基于劑量-效應(yīng)關(guān)系分析模擬酸雨對26種植物總?cè)~綠素含量的影響

茍姝貞,陳楊武,夏志東 ,李成剛,唐 苛,鄧仕槐

(1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610218; 2.中國科學(xué)院成都生物研究所，四川 成都 610041;3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611130)

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

供試的26種植物購于雅安市和生園林綠化服務(wù)部，選擇長勢良好、一致且樹齡相同的成年植株，種在高27 cm、直徑25 cm 的陶制花盆中，置于溫室大棚內(nèi)培養(yǎng)，在此期間定期進(jìn)行澆水、通風(fēng)及滅蟲等。

使用分光光度法[20]測定供試植物的葉綠素a和葉綠素b含量，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中的經(jīng)驗(yàn)公式[20]計(jì)算總?cè)~綠素含量。

1.2 劑量-效應(yīng)關(guān)系的擬合與閾值的確定

I=a×(7-pH)+b

(1)

式中，I為總?cè)~綠素含量抑制率，a、b為常數(shù)。再利用公式(1)求出EC10。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。使用DPS7.05進(jìn)行方差分析，若差異顯著則用LSD法進(jìn)行多重比較。采用Origin2018進(jìn)行劑量-效應(yīng)關(guān)系擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬酸雨對植物總?cè)~綠素含量的劑量-效應(yīng)關(guān)系分析

模擬酸雨脅迫50 d后對26種植物總?cè)~綠素含量的影響表現(xiàn)出不同的規(guī)律，大致可以分為4種類型：促進(jìn)型、無影響型、低促高抑型和抑制型。

(1)促進(jìn)型。模擬酸雨處理下，廣玉蘭、珊瑚樹、爬山虎、買麻藤4種植物的總?cè)~綠素含量較對照的抑制率均小于-10%(圖1)，差異顯著；模擬酸雨處理下，小葉榕、山茶、美人蕉、芭蕉4種植物的總?cè)~綠素含量顯著高于對照(抑制率為負(fù)值，圖1)，或與對照沒有顯著差異。表明，在實(shí)驗(yàn)酸雨pH值范圍內(nèi)(pH≥2.0)，模擬酸雨對這8種植物的毒害作用小于酸雨中營養(yǎng)元素的促進(jìn)作用，葉片總?cè)~綠素含量不受抑制，甚至可提高其總?cè)~綠素含量。

(2)無影響型。模擬酸雨處理下，黃楊、夾竹桃、棣棠、火棘4種植物的總?cè)~綠素含量與對照無顯著差異(圖2)。表明，在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的酸雨水平內(nèi)(pH≥2.0)，模擬酸雨對這4種植物葉片總?cè)~綠素含量無顯著影響。

圖2 模擬酸雨對總?cè)~綠素含量的無影響型劑量-效應(yīng)關(guān)系

(3)低促高抑型。pH 4.0的模擬酸雨使小葉女貞、黃菖蒲、紫荊、棕櫚4種植物葉片總?cè)~綠素含量顯著高于對照(抑制率為負(fù)，圖3)，pH<3.0的模擬酸雨處理的葉片總?cè)~綠素含量抑制率顯著高于對照(抑制率為正)。說明低酸度的模擬酸雨可提高供試植物葉片的總?cè)~綠素含量，而高酸度的模擬酸雨則降低其總?cè)~綠素含量。

圖3 模擬酸雨對總?cè)~綠素含量的低促高抑型劑量-效應(yīng)關(guān)系

(4)抑制型。模擬酸雨處理對杜鵑、銀杏、構(gòu)樹、常春藤、茶梅、馬尾松、紫藤、毛竹、石榴、三角梅10種植物總?cè)~綠素含量的抑制率顯著高于對照(抑制率為正，圖4)。其中，杜鵑、銀杏的劑量-效應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)“S”形，符合Boltzmann方程；構(gòu)樹、常春藤、茶梅、馬尾松在pH 4.0、pH 3.0、pH 2.0處理下的抑制率表現(xiàn)出顯著升高或降低，對異常點(diǎn)進(jìn)行去除后，其劑量-效應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)“S”形，符合Boltzmann方程；紫藤、毛竹、石榴、三角梅的劑量-效應(yīng)關(guān)系不呈現(xiàn)“S”形，無法進(jìn)行Boltzmann模型擬合。

圖4 模擬酸雨對總?cè)~綠素含量的抑制型劑量-效應(yīng)關(guān)系

2.2 模擬酸雨對植物總?cè)~綠素含量毒害閾值分析

本研究運(yùn)用葉片總?cè)~綠素含量抑制率高于對照10%的酸雨pH值(即EC10)作為毒害閾值，在酸雨脅迫劑量-效應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上獲得EC10(表1)。由于促進(jìn)型和無影響型的12種植物以及低促高抑型中的棕櫚在本研究設(shè)定的pH值范圍內(nèi)未表現(xiàn)出抑制效應(yīng)，因此取其EC10范圍為pH<2.0；低促高抑型中的小葉女貞、黃菖蒲、紫荊以及抑制型中的紫藤、毛竹、石榴、三角梅的劑量-效應(yīng)關(guān)系無法進(jìn)行Boltzmann模型擬合，則運(yùn)用本文1.2中的方法及公式(1)得出EC10；抑制型中的杜鵑、銀杏、構(gòu)樹、常春藤、茶梅、馬尾松的劑量-效應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)“S”形，EC10通過Boltzmann方程擬合獲得。

表1 模擬酸雨對26種植物總?cè)~綠素含量的毒害閾值(EC10)

3 討 論

酸雨會使植物葉片變黃脫落，破壞植物葉片結(jié)構(gòu)，降低葉綠素含量，影響植物酶活性[22]。因此，在酸雨多發(fā)區(qū)，栽培對酸雨脅迫抗性高(耐受低pH值)的園林綠化植物可節(jié)約成本，并更好地保護(hù)城市環(huán)境及維護(hù)生態(tài)平衡。

本研究中，被歸類于抑制型劑量-效應(yīng)關(guān)系中的毛竹其總?cè)~綠素含量在模擬酸雨條件下表現(xiàn)出低促高抑的現(xiàn)象，可能原因是模擬酸雨改變了土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)，pH 2.0處理抑制了土壤細(xì)菌的多樣性和豐富度，而pH 4.0處理對土壤真菌多樣性和豐富度具有促進(jìn)作用，從而影響毛竹的生長[23]。抑制型中的馬尾松其劑量-效應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)“S”形，通過Boltzmann方程擬合獲得EC10，得出馬尾松受模擬酸雨脅迫的毒害閾值為pH 3.4，這與前人根據(jù)根系活力、根系總吸收面積、活躍吸收面積、蘋果酸與檸檬酸分泌量等指標(biāo)獲得的pH≤3.5的酸雨引起馬尾松幼苗根系明顯受損的結(jié)論相似[24]。此外，對酸雨脅迫劑量-效應(yīng)關(guān)系符合Boltzmann模型的杜鵑的EC10進(jìn)行計(jì)算，獲得其受模擬酸雨毒害的閾值為pH 3.3，此結(jié)果與通過抗氧化酶體系、丙二醛、凈光合速率等指標(biāo)綜合評價(jià)得到的pH值≤3.0是酸雨對西洋杜鵑造成隱形傷害的閥值[25]較為接近。上述結(jié)果表明植物葉片總?cè)~綠素含量可有效表征模擬酸雨對植物的劑量-效應(yīng)關(guān)系。

與筆者前期選用凈光合速率指標(biāo)進(jìn)行劑量-效應(yīng)關(guān)系分析的研究結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在相同的13種植物類型中，只有珊瑚樹、芭蕉、買麻藤3種植物的毒害閾值運(yùn)用兩個(gè)不同指標(biāo)計(jì)算結(jié)果完全一致；而茶梅、構(gòu)樹2種植物的毒害閾值運(yùn)用凈光合速率指標(biāo)計(jì)算結(jié)果小于運(yùn)用總?cè)~綠素含量指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果；小葉榕、黃菖蒲、山茶、夾竹桃、銀杏、棕櫚、廣玉蘭、紫荊8種植物的毒害閾值運(yùn)用凈光合速率指標(biāo)計(jì)算結(jié)果大于運(yùn)用總?cè)~綠素含量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果[16]。由此可知，使用植物總?cè)~綠素含量或者凈光合速率的抑制率通過擬合法確定植物的EC10來評價(jià)其毒害閾值是可行的，該研究方法打破了原有的運(yùn)用實(shí)驗(yàn)水平的pH值作為毒害閾值或范圍的思路，更具實(shí)際意義。由于不同指標(biāo)對于酸雨脅迫的響應(yīng)存在差異，因而基于多指標(biāo)的劑量-效應(yīng)關(guān)系進(jìn)行擬合分析與綜合評價(jià)，可為酸雨脅迫下的植物毒害閾值的精準(zhǔn)預(yù)測提供理論依據(jù)。

此外，本研究對模擬酸雨脅迫前植物總?cè)~綠素含量與脅迫50 d后植物總?cè)~綠素含量間差值也進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其劑量-效應(yīng)關(guān)系與本文中的劑量-效應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)基本一致，進(jìn)一步說明模擬酸雨作為主要的影響因素對植物的總?cè)~綠素含量產(chǎn)生了影響。

4 結(jié) 論

(1)植物葉片總?cè)~綠素含量可有效表征模擬酸雨對植物的劑量-效應(yīng)關(guān)系。

(2)模擬酸雨對植物葉片中總?cè)~綠素含量表現(xiàn)促進(jìn)和抑制的雙重效應(yīng)，酸雨的毒害作用與施肥作用并存。

(3)在受模擬酸雨脅迫的26種植物中，珊瑚樹、芭蕉、買麻藤3種植物的毒害閾值EC10為pH<2.0，此三類植物可參考作為耐酸雨優(yōu)勢物種進(jìn)行種植，使其成為中國西南地區(qū)酸雨污染區(qū)生態(tài)恢復(fù)或綠化優(yōu)選物種。