能捕獲效率增加，促進其光化學反應效率，光合作用潛力升高。

qN值的大小反映了PSⅡ反應中心對天然色素吸收過量光能后的熱耗散能力及光合機構的損傷程度，反映了葉片對激發能利用情況，熱耗散可以防御過剩光能的破壞[21]。本試驗中，不同處理石櫟植株的qN值隨季節推移減小，可能是因為去環氧化酶的活性降低，葉黃素循環的作用受到限制，從而引起非光化學淬滅qN的降低。

光化學淬滅系數qP值的大小反映的是PSⅡ原初電子受體QA的氧化還原狀態和PSⅡ開放中心的數目，其值越大，說明PSⅡ具有較高的電子傳遞活性。不同處理下石櫟植株qP值隨季節推移增大，表明石櫟植株在長期的酸雨脅迫過程中，形成了一種適應機制，提高了電子傳遞活性，從而進一步提高了光能的利用效率。

植物在不同季節的生長狀況不同，對酸雨脅迫的反應也不相同。二元方差分析表明，不同酸雨處理下石櫟的相對葉綠素含量、ΦPSⅡ、qP和qN具有顯著差異；不同及季節的石櫟植株相對葉綠素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ和qN都有顯著差異；酸雨和月份的交互作用對石櫟的相對葉綠素含量和ΦPSⅡ有顯著影響。因此，研究酸雨、季節及雙因素交互作用對石櫟葉綠素熒光參數的影響時可以首先考慮其相對葉綠素含量以及ΦPSⅡ。

4.3 模擬酸雨對石櫟植株生長的影響

植物的株高和地徑是反應酸雨影響結果的外在直觀表現，是評價酸雨對樹木影響的最重要指標。本研究發現酸雨處理下的石櫟植株株高、地徑有顯著影響，并且石櫟在無酸或微酸處理下生長良好。結合葉綠素熒光參數的測定結果分析表明，酸脅迫條件下能抑制植株地上、地下部的生長,影響石櫟植株的光合作用系統，影響其光合速率、呼吸速率酸雨引起根系周圍環境酸化，這種環境變化也會對植物的生長產生影響。石櫟對酸雨適應的機理有待進一步研究。

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