酸雨对杉木幼苗叶绿素荧光及生长量的影响1)

俞 飞 殷秀敏 伊力塔 刘美华

(浙江农林大学，临安，311300) (杭州之江园林绿化艺术有限公司) (浙江农林大学)

酸雨对杉木幼苗叶绿素荧光及生长量的影响1)

俞 飞 殷秀敏 伊力塔 刘美华

(浙江农林大学，临安，311300) (杭州之江园林绿化艺术有限公司) (浙江农林大学)

采用盆栽试验和模拟酸雨喷淋的试验方法，研究了重度酸雨(pH值=2.5)、中度酸雨(pH值=4.0)和对照(pH值=5.6)处理3 a后，不同季节杉木幼苗叶片的叶绿素荧光特性及其生长差异。结果表明：重度酸雨对杉木幼苗的潜在活性(Fv/Fo)和非光化学淬灭系数(qN)有显著影响，其中8月份重度酸雨处理的株高增加量比中度酸雨和对照处理分别增加了98.98%和120.36%；而各酸雨处理对最大光化学效率(Fv/Fm)、光化学淬灭系数(qP)及地径生长的影响不显著。相同pH值酸雨处理下，季节变化对杉木幼苗的叶绿素荧光特性和生长量的影响较大，Fv/Fm、Fv/Fo、株高、地径增加量由大到小变化趋势均为8、11、5月份，其中8月份重度酸雨处理的Fv/Fm和Fv/Fo比5月份分别增加了25.7%和121.7%。二元方差分析显示，酸雨和季节的交互作用对杉木的Fv/Fo和qN有显著影响。

酸雨；叶绿素荧光特性；生长量；杉木

叶绿素荧光技术是20世纪80年代以来快速发展的植物胁迫生理研究技术，它能够在不破坏植株的情况下，研究植株耐受环境胁迫的能力和各种胁迫对光系统损伤程度，反应灵敏、测定快速，可以从更微观的层次了解植物光合系统的光能吸收、转换和利用效率的能力，已广泛用于强光、高温、干旱、化学元素及营养元素胁迫等逆境生理研究[1-2]。

20世纪80年代，欧洲和北美相继发生了森林大面积衰退或死亡的现象，而酸雨被认为是导致该现象的重要因素之一。一系列酸雨对树木生理生态影响的研究也随之展开，结果表明：酸雨可以通过破坏植物叶片结构、降低叶绿素质量分数、改变叶绿素荧光特性和酶活性等对植物产生直接影响[3-5]，也可以进入土壤后，改变土壤pH值、化学性质等，导致土壤酸化，间接影响植物根系和土壤微生物的活动[6-7]。我国是世界第三大酸雨区，而亚热带地区是全国酸雨最严重地区。20世纪80年代以来，我国开展了大量酸雨对森林生态系统影响的研究[8-9]。

杉木是我国亚热带地区人工速生丰产林的建群种。前人研究发现，pH值=2.0的模拟酸雨处理会导致杉木幼苗的有效光合组织减少、净光合速率降低、呼吸作用增强以及生物量的减少，但是pH值=3.0以上的模拟酸雨对杉木生长没有抑制作用，甚至有轻微的促进作用[10]63-64，[11]。前期研究大都以短期效应研究为主，而植物对环境胁迫有短期和长期反应[12-13]，因此，文中采用叶绿素荧光技术研究不同pH值酸雨处理3 a后的杉木幼苗受胁迫情况，并结合生长量情况，分析较长期的酸雨对杉木幼苗的生理生态影响，为进一步研究酸雨对杉木的影响及杉木对酸雨的反馈作用提供基础数据。

1 试验地概况

试验地设在杭州临安浙江农林大学苗圃内(119°44′E,30°16′N)。该地属中亚热带季风气候，春多雨、夏湿热、秋气爽、冬干冷。全年日照时间1 847.3 h，年均降水量1 628.6 mm，年均气温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 ℃，年无霜期在250 d左右。土壤为红黄壤。

2 材料与方法

试验材料和喷淋设计：取当地黄红壤，按S法取自温室附近无凋落物覆盖的裸地表层(0～15 cm)土壤，取样点为10点，去石砾，混合均匀后作盆栽栽培土，土壤基本属性为pH值=5.18，全氮、有机碳质量分数分别为7.3、12.4 g·kg-1，速效钾、速效氮、速效磷质量分数分别为71.0、57.3、2.9 mg·kg-1。

每次从叶片开始喷洒模拟酸雨，至其滴液并进入土壤。酸雨喷淋总量按多年平均降水量×酸水频率计，为1 365 mm。参照临安1959—1980年月均降水量分配月喷淋量，分成8次均匀喷淋，适当补水将总加水量调为实际月降水量。试验处理时间为2006年7月初到2009年11月末。

叶片叶绿素荧光参数的测定：采用便携式调制叶绿素荧光仪(PAM-2100，Walz，Germany)进行叶绿素荧光各参数测定。分别于2009年5、8、11月份各进行一次荧光参数指标的测定，每次测定均在喷淋酸雨2 d后进行。每个月选择天气晴朗的3 d，每天在相同的时间进行测定，所得数据为3 d数据的平均值。在晴天09:00—11:00进行连体测定，每个处理任选5株，每株选取3个叶片进行测定，共选择15株植株。测定的主要参数包括：PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ的潜在活性(Fv/Fo)、光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(qN)[14]。其中，Fv/Fm和Fv/Fo测定前用PAM-2100暗适应叶夹DLC-8暗适应针叶20 min。初始荧光(Fo)在暗适应后，以弱调制测量光(0.05 μmol·m-2·s-1)诱导产生,最大荧光(Fm)以强饱和闪光(6 mmol·m-2·s-1)激发，闪光2 s，计算Fv/Fm和Fv/Fo：

Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm。

Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo。qP和qN用暗适应后的叶片在弱调制测量光(0.05 μmol·m-2·s-1)下诱导产生初始荧光Fo，随后用强饱和脉冲(6 mmol·m-2·s-1)激发产生最大荧光Fm。打开光化光，在荧光下降到稳态水平时，用饱和脉冲闪光(脉冲时间2 s，两次闪光的间歇20 s)，激发产生Fm，然后关闭光化光。用下式计算qP和qN：

数据处理：所有数据采用SPSS 13.0软件分析，根据Klomogorov-Smirnov test及Levene’s test检验数据的正态均一性，然后采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异，用二元方差分析(Two-way ANOVA)酸雨和季节因素对幼苗荧光参数和生长参数的影响，显著性水平设定为α=0.05。

3 结果与分析

3.1 酸雨处理对杉木幼苗叶绿素荧光参数的影响

3.1.1 PSⅡ最大光化学效率、潜在活性的变化

由表1可知，重度酸雨(pH值=2.5)显著提高了杉木幼苗的最大光化学效率(Fv/Fm)和潜在活性(Fv/Fo)。5月份，各酸雨处理下Fv/Fm值无显著差异，说明不同pH值酸雨处理对杉木的PSⅡ原初光能转化效率等的影响一致。8月份和11月份，重度酸雨处理的Fv/Fm值显著高于对照(pH值=5.6)，表明重度酸雨对杉木幼苗生长产生了促进作用。而且Fv/Fo值的变化趋势与Fv/Fm的相一致。结合生长量数据(表3)可知，8月份可能是酸雨对杉木幼苗作用的一个转折点，即经过3 a的处理，重度酸雨才对杉木产生了促进作用。

从季节变化来看，相同pH值酸雨处理下Fv/Fm值为先增大再降低，Fv/Fo值的变化趋势也是一致的，即由大到小顺序为8、11、5月份，其中8月份重度酸雨处理的Fv/Fm值和Fv/Fo值比5月份的分别增加了25.7%和121.7%，11月份重度酸雨处理的Fv/Fm值和Fv/Fo值比5月份分别增加了15.4%和54.4%。因为夏季是杉木生长的主要季节，光合作用强，可见季节对杉木幼苗的叶绿素荧光参数也有显著的影响。

3.1.2 叶绿素荧光光化学淬灭系数和非光化学淬灭系数的变化

由表1可知，同一季节，各酸雨处理的光化学淬灭系数差异不显著，但是8月份重度酸雨处理的qP值要略大于其他两个处理，可见重度酸雨处理后，杉木PSⅡ所捕获的光量子转化成化学能的效率比较高，光化学淬灭转换光能的作用高于其他两种处理。而且重度酸雨处理的qN值均小于其他两个处理，其中11月份的显著小于对照，表明重度酸雨处理相比较其他两个处理，激发能被更多的分配到光合作用而不是热耗散。

表1 不同季节酸雨处理对杉木幼苗Fv/Fm、Fv/Fo、qP和qN的影响

月份处理(pH)Fv/FmFv/FoqPqN52．5(0．631±0．023)a(1．755±0．168)a(0．898±0．016)a(0．985±0．004)a4．0(0．657±0．018)a(1．955±0．147)a(0．896±0．020)a(0．993±0．002)a5．6(0．682±0．024)a(2．224±0．273)a(0．868±0．015)a(0．986±0．005)a82．5(0．793±0．012)a(3．889±0．273)a(0．954±0．019)a(0．952±0．003)a4．0(0．778±0．007)ab(3．516±0．150)ab(0．914±0．028)a(0．956±0．005)a5．6(0．762±0．007)b(3．206±0．122)b(0．915±0．027)a(0．959±0．005)a112．5(0．728±0．014)a(2．710±0．189)a(0．977±0．017)a(0．943±0．004)c4．0(0．662±0．021)b(2．148±0．052)b(0．968±0．010)a(0．966±0．004)ab5．6(0．708±0．016)ab(2．465±0．215)ab(0．957±0．018)a(0．969±0．003)b

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

不同季节之间，相同强度酸雨处理的qP值不断升高，而qN值不断降低，由此可知，重度酸雨提高了杉木叶片叶绿素PSⅡ的电子传递活性，减少了其用于热耗散的光能比率。

3.1.3 酸雨和季节对杉木幼苗叶绿素荧光特性的交互作用

由表2表明，不同强度的酸雨对杉木的qN有显著影响，而对Fv/Fm、Fv/Fo以及qP无显著影响。不同季节除了对杉木的qP无显著影响外，对Fv/Fm、Fv/Fo和qN均影响显著，可见，季节对杉木荧光特性的影响大于酸雨的影响。此外，酸雨和季节的交互作用对杉木的Fv/Fo和qN有显著影响，而对Fv/Fm、qP影响不显著。因此，检测Fv/Fo和qN变化能较好地反映两者对杉木的影响。

表2 酸雨(A)、季节(S)及其交互作用(A×S)对杉木叶绿素荧光参数的二元方差分析

变异来源Fv/FmFPFv/FoFPqPFPqNFPA0．6450．5301．7380．1900．0790．9257．1380．002S29．280046．82902．5500．09263．5120A×S2．2830．0792．6790．0470．0340．9983．3710．019

3.2 酸雨处理对杉木幼苗生物量生长的影响

由表3可知，经过不同强度酸雨处理后，杉木株高各季节变化趋势一致，由大到小的顺序基本为重度、中度、对照；但是除11月份重度酸雨株高显著高于中度酸雨和对照外，5月份和8月份各酸度处理均没有显著差异。杉木地径各季节变化趋势由大到小的顺序均为重度、中度、对照，但是差异均不显著。通过二元方差分析也可知，酸雨强度的变化对杉木株高影响显著，但是对地径无显著影响。

表3 酸雨胁迫下杉木幼苗株高和地径的季节变化

注：表中株高、地径数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)；—表示初次测定，无增加量。

在相同酸雨处理下，各季节杉木的株高都有一定的差异性。重度酸雨处理后，5、11月份的杉木株高差异显著。其中，重度酸雨处理后，8、11月份的株高分别比5月份增加了21.91%和27.59%；中度酸雨处理后8、11月份的株高分别比5月份增加了13.30%和20.06%；对照组8、11月份的株高分别比5月份增加了11.49%和18.53%。但是同一强度酸雨处理后，杉木地径的季节变化并不显著。由此可见，酸雨促进了杉木的株高生长，但是对地径的生长影响不大。

经过3 a酸雨喷淋处理后，杉木的株高和地径在重度酸雨处理下增长最多，其次是中度酸雨处理，对照处理的株高增量最小；酸雨对株高生长有显著促进作用，其中8月份重度酸雨处理的株高增加量比中度酸雨和对照处理分别增加了98.98%和120.36%，说明杉木在重度酸雨下长势最好。

由表4可知，不同酸雨处理，不同季节均对杉木的株高有显著影响，对地径没有显著影响，且季节的影响大于酸雨的影响；酸雨和季节的交互作用对株高和地径的影响均不显著。

表4 酸雨(A)、季节(S)及其交互作用(A×S)对杉木生长参数的二元方差分析

变异来源株 高FP地 径FPA3．8760．0290．1600．853S8．2390．0011．3110．282A×S0．3580．8370．0350．997

4 结论与讨论

通过二元方差分析可知，经过3 a的处理，酸雨对杉木幼苗叶绿素荧光特性和生长量的影响都已不显著，酸雨和季节的交互作用对杉木荧光特性和生长量的影响不显著，而季节因素对其叶绿素荧光特性和生长量具有较大的影响，可见随着酸雨处理时间的延长，杉木对酸雨产生了适应性，酸雨对杉木的影响已经远远低于温度等其他环境因子。因此，在全球气候变化的大背景下，研究酸雨对杉木的影响还应结合温度、湿度、光照等(这些也是随着季节变化而变化的)因素，综合考虑各因素的交互作用。例如，张兆斌等[15]的研究表明，高浓度CO2(700 μmol·mol-1)对柿树光合参数变化规律的影响差异显著：处于高水分条件下的柿树气孔导度减小，蒸腾速率降低，从而使光合速率提高；而在低水分条件下柿树水分亏缺严重，气孔导度减小幅度增加,因此，蒸腾速率低于其他处理，导致高浓度CO2对其光合的促进作用减弱。蔡锡安等[16]的研究表明，荷木(Schimasuperba)在高氮和高光强下植株叶片的净光合速率比在低氮和高光强下的高，净光合速率对氮的响应依赖于氮的水平和生长的光强状况。

叶绿素荧光参数测定结果表明，模拟酸雨处理3 a后，重度酸雨作用下显著提高了杉木幼苗PSⅡ反应中心的实际光化学反应效率，减少光合机构损伤。生长量测定结果也表明，重度酸雨处理下的杉木株高最大。可见，重度酸雨对杉木幼苗的光合生理和生长具有促进作用。这与单运峰[10]43-46的研究并非完全一致，这可能是两者的研究周期不一致，以及土壤状况不一致导致的。模拟酸雨促进植物生长的现象已有诸多报道，例如，Reich et al.[17]发现随着酸雨pH值的降低，美国五叶松的净光合速率显著升高；付晓萍等[18]发现pH值=3.0的酸雨促进了樟树幼苗根冠比；殷秀敏等[19]发现pH值=2.5的酸雨显著促进了杜英的高生长。这是因为虽然酸雨中的H+等离子的毒害作用会加快叶绿素分解，影响植物生长，但是硝酸根等离子的施肥作用会加快叶绿素的合成，当后者效应大于前者时，促进植物生长，反之则抑制[10]。而且，在氮贫瘠的土壤上酸雨的施肥作用更加明显，供试土壤氮肥缺乏，所以重度酸雨对促进杉木幼苗生长的作用更加明显。

本试验处理时间为3 a以上，2008年10月份对相同处理杉木进行测定，显示重度酸雨对杉木幼苗的光合能力和地径生长有一定的抑制作用，到了2009年8月份以后转变为促进作用[20]，这是因为植物对环境胁迫具有短期调节响应，相对较长时期的适应期[21]，杉木对H+等离子产生了适应性。单运峰等[22]的研究发现pH值=2.0的酸雨会导致杉木幼苗叶片产生坏死斑，光合有效组织减少42.5%，本试验未发现杉木叶片产生坏死斑，推测酸雨对杉木幼苗产生伤害的临界值低于pH值=2.5。

有研究者认为，酸雨对植物的促进作用是短暂的，因为酸雨使土壤有效磷和植物体内无机磷减少，当m(P)∶m(N)<1∶10时，氮施肥效应就会下降。同时酸雨会加速土壤阳离子的淋失，降低土壤盐基饱和度[23-24]。所以，酸雨对植物的影响除自身状况外，还受土壤等环境因子的综合影响，本试验表明，在本供试土壤条件下，杉木幼苗需要经过3 a的处理才能适应重度酸雨。

[1] Maxwell K, Johnson G N. Chlorophyll fluorescence-A practical guide[J]. Journal of Experimental Botany,2000,51:659-668.

[2] 邱念伟,周峰,顾祝军,等.5种松属树种光合功能及叶绿素快相荧光动力学特征比较[J].应用生态学报,2012,23(5):1181-1187.

[3] Singh A, Agrawal M. Acid rain and its ecological consequences[J]. Journal of Environmental Biology,2008,29(1):15-24.

[4] 田大伦,黄智勇,付晓萍.模拟酸雨对盆栽樟树(Cinnamomumcamphora)幼苗叶矿质元素含量的影响[J].生态学报,2007,27(3):1099-1105.

[5] Bellani L M, Rinallo C, Muccifora S. Effects of simulated acid rain on pollen physiology and ultrastructure in the apple[J]. Environment Pollution,1997,95(3):357-362.

[6] 郑飞翔,温达志,旷远文.模拟酸雨对柚木幼苗生长、光合与水分利用的影响[J].热带亚热带植物学报,2006,14(2):93-99.

[7] 周光益,田大伦,杨乐苏,等.酸雨胁迫下乡土植物根际土壤的化学行为[J].林业科学,2009,45(11):161-166.

[8] 冯宗炜.中国酸雨对陆地生态系统的影响和防治对策[J].中国工程科学,2000，2(9):5-11.

[9] 赵霞艳,侯青.1993-2006年中国区域酸雨变化特征及成因分析[J].气象学报,2008,66(6):1032-1042.

[10] 单运峰.酸雨、大气污染与植物[M].北京:中国环境科学出版社,1993.

[11] 樊后保,黄玉梓,李燕燕,等.模拟酸雨对杉木种子萌发和幼苗生长的影响[J].江西农业大学学报,2005,27(6):875-879.

[12] Likens G E, Driscoll C T, Buso D C. Long-term effects of acid rain: response and recovery of a forest ecosystem[J]. Science,1996,272:244-246.

[13] Johnson A H, Siccama T G, Wang D, et al. Recent changes in paterns of tree growth rate in the New Jersey pinelands: a possible effect of acid rain[J]. J Environ Qual,1981,10(4):427-430.

[14] Schreiber U, Hormann H, Neubauer C, et al. Assessment of photosystem ii photochemical quantum yield by chlorophyll fluorescence quenching analysis[J]. Australian Journal of Plant Physiology,1995,22(2)：209-220.

[15] 张兆斌,史作安,朱东方,等.气候变化对不同水分条件下柿幼树光合作用的影响[J].应用生态学报,2009,20(9):2129-2134.

[16] 蔡锡安,孙谷畴,赵平,等.高氮和低光强限制南亚热带森林演替树种的光合能量利用[J].中国科学C辑:生命科学2008,38(5):464-474.

[17] Reich P B, Schoette A W. Effects of Ozone and acid rain on while pine (Pinusstrobusl) seedings grown in five soil. Ⅰ.net photosynthesis and growth[J]. Can J Bot，1987,65(5):977-987.

[18] 付晓萍,田大伦,黄智勇.模拟酸雨对植物形态学效应的影响[J].浙江林学院学报,2006,23(5):521-526.

[19] 殷秀敏,余树全,江洪,等.酸雨胁迫对秃瓣杜英幼苗叶片叶绿素荧光特性和生长的影响[J].应用生态学报,2010,21(6):1374-1380.

[20] 殷秀敏,余树全,江洪,等.模拟酸雨对两种针叶植物气体交换和叶绿素荧光特性的影响[J].浙江林业科技,2009,29(5):13-18.

[21] 李志军,罗青红,伍维模,等.干旱胁迫对胡杨和灰叶胡杨光合作用及叶绿素荧光特性的影响[J].干旱区研究,2009,26(1):45-52.

[22] 单运峰,冯宗炜.模拟酸雨对马尾松和杉木幼树的影响[J].环境科学学报,1988,8(3):307-315.

[23] Adams M B, Allen H L. Nutrient proportions in foliage of semi-nature loblolly pine[J]. Plant Soil,1985,86(1):27-34.

[24] Wood T, Bormann F H. Short-term effect of simulated acid rain up on the growth and nutrient relations ofPinusstrobesL.[J]. Water Air and Soil Pollution,1977,7(4)：479-488.

Effects of Acid Rain on Chlorophyll Fluorescence in Leaf and Growth of Chinese Fir Seedlings/

Yu Fei(Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, P. R. China); Yin Xiumin(Hangzhou Zhijiang Landscape Art Co. Ltd.); Yi Lita, Liu Meihua(Zhejiang A & F University)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(1).-6～9

Acid rain; Chlorophyll fluorescence characteristic; Growth;Cunninghamialanceolata

1) 国家自然科学基金青年科学基金(31100325)、浙江省自然科学基金资助(Y3110200,Y5110226)。

俞飞，女，1981年7月生，浙江农林大学林业与生物技术学院，实验师。

伊力塔，浙江农林大学林业与生物技术学院，副教授。E-mail:yilita@126.com。

2013年4月10日。

S791.27; Q945.78

责任编辑：任 俐。

A pot experiment was conducted to study the chlorophyll fluorescence characteristics in leaf and growth ofCunninghamialanceolataseedlings in different seasons under simulated acid rain stress (heavy, pH=2.5; moderate, pH=4.0; control, pH=5.6) for three years. The PSⅡ potential activity (Fv/Fo) and non-photochemistry quenching (qN) are significantly influenced by the heavy acid rain, compared with moderate and control acid rain. Plant height is significantly promoted by heavy acid rain, and is increased by 98.98% and 120.36% compared with moderate and control acid rain in August. But the maximum PSⅡ photochemical efficiency (Fv/Fm), photochemistry quenching (qP) and stem diameter are not influenced by the acid rain. In the same treatments, the chlorophyll fluorescence characteristics and growth are significantly influenced by seasons.Fv/Fm,Fv/Fo, height and diameter are in the order of August>November>May, and theFv/Fm、Fv/Foin August are 25.7% and 121.7% more than those in May under heavy acid rain.Fv/FoandqNare significantly influenced by the interactions between acid rain stress and seasons change.