模拟酸雨对木荷幼苗叶片气体交换和荧光参数的影响

模拟酸雨对木荷幼苗叶片气体交换和荧光参数的影响

酸雨已成为世界环境的中心问题。随着社会经济的发展和石化燃料的使用，酸雨面积不断扩大，造成了越来越严重的损害。我国酸雨正呈蔓延之势,继欧洲、北美之后成为世界第三大酸雨区。目前,我国国土总面积的40%受到酸雨的危害,形成了华中、西南、华东和华南4大酸雨区。浙江省是华东主要的酸雨区,酸雨的形势非常严峻,属中国酸雨频率最高的三个地区之一,其酸雨频率高达80%以上。随着工业化的加速发展,酸雨的危害可能进一步加剧。酸雨影响植物的光合作用主要是通过改变叶片的化学结构、形态学、细胞pH平衡、RuBPCase和硝酸还原酶的活性、碳同化、线粒体呼吸、叶绿体膜的完整性和气孔导度等方式。许多学者从植物生理生态等方面对酸雨的危害做了大量的研究,主要集中在酸雨对植物生长及生理生化方面的影响,如:在酸雨胁迫下,植物的株高及地径的生长将会受到抑制;同时植株的净光合速率也有下降的趋势。此外,随着pH的降低,叶片受害面积增大,幼叶比成熟叶更易受酸雨的危害。付晓萍等人的研究表明,酸雨对植物的形态结构及生理生化方面的影响明显。但关于酸雨对植物光合生理效应方面的研究相对较少。木荷(Schimasuperba)属山茶科木荷属,常绿乔木,分布于海拔150~1500m的山谷、林地,在江苏、浙江、安徽、江西、湖南、四川、贵州、云南、广东等亚热带区域都有分布。木荷属中性植物,宜生于气候温暖、湿润,土壤肥沃、排水良好的酸性土壤,在碱性土中生长不良。木荷常与其它常绿阔叶树混交成林,也可与阳生树种马尾松共同作为林分演替早期的先锋树种,在地带性顶极群落也可以是上层优势树种,发育甚佳,常组成上层林冠。木荷既是美丽的观赏树种,又是良好的用材树种,最珍贵的是它的防火拒火特性,因此受到人们的重视。目前,一些学者在种内与种间竞争关系、种群结构和动态、演替更新特点等方面对木荷进行了较多的研究,并且在光合特性方面也做了一些工作,积累了一些资料;在木荷光合特性日变化及其与环境因子相关性方面也有一些研究;在模拟酸雨试验中,木荷随着酸雨酸度的增加,Fv/Fm有减小的趋势,虽然各处理之间没有明显的差异。叶绿素荧光分析技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用,与“表观性”的气体交换指标相比,叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”特点,被视为植物光合作用与环境关系的探针。本实验以木荷为材料,通过模拟酸雨的处理方法,采用叶绿素荧光分析技术来研究酸雨对盆栽木荷幼苗的影响,旨在更好的探讨木荷在模拟酸雨条件下的生境,了解不同酸度的酸雨对木荷气体交换和荧光等光合参数的影响,为木荷规模化栽培、种植提供理论基础。1材料和方法1.1气候特征及自然条件在区域气候区的应用试验地设在浙江林学院苗圃,在浙江省临安市(119°42′E,30°14′N)境内。属中亚热带季风气候区,温暖湿润,四季分明,具有春多雨、夏湿热、秋气爽、冬干冷的气候特征。全年日照时数1847.3小时,全年降雨量1628.6mm,全年平均气温16.4℃,1月份平均气温为3.8℃,7月份平均气温为28.6℃,极端最高气温为40.4℃,极端最低气温为-9.2℃,年无霜期250d左右。土壤为黄壤。1.2试验材料选择自然条件下二年生同种源的实生、健康的木荷幼苗,地径、苗高和冠幅等生长状况基本一致,盆栽于控根内径22cm、深27cm花盆中。1.3模拟酸雨实验和测定总ph值和年生长量试验设3个处理,每个处理选15盆健康植株,用黄红壤土进行栽培,每盆1株,常规管理;随机分成3组进行模拟酸雨处理。pH2.5、pH4.5每个处理各喷洒1种pH值的模拟酸雨溶液,以pH5.6为对照,试验期间不施肥,仅去除杂草。根据浙江省酸性降水中的平均离子组成及通常模拟酸雨实验中所惯常采用的配比,按V(H2SO4)∶V(HNO3)=8∶1的比例配制母液,用水稀释成pH值分别为2.5、4.0和5.6的酸雨溶液。据浙江临安地区多年月均降水量,每天每盆植物喷淋约130mL酸雨溶液(与当地总的降水量基本持平),期间适当补水。试验处理时间为2006年7月初到2008年7月底。1.4测量指标和方法1.4.1光响应曲线的测定本试验利用便携式红外气体分析仪LI-6400(LI-COR,USA)开路系统测定光响应曲线(A-PFD),光强梯度设置为2000、1500、1000、600、300、200、100、80、50、20、0μmol·m-2s-1。测定时使用分析仪自带的红蓝光源,设定叶室温度为25℃,流量为500μmol·s-1,相对湿度60%。试验时间为2008年7月,选择晴朗天气进行光响应曲线的测定,时间为每天早上9:00~11:00。每个酸雨梯度随机选择5株植物,每株植物取中上部成熟的叶1片进行测定,共需选择15株植物。1.4.2叶片养分含量测定叶绿素荧光各参数用便携式调制叶绿素荧光仪(PAM-2100,Walz,Germany)进行测定。测定时间为2008年7月,进行的是连体测定,每次测定都选在晴天的上午9点到11点。Fv/Fm测定前,叶片需经过20min的暗适应。获取的主要参数有:PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)。测定时,选取与测定气体交换参数相同的叶片。1.4.3叶绿素含量测定同时,于2008年7月测一次植株的叶绿素相对含量。利用便携式叶绿素含量测定仪(SPAD-502,Japan)测定叶中部的SPAD计数值代表叶绿素相对含量,每片叶测定10次取平均值。测定时,选取与测定气体交换参数和绿素荧光参数相同的叶片。1.4.4数据分析方法数据分析利用SPSS13.0软件,采用单因素方差分析,分析不同酸雨处理间叶片光合生理指标的差异显著性。在数据分析前,首先对所有数据进行正态性与齐性检验。最后利用SigmaPlot10.0作图。2结果与分析2.1不同酸雨梯度对木荷幼苗光合速率的影响植物叶片在光合作用过程中对光的响应,是衡量植物光能利用能力的重要指标。不同酸雨处理条件下木荷净光合速率Pn值都随着光合有效辐射(PAR)的升高而增加,在达到光饱和点后逐渐变缓。在光合有效辐射小于150μmol·m-2s-1的时候,各酸雨梯度之间的净光合速率相差不大;当光合有效辐射大于450μmol·m-2s-1的时候,净光合速率在各酸雨梯度间存在明显差异(图1);从图1中还可以看出,木荷的净光合速率从大到小依次是:pH4.0>pH5.6>pH2.5,pH4.0显著大于pH2.5和pH5.6的净光合速率。在7月晴朗的天气下,不同酸雨梯度处理对木荷幼苗Pn日变化有明显的影响。从图2可看出:酸雨不同处理下的木荷幼苗净光合速率日变化曲线均呈“双峰”型。第一个峰值均出现在上午8:00。随后随着光强的增强,净光合速率开始下降,在12:00左右下降至最低,可见在三种酸雨梯度下,木荷叶片发生了不同程度的“午休”现象,在pH5.6下午休程度最轻,其次是pH2.5,pH4.0处理条件下午休最重。随外界光强的减弱,光合速率又开始回升,在下午16:00左右出现次峰,次峰值均低于第一峰值,分别为:3.176(pH2.5)、4.516(pH4.0)、4.496μmolm-2s-1(pH5.6),升高的幅度分别为:41.47%(pH2.5)、33.72%(pH4.0)、26.38%(pH5.6)。18:00前后降为一天的最低点,分别为:1.707、2.712、2.643μmolm-2s-1。三种处理下光合速率日均值分别为:3.280(pH2.5)、4.896(pH4.0)、4.514μmolm-2s-1(pH5.6),表明在pH4.0处理条件下木荷具有较高的光合速率。2.2气孔导度的变化不同酸雨梯度处理下的木荷幼苗气孔导度(Gs)日变化有明显的变化趋势,且与Pn的变化趋势基本一致(图3)呈“双峰”型,最大值出现在上午8:00,分别为:0.073(pH2.5)、0.153(pH4.0)、0.095molm-2s-1(pH5.6),与对照(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的条件下,气孔导度增加,有利于进行气体交换,提高光合作用。在午间12:00前后分别降至:0.021(pH2.5)、0.023(pH4.0)、0.047(pH5.6),下降幅度分别为:71.23%(pH2.5)、84.97%(pH4.0)和50.53%(pH5.6),下降幅度和光合速率一致,说明光合速率是由气孔导度影响的。随后开始回升,到下午16:00形成另一个最高值,分别为:0.054(pH2.5)、0.06(pH4.0)、0.071molm-2s-1(pH5.6),18:00前后降为一天的最低点,分别为:0.018、0.021、0.019molm-2s-1。日均值分别为0.042(pH2.5)、0.066(pH4.0)、0.061molm-2s-1(pH5.6),由此可知pH4.0较高的Gs保证了外部CO2的供应,从而可以维持其相对较高的Pn值。2.3酸雨梯度和ph值对叶片光合能力的影响叶绿素作为光合色素,参与光合作用中光能的吸收、传递和转化,在植物光合作用中起着关键的作用,是捕获光能的物质基础,叶绿素的含量可以反映植物叶片吸收光能的能力。从表1中可以看出,在pH4.0条件下,叶绿素含量最高,其次是在pH5.6条件下,在pH2.5条件下叶绿素含量最少;且在pH4.0条件下与pH2.5条件下有显著差异。光补偿点(LCP)是植物利用弱光能力的重要指标,较低的LCP表明有较高的弱光利用能力。光饱和点(LSP)揭示了植物对强光的喜好程度。由表1可以看出,在pH4.0条件下LCP明显小于pH2.5和pH5.6的处理;不同酸雨处理下LSP没有明显的差异;LCP变化趋势:pH5.6>pH2.5>pH4.0;LSP变化趋势:pH5.6>pH4.0>pH2.5。在一定环境条件下,叶片的最大光合速率(Amax)表示叶片的最大光合能力。由表1可以看出,在pH4.0下净光合速率最大,Amax变化趋势为:pH4.0>pH5.6>pH2.5。表观光合量子效率(AQE)指植物每吸收一个光量子所固定的CO2或释放O2的分子数,是表示光合作用光能利用效率高低的参数,反映叶片对弱光的利用能力。从表1可以看出,木荷的表观光合量子效率(AQE)在不同的酸雨梯度下无显著差异,但在模拟酸雨pH4.0条件下有相对较高的值;暗呼吸速率Rday是指植物在光照和黑暗下都能进行的呼吸;从表1看出,Rday在三种处理中有显著差异,变化趋势:pH4.0>pH5.6>pH2.5。Fv/Fm是PSⅡ最大光化学效率,反映的是PSⅡ原初光能转化效率,Fv/Fo代表PSⅡ的潜在活性。由表1可知,三种酸雨处理条件下,Fv/Fm的变化趋势与Fv/Fo基本一致。但三个处理间的差异不明显。3结论和讨论3.1酸雨梯度对木荷光合特性的影响通过对不同酸雨梯度下木荷幼苗的光合作用—光强响应曲线比较,发现在pH4.0下净光合速率(Pn)最大,其次是pH5.6,净光合速率(Pn)最低的是pH2.5。这表明木荷在微酸雨pH4.0下可以提高净光合速率,而在过酸的胁迫条件下将会降低净光合速率。在酸雨不同处理条件下,木荷幼苗的最大净光和速率pH4.0>pH5.6>pH2.5,但在各酸雨梯度下的最大净光合速率存在显著差异,说明微酸雨在一定程度上提高了木荷幼苗的净光合速率;不同酸雨梯度处理下的木荷幼苗,光饱和点pH5.6>pH4.0>pH2.5,但也不存在显著差异,可见酸雨胁迫对植物幼苗利用弱光的能力影响不大;光补偿点在不同酸雨梯度处理下有明显的差异,表现为pH5.6>pH2.5>pH4.0,说明不同处理间利用弱光的能力有明显的不一样,pH4.0条件下可以更好的利用光能,进行光合作用,在一定程度上减弱了酸雨对木荷的影响,这一结果与蔡世舫等采用人工模拟酸雨,研究酸雨对皖麦19叶片的光合速率的影响的结论是一致的。木荷幼苗在不同酸雨梯度下的表观光合量子效率无显著差异,表明酸雨胁迫对木荷利用光能的效率及呼吸速率影响不大。这与蒋馥蔚对酸雨胁迫下黑壳楠幼苗生理生态特性的研究结果一致;而木荷幼苗在不同酸雨梯度下暗呼吸速率差异显著,在pH4.0条件下暗呼吸速率最小,从而有利于营养物质的积累,促进木荷的生长。总之木荷的光合特性对酸雨胁迫有一定的耐受力,但在部分酸雨处理下,木荷出现了Amax降低,LCP,LSP以及Rday升高的现象,某种强度的酸雨胁迫可使木荷的最大光合速率以及利用弱光的能力降低,呼吸强度升高,这也意味着一定强度的酸雨胁迫能够降低木荷的光合能力。这一结论与李万超等人的结论是一致的。3.2气孔开度的调节同一植物光合日变化的波形受其所处环境条件的影响。本研究认为:在三种酸雨处理条件下Pn日变化呈“双峰”曲线,说明存在光合作用的“午休”现象。已有研究表明,植物光合“午休”现象受气孔和非气孔限制的调节,且与“光抑制”有关。理论上,在环境良好的情况下植物必须最大限度地开放气孔,以最大程度的通过光合作用固定最大数量的CO2。但是在污染胁迫状况下气孔开放程度大,除了导致水分过度蒸腾使植物失水过多外,也会有更多的污染物通过气孔进入植物体。因此,植物通过感应环境和调节气孔至适当的开度,来避