模擬酸雨對上海青幼苗生長及生理特性的影響

查燕， 牛天新， 湯婕

(1.杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310024； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230061)

酸雨通常是指pH值小于5.6的雨、雪、霧、雹等大氣降水，其給陸地生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響。研究表明，我國已成為繼歐洲、北美之后的世界第三大酸雨區(qū)[1]，在中國南方地區(qū)觀測到大量酸雨[2]。作為農(nóng)業(yè)大國，我國農(nóng)作物生長體系的自然環(huán)境相對脆弱，酸雨對農(nóng)作物的影響已成為關(guān)注熱點和難點[3-4]。值得注意的是，農(nóng)作物葉片不僅是酸雨最直接的危害對象，同時也是植物器官中對環(huán)境脅迫響應(yīng)較為敏感的器官。因此，葉菜類蔬菜相比其他植物更易受到酸雨的影響[5]，且pH越低，其對農(nóng)作物的傷害程度越大。研究發(fā)現(xiàn)，酸雨會影響種子萌發(fā)，破壞葉肉組織的結(jié)構(gòu)和功能[6-7]，打破其內(nèi)部的酸堿平衡，導(dǎo)致植物生理機(jī)能損傷[8]。Biswojit等[9]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)酸雨脅迫強(qiáng)度為2.5時，番茄幼苗生長、光合作用和氧化損傷即達(dá)到嚴(yán)重程度。鐘嘉文等[10]研究發(fā)現(xiàn)，pH 3.0的模擬酸雨對生菜的光合系統(tǒng)及其地上部產(chǎn)量影響顯著。此外，不同類型農(nóng)作物的抗氧化系統(tǒng)對酸雨脅迫響應(yīng)有所不同。pH值3.0、4.0和5.0的模擬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]；水稻抗氧化系統(tǒng)對酸雨脅迫響應(yīng)的敏感程度由強(qiáng)到弱依次為SOD、過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸(AsA)[11]。隨著酸雨強(qiáng)度的增加，SOD、CAT和過氧化物酶(POD)的活性呈先升高后降低的趨勢[12]。

作為綠色植物，蔬菜不僅是連接大氣和土壤的主要環(huán)境介質(zhì)，而且在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本研究以上海青為研究材料，探究不同pH梯度的模擬酸雨對上海青的生長、葉綠素相對含量及抗氧化系統(tǒng)的影響，以期為上海青在酸雨頻發(fā)地區(qū)的栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料為上海青德高508青梗菜(河南省大禹種業(yè)公司)。試驗地位于杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院科研基地，年均氣溫15.7 ℃。試驗土壤為杭州市臨安區(qū)亞仙家庭農(nóng)場的優(yōu)良黃土。經(jīng)測定，土壤pH值為5.47，有機(jī)質(zhì)為17.71 g·kg-1，有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂分別為11.60、240.41、2 639.98和686.60 mg·kg-1。土壤經(jīng)暴曬、打細(xì)后過2 mm篩，剔除殘茬、石塊、枯葉、砂礫等雜質(zhì)后備用。為保證上海青正常生長，搭建試驗大棚以避免自然降雨的干擾。種植盆為內(nèi)徑15 cm的塑料花盆，期間給予正常水肥管理。

1.2 處理設(shè)計

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配制體積比為4∶1的模擬酸雨。試驗設(shè)3個酸雨梯度，pH 7.0(CK)、pH 5.5(輕度酸雨)和pH 3.5(重度酸雨)。每處理重復(fù)6次。根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓?，將每月酸雨噴淋量設(shè)為85 mm，噴霧裝置以5 mm·h-1的速率對幼苗進(jìn)行噴淋，噴淋方式為全淋，即在植株上方60 cm處均勻噴淋酸雨。每次噴1 h，在1 d內(nèi)重復(fù)3次，每次重復(fù)間隔4 h以上，確保1 d內(nèi)降雨量達(dá)到15 mm。當(dāng)上海青地上部分長出第三片真葉時開始進(jìn)模擬試驗。從模擬酸雨沉降當(dāng)天開始，每隔3 d進(jìn)行1次模擬。模擬噴淋后分別在第5、10和15天進(jìn)行試驗采樣。取健康葉片分別裝入自封袋，并帶回實驗室于-80 ℃超低溫冰箱中保存，備用。

1.3 測定方法

葉綠素相對含量。采用柯尼卡美能達(dá)SPAD-502 Plus便攜式葉綠素儀器來測定，每片葉取3次測定平均值。每次采樣時，從3個不同模擬酸雨pH值的試驗大棚里分別隨機(jī)選取3株上海青，根土分離后用超純水洗凈表面污泥，并吸干水分待用。

生長指標(biāo)。將上海青的食用部分和根部分離，用直尺測量單株的莖葉長度和根長(測其最長部位)，并測定食用部分質(zhì)量。

抗氧化酶活性。稱取0.1 g新鮮葉片放入離心管中，并置入數(shù)粒玻璃珠，加入1 mL試劑盒內(nèi)提取液，在高通量組織研磨儀中勻漿研磨，取出玻璃珠后在8 000g、4 ℃條件下離心10 min。用移液槍取上清液為樣本溶液，置冰上，在特定吸光度下用紫外分光光度計測定上述指標(biāo)。整個試驗在4 ℃下進(jìn)行，上述指標(biāo)均采用生物試劑盒(北京索萊寶生物科技有限公司)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與多重比較分析，用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬酸雨對上海青葉綠素相對含量的影響

由圖1可知，相比CK(pH 7.0)，第5天的pH 5.5的模擬酸雨處理增加了葉綠素相對含量，為CK的1.03倍，但兩者間差異不顯著；第10和15天的pH 5.5的模擬酸雨處理的葉綠素相對含量均低于CK處理，但其間差異不顯著。整個試驗期內(nèi)，pH 3.5的模擬酸雨處理顯著降低了葉綠素相對含量。在酸雨的持續(xù)脅迫下，pH 3.5的模擬酸雨處理對葉綠素相對含量的影響越發(fā)明顯，其中第15天的pH 3.5的模擬酸雨處理的葉綠素相對含量較CK下降11.24%。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，葉綠素含量在一定程度上與植物光合作用呈正相關(guān)。其中，葉綠素相對含量是評價植物光合作用的關(guān)鍵指標(biāo)[13]。本研究中，第5天的pH 5.5的模擬酸雨處理對上海青葉綠素合成起到促進(jìn)作用，而第5天的pH 3.5的酸雨處理則顯著降低了上海青葉綠素相對含量，說明酸雨抑制了上海青葉綠素的合成，導(dǎo)致其光合作用下降。張利霞等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著營養(yǎng)液pH的降低，夏枯草葉片葉綠素含量呈下降趨勢。王春燕[15]研究發(fā)現(xiàn)，隨著酸雨pH的降低，華重樓葉片葉綠素含量及比值均有所下降，上述研究結(jié)果均與本研究結(jié)論一致。

2.2 模擬酸雨對上海青幼苗生長的影響

由圖2可知，不同模擬酸雨處理對上海青第5天鮮重和莖葉長的影響未達(dá)顯著差異。在第5和第10天，pH 5.5的模擬酸雨處理的鮮重與CK(pH 7.0)間差異不顯著；在第10和第15天，pH 3.5的模擬酸雨處理的鮮重和莖葉長分別較CK顯著降低。綜上可知，在整個試驗期內(nèi)，pH 5.5的模擬酸雨處理的鮮重和莖葉長均與CK幾乎相同，而pH 3.5的模擬酸雨處理對上海青的鮮重和莖葉長的抑制強(qiáng)度隨著酸雨脅迫時間的增加而增加。陳佳月等[16]研究發(fā)現(xiàn)，與其各自空白對照(pH=6.5)相比，隨著酸雨強(qiáng)度的增大，玉米植株的鮮重呈先促后抑的趨勢；易曉芹等[17]研究發(fā)現(xiàn)，pH 4.5模擬酸雨處理對茶樹植株表型無明顯傷害，而pH 3.5模擬酸雨處理下茶樹生長受到抑制，這都與本研究結(jié)論一致。

圖2 模擬酸雨對上海青生長的影響

隨著酸雨脅迫時間的增加，pH 5.5和3.5的模擬酸雨處理對上海青根長的影響與CK無顯著差異。究其原因，可能是本研究在模擬酸雨沉降的過程中采用塑料薄膜隔離土壤，與植株地下部分未受到酸雨的影響有關(guān)。

2.3 模擬酸雨對上海青葉片中MDA含量的影響

由圖3可知，相比CK，不同濃度酸雨處理顯著提高了上海青MDA的含量。在第5天和第10天，pH 5.5和3.5的模擬酸雨處理的葉片MDA含量均顯著高于CK，且在第10天，pH 3.5的葉片MDA含量顯著高于pH 5.5；第15天，pH 5.5模擬酸雨處理下的葉片MDA活性與CK無顯著差異，但顯著低于pH 3.5處理。

圖3 模擬酸雨對上海青MDA含量的影響

MDA在植物體內(nèi)的含量是膜系統(tǒng)受到傷害程度的重要指標(biāo)[17]。研究表明，酸雨處理會增加植物MDA含量[18]。王春燕[15]研究表明，不同pH的酸雨可對華重樓葉片造成不同程度的傷害，且隨著酸雨pH值的降低，MDA含量明顯增加。本研究中，pH 5.5和3.5的模擬酸雨對MDA含量的主效應(yīng)均有顯著影響，表明弱酸雨會對上海青細(xì)胞膜造成損害，這與鐘嘉文等[10]的研究結(jié)論一致。

2.4 模擬酸雨對上海青葉片中SOD、POD、CAT活性的影響

2.4.1 模擬酸雨對上海青葉片中SOD活性的影響

由圖4可知，在第5天，不同濃度模擬酸雨處理的葉片SOD活性與CK均無顯著差異；在第10和第15天，pH 5.5和3.5的模擬酸雨處理均顯著提高了葉片SOD活性。由此可知，在第10和15天，pH 5.5和pH 3.5模擬酸雨處理下的上海青葉片SOD活性顯著提高，說明酸雨對上海青的抗氧化系統(tǒng)有激活作用，這與鐘嘉文[10]和陶巧靜[19]的研究結(jié)果一致。但鐘嘉文等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在第40天時，pH 3.0的模擬酸雨處理下生菜葉片SOD活性反而顯著下降，可能是由于長時間的極強(qiáng)酸雨脅迫的累積效應(yīng)導(dǎo)致酶失活。在本研究中，上海青在受酸雨脅迫20 d內(nèi)未出現(xiàn)SOD活性下降的現(xiàn)象，說明在此期間上海青對酸雨脅迫的抵抗性較好。

2.4.2 模擬酸雨對上海青葉片中POD活性的影響

由圖5可知，在第5天，不同濃度模擬酸雨處理的葉片POD活性與CK均無顯著性差異。在第10天，pH 5.5和3.5的模擬酸雨處理均顯著提高了葉片POD活性，分別較CK提高9.84%和22.71%。在第15天，pH 3.5的模擬酸雨處理下的POD活性顯著高于pH 5.5和CK，較CK提高30.39%；pH 5.5的模擬酸雨處理提高了葉片POD活性，較CK提高6.39%，但其間差異不顯著。

2.4.3 模擬酸雨對上海青葉片中CAT活性的影響

由圖6可知，在整個試驗期內(nèi)，不同濃度酸雨處理均顯著提高了葉片CAT活性。在第5天，pH 3.5和5.5模擬酸雨處理的葉片CAT活性均顯著高于CK，分別比CK提高19.06%和23.09%。在第10天，pH 5.5和3.5模擬酸雨處理下的葉片CAT活性均顯著高于CK，分別比CK提高12.58%和28.74%。在第15天，pH 5.5和3.5的模擬酸雨處理下的葉片CAT活性均顯著高于CK，分別比CK提高14.34%和23.54%。

圖6 模擬酸雨對上海青CAT活性的影響

CAT和POD是自由基清除過程中2個重要的酶，在pH 5.5和3.5的模擬酸雨處理下，兩者活性均高于對照。本研究結(jié)果顯示，在pH 3.5和5.5模擬酸雨處理下，POD和CAT的活性隨著酸雨強(qiáng)度的增大而上升，這表明上海青幼苗受到外界酸雨脅迫后，機(jī)體內(nèi)累積的過多的H2O2被CAT轉(zhuǎn)化成H2O和O2，使得體內(nèi)過多的H2O2得到清除[20]。俞飛等[21]研究發(fā)現(xiàn)，不同酸雨濃度梯度處理均顯著增加了禿瓣杜英幼苗POD和CAT活性，其中以pH 2.5酸雨濃度影響最為顯著，這與本研究結(jié)論一致。

2.5 酸雨及時間處理的上海青生長及生理指標(biāo)的雙因素分析

由表1可知，不同酸雨處理對上海青葉綠素相對含量、莖葉長、根長、MDA含量及SOD、POD和CAT的活性的主效應(yīng)均具有十分顯著的影響(P<0.001)，但對上海青鮮重的主效應(yīng)無顯著性影響(P=0.061)。處理時間對上海青葉綠素含量、莖葉長的主效應(yīng)無顯著影響，對上海青鮮重、根長、MDA、SOD、POD和CAT的主效應(yīng)具有十分顯著的影響(P<0.001)。不同強(qiáng)度的酸雨處理和處理時間的交互作用對上海青根長、POD和CAT活性具有顯著影響(P<0.05)，對MDA含量和SOD活性具有十分顯著的影響(P<0.001)，但對上海青葉綠素相對含量、鮮重、莖葉長均無顯著影響(P>0.05)。

表1 酸雨與時間對上海青幼苗生長及生理指標(biāo)的影響

3 小結(jié)

在整個試驗期內(nèi)，pH 5.5模擬酸雨處理對上海青葉綠素相對含量、鮮重、莖葉長和根長均無顯著影響，但會激活上海青的抗氧化系統(tǒng)，提高POD、SOD和CAT抵御酸雨帶來的脅迫。pH 3.5模擬酸雨處理的上海青葉片MDA含量均顯著高于pH 7.0，造成細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷，使上海青葉綠素相對含量、鮮重和莖葉長均顯著下降。總體上，盡管酸雨脅迫顯著抑制了上海青生長，但其對酸雨具有一定的耐受性，主要通過提高抗氧化酶活性緩解酸雨脅迫。