绣球对酸雨和铝复合处理的生长及铝吸收响应

杨倩倩，蔡建国,2*，王安，刘艳伟

（1.浙江农林大学风景园林与建筑学院，杭州311300；2.浙江农林大学园林设计院有限公司，杭州311300）

酸沉降是全球面临的重大生态环境问题之一。在我国，长江以南地区是遭受酸雨污染最严重的区域，尤其是长三角地区正逐渐成为我国主要的酸雨地带[1-3]。有研究表明，一定强度的酸雨能够破坏植物叶片细胞膜结构，干扰叶绿素合成而降低光合作用[4]，导致植物生理代谢出现紊乱[5]。此外，长期酸雨侵蚀加上大量且不合理地使用化肥等，导致我国南方红壤加速酸化[6]。当土壤呈酸性时，在pH小于5的条件下，土壤中的难溶性铝（Al）会转变成交换性铝，Al3+交换量占土壤中阳离子交换量的20%～80%，且随着pH降低，铝的溶出量增大[7-9]，成为酸性土壤中阻碍植物生长的主要因素之一[10]。植物遭受铝毒害最初表现为植物根部的生长受到抑制[7]，继而根系吸收养分和水分的能力降低[11]，致使地上部分生长发育受阻[12]，长时间的铝胁迫甚至造成植物枯萎死亡[13]。因此，植物遭受酸铝毒害的影响越来越受到关注。

目前，关于酸铝毒害对植物的研究大多集中在森林植物、草原植被、农田作物等方面，鲜有对城市园林植物的研究。绣球（Hydrangea macrophylla）又名八仙花，是虎耳草科（Saxifragaceae）绣球属（Hydrangea）植物，因其观赏价值高，适应能力强，在园林绿地中被广泛应用[14]。绣球花色繁多，对土壤酸碱度敏感，会随着土壤pH 变化而改变花色[15]，而Al3+是致使绣球花色变化的主要因素之一[16]。前期有研究发现，绣球具富集铝离子的能力，对铝表现出较强的忍耐力[17]。本文采用浙江省主要绣球品种之一的‘蓝色妈妈’作为试验材料，旨在相关研究基础上，探究绣球的生物量积累与分配、光合色素、荧光参数以及铝吸收在模拟酸雨和铝复合环境条件下的响应特征，揭示绣球的耐酸铝机制。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采用的绣球品种为‘蓝色妈妈’，试验材料来自浙江农林大学东湖校区绣球种植园区。2018 年5月，摘取长势相近的插穗进行扦插，生根后移苗至上口径17 cm、下口径14 cm、高17 cm 的塑料花盆中，每盆1株，栽培基质为混合基质[V（泥炭）∶V（珍珠岩）∶V（蛭石）=1∶1∶1],每盆装土质量为0.5 kg。容器苗置于浙江农林大学温室大棚内（日均气温25 ℃，相对湿度60%），常规管理。试验前选取长势基本一致的绣球随机分为9组，每组6盆，共54株。

1.2 试验设计

试验设置酸处理和铝处理2 个因子，分别为3个水平，共9 种处理。试验中，模拟酸雨处理液的pH分别设为6.8、5.0、3.0，铝处理液的质量分数分别设为0、1、2 g/kg干土（以Al3+计）。各试验组分别为对照组CK（pH 6.8，Al3+0）、P1（pH 5.0，Al3+0）、P2（pH 3.0，Al3+0）、A1（pH 6.8，Al3+1 g/kg）、A2（pH 6.8，Al3+2 g/kg）、C1（pH 5.0，Al3+1 g/kg）、C2（pH 3.0，Al3+1 g/kg）、C3（pH 5.0，Al3+2 g/kg）、C4（pH 3.0，Al3+2 g/kg）。

于2019 年4 月初开始试验。计算不同铝处理组需要添加的铝量，将不同质量的AlCl3·6H2O用去离子水溶解后，分3 次均匀浇入盆土中。模拟酸雨用浓H2SO4和浓HNO3采用体积比1∶1配制母液，并且每次喷施前将母液用蒸馏水稀释至pH 5.0 和pH 3.0[18]。施加酸雨量依据杭州市临安区近10 年月均降雨量而定，每周喷洒2次，每次每盆喷洒300 mL，对照组仅喷施pH 6.8 的等量蒸馏水。每一盆底放置托盘，将渗出液倒回土中，防止金属流失，试验持续2个月。所有指标重复测定3次。

1.3 测定方法

1.3.1 光合色素含量测定

采用95%乙醇浸提法[19]测定叶绿素（chlorophyll,Chl）含量和类胡萝卜素（carotenoid,Car）含量。

1.3.2 荧光参数测定

用LI-6400XT 便携式光合仪（美国LI-COR 公司）荧光模式测定荧光参数。选取植株中上部成熟叶片作为测定叶，测定前先进行12 h暗适应（过夜），于第2天早上测定初始荧光（Fo）和最大荧光（Fm），计算光系统Ⅱ（photosystem Ⅱ,PSⅡ）最大光化学效率Fv/Fm=(Fm－Fo)/Fm。随后将绣球置于自然光下活化20 min，再测定光化学猝灭系数（photochemical quenching coefficient, qp）、非光化学猝灭系数（nonphotochemical quenching coefficient,NPQ）和电子传递速率（electron transport rate,ETR）[19]。

1.3.3 生物量测定

用蒸馏水将植株冲洗干净，将根、茎、叶分装在牛皮纸袋里，随后放入105 ℃烘箱内杀青25 min，再将烘箱温度调至80 ℃继续烘干至恒量，随后称量各部分的干物质量[19]。

1.3.4 铝含量测定

将样品放入烘箱中烘干至恒量，经磨碎、过0.180 mm筛后称取干样0.3 g，加入5 mL硝酸消煮，消煮完毕后用水定容至25 mL，过滤得待测液，利用电感耦合等离子体发射光谱仪（inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES）（美国LEEMAN LABS 公司）测定根、茎、叶中铝的含量[20]，得出总铝量/g=∑各部分铝质量分数/（g/kg）×各部分干物质量/g。

1.4 数据分析

使用Excel 2016整理数据，并用SPSS 22.0软件进行方差分析，采用邓肯法进行差异显著性分析（P＜0.05）；采用双因素方差分析法对酸雨强度和铝含量的主效应及交互效应进行分析。

2 结果与分析

2.1 酸铝复合处理下绣球光合色素含量的变化

由表1可知：单一酸雨处理下，各叶绿素含量变化不明显；而在P1处理下类胡萝卜素含量显著高于对照CK 与P2处理组。可见，绣球叶绿素含量对酸雨不是很敏感，但弱酸可增加类胡萝卜素含量。单一Al处理下，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量与对照相比均无显著性差异，但显著降低了叶绿素（a/b）值，且随Al 含量升高而下降。复合处理下，C4（PH 3.0，Al3+2 g/kg）处理组各光合色素含量最低，其叶绿素a、叶绿素（a/b）与类胡萝卜素含量分别比对照CK 显著下降32.17%、18.80%、31.11%，其中叶绿素（a/b）值均显著低于C1、C2、C3这3种处理方式下的含量。复合处理组的叶绿素与类胡萝卜素含量的降幅大于单一酸雨或铝处理，表明酸雨和铝复合污染对绣球光合色素含量的影响大于酸雨或铝单因素污染带来的影响。

2.2 酸铝复合处理下绣球荧光参数的变化

从表2可知：单一酸雨胁迫下各荧光参数与对照组相比无显著性差异，表明绣球在酸雨处理下PSⅡ反应中心未受到破坏。不同强度酸雨处理间，P1处理组qp值显著高于P2处理组。单一铝处理下，与对照组相比，A1处理组qp值显著下降，其余各荧光参数没有显著变化。A2处理组Fv/Fm值有所降低，但并不显著；qp和ETR 显著下降而NPQ 显著上升，表明其在光抑制的情况下通过热耗散手段进行调节。复合处理下，随着酸铝胁迫程度的增加，Fv/Fm、qp、ETR均逐渐下降。C3和C4处理组的Fv/Fm、qp和ETR均显著低于对照组，表明其受到光抑制，电子传递效率降低以及PSⅡ反应中心部分关闭；而C4组NPQ显著升高，说明其通过提高热耗散能量以保护光合机构。各复合处理间，同一酸度下，C3和C4处理组的qp和ETR分别显著低于C1和C2处理组，表明高含量铝处理加酸的复合胁迫对绣球的PSⅡ反应中心影响更为显著。

2.3 酸铝复合处理下绣球生物量的积累与分配变化

从表3可知：单一酸雨处理下，绣球各部分生物量有不同程度的增加。相比于对照组处理，P2处理下，绣球根生物量显著增加，茎、叶以及总生物量增加不明显，而P1处理显著增加了绣球的根、茎、叶及总生物量，分别较CK增长65.52%、50.52%、64.85%、61.57%。单一铝处理下，与对照组相比，绣球各部分及总生物量随着Al含量的升高而降低，其中A2处理组显著降低了绣球根、茎、叶及总生物量。说明低含量Al处理对绣球生长的抑制作用较小，高含量Al处理则显著抑制绣球的生长。复合处理下，C3和C4处理组中绣球各部分及总生物量均显著低于对照，其中总生物量分别比对照下降68.18%、67.69%，植株明显矮化。而C1和C2处理组与对照相比无显著差异。

表2 酸铝复合处理对绣球荧光参数的影响Table 2 Effects of combined treatments of acid rain and Al on fluorescence parameters of H.macrophylla

2.4 酸铝复合处理下绣球铝积累与分配变化

从表4可知：单一酸雨处理下，植株各部分及总铝含量与对照组相比无显著差异，不同酸度处理间铝含量也无显著差异。可见，单一酸雨处理对绣球铝含量无显著影响。单一铝处理均显著增加了植株茎、叶及总的铝含量积累。随着铝含量升高，绣球根部和地上部及总铝积累量均显著增加，A1与A2处理组总铝含量分别是对照的3.11 倍和5.55 倍。复合处理下，相比于对照组，植株叶和总的铝积累量在4 种处理下均显著增加。C1、C2、C3、C4处理组的总铝含量分别是对照的5.11倍、4.13倍、7.15倍和8.70倍。

表3 酸铝复合处理对绣球生物量积累的影响Table 3 Effects of combined treatments of acid rain and Al on biomass accumulation of H.macrophylla

表4 酸铝复合处理对绣球铝积累的影响Table 4 Effects of combined treatments of acid rain and Al on Al accumulation of H.macrophylla

2.5 酸雨强度、铝含量及其交互作用对绣球生理参数的影响

从表5 可知：酸雨强度对绣球叶绿素（a/b）值、qp、NPQ以及根、茎、叶、总的生物量和铝含量均有显著影响；铝含量对除叶绿素b 以外的其余参数均有显著影响；酸雨强度和铝含量的交互作用对NPQ、叶和总生物量及各部分铝含量均有显著影响。

3 讨论

光合作用是植物的一个重要代谢过程[21]。一定强度的酸胁迫和有毒金属胁迫会使植物的光合作用受到抑制，主要表现在降低光合色素积累、破坏叶绿素结构等，进而抑制植物生长，使植物生物量降低[22-23]。本研究结果显示：酸雨对绣球各叶绿素含量影响均不显著，而铝处理和酸铝复合处理下叶绿素（a/b）值均显著低于对照。叶绿素a与叶绿素b的比值反映了类囊体的垛叠程度，类囊体堆积程度越小，对光的抑制作用越强[21]。随着铝胁迫中铝含量增大，更多有毒金属离子进入植物细胞体内，可能与合成叶绿素相关酶的肽链中富含巯基的部分结合，改变酶的结构[24]，破坏叶绿体被膜，导致叶绿素a 和叶绿素b 含量下降，且叶绿素a 比叶绿素b 更为敏感，所以Chl（a/b）的值大幅下降，降低了光能向活跃化学能的转化效率[25]。在C4的强酸高铝复合处理下，叶绿素a、叶绿素（a/b）与类胡萝卜素含量下降幅度最大，表明酸雨加剧了高含量铝对绣球光合色素合成的抑制作用。由此可见，绣球光合生理响应对铝处理更为敏感，对酸雨的耐受力较强。

表5 酸雨、铝及其复合处理对绣球生理指标的双因素方差分析Table 5 Variance analysis of two-factor of physiological indexes of H.macrophylla with acid rain,Al and their composite treatments

植物叶绿素荧光参数与叶绿素含量之间存在着一定的相关性，其参数也发生相应的变化。对叶绿素荧光检测结果显示，单一酸雨处理下，绣球PSⅡ反应中心几乎没有受到影响。单一铝胁迫下，绣球qp和ETR值随铝含量升高均呈下降趋势，且A2处理组显著低于对照，说明PSⅡ开放程度降低，电子传递受到抑制，这与铝胁迫引起西瓜叶片荧光特性和叶绿素含量下降的研究结果[26]一致。复合污染时，与对照组相比，C3、C4处理组的Fv/Fm、qp、ETR均显著降低，而NPQ 大幅上升，表明叶片受到严重胁迫，通过热耗散形式以减少光合机构所受影响；且同一铝含量下，除NPQ 值外，各荧光参数随着pH降低而减小，说明酸雨强度的增大加剧了铝毒对绣球光合机构的损害。单一铝和复合处理下，绣球Fv/Fm、qp、ETR与叶绿素（a/b）值的变化趋势相近，推测Chla/Chlb 比值的变化是影响绣球荧光特性的主要原因之一。综合来看，高铝强酸复合胁迫会对绣球光合机构造成一定程度的损害，单独酸雨处理对其无明显影响。

相关研究发现，低强度酸雨对植物的叶绿素含量、荧光特性、生物量等影响较小，甚至有一定的促进作用[27-29]。本研究结果显示：单一酸雨处理时，绣球生物量与对照相比均有所增加，且P1处理影响显著，可能是酸雨中的氮素进入土壤后产生施肥效应，致使植株生物量增加[18,30]。P1和P2组2种酸雨处理都显著增加了根的生物量，说明绣球可以通过增加地下部分营养分配比重，提高根部吸收能力以适应环境胁迫。加入外源铝处理后，在2 g/kg 铝胁迫下，绣球生物量积累显著下降，原因可能是高含量铝毒害破坏了根系伸长细胞正常的生理结构，植物根系吸收水分及养分受阻，叶片失水[23,31]，同时，光合色素含量降低，光合机构受损，抑制其生长发育。可见，绣球生长受铝胁迫影响更大，对酸性环境有较强的适应能力和自我调节能力。

本研究中，当铝含量相同时，复合处理后的绣球总铝积累量均高于单铝处理，说明酸雨促进了绣球对铝的吸收。研究结果显示：无论是单独铝处理还是复合处理，植株各部分铝含量均为根＞茎＞叶，说明绣球吸收铝后主要积累在根系，只有小部分被运输到茎和叶中，这与周思婕等[32]对马尾松的研究结果相符。这是因为进入植物根系的金属离子与根内细胞原生质体中蛋白质、核酸类等络合，形成大分子向下沉积，从而阻碍铝向地上茎、叶的运输，也在一定程度上缓解了铝对植物的伤害[21]。研究中还发现：在复合处理中，同一铝含量下，相较于pH 5.0 加铝处理组，pH 3.0 加铝处理组绣球茎和叶中铝含量有较为明显的增加，而根中铝含量显著减少，可能是强酸促进了铝离子的释放，当铝含量超过一定值时，铝在根系中的大量积聚会破坏根系结构，降低根系对铝的吸收能力。同时，高含量铝胁迫刺激了铝向地上部迁移，致使茎、叶中铝含量上升，具体机制还需进一步研究。

4 结论

经过短期模拟酸雨和铝复合处理试验发现：单一酸雨处理未使植株叶绿素含量和PSⅡ反应中心受到显著影响，弱酸（pH 5.0）处理显著增加了试验绣球根、茎、叶及总生物量。单一铝处理下，高含量铝显著降低电子传递活性和速率，抑制绣球生长。复合处理中，C4处理组植株根和茎生物量降幅最大，且铝积累量最高。强酸高铝复合胁迫破坏植物PSⅡ反应中心，造成光合色素含量降低，并影响其组成，抑制绣球的生长。铝处理和复合处理均显著增加了植株叶及总铝含量积累，酸雨促进绣球对铝的吸收，植株各部分铝的积累量为根＞茎＞叶。此外，酸雨强度和铝含量的双因素方差分析表明，两者交互作用对绣球NPQ、叶和总生物量及根、茎、叶的铝含量均有显著影响。