模擬酸雨對木荷幼苗葉片氣體交換和熒光參數(shù)的影響

酸雨已成為世界環(huán)境的中心問題。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和石化燃料的使用，酸雨面積不斷擴大，造成了越來越嚴重的損害。我國酸雨正呈蔓延之勢,繼歐洲、北美之后成為世界第三大酸雨區(qū)。目前,我國國土總面積的40%受到酸雨的危害,形成了華中、西南、華東和華南4大酸雨區(qū)。浙江省是華東主要的酸雨區(qū),酸雨的形勢非常嚴峻,屬中國酸雨頻率最高的三個地區(qū)之一,其酸雨頻率高達80%以上。隨著工業(yè)化的加速發(fā)展,酸雨的危害可能進一步加劇。酸雨影響植物的光合作用主要是通過改變?nèi)~片的化學結(jié)構(gòu)、形態(tài)學、細胞pH平衡、RuBPCase和硝酸還原酶的活性、碳同化、線粒體呼吸、葉綠體膜的完整性和氣孔導度等方式。許多學者從植物生理生態(tài)等方面對酸雨的危害做了大量的研究,主要集中在酸雨對植物生長及生理生化方面的影響,如:在酸雨脅迫下,植物的株高及地徑的生長將會受到抑制;同時植株的凈光合速率也有下降的趨勢。此外,隨著pH的降低,葉片受害面積增大,幼葉比成熟葉更易受酸雨的危害。付曉萍等人的研究表明,酸雨對植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)及生理生化方面的影響明顯。但關(guān)于酸雨對植物光合生理效應(yīng)方面的研究相對較少。木荷(Schimasuperba)屬山茶科木荷屬,常綠喬木,分布于海拔150~1500m的山谷、林地,在江蘇、浙江、安徽、江西、湖南、四川、貴州、云南、廣東等亞熱帶區(qū)域都有分布。木荷屬中性植物,宜生于氣候溫暖、濕潤,土壤肥沃、排水良好的酸性土壤,在堿性土中生長不良。木荷常與其它常綠闊葉樹混交成林,也可與陽生樹種馬尾松共同作為林分演替早期的先鋒樹種,在地帶性頂極群落也可以是上層優(yōu)勢樹種,發(fā)育甚佳,常組成上層林冠。木荷既是美麗的觀賞樹種,又是良好的用材樹種,最珍貴的是它的防火拒火特性,因此受到人們的重視。目前,一些學者在種內(nèi)與種間競爭關(guān)系、種群結(jié)構(gòu)和動態(tài)、演替更新特點等方面對木荷進行了較多的研究,并且在光合特性方面也做了一些工作,積累了一些資料;在木荷光合特性日變化及其與環(huán)境因子相關(guān)性方面也有一些研究;在模擬酸雨試驗中,木荷隨著酸雨酸度的增加,Fv/Fm有減小的趨勢,雖然各處理之間沒有明顯的差異。葉綠素熒光分析技術(shù)在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用,與“表觀性”的氣體交換指標相比,葉綠素熒光參數(shù)更具有反映“內(nèi)在性”特點,被視為植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的探針。本實驗以木荷為材料,通過模擬酸雨的處理方法,采用葉綠素熒光分析技術(shù)來研究酸雨對盆栽木荷幼苗的影響,旨在更好的探討木荷在模擬酸雨條件下的生境,了解不同酸度的酸雨對木荷氣體交換和熒光等光合參數(shù)的影響,為木荷規(guī)模化栽培、種植提供理論基礎(chǔ)。1材料和方法1.1氣候特征及自然條件在區(qū)域氣候區(qū)的應(yīng)用試驗地設(shè)在浙江林學院苗圃,在浙江省臨安市(119°42′E,30°14′N)境內(nèi)。屬中亞熱帶季風氣候區(qū),溫暖濕潤,四季分明,具有春多雨、夏濕熱、秋氣爽、冬干冷的氣候特征。全年日照時數(shù)1847.3小時,全年降雨量1628.6mm,全年平均氣溫16.4℃,1月份平均氣溫為3.8℃,7月份平均氣溫為28.6℃,極端最高氣溫為40.4℃,極端最低氣溫為-9.2℃,年無霜期250d左右。土壤為黃壤。1.2試驗材料選擇自然條件下二年生同種源的實生、健康的木荷幼苗,地徑、苗高和冠幅等生長狀況基本一致,盆栽于控根內(nèi)徑22cm、深27cm花盆中。1.3模擬酸雨實驗和測定總ph值和年生長量試驗設(shè)3個處理,每個處理選15盆健康植株,用黃紅壤土進行栽培,每盆1株,常規(guī)管理;隨機分成3組進行模擬酸雨處理。pH2.5、pH4.5每個處理各噴灑1種pH值的模擬酸雨溶液,以pH5.6為對照,試驗期間不施肥,僅去除雜草。根據(jù)浙江省酸性降水中的平均離子組成及通常模擬酸雨實驗中所慣常采用的配比,按V(H2SO4)∶V(HNO3)=8∶1的比例配制母液,用水稀釋成pH值分別為2.5、4.0和5.6的酸雨溶液。據(jù)浙江臨安地區(qū)多年月均降水量,每天每盆植物噴淋約130mL酸雨溶液(與當?shù)乜偟慕邓炕境制?,期間適當補水。試驗處理時間為2006年7月初到2008年7月底。1.4測量指標和方法1.4.1光響應(yīng)曲線的測定本試驗利用便攜式紅外氣體分析儀LI-6400(LI-COR,USA)開路系統(tǒng)測定光響應(yīng)曲線(A-PFD),光強梯度設(shè)置為2000、1500、1000、600、300、200、100、80、50、20、0μmol·m-2s-1。測定時使用分析儀自帶的紅藍光源,設(shè)定葉室溫度為25℃,流量為500μmol·s-1,相對濕度60%。試驗時間為2008年7月,選擇晴朗天氣進行光響應(yīng)曲線的測定,時間為每天早上9:00~11:00。每個酸雨梯度隨機選擇5株植物,每株植物取中上部成熟的葉1片進行測定,共需選擇15株植物。1.4.2葉片養(yǎng)分含量測定葉綠素熒光各參數(shù)用便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀(PAM-2100,Walz,Germany)進行測定。測定時間為2008年7月,進行的是連體測定,每次測定都選在晴天的上午9點到11點。Fv/Fm測定前,葉片需經(jīng)過20min的暗適應(yīng)。獲取的主要參數(shù)有:PSⅡ光化學效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)。測定時,選取與測定氣體交換參數(shù)相同的葉片。1.4.3葉綠素含量測定同時,于2008年7月測一次植株的葉綠素相對含量。利用便攜式葉綠素含量測定儀(SPAD-502,Japan)測定葉中部的SPAD計數(shù)值代表葉綠素相對含量,每片葉測定10次取平均值。測定時,選取與測定氣體交換參數(shù)和綠素熒光參數(shù)相同的葉片。1.4.4數(shù)據(jù)分析方法數(shù)據(jù)分析利用SPSS13.0軟件,采用單因素方差分析,分析不同酸雨處理間葉片光合生理指標的差異顯著性。在數(shù)據(jù)分析前,首先對所有數(shù)據(jù)進行正態(tài)性與齊性檢驗。最后利用SigmaPlot10.0作圖。2結(jié)果與分析2.1不同酸雨梯度對木荷幼苗光合速率的影響植物葉片在光合作用過程中對光的響應(yīng),是衡量植物光能利用能力的重要指標。不同酸雨處理條件下木荷凈光合速率Pn值都隨著光合有效輻射(PAR)的升高而增加,在達到光飽和點后逐漸變緩。在光合有效輻射小于150μmol·m-2s-1的時候,各酸雨梯度之間的凈光合速率相差不大;當光合有效輻射大于450μmol·m-2s-1的時候,凈光合速率在各酸雨梯度間存在明顯差異(圖1);從圖1中還可以看出,木荷的凈光合速率從大到小依次是:pH4.0>pH5.6>pH2.5,pH4.0顯著大于pH2.5和pH5.6的凈光合速率。在7月晴朗的天氣下,不同酸雨梯度處理對木荷幼苗Pn日變化有明顯的影響。從圖2可看出:酸雨不同處理下的木荷幼苗凈光合速率日變化曲線均呈“雙峰”型。第一個峰值均出現(xiàn)在上午8:00。隨后隨著光強的增強,凈光合速率開始下降,在12:00左右下降至最低,可見在三種酸雨梯度下,木荷葉片發(fā)生了不同程度的“午休”現(xiàn)象,在pH5.6下午休程度最輕,其次是pH2.5,pH4.0處理條件下午休最重。隨外界光強的減弱,光合速率又開始回升,在下午16:00左右出現(xiàn)次峰,次峰值均低于第一峰值,分別為:3.176(pH2.5)、4.516(pH4.0)、4.496μmolm-2s-1(pH5.6),升高的幅度分別為:41.47%(pH2.5)、33.72%(pH4.0)、26.38%(pH5.6)。18:00前后降為一天的最低點,分別為:1.707、2.712、2.643μmolm-2s-1。三種處理下光合速率日均值分別為:3.280(pH2.5)、4.896(pH4.0)、4.514μmolm-2s-1(pH5.6),表明在pH4.0處理條件下木荷具有較高的光合速率。2.2氣孔導度的變化不同酸雨梯度處理下的木荷幼苗氣孔導度(Gs)日變化有明顯的變化趨勢,且與Pn的變化趨勢基本一致(圖3)呈“雙峰”型,最大值出現(xiàn)在上午8:00,分別為:0.073(pH2.5)、0.153(pH4.0)、0.095molm-2s-1(pH5.6),與對照(pH5.6)相比,pH2.5降低了23.16%,pH4.0升高了61.05%。由此可知在pH4.0的條件下,氣孔導度增加,有利于進行氣體交換,提高光合作用。在午間12:00前后分別降至:0.021(pH2.5)、0.023(pH4.0)、0.047(pH5.6),下降幅度分別為:71.23%(pH2.5)、84.97%(pH4.0)和50.53%(pH5.6),下降幅度和光合速率一致,說明光合速率是由氣孔導度影響的。隨后開始回升,到下午16:00形成另一個最高值,分別為:0.054(pH2.5)、0.06(pH4.0)、0.071molm-2s-1(pH5.6),18:00前后降為一天的最低點,分別為:0.018、0.021、0.019molm-2s-1。日均值分別為0.042(pH2.5)、0.066(pH4.0)、0.061molm-2s-1(pH5.6),由此可知pH4.0較高的Gs保證了外部CO2的供應(yīng),從而可以維持其相對較高的Pn值。2.3酸雨梯度和ph值對葉片光合能力的影響葉綠素作為光合色素,參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化,在植物光合作用中起著關(guān)鍵的作用,是捕獲光能的物質(zhì)基礎(chǔ),葉綠素的含量可以反映植物葉片吸收光能的能力。從表1中可以看出,在pH4.0條件下,葉綠素含量最高,其次是在pH5.6條件下,在pH2.5條件下葉綠素含量最少;且在pH4.0條件下與pH2.5條件下有顯著差異。光補償點(LCP)是植物利用弱光能力的重要指標,較低的LCP表明有較高的弱光利用能力。光飽和點(LSP)揭示了植物對強光的喜好程度。由表1可以看出,在pH4.0條件下LCP明顯小于pH2.5和pH5.6的處理;不同酸雨處理下LSP沒有明顯的差異;LCP變化趨勢:pH5.6>pH2.5>pH4.0;LSP變化趨勢:pH5.6>pH4.0>pH2.5。在一定環(huán)境條件下,葉片的最大光合速率(Amax)表示葉片的最大光合能力。由表1可以看出,在pH4.0下凈光合速率最大,Amax變化趨勢為:pH4.0>pH5.6>pH2.5。表觀光合量子效率(AQE)指植物每吸收一個光量子所固定的CO2或釋放O2的分子數(shù),是表示光合作用光能利用效率高低的參數(shù),反映葉片對弱光的利用能力。從表1可以看出,木荷的表觀光合量子效率(AQE)在不同的酸雨梯度下無顯著差異,但在模擬酸雨pH4.0條件下有相對較高的值;暗呼吸速率Rday是指植物在光照和黑暗下都能進行的呼吸;從表1看出,Rday在三種處理中有顯著差異,變化趨勢:pH4.0>pH5.6>pH2.5。Fv/Fm是PSⅡ最大光化學效率,反映的是PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率,Fv/Fo代表PSⅡ的潛在活性。由表1可知,三種酸雨處理條件下,Fv/Fm的變化趨勢與Fv/Fo基本一致。但三個處理間的差異不明顯。3結(jié)論和討論3.1酸雨梯度對木荷光合特性的影響通過對不同酸雨梯度下木荷幼苗的光合作用—光強響應(yīng)曲線比較,發(fā)現(xiàn)在pH4.0下凈光合速率(Pn)最大,其次是pH5.6,凈光合速率(Pn)最低的是pH2.5。這表明木荷在微酸雨pH4.0下可以提高凈光合速率,而在過酸的脅迫條件下將會降低凈光合速率。在酸雨不同處理條件下,木荷幼苗的最大凈光和速率pH4.0>pH5.6>pH2.5,但在各酸雨梯度下的最大凈光合速率存在顯著差異,說明微酸雨在一定程度上提高了木荷幼苗的凈光合速率;不同酸雨梯度處理下的木荷幼苗,光飽和點pH5.6>pH4.0>pH2.5,但也不存在顯著差異,可見酸雨脅迫對植物幼苗利用弱光的能力影響不大;光補償點在不同酸雨梯度處理下有明顯的差異,表現(xiàn)為pH5.6>pH2.5>pH4.0,說明不同處理間利用弱光的能力有明顯的不一樣,pH4.0條件下可以更好的利用光能,進行光合作用,在一定程度上減弱了酸雨對木荷的影響,這一結(jié)果與蔡世舫等采用人工模擬酸雨,研究酸雨對皖麥19葉片的光合速率的影響的結(jié)論是一致的。木荷幼苗在不同酸雨梯度下的表觀光合量子效率無顯著差異,表明酸雨脅迫對木荷利用光能的效率及呼吸速率影響不大。這與蔣馥蔚對酸雨脅迫下黑殼楠幼苗生理生態(tài)特性的研究結(jié)果一致;而木荷幼苗在不同酸雨梯度下暗呼吸速率差異顯著,在pH4.0條件下暗呼吸速率最小,從而有利于營養(yǎng)物質(zhì)的積累,促進木荷的生長。總之木荷的光合特性對酸雨脅迫有一定的耐受力,但在部分酸雨處理下,木荷出現(xiàn)了Amax降低,LCP,LSP以及Rday升高的現(xiàn)象,某種強度的酸雨脅迫可使木荷的最大光合速率以及利用弱光的能力降低,呼吸強度升高,這也意味著一定強度的酸雨脅迫能夠降低木荷的光合能力。這一結(jié)論與李萬超等人的結(jié)論是一致的。3.2氣孔開度的調(diào)節(jié)同一植物光合日變化的波形受其所處環(huán)境條件的影響。本研究認為:在三種酸雨處理條件下Pn日變化呈“雙峰”曲線,說明存在光合作用的“午休”現(xiàn)象。已有研究表明,植物光合“午休”現(xiàn)象受氣孔和非氣孔限制的調(diào)節(jié),且與“光抑制”有關(guān)。理論上,在環(huán)境良好的情況下植物必須最大限度地開放氣孔,以最大程度的通過光合作用固定最大數(shù)量的CO2。但是在污染脅迫狀況下氣孔開放程度大,除了導致水分過度蒸騰使植物失水過多外,也會有更多的污染物通過氣孔進入植物體。因此,植物通過感應(yīng)環(huán)境和調(diào)節(jié)氣孔至適當?shù)拈_度,來避