许涵-挑战杯论文

模拟酸雨对乳源木莲幼苗生长影响的研究*实验中还得到了唐光大、张金像、张浩、张粤、吴锦良、刘一贞、罗晓莹、马红岩、何仲坚、黄华成等同学的帮助，在这里表示衷心的感谢。许涵(华南农业大学林学院 广州 510642)摘要 应用不同pH值的模拟酸雨溶液喷洒法，测定了模拟酸雨对乳源木莲叶片、高度生长、生物量、叶绿素含量、叶汁液pH值及苗木根际土pH值等方面的影响，并从正生物效应和负生物效应两方面分析了模拟酸雨对苗木生长的影响。综合结果表明，乳源木莲是一种喜酸性土壤植物，耐酸性较强。低pH值的酸雨对苗木地下部份生长有抑制作用，但对地上部份生长稍有促进作用。短暂的酸雨可促进乳源木莲幼苗的生长，但当模拟酸雨pH下降至2.0时对苗木有明显的伤害作用。关键词 乳源木莲，模拟酸雨，生长效应，生理反应，抗性酸雨(Acid Rain)是指pH值小于5.6的雨水，包括雪、雾、雹等其它形式的大气降水。酸雨可以对森林、湖泊等生态系统造成直接或间接的影响。1972年联合国在斯德哥尔摩召开的人类环境会议上首次把酸雨作为国际性问题提出，目前酸雨已成为严重威胁世界环境的十大问题之一1。随着工业的迅速发展及环境污染状况的加剧，酸雨出现的频率不断增加。我国的酸雨区主要位于长江以南的城市和地区，近年来酸雨区正在迅速扩大，已成为世界三大酸雨区之一2,3。酸雨危害森林资源的情况在我国已有报导，如重庆南山马尾松林(Pinus massoniana) 、四川峨眉山冷杉林(Abies fabri)和四川奉节县华山松林(Pinus armandii)，及广西柳州市郊、广东广州市郊、浙江杭州市郊和天目山等地均发生较严重的酸雨对林木的危害3。有关酸沉降对植物生长影响的研究比较多，主要有两种观点：一种是由上而下直接伤害树木，认为酸雨能直接腐蚀叶面的蜡质层、角质层，破坏叶表皮组织，干扰气体和水分的正常交换和代谢，特别是将叶中的养分淋失；并通过加速蒸腾作用、破坏叶绿体、毒害酶活性、而破坏其呼吸代谢、光合作用等生理功能，引起叶片变色、皱折、卷曲，直至枯萎4,5。另一种观点是由德国学者伯恩哈德.乌尔里克等提出的由下而上的间接影响。认为酸沉降加速了土壤的酸化作用，改变了土壤理化性质，加速土壤营养元素的淋失，阻碍植物生长；酸雨亦与土壤胶体表面吸附的盐基离子进行交换，增加土壤中可交换性铝的浓度，危害植物的生长，使其出现受害症状。20世纪90年代以来，我国学者开展了大量的模拟酸雨研究，探讨酸雨对农作物和树木生长的潜在影响。所研究的作物和植物包括大豆(Glycine soja)、玉米(Zea mays)、棉花(Gossypium gossypioides)、闽粤栲(Castanopsis fissa)、樟树(Cinnamomum camphora)、复羽叶栾树(Koelreuteria bipinnata)、苦楝(Melia azedarach)、女贞(Ligustrum lucidum) 和芒果(Mangifera indica) 等6-11。乳源木莲(Manglietia yuyuanensis Law)是木兰科植物，是我国特有种，自然分布于广东、湖南、江西和浙江。该树种四季常青，树形优美，花大、洁白而芳香，是一种极具开发价值的乡土庭园植物及行道树。但目前有关乳源木莲生态学特性及其酸雨对该树种生长的潜在影响等方面的研究尚未见有报导。本研究通过模拟酸雨喷洒法研究乳源木莲对模拟酸雨的反应，为该种植物资源的开发和利用提供参考依据。1 研究方法1.1 模拟酸雨的配制参照广州自然降水的化学成分组成12，调配成H2SO4:HNO3=8mol:1mol的溶液。其中含有NH4+（NH4NO3，0.050010-3mol/L）、Mg2+（MgSO47H2O，0.025010-3mol/L）、K+（K2SO4，0.025010-3mol/L）、Ca2+（CaCl2，0.050010-3mol/L）。用自来水调配成pH值为2.0、3.0、4.0、5.0和6.0的酸性水溶液，用320-S pH计测定，以自来水（pH=7.20-7.35）作对照（CK）。1.2 苗木试验2002年1月30日移植乳源木莲幼苗，每袋土重约500g。共三个重复，第一个重复每一处理16株，其他二个重复每一处理20株，置于玻璃温室中，每隔三天喷一次模拟酸雨，并根据实际天气情况进行调整，试验期从1月30到7月10日，相当于广州2-8七个多月的降雨量1105mm。1.3 苗木生长指标和生理指标的测定1.3.1 叶伤害调查 在实验结束时，统计每株苗木的叶片总数及出现黑褐色斑点（受害面积超过5）的叶片数（受害叶片）。受害程度以单株受害叶片数除以总叶片数百分比表示。1.3.2 苗木高度测定 分别于1月30日、3月10日、4月20日、6月1日和7月10日共5次测量所有试验苗木高度（茎基至顶芽）。1.3.3 苗木生物量测定 实验结束后，每个重复随机选取6株苗，连根取出，清洗后分根、茎、叶称取鲜重，并于75C烘箱中烘干48h后称量。1.3.4 叶绿素含量测定 每个重复随机选取6株苗，每株苗取第3-4片对等叶0.1g，用80%丙酮提取，再用721型分光光度计测663nm、645nm处的光密度（A值），重复两次，再换算为叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量，取平均值。1.3.5 叶片汁液pH测定 每个重复随机选取6株苗，取对等部分叶片2.0g，用滤纸擦干净，剪碎后研磨成糊状，加蒸馏水30ml，搅匀，稳定30min后，用320-S pH计测定其pH值。1.3.6 土壤pH值的测定 每个重复随机选取6株苗的土壤，风干后过2mm筛孔，混匀后称土10.0g，加蒸馏水30ml，摇匀，过夜沉淀，用320-S pH计测定其pH值。重复两次。2 结果与分析2.1 乳源木莲幼苗叶片对不同pH模拟酸雨喷洒的反应经过模拟酸雨溶液喷洒后，有些苗木在叶表面中央及边缘出坏死黑褐色斑点，少数叶片甚至出现穿孔。受害斑点通常较密，大小不一，有些叶片出现轻微失绿症状。且初生幼叶在2个星期内未出现明显受害症状，过后受害程度迅速增加。表1 不同pH水平模拟酸液处理下幼苗叶片受害情况项目pH水平总体差异显著性2.03.04.05.06.0CK第40天时受害叶片百分数 (%)56400000*第80天时受害叶片百分数 (%)733110000第120天时受害叶片百分数 (%)7716110000第160天时受害叶片百分数 (%)7816110000表中数值为平均值标准误差；*表示在置信度为95%时与对照苗木组的差异显著（以下同）。从表1看出，不同pH值的酸雨喷液对幼苗叶片的伤害程度稍有差异。经pH2.0模拟酸雨喷洒的幼苗受害叶片百分数明显高于其它组，斑点多，受害叶片的比例较高。经pH3.0和pH4.0处理的个别苗木分别在第80天和第120天后才开始出现少量受害斑点；pH5.0和6.0处理苗木叶片没有出现受害症状，生长良好。从pH2.0、pH3.0模拟苗木组的受害情况来看，随着试验时间的延伸，受害叶片的比例有上升的趋势（表1）。2.2 模拟酸雨对乳源木莲幼苗高生长的影响所有处理苗木组的高生长均比对照组苗木快（图1）。以pH2.0的处理高增长最快，pH3.0的处理与之相接近。pH6.0和pH4.0次之，pH5.0的处理高增长最小。总增长率方差分析结果表明，除pH5.0与对照处理无显著差异，其他处理均与对照组间有显著差异。2.3 模拟酸雨对乳源木莲幼苗生物量的影响从苗木总生物量（表2）来看，经模拟酸雨喷洒的苗木的总生物量（T）均比对照苗木有不同程度的增加，总体差异显著，其中以pH5.0以下的模拟酸雨溶液对苗木生长促进的效果较显著，以经pH5.0模拟酸雨处理的苗木组的生物量最大。从苗木地下部分和地上部分比（R/S）来看，处理苗木均比对照有不同程度的减少，当酸雨pH值小于4.0时，模拟酸雨能较明显降低苗木根茎比。表2 不同时期不同pH水平模拟酸液处理下幼苗生物量变化项目pH水平总体差异显著性2.03.04.05.06.0CKT1.38*1.34*1.081.40*0.960.81*R/S0.20*0.20*0.22*0.270.280.31*表中数值为平均值；*表示在置信度为95%时与对照苗木组的差异显著；-表示在置信度为95%时差异不显著。2.3 模拟酸雨对乳源木莲幼苗叶绿素含量的影响从图2可见，不同水平的模拟酸雨处理的幼苗叶片总叶绿素含量均随着模拟酸雨溶液pH值的下降而呈现不同程度的升高，总体间差异显著。总叶绿素含量以pH2.0为最高。与对照组苗木相比，pH2.0 和pH3.0处理组苗木比对照组苗木的总叶绿素含量有显著差异。 从叶绿素a/b比值变化情况来看，经模拟酸雨喷洒处理的苗木组叶片的叶绿素a/b比值均比对照组苗木有不同程度的提高（图3），但总体差异不显著。以pH3.0处理组的比值最高，pH4.0和pH2.0略次之。各处理和对照相比差异不显著，总体变化趋势不明显。2.4 模拟酸雨对叶汁液pH值和幼苗根际土酸度的影响从图4可见，经模拟酸雨处理后的试验苗木叶汁液pH值都有不同程度的下降，总体间差异显著。其中pH2.0和pH3.0与对照组苗木有显著差异。在喷洒模拟酸雨溶液12小时和48小时后的苗木根际土pH值的测定结果（图5）表明，pH2.0处理苗木组的根际土pH值下降最明显；但经过48小时后，所有处理组及对照组苗木的根际土pH值均逐渐恢复，表明土壤有较强的缓冲能力。显著性分析结果表明不同pH值模拟酸雨对根际土pH值的影响作用不明显。3 讨论3.1 模拟酸雨对乳源木莲幼苗生长的正生物效应和负生物效应本实验所配置的酸雨溶液中含有H+、SO42-、Cl-、NH4+、NO3-、Mg2+、K+、Ca2+。其中H+、SO42-、Cl-在大多数环境条件下可能直接伤害植物或通过影响土壤酸碱度而使一些土壤肥力元素不能直接为植物所吸收，对植物有毒害作用或负作用；而NH4+、NO3-、Mg2+、K+、Ca2+在多数情况下可为植物直接吸收和利用，有施肥作用。当毒害效应大于施肥效应时，为负生物效应；毒害效应和施肥作用平衡时或两者均小时，生物效应为零；当施肥效应大于毒害效应时，为正生物效应13。因此，酸雨对植物的影响是复杂的。本研究结果反映模拟酸雨对乳源木莲苗木的生长既有正生物效应，也有负生物效应。正生物效应表现在随着处理的pH值下降，总生物量均有不同程度的增加，以pH5.0总生物量最大；苗木的总叶绿素含量增加，以pH2.0最高；各处理苗木组的平均高生长均比对照高。目前有关酸雨对不同植物生长影响方面的研究结果也不尽一致。如许多研究揭示低pH值会影响植物叶绿素的形成和生物量的积累9-10,14-15，也有低pH值可促进植物叶绿素增加的研究报导，如pH值下降可使杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松、火力楠(Machelia macclurei)和青冈(Cyclobalanopsis glauca)等植物的叶绿素含量增加13，这些植物都是喜酸性植物，反映了不同的植物对酸雨的反映有差异，对酸雨的抗性也不同。但尽管本研究的初步结果反映低pH处理对苗木生长有刺激作用，但我们认为这种现象可能是短期的，如果低pH值酸雨的长期持续，还是对苗木有伤害的。可能的原因有三：一是低pH值模拟酸雨可能使土壤有效磷减少；二是酸雨加速阳离子的淋失；三是随时间推移，氮的输入逐渐增多，当氮达饱和或过饱和时，酸雨中的氮的施肥效应即消失16。酸雨对乳源木莲苗木生长的负生物效应体现在低pH模拟酸雨对78的乳源木莲幼苗的幼叶有不同程度的直接伤害作用，导致叶片出现叶斑或穿孔，酸雨也直接抑制苗木的根生长，导致苗木地下部分和地上部分比下降；酸雨也使苗木叶汁液pH值和土壤pH值降低。其他研究结果揭示，pH2.0模拟酸雨使杉木、马尾松、火力楠、木荷(Schima superba)、青冈等幼苗的叶子产生坏死性斑点和斑块17，使这些植物的幼苗生物量和叶绿素减少，增加病菌感染率。3.2 模拟酸雨对乳源木莲幼苗生理生态的影响叶绿素含量、叶绿素a/b值及叶汁液pH变化都经常用于研究植物对酸雨的反映。一般认为，酸雨可增加可利用氮含量，可加速叶绿素合成，从而提高叶绿素含量17。但当模拟酸雨的pH下降到2.0-3.0，就会导致植物叶绿素分子的丢失，或破坏叶绿体分子结构，从而降低幼苗的叶绿素含量。叶绿素含量降低和叶绿素a/b值减少是衡量叶片衰老的重要生理指标。许多研究显示，低pH值会降低叶绿素含量和叶绿素a/b值。叶汁液pH变化可以作为衡量抗性大小和受害程度的重要指标，它取决于酸雨pH值、离子交换和植物种类等6。叶片酸化必然影响体内正常代谢，引起植物受害；酸化pH后降低幅度愈小，说明细胞具有较强的缓冲与调节pH能力及较强的抗性，使植物受害减轻，但酸雨对叶汁液pH值作用一般是短期的7。本实验中pH2.0-4.0的处理随pH降低成正比提高了叶片总叶绿素含量，叶绿素a/b之比随pH值降低均有不同程度的增加，峰值在pH3.0出现；叶汁液pH值变化小，范围从5.67-5.82间，表明该植物幼苗叶部细胞具有较强的pH值缓冲与调节能力。由此可见，从以上几项叶部生理学指标来看，乳源木莲幼苗的叶片具有较强的耐酸能力。但从实验中叶片的伤害的情况来看，低pH值的酸雨对该植物幼苗的叶片还是有一定的直接伤害作用。尽管酸雨对叶部体内的生理指标影响不明显，但随 pH值降低和持续时间的延长，受害叶片数增多，受害伤斑面积的增大，会减少实际光合作用面积，也就会影响植物的正常生长。3.3 乳源木莲的耐酸雨性及其应用前景乳源木莲自然生长的中亚热带常绿阔叶林酸性土壤（土壤pH值介于4.17-4.77间），长期的系统进化与自然适应，使乳源木莲的根系对酸性土壤有较强的适应性。此外，乳源木莲的叶表皮革质、光滑、无毛，使酸雨在叶表面滞留时间较短，也可减轻酸雨对叶表皮的作用。因此，该植物是一种喜酸性土、抗酸雨能力较强的乡土树种，可作为酸雨地区的绿化树种。本研究初步探讨了乳源木莲对酸雨的反应，但由于试验时间较短，对于酸雨对该树种的生长的长期影响还需要作进一步研究。参考文献1 李文华，杨修. 1984. 环境与发展. 北京：科学技术文献出版社. 80832 花日茂，李湘琼. 1998. 我国酸雨的研究进展(综述). 安徽农业大学学报. 25(2): 206-2103 冯宗炜. 2000. 我国酸雨的生态影响和防治对策. 环境科学. 19(supp.): 1-64 杨本宏. 2002. 我国酸雨危害现状及防治对策. 合肥联合大学学报. 10(2): 102-1065 胡迪琴，苏行. 2000. 大气污染对白云山森林植被的损害分析. 生态科学. 19(3): 37-726 高吉喜，舒俭民，张林波，等. 1998. SO2和酸雨对大豆单一及复合效应. 应用与环境生物学报. 4(2): 132-1357 严重玲，李瑞智，钟章成. 1995. 模拟酸雨对绿豆、玉米生理生态特性的影响. 应用生态学报. 6(supp.): 124-1318 杨志敏，王苹，华筠. 1995. 棉花对模拟酸雨生物学效应的研究. 农业与环境保护. 14(1):5-89 樊后保，臧润国. 1996. 模拟酸雨对樟树种子萌发和幼苗生长的影响. 浙江林学院学报. 13(4): 412-41710 樊后保，詹夷生. 1999. 模拟酸雨对闽粤栲种子萌发和幼苗生长的影响. 福建林学院学报. 19(2): 97-10011 陈美华，欧世金，蒋德书. 1995. 模拟酸雨对芒果生长及土壤的影响. 广西农业大学学报. 14(4): 300-30412 中国环境科学学会. 1989. 酸雨文集. 北京：中国环境科学出版社13 单运峰. 1993. 酸雨、大气污染与植物. 北京：中国环境科学出版社14 樊后保. 1996. 模拟酸雨对5种阔叶树幼苗生长的影响. 福建林学院学报. 16(4): 289-29215 樊后保，臧润国. 2000. 女贞种子和幼苗对模拟酸雨的反应. 林学科学. 36(6): 90-9416 Wook. T. and F.H. Bormann. 1997. Short-term effects of stimulated acid upon the growth and nutrient relations of Pinus strobus. Water Air and Soil Pollution. 479-48817 单运峰等. 1989. 模拟酸雨对七种森林植物生物量的影响. 生态学报. 9: 274-27618 周国逸，小仓纪雄，1995. 模拟酸雨的土壤淋洗液对马尾松、华山松幼苗生长的影响.应用与环境生物学报. 1(2): 138-144A study on the effect of simulated acid rain on growth of the seedlings of Manglietia yuyuanensisXu Han(College of Forestry, South China Agricultural University, 510642)Abstract The effect of stimulated acid rain with the pH value ranging from 2.0 to 6.0 to the seedlings of Manglietia yuyuanensis Law through