酸雨胁迫对樟树幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响

余小龙，伊力塔，余树全*，殷秀敏，张华柳，陈亚锋，张朋伟

（1. 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，浙江 临安 311300；2. 浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 临安 311300；3. 杭州之江园林绿化艺术有限公司，浙江 杭州 310053）

酸雨胁迫对樟树幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响

余小龙1,2，伊力塔1,2，余树全1,2*，殷秀敏3，张华柳1,2，陈亚锋1,2，张朋伟1,2

（1. 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，浙江 临安 311300；2. 浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 临安 311300；3. 杭州之江园林绿化艺术有限公司，浙江 杭州 310053）

通过1 a的盆栽试验，研究3种不同pH值（2.5、4.0、5.6）的模拟酸雨溶液对樟树（Cinnamomum camphora）2年生幼苗生长的影响，利用叶绿素荧光技术测定了模拟酸雨胁迫后樟树的叶绿素荧光参数变化规律。结果表明：PSII最大光化学量子产量（Fv/Fm）、PSII的潜在活性（Fv/Fo）、PSII实际光化学量子产量（ΦPSII）和叶绿素含量具有一致的变化趋势，其值都随着模拟酸雨pH值的降低而升高，pH 4.0时处理值达到最大，表明樟树在pH 4.0处理条件下，可以更好的推动光合电子传递，提高了光合电子传递能力，进而利用光能，进行光合作用，促进樟树的生长。

樟树；酸雨；胁迫；叶绿素荧光

酸雨是当今世界面临的重大环境问题之一，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，酸雨已成为我国面临的重大生态环境问题之一，对我国经济、社会的发展产生了很大的影响。浙江省的酸雨形势也非常严峻，已成为我国酸雨污染最严重的地区之一[1～2]。对杭州市1998－2002年的降水监测数据进行统计分析，结果表明，2002年杭州市区酸雨频率为73.6%，降水pH均值为4.68，临安酸雨频率高达97.5%，降水pH均值为4.04，其余几个县（市）降水pH均低于5.60[3]。

许多学者从植物生理、生态等方面对酸雨危害芒果（Mangifera indica）、小麦（Triticum aestivum）等植物做了大量的研究，并取得了一定的成果[4～5]。樟树（Cinnamomum camphora）是我国亚热带常绿阔叶林的主要绿化树种，也是珍贵树种之一，具有四季常绿、树形优美、灭菌驱虫和挥发香气等特点，成为我国亚热带地区植被恢复和城镇园林绿化的重要树种，在亚热带地区得到广泛栽培种植，长势很好。目前国内外对酸雨对樟树危害及其机制的研究不是很多，主要集中在酸雨下种子萌发、叶片的破坏、植株生长、缓冲性能、矿质元素含量、光合作用特性等方面[6～12]。本研究以樟树2年生幼苗为材料，利用叶绿素荧光技术比较分析不同pH值酸雨下对樟树幼苗荧光特性的影响，旨在进一步揭示樟树对不同酸度酸雨的响应机制，为樟树规模化种植提供理论支撑和依据。

1 材料和方法

1.1 试验地的概况

试验地设在浙江农林大学苗圃，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1 847.3 h，全年降水量1 628.6 mm，全年平均气温16.4℃，1月平均气温为3.8℃，7月平均气温为28.6℃，极端最高气温为40.4℃，极端最低气温为－9.2℃，年无霜期250 d左右。土壤为黄壤。

1.2 试验材料

选择自然条件下2年生长势健康、一致的同种源实生樟树幼苗，盆栽于控根内径22 cm，深27 cm的花盆中，盆栽时间为2006年7月，经过3个月的生长适应后，于2006年10月选取长势较一致的盆栽幼苗开始模拟酸雨实验，并于2007年1月开始进行相关仪器测定，采集数据。

1.3 试验设计

实验设3个处理，每个处理选15盆健康植株，用黄壤土进行栽培，每盆1株，常规管理；随机分成3个组进行模拟酸雨处理（pH 2.5、pH 4.0每个处理各喷洒1种pH值的模拟酸雨，以pH 5.6为对照，试验期间不施肥，仅去除一些杂草）。

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[13～15]，按V（H2SO4）：V（HNO3）= 8︰1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130 mL酸雨（与当地总的降水量基本持平），期间适当补水。酸雨于2006年7月开始喷施，喷施期间用塑料薄膜遮挡自然降雨。

1.4 测定方法

1.4.1 叶片叶绿素荧光参数的测定 叶绿素荧光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2007年1、4、7和10月。每次暗适应和光适应测定都选在晴朗的天气，时间为9:00－11:00，于大棚中测量，从每个酸雨处理中随机选择5株植株，选取植株的中上部成熟叶片，每棵植株选一片叶进行测定试验。于2007年7月，进行了荧光光适应日变化的测定，每次测定选在晴天的7:00－17:00，每隔2 h测定1次。获取的主要参数为：PSII最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII潜在活性（Fv/Fo）、最大量子产额（Yield）和光合电子传递速率（ETR）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（qN），其中Fv/Fm和Fv/Fo测定前，叶片经过20 min的暗适应。

1.4.2 相对叶绿素含量和生长量的测定 在进行叶绿素荧光测定的同时，用日本美能达公司的便携式叶绿素测定仪SPAD-502测定樟树叶片的相对叶绿素含量。测定时，选择与测叶绿素荧光相同的叶片，每片叶片，各测3个数值，分别记录。每个实测数据都是10个点以上测定值的平均值[16]。同时用游标卡尺和卷尺对樟树株高和地径进行测定。

2 结果和分析

2.1 酸雨胁迫对樟树相对叶绿素含量的影响

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应植物叶片吸收光能的能力。从表1可以看出，不同处理条件下樟树叶片的相对叶绿素含量表现出一致的变化趋势，即在不同季节樟树叶片的相对叶绿素含量都在pH 4.0处理下含量最高，从ck到pH 4.0值增加，pH 2.5的处理下值最小；但差异性不一致，在1月，各酸雨梯度之间差异不明显，而4月和10月，pH 4.0与pH 2.5、ck都有显著的差异，pH 4.0处理下的樟树叶片相对叶绿素含量显著高于pH 2.5和ck，而在7月，pH4.0与ck之间差异不显著，而与pH 2.5有显著差异；说明在pH 4.0模拟酸雨下，樟树幼苗具有最高的相对叶绿素含量，可以增强樟树叶片吸收光能的能力，最终促进光合作用。

表1 模拟酸雨对樟树相对叶绿素含量的影响Table 1 Effects of simulated acid rain on relative chlorophyll content of C. camphora

从表1中还可以看出，在同一酸度处理条件下，樟树的叶绿素含量有一致的变化趋势，即：1月＜4月＜7月＜10月，在10月樟树叶绿素相对含量最高，但差异性不一致，在pH 2.5条件下，在1月各处理之间没有差异，在4、7、10月各处理之间表现出一定的显著差异；在pH 4.0条件下，10月与其他各月之间有显著的差异；而在ck条件下，1月和4月差异性不明显，但与10月差异显著。

由上可知，樟树经酸雨淋浴后，叶片叶绿素含量随淋浴酸雨强度增加而增加，在pH 4.0下具有最大叶绿素相对含量，且不同季节有一定的差异性；同时，淋浴酸雨强度的增加会增大不同季节间叶绿素含量差异。

2.2 不同季节酸雨胁迫对樟树Fv/Fm和Fv/Fo的影响

Fv/Fm和Fv/Fo分别表征PSⅡ最大光化学效率以及PSⅡ潜在活性，它们不仅受到即时外界的影响，而且与植物本身特性、潜在光合性能也有密切相关。从图1可以看出，同一月不同处理之间Fv/Fm和Fv/Fo都有明显的变化规律，且具有一致性变化趋势，即：pH4.0＞pH5.6＞pH2.5，每个月份Fv/Fm和Fv/Fo值都是在pH4.0模拟酸雨处理下达到最大，但各月份的差异性不一致，各酸度处理之间樟树叶片的PSII最大光化学效率Fv/Fm和PSII潜在活性Fv/Fo在4月和10月没有显著差异性，但在1月和7月有显著差异。

图1 模拟酸雨对樟树Fv/Fm和Fv/Fo的影响Figure 1 Effects of simulated acid rain on Fv/Fm and Fv/Fo of C. camphora

由图1还可以看出：不同季节相同酸度处理条件下樟树的Fv/Fm和Fv/Fo的值：10月＞7月＞4月＞1月，冬季值较低受到外界环境的胁迫，可能与温度有关，温度低抑制了传递电子的能力，光合能力比较弱；在夏季Fv/Fm和Fv/Fo值比较高，而且处理之间的差异也比较明显，说明樟树在夏季生长状况良好，PSII具有较高的光化学效率，PSII的潜在活性也比较大；在秋季Fv/Fm和Fv/Fo各个处理下都处于最高值，虽然Fv/Fm和Fv/Fo各处理之间差异性不明显，可能是因为在秋季叶片已经完全成熟，PSII具有最高的光化学效率，PSII的潜在活性也最大，光合效率最高。

由此可知，7月是用叶绿素荧光参数探测樟树是否受酸雨胁迫的最佳的时间；同时也说明不同酸雨处理对樟树幼苗叶片PSII原初光能转化效率的影响，在7月表现更明显。

2.3 不同季节模拟酸雨对樟树ΦPSII和qN的影响

ΦPSII是PSII非环式电子传递的量子效率，可反映实际的PSII反应中心进行光化学的效率。从图2图可以看出，不同月份ΦPSII表现出不一致的变化趋势，除10月各处理之间差异不显著外，在1月、4月和7月都表现出显著差异。冬季和春季情况较为接近，ΦPSII值相对较低，这可能与当时的外界环境有关，温度比较低，限制了樟树进行光合作用；在秋季和夏季具有较高的ΦPSII值，说明樟树在这两个季节具有更高的光化学传递效率，能更好地利用光能进行光合作用。

图2 模拟酸雨对樟树ΦPSII和qN的的影响Figure 2 Effects of simulated acid rain on of ΦPSII and qN of C. camphora

非光化学猝灭系数qN值大小反映的是PSII反应中心对天然色素吸收过量光能后的热耗散能力及光合机构的损伤程度，是一种保护机制，qN反应了叶片对激发能利用的情况。经过一段时间酸雨胁迫后，非光化学淬灭系数qN都有了一定的变化。由3图可以得到，qN在不同的月份也不具有一致的变化规律，除1月外，其他月基本在pH2.5和pH5.6时有较高的qN，通过热耗散的形式散发掉，以保护光合机构抵御强酸雨的伤害，是樟树适应酸雨环境的一种表现。

2.4 模拟酸雨对樟树叶绿素荧光参数日变化的影响

图3 不同pH模拟酸雨处理樟树的ETR日变化Figure 3 Diurnal changes of ETR in C. camphora under simulated acid rain

图4 不同pH模拟酸雨处理樟树的Yield日变化 Figure 4 Diurnal changes of the maximal apparent quantum yield in C. camphora under simulated acid rain

表观光合电子传递速率（ETR）反映实际光强条件下的表观电子传递速率[17]。由图3可以看出，ETR在7月呈现双峰结构，9:00和13:00出现两次高峰，变化趋势基本一致。各个测定时间中pH4.0处理下的ETR明显高于其他处理，pH2.5则为最低值，从ck到pH4.0则是一个上升过程，规律性十分明显。这同样说明了在pH4.0处理下表观电子传递效率高。

不同酸雨处理下的樟树叶片ΦPSII值的日变化基本呈“V”型曲线（图4），表现为早晚高，中午前后较低。与ETR表现出完全相反的情况。11:00时Yield降到最低点，因为7月，阳光强烈，受到强光抑制，随着光强减弱然后慢慢回升到早晨的水平，最高高于早上的水平。各个测定时间中pH4.0处理下的ΦPSII明显高于其他处理，pH2.5则为最低值，从ck到pH4.0是一个上升过程，规律性十分明显。Yield在一天的变化幅度较小，也进一步说明了樟树在pH4.0处理下有更好的光合能力。

由图5可知，qP和qN都有明显的日变化规律，均呈抛物线型，但有相反的变化趋势。qP在一天中强光和高温时下降到一天的最低值，维持一段时候后，17:00后又恢复接近早晨水平。pH2.5为最低值，从ck到pH4.0是一个上升过程，规律性十分明显。这主要是因为在早晨和傍晚光较弱引起的，虽然光强不大，但叶片吸收的光能最大限度地用在光化学反应上；随着光强的增加和温度的升高，就会出现光抑制，PSII反应中心的活性受到抑制，更多的反应中心进入关闭状态，失活而未被破坏的PSII反应中心可作为激发能的猝灭器耗散多余的光能，从而保护反应中心免遭受光破坏；在光强最强、温度最高的中午，分配在热耗散的能量最多，用在光化学反应上的能量较少。

2.6 酸雨胁迫对樟树生长量的影响

从表2可以看出，经过18个月的酸雨喷施后，与ck相比，pH2.5模拟酸雨处理下对樟树的株高和地径均无显著影响，而pH4.0模拟酸雨处理下樟树的株高和地径显著增加。从这两项指标来看，pH4.0模拟酸雨对樟树的生长有极大的促进作用；而pH2.5的模拟酸雨对其影响不是很大。

表2 模拟酸雨对樟树地径和株高生长的影响Table 2Effects of simulated acid rain on the growth of height and diameter of C. camphora

3 结论与讨论

叶绿体是植物光合作用的场所，也是细胞对胁迫生境最敏感的细胞器[18～19]。酸雨胁迫引起叶片叶绿素降解加快，叶绿素含量的降低是光合作用减弱的主要原因之一[20～21]。本实验与此结论有一致的实验结果。在pH2.5处理下相对叶绿素含量值最小。樟树株高和地径的变化呈现出一定的规律性，都是在pH4.0处理下具有最高值，与ck和pH2.5差异显著；株高和地径结果说明樟树在pH2.5处理下受到很强的胁迫，但是pH4.0处理下的樟树的地径和株高都有显著的提高。

Fv/Fm、Fv/Fo常被用作表明环境胁迫程度的指标和探针，在本实验中，可以看出Fv/Fm和Fv/Fo随着pH值的升高而升高，表明高的pH值提高了PSII反应中心原初光能转化效率和增强了潜在光化学活性，增加了酸雨胁迫下樟树幼苗的抗酸性；但各处理不同月份之间差异表现不一致，但各处理之间在7月有显著差异，所以在夏季测定Fv/Fm可以作为受酸雨胁迫的探针。

高的非光化学猝灭能力有利于光能的耗散，在不利的环境中光合系统运转受抑时，可避免强光对光系统的伤害，保证它在不利的环境中对光能的吸收和利用[22]。在pH4.0处理下qN值最小，可看出在此处理条件下，有更多的光能进行光合作用，只有小部分进行了热耗散，有利于樟树进行光合作用，最终促进樟树的生长。

单运峰等的研究表明模拟酸雨使植物产生伤害的pH临界点在3.0和2.0之间，Amthor综合美国大量研究结果，提出植物生长受抑制多数发生在模拟酸雨pH≤3.0[23]，本实验和此结论是一致的；还有实验表明pH3.0、pH4.0的模拟酸雨处理显著提高了樟树的日均净光合速率[10]。说明樟树对模拟酸雨具有很强的适应能力，但在pH2.5模拟酸雨条件下出现一定下降的趋势，说明在pH4.0处理和pH2.5处理之间存在伤害阈值。

通过本实验，可以得出樟树在pH4.0的模拟酸雨处理下，相对叶绿素含量、Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII值以及地径株高均高于pH2.5、ck处理，表现出很强的适应能力。说明樟树在适当的酸性环境下可以较好地进行光合作用和生长，对酸雨有一定的抗性；通过利用叶绿素荧光技术对模拟酸雨条件下樟树影响的研究，为樟树在酸雨区的种植提供了理论基础，也为城市绿化树种的筛选和科学管理提供试验基础和理论依据。但樟树是不是中度酸树种，还需要进一步研究加以验证。

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Effects of Acid Rain Stress on Chlorophyll Fluoresecence Properties of leaves of Cinnamomum camphora Seedlings

YU Xiao-long1,2，Yi Li-ta1,2，YU Shu-quan1,2*，YIN Xiu-min3，ZHANG Hua-liu1,2，CHEN Ya-feng1,2，ZHANG Peng-wei1,2

（1. Nurturing Station for State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Lin’an 311300, China; 2. School of Forestry and Biotechnology, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 3. Hangzhou ZHijiang Landscape Art Co. Ltd., Hangzhou 310053, China）

Effect of three different pH of simulated acid rain ( 2.5, 4.0, 5.6 ) on chlorophyll fluorescent properties of the 2-year seedlings ofCinnamomum camphorawas studied by pot experiment. Results showed that the maximal photochemical efficiency of photosystem I（IPSII）(Fv/Fm), potential activity of PSII ( Fv/Fo ), actual photochemical efficiency of PSII ( ΦPSII ) and chlorophyll content increased with decrease of pH, and topped when pH of acid rain is 4, indicating that,C. camphorahad better usage of solar energy. The treatement of pH4.0 could promote photosynthetic electron transport rate ( ERT ), and improve photosynthesis.

Cinnamomum camphora; acid rain; stress; chlorophyll fluorescence

S718.51

A

1001-3776（2011）04-0019-06

2010-10-18；

2011-01-05

国家自然科学基金项目“中亚热带森林凋落物对酸雨缓冲的生化机制研究”（30970485）；浙江省教育厅科研项目“中亚热带植物多样性对酸雨缓冲的影响研究”（Y201017730）资助

余小龙（1985－），男，湖北浠水县人，硕士生，主要从事环境生态研究；*通讯作者。